Российские паровые котлы высокого давления. Аварии паровых котлов из-за превышения давления

Паровые котлы являются специализированным оборудование для производства пара из жидкостей, в основном из воды. Пар применяется в различных сферах производства, энергетике и в отопительных системах, например для отопления промышленных зданий, учреждений, находящихся в тяжелых климатических условиях. Использование пара оправдано при дезинфекционных мероприятиях в медицинских учреждениях. В зависимости от поставленных задач, существуют промышленные парогенераторные установки, и котлы, предназначенные для бытовых задач. Эти агрегаты могут работать на различных источниках тепловой энергии. Существуют устройства, которые генерируют пар при помощи утилизации излишков тепла, полученного от крупных промышленных установок. Выбор необходимого парогенераторного оборудования должен происходить на основе знаний принципов работы данных устройств и их классификации.

Паровой котел, для чего он нужен?

Паровые котлы, в зависимости от назначения применяются в определенных областях, где использование пара необходимо для соблюдения технологического цикла производства или в некоторых проектах отопительных систем.

Устройство парового котла

Оборудование, генерирующее пар подразделяется на следующие виды:

паровые котлы энергетического назначения (используются на электростанциях, для привода турбин, генерирующих электроэнергию);
паровые котлы промышленного типа (выработка пара для осуществления технологических операций в производстве);
паровое котельное оборудование, предназначенное для отопления, прачечных, эксплуатации дезинфекционных установок;
утилизационные котлы, производящие пар при помощи отбора тепла у перегретых дымовых газов, образующихся в результате производства в металлургии и химической промышленности.

Паровой котел промышленного типа

В энергетике используются самые мощные устройства, вырабатывающие до 5000 т пара в час при давлении около 280 кгс/см2. Пар получают перегретым до температуры 500 С, после чего он поступает в турбинные агрегаты, где происходит превращение тепловой энергии в механическую.

Паровые котлы для отопительных систем производят пар низкого давления, чаще всего в насыщенном состоянии. Отопление такое типа целесообразно использовать в очень холодных климатических зонах, для предупреждения замерзания теплосистемы, в частности, ее оборотного цикла.

В некоторых учреждениях выгодно эксплуатировать паровой котел, который обеспечивает отопление здания и служит для подачи пара в прачечные. Иногда паровые генераторы устанавливают там, где возможна утилизация высокотемпературных газов, данное решение позволяет экономить существенные суммы в отопительный период.

Паровые котлы и принцип работы имеют значительные отличия от водогрейных систем. Работа парообразующих агрегатов основана на нагреве воды и последующего ее превращения в пар. Нагрев ведется при помощи выделения тепла от сжигания горючих материалов, чаще всего используется природный газ или уголь. Выдача пара котлом всегда происходит под избыточным давлением и в зависимости от назн ачения его величина колеблется в широких пределах и может меняться от1 кгс/см2 до нескольких сотен кгс/см2.

Схема работы парового котла

Эксплуатация подобных устройств связана с некоторой опасность, так как пар является сжимаемой средой и в котлах определенного типа он находится в больших объемах в сжатом состоянии, в связи с этим надежность оборудования регламентируется специальными ГОСТами. Главный фактор надежности обусловлен отсутствием разгерметизации и высвобождением большой массы разогретого пара в близлежащее пространство.

Современное оборудование более безопасно, по причине применения таких схем конструкции котла, при которых образование пара происходит в малых объемах, но с высокой скоростью, то есть не происходит аккумуляция значительных масс парообразного состояния воды. Тем не менее, безопасность паровых установок зависит от контроля параметров давления и температуры и от уровня автоматики, осуществляющей сброс излишков пара и отключения нагрева в случае аварийной ситуации .

Различия и виды парового оборудования

Несмотря на то, что принцип действия всех котлов основан на передаче теплоты сгорания горючих веществ воде для ее перехода в парообразное состояние, конструктивный подход в парогенерирующих агрегатах разный.

Основные виды оборудования:

с газотрубным методом получения пара;
с водотрубным методом.

Газотрубные котлы предусматривают получение пара следующим способом . В цилиндрический корпус котла встроены трубы, в которых происходит горение или проходят разогретые дымовые газы. От этих труб происходит передача тепла воде, которая затем превращается в пар. Эти агрегаты подразделяются на котлы с жаровыми или дымогарными трубами. Жаровой тип предполагает процесс сгорания топлива непосредственно в самой трубе, для этого на входе в нее устанавливается горелка с наддувом, которая позволяет равномерно сгорать топливу по всей длине трубы. В дымогарных трубах, горения не происходит, а теплота воде передается за счет подачи в них разогретого газа (продуктов сгорания) . То есть теоретически происходит процесс утилизации избыточного тепла продуктов сгорания. Процесс испарения происходит в верхней части цилиндра и накопленный пар постепенно сбрасывается в магистраль через перепускной клапан, рассчитанный под требуемое давление.

Котел с газотрубным методом получения пара

Утилизационные схемы котлов с дымогарным способом передачи тепла, проектируются таким образом, чтобы температура газов на выходе была не менее 150 С, для обеспечения последующей тяги в дымовых трубах.

