Котельные установки. 3

Содержание.

Введение.

На современном этапе  в основном используется система  централизованного теплоснабжения, хотя крупные котельные не всегда могут обеспечить требуемые тепловые мощности. Таким образом, появляется дефицит тепловой мощности. При всем этом необходимо также учесть значительный износ тепловых сетей (в некоторых  районах износ достигает 80-90%), что  может привести к выходу их из строя, что в свою очередь приводит к  увеличению затрат материальных, времени  на реконструкцию существующих систем. Все вышеприведенные факты свидетельствуют  об усложнении задачи бесперебойного теплоснабжения в наши дни.

В связи со сложившейся  ситуацией принимаются меры как на федеральном, так и на региональном уровне. Принят Федеральный закон «Об энергоснабжении», который направлен на эффективное использование энергетических ресурсов, а также развитие возобновляемых источников энергии и альтернативных видов топлива. Все эти источники принято относить к объектам малой (до 5 МВт) энергетики (ОМЭ), развитие которых является важной государственной задачей. Поэтому Правительство Республики Мордовия приняло постановление «О развитии малой энергетики Республики Мордовия» (от 17.06.96 г. №315). Данный проект ориентирован на эффективное использование экологически чистых газовых отопительных агрегатов.

Определяющее  значение при разработке приведенных  выше направлений имеют факторы  устойчивости ОМЭ, работающих с теми или иными потребителями. В нашем  случае устойчивость системы может  быть достигнута дополнением существующих тепловых сетей объектами малой  энергетики.

   Автоматизация -это применение комплекса средств, позволяющих осуществлять производственные процессы без непосредственного участия человека, но под его контролем . Автоматизация производственных процессов приводит к увеличению выпуска, снижению себестоимости и улучшению качества продукции, уменьшает численность обслуживающего персонала, повышает надежность и долговечность машин, дает экономию материалов, улучшает условия труда и техники безопасности. 
Автоматизация освобождает человека от необходимости непосредственного управления механизмами. В автоматизированном процессе производства роль человека  сводится к наладке,регулировке, обслуживании средств автоматизации и наблюдению за их действием. Если автоматизация облегчает физический труд человека, то автоматизация имеет цель облегчить так же и умственный труд. Эксплуатация средств автоматизации требует от обслуживающего персонала высокой техники квалификации.

По уровню автоматизации  теплоэнергетика занимает одно из ведущих  мест среди других отраслей промышленности. Теплоэнергетические установки  характеризуются непрерывностью протекающих  в них процессов. При этом выработка  тепловой и электрической энергии  в любой момент времени должна соответствовать потреблению(нагрузке).Почти все операции на теплоэнергетических установках механизированы, а переходные процессы в них развиваются сравнительно быстро. Этим объясняется высокое развитие автоматизации в тепловой энергетике.

1. Общее положение.

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, блок газоотсасывающей установки, блочная водоподготовительная установка.

Котел - 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.

В зависимости от того, для какой  цели используется тепловая энергия, котельные  подразделяются на энергетические, отопительно-производственные и отопительные.

Энергетические котельные снабжают паром паросиловые установки, вырабатывающие электроэнергию, и обычно входят в  комплекс электрической станции. Отопительно-производственные котельные сооружаются на промышленных предприятиях и обеспечивают тепловой энергией системы отопления и  вентиляции, горячего водоснабжения  зданий и технологические процессы производства. Отопительные котельные  предназначаются для тех же целей, но обслуживают жилые и общественные здания. Они делятся на отдельно стоящие, сблокированные, т.е. примыкающие к другим зданиям, и встроенные в здания. В последнее время все чаще строят отдельно стоящие укрупненные котельные с расчетом на обслуживание группы зданий, жилого квартала, микрорайона.

Устройство встроенных в жилые  и общественные здания котельных  в настоящее время допускается  только при соответствующем обосновании  и согласовании с органами санитарного  надзора.

Котельные малой мощности (индивидуальные и небольшие групповые) обычно состоят  из котлов, циркуляционных и подпиточных насосов и тягодутьевых устройств. В зависимости от этого оборудования в основном определяются размеры помещений котельной.

Виды и свойства топлива, сжигаемого в отопительных котельных.

Топливо - это горючее вещество, использование которого для получения  теплоты экономически оправдано. Целесообразность применения тех или иных горючих  веществ в качестве топлива должна обосновываться технико-экономическими факторами: стоимость добычи и транспортировки; теплота сгорания, влияние на окружающую среду; доступность для широкого использования и т.п.

