Уч. пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ АДМИРАЛА Ф.Ф. УШАКОВА»
ИНСТИТУТ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА ИМЕНИ Г.Я. СЕДОВА
А.М. Султанов
СУДОВЫЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ И УТИЛИЗАЦИОННЫЕ
КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
Учебное пособие
Новороссийск 2015
УДК 621.181
С89
Рецензент:
кандидат технических наук, начальник судомеханического
отделения Морского колледжа ИВТ имени Г.Я. Седова
А.В. Ющенко
Рекомендовано Редакционно-издательским советом «ГМУ имени адмирала
Ф.Ф. Ушакова» в качестве учебного пособия
С89
Султанов, А.М.
Судовые вспомогательные и утилизационные котельные установки: учебное
пособие. – Новороссийск: ГМУ им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2015. – 96 с.
В учебном пособии кратко изложены теоретические основы котловых процессов, рассмотрены конструкции и принципы действия судовых паровых котлов.
Учебное пособие написано по программе курса "Судовые парогазовые установки и их эксплуатация" и предназначено для учащихся судомеханической
специальности морского колледжа.
УДК 621.181
Оригинал макет В. Преображенская
Подписано к печати 26.02.2015. Изд. № 1350
Формат 60×84 1/16. Печать оперативная
Усл. печ.л. 5,2. Уч.изд.л.5,2. Тираж 100.
Заказ 2953
Редакционно-издательский отдел
ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет им. адм. Ф.Ф. Ушакова»
353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93
Налоговая льгота – общероссийский классификатор продукции ОК-005-93, том 2. 953000
© Султанов А.М., 2015
© ГМУ им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2015
© ИВТ им. Г.Я. Седова, 2015
ПРЕДИСЛОВИЕ
На современных морских транспортных судах широко используются
различные пароэнергетические установки, работа которых основана на
использовании тепловой энергии водяного пара.
Пароэнергетическая установка (ПЭУ) – комплекс технических средств,
предназначенных для получения пара и использования его тепловой энергии для
обеспечения производственной деятельности судна и создания нормальных условий
обитаемости экипажа.
Основные элементы ПЭУ:
• котельная установка, предназначенная для получения водяного пара;
• паровая турбина, служащая для преобразования тепловой энергии водяного пара
в механическую работу вращения гребного винта;
• вспомогательные устройства, системы и механизмы, обеспечивающие работу
ПЭУ;
• общесудовые потребители пара, обеспечивающие технологические нужды и
нормальные условия жизнедеятельности экипажа.
Судовые котельные установки характеризуются большим разнообразием
конструкций, методов и систем управления. Для обеспечения надёжной и
экономичной работы таких установок необходимо учитывать особенности и условия,
при которых они эксплуатируются, а от обслуживающего персонала требуются
глубокие знания и практические навыки по их использованию. Невыполнение
эксплуатационных требований приводит к снижению технико-экономических
показателей и авариям котельных установок.
Двигатели, предназначенные для вращения гребных винтов (движителей),
называются главными. В качестве главных на морских судах используются двигатели
внутреннего сгорания (ДВС), паровые и газовые турбины. Рабочим телом, т.е.
носителем теплоты, в ДВС и газовых турбинах является смесь газов, получаемая при
сгорании топлива. Рабочим телом в паровых турбинах является водяной пар.
Пароэнергетическая установка, в которой энергия используется для приведения
в действие движителей судна, так же называется главной. ПЭУ, обеспечивающая
работу вспомогательных технических средств и нормальное функционирование
главной энергоустановки, является вспомогательной.
При обслуживании котельной установки необходимо руководствоваться
Правилами технической эксплуатации судовых технических средств; инструкциями
заводов-изготовителей; инструктивными материалами пароходств; отдельными
положениями: Руководства по техническому надзору за судами в эксплуатации,
Правил технической эксплуатации судов, Положения о заводском ремонте судов,
Правил техники безопасности на судах морского флота, Международной конвенции
по предотвращению загрязнения моря с судов и других нормативных документов.
Надзор за проектированием, постройкой, испытанием, установкой на судно и
эксплуатацией котельных установок осуществляется Регистром судоходства –
органом государственного технического контроля.
3
Глава 1
ТЕПЛОВАЯ СХЕМА ПАРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
Процесс преобразования энергии в ПЭУ осуществляется при непрерывном движении
рабочей среды через элементы установки, образующие замкнутый цикл. Простейшая схема
главной пароэнергетической установки морского судна дана на рис. 1.1.
Рис. 1.1 Схема ПЭУ морского судна.
Топливо из расходных цистерн подаётся топливным насосом через подогреватель
топлива и топливный фильтр к форсункам парового котла 1. Из форсунок распыленное
топливо поступает в топку, где, смешиваясь с воздухом, сгорает. Необходимый для горения
воздух нагнетается вентилятором в воздухоподогреватель 9, нагревается в нём и через
топочное устройство поступает в топку.
Дымовые газы, образующиеся в топке, отдают своё тепло поверхностям нагрева котла
и уходят в дымовую трубу. Пар из пароперегревателя 7 поступает в турбину высокого
давления (ТВД), а затем в турбину низкого давления (ТНД). Для обеспечения
реверсирования пар подводится на турбину заднего хода (ТЗХ). Крутящий момент турбин
гребному винту передаётся с помощью редуктора 2. Отработавший в турбинах пар
направляется в главный конденсатор (ГК), который прокачивается забортной водой с
помощью циркуляционного насоса (ЦН). Пар конденсируется, и конденсат откачивается
конденсатным насосом (КН) через конденсатор 3 эжектора 4 в деаэратор 5.
Эжектор откачивает из ГК воздух и другие газы, попадающие в конденсатор вместе с
паром и через неплотности. Остатки воздуха и газов удаляются из конденсата в деаэраторе,
путём нагрева воды до температуры насыщения. Из деаэратора вода подаётся питательным
насосом (ПН) через подогреватель высокого давления 6 в экономайзер 8 котла. В
экономайзере питательная вода подогревается уходящими из топки продуктами сгорания и
поступает в пароводяной коллектор котла.
4
Теоретический (идеальный) цикл ПЭУ приведён на рис. 1.2.
изоэнтропийный процесс (S = const) подачи
конденсата в котёл. Происходит повышение Р
воды в насосах и незначительное повышение Т.
3
2–3
процесс нагрева воды в котле до кипения.
4
3–4
изотермический процесс производства
пара в котле (Т = const, Р = const).
4
–
5
изобарный процесс перегрева сухого пара
2
в пароперегревателе котла.
6
1
5–6
адиабатный процесс расширения
S
перегретого пара в турбине. Точкой 5
характеризуется начальное состояние пара,
8
7
поступающего в турбину (S = const).
Рис. 1.2 Диаграмма изменения
6–1
изобарный процесс конденсации пара в
состояния рабочего тела в цикле
конденсаторе (Р = const, Т = const).
Теплота, переданная питательной воде и пару (затраченная), эквивалентна площади
8-1-2-3-4-5-6-7-8. Теплота, превращённая в работу, эквивалентна площади 1-2-3-4-5-6-1.
Отводимой от рабочего тела теплоте соответствует площадь 8-1-6-7-8.
Судовые пароэнергетические установки (в отличие от дизельных) не имеют
технических ограничений по мощности. Наибольшую потерю в ПЭУ составляет теплота
отработавшего пара, характеризуемая в цикле линией 6 - 1.
В состав вспомогательных ПЭУ входят широко используемые на дизельных и
газотурбинных судах
утилизационные пароэнергетические установки, позволяющие
повысить эффективность работы СЭУ путём использования теплоты отработавших газов и
охлаждающей двигатели воды для получения энергии.
Утилизационная ПЭУ (рис. 1.3) газотурбинных судов обеспечивает потребности
судна в тепловой, электрической и механической энергии.
Т
5
1–2
Рис. 1.3 Принципиальная схема утилизационной ПЭУ:
1. Редуктор. 2. Гребной винт. 3. Паровая турбина. 4. Конденсатор.
5. Общесудовые потребители пара. 6. Экономайзерная поверхность
нагрева. 7. Испарительная поверхность нагрева. 8. Пароперегреватель.
5
Методы повышения экономичности ПЭУ:
1. Перегрев пара (увеличение температуры при неизменных Р5 и Р6). Это приводит к росту
средней температуры, при которой подводится теплота в цикле и снижению степени
влажности в последних ступенях турбины. Максимальное значение температуры сухого
перегретого пара обычно не превышает 550 – 600°С.
2. Повышение начального давления пара (при неизменном конечном давлении), в
результате чего увеличиваются удельная работа цикла и адиабатный перепад удельной
энтальпии, следовательно, и КПД.
3. Понижение конечного давления пара (при неизменных начальных параметрах), в
результате чего увеличивается степень расширения пара (возрастает техническая работа)
и уменьшается количество теплоты отводимой в цикле. Давление пара за турбиной (Р6)
определяется температурой охлаждающей воды, которая практически бывает не ниже 8 –
12°С. Поэтому минимально достижимое давление в конденсаторе составляет 3 – 6 кПа.
Глава 2
НАЗНАЧЕНИЕ, СОСТАВ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КОТЕЛЬНОЙ
УСТАНОВКИ
Паровой котёл – устройство, предназначенное для непрерывного производства
водяного пара путём превращения какого-либо вида энергии в тепловую. Для получения
пара используется:
- химическая энергия топлива;
- электрическая энергия;
- атомная энергия.
Котельные установки, предназначенные для производства пара, необходимого для
работы главных паровых турбин и для других вспомогательных потребителей, называются
главными.
На судах с главными двигателями внутреннего сгорания или с газотурбинными
установками устанавливаются вспомогательные котлы.
