II. Основные теоретические положения.

Определение основных параметров котельных установок.

Разработка технологической схемы котельной

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Энергоснабжение»

для студентов специальности 140211

г. Набережные Челны

2010г.

Определение основных параметров котельных установок. Разработка технологической схемы котельной: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Энергоснабжение». /Составитель: Санакулов А.Х. - Набережные Челны: Изд-во ИНЭКА, 2010.- 55 с.

Рецензент: начальник котельной ООО «Электротранспорт» Нуруллин Д.Г.

Лабораторная работа №1.

Определение основных параметров

Котельных установок.

I. Цель работы:

1. Изучение устройства и принципа действия оборудования котельных установок.

2. Определение технико-экономических показателей и расчёт параметров котельной установки.

II. Основные теоретические положения.

II-1. Общие сведения о котельных установках.

Котельная установка представляет собой комплекс уст­ройств, размещенных в специальных помещениях и служащих для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию пара или горячей воды. Основные элементы котельной установки - котел, топочное устройство (топка), питательные и тягодутьевые устройства.

Котёл представляет собой теплообменное устройство, в ко­тором тепло от горячих продуктов горения топлива передается воде. В результате этого в паровых котлах вода превращается в пар, а в водогрейных котлах нагревается до требуемой темпе­ратуры.

Топочное устройство служит для сжигания топлива и пре­вращения его химической энергии в тепло нагретых газов.

Питательные устройства (насосы, инжекторы) предназначе­ны для подачи воды в котел.

Тягодутьевое устройство состоит из дутьевых вентиляторов, системы газовоздуховодов, дымососов и дымовой трубы, с по­мощью которых обеспечиваются подача необходимого количест­ва воздуха в топку и движение продуктов сгорания по газохо­дам котла, а также удаление их в атмосферу. Продукты сгора­ния, перемещаясь по газоходам и соприкасаясь с поверхностью нагрева, передают тепло воде.

Для обеспечения более экономичной работы современные котельные установки имеют вспомогательные элементы: водя­ной экономайзер и воздухоподогреватель, служащие соответст­венно для подогрева воды и воздуха; устройства для подачи топлива и удаления золы, для очистки дымовых газов и пита­тельной воды; приборы теплового контроля и средства автома­тизации, обеспечивающие нормальную и бесперебойную работу всех звеньев котельной.

Котельные установки в зависимости от характера потреби­телей разделяются на энергетические, производственно-отопи­тельные и отопительные. По виду вырабатываемого теплоноси­теля они делятся на паровые (для выработки пара) и водогрей­ные (для выработки горячей воды).

Энергетические котельные установки вырабатывают пар для паровых турбин на тепловых электростанциях. Такие котельные оборудуют, как правило, котлоагрегатами большой и средней мощности, которые вырабатывают пар повышенных парамет­ров.

Производственно-отопительные котельные установки (обыч­но паровые) вырабатывают пар не только для производствен­ных нужд, но и для целей отопления, вентиляции и горячего во­доснабжения.

Отопительные котельные установки (в основном водогрей­ные, но они могут быть и паровыми) предназначены для обслу­живания систем отопления производственных и жилых помеще­ний.

В зависимости от масштаба теплоснабжения отопительные котельные разделяются на местные (индивидуальные), группо­вые и районные.

Местные котельные обычно оборудуют водогрейными кот­лами с нагревом воды до температуры не более 115°С или паро­выми котлами с рабочим давлением до 70 кПа. Такие котель­ные предназначены для снабжения теплом одного или не­скольких зданий.

Групповые котельные установки обеспечивают теплом груп­пы зданий, жилые кварталы или небольшие микрорайоны. Та­кие котельные оборудуют как паровыми, так и водогрейными котлами, как правило, большей теплопроизводительности, чем котлы для местных котельных. Эти котельные обычно разме­щают в специально сооруженных отдельных зданиях.

Районные отопительные котельные служат для теплоснаб­жения крупных жилых массивов: их оборудуют сравнительно мощными водогрейными или паровыми котлами.

