Паровые котлы. 2

Министерство  образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО  Магнитогорский государственный технический    университет им. Г.И.Носова

Кафедра стандартизации, сертификации и технологии продуктов  питания

Самостоятельная работа. Тема:"Паровые котлы"

Выполнил: студентка гр. ТППБ-12 Персецкая К.М

                        Проверил: Залилов Р.В.

Магнитогорск, 2013г.

История паровых котлов.

Паровой котел – устройство, имеющее топку, обогреваемое газообразными продуктами сжигаемого в топке органического топлива и предназначенное для получения пара с давлением выше атмосферного, используемого вне самого устройства. Рабочим телом подавляющего большинства паровых котлов, является вода.

Упоминания о  паровом котле как о парогенераторе, отделённом от топки, встречаются в работах учёных: итальянца Дж. делла Порта (1601), француза С. де Ко (1615), англичанина Э. С. Вустера (1663). Однако, промышленное применение парового котла началось на рубеже XVII и XVIII вв. в связи с бурным развитием горнозаводской и угледобывающей промышленности. Ранние конструкции паровых котлов по форме напоминали шар или же котлы для варки пищи, сначала их изготовляли из меди, а затем из чугуна. Одним из первых «настоящих» паровых котлов считают котёл Д. Папена, предложенный им в 1680. 

Паровой котёл И. И. Ползунова (1765)

Конструкции современных  паровых котлов сложились в процессе изменения конструктивных форм выпускавшегося до 2-й половины XIX в. простейшего  цилиндрического парового котла, паропроизводительностью 0,4 т/ч; поверхность нагрева этого котла не превышала 25 м², давление пара 1 Мн/м² (10 кгс/см²), а КПД 30%. Развитие паровых котлов шло по двум направлениям: увеличения числа потоков газов (газотрубные котлы) и увеличения числа потоков воды и пара (водотрубные котлы). Первые газотрубные паровые котлы представляли собой цилиндрические сосуды, в которые первоначально вставляли 1, 2 или 3 трубы большого диаметра (жаровые трубы), а впоследствии десятки труб значительно меньшего диаметра (дымогарные трубы), по которым проходил газ.

Увеличение поверхности  нагрева газотрубных паровых  котлов происходило в габаритах  первоначального цилиндрического  котла или даже в меньших габаритах. Следствием этого явились некоторое  повышение паропроизводительности котла (при незначительном увеличении суммарной массы), а также улучшение передачи тепла от дымовых газов к поверхности нагрева, приводившее к снижению температуры газов на выходе из парового котла, то есть к повышению КПД.

Газотрубные паровые котлы отличались от цилиндрических относительно малыми размерами и высоким КПД (60%), однако паропроизводительность их, ограничиваемая габаритами, не превышала нескольких т/ч, а конструкционные особенности ограничивали давление пара в котле 1,5—1,8 Мн/м². Поэтому газотрубные паровые котлы сохранились только на транспортных установках (паровозы, пароходы), а из стационарных установок они полностью вытеснены водотрубными котлами.

Создание водотрубных паровых котлов шло путём увеличения числа цилиндров, составлявших котёл, сначала до 3—9 относительно больших диаметров (батарейные котлы), а затем до десятков и сотен цилиндров небольших диаметров, превратившихся в кипятильные, а в дальнейшем и в экранные трубы.

Увеличение поверхности  нагрева водотрубных паровых  котлов сопровождалось увеличением  их габаритов, и в первую очередь  высоты, но вместе с тем во много  раз возрастала паропроизводительность, уменьшался удельный расход металла, всё больше повышались параметры пара и КПД.

