Водотрубные котлы с естественной циркуляцией
Очень широкое применение в составе судовых и корабельных КТЭУ нашли водотрубные котлы с естественной циркуляцией. Они значительно легче и экономичнее огнетрубных котлов.
Водотрубными называют такие паровые котлы, у которых внутри труб, омываемых снаружи горячими продуктами сгорания топлива, циркулирует вода и пароводяная смесь.
В основе классификации морских водотрубных котлов с ЕЦ лежат следующие признаки:
- наклон труб к горизонту: по этому признаку различают горизонтальные котлы, у которых наклон труб не превышает 30°; и вертикальные котлы,
у которых наклон труб к горизонту составляет 45 ÷ 90°; - количество коллекторов: на морских судах устанавливают одно-, двух-, трех-, и значительно реже – четырехколлекторные котлы;
- количество поворотов (ходов) потока дымовых газов внутри пучков труб: различают одно- и трехходовые котлы;
- симметрия относительно вертикальной плоскости, проходящей через паровой коллектор: различают симметричные и асимметричные котлы;
- степень экранирования топки: современные котлы имеют, как правило, высокую степень экранирования топок;
- параметры вырабатываемого пара;
- особые конструктивные различия (наличие или отсутствие тех или иных поверхностей нагрева, количество топочных устройств и их расположение, форма топки и т.д.).
Паровой водотрубный котел с естественной циркуляцией (рис. 5) состоит из корпуса, включающего в себя два коллектора (паровой и водяной), и соединяющие их трубы испарительной поверхности нагрева. Водяной коллектор полностью заполнен водой, паровой коллектор – примерно до половины.
Уровень воды в паровом коллекторе поддерживается таким,
чтобы не происходило оголения труб и срыва циркуляции воды с учетом возможных кренов и дифферентов судна. Пространство котла, заполненное водой, называется водяным, заполненное паром – паровым. Поверхность воды в паровом коллекторе, разделяющая водяное и паровое пространства, называется зеркалом испарения.
Жидкое топливо сгорает в топке, снабженной одной или несколькими форсунками. Воздух, необходимый для сгорания топлива, поступает в топку через воздухонаправляющие устройства. Теплота в виде высокотемпера- турного излучения факела воспринимается экранным пучком труб и первыми 3 ÷ 4 прореженными рядами конвективного парообразующего пучка
(лучистый теплообмен).
Горячие газы, образовавшиеся при сгорании топлива, направляются в газоход котла, омывая по ходу движения поверхности теплообмена: ряды труб конвективного парообразующего пучка, пароперегревателя, водяного экономайзера, и пройдя через трубы воздухоподогревателя выбрасываются в атмосферу.
При омывании
поверхностей нагрева газы передают свою теплоту: на нагрев и испарение воды в конвективном испарительном пучке труб; на перегрев пара в пароперегревателе; на подогрев воды в экономайзере; на подогрев воздуха в воздухоподогревателе (конвективный теплообмен). В процессе теплообмена температура газов снижается от 1800 ÷ 2000 С° в топке до 190 ÷ 500 С° на
выходе из котла.
За счет излучающей способности факела и омывания горячими газами в трубах экрана и конвективного парообразующего пучка происходит частичное испарение воды. Образовавшаяся в них пароводяная смесь поднимается в паровой коллектор. Пар собирается в верхней части парового коллектора и по перепускной трубе направляется в верхний коллектор
пароперегревателя.
Из верхнего коллектора по трубам пароперегревателя пар направляется в нижний коллектор. При движении пара по трубам пароперегревателя повышается его температура (происходит перегрев пара). Перегретый пар из котла отбирается на потребители через главный стопорный клапан, расположенный на нижнем коллекторе пароперегревателя.
Масса испарившейся воды восполняется поступлением свежей воды из питательного трубопровода. Предварительно, перед поступлением в паровой коллектор, питательная вода подогревается в экономайзере. В паровом коллекторе «холодная» питательная вода смешивается с котловой водой парового коллектора, и по опускным трубам, располагающимся в необогреваемой зоне за экранным пучком, опускается в водяной коллектор котла.
https://www.youtube.com/watch?v=dVJpwhRfa6k
Трубы (экранный и конвективный испарительные пучки), по которым вода и пароводяная смесь поднимается из водяного коллектора в паровой, называются подъемными; трубы, по которым вода опускается вниз из парового коллектора в водяной, называются опускными.
