Тема: Назначение и классификация судовых паровых котлов. Состав котельной установки. Характеристики паровых котлов.

Цель: Ознакомиться с предназначением, устройством, классификацией и техническими характеристиками судовых паровых котлов.

План лекции

1. Назначение и классификация судовых паровых котлов

2. Характеристики паровых котлов

1. Назначение и классификация судовых паровых котлов

Паровым котлом называют теплообменный аппарат, предназначенный для превращения воды в пар заданных параметров за счет тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива.

Принцип действия парового котла определяется сущностью рабочих процессов, происходящих в нем. Рабочие процессы в паровых котлах протекают в воздушно-газовом тракте, в пароводяном тракте, и тесно взаимосвязаны друг с другом.

Существует два основных источника получения тепла в паровом котле:

1. Непосредственное сжигание органического топлива в топке котла (основной способ). При этом образуется большой объем горячих продуктов сгорания (дымовых газов), которые являются теплоносителем, передающим теплоту нагреваемой и испаряемой воде и перегреваемому пару;

2. Использование теплоты отработавших газов других типов тепловых двигателей: дизельного двигателя или газотурбинной установки.

Судовые паровые котлы можно классифицировать по следующим признакам:

- на главные, обеспечивающие паром главный двигатель (паровую турбину) и все потребители пара на ходу судна (корабля);

- вспомогательные, обеспечивающие паром все потребители судна на стоянке при неработающих главных котлах, а также используемые для ввода в действие главных котлов. На судах с ГТУ и ДЭУ вспомогательные котлы работают и на ходовых режимах для обеспечения паром всех потребителей судна;

. по способу использования:

- на автономные, имеющие собственную топливную систему и систему подвода воздуха, и использующие для выработки пара теплоту продуктов сгорания, образующихся при сжигании органического топлива в топке;

- утилизационные, использующие теплоту выхлопных газов ДЭУ или ГТУ;

- комбинированные, в которых подогрев воды и ее испарение могут осуществляться как от собственной топливной и воздушной систем, так и от теплоты продуктов сгорания других типов ЭУ;

. по конструкции:

- на водотрубные, в которых вода и пароводяная смесь движутся внутри труб, омываемых снаружи горячими газами;

- огнетрубные, в которых горячие газы движутся внутри труб, омываемых снаружи водой;

- комбинированные, имеющие в своем составе водотрубную и огнетрубную части;

. по принципу организации движения воды и пароводяной смеси:

- на котлы с естественной циркуляцией (ЕЦ), в которых движение воды и пароводяной смеси по контуру циркуляции происходит за счет разности плотностей питательной воды и образующейся при испарении воды пароводяной смеси;

- котлы с принудительной циркуляцией (ПЦ), в которых движение воды и пароводяной смеси в контуре циркуляции происходит за счет работы специального циркуляционного насоса.

В свою очередь паровые котлы с ПЦ по кратности циркуляции делятся на котлы:

- прямоточные;

- с принудительной циркуляцией малой кратности (ПЦ МК);

- с многократной принудительной циркуляцией (МПЦ);

. по способу организации движения воздуха:

- на котлы с вентиляторным дутьем (открытым и закрытым), в топке которых топливо сгорает при давлении, незначительно превышающем атмосферное, а подача воздуха в топку осуществляется котельным вентилятором;

- котлы с компрессорным наддувом (высоконапорные котлы), в топке которых топливо сгорает при давлении, существенно превышающем атмосферное: 0,2 ÷ 0,4 МПа (2 ÷ 4 кгс/см²), а нагнетание воздуха в топку производится с помощью специального компрессорного агрегата;

. по типу используемого топлива:

- на котлы, работающие на твердом топливе (уголь и угольная пыль);

- котлы, работающие на жидком топливе (мазуты, дизельное топливо);

- котлы, работающие на газообразном топливе (природные и синтетические газы);

Для работы судовых и корабельных паровых котлов обычно применяется жидкое топливо: мазуты или (значительно реже) дизельные топлива. В исключительных случаях на судах-газовозах с ПТУ могут использоваться паровые котлы с газовым отоплением, работающие на перевозимом судном газе.

. по расположению топочных устройств:

- на котлы с однофронтовым отоплением, в которых топочные устройства располагаются на одном, переднем (со стороны обслуживания) фронте котла;

- с двухфронтовым отоплением, в которых топочные устройства расположены на переднем и заднем фронтах котла;

- с потолочным расположением топочных устройств;

- с боковым расположением топочных устройств;

Судовые паровые котлы также могут классифицироваться и по другим признакам, характеризующим их конструктивные особенности:

- по типу применяемых поверхностей нагрева: испарительных пучков труб, экономайзера, воздухоподогревателя и пароперегревателя;

- по наличию или отсутствию хвостовых поверхностей нагрева (экономайзеров и воздухоподогревателей);

- по взаимному размещению поверхностей нагрева;

- по количеству коллекторов;

- по организации топочного процесса, и др.