На рис.1. представлена схема котельной установки с паро­выми котлами. Установка состоит из парового котла 4, который имеет два барабана - верхний и нижний. Барабаны соединены между собой тремя пучками труб, образующих поверхность нагрева котла. При работе котла нижний барабан заполнен во­дой, верхний - в нижней части водой, а в верхней - насыщенным водяным паром. В нижней части котла расположена топка 2 с механической колосниковой решеткой для сжигания твердого топлива. При сжигании жидкого или газообразного топлива вместо решетки устанавливают форсунки или горелки, через которые топливо вместе с воздухом подается в топку. Котел ограничен кирпичными стенами—обмуровкой.

Рабочий процесс в котельной протекает следующим образом. Топливо из топливного склада подается транспортером в бун­кер, откуда оно поступает на колосниковую решетку топки, где и сгорает. В результате горения топлива образуются дымовые газы - горячие продукты сгорания.

Дымовые газы из топки поступают в газоходы котла, обра­зуемые обмуровкой и специальными перегородками, установленными в пучках труб. При движении газы омывают пучки труб котла и пароперегревателя 3, проходят через экономайзер 5 и воздухоподогреватель 6, где они также охлаждаются вследствие передачи тепла воде, поступающей в котёл, и воздуху, подаваемому в топку. Затем значительно охлажденные дымовые газы при помощи дымососа 8 удаляются через дымо­вую трубу 7 в атмосферу. Дымовые газы от котла могут отводиться и без дымососа под действием естественной тяги, создаваемой дымовой трубой.

Вода из источника водоснабжения по питательному трубопроводу подается насосом 1 в водяной экономайзер, откуда после подогрева поступает в верхний барабан котла. Заполнение барабана котла водой контролируется по водоуказательному стеклу, установленному на барабане.

Рис.1. Схема паровой котельной установки

Из верхнего барабана котла вода по трубам опускается в нижний барабан, откуда по левому пучку труб она снова поднимается в верхний барабан. При этом вода испаряется, а образующийся пар собирается в верхней части верхнего барабана. Затем пар поступает в пароперегреватель 3, где за счет тепла дымовых газов он полностью подсушивается, и температура его повышается.

Из пароперегревателя пар поступает в главный паропровод и оттуда к потребителю, а после использования конденсируется и в виде горячей воды (конденсата) возвращается обратно в котельную.

Потери конденсата у потребителя восполняются водой из водопровода или из других источников водоснабжения. Перед подачей в котел воду подвергают соответствующей обработке.

Воздух, необходимый для горения топлива, забирается, как правило, вверху помещения котельной и подается вентилятором 9 в воздухоподогреватель, где он подогревается и затем направляется в топку. В котельных небольшой мощности воздухоподогреватели обычно отсутствуют, и холодный воздух в топку подается или вентилятором, или за счет разрежения в топке, создаваемого дымовой трубой. Котельные установки оборудуют водоподготовительными устройствами (на схеме не показаны), контрольно-измерительными приборами и соответствующими средствами автоматизации, что обеспечивает их бесперебойную и надежную эксплуатацию.

Рис.2. Схема районной отопительной котельной установки

Водогрейные котельные установки предназначены для по­лучения горячей воды, используемой для отопления, горячего водоснабжения и других целей.

На рис.2. приведена схема районной отопительной котель­ной с водогрейными котлами 1 типа ПТВМ-50 теплопроизводительностью 58 МВт. Котлы могут работать на жидком и газо­образном топливе, поэтому они оборудованы горелками и фор­сунками 3.

Воздух, необходимый для горения, подается в топку дутье­выми вентиляторами 4, приводимыми в действие электродвига­телями. На каждом котле установлено 12 горелок и столько же вентиляторов.

Вода в котел подается насосами 5, приводимыми в действие электродвигателями. Пройдя через поверхность нагрева, вода нагревается и поступает к потребителям, где отдает часть тепла и с пониженной температурой снова возвращается в котел. Ды­мовые газы из котла удаляются в атмосферу, через трубу 2.