В газотрубных котлах происходит образование пара непосредственно в самом корпусе устройства, из-за этого емкость котла является накопителем большой массы пара под избыточным давлением. Этот факт ограничивает мощностные характеристики агрегатов, так как в случае генерации пара под высоким давлением возможен разрыв сосуда агрегата и мгновенное высвобождение большой массы парообразного вещества. Мощность газотрубных котлов ограничена и составляет приблизительно 400 кВт, рабочее давление не выше 10 кгс/см2.

Водотрубные парогенераторы имеют противоположный принцип работы. В них теплота сгорания топлива передается трубам, к которых находится вода, вследствие чего происходит закипание и переход ее в парообразное состояние. Расположение кипятильных труб и способ циркуляции воды по ним зависит от конструктивных особенностей.

Наиболее распространенные схемы водотрубных генераторов пара:

барабанные;
прямоточные.

Барабанная схема

Барабанные устройства бывают горизонтальными или вертикальными , состоят из топки, сверху которой расположены обвязки из труб, выходящие в барабан, накапливающий готовый пар. Теплота сгорания топлива передается трубам, в них образуется насыщенный пар, в барабане происходит отделение неиспарившейся воды, которая возвращается обратно в трубы. Прогон жидкости по ним может происходить до 30 раз и зависит от типа агрегатов. Котлы с естественной циркуляцией воды работают по принципу поднятия разогретых водных слоев и считаются менее производительными. В циркуляционных водотрубных генераторах количество прогонов сокращается и повышается выход готового пара, при этом требуется большее количество топлива для обеспечения скорости парообразования. Исполнение котлов может быть горизонтальное или вертикальное. В горизонтальных конструкциях используется один барабан для приема пара, а в вертикальных решениях допускается несколько барабанов.

Барабанный котел с водотрубным методом получения пара

Современные конструкции предусматривают установку радиационных экранов в топке, позволяющих отбирать лучистый тип энергии при сгорании и дополнительно производить пар. Геометрическое расположение труб в кожухе котла напрямую влияет на скорость нагрева и парообразования, при этом происходит экономия топлива.

Так же как и в газотрубных котлах температура газов не должна быть менее 150 С, для избегания ухудшения тяги. В больших промышленных установках применяются дымоотсосы для удаления продуктов сгорания.

Для того чтобы производить перегретый пар с нужной температурой, устанавливается пароперегреватель. Его конструкция напоминает пучковое соединение труб, только в них подается насыщенный пар, а на выходе он выходит в перегретом состоянии. Нагрев ведется также дымовыми газами.

Прямоточная схема

Прямоточные агрегатыустроены таким образом, что подаваемая вода в трубы проходит без циркуляции и за это время успевает перейти в парообразное состояние. Такой тип котлов является наиболее производительным.

Комплексная парогенерирующая установка содержит специальный сепаратор, задача которого состоит в удалении жидкой составляющей парообразной смеси. Это критично для потребителей, требующих подачу сухого пара. Содержание жидкой фазы воды ухудшает теплоотдачу и может привести к конденсационным эффектам в узлах магистрали, в результате возникает риск гидроудара в системе.

Схема прямоточного котла с водотрубным методом получения пара

Водотрубные котлы, в отличие от газотрубных нуждаются в тщательной водоподготовке, так как при парообразовании может происходить отложение солей на внутренней поверхности труб. Это приводит к снижению производительности или к аварийным ситуациям из-за прогара. Водоподготовка включает удаление растворенного кислорода и смягчение воды специальными химическими веществами. При эксплуатации котла в замкнутом контуре, например в отопительной системе, водоподготовка проводится один раз. Если предусматривается постоянный забор готового пара, то подпитка ведется только подготовленной водой.

Топливом для паровых котлов может служить:

природный газ;
уголь;
дизельное топливо;
электроэнергия;
мазут;
атомная энергия.

Паровые котлы с низкой производительностью, применяемые для отопления различных площадей, чаще всего используют природный газ, уголь или дизельное топливо.

Для каких помещений подходит паровое отопление?

Паровое отопление применяется в определенных случаях, в основном, когда целесообразно утилизировать энергию дымовых газов от какого-либо производства. Как правило, чаще всего отапливаются производственные площади (цеха, мастерские, подсобные помещения, гаражи).

В настоящее время отопление паровым способом жилых помещений применяется редко, так как сложно регулировать температурный режим и существует опасность ожога паром при повреждении отопительной системы.

Паровые котлы, работающие на угле, газе или дизельном топливе устанавливают в тех помещениях, в которых нужно установить определенную температуру за короткий период времени. Объясняется это малой инерционностью паровых систем и большой отдачей тепловой энергии. Пар, кроме передачи своего тепла, передает скрытый тип тепловой энергии во время своей конденсации, которая была получена в процессе испарения. То есть тепловая энергия передается не только за счет охлаждения массы пара, но и за счет его конденсации.

Схема парового отопления дома

Достоинства парового отопления:

можно применять радиаторы меньшей площади, за счет большой ∆t;
быстрое достижение требуемой температуры в помещении;
малый объем сконденсированной воды на возвратном трубопроводе, позволяет применять трубы небольшого диаметра;
возможность сократить расходы на отопление при возможности утилизации дымовых газов в парогенераторе.