Со 2-й половины XIX в. выпускались камерные и секционные горизонтально-водотрубные паровые котлы с естественной циркуляцией, у которых кипятильные трубы были расположены с наклоном в 10—12° к горизонту. Камерный паровой котел состоял из одного или нескольких барабанов, подсоединённых к ним сборных камер и пучков кипятильных труб, ввальцованных в камеры. Его поверхность нагрева 350 м², паропроизводительность 10 т/ч при давлении 1,5 Мн/м². Замена плоских камер отдельными секциями, в которые ввальцовывали по одному ряду труб, позволила повысить давление пара, а с увеличением числа секций, из которых собирался котёл, поверхность нагрева достигла 1400 м².

В 1893 русский  инженер В. Г. Шухов создал водотрубный паровой котел, который состоял из продольного барабана и трубчатых батарей, представляющих собой 2 пучка труб, ввальцованных в плоские стенки коротких цилиндрических камер; в зависимости от числа батарей (от 1 до 5) поверхность нагрева котла могла изменяться от 62 до 310 м², а паропроизводительность от 1 до 7 т/ч при давлении пара до 1,3 Мн/м². Конструкцией котла Шухова была разрешена задача унификации отдельных элементов и их размеров.

В начале XX в. появились вертикально-водотрубные котлы, которые за очень короткое время были доведены до высокой степени совершенства. В 1913 паропроизводительность этих котлов не превышала 15 т/ч, а давление пара 1,8 Мн/м², к 1974 в СССР паропроизводительность их достигла 2500 т/ч при давлении 24 Мн/м², а в США 4400 т/ч при том же давлении. Вначале вертикально-водотрубные паровые котлы состояли из одного верхнего и одного нижнего барабанов, соединённых пучком прямых труб. Но уже в 20-х гг. XX в. они были полностью вытеснены более надёжными котлами с изогнутыми трубами. Типовой конструкцией в этой группе паровых котлов являлся трёхбарабанный котёлЛенинградского металлического завода (ЛМЗ), выпускавшийся в 30-х гг. XX в. Поверхность нагрева этих котлов была от 650 до 2500 м², паропроизводительность от 50 до 180 т/ч. Паровой котел был оборудован камерной топкой для сжигания угольной пыли. 

Пылеугольные  топки внедрявшиеся в те же годы, очень быстро получили чрезвычайно  широкое распространение и, с  одной стороны, сильно повлияли на развитие конструкций паровых котлов, значительно  повысив их паропроизводительность, а с другой — позволили весьма эффективно использовать любые низкосортные местные угли. 

Внедрение камерных топок привело к созданию топочных экранов, которые представляют собойиспарительные трубы, расположенные на стенах топочной камеры. Первоначально экраны закрывали только часть стен и предназначались для защиты обмуровки от непосредственного воздействия пламени, которое приводило к шлакованию топки и разрушению обмуровки.

Постепенно экраны стали закрывать всё большую  часть стен топок, а современные  паровые котлы имеют полностью экранированные топки. Экраны, воспринимающие тепло, излучаемое пламенем и горячими дымовыми газами (радиационные поверхности нагрева), работают более интенсивно, чем кипятильные трубы, находящиеся в зоне более низких температур (конвективные поверхности нагрева). Поэтому поверхность нагрева экранированных котлов значительно меньше, чем у неэкранированных такой же паропроизводительности; в котлах со сплошным экранированием топочной камеры, называемых радиационными котлами, кипятильный пучок почти отсутствует. В 30-е гг. в СССР Л. К. Рамзиным были сконструированы водотрубные котлы с принудительной циркуляцией (прямоточный котёл).

Паровые котлы.

 Котлы или паровики — закрытые приборы, для изготовления пара, давления выше атмосферного, из воды или иной жидкости, действием горящего топлива. Паровые котлы должны изготовляться из материала плотного, не пропускающего пар, и прочного, способного безопасно выдерживать давление пара. Лучшими материалами для изготовления котлов служат листовое железо, мягкая сталь и красная медь. Чугун, из которого вначале изготовлялись все котлы, ныне применяется редко, как материал для котлов весьма ненадежный.

