Лекции 2-3.

Тема: Конструктивные особенности и принцип действия различных типов паровых котлов.

Цель: Ознакомиться с особенностями конструкции и принципа действия различных типов паровых котлов.

План лекции

1. Огнетрубные паровые котлы

2. Водотрубные котлы с естественной циркуляцией

3. Секционные горизонтальные водотрубные котлы

4. Трехколлекторные двухпроточные водотрубные котлы

5. Трехколлекторные однопроточные водотрубные котлы

6. Двухколлекторные однопроточные водотрубные котлы

7. Вертикальные водотрубные котлы с ЕЦ шахтного типа

8. Прямоточные паровые котлы

9. Котлы с принудительной циркуляцией малой кратности

10. Котлы с многократной принудительной циркуляцией

11. Особенности высоконапорных котлов

12. Двухконтурные паровые котлы

13. Вспомогательные и утилизационные паровые котлы

1. Огнетрубные паровые котлы

Огнетрубнъши называют такие паровые котлы, в которых продукты сгорания топлива движутся внутри труб, омываемых снаружи водой.

В зависимости от компоновочной схемы огнетрубных котловразличают:

· оборотные огнетрубные котлы, в которых топки и дымогарные трубы

· размещены параллельно друг другу, а газы в них движутся в

· противоположных направлениях (рис. 4.а, б);. пролетные огнетрубные котлы, в которых топка и дымогарные трубы

· размещены последовательно и газы в них движутся в одном направлении (рис. 4.б).

Конструкция оборотного огнетрубного котла показана на рис. 3. Основные элементы огнетрубного котла размещены внутри корпуса и дымовой коробки. Корпус представляет собой цилиндр с приваренными к нему передним и задним днищами. В переднем днище выполнены отверстия для крепления дымогарных труб, жаровой трубы и длинных анкерных связей, а в заднем - для крепления коротких и длинных анкерных связей.

Жаровая труба (топка) выполняется диаметром 700 ÷ 1200 мм и длиной 1800 ÷ 2500 мм и имеет круглое поперечное сечение. Количество жаровых труб, в зависимости от паропроизводительности котла, может быть от одной до трех. Жаровые трубы огнетрубных котлов работают в тяжелых условиях и имеют, как правило, гофрированную поверхность, обеспечивающую тепловые расширения и самоочистку трубы от накипи. Наиболее напряженные участки жаровой трубы защищаются кольцами из огнеупорного кирпича. В жаровой трубе происходит сгорание топлива, распиливаемого через форсунку, в струе воздуха, подаваемого через воздухонаправляющее устройство -ВНУ, и образование горячих газов.

Огневая камера служит для догорания топлива, не успевшего сгореть в топке, поворота газов и направления их в дымогарные трубы котла. Передняя стенка огневой камеры представляет собой трубную доску, в которой закреплены дымогарные трубы. Как правило, каждая топка (жаровая труба) имеет свою индивидуальную огневую камеру и пучок дымогарных труб.

Дымогарные трубы соединяют огневую коробку с дымовой коробкой н составляют основную часть поверхности нагрева котла. Внутри дымогарных труб проходят горячие продукты сгорания, нагревают стенки труб и передают свое тепло воде, омывающей их с наружной стороны. Дымогарные трубы имеют диаметр 50 ÷ 70 мм при толщине стенок 2,5 ÷ 4,5 мм. Некоторые дымогарные трубы выполняются бóльшим диаметром, с увеличенной толщиной стенки и образуют дополнительные связи, повышающие прочность конструкции огнетрубного котла. Площадь поверхности нагрева огнетрубных котлов составляет от 15 м² у однотопочных котлов, до 230 м² - у трехтопочных котлов. На горячих наружных поверхностях стенок дымогарных труб, огневой камеры и жаровой трубы образуются паровые пузырьки, отрываются от стенок поверхностей нагрева, всплывают через толщу воды, и образовавшийся пар собирается в верхней части корпуса парового котла. Часть пара через паросборную трубу поступает в пароперегреватель. Насыщенный пар отбирается на потребители из верхней части корпуса котла, а перегретый пар - из пароперегревателя.