Компоновка котельной полуоткрытого типа: нижняя часть котлов (примерно до высоты 6 м) расположена в здании, а верхняя их часть—на открытом воздухе. Внутри котельной раз­мещаются дутьевые вентиляторы, насосы, а также щит управ­ления. На перекрытии котельной установлен деаэратор 6 для удаления воздуха из воды.

Котельная установка с паровыми котлами (см. рис.1.) имеет компоновку закрытого типа, когда все основное обору­дование котельной размещено в здании.

Для обеспечения нормальной эксплуатации котельные с во­догрейными котлами оборудуют необходимой арматурой, кон­трольно-измерительными приборами и средствами автоматиза­ции.

Водогрейная котельная имеет один теплоноситель - воду в отличие от паровой котельной, у которой два теплоносителя - во­да и пар. В связи с этим в паровой котельной необходимо иметь отдельные трубопроводы для пара и воды, а также баки для сбора конденсата. Однако это не значит, что схемы водо­грейных котельных проще паровых. Водогрейная и паровая ко­тельные по сложности устройства бывают различными в зави­симости от вида используемого топлива, конструкции котлов, топок и т. п. В состав как паровой, так и водогрейной котель­ной установки обычно входят несколько котлоагрегатов, но не менее двух и не более четырех-пяти. Все они связываются меж­ду собой общими коммуникациями - трубопроводами, газопрово­дами и др.

II-2. Устройство и принцип действия котлов.

Паровой или водогрейный котел представляет собой устройство в виде металлического сосуда, который обогревается продуктами сгорания топлива и служит для получения горячей воды или пара. Основным элементом котла является поверх­ность нагрева - поверхность металлических стенок, омываемых с одной стороны горячими газами, а с другой — водой. В совре­менных котлах поверхность нагрева выполняется в виде труб, присоединенных к барабанам и коллекторам.

В зависимости от места расположения поверхность нагрева котла делится на радиационную и конвективную.

Радиационная поверхность нагрева воспринимает тепло от газов главным образом вследствие их лучеиспускания. Большая часть этой поверхности располагается в топке и называется эк­раном. В зависимости от места расположения в топке экраны разделяются на боковые (трубы размещены на боковых стен­ках топки), фронтовые (трубы находятся на передней стенке) и т. д.

Конвективная поверхность нагрева воспринимает тепло от газов при соприкосновении (конвекции) с ними. Она распола­гается в газоходах котла, где передача тепла лучеиспусканием хотя и наблюдается, но не является главной и по величине зна­чительно меньше передачи тепла конвекцией. Таким образом, полная площадь поверхности нагрева котла Н_к, м², будет равна:

Н_к=Н_р+Н_конв. (1)

где Н_р и Н_конв. — соответственно площади радиационной и конвективной по­верхностей нагрева котла, м².

Площадь поверхности нагрева котла определяется со сторо­ны, омываемой газами. При работе парового котла нижняя часть его объема всегда заполнена водой, а верхняя часть - па­ром. Объем котла, занятый водой, называется водяным прост­ранством, или водяным объемом. Та часть объема котла, кото­рая при работе заполнена паром, называется паровым прост­ранством. От водяного объема котла зависит устойчивость его работы, так как вода в котле выполняет роль аккумулятора тепла: запасает тепло в период уменьшения нагрузки и отдает его во время увеличения расхода пара. Поэтому котлы с боль­шим водяным объемом почти не изменяют давления даже при значительных колебаниях расхода пара.

Паровое пространство необходимо для сбора и осушки па­ра, образующегося в котле. Чем больше паровое пространство котла, тем благоприятнее условия для удаления влаги из па­ра - осушки. Наличие влаги в нем оказывает отрицательное влияние на работу большинства аппаратов, использующих пар. Для удаления влаги из пара в котле предусматривают сепарирующие устройства.

Рис.3. Двухбарабанный паровой котёл малой мощности: металлическая часть котла без амбуровки

В процессе работы котла паровое и водяное пространства не являются постоянными и зависят от уровня воды в котле. Са­мый низкий уровень воды принимается из условий безопасной работы котла. Верхний уровень воды в котле не должен пре­вышать уровня, при котором возможны резкое увеличение влажности образующегося пара или выброс котловой воды в паропровод. Расстояние между низшим и высшим уровнями во­ды (в зависимости от размеров котлов) в среднем составляет 50 - 100 мм.