Паровой котел может использовать энергию топлива, сжигаемого в своей топке, электрическую энергию (электрический паровой котёл) или утилизовать теплоту, выделяющуюся в других установках (котлы-утилизаторы).

По назначению:

1. Энергетические паровые котлы — предназначены для производства пара, использующегося в паровых турбинах.
2. Промышленные паровые котлы — вырабатывают пар для технологических нужд, так называемые «промышленные парогенераторы».
3. Паровые котлы-утилизаторы — используют для получения пара вторичные энергетические ресурсы теплоту горячих газов, образующихся в технологическом цикле. Энергетические котлы-утилизаторы в составе ПГУ используют теплоту уходящих газов ГТУ.

По относительному движению теплообменивающихся сред (дымовых газов, воды и пара) паровые котлы могут быть подразделены на две группы:

• газотрубные (жаротрубные, дымогарные) котлы
• водотрубные котлы

Водотрубные котлы по принципу движения воды и пароводяной смеси подразделяются на:

• барабанные (с естественной и принудительной циркуляцией: за один проход по испарительным поверхностям испаряется лишь часть воды, остальная возвращается в барабан и проходит поверхности многократно)
• прямоточные (среда между входом и выходом котла движется последовательно, не возвращаясь)

В водотрубных парогенераторах  внутри труб движется вода и пароводяная  смесь, а дымовые газы омывают  трубы снаружи. В России в XX веке преимущественно использовалисьводотрубные котлы Шухова. В газотрубных, наоборот, внутри труб движутся дымовые газы, а теплоноситель омывает трубы снаружи.

Обозначения

Согласно ГОСТ 3619-89, стационарные паровые  котлы имеют следующую структуру  обозначения:

Тип-D-P-T-FOН

Параметры котла по возможности  подбираются по стандартному ряду. После обозначения по ГОСТ может  писаться в скобках заводская  марка, например, Е-75-3,9-440БТ (БКЗ-75-39ФБ).

II. Типы котлов. 

Существуют  два основных типа паровых котлов: газотрубные, барабанные, прямоточные и водотрубные. Все котлы (жаротрубные, дымогарные и дымогарно-жаротрубные), в которых высокотемпературные газы проходят внутри жаровых и дымогарных труб, отдавая тепло воде, окружающей трубы, называются газотрубными. В водотрубных котлах по трубам протекает нагреваемая вода, а топочные газы омывают трубы снаружи. Газотрубные котлы опираются на боковые стенки топки, тогда как водотрубные обычно крепятся к каркасу котла или здания.

Барабанные котлы.

Циркуляция воды в барабанном котле  с принудительной циркуляцией 
1 Питательный насос 
2 Экономайзер 
3 Подъемные трубы 
4 Опускные трубы 
5 Барабан 
6 Пароперегреватель 
7 В турбину 
8 Циркуляционный насос

Вода в этом котле, пройдя экономайзер, попадает в барабан (находится вверху котла), из которого под действием силы тяжести (в котлах с естественной циркуляцией) попадает в опускные необогреваемые трубы, а затем в подъёмные обогреваемые, где происходит парообразование (подъёмные и опускные трубы образуют циркуляционный контур). Из-за того, что плотность пароводяной смеси в экранных трубах меньше плотности воды в опускных трубах, пароводяная смесь поднимается по экранным трубам в барабан. В нем происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду. Вода заново идёт в опускные трубы, а насыщенный пар уходит в пароперегреватель. В котлах с естественной циркуляцией кратность циркуляции воды по циркуляционному контуру — от 5 до 30 раз. Котлы с принудительной циркуляцией оснащены насосом, который создаёт напор в циркуляционном контуре. Кратность циркуляции составляет 3—10 раз. Котлы с принудительной циркуляцией на территории постсоветского пространства распространения не получили. Барабанные котлы работают при давлении меньше критического.

