Жаротрубные котлы

Обзор различных типов жаротрубных котлов, их компоновок, особенностей тепловыделения и парообразования, а также ограничений по давлению и производительности.

#Ланкаширский котёл

Сэр Уильям Фэрбэрн разработал ланкаширский котёл в 1844 году на основе корнишского котла Тревитика с одной жаровой трубой. Хотя сегодня в эксплуатации осталось лишь несколько таких котлов, когда-то они были чрезвычайно распространены и стали предшественниками современных сложных и высокоэффективных котлов.

Ланкаширский котёл представлял собой крупный стальной корпус длиной обычно от 5 до 9 m, через который проходили две жаровые трубы большого диаметра. Часть каждой трубы выполнялась гофрированной, чтобы компенсировать расширение при нагреве котла и предотвратить смятие под давлением. В передней части котла у входа в каждую жаровую трубу располагалась топка. Обычно такая топка предназначалась для сжигания угля и обслуживалась вручную либо автоматически.

Горячие газообразные продукты сгорания проходили из топки по гофрированным жаровым трубам большого диаметра. Тепло от горячих дымовых газов передавалось воде, окружающей эти трубы.

Котёл был встроен в кирпичную кладку, образующую газоходы, направлявшие выходящие из жаровых труб газы вниз под котёл, обеспечивая передачу тепла через нижнюю часть корпуса, а затем обратно вдоль боковых сторон котла перед выходом в дымовую трубу. Эти два боковых канала сходились в задней части котла и направляли газы в дымовую трубу. Такая схема ходов была попыткой извлечь максимум энергии из горячих продуктов сгорания до их выброса в атмосферу.

Позднее эффективность повысили установкой экономайзера. После третьего хода поток газов проходил через экономайзер и далее в дымовую трубу. Экономайзер подогревал питательную воду и повышал тепловой КПД.

Одним из недостатков ланкаширского котла было то, что многократные циклы нагрева и охлаждения с сопутствующим расширением и сжатием нарушали кирпичную кладку и газоходы. Это приводило к подсосу воздуха и нарушению тяги в топке.

Сегодня такие котлы были бы очень дорогими в изготовлении из-за большого расхода материалов и трудоёмкости сооружения кирпичной кладки.

Большие размеры и значительный объём воды в этих котлах давали ряд существенных преимуществ:

• Резкие большие нагрузки по пару, например пуск подъёмной машины в шахте, могли легко восприниматься, поскольку вызванное этим снижение давления в котле высвобождало значительные количества вторичного пара из котловой воды, находящейся при температуре насыщения. Эти котлы вполне могли топиться вручную, поэтому реакция на падение давления и необходимость добавить топливо была бы медленной.
• Большой объём воды означал, что даже при значительных изменениях интенсивности парообразования скорость изменения уровня воды оставалась сравнительно небольшой. Регулирование уровня воды также было ручным, и оператор либо запускал поршневой питательный насос с паровым приводом, либо регулировал клапан подачи питательной воды для поддержания нужного уровня.
• Сигнализация низкого уровня представляла собой просто поплавок, который опускался вместе с уровнем воды и открывал проход к паровому свистку при достижении заданного уровня.
• Большая площадь поверхности воды по отношению к паропроизводительности означала, что скорость отделения пара от поверхности, выраженная в kg на квадратный метр, была невысокой. Эта малая скорость позволяла даже при высоких концентрациях общего содержания растворённых веществ (TDS) в воде обеспечить достаточное разделение пара и водяных частиц и подавать на установку сухой пар.

По мере развития систем управления, материалов и технологий производства, а также по мере повышения их надёжности и экономичности, конструкция котельных установок менялась.

#Экономичный котёл (двухходовой, с сухим разворотом)

Двухходовой экономичный котёл был примерно вдвое меньше эквивалентного ланкаширского котла и имел более высокий тепловой КПД. Он имел цилиндрический наружный корпус с двумя гофрированными жаровыми трубами большого диаметра, служившими основными камерами сгорания. Горячие дымовые газы выходили из двух жаровых труб в задней части котла в кирпичную кладку (сухой разворот) и затем направлялись через ряд дымогарных труб малого диаметра, расположенных над жаровыми трубами большого диаметра. Эти трубы малого диаметра обеспечивали большую поверхность нагрева воды. После этого дымовые газы выходили из котла в его передней части, попадали в вентилятор дымососа и направлялись в дымовую трубу.

#Экономичный котёл (трёхходовой, с мокрым разворотом)

Дальнейшим развитием экономичного котла стало создание трёхходового котла с мокрым разворотом - стандартной конфигурации, применяемой и сегодня (см. Рисунок 3.2.4). Эта конструкция развивалась вместе с прогрессом материалов и технологий производства: были внедрены более тонкие металлические трубы, что позволило разместить их больше, повысить интенсивность теплопередачи и сделать сами котлы более компактными. Типовые данные по теплопередаче для трёхходового экономичного котла с мокрым разворотом приведены в Таблице 3.2.3.