Вспомогательные котлы - паровые котлы, предназначенные для обеспечения паром
вспомогательных механизмов и других потребителей тепловой энергии (для отопления,
хозяйственно-бытовых нужд, подогрева топлива, разогрева груза на танкерах и т.д.).
Вспомогательные котлы, использующие тепло газов, отработавших в ДВС и ГТУ,
носят название утилизационных.
На рис. 2.1 представлена схема парового котла. Пар образуется в результате передачи
тепла, полученного при сжигании топлива воде, находящейся внутри котла. Воздух,
необходимый для сгорания топлива, через воздухонаправляющее устройство поступает в
топку. Топка 8, стенки которой выложены огнеупорным кирпичом, предназначена для
смешивания воздуха с топливом и сжигания последнего. Дымовые газы, образующиеся в
топке при горении топлива, проходят между трубами, омываемыми внутри водой.
Поверхность труб, обогреваемая с одной стороны горячими газами, а с другой омываемая
водой, называется поверхностью нагрева котла.
Часть внутреннего пространства котла, в котором находится вода, называется
водяным пространством 5. Часть пространства, занятая образующимся в котле паром,
называется паровым пространством 4. Поверхность воды, разделяющая водяное и паровое
пространства, называется зеркалом испарения.
Вода, получая тепло от топочных газов, превращается в насыщенный пар, который
собирается в паровом пространстве котла. Оттуда пар поступает в пароперегреватель, где
происходит его перегрев до нужной температуры.
6
Тепло
топочных
газов
поверхностям
нагрева
котла
передаётся
в
газоходах.
Они
необходимы также для удаления
газов в атмосферу; в этом случае они
называются дымоходами.
В паровой котёл постоянно
подаётся вода, которая называется
питательной. Эта вода поступает
сначала
в
экономайзер,
где
подогревается
теплом
дымовых
газов, а затем непосредственно в
котёл. Воздух перед поступлением в
топку
подогревается
в
воздухоподогревателе.
3
Воздух
Вода
2
4
5
6
7
1
9
Насыщенный пар
8
Рис. 2.1 Схема парового котла
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Состав котельного агрегата:
Котёл с парообразующей поверхностью нагрева (пароводяной 6 и водяные
коллекторы, соединённые пучками парообразующих труб 1).
Экономайзер 2.
Воздухоподогреватель 3, в котором воздух перед подачей в топку подогревается
дымовыми газами или паром.
Пароперегреватель 7 (9 – коллектор пароперегревателя).
Топка с топочным устройством.
Пароохладитель (для выработки слабоперегретого пара).
Устройство для осушения пара, расположенное внутри пароводяного коллектора
котла
Арматура парового и водяного пространств и контрольно-измерительные приборы.
Дымоходы с дымовой трубой.
Обмуровка, изоляция и обшивка, служащие для уменьшения потерь тепла в
окружающую среду.
Фундамент и каркас, объединяющие в одно целое все узлы котельного агрегата.
Требования к котельным установкам морских судов:
- надёжность и безопасность работы при любых условиях (при крене до 45° и
дифференте до 15 – 20°);
- простота обслуживания и ремонта;
- высокая экономичность работы при минимальной стоимости изготовления и
эксплуатации;
- максимальная паропроизводительность при минимальных массе и габаритах;
- готовность к немедленному действию и длительным перегрузкам.
- невысокая требовательность к качеству питательной воды.
- приспособленность к автоматизации.
7
Процессы, происходящие в котле:
- топочный процесс (горение топлива в топке);
- аэродинамический процесс (подача в топку воздуха и удаление из газоходов
газообразных продуктов горения топлива);
- процесс теплопередачи (передача тепла от газов воде через поверхность нагрева);
- процесс циркуляции (движение воды и пара вдоль поверхности нагрева).
В состав котельной установки входят котельные агрегаты, вспомогательные
механизмы и устройства, необходимые для их обслуживания.
-
Вспомогательные механизмы и устройства обеспечивают:
подачу воздуха в топку и удаление из неё продуктов горения;
подачу топлива в топку;
питание котла водой;
подготовку питательной воды и топлива;
контроль и автоматическое управление работой котла.
Таким образом, судовая котельная установка – это совокупность котлов, систем и
обслуживающих вспомогательных механизмов для производства пара заданных параметров
в количестве, необходимом для всех нужд судна.
Глава 3
КЛАССИФИКАЦИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСНОВНЫЕ ТИПЫ
СУДОВЫХ КОТЛОВ
Судовые паровые котлы классифицируются по ряду признаков.
1. По виду первичного энергоносителя:
- вспомогательные (автономные);
- утилизационные;
- вспомогательно-утилизационные.
Во вспомогательных котлах, конструктивно сходных с главными, используют жидкое
топливо. Утилизационные котлы используют теплоту отработавших газов главных
двигателей и работают при движении судна.
Вспомогательно-утилизационные
котлы, объединяющие в себе элементы
вспомогательного и утилизационного
котлов, бывают смешанного типа (имеют
общую поверхность нагрева, которая
попеременно обогревается отработавшими
газами или продуктами сгорания жидкого
топлива) и комбинированные (рис. 3.1),
имеющие раздельные поверхности нагрева
при работе на жидком топливе и
отработавших газах.
Рис. 3.1 Комбинированный водотрубный котёл:
1. Пароводяной коллектор. 2. Трубы утилизационной части. 3,5. Водяные коллекторы.
4. Перегородка. 6. Топочное устройство.
7. Трубы топливной части.
8
2. По типу омывания газами поверхности нагрева:
- огнетрубные или газотрубные;
- водотрубные;
- огнетрубно-водотрубные.
В огнетрубных котлах (рис. 3.2) горячие газы движутся внутри труб и камер,
образующих поверхность нагрева, а вода омывает их снаружи.
В водотрубных котлах (рис. 3.3) вода и пароводяная смесь движутся внутри труб, а
газы омывают их снаружи.
Огнетрубно-водотрубные котлы (комбинированные) включают в себя элементы
конструкции водотрубных и огнетрубных котлов (рис. 3.4).
Водотрубные котлы имеют значительно бóльшую паропроизводительность при
меньших массовых показателях, чем огнетрубные.
Рис.3.2 Огнетрубный паровой котёл:
1. Дымогарные трубы. 2. Сухопарник.
3. Дымовая коробка.
Рис. 3.3 Водотрубный котёл
В огнетрубно-водотрубном котле
типа VX (рис.3.4) огнетрубная часть
(омываемая водой) образована стенками
топки 9 сфероконической формы и
поверхностью патрубка 8. Водотрубная
часть образована парообразующими
трубами 6, приваренными к верхней 5 и
нижней 7 трубным доскам, которые
являются днищами верхней 3 и нижней 1
частей корпуса. Из топки 9 газы проходят
через патрубок 8, огневую камеру 2
(подкреплённую сверху листом 4) и
межтрубное пространство в дымовую
коробку.
Рис. 3.4 Огнетрубно-водотрубный котёл
9
3. По виду циркуляции воды:
- с естественной циркуляцией;
- с принудительной циркуляцией.
В водотрубных котлах с естественной циркуляцией движение воды и пароводяной
смеси происходит вследствие их разного удельного веса (плотность воды в опускных трубах
больше плотности пароводяной смеси в подъёмных трубах). В водотрубных котлах с
принудительной циркуляцией (рис. 3.5) движение воды обеспечивается насосом.
Особенностью котлов с естественной или принудительной циркуляцией является наличие
пароводяного коллектора.
Пароводяной коллектор – ёмкость, организующая циркуляцию в замкнутой системе
и обеспечивающая отделение воды от пара.
Рис. 3.5 Вспомогательный котёл с
принудительной циркуляцией типа
«Ла Монт»:
1 – пароводяной коллектор;
2, 4, 5, 6 – коллекторы;
3, 7 – трубы парообразующей
поверхности нагрева;
8 – циркуляционный насос.
Водотрубные котлы с принудительной циркуляцией подразделяются на котлы с
многократной циркуляцией и прямоточные. В прямоточных котлах нет чёткой фиксации
экономайзерной, парообразующей и пароперегревательной зон.
4. По углу наклона парообразующих труб:
- горизонтальные (секционные) с углом наклона до 30° (рис. 3.6);
- вертикальные с углом наклона более 45°.
Воздух
1
2
3
4
6
Рис. 3.6 Секционный котёл:
1. Пароводяной коллектор.
2. Секции парообразующих труб.
3. Задняя камера.
4. Пароперегреватель.
5. Передние камеры.
6. Топка.
7. Грязевик.
5
7
10
Кроме приведённой основной классификации, существует ещё целый ряд детальных
подразделений: по числу барабанов, расположению пароперегревателя, давлению пара,
расположению форсунок и т.д.
Методы повышения экономичности вспомогательных котлов:
1. Экранирование топки. 2. Применение двойной обшивки. 3. Развитие хвостовых
поверхностей нагрева (воздухоподогреватели и водяные экономайзеры). 4. Увеличение
скорости газов в конвективных поверхностях нагрева для усиления процесса теплообмена.
Характеристики судовых котлов
Основными показателями, по которым оцениваются конструктивные и
эксплуатационные качества судовых котлов, являются:
1. Паропроизводительность, Dк – количество пара, производимого котлом в единицу
времени [т/ч].
Паропроизводительность является главным показателем, характеризующим нагрузку.
Номинальная паропроизводительность – наибольшая паропроизводительность,
обеспечиваемая котлом в течение длительного периода.
Максимальная паропроизводительность – обеспечиваемая форсировкой котла
выше номинальной паропроизводительности на 10 – 30%.
Dгк – до 90 т/ч;
Dвк = 0,5 – 65 т/ч;
Dук = 0,1 – 30 т/ч.
2. Часовой расход топлива, В – количество топлива, сжигаемого в топке в единицу
времени [т/ч].