Объем воды между указанными уровнями называется пита­тельным объемом, который в процессе работы котла заполняет­ся попеременно водой и паром. На этих уровнях устанавлива­ют водоуказательные стекла и пароводопробные краны, с по­мощью которых можно также определить, находится ли уровень воды в котле в допустимых пределах.

Давление пара в котле контролируется манометрами, кото­рые присоединяют с помощью сифонной изогнутой трубки к па­ровому пространству котла. Кроме того, на котле устанавлива­ют предохранительный и обратный клапаны, вентили на пита, тельном и паровом трубопроводах, а также на спускной линии, размещаемой в самой нижней части котла. Эта линия служит для продувки котла с целью удаления осевшей грязи (шлама) и выпуска воды при ремонте.

На рис.3. представлена металлическая часть котла без амбуровки парово­го котла малой мощности. Котел имеет два барабана: верх­ний 2 и нижний 4, которые соединены между собой пучком труб 3, образующих конвективную поверхность котла. В перед­ней части котла размещается топка для сжигания топлива. Бо­ковые стенки ее покрыты трубами 1 - водяными экранами, об­разующими радиационную поверхность котла. Верхними концами экранные трубы завальцованы в верхнем барабане, а нижними — приварены к коллекторам 5.

В результате сжигания топлива в топке образуются дымовые газы высокой температуры. Эти газы проходят по газоходам котла, образуемым перегородками,омывают пучки труб, по которым движется (циркулирует) вода. В результате газы отдают воде часть своего тепла и охлаждаются, а вода нагревается и превращается в пар, собираемый в верхнем барабане котла. Воздух для горения подается в топку снизу через поддувало (зольник), где частично собираются зола и мелкие топлива, провалившиеся через решетку.

Несмотря на большие различия в устройстве, во всех котлах по существу протекают два одинаковых основных процесса: горение топлива с образованием газов высокой температуры (продуктов сгорания) и передача тепла от этих газов воде. В результате этого в паровых котлах вода нагревается и испаряется, превращаясь в пар. В водогрейных котлах, в отличие от паровых, вода лишь нагревается до требуемой температуры и испарения не происходит.

Работу паровых котлов характеризуют следующие показатели:

1. Паропроизводительность (мощность) котла D - количество вырабатываемого пара в кг или т в 1 с или 1 ч;

2. Паронапряжение поверхности нагрева D/H_к - количество пара, кг, получаемого с 1 м² поверхности нагрева за 1 ч. Эта величина является важной характеристикой, отражающей интенсивность паросъёма в котле;

3. Параметры получаемого пара - давление Р и температура t; вода и пароводяная смесь приходят в движение: вода движется

4. Коэффициент полезного действия котла - отношение количества тепла, расходуемого на образование пара (полезное тепло), ко всему затраченному теплу, вносимому в топку с топливом; следовательно, коэффициент характеризует степень использования теплоты сгорания топлива в котле. В паровых котлах циркуляционный контур состоит не из од-

Работа водогрейных котлов характеризуется теплопроизводительностью Q - количеством вырабатываемого тепла в единицу времени, Вт, а также тепловым напряжением поверхности нагрева котла Q/Н_к, температурой нагрева воды и коэффициентом полезного действия. Тепловое напряжение поверхности нагрева (или удельная тепловая нагрузка), Вт/м², выражает количество тепла, передаваемого воде за единицу времени через 1 м² поверхности нагрева.

Коэффициенты полезного действия как парового, так и водогрейного котлов выражаются в долях единицы или в процентах.