#Пакетный котёл

В начале 1950-х годов Министерство топлива и энергетики Великобритании спонсировало исследования по совершенствованию котельных установок. Одним из результатов этих работ стал пакетный котёл, возникший как дальнейшее развитие трёхходового экономичного котла с мокрым разворотом. В основном такие котлы проектировались для работы на жидком топливе, а не на угле.

Пакетным такой котёл называется потому, что поставляется как готовый комплект вместе с горелкой, устройствами контроля уровня, питательным насосом и всей необходимой котельной арматурой и оснащением. После доставки на площадку для ввода в эксплуатацию требуется лишь подключить паровые, водяные и продувочные трубопроводы, подачу топлива и электрические соединения.

Развитие конструкции также существенно повлияло на физические размеры котлов при заданной производительности:

• Производители стремились сделать котлы как можно меньше, чтобы сократить расход материалов и сохранить конкурентоспособность продукции.
• КПД повышается, если котёл сделать настолько компактным, насколько это практически возможно; чем меньше котёл и площадь его поверхности, тем меньше тепловые потери в окружающую среду. В определённой степени эта проблема уменьшается за счёт всеобщего понимания необходимости теплоизоляции и высокого качества современных теплоизоляционных материалов.
• Потребители стремились к минимальным размерам котлов, чтобы уменьшить площадь котельной и высвободить место для других целей.
• Котлы меньших размеров (при одинаковой паропроизводительности) обычно требуют меньших капитальных затрат. Таблица 3.2.4 иллюстрирует это наряду с другими факторами.

#Объёмная тепловая нагрузка (kW/m3)

Этот показатель определяется делением полного теплоподвода на объём воды в котле. По сути он связывает количество пара, выделяемого при максимальной нагрузке, с количеством воды, находящейся в котле. Чем меньше это число, тем больше запас энергии в котле.

Следует отметить, что значение для современного котла по сравнению с ланкаширским больше почти в восемь раз, что указывает на аналогичное уменьшение запасённой энергии. Это означает, что в современном котле доступно меньше аккумулированной энергии. Такое развитие стало возможным благодаря системам управления, которые быстро реагируют и принимают адекватные меры для защиты котла и удовлетворения потребности в паре.

#Скорость выделения пара (kg/m2s)

Этот показатель определяется делением количества пара, вырабатываемого в секунду, на площадь зеркала воды. Чем меньше это число, тем больше времени и возможностей для отделения водяных частиц от пара и получения сухого пара.

Следует отметить, что показатель современного котла почти втрое выше. Это означает, что возможности для отделения пара от капель воды меньше. При высоком уровне TDS в воде это сильно усугубляется, и точный контроль необходим как для эффективности, так и для получения сухого пара. В периоды быстро растущей нагрузки в котле происходит падение давления, что, в свою очередь, снижает плотность пара, из-за чего скорость выделения пара ещё больше возрастает, а из котла начинает выходить всё более влажный пар.

#Четырёхходовые котлы

Четырёхходовые агрегаты потенциально являются наиболее эффективными по теплотехническим показателям, однако тип топлива и условия эксплуатации могут препятствовать их применению. Если такой агрегат работает на малой нагрузке на тяжёлом жидком топливе или угле, теплоотдача от продуктов сгорания может оказаться очень высокой. В результате температура уходящих дымовых газов может опуститься ниже кислотной точки росы, вызывая коррозию дымогарных труб и дымовой трубы, а возможно, и самого котла. Четырёхходовой котёл также подвержен более высоким термическим напряжениям, особенно при резких колебаниях нагрузки; это может приводить к трещинам напряжения или повреждениям конструкции. По этим причинам четырёхходовые котлы встречаются редко.

#Котёл с реверсивным пламенем / гильзовой топкой

Это разновидность традиционной конструкции котла. Камера сгорания выполнена в виде гильзы, а горелка направляет факел по центру. Пламя разворачивается внутри камеры сгорания и возвращается к передней части котла. Дымогарные трубы окружают гильзу и отводят дымовые газы к задней части котла и далее в дымовую трубу.

#Ограничения жаротрубных котлов по давлению и производительности

Напряжения, возникающие в котле, ограничиваются национальными стандартами. Максимальное напряжение возникает по окружности цилиндра. Его называют обручным или окружным напряжением. Значение этого напряжения можно рассчитать по Уравнению 3.2.1: Из этого следует, что окружное напряжение возрастает с увеличением диаметра. Чтобы компенсировать это, изготовитель котла использует более толстый лист. Однако более толстый лист труднее вальцевать, а при толщине свыше 32 mm может потребоваться снятие внутренних напряжений.

Одна из проблем изготовления котла заключается в вальцовке листа для корпуса. Вальцы котельщиков, показанные на Рисунках 3.2.7 и 3.2.8, не могут загнуть концы листа, поэтому они оставляют плоские участки:

• Валец A опускается вниз для уменьшения радиуса кривизны.
• Вальцы B и C приводятся в движение мотором и протягивают лист через вальцы.
• Концы листа вальцы не изгибают.