Рисунок 1. Паровой двухбарабанный водотрубный:

1 - верхний и нижний барабаны  котла, 2 — водяной объем, 3 - паровое  пространство, 4 - зеркало испарения, 5 и 10-сепарационное и обдувочное устройства, 6 и 18 —питательная и опускная трубы, 7 - днище котла, 8 — лаз, 9-место размещения пароперегревателя, 12 - труба для продувки котла, 13 - коллектор бокового экрана 14 - зольник, 15 - горелка, 16 - топка, 17 - кипятильные трубы.

Прямоточные котлы.

Циркуляция воды в прямоточном  котле 
1 Питательный насос 
2 Экономайзер 
3 Испарительные трубы 
6 Пароперегреватель 
7 В турбину

Прямоточные котлы не имеют барабана. Через испарительные трубы вода проходит однократно, постепенно превращаясь  в пар. Зона, где заканчивается  парообразование, называется переходной. После испарительных труб пароводяная  смесь (пар) попадает в пароперегреватель. Очень часто прямоточные котлы  имеют промежуточный пароперегреватель. Прямоточный котел является разомкнутой гидравлической системой. Такие котлы работают не только на докритическом, но и на сверхкритическом давлении.

Рисунок 2. 

Паровые котлы.

В современной теплоэнергетике применение газотрубных котлов ограничивается тепловой мощностью ок. 360 кВт и рабочим давлением около 1 МПа. Дело в том, что при проектировании сосуда высокого давления, каким является котел, толщина стенки определяется заданными значениями диаметра, рабочего давления и температуры. При превышении же указанных предельных параметров требуемая толщина стенки оказывается неприемлемо большой. Кроме того, необходимо учитывать требования безопасности, так как взрыв крупного парового котла, сопровождающийся мгновенным выбросом больших объемов пара, может привести к катастрофе. При современном уровне техники и существующих требованиях к безопасности газотрубные котлы можно считать устаревшими, хотя пока еще находятся в эксплуатации многие тысячи таких котлов тепловой мощностью до 700 кВт, обслуживающих промышленные предприятия и жилые здания. 

 
   ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ОБОРОТНЫЙ ДЫМОГАРНЫЙ ГАЗОТРУБНЫЙ ПАРОВОЙ КОТЕЛ. 1 - подвод топлива и воздуха; 2 - топочная камера; 3 - дымогарные трубы прямого прохода; 4 - дымогарные трубы обратного прохода; 5 - задняя трубная решетка; 6 - вход воды; 7 - выход пара; 8 - сепаратор пара; 9 - барабан; 10 - пар; 11 - вода; 12 - водомерное стекло; 13 - дымоход к дымовой трубе; 14 - дымовой короб; 15 - слив.

Водотрубные котлы.

 
       Водотрубный котел был разработан в связи с непрерывно растущими требованиями повышения паропроизводительности и давления пара. Дело в том, что, когда пар и вода повышенного давления находятся в трубе не очень большого диаметра, требования к толщине стенки оказываются умеренными и легко выполнимыми. Водотрубные паровые котлы по конструкции значительно сложнее газотрубных. Однако они быстро разогреваются, практически безопасны в отношении взрыва, легко регулируются в соответствии с изменениями нагрузки, просты в транспортировке, легко перестраиваемы в проектных решениях и допускают значительную перегрузку. Недостатком водотрубного котла является то, что в его конструкции много агрегатов и узлов, соединения которых не должны допускать протечек при высоких давлениях и температурах. Кроме того, к агрегатам такого котла, работающим под давлением, затруднен доступ при ремонте. Водотрубный котел состоит из пучков труб, присоединенных своими концами к барабану (или барабанам) умеренного диаметра, причем вся система монтируется над топочной камерой и заключается в наружный кожух. Направляющие перегородки заставляют топочные газы несколько раз проходить через трубные пучки, благодаря чему обеспечивается более полная теплоотдача. Барабаны (разной конструкции) служат резервуарами воды и пара; их диаметр выбирается минимальным во избежание трудностей, характерных для газотрубных котлов (см. выше). Водотрубные котлы бывают следующих типов: горизонтальные с продольным или поперечным барабаном, вертикальные с одним или несколькими паровыми барабанами, радиационные, вертикальные с вертикальным или поперечным барабаном и комбинации перечисленных вариантов, в некоторых случаях с принудительной циркуляцией.