Таким образом при работе котла с ЕЦ вода и пароводяная смесь постоянно движутся по замкнутому контуру: паровой коллектор – опускные трубы – водяной коллектор – подъемные трубы – паровой коллектор. Совокупность элементов котла, в которых осуществляется замкнутое движение воды и пароводяной смеси, называется контуром циркуляции, а само движение воды и пароводяной смеси по контуру циркуляции называется естественной циркуляцией.
Отношение веса воды, поступившего в подъемные трубы контура, к весу образовавшегося в них пара называется кратностью циркуляции:
В физическом смысле кратность циркуляции показывает: сколько раз должен пройти по контуру циркуляции объем содержащейся в нем воды, чтобы полностью превратиться в пар при данной нагрузке (паропроизводительности) котла.
Значение кратности циркуляции в современных водотрубных котлах с ЕЦ обычно составляет от 40 – на минимальной нагрузке, до 4 – на максимальной.
Основной особенностью котлов с естественной циркуляцией является четкое разделение между собой поверхностей нагрева: экономайзерной, испарительной и пароперегревательной, с помощью коллекторов. При таком разделении экономайзерный, испарительный и перегревательный участки имеют строго фиксированные величины, не изменяющиеся при изменении нагрузки котла.
Семейство водотрубных котлов с ЕЦ насчитывает множество различных компоновочных схем и технических решений. Основными типами водотрубных котлов с ЕЦ, применяемых в судовых условиях, являются:
- секционные горизонтальные котлы;
- трехколлекторные одно- и двухпроточные котлы;
- двухколлекторные котлы;
- котлы шахтного типа.
Секционные горизонтальные водотрубные котлы
У водотрубных котлов секционного типа классификационным отличительным признаком является наклон труб к горизонту. Секционные котлы относятся к водотрубным котлам горизонтального типа и имеют следующую конструкцию (рис. 6):
К нижней части парового коллектора посредством коротких патрубков присоединен ряд водяных камер. Передняя и задняя камеры вместе с соединяющими их прямыми испарительными трубами образуют секцию котла. Количество секций парообразующей части определяется паропроизводительностью котла и длиной парового коллектора.
Вода, поступающая из парового коллектора в передние камеры, распределяется по трубам секции, где от воздействия горячих газов частично превращается в пар. Пароводяная смесь собирается в задней камере и по пароотводящей
трубе поступает в паровой коллектор. Для облегчения выхода пароводяной смеси испарительные трубы устанавливают под углом не менее 15° к горизонту.
Секционные котлы, оснащенные пароперегревателем, располагаемым в газоходе котла, позволяют отбирать как насыщенный, так и перегретый пар; оснащенные экономайзером – производить предварительный подогрев питательной воды; оснащенные воздухоподогревателем – осуществлять подогрев воздуха перед подачей его в топку. Применение этих дополнительных поверхностей нагрева повышает экономичность котла и снижает потери теплоты.
Секционные горизонтальные водотрубные котлы с ЕЦ широко использовались в качестве главных в середине прошлого века, но из-за своих недостатков: малой надежности, сложности в эксплуатации, жесткости конструкции, малой степени экранирования топочного пространства, в качестве главных паровых котлов уже не применяются и используются в редких случаях в качестве вспомогательных на отдельных типах судов.
Трехколлекторные двухпроточные водотрубные котлы
В этих типах паровых водотрубных котлов с ЕЦ (рис. 7) паровой коллектор соединяется с двумя водяными коллекторами пучками парообразующих труб, в результате чего корпус котла имеет Δ-видную форму.
Газы, образующиеся при сгорании топлива в топке, разделяются на два потока и омывают трубы двух испарительных пучков. Внутри трубных пучков испарительной части могут располагаться трубы пароперегревателя (как с одной, так и с обеих сторон). Если пароперегреватель расположен в одном газоходе, то котел относится к асимметричному типу (рис. 7.в, г); если
в двух – к симметричному (рис. 7.б).
В Δ-видных двухпроточных котлах отсутствует экранная поверхность нагрева, а теплота излучения факела воспринимается первыми притопочными рядами испарительных пучков труб. Опускные трубы в таких котлах могут располагаться снаружи (за кожухом) в необогреваемой части котла, либо роль опускных труб выполняют задние (менее обогреваемые) ряды труб конвективных испарительных пучков.
Δ-видные котлы получили широкое распространение на судах и кораблях в 30 – 50-е годы прошлого столетия. Принципиальным недостатком котлов этого типа являлась малая скорость газового потока, что приводило к увеличению массогабаритных показателей. Ввиду значительных массогабаритных показателей и жесткости конструкции, определяющей маневренные характеристики, Δ-видные котлы в качестве главных в настоящее время уже не применяются.