Как правило, в состав КТЭУ входит несколько котлоагрегатов. Один или несколько котлоагрегатов, обеспечивающих выработку пара заданных параметров, вместе с обслуживающими их системами, вспомогательными механизмами и устройствами, называются судовой котельной установкой.

2. Характеристики паровых котлов

Рабочий процесс, происходящий в паровом котле, весьма сложен. Его можно рассматривать состоящим из отдельных процессов, происходящих в воздушно-газовом и пароводяном трактах котла.

В воздушно-газовом тракте котла происходит непрерывный подвод воздуха и топлива, горение топлива и отвод продуктов сгорания (дымовых газов), которые являются основным теплоносителем. Горение топлива и движение продуктов сгорания по газоходам обеспечивают протекание основного процесса, связанного с тепловыделением и передачей теплоты поверхностям нагрева котла. При движении воздуха и газов в ВГТ котла возникает сопротивление, на преодоление которого требуется определенный расход энергии, затрачиваемой котельным вентилятором или компрессорным агрегатом.

В пароводяном тракте котла происходят процессы подвода питательной воды, нагрев ее до кипения, парообразование, перегрев пара и отвод его к потребителям.

Оценку различных типов паровых котлов можно произвести по их характеристикам.

К основным характеристикам паровых котлов относятся:

. паропроизводительность - D, [т/ч] (кг/ч) - весовое количество пара, вырабатываемое котлом в единицу времени;

Паропроизводительность является главным показателем,

характеризующим нагрузку котла. В зависимости от мощности ПТУ судна паропроизводительность современных главных котлов может составлять от 10 до 100 т/ч и более, вспомогательных котлов - от 0,5 до 15 т/ч.

Так как в современных котлах может производиться отбор не только перегретого, но и насыщенного пара, в этом случае общая паропроизводительность котла равна сумме паропроизводительностей по перегретому и насыщенному (охлажденному) пару:

D = D _nE + D _HAC

Рабочее давление пара в котле- p_K, [МПа] (кгс/см²) - это избыточное давление пара:

- в паровом коллекторе котла с ЕЦ;

- в сепараторе котла с МПЦ;

- за главным стопорным клапаном прямоточного котла.

Рабочее давление пара современных главных судовых паровых котлов находится в пределах от 2,5 до 9,0 МПа (25 ÷ 90 кгс/см²);

. температура перегретого пара - t _nE, [ °С ] - температура пара запароперегревателем котла;

Температура перегретого пара, вырабатываемого современными главными судовыми котлами, составляет от 350 до 540 °С.

. коэффициент полезного действия котла - η_к, [%] - это отношение полезно использованного тепла, ушедшего на производство и перегрев пара, к подведенному теплу в топке котла:

 

паропроизводительность котла по перегретому и насыщенному пару, [кг/ч];

- энтальпии питательной воды, насыщенного и перегретого пара соответственно, [кДж/кг];

- низшая теплота сгорания топлива, [кДж/кг];

- расход топлива, [кг/ч].

КПД парового котла характеризует его экономичность и совершенство протекающих в нем процессов горения топлива, теплообмена, полноты использования тепла продуктов сгорания. Для современных судовых паровых котлов значение КПД находится в следующих пределах:

- главные котлы с вентиляторным дутьем - 72 ÷ 80 %;

- котлы с развитыми хвостовыми поверхностями нагрева - 92 ÷ 94 %;

- котлы с промежуточным перегревом пара - 96 ÷ 97 %;

- высоконапорные котлы - 83 ÷ 92 %.

• расход топлива в единицу времени - В, [кг/ч] - также, как и паропроизводительность, характеризует нагрузку котла;

Существенное значение для судовых котлов имеет способность их работы в течение длительного времени с перегрузкой и значительной недогрузкой. При выходе из строя одного главного котла, оставшиеся должны за счет перегрузки обеспечить паропроизводительность установки, достаточную для дачи судном заданной скорости хода.

•. температура питательной воды - t_m, [°С] - температура воды, подаваемой в котел. Этот параметр имеет существенное значение, так как его величина взаимосвязана с другими характеристиками котла: расходом топлива, паропроизводительностью, температурой перегретого пара, КПД.