3. Параметры пара:
давление пара Р [МПа], температура пара Т [°С], степень сухости пара х.
Параметры пара определяют качество пара, производимого котлом.
4. Температура питательной воды, Тпв [°С]. ↓ Тпв ⇒ ↓ Dк.
5. Температура воздуха, подаваемого в топку, Тв [°С].
Тв влияет на процесс горения топлива и экономичность котла.
6. Удельный паросъём, d – отношение паропроизводительности котла к площади его
испарительной поверхности нагрева.
Удельный паросъём характеризует интенсивность работы
D
2
поверхности нагрева котла и показывает, сколько килограммов
d=
[кг/(м · ч)]
H
пара образуется с каждого квадратного метра испарительной
поверхности нагрева в один час.
7. Удельная тепловая нагрузка топочного объёма, qт – отношение количества теплоты,
выделившейся за 1 час в топке, к объёму топки.
Qт
qт =
[кДж /(м3 · ч)]
Vт
8. Водосодержание, ω – отношение массы воды, находящейся в испарительных
элементах котла, к его паропроизводительности.
Водосодержание определяет аккумуляционную способность котла и
Mв
ω=
[ч]
его работоспособность при изменении нагрузки ПЭУ.
D
Величина водосодержания показывает, сколько времени необходимо
для испарения всей воды, содержащейся в котле, при его работе в нормальном режиме.
Чем меньше водосодержание, тем более заметны колебания уровня воды и давления пара
при изменениях режима работы котла.
9. Коэффициент полезного действия, η – отношение количества теплоты, полезно
использованной в котле (на производство пара), к количеству теплоты, выделившейся
при полном сгорании топлива.
Q
Qрн – низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, [кДж/кг].
ηк = 1
Qрн
11
Характеристики утилизационных котлов:
1. Расход отработавших газов через УК ≈ 350 – 450 т/ч – для мощных двигателей.
2. Температура отработавших газов:
360 – 450°С – для четырёхтактных дизелей;
260 – 310°С – для двухтактных с наддувом и контурной продувкой;
350 – 380°С – для двухтактных с прямоточно-клапанной продувкой;
320 – 600°С – для газотурбинных двигателей.
3. Температура газов за УК ≈ 170 – 270 °С.
4. Коэффициент утилизации теплоты отработавших газов, Ψ – степень использования
теплоты газов при одинаковых значениях теплоёмкости газов до УК и после него.
Ψ=
tгпк − tгзк
tгпк
tгпк – температура газов перед УК;
tгзк – температура газов на выходе из УК.
Значение Ψ характеризует тепловую эффективность УК.
Ψ ≈ 0,15 – 0,55
5. Коэффициент использования теплоты, ηук – отношение использованной теплоты
отработавших газов к низшей теплоте сгорания топлива [%].
ηук =
Iгпк − Iгзк
Q рн
100
Iгпк и Iгзк – энтальпии газов соответственно перед и за УК.
ηук составляет до 25%.
6. Коэффициент компактности, kк – отношение площади поверхности трубного пучка (м2)
к занимаемому им объёму (м3)
H
V
Характеризует массу и размеры поверхности нагрева котла.
kк =
Глава 4
ТОПЛИВО ДЛЯ СУДОВЫХ КОТЛОВ
Топливо – горючее вещество, вступающее в реакцию с кислородом воздуха и
выделяющее при горении большое количество теплоты.
По происхождению топливо бывает:
• естественное (нефть, природный газ, торф, каменный уголь);
• искусственное (мазут, соляр, каменноугольный кокс).
В топках судовых котельных установках сжигают в основном жидкое топливо. В
главных котлах – топочный мазут; во вспомогательных котлах теплоходов применяют
дизельное топливо разных марок, моторное марок ДТ и ДМ, мазут марок Ф-5, Ф-12, М-40. В
основном используют то топливо, на котором работает главный двигатель.
Мазут – это остаток, получаемый при перегонке сырой нефти после отделения лёгких
фракций (бензина, керосина и др.) или смесь тяжёлых остатков перегонки нефти с
маловязкими компонентами продуктов перегонки.
12
1.
2.
3.
Виды топлива:
Дистиллятное (дизельное) марок А, З, С, Л, ДА, ДЛ, ДС, ДЗ.
Получают из керосиногазойлевых фракций прямой перегонки или крекинга нефти.
Маловязкое (газотурбинное)
Получают из остаточных продуктов переработки нефти в процессе замедленного
коксования. Дешевле дизельного, но уступает ему по качественным показателям.
Тяжёлое
а) средневязкий сорт:
- моторное топливо ДТ (смесь мазута с керосиногазойлевыми фракциями);
- флотские мазуты марок Ф-5 и Ф-12 (маловязкий мазут прямой перегонки 60 – 70%,
соляровое масло 15 – 20%, крекинг-мазут 20 – 30%);
б) высоковязкий сорт:
- моторное топливо ДМ;
- экспортные мазуты М-0,9, М-1,5, М-2,0;
- топочный мазут 40, 40В.
-
Требования к топливу для морских судов:
высокое тепловыделение при горении;
минимальное содержание балласта (влаги, золы), серы и других примесей;
сравнительно невысокая стоимость;
отсутствие склонности к самовозгоранию при длительном хранении;
постоянство характеристик при длительном хранении.
От качества топлива, принятого на судно для котлов, зависят не только показатели
работы энергетической установки, но и технико-экономические и эксплуатационные
показатели судна в целом.
Состав натурального органического топлива:
Элементарный состав указывается в процентах к массе топлива 1 кг.
Углерод С (82 – 87%), водород Н (10 – 12%), кислород О (0,3 – 0,5%), азот N (0,2 – 0,4%),
сера S (0,5 – 3,5%), влага W (0,5 – 3%), зола А (0,1 – 0,4%).
С и Н – наиболее ценные элементы жидкого топлива (находятся в виде
углеводородных соединений и в виде соединений с О, N и S). Горючими элементами топлива
являются С, Н и S.
Сера может быть разделена на два типа: горючую и негорючую. Горючая сера,
называемая также летучей, при сгорании переходит в газообразные соединения SO2 и SO3,
которые, вступая в реакцию с парами воды, образуют пары сернистой и серной кислот. При
конденсации этих кислот возникает интенсивная коррозия хвостовых поверхностей нагрева и
металлических стенок котла. Поэтому летучая сера, хотя и выделяет тепло при сгорании,
является вредным компонентом топлива. Негорючая сера уже окислена и входит в состав
минеральных примесей, образующих после сжигания топлива золу. Зола представляет собой
негорючую минеральную часть топлива. Влага понижает тепловую ценность топлива, т.к.
часть теплоты расходуется на её испарение. Влага и зола называются балластом, потому что
они являются негорючей массой топлива и ухудшают его качество. Азот является инертным
элементом и не участвует в реакции горения. Кислород тепла не выделяет, а только вступает
в соединение с горючими элементами топлива являясь окислителем.
Основные массы топлива:
1. Рабочая масса (состав топлива в том виде, в котором оно сжигается в топке):
Ср + Нр + Ор + Nр + Sр + Ар + Wр = 100%
Рабочая масса не является постоянной, так как содержание влаги и золы (балласта) может
меняться в зависимости от условий добычи, хранения и перевозки топлива.
13
2. Сухая масса (состав топлива, доведённого до абсолютно сухого состояния):
Сс + Нс + Ос + Nс + Sс + Ас = 100%
3. Горючая масса (безводное и беззольное топливо):
Сг + Нг + Ог + Nг + Sг = 100%
К жидкому топливу применяют только понятия рабочей и горючей массы. По
горючей массе, как более стабильной, судят о ценности топлива (табл. 4.1). Поставки
топлива рассчитывают по горючей массе и для пересчёта с одной массы на другую
используют переводные множители. Например, пересчёт с горючей массы на рабочую
углерода и водорода производится по выражениям:
Ср = Сг
100 − ( Ар + Wр )
%
100
Нр = Нг
100 − ( Ар + Wр )
%
100
Таблица 4.1
Топливо
Дизельное
Моторное
Мазут флотский Ф-5
Мазут флотский Ф-12
Мазут малосернистый 40
Мазут сернистый 40
Мазут высокосернистый 40
Cг
86,3
86,5
85,3
86,5
87,9
86,5
85,1
Hг
13,3
12,6
12,4
12,2
10,9
10,8
10,7
Nг + Oг
0,1
0,5
0,3
0,5
0,7
0,7
0,7
Sг
0,3
0,4
2,0
0,8
0,5
2,0
3,5
Ар
0,01
0,05
0,1
0,15
0,15
0,15
0,15
Wр
нет
1,5
1,0
1,0
2,0
2,0
2,0
Теплота сгорания топлива [кДж/кг] – количество теплоты, выделяемой при полном
сгорании 1 кг этого топлива.
Высшая теплота сгорания, Qрв – количество теплоты, выделившееся при сгорании
топлива при условии, что продукты сгорания охлаждены до температуры конденсации
содержащихся в них водяных паров.
Низшая теплота сгорания, Qрн - количество теплоты, выделившееся при сгорании
топлива, но за вычетом теплоты, затраченной на испарение влаги топлива и влаги,
образующейся при сгорании водорода топлива.
Расчёты производят, учитывая низшую теплоту сгорания, т.к. дымовые газы,
покидающие котёл, имеют температуру, при которой содержащиеся в них водяные пары
практически не конденсируются (более 150°С).
В составе рабочей массы топлива имеется Wр частей влаги и при горении образуется
9 частей воды на каждую часть Нр:
2Н2 + О2 = 2Н2О
4 + 32 = 36,
36
= 9 частей воды (или водяных паров).
4
Исходя из этого, зависимость между низшей и высшей теплотой сгорания имеет вид:
т.е. на 1 часть водорода приходится
9Нр + Wр
,
100
2510 кДж/кг – теплота образования 1 кг водяного пара.