Трехколлекторные однопроточные водотрубные котлы
Недостатки Δ-видных котлов послужили основной причиной для массового перехода к более компактным и легким однопроточным вертикальным трехколлекторным водотрубным котлам с ЕЦ.
Конструктивно корпус котла включает: три коллектора (паровой, водяные коллекторы экрана и конвективного парообразующего пучка), парообразующие и опускные трубы. С одной стороны топочное пространство ограничено экранным пучком труб, поэтому газы имеют проход только с той стороны, где располагается прореженный конвективный парообразующий
пучок.
В трехколлекторных котлах организованы два контура ЕЦ:
- контур циркуляции экрана, образованный паровым коллектором, коллектором экрана, подъемными трубами (экранный и притопочный конвективный пучок) и опускными трубами, размещенными за трубами экрана в необогреваемой части котла;
- контур циркуляции конвективного парообразующего пучка, образованный паровым коллектором, водяным коллектором и трубами конвективного испарительного пучка, выходящими из
водяного коллектора. Подъемными трубами в этом контуре циркуляции являются трубы конвективного испарительного пучка, расположенные до пароперегревателя, и часть рядов труб после
пароперегревателя; либо первые несколько рядов труб конвективного пучка после пароперегревателя; опускными трубами служат последние (наименее обогреваемые) несколько рядов труб испарительного пучка за пароперегревателем.
Компоновочные схемы таких котлов могут отличаться типом и расположением пароперегревателя, наличием или отсутствием экономайзера и воздухоподогревателя, количеством топочных устройств и другими конструктивными особенностями.
Однопроточные трехколлекторные водотрубные котлы с естественной циркуляцией КВГ-25, КВГ-34 и их модификации получили широкое распространение в качестве главных котлов на судах транспортного флота.
Двухколлекторные однопроточные водотрубные котлы
Котлы этого типа (рис. 5) наиболее распространены на судах в качестве главных и вспомогательных. Они проще по конструкции, чем трехколлекторные котлы, имеют меньшую массу и габариты, высокую маневренность и просты в эксплуатации.
В двухколлекторных котлах конструктивно организуется только один контур естественной циркуляции: подъемными трубами служат трубы экрана, расположенные с одной стороны топки, и трубы конвективного парообразующего пучка, расположенные со стороны газохода, а опускные трубы всегда размещаются в необогреваемой части котла, как правило, за экранным пучком труб.
За конвективным парообразующим пучком могут устанавливаться другие поверхности нагрева котла: вертикальный или горизонтальный пароперегреватель, экономайзер, воздухоподогреватель, которые хорошо вписываются в газоход котла.
Вертикальные водотрубные котлы с ЕЦ шахтного типа
Это сравнительно новый тип главных котлов с сильно развитой радиационной (экранной) поверхностью нагрева в топке (рис. 9).
Отличительными особенностями котлов шахтного типа являются:
- практически полное экранирование топки с целью лучшего использования теплоты излучения факела;
- отсутствие конвективных испарительных поверхностей нагрева;
- потолочное расположение топочных устройств;
- размещение трубных пучков пароперегревателей, экономайзера и воздухоподогревателя в вертикальной шахте газохода котла.
В таких котлах теплота излучения факела воспринимается сильно развитой экранной поверхностью нагрева, которая ограничивает со всех сторон топочное пространство и выполняет роль подъемной части контура циркуляции. Горячие продукты сгорания проходят через прореженную нижнюю часть бокового экрана – фестон, и поступают в вертикальную шахту котла, в которой расположены конвективные поверхности нагрева пароперегревателей (основного и промежуточного) и экономайзера.
Далее из шахты котла продукты сгорания проходят через трубы
воздухоподогревателя, отдавая свое тепло нагреваемому воздуху, и выбрасываются в атмосферу. Опускная часть контура циркуляции образована трубами, размещенными в необогреваемой части котла: как правило за экранными поверхностями нагрева.
Топливо и воздух подаются в топку сверху вниз. Верхнее (потолочное) размещение топочных устройств и большой объем топочного пространства позволили улучшить условия смешивания топлива с воздухом и сгорания топлива даже при малых коэффициентах избытка воздуха (α = 1,05 ÷ 1,08).
Котлы шахтного типа имеют высокий КПД (95 ÷ 97 %), вырабатывают пар высоких параметров (p = 8 МПа, tПЕ = 515 °С) и применяются в основном
на крупнотоннажных судах с мощными пароэнергетическими установками, использующими сложные тепловые схемы с промежуточным перегревом пара.