Недостатки:

невозможность регулировки температуры радиаторов;
вероятность ожога при прикосновении к элементам отопительной системы (температура 120-130 С);
высокий уровень шума работы паровых котлов;
потери тепла в магистралях.
Паровые котлы, спецификации по их эксплуатации, должны подбираться в зависимости от поставленных задач и финансовой целесообразности их использования.

Котел паровой, цена зависит от объема

Итог

Парогенерирующее оборудование, специфично и кроме промышленного и энергетического применения может использоваться в качестве альтернативы водяному отоплению в нежилых помещениях при проектных требованиях данной системы.

Принцип работы парового котла (видео)

В данном видео вы узнаете как происходит процесс работы парового котла

Это разновидность агрегата для передачи тепловой энергии, давление пара в котором превышает уровень в 22 атмосферы. Создание и применение подобных устройств связано с эксплуатацией на заводах силовых агрегатов значительной мощности, имеющих повышенные требования, а также с необходимостью оптимизации расхода топлива.

Высокий уровень давления позволяет получать больший полезный объем пара, нежели в стандартных моделях промышленных котлов.

Наращивание удельной мощности пара стало возможным в 20-х годах ХХ столетия. Новые технологии, развитие машиностроения и металлургии позволили реализовать весь потенциал паровых систем в сфере повышения мощности, производительности и рационализации расхода топлива.

Сферы применения:

металлургические заводы;
предприятия горнодобывающей промышленности;
производство разнообразных железобетонных изделий и прочих стройматериалов;
заводы, занимающиеся переработкой нефтепродуктов (прогрев нефтепродуктов, обеспечение трубопроводной транспортировки и т. д.);
деревообработка (сушка древесины);
изготовление комбикормов и кормовых добавок.

Преимущества использования пара высокого давления

Использование водяного пара под значительным давлением связано с некоторыми особенностями:

чем выше температура жидкости, тем выше давление пара;
уровень давления пара обратно пропорционален температуре испарения;
прямая зависимость давления насыщенного сухого пара и его температуры работает вплоть до 40 атмосфер, после чего температура начинает снижаться;
температура перегретого пара постоянно растет при повышении давления.

Все это в совокупности означает, что при показателях давления до 40 атмосфер и при использовании насыщенного сухого пара можно снизить потребление топлива (в расчете на единицу пара). При работе с перегретым паром непрерывное повышение давления позволяет непрерывно же снижать расход топлива, однако уровень экономии незначителен.

Наибольшую продуктивность пар высокого давления показывает при эксплуатации паровых турбин и машин на различных заводах.

Промежуточный (вторичный) перегрев пара высокого давления

По совокупности параметров именно отработанный (перегретый) пар является наилучшим выбором для задач отопления и нагревания. При давлении в 80 атмосфер коэффициент полезного использования производимого тепла может достигать показателя в 70 %. Именно поэтому отработанный пар находит самое широкое применение в агрегатах повышенного давления.

Вторичный перегрев дает возможность нивелировать значительную влажность пара, проявляющуюся на последних этапах процесса отработки. Таким образом, можно достичь практически полного применения всего затраченного тепла.

Средняя экономия топлива при задействовании промежуточного перегрева составляет 1-3 %. Если осуществить дополнительную настройку регенеративных процессов, ответственных за подогрев подпитывающей воды при помощи пара, можно достичь 8-процентной экономии.

Конструкции и схемы промышленных паровых котлов высокого давления

Паровые котлы, использующие пар под значительным давлением, представлены двумя основными категориями:

Сравнительно старые модели промышленных котлов (секционные, вертикально-водотрубные), переконструированные с учетом эксплуатационных требований к системам со значительным давлением; как правило, используются при отсутствии более современной альтернативы, не отличаются большой эффективностью.
Варианты котлов высокого давления, изначально сконструированные для функционирования в таких условиях.

Наиболее распространенные системы, относящиеся ко второй категории:

Атмос - несколько труб (роторов), расположенных горизонтально в топочном пространстве и вращающихся со скоростью около 300 оборотов в минуту; паропроизводительность зависит от числа оборотов роторов. Верхняя граница паропроизводительности систем Атмос - 300--350 кг/м 2 . Основные преимущества - простая схема циркуляции воды, отсутствие дорогостоящих деталей (барабанов); недостатки - высокая сложность устройства вращения роторов, необходимость постоянного ухода за установкой.
Лефлера - такой котел позволяет получать пар под давлением за счет впуска перегретого пара в испаритель (барабан) одновременно с кипящей водой. Основные преимущества - значительный объем жидкости в испарители, нет необходимости в умягчении воды, отсутствие кипятильных труб. Недостатки - сложность насоса, ответственного за вывод пара, риск пережога труб при внезапной остановке насоса, а также неэкономичность всей установки при давлении меньше 100 атмосфер.
Бенсона - агрегат использует оригинальную схему, при которой вода переходит в пар без дополнительных затрат тепла. Преимущества такого парового котла высокого давления - малый водяной объем, высокая безопасность и относительная дешевизна конструкции.
Шмидта-Гартмана - котел, использующий барабан с интегрированной системой змеевиков. Преимущества - безопасность, хороший коэффициент теплоотдачи, горячие газы не оказывают прямое воздействие на барабан. Недостатки - сравнительно высокая цена, некоторые конструктивные особенности (необходимость обеспечивать для змеевиков больший уровень давления, нежели для рабочего пара).