Продукты сгорания, пройдя через дымогарные трубы и отдав часть теплоты на испарение воды, собираются в дымовой коробке, откуда направляются в дымовую трубу. Часто, с целью более полного использования теплоты продуктов сгорания, в дымовой коробке размещают трубную систему пароперегревателя и воздухоподогреватель.

Корпус огнетрубного котла заполняется питательной водой с таким расчетом, чтобы вода покрывала все поверхности нагрева и огневую камеру с учетом возможных кренов и дифферентов судна. Расход воды, испарившейся в котле, восполняется подачей свежей питательной воды в корпус котла.

Кроме рассмотренной выше конструкции оборотного котла существуют другие типы огнетрубных котлов. Наиболее распространенные компоновочные схемы огнетрубных котлов показаны на рис. 4.

Вертикальный огнетрубный котел с горизонтальными трубами (рис. 4.б) имеет цилиндрический вертикальный корпус. Прямые дымогарные трубы расположены горизонтально. В огневой камере предусмотрены съемные щитки, упрощающие чистку поверхностей нагрева.

Вертикальный огнетрубный котел с вертикальными трубами (рис. 4.в) широко распространен в качестве вспомогательного на судах зарубежной и отечественной постройки. Котел имеет вертикальный цилиндрический корпус и вертикальные прямые дымогарные трубы, соединяющие топку с дымовой коробкой.

Рис. 4. Компоновочные схемы огнетрубных паровых котлов: а- оборотный огнетрубный котел; б - вертикальный огнетрубный котел с горизонтальными трубами; в - вертикальный огнетрубный котел с вертикальными трубами.

Огнетрубные котлы имеют следующие характеристики:

- паропроизводительность: D= 0,5 ÷ 6,5 т/ч;

- параметры пара: р_к= 1,5 ÷ 1,8 МПа (15 ÷ 18 кгс/см²);

- КПД: 70 ÷ 75 %.

(при использовании дополнительных хвостовых поверхностей нагрева: водяного экономайзера и воздухоподогревателя, КПД огнетрубного котла можно довести до значения 82 ÷ 83 %).

Огнетрубные котлы обладают следующими преимуществами:

- большой аккумулирующей способностью, благодаря чему давление пара и уровень воды при резких изменениях нагрузки меняются очень незначительно;

- большим относительным водосодержанием: количество воды в котле в несколько раз превышает его часовую производительность, поэтому с момента прекращения питания котла водой до падения уровня воды до нижнего допустимого предела проходит достаточно много времени;

- невысокими требованиями к качеству питательной воды, так как основная поверхность нагрева, образованная дымогарными трубами, омывается газами относительно невысокой температуры 700 ÷ 850°С;

- простотой обслуживания и долговечностью.

К недостаткам огнетрубных котлов можно отнести:

- невозможность получения пара давлением свыше 2 МПа (20 кгс/см²);

- длительную разводку (12 час и более) из-за жесткой конструкции котла и возникающих в процессе разводки значительных напряжениях в конструкционных материалах;

- неорганизованную циркуляцию воды, не позволяющую увеличивать паросъем с 1 м² поверхности нагрева более чем на 0,007 кг/с и, вследствие этого, низкую паропроизводительность - до 1,8 кг/с;

- большую относительную массу;

- повышенные металлоемкость и трудоемкость изготовления;

- возможность взрыва из-за мгновенного вскипания большой массы воды, находящейся в корпусе котла.

Указанные недостатки послужили причиной того, что огнетрубные котлы в настоящее время не применяются на судах и кораблях в качестве главных, и используются только в качестве вспомогательных котлов.

2. 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 высокотемпературного 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.

Рис. 5. Схема и принцип действия водотрубного котла с естественной циркуляцией.

→ движение воды но опускным и подъемным трубам, пароводяной смесн по подъемным трубам, пара по трубам пароперегревателя;

→ излучение факела, воспринимаемое радиационными поверхностями нагрева;

→ движение газов через поверхности нагрева котла.