Qрн = Qрв – 2510
14
Характеристики жидкого топлива:
1. В я з к о с т ь характеризует текучесть топлива и определяет условия его хранения,
транспортировки и качество распыливания. Обычно её измеряют вискозиметром в
условных градусах вязкости или градусах Энглера (°ВУ или °Е).
Градус вязкости – условная величина, представляющая отношение времени
истечения 200 мл нефтепродукта при определённой температуре через калиброванное
отверстие вискозиметра ко времени истечения через это же отверстие 200 мл
дистиллированной воды при температуре 20°С. Диаметр отверстия в стандартном
вискозиметре Энглера равен 2,83 мм.
Вязкость лёгких нефтепродуктов обычно определяют при температуре 20°С, а
средних и тяжёлых при 50 и 100°С. Чем меньше вязкость топлива, тем легче оно
распыляется. Для обеспечения качественного распыливания и горения мазут перед
подачей к форсункам подогревают до температуры 80 – 110°С. Моторные топлива
подогревают до температуры, при которой значение вязкости 1,7 – 2,5°ВУ.
Кроме условных единиц, вязкость характеризуется абсолютными показателями:
кинематической (м2/с) и динамической (Па · с) вязкостью. Зависимость между единицами
вязкости при различных температурах дана в номограмме (рис. 4.1).
2. П л о т н о с т ь – косвенная характеристика химических свойств и фракционного состава
топлива. Значение плотности нужно для подсчёта массы топлива и расчёта форсунок.
Определяется ареометром.
Рис. 4.1 Номограмма для определения вязкости топлив, применяемых в котлах:
1 – дизельное топливо ДЛ, ДС; 2 – соляровое масло; 3 – топливо для
локомотивных газотурбинных двигателей; 4 – моторное топливо ДТ; 5 – мазут
флотский Ф-5; 6 – мазут флотский Ф-12; 7 – моторное топливо ДМ; 8 – мазут
топочный 40; А – экономически оправданный предел вязкости топлив при их
перекачивании; Б – обычный диапазон вязкости топлив при использовании
механических распылителей.
15
3. Т е м п е р а т у р а з а с т ы в а н и я – температура, при которой нефтепродукты теряют
свою естественную текучесть. Температура застывания определяет условия хранения и
перекачки топлива на судне. Широкий диапазон температур (-10°С ÷ 30°С) связан с
разным содержанием парафинов в топливе (рис. 4.2).
Рис. 4.2 Иллюстрация к
определению температуры
застывания мазута – в течение
одной минуты уровень в
наклоненной пробирке должен
оставаться неподвижным.
4. Т е м п е р а т у р а в с п ы ш к и – минимальная температура нагрева топлива, при которой
его пары в смеси с окружающим воздухом вспыхивают от соприкосновения с пламенем
и затем быстро гаснут (жидкая масса топлива не должна загореться). От температуры
вспышки зависит пожарная безопасность при хранении и расходовании топлива.
В открытых цистернах разрешается подогрев мазута до t на 20 – 30°С ниже t вспышки.
Температура вспышки топочных мазутов составляет 80 – 90°С.
5. Т е м п е р а т у р а в о с п л а м е н е н и я – температура, при которой топливо после вспышки
продолжает устойчиво гореть в течение не менее 5 с. Температура воспламенения выше
температуры вспышки на 15 – 20°С.
6. М е х а н и ч е с к и е п р и м е с и приводят к засорению каналов форсунок и их ускоренному
изнашиванию. Содержание механических примесей не должно превышать 0,8%.
7. С о д е р ж а н и е с е р ы – отрицательный показатель, т.к. она является вредным
компонентом. Содержание серы в мазутах не должно превышать 3,5%.
В зависимости от содержания серы мазуты и моторное топливо подразделяют на
малосернистые (до 0,5%), сернистые (до 2%) и высокосернистые (до 3,5%).
Отдельные характеристики жидкого топлива можно определить непосредственно на
судне с помощью судовых лабораторий анализа нефтепродуктов.
Таблица 4.2
Показатель
Плотность при 20°С,
г/см3, не более
Вязкость при 50°С
условная, °ВУ
Температура вспышки, °С, не ниже
Температура застывания, °С, не выше
Зольность, %,
не более
Содержание серы, %,
не более
Содержание механических примесей, %,
не более
Содержание воды, %,
не более
Теплота сгорания,
кДж/кг
Дизельное
Моторное
Моторное
Газотурбинное
Л
ДТ
ДМ
ТГ
0,863
0,93
0,97
0,935
0,92
0,98
0,99
0,99
0,965
—
5
20
3
5
12
40
40
20
65
65
85
61
80
90
90
90
75
-10
-5
10
5
-5
-8
10
10
10
0,02
0,04
0,15
0,01
0,05
0,1
0,12
0,04
0,2
1,0
1,5
3,0
2,5
2,0
0,6
2,0
2,0
2,0
нет
0,1
0,2
0,03
0,1
0,12
0,8
0,07
0,3
нет
1,0
1,5
0,5
0,3
0,3
1,5
0,3
0,5
42700
41400
41400
—
41459
—
40740
40740
40300
16
топочный
Экспо
ртный
мазут
40В
М-2,0
Мазут
Ф5
Ф12
топочный
40
Приём, хранение и расходование топлива на судне
Приём топлива на судно производится с береговой установки или с помощью
бункеровщика. Качество топлива подтверждается соответствующим документом.
Количество топлива определяется замерами. Для этого приёмные цистерны (бункеры)
оборудованы мерными трубами. При бункеровке исключается перелив и потеря топлива за
борт в целях предотвращения загрязнения моря. Уровень топлива в танках должен
соответствовать требованиям, определяемым остойчивостью судна, при этом исключается
заполнение вентиляционных и мерных труб.
Хранение топлива осуществляется в специальных танках (бункерах), которые
размещаются в междудонном пространстве и по бортам; топливные бункеры могут быть
предусмотрены в носу, корме и в средней части судна. Некоторые танки для удобства
эксплуатации имеют увеличенный размер по высоте, и называются «глубокие танки» или
«диптанки». Удобно использовать для хранения топлива междудонные отсеки, которые мало
пригодны для других целей. Но хранить весь запас топлива в междудонных танках не
допускается из-за опасности потери топлива и загрязнения моря в случае аварийной посадки
судна на мель.
Расходование топлива производится из отстойно-расходных цистерн. На судне
обычно предусматриваются две отстойно-расходные цистерны, ёмкость которых зависит от
назначения судна и равна примерно расходу топлива за 12 – 24 ч. В этих цистернах за счет
подогрева мазута, снижающего его плотность, производится отстой и удаление воды и
других примесей. Подогрев производится паром, давление которого в змеевиках не должно
превышать 7 кг/см2, а максимальная температура в цистернах должна быть не менее чем на
10°С ниже температуры вспышки топлива.
Глава 5
ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
Горение – протекающий при сравнительно высоких температурах химический
процесс соединения горючих элементов топлива с кислородом воздуха, сопровождающийся
интенсивным выделением теплоты.
Для быстрого и эффективного сгорания топлива необходимо совершенство процесса
перемешивания топлива с воздухом, непрерывно подаваемых в топку, причем следует
добиваться наиболее полного сгорания топлива.
Полное горение – в результате горения получены негорючие продукты сгорания (СО2,
Н2О, SO2), т.е. продукты, не способные к дальнейшей реакции с кислородом воздуха при
обычных температурах газов на выходе из топки (800 – 1200 °С).
Неполное горение – в составе продуктов сгорания содержатся продукты неполного
сгорания (СО, Н2, СН4 и различные углеводороды). Неполное горение происходит при
недостаточном количестве кислорода или низкой температуре в месте реакции. Обычно
показателем неполного сгорания является наличие окиси углерода СО, т.к. содержание
углеводородов и водорода незначительно и ими можно пренебречь.
Для обеспечения полного сгорания топлива и определения количества образующихся
газов важно знать количество воздуха, необходимого для такого процесса. При выполнении
расчётов первоначально находят теоретическое количество кислорода, необходимое для
полного сгорания топлива массой 1 кг, полагая, что входящие в его состав горючие элементы
будут полностью окислены и не образуют химических соединений с другими элементами.
Рассмотрим упрощённый расчёт количества воздуха теоретически необходимого для
полного сгорания топлива массой 1 кг с использованием молекулярных масс горючих
элементов и окислителя.
17
Из реакции горения углерода С + О2 = СО2 следует, что для полного сгорания
углерода массой 12 кг требуется 32 кг кислорода. При этом получается 44 кг двуокиси
углерода, т.е. для полного сгорания 1 кг углерода нужно 32 : 12 = 2,67 кг кислорода.
Из реакции горения водорода 2Н2 + О2 = 2Н2О находим, что 4 кг водорода,
соединяясь с 32 кг кислорода, образуют 36 кг воды, т.е. для полного сгорания 1 кг водорода
необходимо 32 : 4 = 8 кг кислорода.
Горение серы характеризуется реакцией S + O2 = SO2 с образованием сернистого газа.
Из реакции следует, что для полного сгорания 1 кг серы требуется 1 кг кислорода.
Приведённая выше схема реакций горения является записью только начала и конца
реакций и поэтому условна, тем не менее, она справедлива для определения
теоретически необходимого количества воздуха.
Учитывая, что в элементарном составе топлива содержится некоторое количество
кислорода Ор, общая минимальная масса кислорода, необходимого для сгорания горючих
элементов, содержащихся в 1 кг топлива,
mo = 2,67Cр + 8Hр + Sр – Oр [кг].
Учитывая, что 1 кг воздуха содержит примерно 23% кислорода и 76% азота, масса
воздуха, теоретически необходимая для сжигания 1 кг топлива,
2,67Cр + 8Hр + Sр - Oр
Lo =
[кг].