Общие черты любых конструкций, рассчитанных на пар высокого давления, - повышенная прочность узлов, в особенности задвижек и клапанов, а также использование в качестве основных конструкционных материалов легированной стали, мартеновского литья, электростали.

Для обеспечения технических нужд промышленных предприятий, выработки электричества, а также для возможности функционирования централизованных или автономных систем отопления и вентиляции используются паровые котлы высокого давления. В функцию оборудования входит генерация насыщенного пара в процессе сгорания того или иного типа топлива. На рынке присутствует достаточно много моделей агрегатов, отличающихся габаритами, мощностью и конструктивными особенностями. Паровые котлы ДКВр (или двухбарабанные котлы, вертикально-водотрубные, реконструированные) относятся к высокопроизводительному отопительному оборудованию, работающему на разных видах топлива.

Конструкция ДКВр

Устройство котлов высокого давления является достаточно сложным, что отражается на цене оборудования. Агрегаты состоят из двух барабанов:

нижнего – короткого;
верхнего – более длинного.

Оборудование имеет экранированный топочный отсек, камеру догорания (не везде), экранные и конвективные пучки труб. Для возможности их периодической или аварийной чистки днище корпуса оборудуется лазами, которые используются и при осмотре барабанов. Снаружи устанавливаются площадки, предназначенные для техобслуживания, и лестницы – для удобства подъема наверх. В конструкции котла присутствуют, также, питательные трубопроводы и перегородки, обдувочные установки и дымососы. Каждый базовый и дополнительный элемент выполняет свою функцию. Все они имеют определенное установочное место.

Естественная циркуляция в замкнутом контуре топливного водотрубного агрегата высокого давления происходит благодаря разной плотности перемещаемой пароводяной смеси в подъемных и воды в опускных трубах, согнутых определенным образом. Напор создается за счет неодинакового обогрева участков горячими газами. Вертикальными котлы называются потому, что трубы в конструкции размещаются под углом 25 градусов и более относительно горизонта. Подобные агрегаты имеют бо́льшее количество пучков и число труб в них, что отражается на увеличении общей площади нагрева. Такое конструкторское решение позволяет осуществлять выпуск котлов высокого давления без расширения объема барабанов.

Важной составляющей ряда парогенераторов высокого давления (производительностью до 10т/ч) является топочная камера, разделенная на два сегмента посредством кирпичной кладки:

топку;
камеру догорания, повышающую КПД.

В зависимости от модели, котлы комплектуются дополнительными элементами:

различными клапанами – предохраняющими, спускными, отборны́ми, питающими, и т.д.;
запорными вентилями;
продувочной арматурой;
штуцерами;
указателями уровня воды;
манометрами и другими измерительными приборами;
пароперегревателями.

В паровых котлах серии ДКВр имеется возможность работы в водогрейном режиме. Особенности их конструкции и технические характеристики позволяют поднимать давление в три раза – с 1,3 до 3,9МПа. В результате, температура перегретого пара может увеличиваться со 195 до 440 градусов по Цельсию. Оптимальная мощность выпускаемого оборудования находится в пределах 2,5…20т/ч. Цена ДКВр зависит от данного показателя и модели агрегата.

Эксплуатация паровых газовых котлов рассматриваемой модификации может осуществляться в разных климатических зонах, даже на Крайнем Севере.

Подробнее о некоторых комплектующих

Паровые котлы оборудуются:

защитной автоматикой – отсекает топливо при аварийных и внештатных ситуациях (отсутствие напряжения, угасание пламени, резкое отклонение от нормативного давления в любом из конструктивных узлов);
аварийной или предупредительной сигнализацией – световой и звуковой;
автоматической регулировкой уровня воды;
системой безопасного розжига – проверяет показатель герметичности клапанов;
контрольной автоматикой – следит за давлением пара и топлива;
автоматической настройкой соотношения топливо-воздух в топке.

Экранные и конвективные бесшовные трубы изготавливаются диаметром 51мм из стали. С котлом они соединяются посредством вальцованных соединений.

Специальные газо-мазутные горелки применяются в случаях раздельного использования топлива – либо газа, либо мазута. Они выпускаются в пяти типоразмерах, отличаясь мощностью и типом завихрителя – прямоточного или осевого. Каждая горелка комплектуется двумя форсунками – основной и сменной. Дополнительный элемент задействуется лишь в случае чистки или установки новой форсунки.

Твердотопливные агрегаты высокого давления оборудуются золоуловителями:

механическими циклонного типа – блочными или батарейными;
работающими на основе ионизации – электрофильтры притягивают заряженные частицы;
мокрыми – удаление производится посредством воды.

Центробежный дымосос предназначается для твердотопливных котлов. Он устанавливается как внутри помещений, так и под уличными навесами. Оборудование в одностороннем направлении отсасывает из топки угарные газы. В функцию другого элемента – вентилятора – входит обеспечение противоположного действия – он принудительно подает воздух в топку, что содействует более продуктивному сжиганию топлива.