ВП - воздухоподогреватель; ЭК - водяной экономайзер; ПП - пароперегреватель; ИСП - конвективный испарительный (парообразующий) пучок труб; Э - экранный пучок труб; ОП - опускной пучок труб; ГСК - главный стопорный клапан; ВСК- вспомогательный стопорный клапан; ЗИ - зеркало пепарення; ВК -верхний коллектор пароперегревателя; Ф - футеровка котла (кладка из огнеупорного кирпича); G_nB - подача питательной воды; D_nE - отбор перегретого пара; D_HAC- отбор насыщенного пара.

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. Насыщенный пар на потребители отбирается непосредственно из парового коллектора через вспомогательный стопорный клапан котла.

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.

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.

Основными преимуществами водотрубных паровых котлов с ЕЦ перед другими типами котлов являются:

- значительная стабильность в работе;

- относительно высокая надежность при работе на всех нагрузках;

- возможность сравнительно легкой и надежной автоматизации;

- возможность питания водой с пониженными показателями качества;

- простота отбора насыщенного и перегретого пара;

- быстрота ввода в действие (от трех часов до нескольких минут) и изменения нагрузки из-за малого относительного водосодержания и эластичности трубных систем, соединяющих коллекторы котла.

Указанные преимущества водотрубных котлов с естественной циркуляцией предопределили их широчайшее использование в качестве главных на судах и кораблях с КТЭУ.

К недостаткам водотрубных котлов с ЕЦ относятся:

- сравнительно большие малогабаритные показатели;

- ограничение предельно допустимого давления пара в судовых условиях - до 8,0 ÷ 9,0 МПа (80 ÷ 90 кгс/см²);

- ограничение дальнейшего улучшения маневренных качеств;

- соблюдение при проектировании определенных норм по уклону труб, диаметрам и компоновке испарительных поверхностей для обеспечения надежности ЕЦ;

- ограниченные возможности полного экранирования топок.

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.

3. 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.

4. 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 А-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);

Рис. 7. Конструктивные схемы Д-видных котлов

а - симметричная схема котла без пароперегревателя;

б - симметричная схема с горизонтальными пароперегревателями, размещенными внутри испарительных пучков;

в - асимметричная схема с одним горизонтальным пароперегревателем;

г - асимметричная схема с вертикальным петлевым пароперегревателем.

ПК- паровой коллектор; ВК - водяной коллектор; КПП - коллектор вертикального пароперегревателя; ПО - парообразующие (испарительные) поверхности нагрева; ПП - поверхность нагрева пароперегревателя; ДГ - дымовые газы; Ш - газовый шибер.

если в двух - к симметричному (рис. 7.6). Размещение пароперегревателя в одном из газоходов котла позволяет регулировать температуру отбираемого перегретого пара с помощью газового шибера, расределяющего газовые потоки по газоходам.

В А-видных двухпроточных котлах отсутствует экранная поверхность нагрева, а теплота излучения факела воспринимается первыми притопочными рядами испарительного пучка 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.

А-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 малогабаритных показателей. Ввиду значительных малогабаритных показателей и жесткости конструкции, определяющей маневренные характеристики, А-видные котлы в качестве главных в настоящее время уже не применяются.

5. Трехколлекторные однопроточные водотрубные котлы

Недостатки А-видных котлов послужили основной причиной для массового перехода к более компактным и легким однопроточным вертикальным трехколлекторным водотрубным котлам с ЕЦ (рис. 8).

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 (рис. 8.а); либо первые несколько рядов труб конвективного пучка после пароперегревателя (рис. 8.6); 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.

Рис. 8. Схемы трехколлекторных однопроточных водотрубных котлов: а - с горизонтальным змеевиковым пароперегревателем; б- свертикальным петлевым пароперегревателем.

ПК -паровой коллектор; ВКЭ - водяной коллектор экрана; ПЭ - подъемные трубы контура экрана; ОЭ - опускные трубы контура экрана; ВК - водяной коллектор; ПИ - подъемные трубы конвективного испарительного нучка; ОИ - опускные трубы конвективного испарительного пучка; ПП - пароперегреватель; ЭК - экономайзер; ВП - воздухоподогреватель; Т - топка котла; ДГ - дымовые газы.

