Водотрубные котлы

Первые промышленные паровые котлы были жаротрубными. Топливо сгорало внутри труб, расположенных в горизонтальном цилиндре, заполненном водой. И только в середине XIX века, спустя более 100 лет после того, как Джеймс Ватт изобрел паровой котел и паровую машину, началось изготовление водотрубных котлов. Для жаротрубных котлов серьезным ограничением являлась невысокая по нынешним временам паропроизводительность. Имелись сложности с обеспечением безопасности при аварийных режимах работы, в случаях значительного превышения давления или снижения уровня воды. Последствия взрыва жаротрубного котла при несвоевременном срабатывании защитной автоматики катастрофичны (рис.1).

Рис.1 Взрыв паровозного жаротрубного котла с дымогарными трубами

Энергичное развитие водотрубных котлов происходило в начале ХХ века. В 1927-м году был введен в эксплуатацию котел Бенсона, вырабатывающий 30 тонн пара в час при давлении 18,0 МПа и температуре 450 °C. В 1960-е годы производились котлы со сверхкритическими параметрами: давлением 35,0 МПа и температурой свыше 600 °C. А в 1970-х годах уже выпускались водотрубные котлы паропроизводительностью 2000 т/ч.

Конструкция водотрубных паровых котлов

В водотрубных котлах поверхности нагрева состоят из труб, внутри которых движется теплоноситель. Все начинается с подогрева питательной воды, которая подается в котел питательным насосом (рис.2). Этот процесс происходит при однократном прохождении воды через трубы конвективной поверхности нагрева ― экономайзера. Далее теплоноситель поступает в испарительные поверхности нагрева, расположенные в топке. Здесь образуется пар, который затем в некоторых котлах поступает в пароперегреватель. Через обогреваемые дымовыми газами трубы пароперегревателя пар проходит однократно.

Рис.2 Питательный насос

В паровых котлах для превращения питательной воды в пар применяются различные схемы циркуляции теплоносителя: естественная, многократная принудительная и прямоточная. Парообразующие поверхности нагрева могут быть разными. Чаще всего в котлах пароводяная смесь многократно проходит через обогреваемые трубки топочных экранов за счет естественной циркуляции или, реже, опять же многократно в результате принудительной циркуляции с использованием насоса. В прямоточных котлах пароводяная смесь проходит через испарительные поверхности нагрева однократно, перемещаемая питательным насосом.

Прямоточные паровые котлы

В прямоточных котлах пар образуется непосредственно в трубах. За один прямой ход, без возврата по замкнутому контуру, вода полностью превращается в перегретый пар.

Рис.3 Схема работы прямоточного водотрубного котла

Питательная вода подается питательным насосом 1 в экономайзер 2, где происходит предварительный нагрев дымовыми газами (рис.3). Через испарительные трубы 3 вода проходит однократно, постепенно превращаясь в пар. Из пароперегревателя 4 перегретый пар через патрубок 5 выходит в паропровод

Барабанные паровые котлы

Для получения насыщенного и перегретого пара используются котлы с барабаном. В него подается питательная вода, в нем происходит отделение пара от воды (испарение), его очистка, хранится запас воды. Поверхность кипящей воды в барабане, отделяющая водяной объем от парового, называется зеркалом испарения.

Рис. 4 Схема барабанного котла с принудительной циркуляцией

Питательный насос 1 подает воду в экономайзер 2, откуда она поступает в барабан 5 (рис.4). Он в нижней части соединен с необогреваемыми опускными трубами 4 и с обогреваемыми подъемными трубами 3. В барабане происходит сепарация воды и пара. Далее пар поступает во входной коллектор пароперегревателя 6 и затем в выходной патрубок 7. Котловая вода вновь попадает в опускные трубы 4, где перекачивается циркуляционным насосом 8 и поступает в подъемные трубы 3, обогреваемые теплом горящего топлива.

Паровые котлы с естественной циркуляцией

В котлах с естественной циркуляцией движение по необогреваемым опускным и обогреваемым подъемным трубам происходит вследствие разности плотностей воды и пароводяной смеси.

Рис. 5 Схема барабанного котла с естественной циркуляцией

В котлах П-образной компоновки (рис.5) питательная вода поступает в экономайзер 9, расположенный в конвективной шахте 8. Далее нагретая вода поступает в барабан 4, в нижнюю часть которого введены необогреваемые опускные трубы 5 и обогреваемые подъемные трубы 3. По необогреваемым трубам котловая вода опускается к коллекторам 11, размещенным у нижней кромки топки 2. Из них вода поступает в вертикальные подъемные трубы 3 топочных экранов. Здесь при сгорании топлива, подаваемого через горелку 1, начинается процесс парообразования. При однократном прохождении через топочные экраны испаряется не вся вода: в барабан поступает пароводяная смесь, где происходит сепарация воды и пара. Пар поступает во входной коллектор пароперегревателя 7, а котловая вода вновь попадает в опускные трубы циркуляционного контура. Фестон 6 представляет собой испарительную поверхность нагрева, размещенную в выходном окне топки. Перед выходом из котла дымовые газы поступают в воздухоподогреватель 10, в котором нагревается воздух, идущий на горение.