Топка для твердотопливных котлов мощностью до 10т/ч оборудуется ленточными пневмомеханическими питателями топлива, благодаря которым может производиться непрерывная загрузка угля на уже горящий слой. Она, также, комплектуется неподвижными решетками с поворотными колосниками. Для их управления, в конструкции котла предусматриваются специальные приводы, также как и для воздушных заслонок.

Принцип работы

После поступления воды в верхний барабан по входным коллекторам, происходит ее смешивание с находящейся внутри котловой водой, часть которой, в свою очередь, по циркуляционным трубам частично попадает в нижний барабан. Прогреваясь, вода поднимается, вновь оказываясь в верхнем барабане, но уже с паровой составляющей. Процесс происходит циклично.

Образующийся пар проникает в сепарационные механизмы котла, где происходит «отбор» влаги. В результате получается сухой пар, готовый к использованию. Он либо сразу отправляется в технологическую сеть, либо доводится до более высоких температур в пароперегревателе.

Процесс естественной циркуляции подчиняется законам физики. Дело в том, что вода имеет бо́льшую плотность по сравнению с пароводяной смесью. В связи с этим, первая жидкость всегда будет опускаться, а второе соединение – подниматься. В определенный момент пар отделяется и устремляется вверх, тогда как вода, благодаря гравитации, возвращается в исходное технологическое положение. Следует отметить, что в разных моделях число контуров циркуляции бывает различным.

До недавнего времени ДКВр изготавливались практически для любых типов топлива – газа и мазута, угля, древесных опилок и торфа. Но сегодня некоторые их них заменили новыми, более современными моделями:

КЕ – предназначается для твердого топлива;
ДЕ – работает на газо-мазутном топливе.

Но на многих предприятиях в эксплуатации до сих пор находятся проверенные годами паровые агрегаты ДКВр. На вторичном рынке можно купить б/у котлы в хорошем состоянии и по доступной цене, которые наверняка прослужат еще достаточно длительный период.

Причины сбоя

Правильная эксплуатация котлов высокого давления серии ДКВр является гарантией его безопасной работы. Поверхность нагрева должна своевременно охлаждаться, так как она принимает на себя максимальное воздействие топочных газов. По этой причине процесс предусматривает постоянную и интенсивно равномерную циркуляцию теплоносителя внутри контура по опускным и подъемным трубам. В противном случае на металлических стенках со временем появятся свищи, а при увеличении давления – разрывы в трубопроводе.

Кроме того, к сбоям может привести:

неверное распределение теплоносителя по трубам, причиной чему служит накопление на внутренних стенках шлама;
неравномерный прогрев испаряющих стенок, происходящий в результате загрязнения отдельных участков;
неграмотная регулировка факела горения, приводящая к технологически неправильному заполнению пространства топочной камеры.

Преимущества ДКВр

Особенность конструкции и технические возможности отопительных агрегатов серии ДКВр позволяет выделить:

существенный диапазон регулируемой паропроизводительности оборудования;
поставку в разобранном виде – допускает выполнение установки котлов высокого давления без демонтажа ограждающих конструкций;
возможность выбора оборудования под определенный вид топлива;
высокий показатель КПД;
доступную цену обслуживания;
ремонтопригодность.

Выбор котлов

При покупке той или иной модели парогенератора высокого давления необходимо обратить внимание на следующие показатели:

производительность – бесперебойность технологического процесса и отсутствие простоев обеспечит оптимальное количество сгенерированного пара за единицу времени. В данном случае – т/час;
номинальную мощность (давление пара) – для ДКВр она составляет 1,3МПа;
габариты – определяются объемом помещения котельной;
цену – зависит от трех вышеперечисленных факторов и дополнительной комплектации;
тип используемого топлива.

Следует учитывать и массу парового газового или твердотопливного котла, так как она может доходить до 44 тонн.

Примерная цена

Стоимость паровых котлов зависит от их технических характеристик и набора дополнительных комплектующих. Базовая цена агрегатов российского производства, работающих на газо-мазутном топливе, приблизительно составляет – при производительности:

2,5т/ч – 1400-1500тыс.руб.;
4т/ч – 1700-1800тыс.руб.;
6,5т/ч – 2300-2500тыс.руб.;
10т/ч – 3300-3800тыс.руб.;
20т/ч – 5500-6000тыс.руб.

Цена паровых котлов высокого давления на твердом топливе находится в пределах 1500-7200тыс.руб. Необходимо отметить, что в базовую стоимость оборудования не входят вентиляторы, дымососы и экономайзеры.

Паровым котлом называют устройство для превращения воды в пар, используемое как в быту, так и в промышленности. Пар применяется для обогрева помещений, аппаратов и трубопроводов, а также для вращения турбомашин. Давайте подробнее узнаем, что собой представляют паровые котлы. Принцип работы, устройство, классификация, сфера применения и многое другое - все это будет рассмотрено ниже.