Прямоточные паровые котлы
Прямоточными паровыми котлами называют такие котлы, у которых в испарительных поверхностях нагрева рабочее тело (вода, пароводяная смесь и пар) совершает принудительное однократное движение. За один прямой ход, без кругового движения по замкнутому контуру, вода полностью превращается в перегретый пар. Таким образом кратность циркуляции в прямоточных котлах равна единице:
Простейший одновитковый прямоточный котел представляет собой обогреваемую горячими газами трубу в один конец которой подается питательная вода, а из другого конца отбирается перегретый пар (рис. 10):
На экономайзерном участке котла происходит подогрев поступающей питательной воды до температуры насыщения, на испарительном – испарение воды, и на перегревательном – дальнейшее повышение температуры образовавшегося из воды пара (перегрев пара).
Отличием прямоточных котлов от котлов с ЕЦ является то, что экономайзерный, испарительный и пароперегревательный участки четко не разделены между собой, а их протяженность зависит от нагрузки котла. При уменьшении температуры газов или увеличении расхода питательной воды границы экономайзерного и испарительного участков смещаются вправо (по схеме) и их длина увеличивается; при увеличении нагрузки котла или уменьшении расхода питательной воды – смещаются влево, и их длина уменьшается.
Паропроизводительность одновиткового котла (состоящего из одной трубы) обычно не превышает значения 10 т/ч, так как дальнейшее ее увеличение связано с резким возрастанием гидравлических сопротивлений и, как следствие, со значительным увеличением мощности и массогабаритных показателей питательного насоса. Для обеспечения бόльших значений паропроизводительности все мощные прямоточные котлы выполняются многовитковыми.
В многовитковом прямоточном котле питательная вода поступает в раздающий коллектор небольшого диаметра (100 ÷ 150 мм), откуда распределяется по нескольким параллельно включенным и
обогреваемым газами виткам. После испарения и перегрева в трубах поверхностей нагрева образовавшийся пар поступает в смесительный (собирающий) коллектор, откуда через главный стопорный клапан отбирается на потребители.
С целью обеспечения большей компактности поверхности нагрева прямоточного котла, все параллельно включенные витки выполняют в виде змеевиков. Змеевиковые поверхности нагрева очень хорошо вписываются в газоходы, что позволяет придавать прямоточным котлам практически любую форму, удобную с точки зрения размещения в котельном отделении. Конструктивная схема многовиткового прямоточного парового котла и принцип его действия показаны на рис. 12.
Питательная вода с помощью питательного насоса подается в раздающий коллектор экономайзера, где распределяется по нескольким параллельно включенным змеевикам трубного пучка экономайзера. В экономайзере вода нагревается до температуры меньшей, чем температура насыщения при данном давлении на 30 ÷ 40 °С, и собирается в смесительном коллекторе.
Из смесительного коллектора экономайзера подогретая вода по перепускной трубе подается в раздающий коллектор испарительной части, откуда распределяется по параллельно включенным виткам, образующим экранную поверхность нагрева и ограничивающим топочное пространство.
В верхней части топки из сплошного экрана витки переходят в змеевики прореженного пучка труб испарительной части котла. Слегка перегретый пар, образовавшийся в испарителе, собирается в смесительном коллекторе и по внешней перепускной трубе поступает в раздающий коллектор
пароперегревателя.
Многовитковые прямоточные котлы могут обеспечивать большие паропроизводительности и высокие параметры пара. Они компактны, маневренны, легко вписываются в габариты котельного отделения.
Котлы с принудительной циркуляцией малой кратности
Основным и самым существенным недостатком прямоточных котлов является отложение накипи на стенках труб в переходной зоне испарительной части, где испаряется примерно 15 ÷ 20 % воды. Так как четких границ между экономайзерной, испарительной и перегревательной частями в прямоточном котле нет, а их положение меняется в зависимости от нагрузки котла, то отложение солей происходит на довольно значительной по протяженности части трубной системы.
Этот недостаток прямоточного котла можно устранить, если в его конструктивной схеме, в районе переходной зоны с повышенной концентрацией солей, где влажность пара составляет 15 ÷ 30 %, организовать продувание некоторой части воды с повышенным солесодержанием.
Общая компоновка поверхностей нагрева и принцип их включения в котле с ПЦ МК (рис. 13) практически совпадают со схемой прямоточного котла, с той разницей, что пароводяная смесь из испарительной части котла с паросодержанием 70 ÷ 85 % направляется в сепарационную копилку.
В сепарационной копилке происходит разделение паровой и водяной фаз пароводяной смеси. Часть воды, скапливающейся в нижней части сепарационной копилки, и содержащая повышенную концентрацию солей, продувается, а насыщенный пар из верхней части сепарационной копилки
поступает в трубную систему пароперегревателя.
