Водотрубные котлы

Описание водотрубных котлов, включая принцип работы, типы и преимущества, а также краткий обзор их применения в схемах комбинированной выработки тепла и электроэнергии.

#Водотрубные котлы

Водотрубные котлы отличаются от жаротрубных тем, что вода циркулирует внутри труб, а источник тепла окружает их снаружи. Если вернуться к уравнению для окружного напряжения (Уравнение 3.2.1), легко увидеть, что благодаря значительно меньшему диаметру труб они способны выдерживать гораздо более высокие давления при том же уровне напряжения.

Водотрубные котлы применяются в энергетике там, где требуется:

• Высокая паропроизводительность (до 500 kg/s).
• Пар высокого давления (до 160 bar).
• Перегретый пар (до 550 °C).

Однако водотрубные котлы выпускаются и в размерах, позволяющих им конкурировать с жаротрубными.

Небольшие водотрубные котлы могут изготавливаться и собираться в единый блок, подобно пакетным жаротрубным котлам, тогда как крупные агрегаты обычно изготавливаются секциями для сборки на площадке.

Многие водотрубные котлы работают по принципу естественной циркуляции воды (также известному как термосифонный эффект). Этот вопрос стоит рассмотреть прежде, чем переходить к различным доступным типам водотрубных котлов. Рисунок 3.3.2 помогает объяснить этот принцип:

• Более холодная питательная вода поступает в паровой барабан за перегородкой и, поскольку её плотность выше, опускается по опускной трубе к нижнему, или шламовому, барабану, вытесняя более тёплую воду вверх во фронтовые трубы.
• Продолжающийся нагрев создаёт во фронтовых трубах пузырьки пара, которые естественным образом отделяются от горячей воды в паровом барабане и отводятся.

Однако при повышении давления в водотрубном котле разность плотностей воды и насыщенного пара уменьшается, вследствие чего циркуляция ослабевает. Чтобы при более высоких расчётных давлениях сохранить тот же уровень паропроизводительности, необходимо увеличить расстояние между нижним барабаном и паровым барабаном либо ввести принудительную циркуляцию.

Секции водотрубного котла Энергия от источника тепла может отбираться излучением, конвекцией или теплопроводностью.

Топка, или лучистая секция Это открытая зона, в которой располагается пламя горелки или горелок. Если бы пламя соприкасалось с трубами котла, возникали бы серьёзная эрозия и в конечном счёте разрушение труб.

Стенки топочной секции облицовываются оребрёнными трубами, называемыми мембранными панелями, которые предназначены для поглощения лучистого тепла пламени.

#Конвективная секция

Эта часть предназначена для поглощения тепла горячих газов за счёт теплопроводности и конвекции. Крупные котлы могут иметь несколько трубных пучков, установленных последовательно, чтобы максимально извлечь энергию из горячих газов.

Обозначение водотрубных котлов Водотрубные котлы обычно классифицируют по определённым признакам, см. Таблицу 3.3.1.

#Альтернативные компоновки водотрубных котлов

Следующие схемы работают по тем же принципам, что и другие водотрубные котлы, и выпускаются с производительностью от 5 000 kg/h до 180 000 kg/h.

Котёл с продольным барабаном Котёл с продольным барабаном был исходным типом водотрубного котла, работавшего по термосифонному принципу (см. Рисунок 3.3.5).

Более холодная питательная вода подаётся в барабан, расположенный продольно над источником тепла. Более холодная вода опускается по заднему циркуляционному коллектору в несколько наклонных нагреваемых труб. По мере повышения температуры воды при движении вверх по наклонным трубам она закипает, её плотность уменьшается, и горячая вода с паром циркулирует вверх по этим трубам во фронтовой циркуляционный коллектор, который возвращает поток в барабан. В барабане пузырьки пара отделяются от воды, и пар может отбираться.

Типичная производительность котлов с продольным барабаном находится в диапазоне от 2 250 kg/h до 36 000 kg/h.

#Котёл с поперечным барабаном

Котёл с поперечным барабаном представляет собой разновидность котла с продольным барабаном, у которой барабан расположен поперёк источника тепла, как показано на Рисунке 3.3.6. Котёл с поперечным барабаном работает по тому же принципу, что и котёл с продольным, но обеспечивает более равномерную температуру по ширине барабана. Однако при высоких паровых нагрузках существует риск повреждения из-за нарушения циркуляции: если верхние трубы подсохнут, они могут перегреться и в конечном счёте выйти из строя.