Определение

Как вы уже поняли, паровой котел является агрегатом, производящим пар. При этом котлы такого типа могут давать пар двух видов: насыщенный и перегретый. В первом случае температура его составляет порядка 100 градусов, а давление - около 100 кПа. Температура перегретого пара поднимается до 500 градусов, а давление - до 26 МПа. Насыщенный пар используют в бытовых целях, в основном для обогрева частных домов. Перегретый пар нашел применение в промышленности и энергетике. Он хорошо переносит тепло, поэтому его использование в значительной степени повышает КПД установки.

Сфера применения

Выделяют три основные области применения паровых котлов:

Отопительные системы. Пар выступает в роли энергоносителя.
Энергетика. Промышленные паровые машины, или, как их еще называют, парогенераторы, используются для получения электрической энергии.
Промышленность. Пар в промышленности используют не только для обогрева «рубашек» аппаратов и трубопроводов, но и для преобразования тепловой энергии в механическую и перемещения транспортных средств.

Бытовые паровые котлы используются для отопления жилых помещений. Простыми словами, их задача состоит в подогреве воды и передвижении пара по трубопроводу. Такую систему часто обустраивают вместе со стационарной печью или котлом. Обычно бытовые приборы вырабатывают насыщенный не перегретый пар, которого вполне достаточно для решения возложенных на них задач.

В промышленности пар перегревают - продолжают греть после испарения с целью еще больше повысить температуру. К таким установкам предъявляют особые требования по качеству, так как при перегреве пара емкость рискует взорваться. Перегретый пар, полученный из котла, может идти на образование электричества или механическое движение.

Электрический ток с помощью пара образуется следующим образом. Испаряясь, пар попадает в турбину, где он, благодаря плотному потоку вращает вал. Таким образом, тепловая энергия переходит в механическую, а та, в свою очередь, преобразовывается в электрическую. Так работают турбины электростанций.

Вращение вала, которое возникает при испарении больших количеств перегретого пара, может передаваться непосредственно на мотор и колеса. Так в движение приводится паровой транспорт. В качестве популярных примеров работы парового двигателя можно привести парогенератор паровоза или же судовой паровой котел. Принцип работы последних довольно прост: при сжигании угля образуется тепло, которое нагревает воду и образует пар. Ну а пар, в свою очередь, вращает колеса, или в случае с судном, винты.

Рассмотрим более детально, как работаю такие котлы. Источником тепла, необходимого для подогрева воды, может выступать любой вид энергии: электрическая, солнечная, геотермальная, тепло от сгорания газа или твердого топлива. Пар, образующийся в процессе нагрева воды, представляет собой теплоноситель, то есть переносит тепловую энергию с места нагрева в место использования.

Несмотря на многообразие конструкций, принципиальное устройство и принцип работы паровых котлов не отличаются. Общая схема нагрева воды с ее последующим преобразованием в пар выглядит таким образом:

Очищение воды на фильтрах и ее подача в резервуар для нагрева с помощью насоса. Резервуар, как правило, располагается в верхней части установки.
Из резервуара, по трубам вода попадает в коллектор, расположенный, соответственно, ниже.
Вода вновь поднимается вверх, только теперь не через трубы, а через зону нагрева.
В зоне нагрева образуется пар. Под действие разности давлений между жидким и газообразным веществом, он поднимется вверх.
Вверху нагретый пар пропускается через сепаратор, где он окончательно отделяется от воды. Остатки жидкости возвращаются в резервуар, а пар следует в паропровод.
Если это не обычный котел, а парогенератор, то его трубопроводы дополнительно нагреваются. О способах их нагрева будет сказано ниже.

Устройство

Паровые котлы представляют собой емкость, в которой вода нагревается и образует пар. Обычно они выполняются в виде труб, различных размеров. Кроме трубы с водой, котел всегда имеет камеру для сгорания топлива (топку). Ее конструкция может варьироваться в зависимости от типа применяемого топлива. Если это дрова, или твердый уголь, то в нижней части топки устанавливается колосниковая решетка, на которую укладывают топливо. С нижней части колосников, в топочную камеру поступает воздух. А вверху топки обустраивают дымоход, который необходим для эффективной тяги - циркуляции воздуха и горения топлива.

Принцип работы паровых котлов на твердом топливе несколько отличается от устройств, в которых в качестве теплоносителя использован жидкий или газообразный материал. Во втором случае, топочная камера предполагает горелку, которая работает подобно горелкам бытовой газовой печи. Для циркуляции воздуха также используют колосниковую решетку и дымоход, ведь в независимости от вида топлива, воздух является важнейшим условием горения.

Полученный от сгорания топлива, поднимается к емкости с водой. Он отдает воде свое тепло и выходит через дымоход в атмосферу. Когда вода нагревается до температуры кипения, она начинает испаряться. Стоит отметить, что вода испаряется и ранее, но не в таких количествах и не с такой температурой пара. Испарившийся пар самостоятельно поступает в трубы. Таким образом, циркуляция пара и смена агрегатных состояний воды происходит естественным образом. Принцип работы парового котла с естественной циркуляцией предполагает минимальное вмешательство человека. Все, что нужно сделать оператору, это обеспечить стабильный нагрев воды и проконтролировать процесс с помощью специальных устройств.