 
Рис. 2. ПРОДОЛЬНЫЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ВОДОТРУБНЫЙ ПАРОВОЙ КОТЕЛ. 1 - подвод топлива и воздуха; 2 - огнеупорная  топочная камера; 3 - водяные трубы; 4 - передний коллектор (пароводяная смесь); 5 - первый проход; 6 - второй проход; 7 - третий проход; 8 - направляющие перегородки; 9 - дымовой короб; 10 - дымоход к дымовой  трубе; 11 - задний коллектор (вода); 12 - слив; 13 - вход воды; 14 - выход пара; 15 - сепаратор  пара; 16 - барабан; 17 - водомерное стекло; 18 - пар; 19 - пароводяная смесь.

Принцип работы парового котла.

Паровой котел представляет собой емкость, в которой вода нагревается и  преобразуется в пар. Сердце агрегата – это теплообменник. В нем  вода перед подачей в котельную  установку подогревается газами, выходящими из нее.

Принцип работы парового котла прост. В его  основу положен теплообмен дымовых  газов, пара и воды. По способу передвижения теплообменивающихся сред котлы подразделяют на две группы: жаротрубные и водотрубные агрегаты. Жаротрубный котел работает по следующему принципу: нагретый газ движется по трубам, а нагреваемая вода размещается вне труб. В водотрубных паровых устройствах теплоноситель, то есть вода, передвигается по трубам. Нагрев труб в свою очередь происходит от внешних дымовых газов, которые доводят воду до состояния кипения.

Паровой котельный агрегат состоит из цилиндров, то есть сосудов и труб разного диаметра. Цилиндры соединены  между собой с помощью вальцовки  или сварки. Помимо цилиндров в  состав котла входят коллекторы, барабан  и трубы. Для работы парового котла  обязательно наличие топки, в  которой происходит сжигание топлива. Выделенная тепловая энергия по системе  трубок передается воде. Вода испаряется и превращается в пар. Водяные  пары проходят через паросепаратор, расположенный в верхнем барабане котельной установки. В паросепараторе пар очищается от капелек воды. Сухой пар по паропроводу поступает к потребителю или направляется в пароперегреватель, в котором при неизменном давлении нагревается до более высокой температуры.

Котельные паровые агрегаты в зависимости  от принципа движения в них пара и воды классифицируют на котлы с  принудительной и естественной циркуляцией. В установках с принудительной циркуляцией  движение теплоносителей осуществляется с помощью специальных насосов. В паровых котлах второго типа циркуляция происходит по принципу перепада плотностей воды и пара.

Эксплуатация паровых  котлов.