Таким образом паропроизводительность паровых котлов с ПЦ МК по перегретому пару равна расходу питательной воды, подаваемой в котел, за вычетом расхода продувочной воды:
Так как величина GПР составляет 15 ÷ 30 % от величины GПВ, то кратность циркуляции в таких котлах близка к единице и принимает значение:
По этому признаку котлы рассмотренной конструкции называют котлами с принудительной циркуляцией малой кратности. Количество продуваемой воды GПР устанавливается несколько бóльшим, чем требуется для сохранения солевого равновесия, поэтому часть продуваемой воды обычно возвращается на всасывание питательного насоса, а остальная продувочная вода удаляется за борт.
Основным преимуществом котлов с ПЦ МК по сравнению с прямоточными является тот факт, что они допускают борьбу с повышенной соленостью котловой воды путем продувания. Это увеличивает надежность работы испарительных витков и снижает требования к качеству питательной воды. Такие котлы можно питать не чистым конденсатом или дистиллированной водой, а химически очищенной водой.
Недостатками котлов с ПЦ МК являются: некоторое утяжеление за счет применения копилки-сепаратора; невозможность отбора насыщенного пара.
Котлы с многократной принудительной циркуляцией
Котлы с МПЦ появились в результате попыток дальнейшего усовершенствования схем прямоточных котлов и котлов с ПЦ МК, стремления увеличить надежность работы этих типов котлов и снизить требования, предъявляемые к качеству питательной воды.
Характерной особенностью котлов с МПЦ (рис. 14) является наличие коллектора-сепаратора, имеющего размеры, сопоставимые с размерами паровых коллекторов котлов с ЕЦ.
Питательный насос подает питательную воду в раздающий коллектор экономайзера. После предварительного подогрева в экономайзере питательная вода собирается в сборно-смесительном коллекторе и по перепускной трубе поступает в коллектор-сепаратор. Здесь подогретая питательная вода смешивается с находящейся в сепараторе котловой водой и
насосом многократной принудительной циркуляции НМПЦ подается в раздающий коллектор испарительной части котла.
Проходя по экранным и конвективным поверхностям нагрева испарительного пучка труб, вода частично испаряется и образовавшаяся пароводяная смесь с паросодержанием 12 ÷ 15 % поступает обратно в коллектор-сепаратор. В коллекторе-сепараторе из образовавшейся пароводяной смеси происходит разделение паровой и водяной фаз (сепарация).
Отсепарированный пар из коллектора-сепаратора частично отбирается на потребители в виде
насыщенного пара − DНАС , а большей частью по перепускным трубам направляется в раздающий коллектор пароперегревателя. В витках пароперегревателя происходит перегрев пара, и перегретый пар собирается в выходном коллекторе котла, откуда через главный стопорный клапан поступает на потребители.
Насос многократной принудительной циркуляции создает избыточный напор 0,2 ÷ 0,3 МПа, необходимый для преодоления гидравлического сопротивления парообразующей части. Его производительность в 4 ÷ 10 раз больше паропроизводительности котла. Включение насоса в контур циркуляции дает возможность значительно увеличить скорость воды в
трубах испарительной части (до 2 ÷ 2,5 м/с на полной нагрузке) и значительно улучшить надежность циркуляции по сравнению с котлами с естественной циркуляцией.
Котлы с МПЦ по габаритам и весу занимают промежуточное положение между прямоточными котлами и котлами с ЕЦ. Наличие сепаратора, организованная продувка и применение НМПЦ позволяют проводить качественную сепарацию пара и значительно уменьшить отложения солей внутри испарительных и пароперегревательных поверхностей нагрева.
Наиболее уязвимым элементом котлов с МПЦ является насос многократной принудительной циркуляции, работающий в очень тяжелых условиях: практически в кипящей воде при больших ее расходах. Даже незначительное снижение давления во входном патрубке насоса может привести к возникновению и развитию кавитации, срыву подачи воды в испарительную часть котла и, соответственно, к выходу котла из строя.
Паровые котлы с принудительной циркуляцией (прямоточные, ПЦ МК и МПЦ) являются наиболее перспективными для применения в судовых котельных установках, но в настоящее время в качестве главных котлов практически не используются. Сложности, связанные с автоматизацией и повышенным качеством питательной воды, позволяют их использовать только в роли вспомогательных утилизационных котлов для выработки пара за счет использования энергии выхлопных газов дизельных или газотурбинных установок (т.е. в условиях относительно небольших температур газов).