6. Двухколлекггорные 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.

7. Вертикальные водотрубные котлы с ЕЦ шахтного типа

Это сравнительно новый тип главных котлов с сильно развитой радиационной (экранной) поверхностью нагрева в топке (рис. 9).

Рис. 9. Схема водотрубного котла шахтного типа с промежуточным перегревом пара.

ПК - паровой коллектор; ВК - водяной коллектор; ТУ - топочные устройства; Э - экранные поверхности нагрева; ОП - опускные трубы циркуляционного контура; Ф - фестон; ПП - трубная система пароперегревателя; ППП - трубная система промежуточного пароперегревателя; ЭК - трубная система водяного экономайзера; ВП - воздухоподогреватель; ДГ - дымовые газы.

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 (а = 1,05 ÷1,08).

Котлы шахтного типа имеют высокий КПД (95 ÷ 97 %), вырабатывают пар высоких параметров (p = 8 МПа, t_nE = 515 °С) и применяются в основном на крупнотоннажных судах с мощными пароэнергетическими установками, использующими сложные тепловые схемы с промежуточным перегревом пара.

8. 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 однобитовый 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 малогабаритных показателей питательного насоса. Для обеспечения больших значений паропроизводительности все мощные прямоточные котлы выполняются многовитковыми.

В многовитковом прямоточном котле (рис. 11) 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

Рис. 11.К принципу действия многовиткового прямоточного котла.

G_m - подача питательной воды; D_m - отбор перегретого пара; Q_r - теплота продуктов сгорания; РК - раздающий коллектор; СК - смесительный коллектор; ГСК- главный стопорный клапан.

(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. При движении пара по змеевикам пароперегревателя происходит дальнейшее повышение его температуры. Перегретый пар собирается в выходном коллекторе котла, откуда через главный стопорный клапан направляется на потребители.

Многовитковые прямоточные котлы могут обеспечивать большие паропроизводительности и высокие параметры пара. Они компактны, маневренны, легко вписываются в габариты котельного отделения.

Основными преимуществами прямоточных котлов по сравнению с водотрубными котлами с ЕЦ являются:

- отсутствие больших и тяжелых коллекторов;

- относительная свобода при компоновке поверхностей нагрева применительно к габаритам и форме котельного отделения;

- более высокие допускаемые тепловые нагрузки в топке и конвективных поверхностях нагрева за счет принудительного движения рабочего тела;

- более высокая степень использования поверхности нагрева, так как отсутствуют неомываемые газами (теневые) участки труб;

- повышенная маневренность из-за малой теплоаккумулирующей способности (малого объема воды и металлоконструкций) котла;

- малые малогабаритные показатели и высокий КПД.

К недостаткам прямоточных котлов относятся:

- невысокая надежность при работе на пониженных нагрузках из-за гидродинамических расстройств контура принудительной циркуляции;

- дополнительные затраты энергии питательным насосом на преодоление гидравлических сопротивлений в пароводяном тракте котла;

- очень сложная автоматизация котла, особенно в части поддержания заданных давления и температуры перегретого пара и обеспечения синхронного изменения расходов топлива, воздуха и питательной воды;

- неспособность котла выдавать одновременно насыщенный и перегретый пар;

- необходимость использования для растопки прямоточного котла специального растопочного сепаратора с системами и арматурой, что значительно усложняет установку;

- высокие требования, предъявляемые к качеству питательной воды, из-за выпадения и отложения солей в зоне ухудшенного теплообмена в условиях отсутствия продувания и внутрикотловой обработки воды.

9. 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. Применение такого продувания позволяет снизить концентрацию солей, вызывающих накипеобразование в испарительной и перегревательной частях котла, и могущих привести к пережогу теплонапряженных трубных систем.

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 G_np составляет 15 * 30 % от величины G_nB, 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 G_np 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 испар