0,23
Объём воздуха, теоретически необходимый для сжигания 1 кг топлива,
Lo
Vо =
[м3],
ρ
3
ρ = 1,293 кг/м – плотность воздуха при нормальных условиях
(температура 0°C, давление 0,101 МПа, влажность 0%).
Выразив Ср, Нр, Ор, Sр в процентах, получим:
Vо = 0,0889Ср + 0,266Нр + 0,033 (Sр – Ор).
В действительности, учитывая несовершенство процесса горения в топке, во
избежание неполного сгорания из-за недостатка кислорода воздуха для горения топлива
подают больше, чем теоретически необходимо.
Коэффициент избытка воздуха – отношение количества воздуха Vд, действительно
поданного в топку, к теоретически необходимому для полного сгорания Vo
Vд
α=
Vo
Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз больше расходуется
воздуха для сгорания топлива по сравнению с теоретически необходимым количеством:
Vд = α · Vо.
Это важнейшая характеристика топочного процесса. Его величина зависит от рода
топлива, условий его сжигания и конструкции топочного устройства.
Для ГК α ≈ 1,03 – 1,2
Для ВК α ≈ 1,2 – 1,3
Как недостаточное, так и чрезмерное количество воздуха, поданного в топку, снижает
экономичность работы парового котла, поэтому необходимо, чтобы топливо сжигалось при
оптимальном значении коэффициента избытка воздуха.
Коэффициент избытка воздуха при теплотехнических испытаниях определяют по
результатам газового анализа. Сравнивая действительный коэффициент избытка воздуха с
рекомендуемым, можно изменить соотношение между топливом и воздухом, поступающим
18
в топку, а также улучшить условия смесеобразования воздуха с топливом посредством
регулировки топочных устройств.
Анализ газов производят периодически при помощи химических газоанализаторов
либо непрерывно – автоматическими газоанализаторами различных типов. Пробу газа
отбирают из уходящих газов, за последней поверхностью нагрева котельного агрегата.
На практике величину α и полноту сгорания топлива косвенно контролируют по
цвету пламени в топке и дыма, выходящего из трубы. При хорошем горении пламя должно
быть светло-жёлтым или оранжевым без покраснения или потемнения в отдельных участках
топки, а дым – светло-серым или коричневым. Тёмно-красное пламя и тёмный дым
свидетельствуют о недостатке воздуха, а светлый огонь с искрами и беловатый дым – о
чрезмерном избытке. Признаком неудовлетворительного распыливания топлива является
появление в пламени тёмно-красных полос.
Процесс сжигания жидкого топлива:
1. Распыливание.
2. Подогрев и испарение.
3. Термическое разложение.
4. Смешение полученных продуктов с воздухом.
5. Воспламенение и горение.
Задача распыливания – увеличение площади поверхности соприкосновения жидкого
топлива с воздухом и газами. Это обеспечивает хорошие условия для достижения высокой
скорости горения в ограниченном объёме факела. Вследствие высокой температуры
горючего факела капельки топлива очень быстро испаряются и подвергаются термическому
разложению. Горение начинается в тот момент, когда температура самой
легковоспламеняющейся фракции достигнет температуры воспламенения.
Факел (рис. 5.1) делится на несколько характерных зон, которые частично
перекрываются.
Рис. 5.1 Схема мазутного факела:
1. Зона испарения (свыше 200°С).
2. Зона разложения (свыше 600°С).
3. Зона горения (до 1800°С).
4. Зона продуктов сгорания (образование
топочных газов).
Интенсивное испарение мазута начинается только при температуре 200 – 300°С.
Испарение и разложение тяжёлых углеводородов происходит при температуре свыше 600°C,
поэтому они замедляют процесс горения. Время пребывания частиц топлива в топке обычно
не превышает 1 – 2 с.
Скорость и полнота сгорания мазута зависят в основном от скорости и качества
смесеобразования, степени предварительной аэрации, степени турбулентности факела,
температуры топки и условий развития факела.
•
•
•
•
Основные условия непрерывности горения топлива:
бесперебойная подача в топку подогретого топлива и воздуха;
непрерывный отвод продуктов сгорания;
поддержание необходимой для горения температуры.
соблюдение равновесия между выделением тепла в топке и его расходом из котла с паром.
19
Наиболее распространён факельный способ сжигания, используемый для жидкого,
твёрдого и газообразного топлив. Факельный способ позволяет достичь в сравнительно
небольших топочных пространствах высокую объёмную плотность теплового потока (до
2·103 кВт/м3).
К характерным особенностям факельного процесса относят: ограниченность во
времени нахождения частиц топлива в топке; минимальный запас топлива в топочном
объёме, что делает процесс горения весьма чувствительным к нарушениям режима горения;
незначительную относительную скорость обтекания распыленных частиц топлива
газовоздушным потоком, так как фактически факельный процесс характеризуется
непрерывным движением частиц топлива вместе с газовоздушным потоком,
транспортирующим их через топку во взвешенном состоянии.
Совершенство сжигания характеризуется отсутствием потерь от неполноты сгорания
топлива, а также минимальным коэффициентом избытка воздуха. Чем больше этот
коэффициент, тем больше потери теплоты с уходящими из котла продуктами сгорания.
Топочные устройства.
Топочные устройства предназначены для осуществления факельного процесса,
образования и подачи топливовоздушной массы в топку котла.
Состав топочного устройства:
– воздухонаправляющее устройство (ВНУ);
– форсунка.
Назначение ВНУ:
– подача воздуха в топку и образование топливовоздушной смеси;
– создание турбулентного потока горящей смеси и топочных газов;
– непрерывное поджигание горючей смеси.
Назначение форсунки – распыливание и подача жидкого топлива в топку.
Рис. 5.2
Воздухонаправляющее
устройство (ВНУ)
В ВНУ (рис. 5.2) каналы открываются и закрываются перемещением заслонки 6, чем
регулируется подача воздуха. Поступающий в топку воздух благодаря направляющим
лопаткам 1 имеет вращательное движение. Диффузор 3 способствует лучшему смешиванию
топлива с воздухом, создаёт условия для подсоса обратных потоков горящих газов к головке
форсунки и предотвращает сдувание пламени воздухом, что создаёт условия для
устойчивого зажигания топлива. Захлопка 7, установленная на трубе 9, предотвращает
проход газов из топки в котельное отделение при замене форсунки. Через отверстия во
фланце 8 проходит воздух, необходимый для охлаждения головки форсунки.
20
Фурма 2, нагревающаяся в процессе работы котла, излучает тепловую энергию,
идущую на испарение и поджигание горючей смеси в начале топки. Сферическая
поверхность кольца 5 и компенсатор 4, предназначенный для соединения корпуса с
направляющим кольцом, служат для перемещения корпуса с наружной обшивкой при
деформации её относительно внутренней обшивки.
Основные характеристики топочного устройства:
- качество распыливания (зависит от давления и вязкости топлива);
- угол конусности распыливания (60 – 90°);
- совершенство смесеобразования (должно быть обеспечено полное сжигание
топлива при минимальном коэффициенте избытка воздуха).
Мазут в распыленном состоянии подаётся из форсунки в воздушную среду топки (рис.
5.3). В начальной зоне (ядре факела) происходит прогрев, испарение и частичная
газификация мазута. Основным источником теплоты для ядра факела является мощное
излучение горящего факела и в меньшей степени огнеупорной фурмы, воспринимающей
лучистую энергию и отдающей её корню факела.
Рис. 5.3 Схема действия
топочного устройства:
1. Форсунка.
2. Диффузор.
3. Лопатки ВНУ.
4. Огнеупорная фурма
(футеровочное кольцо).
Для интенсивного перемешивания газовоздушных потоков внутри и по окружности
факела, а также для ускорения процесса горения в диффузоре имеются щели, через которые
небольшое количество воздуха поступает к ядру факела, обеспечивая охлаждение самого
диффузора и начальное смесеобразование топлива с воздухом.
Основное количество воздуха подводится к зоне Ι через лопатки ВНУ, обеспечивая
устойчивое завихрение газовоздушной смеси. Это основная зона горения, представляющая
собой конусообразный полый факел.
В зоне ΙΙ обратный поток горячих газов движется к топочному устройству вследствие
движения потока воздуха, внутри которого создаётся зона пониженного давления. В этой
зоне газ при высокой температуре движется к ядру факела, что необходимо для газификации
распыленного топлива и непрерывного воспламенения горючей смеси.
Зона ΙΙΙ, заполненная свежей горючей смесью, обеспечивает непрерывное
поступление её в основную зону горения Ι. Несгоревшие в основной зоне частицы топлива
догорают в соседних объёмах топки.
Средняя температура топочной среды в судовых паровых котлах 1000 – 1600°C.
Подготовка топлива перед сжиганием заключается в отделении влаги, удалении
механических примесей и подогреве до необходимой для данной марки топлива
температуры.
21
Форсунки.
• паровые и воздушные (рис. 5.4, а);
• механические центробежные:
– вращающиеся (ротационные) (рис. 5.4, б);
– невращающиеся (рис. 5.4, в);
• комбинированные (паромеханические и воздушномеханические) (рис. 5.4, г).
а)
б)
в)
г)
Рис. 5.4 Схемы действия форсунок.
Тип и количество форсунок должны соответствовать форме топочного пространства
и расположенным в нём радиационным поверхностям нагрева котла.
В паровых и воздушных форсунках для распыливания топлива используют
кинетическую энергию струи пара или воздуха (рис. 5.4, а). Это обеспечивает хорошее
качество распыливания.
Форсунка (рис. 5.5) проста по устройству и обслуживанию, легко регулируется, но
требует значительного расхода пара (0,3 – 0,5 кг/кг) и сжатого воздуха, поэтому
используется, в основном, на речных судах старой постройки.