Для надежной и безопасной работы котла важное значение имеет циркуляция воды в нем парожидкостной смеси по некоторому замкнутому контуру. В результате этого обеспечивается интенсивный отвод тепла от поверхности нагрева и устраняются местные застои пара и газа, что предохраняет поверхность нагрева от недопустимого перегрева и коррозии и предотвращает аварию котла. Циркуляция в котлах может быть естественной вследствие разности плотностей воды и пароводяной смеси и принудительной (искусствен­ной), создаваемой с помощью насосов.

В современных конструкциях котлов поверхность нагрева выполняется из отдельных пучков труб, подсоединенных к барабанам и коллекторам, которые образуют достаточно сложную систему замкнутых циркуляционных контуров.

На рис.4. показана упрощенная схема циркуляции воды в котле. Замкнутый циркуляционный контур состоит из барабана и коллектора, соединённых между собой подъёмной 1 и опускной 2 трубами. При подводе тепла к подъемной трубе вода в ней частично испаряется и образуется пароводяная смесь, плотность которой значительно меньше плотности воды в необогреваемой опускной трубе. В результате этого в замкнутом контуре создается напор, благодаря которому вода и пароводяная смесь приходят в движение: вода движется вниз к коллектору, а смесь—вверх в барабан, где пар отделяется от воды. Такой же процесс наблюдается и в тех случаях, когда опускные трубы обогреваются, но менее интенсивно, чем подъемные.

В паровых котлах циркуляционный контур состоит не из одной опускной и подъемной трубы (см. рис.4.), а из ряда параллельно включенных обогреваемых и необогреваемых (или слабо обогреваемых) труб, соединенных с барабаном и коллектором.

Рис. 4. Схема естественной циркуляции воды в котле

При естественной циркуляции в результате разности плотностей воды и пароводяной смеси в различных участках циркуляционного контура создается движущий напор р_дв, который расходуется на создание скорости и преодоление всех сопротивлении в контуре при движении воды и пара. Движущий напор может быть вычислен по формуле:

_дв= Нg( _в- _см),(2)

где Н - высота паросодержащего участка подъемной трубы контура, м; g - ускорение свободного падения, м/с²; _в и _см — плотность воды и пароводяной смеси, кг/м³.

Обычно количество пара, образующегося в подъемных трубах, меньше, чем количество циркулирующей воды. Отношение массы воды, поступившей в циркуляционный контур, к массе пара, образовавшегося в нём за этот же промежуток времени, называется кратностью циркуляции. Кратность естественной циркуляции всегда больше единицы и колеблется от 8 до 50. скорость входа воды в подъёмные трубы (сечение А-А на рис.4.) называется скоростью циркуляции. В водогрейных котлах, а также в некоторых конструкциях паровых котлов циркуляция создаётся насосом (принудительная циркуляция), обеспечивающим перемещение воды и пароводяной смеси, а также преодоление гидравлических сопротивлений в циркуляционном контуре.

II-3. Паровые и водогрейные котлы.

создается напор, благодаря которому

Паровые котлы производственных котельных.

Промышленные котельные, снабжающие промпредприятия паром низкого давления (до 1,4 МПа), образуются паровыми кот­лами, изготавливаемыми отечественной промышленностью, про­изводительностью до 50 т/ч.

Основным типом паровых котлов малой производительности, широко распространенных в различных отраслях промышленности, в коммунальном и сельском хозяйстве (пар используется для технологических и отопительно-вентиляционных нужд), а также на электростанциях малой мощности, являются вертикально-

водотрубные котлы ДКВР (двухбарабанный вертикальный котел, реконструированный).

В котле ДКВР (рис.5) стены топки закрывают экранные трубы 1. На наклонной части заднего экрана установлена шамотная перегородка 12, разделяющая топочную камеру на собственно топку и камеру догорания 6. Из камеры догорания топочные газы поступают в расположенный между верхним 13 и нижним 14 барабанами конвективный пучок, разделенный перегородками на три горизонтальных газохода, в которых трубы омываются поперечным потоком газов.

В начале этого пучка располагаются трубы пароперегревателя 9 (пароперегреватель в котлах ДКВР может отсутствовать), а затем — трубы котельного пучка 11.

Рис.5. Котёл ДКВР-20-13 с топкой

12
• 3
• Далее ⇒