Топливо состоит из горючей и  негорючей частей. Горючей частью является углерод, водород и сера, а негорючей - кислород, азот, зола и влага.

Различают твердое, жидкое и газообразное топливо. Твердое топливо - дрова, торф, бурый и каменный угли, сланцы; жидкое - нефть и продукты ее переработки - мазут, керосин и др., газообразное - природные и искусственные газы.

Различают также естественное топливо, непосредственно существующее в природе - дрова, уголь, торф, природный газ, и искусственное, являющееся продуктом переработки естественного топлива - древесный уголь, мазут, искусственные газы и др.

В зависимости от величины теплоты  сгорания различают высокосортное  топливо (с высокой теплотой сгорания) и низкосортное.

Из твердых топлив в отопительных котельных в основном сжигают  ископаемые угли, которые делятся на три группы - бурые, каменные и антрациты.

Из жидких топлив в отопительных котельных применяют мазут - остаточный продукт переработки нефти с плотностью 0,96-0,98 т/м3. Его хранят в подземных стальных или железобетонных резервуарах, установленных вне котельных. Емкость резервуаров рассчитывают на потребность не менее 15 сут. работы котельной.

Газообразное топливо - это смесь горючих и негорючих газов. В естественном газе в основном содержатся метан, этан и тяжелые углеводороды, а также негорючие газы - углекислый газ и азот . В среднем природные газы состоят из 96% метана, 2% этана, 0,5% тяжелых углеводородов и 1,5% углекислого газа и азота.

По сравнению с твердым топливом газообразное имеет ряд преимуществ -- простота и меньшая трудоемкость обслуживания котлов; лучшее перемешивание  горючего а с воздухом, в результате чего возможно горение с наименьшим избытком воздуха и, следовательно, меньшими потерями тепла с отходящими газами.

Классификация котельной  установки.

На территории производственной базы здание котельной существует и  находится в удовлетворительном состоянии.

Сети теплоснабжения существующие разработаны в соответствии с  техническими условиями.

Требования к качеству подпиточной воды приняты по «Правилам технической эксплуатации электрических станций и сетей», утвержденных Минтопэнерго России. Требования к качеству горячей воды приняты по ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая».

 Силовое электрооборудование  выполнено с учетом электроснабжения  по II категории, напряжение питающих  сетей 380В, 50Гц.

Определяющими данными для  реконструкции  и расчета централизованного теплоснабжения являются максимальные часовые (расчетные) расходы тепла по отдельным видам теплопотребления и суммарные часовые расходы тепла по абоненту в целом с учетом несовпадения часовых максимумов расходов тепла по отдельным видам теплопотребления.

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.

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, большейтеплопроизводительности, 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.

1.1.Описание технологического  процесса.

Паровым котлом называется комплекс агрегатов, предназначенных  для получения водяного пара. Этот комплекс состоит из ряда теплообменных  устройств, связанных между собой  и служащих для передачи тепла  от продуктов сгорания топлива к  воде и пару. Исходным носителем  энергии, наличие которого необходимо для образования пар из воды, служит топливо. Оборудование   котельной  должно  обеспечивается  надежным  бесперебойным  электроснабжением.

Паровые котлы типа ДЕ паропроизводительностью 10 т/ч, с абсолютным давлением 1,4 МПа (14 кгс/см2) предназначены для выработки насыщенного или перегретого пара, используемого для технологических нужд промышленных предприятий,  на теплоснабжение систем отопления и горячего водоснабжения.

Котлы  двухбарабанные  вертикально-водотрубные выполнены  по конструктивной схеме “Д”, характерной особенностью которой является боковое расположение конвективной части котла относительно топочной камеры.

Основными составными частями  котлов являются верхний и нижний барабаны, конвективный пучок и образующие топочную камеру левый топочный экран (газоплотная перегородка), правый топочный экран, трубы экранирования  фронтальной стенки топки и задний экран.