Паровой котел ДКВР

Двухбарабанные котлы вертикально-водотрубные реконструированные (ДКВР) предназначены для выработки насыщенного и перегретого пара, возможно их использование в водогрейном режиме (рис.6).

Рис.6 Котел ДКВР

Паропроизводительность котлов ДКВР составляет от 2,5 до 20 т/ч, температура перегретого пара — до 194 ⁰С, избыточное давление пара — до 1,3 МПа. Работают на твердом, жидком и газообразном топливе.

Котел не имеет несущего каркаса, его трубно-барабанная система размещается на опорной раме, с помощью которой котел ДКВР крепится к фундаменту. Обмуровка выполняется из шамотного и обыкновенного кирпича или облегченной из термоизоляционных плит.

Рис. 7 Конструкция котла ДКВР

1- топочная камера; 2 - верхний барабан; 5 - питательные трубопроводы; 8 - камера догорания; 9 - перегородка; 10 - кипятильный пучок труб; 13 - нижний барабан; 15 - кирпичная стенка; 16 - коллектор

Котел ДКВР-6,5-13 (рис.7) имеет два барабана, верхний 2 и нижний 13, с одинаковым внутренним диаметром 1 000 мм. Нижний барабан укорочен на размер топки. Котел имеет экранированную топочную камеру 1 и пучок кипятильных труб 10. Топочные экраны и трубы кипятильного пучка выполнены из труб наружным диаметром 51 мм с толщиной стенки 2,5 мм. Топочная камера отопительного котла разделена кирпичной стенкой 15 на собственно топку и камеру догорания 8, которая не позволяет пламени попасть в пучок кипятильных труб.

Дымовые газы из топки выходят через окно, расположенное в правом углу стены топки, и поступают в камеру догорания 8. С помощью двух перегородок 9, шамотной (первая по ходу газов) и чугунной, внутри котла образуются два газохода, по которым движутся дымовые газы, поперечно омывающие трубы конвективного пучка. После этого они выходят из котла через специальное окно, расположенное с левой стороны в задней стене котла. Верхний барабан отопительного котла в передней части соединен с двумя коллекторами 16 трубами, образующими два боковых топочных экрана. Одним концом экранные трубы ввальцованы в верхний барабан, а другим приварены к коллекторам из стальных труб. В задней части верхний барабан котла соединен с нижним барабаном пучком кипятильных труб. Коллекторы соединены с нижним барабаном с помощью перепускных труб.

Питательная вода подается по двум перфорированным питательным трубам 5 под уровень воды в верхний барабан. По опускным трубам вода из барабана поступает в коллекторы 16, а по боковым экранным трубам пароводяная смесь поднимается в верхний барабан, образуя таким образом два контура естественной циркуляции. Третий контур циркуляции образуют верхний и нижний барабаны котла и кипятильный пучок. Опускными трубами этого контура являются трубы наименее обогреваемых последних рядов (по ходу газов) кипятильного пучка.

Вода по опускным трубам поступает из верхнего барабана в нижний, а пароводяная смесь по остальным трубам котельного пучка, имеющим повышенную тепловую нагрузку, поднимается в верхний барабан. В верхнем барабане котла происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду.

Водогрейные водотрубные котлы

К водотрубным относятся водогрейные котлы ТВГ, КВ-ГМ, ПТВМ и др. Водогрейные котлы ПТВМ-50 выполнены в виде прямоугольной шахты, в нижней части которой находится полностью экранированная камерная топка (рис.8).

Рис.8 Котел ПТВМ

Экраны котла ПТВМ-50 (рис.9) изготовлены из стальных труб наружным диаметром 60 мм с толщиной стенки 3 мм. Экранная поверхность состоит из двух боковых, фронтального и заднего экранов. Сверху над топкой размещается конвективная поверхность нагрева 2 в виде змеевиковых пакетов из стальных труб наружным диаметром 28 мм с толщиной стенки 3 мм.

Рис.9 Стальной водотрубный водогрейный котел ПТВМ-50

Трубы змеевиков приварены к вертикальным коллекторам. Топка котла ПТВМ-50 оборудована двенадцатью газомазутными горелками 4 с индивидуальными дутьевыми вентиляторами 5. Они расположены на боковых стенах топки по шесть штук на противоположных стенах в два яруса по высоте. Над котлом установлена дымовая труба 1, опирающаяся на каркас и обеспечивающая естественную тягу. Вода в котле циркулирует с помощью насосов.

 Автор статьи: Вершилович Владислав Адамович

- Место работы - ООО «Газпром газораспределение Нижний Новгород»

- Автор популярных книг и учебных пособий по устройству и эксплуатации газового оборудования

Пройдите курсы по промышленной безопасности
И получите удостоверение

Подробности здесь