Рис. 5.5 Форсунка с
паровым
распыливанием:
1. Распылитель.
2. Сопло.
3. Труба для подвода мазута.
4. Пробковый кран.
5. Рукоятка пробкового крана.
а – кольцевое пространство для подвода пара (воздуха).
22
В невращающихся механических форсунках (рис. 5.4, в) для распыливания топлива
используется центробежный эффект, создаваемый топливным насосом при подводе топлива
по тангенциальным каналам б в камеру завихрения а форсунки.
В ротационных форсунках (рис. 5.4, б) центробежный эффект создаётся с помощью
вращающегося распылителя 1, куда топливо подаётся по трубе 3. Воздух для создания
конуса топливной струи подаётся в кольцевое пространство между распылителем 1 и
стенкой патрубка 2. Ротационные форсунки бывают с электрическим, паровым и
воздушным приводом.
Форсунки (рис. 5.4, г) работают как механические при нагрузках, близких к
номинальной, и как паромеханические при малых нагрузках.
Рис 5.6 Схема автоматического
регулирования работы
паромеханической форсунки
Механические центробежные форсунки подразделяются на нерегулируемые и
регулируемые. Это деление условное: можно изменять подачу у обеих форсунок. К
нерегулируемым относят форсунки с малой глубиной регулирования и такие, у которых
изменение подачи связано с их выключением, выемкой из топочного устройства и заменой
распыливающего элемента.
Нерегулируемые форсунки котлов типов КВА 0,63/5 и КВА 0,25/3-М (рис. 5.7, а)
состоит из корпуса 6, вставки 2, прижимной втулки 3 и головки 4. Топливо под давлением
подаётся через канал а и ствол 5 к распылителю 1. Четыре тангенциальных канала б
распылителя обеспечивают поступление топлива в вихревую камеру в. Распыливающееся
топливо на выходе из отверстия г имеет поступательно-вращательное движение. Форма
факела зависит от отношения суммарной площади сечения тангенциальных каналов
распыливающей шайбы к площади сечения сопла.
Качество распыливания зависит от конструкции форсунки, давления, плотности и
вязкости топлива. Необходимо стремится к получению наименьшего размера капель. Подачу
форсунок данного типа регулируют сменой распылителей, имеющих различные размеры
сопловых отверстий и тангенциальных каналов, а также изменением давления топлива перед
ними. Каждый распылитель маркируют.
В регулируемых форсунках подачу топлива изменяют: перекрытием тангенциальных
каналов в распылителе; сливом избытка топлива из вихревой камеры в приёмную магистраль
топливного насоса; использованием кинетической энергии пара или воздуха
(комбинированные форсунки); изменением степени открытия топливного клапана перед
ротационными форсунками.
23
а)
б)
Рис. 5.7 Механические центробежные форсунки
В регулируемой форсунке котлов типа КВА 1/5-М (рис. 5.7, б) топливо подаётся по
каналу д в тангенциальные канавки распылителя 1, крепящегося гайкой 8, где приобретает
вращательное движение, а затем в вихревую камеру в. Из камеры топливо подаётся в топку,
либо частично отводится по трубе 7 в сливной трубопровод. Подачу форсунки регулируют
клапаном, расположенным за сливным штуцером. При полном закрытии клапана форсунка
работает как обычная (с максимальной подачей).
В паромеханической форсунке (рис. 5.8) топливо поступает по внутреннему стволу а
к распылителю 1 и, проходя по его шести тангенциальным каналам, закручивается в
вихревой камере, а при выходе из соплового отверстия распыливается. Пар проходит по
каналу б между наружным и внутренним стволами, паровым тангенциальным каналам и,
смешиваясь с топливом, поступает в топку. При выходе из форсунки пар сталкивается с
распыленными каплями топлива и измельчает их до ещё меньших размеров, т.е. топливо
хорошо распыливается и перемешивается с воздухом при небольшом давлении топлива и
малом избыточном давлении пара перед форсункой.
Рис. 5.8 Паромеханическая форсунка
24
Достоинства паромеханических форсунок:
возможность широкого диапазона регулирования подачи;
высокое качество распыливания;
сравнительно низкое давление топлива (0,6 – 29 кг/см2);
при продувках распылителей паром уменьшаются их засорение и коксуемость.
Недостаток – потери пара на распыливание топлива.
Для вспомогательных котлов широко применяют ротационные форсунки
отечественного и зарубежного производства с подачей до 3 м3/ч.
Достоинства ротационных форсунок:
– большая подача;
– широкий диапазон регулирования;
– более низкие требования к чистоте и вязкости топлива ввиду отсутствия узких
топливных каналов;
– не нужен сильный подогрев топлива для хорошего распыливания;
– компактность.
Недостатки ротационных форсунок:
– сложность конструкции и высокая стоимость изготовления;
– высокий коэффициент избытка воздуха (1,3 – 1,5).
В топочном устройстве с ротационной форсункой (рис. 5.9) электродвигатель 2 через
ременную передачу 3 вращает вал 5 форсунки с распыливающим стаканом 12 и рабочим
колесом вентилятора 9. Топливо поступает через штуцер 4 в канал а, расположенный внутри
вала 5, а затем на стенки стакана и вращается вместе с ним. Под действием центробежных
сил образующаяся топливная плёнка перемещается вдоль стенки и в распыленном виде
срывается с кромки в топку. Вентилятор забирает воздух через патрубок 6 и регулирующий
шибер 8 и подаёт его по каналу б в кольцевую щель с давлением 4 – 6 кПа. Воздействуя на
вытекающую струю топлива, первичный воздух формирует топливный конус, способствуя
более тонкому распыливанию топлива. Основное количество воздуха (вторичного)
необходимого для горения топлива, подаётся с давлением 0,3 – 0,4 кПа котельным
вентилятором через воздушный короб 1 в воздухонаправляющее устройство 11. Кольцевой
регулирующий шибер 10 вторичного воздуха служит для изменения входного сечения
каналов воздухонаправляющего устройства. Подачу топлива регулируют изменением его
давления перед форсункой и воздуха (посредством шиберов 8 и 10) с помощью рычага 7.
–
–
–
–
Рис. 5.9 Топочное устройство с
ротационной форсункой
25
Требования к форсункам:
– простота устройства и надёжность работы;
– высокое качество распыливания;
– большая глубина регулирования при сохранении постоянного качества распыливания
на всём диапазоне;
– минимальный расход энергии на работу форсунки;
– удобство замены и очистки;
– возможность автоматического регулирования.
На вспомогательных котлах судов зарубежной постройки вместе с топочными
устройствами монтируют топливоподогреватель, фильтр, топливный насос и дутьевой
вентилятор. Управление такими топочными устройствами полностью автоматизировано.
Работают они в позиционном режиме «Включено-выключено». К таким агрегатам относятся
топочные устройства типа «Монарх», «Ойлон», «Унитерм», «Викинг», «Сааке».
Топочное устройство «Монарх» (рис 5.10) предназначено для работы на высоковязком
топливе. Управление осуществляется от электросистемы программного механизма,
обеспечивающего последовательное выполнение операций в зависимости от сигналов реле
давлений, установленных на котле.
14
17
Рис. 5.10 Топочные устройства
типа «Монарх»
10
9
5
8
2
1
26
Агрегат оборудован двумя соплами (форсунками), скомпонованными в головке 12.
Одно из сопел (большой подачи) является основным (рабочим), а второе – дополнительным
(дежурным). Топливный насос 1 и вентилятор 8 приводятся в действие от электродвигателя
9. Из расходной цистерны топливо по приёмной трубе 2 поступает к насосу 1, а затем через
электрический
топливоподогреватель
4
к
электромагнитным
клапанам
5.
Топливоподогреватель включается одновременно с насосом и вентилятором и подогревает
мазут до температуры около 95°C. От электромагнитных клапанов топливо направляется по
трубопроводам 15 к соответствующим соплам распыливающей головки 12. До подачи мазута
в топку производится её вентилирование в течение 20 – 30 с (в зависимости от настройки
системы). На всасывающем патрубке вентилятора установлена заслонка, управляемая
сервомотором. По обе стороны сопел расположены электроды зажигания 14. Для контроля
включения форсунки служит фотоэлемент 10. Если зажигания не происходит, то по сигналу
от фотоэлемента прекращается подача топлива и включается световая сигнализация.
Программное управление предусматривает повторное включение форсунки только после
вентилирования топки.
В состав топочного устройства входят электрозапальное устройство 16 (для
зажигания топлива от вольтовой дуги, образуемой электродами 14), перепускной топливный
клапан, реле давления 6, топливный фильтр 7 и диффузор 11. Для визуального контроля за
пламенем на корпусе имеется смотровой глазок 17. Общий корпус 3 топочного устройства
может поворачиваться на оси фланца 13.
–
–
–
–
–
Требования к топочным устройствам:
надёжность и простота конструкции;
обеспечение качественного перемешивания топлива с воздухом;
обеспечение ровного незатухающего факела определённой длины и формы;
обеспечение равномерного распределения горючей смеси по всему пространству топки;
простота и экономичность регулирования расхода топлива.