В случае с подогрев воды происходит проще. Она нагревается с помощью нагревательных элементов типа ТЭНов или выступает в роли проводника и нагревается по закону Джоуля-Ленца.

Классификация

Паровые котлы, принцип работы которых мы сегодня рассматриваем, могут классифицироваться по нескольким параметрам.

По виду топлива:

Угольные.
Газовые.
Мазутные.
Электрические.

По назначению:

Бытовые.
Энергетические.
Промышленные.
Утилизационные.

По конструкции:

Газотрубные.
Водотрубные.

Чем отличаются газо- и водотрубные паровые котлы

Принцип работы котлов основан на подогреве емкости с водой. Емкость, в которой вода переходит в парообразное состояние, как правило, представляет собой трубу или несколько труб. Приборы, в которых горючее обогревает трубы, поднимаясь вверх, называются газотрубными котлами.

Но есть и другой вариант - когда перемещается по трубе, расположенной внутри емкости с водой. В таком случае водные емкости называются барабанами, а сам котел - водотрубным. В обиходе его также называют огнетрубным котлом. В зависимости от расположения водных барабанов, котлы такого типа подразделяют на: горизонтальные, вертикальны и радиальные. Также встречаются модели, в которых реализованы разные направления труб.

Устройство и принцип работы огнетрубного парового котла несколько отличается от газотрубного. Во-первых, это касается размера труб с водой и паром. У водотрубных котлов трубы менее габаритны, чем у газотрубных. Во-вторых, имеют место различия по мощности. Газотрубный котел дает давление не более 1 МПа и имеет теплообразующую способность до 360 кВт. Причиной тому являются крупные трубы. Чтобы в трубах образовывалось достаточно пара и давления, их стенки должны быть толстыми. Как результат - цена таких котлов завышена. мощнее. Благодаря тонким стенкам труб, пар нагревается лучше. И в-третьих, водотрубные котлы безопаснее. Они производят высокую температуру и не боятся значительных перегрузок.

Дополнительные элементы котлов

Принцип работы парового котла довольно прост, тем не менее его конструкция состоит из довольно большого количества элементов. Кроме топочной камеры и труб для циркуляции воды/пара, котлы оснащаются устройствами для повышения их эффективности (увеличение температуры пара, его давления и количества). К таким устройствам относят:

Пароперегреватель. Служит для повышения температуры пара выше 100 градусов. Перегревание пара повышает экономичность аппарата и его коэффициент полезного действия. Перегретый пар может достигать температуры в 500 градусов по Цельсию. Столь высокие температуры имеют место в паровых установках атомных станций. Суть перегрева состоит в том, что после испарения идущий по трубе пар подвергается повторному нагреву. Для этого аппарат может оснащаться дополнительной топочной камерой или простым трубопроводом, который, прежде чем вывести пар на целевое использование, несколько раз проходит через основную топку. Пароперегреватели бывают радиационными и конвекционными. Первые работают в 2-3 раза эффективнее.
Сепаратор. Служит для «осушения» пара - отделения его от воды. Это позволяет увеличить КПД установки.
Паровой аккумулятор. Данное устройство создано для поддержания постоянного уровня выхода пара из установки. Когда пара не хватает, оно добавляет его в систему и, наоборот, отбирает в случае переизбытка.
Подготовительное устройство для воды. Чтобы аппарат работал дольше, вода, попадающая в него, должна отвечать специфическим требованиям. Данное устройство снижает количество кислорода и минералов в воде. Эти несложные меры позволяют предотвратить коррозию труб и образование на их стенках накипи. Ржавчина и накипь не только снижают эффективность аппарата, но и быстро приводят его в негодность, особенно в случае активного использования.

Контрольные устройства

Кроме того, котел оснащается вспомогательными устройствами для контроля и управления. К примеру, сигнализатор предельных уровней воды следит за поддержанием постоянного уровня жидкости в барабане. Принцип работы сигнализатора предельных уровней парового котла основывается на изменении массы специальных грузов во время их перехода из жидкой фазы в парообразную, и наоборот. В случае отклонения от нормы он подает звуковой сигнал для оповещения сотрудников предприятия.

Для позиционного регулирования уровня воды также используется уровнемерная колонка парового котла. Принцип работы устройства основан на электропроводности воды. Колонка представляет собой трубку, оснащенную четырьмя электродами, контролирующими уровень воды. Если водяной столб достигает нижней отметки, подключается питательный насос, а если верхней - питание котла водой останавливается.

Еще одним простейшим устройством для измерения уровня воды в паровом котле служит водомерное стекло, встроенное в корпус аппарата. Принцип работы водомерного стекла парового котла прост - оно предназначено для визуального контроля уровня воды.

Кроме уровня жидкости, в системе с помощью термометров и манометров замеряют температуру и давление соответственно. Все это необходимо для нормального функционирования котла и предотвращения возможности возникновения аварийных ситуаций.

Парогенераторы

Мы уже рассмотрели принцип работы парового котла, теперь кратко познакомимся с особенностями парогенераторов - наиболее мощных котлов, оборудованных дополнительными устройствами. Как вы уже поняли, главное отличие парогенератора от котла состоит в том, что его конструкция включает один или несколько промежуточных пароперегревателей, что позволяет достичь высочайших температур пара. На атомных электростанциях, благодаря очень горячему пару, преобразуют энергию распада атома в электрическую энергию.