Снизу в топку подается  нужный для сгорания топлива воздух посредством дутьевых вентиляторов. Процесс горения топлива протекает при высоких температурах, поэтому экранные трубы котла воспринимают значительное количество тепла путем излучения. Деминерализованная вода поступает в диаэратор, в котором происходит удаление кислорода и углекислого газа для предотвращения коррозии металлических конструкций, а так же предварительный подогрев воды. После него питательная вода, насосом нагнетается в котел, в котором она превращается в пар температурой 540 градусов и давлением 11 МПа. Часть пара идет в котел барабана, который предназначен для нагрева питательной воды до температуры кипения. При этом образуется пароводяная смесь, удельный вес которой значительно ниже поступающей котловой воды. В результате чего происходит естественная циркуляция воды в котле и образование пара.

Продукты  сгорания топлива, называемые иначе газами, поступают в котельные газоходы, при  этом обогревается поверхность пароперегревателя, омывают трубы экономайзера, в котором происходит подогрев питательной воды до температуры, близкой к 200 С, поступающей в барабаны котла. Далее дымовые  газы проходят в дымоход и поступают в воздухоподогреватель. Из него газы через дымовую трубу выходят в атмосферу. Вода в котел подается по трубопроводу прямой и обратной воды. Пар из барабана котла, минуя пароперегреватель, поступает на паропровод.

Одним из важнейших показателей  конструкции котлоагрегата является его циркуляционная способность. Равномерная и интенсивная циркуляция  воды и паровой смеси способствует смыванию со стены пузырьков пара и газа, выделяющихся из воды, а так же препятствует отложению на стенках накипи, что в свою очередь обеспечивает невысокую температуру стенок (200-400  С), ненамного превышающую температуру насыщения и еще не опасную для прочности котельной стали. Паровой котел ДЕ -10-14 Г принадлежит к котлам естественной циркуляцией.

Для выполнения технологических  процессов в котельной предусмотрен силовой щит управления. Питание  щита осуществляется от силового щита электропитания существующего теплопункта. На щите управления котельной установлены световые табло, извещающие аварию и работу котлов и насосов.

Для обеспечения электробезопасности  обслуживания в котельной в качестве защитной меры предусмотрено заземление оборудования, конструкций, путем присоединения  к контуру заземления.

Защита здания от атмосферного электричества обеспечивается защитной зоной, создаваемой молниеотводами.

В котельной предусмотрено  рабочее и аварийное освещение. Последнее обеспечивает условия  продолжения работы и эвакуации  персонала.

Воздух к горелкам котла  нагнетается вентилятором под давлением 65-195 кПа. В летний период года забор воздуха берётся с улицы. В зимнее время года из помещения котельной. Топливо (в данном технологическом процессе это природный газ) поступает к горелкам котла под давлением 60-180 кПа. Рабочее соотношение топливо воздух указывается в режимной карте.

В горелках котла происходит пропорциональное смешивание топлива  с воздухом.

Передача теплоты от продуктов  сгорания к воде, пароводяной смеси, пару, движущейся в элементах котла, осуществляется за счёт теплопроводности и конвекции, происходящих одновременно. Через металлические стенки, а  также внешние и внутренние загрязнения  теплота передаётся теплопроводностью.

При сжигании газа источником излучения является объём его  горящего факела и получаемые продукты сгорания. При этом интенсивность  излучения факела зависит от состава  газа и условий протекания процесса.

Основными элементами рабочего процесса, осуществляемого в котельной  установке, являются:

1)процесс горения топлива, 
2)процесс теплообмена между продуктами сгорания или самим горящим топливом с водой, 
3)процесс парообразования, состоящий из нагрева воды, ее испарения и нагрева полученного пара.

Во время работы в котлоагрегатах образуются два взаимодействующих  друг с другом потока: поток рабочего тела и поток образующегося в  топке теплоносителя. 
В результате этого взаимодействия на выходе объекта получается пар заданного давления и температуры.

Одной из основных задач, возникающей  при эксплуатации котельного агрегата, является обеспечение равенства  между производимой и потребляемой энергией. В свою очередь процессы парообразования и передачи энергии в котлоагрегате однозначно связаны с количеством вещества в  потоках рабочего тела и теплоносителя.

Горение топлива является сплошным физико-химическим процессом. Химическая сторона горения представляет собой процесс окисления его  горючих элементов кислородом проходящий при определенной температуре и сопровождающийся выделением тепла. Интенсивность горения, а так же экономичность и устойчивость процесса горения топлива зависят  от способа подвода и распределения воздуха между частицами топлива.  Условно принято процесс сжигания топлива делить на три стадии: зажигание, горение и дожигание. Эти стадии в основном протекают последовательно во времени, частично накладываются одна на другую.