Дополнительным преимуществом котла с поперечным барабаном является возможность обслуживать большее количество наклонных труб благодаря поперечному расположению барабана.

Типичная производительность котла с поперечным барабаном находится в диапазоне от 700 kg/h до 240 000 kg/h.

#Гнутотрубный котёл, или котёл Стирлинга

Дальнейшим развитием водотрубного котла является гнутотрубный котёл, или котёл Стирлинга, показанный на Рисунке 3.3.7. Он также работает на основе различия температуры и плотности воды, но использует четыре барабана в следующей конфигурации. Более холодная питательная вода поступает в верхний левый барабан, где из-за большей плотности опускается к нижнему, или водяному, барабану. Вода в водяном барабане и в соединительных трубах, ведущих к двум другим верхним барабанам, нагревается, образующиеся пузырьки пара поднимаются в верхние барабаны, откуда пар затем отбирается.

Гнутотрубный котёл, или котёл Стирлинга, обеспечивает большую площадь поверхности теплопередачи, а также способствует естественной циркуляции воды.

Преимущества водотрубных котлов:

• Малый водяной объём, благодаря чему они быстро реагируют на изменение нагрузки и теплоподвода.
• Малый диаметр труб и парового барабана позволяет выдерживать значительно более высокие давления пара; на электростанциях могут применяться давления до 160 bar.
• Конструкция может предусматривать множество горелок в любой из стен, что обеспечивает варианты горизонтального или вертикального факела, а также возможность регулирования температуры в различных частях котла. Это особенно важно, если котёл имеет встроенный пароперегреватель и требуется контролировать температуру перегретого пара.

Недостатки водотрубных котлов:

• Их сложнее выполнять в пакетном исполнении, чем жаротрубные котлы, поэтому на площадке требуется больший объём работ.
• Возможность использовать множество горелок даёт гибкость, но 30 и более горелок на электростанциях означают необходимость сложных систем управления.

#Установка комбинированной выработки тепла и электроэнергии (CHP)

Описанные выше водотрубные котлы обычно имеют большую производительность. Однако растёт спрос на небольшие специализированные утилизаторы тепла для использования совместно с наземными газотурбинными установками.

Применяется несколько типов наземных газотурбинных установок с выработкой пара:

• Комбинированная выработка тепла и электроэнергии В этих системах горячие выхлопные газы газовой турбины (примерно 500 °C) направляются через котёл, где образуется насыщенный пар, используемый для нужд установки. Типичные применения таких систем - предприятия и площадки, где потребность в электроэнергии и паре изменяется согласованно и по уровню хорошо соответствует возможностям системы CHP.

КПД может достигать 90%.

• Установка комбинированного цикла Это развитие систем CHP, в которых насыщенный пар направляется через пароперегреватель для получения перегретого пара. Пароперегреватель может иметь отдельное сжигание топлива из-за сравнительно низкой температуры выхлопных газов газовой турбины. Полученный перегретый пар направляется на паровые турбины, которые приводят дополнительные генераторы и вырабатывают электроэнергию.

Диапазон регулирования таких установок невелик, поскольку турбина должна вращаться с частотой, синхронизированной с электрической сетью. Это означает, что такие установки практически целесообразно эксплуатировать только при полной нагрузке, обеспечивая базовую паровую нагрузку предприятия.

Из-за сравнительно низкой температуры выхлопных газов газовой турбины по сравнению с пламенем горелки в обычном котле для заданной тепловой нагрузки требуется гораздо большая поверхность теплопередачи котла. Кроме того, нет необходимости предусматривать место для горелок. По этим причинам водотрубные котлы обычно оказываются более удачным и компактным решением. Поскольку для принимающих решения по CHP эффективность является ключевым фактором, конструкция таких котлов вполне может включать экономайзер (подогреватель питательной воды).

Если установка работает по схеме комбинированного цикла, конструкция может также включать пароперегреватель. Однако сравнительно низкие температуры могут означать необходимость дополнительных горелок для доведения параметров пара до требований паровых турбин.