Температура питательной воды определяется тепловой схемой установки и используемым способом регенеративного подогрева питательной воды. Основным показателем при этом является величина недогрева питательной воды до кипения, обеспечивающая надежную работу экономайзера котла.

• температура воздуха, поступающего в топку - t_B, [ °С ] - также влияет на расход топлива и экономичность котла, и зависит от компоновочной схемы котла, наличия и конструкции воздухоподогревателя. Подача в топку подогретого воздуха улучшает как процессы испарения топлива и перемешивания его с воздухом, так и сам процесс горения топлива.

О степени совершенства паровых котлов можно судить по следующим характеристикам:

• теплонапряжение топочного объема - q_T, [ кДж / м ³ ч ] (Вт/м³) -количество теплоты, выделяющейся в одном кубическом метре топочного объема в единицу времени при сжигании вводимого в топку топлива:

где: V_T -объемтопки, [м ].

в старых котлах значение q_T составляло: q_T= 1,5 ^ 2,0 МВт/м³;

в современных котлах: q_T= 14 -ь 16 МВт/м³.

• теплонапряжение поверхностей нагрева котла - q, [ кДж / м ² ч ] (Вт/м²) - количество тепла, воспринимаемое от продуктов сгорания топлива одним квадратным метром поверхности нагрева котла в единицу времени;

• удельный паросъем - y, [кг/м³-ч] - отношение паропроизводительности котла - D к площади испарительной поверхности нагрева - F_Mcn:

Удельный паросъем характеризует интенсивность парообразования и показывает, сколько (в среднем) килограммов пара образуется с каждого квадратного метра испарительной поверхности нагрева котла;

• относительное водосодержание котла - со, [ч] - отношение весового количества воды в парообразующих элементах котла к его паропроизводительности:

Величина относительного водосодержания показывает, сколько потребуется времени на испарение всей воды, содержащейся в испарительном контуре котла, если его нагрузка будет соответствовать данной паропроизводительности. Чем меньше величина относительного водосодержания, тем более заметны колебания уровня воды и давления пара при изменении режимов работы котла.

для слабонапряженных паровых котлов: СО = 0,5 ÷ 1,0 ч и более;
для высоконапряженных котлов: СО< 0,3 ч.

· относительный вес сухого котла - g _CK, [(кгc)/кг] - отношение полного веса котла без воды к его паропроизводительности:

• относительный вес котла с водой - g, [(кг-c)/кг] - отношение полного веса котла, заполненного водой до рабочего уровня при температуре 20 °С, к его паропроизводительности:

• относительный объем котла - v_K, [(м³-с)/кг] - отношение полного объема, занимаемого котлом, к его паропроизводительности:

Об эксплуатационных свойствах паровых котлов можно судить по следующему ряду показателей:

· маневренности, характеризующейся скоростью подъема давления пара в котле из холодного состояния, состояния горячего резерва, и скоростью изменения нагрузки котла;

· надежности действия во всех условиях повседневной деятельности судна и повседневной и боевой деятельности корабля;

· скрытности действия,характеризующейся бездымностью,

· бесшумностью работы и достижением минимального уровня теплового поля, создаваемого при работе котла;

· живучести, характеризующейся способностью котла противостоять
ударным нагрузкам, работать при наличии кренов и дифферентов;

· простотой устройства, эксплуатации и ремонта, доступностью ремонта отдельных элементов в условиях судна;

· сроком службы.

Создать конструкцию универсального судового котла, имеющего высокими все перечисленные показатели невозможно, так как многие из рассмотренных показателей противоречат друг другу. По этой причине не может существовать универсального типа паровых котлов, пригодных для любых типов КТЭУ и любых условий эксплуатации. Выбор приоритета того или иного показателя зависит от типа судна и тепловой схемы установки, в которой этот котел работает.

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите процессы происходящие в паровом котле.

2. Назовите основные признаки классификации паровых котлов.

3. Назовите характеристики паровых котлов.

4. Дайте определение и запишите формулу коэффициента полезного действия котла.

5. В каких пределах находится значение КПД различных паровых котлов?

6. Что такое теплонапряжение топочного объема и как оно определяется?

7. Что такое теплонапряжение поверхности нагрева котла и как оно определяется?

8. Что такое относительное водосодержание котла и как оно определяется?

9. Что такое относительный вес сухого котла и как оно определяется?

10. Что такое относительный вес котла с водой и как он определяется?

11. Как определяется относительный объем котла?

12. По каким показателям можно судить об эксплуатационным свойствам паровых котлов?