Рисунок 1. Структурная схема  котла.

Деминерализованная вода подается через клапан регулятора уровня воды в деаэраторе в распределительный  коллектор головки деаэратора.

Деаэратор предназначен для удаления из деминерализованной воды растворенного кислорода и углекислого газа и состоит из трубчатого подогревателя (конденсатора выпара паровоздушной смеси) с поверхностью теплообмена, деаэрационной колонки (головки деаэратора) и бака-аккумулятора.

Деминерализованная вода поступает  в трубчатый подогреватель деаэратора, где подогревается до 58^оС за счет охлаждения парогазовой смеси выхлопа деаэрационной колонки (головки деаэратора), и через распределительный коллектор поступает в деаэрационную колонку. Деминерализованная вода проходит через камеру с разбрызгивающими соплами, равномерно распределяющими поток по объему верхней части деаэрационной колонки. Распределенная таким образом вода поступает на сетчатые поддоны, снизу омываемые паром, поступающим через распределительный коллектор нижней части деаэрационной колонки (под сетчатыми поддонами) по всей ее длине. Вода в пленочном режиме контактирует с паром, нагревается, при этом происходит процесс ее дегазации, т.е. выделение растворенного в ней кислорода и углекислого газа в объем деаэрационной колонки.

Деаэрированная вода совместно с частью подводимого пара сливается по перепускным трубам в бак-аккумулятор. Верхняя часть бака-аккумулятора соединена с деаэрационной колонкой дыхательными трубками. Для подогрева деминерализованной воды в деаэрационную колонку подается пар, через клапан регулирующий давление в деаэраторе. Также пар поступает в головку деаэратора.

Из деаэратора питательная вода поступает на всас питательного насоса.

Насос имеет линии минимального расхода, с установленными на них  клапанами со сбросом воды в деаэратор, для предотвращения работы насоса при  низком или нулевом расходе питательной  воды. Открытие клапана происходит при расходе воды 30 т/ч, закрытие - 70 т/ч.

Насос оснащен индивидуальной маслосистемой. Смазка подшипников осуществляется за счет разбрызгивающего кольца. Уровень  масла контролируется по указательному  фонарю (лубрикатору). Подшипники насоса оборудованы приборами контроля температуры.

Блочные водоподготовительные установки (БВПУ) предназначены для умягчения воды. По способу смягчения они делятся на одноступенчатые и двухступенчатые.

Особенности:

• Обеспечивают очистку высокозагрязненных пресных и минерализованных поверхностных и подземных вод с цветностью до 400 градусов, содержанием железа и марганца до 30 мг/дм³, жесткостью до 20 мг-экв/дм³ и солесодержанием до 30 г/дм³.
• Позволяют получать глубокоочищенную воду с удельной электропроводностью 0,05 мкСм/см и содержанием кислорода до 0,02 мг/дм³.
• Могут поставляться в комплекте с быстровозводимыми каркасно-панельными зданиями, оборудованными внутренними инженерными системами.

БВПУ представляют собой скомпанованный и обвязанный трубопроводами набор узлов установленных на общей раме и предназначены для осветления и умягчения, либо для двуступенчатого умягчения воды, используемой в схемах водоподготовительных установок промышленных и отопительных котельных, различных технологических процессов. Технологический процесс подготовки включает в себя выполнение следующих операций: умягчение воды, взрыхление осветительного фильтра, отмывку. Исходная вода насосом подается в осветительный фильтр, после чего осветительная вода поступает в ионитный противоточный фильтр, в котором пропуск воды осуществляется сверху вниз, после умягченная вода направляется в бак питательной воды. Для обеспечения котлов-утилизаторов производства мономеров питательной водой высокого давления в котельной установлен питательный насос с электроприводом. Подшипники питательного насоса снабжены контрольным прибором температуры. Расход питательной воды на котлы-утилизаторы фиксируется расходомерами.