Надзор за паровыми котлами. Опасность, представляемая взрывами Паровых котлов, вызвала установление правительственного за ними надзора. Обязательно испытание сопротивления стенок котла: 1) после изготовления его на заводе; 2) по установке его на месте; 3) после продолжительной остановки его действия. Установлены также периодические осмотры котлов, наружные и внутренние. Каждый котел должен быть снабжен предохранительными аппаратами: манометрами, предохранительными клапанами, водомерными трубками, индикаторами уровня воды, а в некоторых странах — и предупреждающими свистками. Уход за паровиками и содержание предохранительных аппаратов в исправности подлежит регламентации и наблюдению со стороны агентов правительства. Наиболее действительным средством к предупреждению взрывов является тщательный периодический осмотр внутренних стенок котла, обнаруживающий места начинающегося разъедания металла. Во Франции, Германии, Австрии правительственный надзор восполняется, а в Англии (где правительственный надзор установлен лишь по отношению к паровикам пассажирских пароходов) заменяется надзором "ассоциации владельцев паровых котлов". В члены таких ассоциаций поступают добровольно владельцы паровиков данного района; каждый член вносит ежегодно установленную общим собранием ассоциации плату с каждой единицы поверхности своих паровиков, за что имеет право на осмотр его паровиков специальными техниками ассоциации. Ассоциации содержат лаборатории, при которых подготовляются специалисты по изучению котлов. В Англии, а отчасти и в Германии ассоциации принимают на себя и страхование от взрывов. В Германии паровики членов ассоциации по надзору за паровыми котлами могут быть освобождены от правительственной инспекции. В Англии до учреждения ассоциации считался один взрыв на 2000 котлов в год, некоторые ассоциации в короткое время уменьшили у себя число взрывов до 1 на 6500. В Германии правильная статистика взрывов установлена с 1877 г. и дает следующие данные (статистика эта не обнимает локомотивов и П. котлов военного и военно-морского ведомств):

В России надзор за паровыми котлами установлен законом 1843 г., пересмотренным в 1873 г. Ныне действующий закон 8 июня 1889 г., определив, на какие именно учреждения возлагается надзор за котлами, указав, что надзор этот распространяется на все котлы, за исключением лишь находящихся на военных паровых судах, и установив уголовную ответственность за нарушение закона и издаваемых на основании его технических правил, само издание этих правил, в видах согласования их с беспрерывными успехами техники, предоставил министру финансов, по соглашению с министрами внутренних дел, земледелия, путей сообщения и управляющим морским министерством.

Под взрывом парового котла  понимается такое нарушение целостности  его стенок, при котором происходит мгновенное понижение внутреннего  давления до величины внешнего. При  взрыве происходит мгновенное испарение  воды, находящейся в котле под  давлением и нагретой до температуры  свыше 100 С, поскольку вследствие нарушения  целостности стенок котла давление в нем понижается до атмосферного. При мгновенном испарении воды образуется огромное количество пара (1 л воды, переходя в пар, увеличивается в  объеме примерно в 1700 раз), что и является причиной больших разрушений. Таким  образом, опасен не пар, находящийся  в паровом пространстве котла, а  готовая в любое мгновение  испариться, нагретая до температуры  более 100°С вода, обладающая громадным  запасом энергии.

Аварии  паровых котлов могут возникнуть из-за недостатка в них воды, неисправности  питателей и водоуказательных приборов, плохого знания правил техники безопасности кочегарами или слабой производственной дисциплины.

При недостатке воды в паровом котле  происходит размягчение металла  топочной части, в стенках котлов могут образоваться выпучины, которые приводят к разрыву стенки.

Представляет  опасность образование и скопление  накипи на отдельных элементах котла, которое наблюдается при нерегулярной чистке котлов. По этой причине может  образоваться выпучина и возможен разрыв. При попадании воды на перегретую до красного калeния стенку котла мгновенно образуется пар. Возникающее при этом на ограниченной перегретой и размягченной поверхности стенки котла высокое давление может вызвать ее разрыв.

Используемая литература.

1. Зах Р.Г. Котельные установки: учебник для ВУЗов / Р.Г. Зах. – М.: Энергия, 1968г. – 352с.: ил. 
   
2. Щеголев М.М. Котельные установки: учебник для ВУЗов / М.М. Щеголев, Ю.Л. Гусев, М.С. Иванова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1972г. – 384с.: ил. 
   
3. Антонов А.Я. Прямоточный котел / А.Я. Антонов // Большая Советская энциклопедия. В 30 т. Т. 21. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Советская энциклопедия, 1975г. – С. 178-179. 
   
4. Холодовский Г.Е. Паровой котел / Г.Е. Холодовский // Большая Советская энциклопедия. В 30 т. Т. 19. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Советская энциклопедия, 1975г. – С. 223-224.