После сварки листов и нагружения котла давлением корпус принимает круглое поперечное сечение. Когда котёл выводят из работы, листы возвращаются к форме «как после вальцовки». Такое циклическое изменение формы может вызывать усталостные трещины на некотором расстоянии от сварных швов корпуса. Это вызывает озабоченность у инспекторов котлов, которые периодически требуют снять всю теплоизоляцию котла и затем используют шаблон для проверки точности кривизны корпуса. Очевидно, эта проблема особенно важна для котлов, работающих с частыми циклами, например при ночной остановке и повторном розжиге каждое утро.

#Ограничение по давлению

Теплопередача через стенки жаровых труб происходит за счёт теплопроводности. Естественно, толстый лист проводит тепло медленнее, чем тонкий, но при этом способен воспринимать большие механические усилия.

Это особенно важно для жаровых труб, где температура пламени может достигать 1 800 °C, и здесь приходится искать компромисс между:

• Более толстым листом, обладающим достаточной прочностью для восприятия сил, создаваемых давлением в котле.
• Более тонким листом, способным быстрее передавать тепло.

Уравнение, связывающее толщину листа с механической прочностью, приведено в Уравнении 3.2.1: Уравнение 3.2.1 показывает, что при уменьшении толщины листа напряжение при одном и том же давлении в котле возрастает.

Уравнение, связывающее толщину листа с теплопередачей, приведено в Уравнении 2.5.1: Уравнение 2.5.1 показывает, что при уменьшении толщины листа теплопередача возрастает. Преобразуя оба уравнения относительно толщины листа, получаем:

Для любого конкретного котла увеличение интенсивности теплопередачи приводит к снижению максимально допустимого давления котла. Практический компромисс достигается при толщине стенки жаровой трубы от 18 mm до 20 mm. Это соответствует практическому пределу давления для жаротрубных котлов около 27 bar.

#Ограничение по производительности

Жаротрубные котлы изготавливаются как пакетные агрегаты со всем вспомогательным оборудованием, закреплённым на месте. После изготовления такой котёл необходимо доставить на площадку, и самый крупный котёл, который можно перевозить по дорогам Великобритании, имеет производительность порядка 27 000 kg/h.

Если требуется более 27 000 kg/h, применяют многокотельные установки. Однако это даёт и преимущества в виде более высокой надёжности пароснабжения и лучшей гибкости по нагрузке.

#Итоги

Современный высокоэффективный и быстро реагирующий жаротрубный котёл является результатом более чем 150 лет развития в следующих областях:

• Конструкция котлов и горелок.
• Материаловедение.
• Технологии изготовления котлов.
• Системы управления.

Для обеспечения успешной и эффективной эксплуатации пользователь должен:

• Знать условия, среду и характер потребления пара на установке и точно указывать эти параметры производителю котла.
• Обеспечить такую компоновку котельной и монтаж, которые способствуют правильной эксплуатации и обслуживанию.
• Выбрать системы управления, позволяющие котлу работать безопасно и эффективно.
• Выбрать системы управления, которые помогут котлу подавать на установку сухой пар при требуемом давлении(ях) и расходе(ах).
• Определить применяемое топливо и, если необходимо, где и как безопасно хранить его запас.

Преимущества жаротрубных котлов:

• Вся установка может быть приобретена как готовый комплект; требуется лишь закрепить её на фундаменте и подключить к системам воды, электроэнергии, топлива и пара перед вводом в эксплуатацию. Это сводит монтажные затраты к минимуму.
• Такая пакетная компоновка также упрощает перенос пакетного жаротрубного котла на другое место.
• Жаротрубный котёл содержит значительное количество воды при температуре насыщения и, следовательно, обладает большим запасом аккумулированной энергии, который можно использовать для компенсации кратковременных быстро возникающих нагрузок. Это же может быть и недостатком: после использования энергии, запасённой в воде, требуется некоторое время, чтобы восстановить резерв.
• Конструкция жаротрубного котла в целом довольно проста, что упрощает обслуживание.
• У жаротрубных котлов часто имеется одна жаровая труба и одна горелка. Это означает сравнительно простые системы управления.
• Хотя жаротрубные котлы могут проектироваться и изготавливаться для работы до 27 bar, большинство работает при 17 bar и ниже. Относительно низкое давление означает, что связанное с ним вспомогательное оборудование широко доступно по конкурентоспособным ценам.

Недостатки жаротрубных котлов: Принцип пакетной поставки означает, что примерно 27 000 kg/h - это максимальная производительность жаротрубного котла. Если требуется больше пара, необходимо объединять несколько котлов. Цилиндры большого диаметра, используемые в конструкции жаротрубных котлов, фактически ограничивают их рабочее давление примерно 27 bar. Если нужны более высокие давления, требуется водотрубный котёл.