Существует два основных способа нагрева воды и переведения ее в газообразное состояние в реакторе:

Вода омывает корпус реактора. При этом реактор охлаждается, а вода нагревается. Таким образом, пар образуется в отдельном контуре. В таком случае парогенератор выполняет функции теплообменника.
Трубы с водой проходят внутри реактора. В этом варианте, реактор является топочной камерой, с которой пар подается непосредственно на электрогенератор. Эта конструкция называется кипящим реактором. Здесь все работает без парогенератора.

Заключение

Сегодня мы с вами познакомились с таким полезным прибором, как паровой котел. Устройство и принцип работы этого аппарат довольно просты и основаны на банальных физических свойствах воды. Тем не менее паровые котлы в значительной степени облегчают жизнь человека. Они согревают здания и помогают вырабатывать электричество.

Паровые котлы делятся на два типа: газотрубные и водотрубные.

Газотрубными называются котлы, в которых газообразные продукты горения выходят по дымогарным, а также жаровым трубам, размещенным внутри емкостей с нагревающейся водой.

Они бывают дымогарными, жаротрубными и дымогарожаротрубными. В водотрубных устройствах трубы с нагреваемой водой находятся внутри газопровода.

Котлы паровые газовые или же газотрубные – это агрегаты высокого давления. Их использование в теплоэнергетике допустимо при необходимой мощности в 360 кВт с рабочим давлением в 1 мегапаскаль.

При превышении давления в паровом котле может случиться взрыв с выбросом пара в большом количестве, приводящий к чрезвычайной ситуации. Сегодня такие системы считаются устаревшими и применяются довольно редко. Современные водонагревательные системы рассчитаны на большую .

Потребность в разработке водотрубных котлов появилась вследствие роста производства и необходимости получения пара в большом количестве.

Наличие множества узлов и составляющих в системе считается одним из недостатков данных устройств. Ремонт такого оборудования возможен только в отключенном состоянии.

Промышленные паровые устройства высокого давления или же парогенераторы – это сложнейшая система, состоящая из механических и электрических компонентов. Парогенератор состоит из нескольких частей:

каркас, куда крепятся все остальные элементы;
электрическое оснащение – , индикации, релейные переключатели, сигнальные лампы и другая аппаратура;
датчики давления – выполняют контроль давления в системе;
котел парогенератора – емкость для воды с установленными датчиками контроля уровня жидкости;
электронасос – используется для непосредственного закачивания воды в котел.

Для нагрева воды в электропаровых котлах используют 3 метода:
1) Применение ТЭНов разной мощности.
2) Электропроводность воды – при пропускании через воду электрического тока выделяется тепло.
3) Нагрев воды с поддержкой частотного излучения или же индукционного нагрева.

Котлы высокого давления имеют давление пара более 20 атмосфер. Разработка и внедрение аналогичных установок вызваны непосредственным ростом мощности силовых агрегатов. Работа оборудования направлена на получение большого объема пара и горячей воды. Все клапаны и задвижки должны быть выполнены с учетом работы в условиях высокого внутреннего давления.

Использование оборудования низкого давления

На современном рынке представлены Они отличаются по функциональности, дизайну и качеству сборки. Выбор необходимой модели должен происходить с учетом требуемой мощности и производительности.

Паровые котлы низкого давления предназначены для выработки насыщенного пара, давление которого не выше 0,07 МПа, а его температура составляет 115 °С. Данное оборудование способно производить 140-3000 кг пара в час. Эти агрегаты применяются для технологических процессов в сельскохозяйственных организациях, на предприятиях пищевой, деревообрабатывающей индустрии и для обогрева помещений различной площади.

Паровое оборудование низкого давления устроено так, что вода в процессе сгорания топлива забирает все тепло. Газы, в процессе выхода из топливной части, попадают прямо в трубный пучок, который объединяет две части водяной базы.

Эти продукты нагревают воду, в результате чего она начинает испаряться. Пар сервируется через паропровод и используется в технологических процессах. Благодаря большому количеству воды, формируется устойчивое давление в паровом котле, которое сохраняется даже при неравномерной подаче пара. Впрочем, не стоит игнорировать ситуации, когда давление быстро падает и может спровоцировать взрыв.

Котел низкого давления – это система, которая состоит из двух и более цилиндров разных размеров, вставленных один в другой. В жаровой трубе расположена топка, в ее заднем отсеке имеется конвективный пучок труб. Угольное паровое оборудование оснащается плитой, которая крепится к фронтальной стороне. На плите размещаются крепления для вентилятора. Благодаря этому, процесс горения улучшается, а значит, улучшается и производительность оборудования.

Газовые и жидкотопливные установки оснащаются особыми горелками. Насыщенный пар, вырабатываемый устройством, осушается, благодаря особому внутрикотловому сепарационному устройству. При этом, отходы горения удаляются через дымопровод.

Паровые котлы делятся на устройства высокого и низкого давления. В зависимости от необходимой мощности используется тот или иной тип оборудования. Данные устройства характеризуется надежностью, высокой производительностью и безопасностью применения.