Образование пара в котлоагрегатах протекает с определенной последовательностью. Уже в экранных трубах начинается образование пара. Этот процесс протекает при больших температуре и давлении. Явление испарения заключается в том, что отдельные молекулы жидкости, находящиеся у ее поверхности и обладающие высокими скоростями, а следовательно, и большей по сравнению с другими молекулами кинетической энергией, преодолевая силовые воздействия соседних молекул, создающее поверхностное натяжение, вылетают в окружающее пространство. С увеличением температуры интенсивность  испарения возрастает. Процесс обратный парообразованию называют конденсацией. Жидкость, образующуюся при конденсации называют конденсатом. Она используется для охлаждения поверхностей металла в пароперегревателях. 
Пар, образуемый в котлоагрегате, подразделяется на насыщенный и перегретый. Насыщенный пар в свою очередь делится на сухой и влажный. Так как на теплоэлектростанциях требуется перегретый пар, то для его перегрева устанавливается пароперегреватель, в данном случае ширмовой и коньюктивный, в которых для перегрева пара используется тепло, полученное в результате сгорания топлива и отходящих газов.

Каждый котел оборудован четырьмя горелками, расположенными в два  яруса на фронте котла. Горелки представляют собой цилиндрическую жесткую конструкцию, наружным фланцем крепящуюся к кожуху воздушного короба, внутренним фланцем - к обечайке амбразуры горелки, образованной разводкой труб экрана. Для прохода  воздуха в кожухе горелки выставлен  промежуточный фланец, между которым  и внутренним фланцем смонтированы поворотные лопатки воздушного регистра. Привод лопаток выведен наружу горелки. Газопровод к котлу разводится к  каждой горелке, проходит через отсечные клапаны и ручные газовые клапаны  по гибкому соединению, подается в  газовый коллектор горелки. От коллектора горелки через фланцевые уплотнения до устья амбразуры проходят газовые  стволы, оканчивающиеся распределительными наконечниками. Газ из коллектора по стволам выходит через отверстия  наконечников под углом к потоку воздуха и смешивается с ним. Для интенсификации процесса смешения газа с воздухом в зоне амбразуры  горелки на центральном стволе горелки  расположен лопастной завихритель воздуха.

Каждая горелка оборудована  газовым запальным устройством  с подводом к ним через блокирующие  электроклапаны азота для их продувки, приборами контроля пламени запальника и пламени горелок, гляделками и сервоприводами поворотных лопаток воздушных регистров. Управление отсечными клапанами газа, сервоприводами воздушных регистров и датчики пламени входят в систему автоматики розжига и блокировки котлов.

Для приема газа, пуска и останова горелки газопроводы имеют продувочные  свечи, выведенные за пределы корпуса  котельной выше уровня крыши.

Розжиг горелок осуществляется от запальных горелок с электроискровым  запальным устройством и ионизационным  датчиком пламени. Газовые горелки  котлов оборудованы фотодатчиками  пламени, которые входят в систему  блокировки котла для защиты его  от загазованности при розжиге горелки  или при погасании факела каждой горелки.

Расчет процесса горения  обычно сводится к определению количества воздуха в м3,необходимого для  сгорания единицы массы или объема топлива количества и состава  теплового баланса и определению  температуры горения.

Значение теплоотдачи  заключается в теплопередаче  тепловой  энергии, выделяющейся при сжигании топлива, воде, из которой необходимо получить пар, или пару, если необходимо повысить его  температуру выше температуры насыщения. Процесс теплообмена в котле идет через водогазонепроницаемые теплопроводные стенки, называющиеся поверхностью нагрева. Поверхности нагрева выполняются в виде труб. Внутри труб происходит непрерывная циркуляция воды, а снаружи они омываются горячими топочными газами или воспринимают тепловую энергию  лучеиспусканием. Таким образом в котлоагрегате имеют место все виды  теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание. Соответственно поверхность нагрева подразделяется на конвективные и радиационные. Количество тепла, передаваемое через единицу   площади нагрева в единицу времени носит название теплового напряжения поверхности нагрева. Величина напряжения ограничена, во-первых, свойствами материала поверхности нагрева, во-вторых, максимально возможной интенсивностью теплопередачи от горячего теплоносителя к поверхности, от поверхности нагрева к холодному теплоносителю. 

Из многих параметров характеризующих  процесс, необходимо выбрать те, которые  подлежат регулированию и изменением которых целесообразно вносить  регулирующее воздействие. Для этого  необходимы результаты анализа целевого назначения процесса. Исходя из результатов  анализа, выбирают критерий управления, его заданное значение и параметры, изменением которых наиболее целесообразно на него воздействовать. Последнее осуществляется на основе статических и динамических характеристик процесса, дающих представление о взаимозависимости параметров.

Интенсивность коэффициента теплопередачи тем выше, чем выше разности температур теплоносителей, скорость их перемещения относительно поверхности нагрева и чем выше чистота поверхности.