Характерные неисправности в работе мазутных топок:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
появление чёрного дыма из-за недостатка воздуха, низкой температуры мазута,
низкого давления топлива;
появление белого дыма вследствие большого избытка воздуха, подогрева мазута выше
нормальной температуры, попадания воды в топливо, наличия лопнувшей трубки;
хлопки факела в результате высокой температуры мазута и чрезмерной подачи
воздуха, неправильной установки форсунки, колебаний давления топлива и его
обводнения;
шипение и затухание факела из-за плохой фильтрации топлива или попадания в него
воды;
общее потемнение и выбрасывание пламени и дыма из топки и неплотной обшивки
при недостаточной подаче воздуха и неправильном розжиге котла;
коксование форсунки при недостаточной подаче воздуха, неправильной установке
форсунки (слишком выдвинута в топку) и диффузора;
коксование у входного футеровочного кольца вследствие неправильной установки
форсунки, недостаточного сечения футеровочного кольца, неудовлетворительного
состояния ВНУ;
коксование стенок, пода и труб в результате неправильного расположения форсунок,
чрезмерного избытка воздуха и сжигания высоковязких мазутов;
появление чёрного дыма из дымовой трубы при избытке подаваемого воздуха
вследствие плохого распыливания топлива, плохого перемешивания его с воздухом,
неисправности ВНУ;
горение сажи в газоходах вследствие их загрязнения, работы с высоким
коэффициентом избытка воздуха и чрезмерной форсировки КУ.
27
Топливная система
Топливная система – предназначена для приёма, хранения, перекачивания,
подготовки и подачи топлива к форсункам котла.
Состав топливной системы:
– топливные ёмкости;
– насосы;
– фильтры;
– подогреватели;
– трубопроводы с арматурой и контрольно-измерительными приборами.
Система подачи топлива к котлам оборудуется двумя комплектами топливных
насосов и фильтров на приёмном и напорном трубопроводах. Насосы помимо местного
управления должны иметь средства для остановки их из легкодоступных мест вне
машинного отделения. На трубопроводе, подающем топливо к форсункам,
предусматривается установка быстрозапорного клапана с местным ручным управлением.
Трубопроводы, предназначенные для перекачки топлива, нагретого до температуры
свыше 60°C, располагаются в хорошо видимых и доступных местах. Цистерны, насосы,
фильтры и другое оборудование в местах возможной утечки топлива снабжаются поддонами
со сточными трубами для отвода утечек топлива в сточные цистерны, оборудованные
сигнализацией по верхнему предельному уровню.
Топливная система (рис. 5.11) состоит из магистрали тяжёлого топлива и магистрали
лёгкого дизельного топлива. В состав магистрали тяжёлого топлива входят цистерна
тяжёлого топлива 1, фильтр холодного топлива 2, два параллельно включенных насоса 3,
двухсекционный топливоподогреватель 4, между секциями которого включен фильтр
горячего топлива 5. Конденсат от топливоподогревателя отводится конденсатоотводчиком.
Подогреватель топлива снабжён мембранным предохранительным устройством, при разрыве
мембраны которого от превышения допустимого давления топливо отводится в цистерну.
Датчик вязкости 6 и регулятор вязкости обеспечивают требуемую температуру топлива
перед форсункой. Регулирование расхода топлива осуществляется регулирующим
топливным клапаном регулятора давления пара совместно с регулятором перепада давления
топлива. Регулирующий клапан управляет воздушной заслонкой.
Рис. 5.11 Топливная система вспомогательного котла
Рециркуляционный клапан 7 обеспечивает рециркуляцию топлива в магистрали при
подогреве его во время пуска, а также сброс излишков топлива в случае уменьшения
нагрузки котла и при срабатывании защиты. Автоматическое быстрозапорное устройство 8
обеспечивает прекращение подачи топлива в аварийных ситуациях.
28
Магистраль лёгкого топлива включает в себя цистерну лёгкого топлива 12, фильтр 11,
насос 10, клапан специальный 9 и невозвратно-запорное устройство.
Трубопроводы топлива имеют паровые спутники – паровые трубопроводы, которые
покрываются изоляцией вместе с топливными трубопроводами для поддержания
температуры топлива на необходимом уровне.
Рис. 5.12 Топливоподогреватель:
1. Кран для удаления воздуха.
2. Диафрагма.
3. Корпус.
4. Петлевые трубы.
5. Патрубок для подвода греющего пара.
6. Трубная доска.
7. Приёмный патрубок.
8. Крышка.
9. Перегородка.
10. Сливной патрубок.
11. Водомерное стекло.
12. Патрубок для удаления конденсата.
Рис. 5.13 Топливный фильтр:
1 — фильтрующая латунная сетка; 2 — крышка; 3 — прижимная скоба; 4 — рычаг;
5 — трёхходовой кран на входе; 6 — корпус первого фильтра; 7 — секторы;
8 — трёхходовой кран на выходе; 9 — корпус второго фильтра.
29
Глава 6
ПРОЦЕССЫ ТЕПЛООБМЕНА, ЦИРКУЛЯЦИИ И ТЯГИ В КОТЛЕ
Теплообмен в топке котла и теплопередача в конвективных поверхностях нагрева
Способы передачи теплоты:
1. Излучение – перенос теплового потока от одного тела к другому при помощи электромагнитных волн определённой длины.
Телом, излучающим теплоту, является пламя факела, излучательная способность и
свечение которого обусловлены наличием в нём трёхатомных газов, образовавшихся при
горении частиц сажи и золы, и температурным уровнем процесса горения.
Телом, воспринимающим теплоту, является лучевоспринимающая (радиационная)
поверхность нагрева, т.е. поверхность труб, расположенных в топке.
Излучение является основным видом теплопереноса в топке. Характерной особенностью лучистого теплообмена является его протекание одновременно с процессом горения топлива. Наибольшей излучательной способностью обладает пламя мазутного факела.
2. Теплопроводность – перенос теплоты внутри тела из зоны с высокой температурой в
зону с более низкой температурой путём отдачи энергии быстродвижущимися
микрочастицами (более нагретыми) микрочастицам менее нагретым.
3. Конвекция – передача теплоты телу омывающим его теплоносителем.
Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, так как более и менее
нагретые микрочастицы вступают в соприкосновение.
Процесс совместной передачи теплоты конвекцией и теплопроводностью называют
конвективным теплообменом, однако перенос теплоты конвекцией является
определяющим, поскольку он значительно интенсивнее теплопроводности.
Все три механизма переноса теплоты действуют одновременно, но практически всегда
интенсивность одного из них превалирует над другими, и он определяет эффективность
теплообмена.
Тепловой поток (количество переданной в единицу времени теплоты, кВт) от газовой
среды через поверхность нагрева может быть определён из уравнения теплового баланса
топки:
Фл = φВр(Qвт – iзт)
φ – коэффициент сохранения теплоты;
Вр – массовый расход топлива;
Qвт – удельное количество теплоты, выделившееся в топке;
iзт – удельная энтальпия газов на выходе из топки.
Интенсивность переноса теплоты (Вт/м2) характеризуется плотностью теплового
потока – количеством теплоты, передаваемой в единицу времени через единичную площадь
поверхности.
Лучевоспринимающие (радиационные) поверхности нагрева, расположенные на
стенках топки, называют экранами. Топочные экраны и фестоны работают с высокой
плотностью теплового потока (300 – 600 кВт/м2), поэтому даже кратковременный упуск
воды, нарушение циркуляции, отложение накипи приводят к перегреву металла, появлению
свищей и разрыву труб.
Конвективные поверхности нагрева – поверхности нагрева, воспринимающие
основную часть теплоты в результате конвективного теплообмена. К ним относят
поверхности парообразующих пучков труб, пароперегревателей, экономайзеров,
воздухоподогревателей.
30
Плотность теплового потока конвективных поверхностей нагрева по ходу газов
снижается от 25 – 40 кВт/м2 в первых рядах труб до 1 – 4 кВт/м2 в последних.
Интенсивность конвективного теплообмена зависит от геометрических характеристик
поверхностей нагрева, разности средних температур и скорости движения греющей и
нагреваемой сред (температурного напора).
Циркуляция
Надёжная работа парового котла возможна при условии непрерывного отвода
теплоты, передаваемой газами поверхности нагрева. Теплота отводится нагреваемой средой,
т.е. водой, паром или пароводяной смесью. Хороший отвод теплоты нагреваемой средой
обеспечивается при правильной организации циркуляции.
Циркуляция – многократное движение воды по замкнутому контуру.
Контур циркуляции – замкнутая система непрерывного движения воды и
пароводяной смеси по трубам, подключённым к паровому и водяным коллекторам котла.
Непрерывное движение воды и пароводяной смеси в циркуляционном контуре
водотрубного котла осуществляется вследствие разности их плотностей (естественная
циркуляция) или с помощью циркуляционных насосов (принудительная циркуляция).
Контуры циркуляции бывают независимыми и смешанными. У независимого
контура циркуляции опускные трубы обслуживают только свой контур, а у смешанного –
опускные трубы питают водой подъёмные трубы нескольких контуров.
В водотрубном паровом котле (рис. 6.1) вода из
пароводяного коллектора 4 по опускным трубам 2 и
5, наиболее удалённым от топки и получающим
меньше теплоты, поступает в водяные коллекторы 1
и 7. Опускные трубы 5 являются обогреваемыми, 2 –
необогреваемыми. Первые получают теплоту,
идущую на подогрев воды, а вторые теплоту
практически не получают. Трубы 6 конвективного
пучка и трубы 3 экрана, воспринимающие больше
теплоты, являются подъёмными – по ним движется в
коллектор 4 образующаяся пароводяная смесь. В
пароводяном коллекторе происходит разделение
пара и воды, смешение питательной воды с котловой
и организация поступления воды в опускные трубы.
У большинства котлов все конвективные пучки труб
подъёмные, а опускные необогреваемые трубы
Рис. 6.1 Водотрубный котёл с
размещаются
за первым рядом бокового экрана или в
двумя независимыми контурами
воздушных коробах фронта котла, т.е. вне топки.
Во вспомогательном огнетрубном котле и утилизационном газотрубном котле,
относящихся к котлам с неорганизованной циркуляцией, процесс циркуляции
осуществляется благодаря восходящим потокам на участках поверхностей нагрева наиболее
обогреваемых и нисходящим потокам – на необогреваемых или слабообогреваемых
участках.
Расход воды через циркуляционный контур превышает количество образующегося в
нём пара.
Кратность циркуляции – отношение расхода циркулирующей воды к
паропроизводительности контура:
Gв
kц =
.
Dк
Кратность циркуляции показывает, сколько раз должна пройти по контуру
определённая масса воды, чтобы полностью превратиться в пар.
31
kц = 20 – 70 в ГК
kц = 20 – 40 в ВК
kц = 2 – 10 в УК с принудительной циркуляцией.
Движущий напор циркуляции – разность
масс столбов воды и пароводяной смеси
соответственно в опускных и подъёмных трубах
контура.
Высота подъёмной трубы складывается из
экономайзерного участка hэ (рис. 6.2), в котором
вода, поступающая из водяного коллектора,
доводится до кипения, и участка hп, называемого
высотой паросодержащей части. На участке hп
происходит парообразование и восходящее
движение пароводяной смеси. Движущий напор
зависит от высоты паросодержащей части и
разности плотностей воды и пароводяной смеси,
Рис. 6.2 Контур циркуляции:
находящихся практически при одинаковой
1. Пароводяной коллектор.
температуре.
2. Опускные трубы.
Полезный напор циркуляции – разность
3. Водяной коллектор.
между значениями движущего напора и
4. Подъёмные трубы.
сопротивлений движению в подъёмных трубах.
Скорость циркуляции – скорость входа воды в подъёмные трубы контура [т/ч]. В
зависимости от расположения пучков труб по отношению к источнику теплоты значения
скорости циркуляции составляют 0,3 – 1,5 м/с.
Застой циркуляции – замедление или прекращение движения пароводяной смеси
вверх. Это явление возникает в случае неравномерного обогрева или загрязнения
парообразующих труб, расположенных в одном ряду. При застое циркуляции в менее
нагретых трубах образуется свободный уровень воды. По участку труб, расположенному
выше свободного уровня, будет медленно двигаться пар, а не пароводяная смесь.
Нормального отвода теплоты от стенки обогреваемой трубы не будет и произойдёт
аварийный перегрев металла.
Опрокидывание циркуляции – явление, при котором в подъёмных трубах,
получающих по сравнению с другими трубами ряда меньше теплоты, происходит выделение
пара и его подъём с одновременным опусканием воды. Причины и последствия
опрокидывания те же, что и при застое циркуляции.
В горизонтальных трубах и трубах с небольшим уклоном к горизонту возможно
расслоение пароводяной смеси. При движении пароводяной смеси с небольшой скоростью
пар, имеющий меньшую плотность, чем вода, поднимается и отделяется от воды, в
результате чего возникает раздельное движение по трубе воды и пара. Это приводит к
перегреву участков труб, омываемых паром. Расслоение пароводяной смеси усиливается с
увеличением диаметра труб, снижением скорости движения среды, повышением давления
пара.
Кавитация – явление, при котором во входном сечении опускной трубы происходит
парообразование. Оно может наступить, если статическое давление в этом сечении окажется
меньше давления в пароводяном коллекторе. При кавитации нарушается нормальное
поступление воды в опускные трубы, следовательно, и в подъёмные. Образующиеся
паровые пузырьки и их конденсация вызывают в трубах гидравлические удары, которые
могут быть причиной образования трещин в трубах. Для предотвращения кавитации следует
поддерживать уровень воды в пароводяном коллекторе не менее чем на 50 мм выше верхней
кромки входного сечения опускных труб.
32
С целью обеспечения надёжной циркуляции необходимо содержать в чистоте
поверхности нагрева, не допускать резких колебаний давления пара, поддерживать
нормальный уровень воды в пароводяном коллекторе, особенно при качке, а также не
допускать модернизационных мероприятий без предварительной оценки надёжности
циркуляции для нового варианта котла.
Тяга
Одним из условий устойчивого горения топлива является непрерывная подача в
топку воздуха и удаление продуктов сгорания. Для этого должна быть создана движущая
сила, называемая тягой.
Тяга – движущая сила, обеспечивающая непрерывное движение воздуха и газов с
заданной скоростью в воздушно-газовом тракте котла и преодоление возникающих при этом
сопротивлений. Тяга бывает естественная и искусственная.
Естественная тяга (самотяга) возникает вследствие разности плотностей
окружающего воздуха и дымовых газов в газоходах и дымовой трубе.
Ре = g Ндт (ρв – ρг) [Па]
g – ускорение свободного падения, м/с2;
Ндт – высота газохода, м;
ρв, ρг – плотности окружающего воздуха и дымовых газов
при соответствующих температурах, кг/м3.
Рис. 6.3 Схема котла
с естественной тягой
Полной высотой газохода Ндт считается расстояние от
центра нижней форсунки до среза дымовой трубы.
У
современных
котлов
значения
полного
аэродинамического сопротивления воздушного и газового
трактов значительно больше естественной тяги, поэтому
для преодоления всех видов сопротивления трактов
используют искусственную тягу.
Для создания искусственной тяги применяют
вентиляторы, дымососы и эжектирующие устройства.
Способы организации искусственной тяги:
1. Дутьё (подача воздуха) в герметично закрытые воздушные коробки и двойной кожух,
осуществляемое вентилятором.
2. Вытяжная тяга, осуществляемая дымососом, создающим разряжение в газоходе.
3. Смешанная тяга, создаваемая одновременно вентилятором, подающим воздух в топку
котла, и дымососом, удаляющим газы.
Приводом котельных вентиляторов и дымососов чаще всего служат электродвигатели,
иногда – паровые турбины. Широкий диапазон регулирования подачи электроприводных
вентиляторов обеспечивают применением электродвигателей с двумя или тремя ступенями
регулирования частоты вращения. Применяют также дроссельные заслонки,
устанавливаемые на всасывающем или нагнетательном воздухопроводе вентилятора.
Котельный вентилятор (рис. 6.4) приводится в действие электродвигателем 1. Воздух
засасывается вентилятором через патрубок 4 (в нём размещены поворотные дроссельные
заслонки 5, регулирующие подачу) и нагнетается через патрубок 3. Воздух под давлением,
создаваемым вентилятором, должен преодолевать полное аэродинамическое сопротивление
всего воздушно-газового тракта.
33
2
Рис. 6.4 Котельный вентилятор:
1. Электродвигатель.
2. Рабочее колесо.
3. Выходной патрубок.
4. Диффузор для входа воздуха.
5. Регулирующие заслонки.
6. Сервомотор.
1
3
4
6
5
Давление или разрежение измеряют тягомером. Широко
используется U-образный тягомер (рис. 6.5), у которого один конец
стеклянной трубки соединён с рабочей средой, другой – с
атмосферой. Трубка закреплена на планке со шкалой и заполнена
подкрашенной для лучшей видимости водой. Иногда используют
нерегистрирующие или регистрирующие мембранные тягомеры,
работающие на принципе перемещения мембраны и связанной с
ней стрелки под действием измеряемой силы. Регистрирующие
тягомеры производят одновременно запись показаний на ленту.
Рис. 6.5 Тягомер
Глава 7
ВОДНЫЕ РЕЖИМЫ КОТЛОВ
Используемая вода
Эффективность работы и эксплуатационная надёжность энергетической установки
зависят от качества воды, используемой в котлах. Требования к качеству воды определяются
назначением котла и его рабочим давлением.
Различают воду следующих видов:
- котловая вода, находящаяся в парообразующих трубах, экономайзере, коллекторах и
других элементах циркуляционных контуров котла во время его работы;
- питательная вода, подаваемая питательным насосом непосредственно в котёл в
процессе его работы (конденсат пара, отработавшего в механизмах и теплообменных
аппаратах);
- продувочная вода, удаляемая из котла при продуваниях;
- добавочная вода, восполняющая потери, возникающие в результате протечек пара и
воды через неплотности соединений, расхода пара на обдувку поверхностей нагрева и
распыл топлива, а также в результате продувки котла и др.
34
Добавочная вода представляет собой дистиллят, получаемый в испарительных
установках из забортной воды. В отдельных случаях во вспомогательных котлах небольшой
паропроизводительности допускается в качестве добавочной использовать пресную воду,
принимаемую с берега.
Масса добавочной воды: в главных котлах: 0,5 – 2%Dк,
во вспомогательных котлах: до 4 – 5%Dк.
Питательная вода содержит примеси, находящиеся в растворённом или взвешенном
состоянии в виде газов, солей и окислов металлов. Эти примеси вместе с питательной водой
попадают в котёл. При работе котла часть воды уходит из него в виде пара, а концентрация
примесей в оставшейся (котловой) воде постепенно увеличивается, и при достижении
состояния насыщения начинается кристаллизация минеральных примесей. Вещества,
кристаллизующиеся в объёме воды, образуют взвешенные в ней частицы – шлам, а на
поверхности нагрева они образуют плотные и прочные соединения в виде накипи.
Главное требование к воде – минимальное содержание растворимых в ней солей,
газов, кислот, органических веществ, нерастворимых примесей и масла.
Накипь – нерастворимые в воде соединения (гипс, гидрат окиси магния, силикат
кальция, карбонат кальция, карбонат магния, хлористый магний, хлористый кальций),
которые отлагаются на поверхностях нагрева котла. В зависимости от химического состава
различают гипсовую, карбонатную, силикатную и смешанную накипи.
Накипь ухудшает процесс теплопередачи и вызывает перегрев стенок поверхности
нагрева, ускоряет коррозионные процессы. Это повышает температуру уходящих газов и,
следовательно, снижает экономичность работы котла.
Коррозия металла котла возникает под воздействием химических и
электрохимических процессов. Снижение содержания кислорода и углекислоты в
питательной воде уменьшает скорость химической коррозии.
Коррозия в пароперегревателе начинается при вступлении перегретого пара в
реакцию с железом при температуре 450°C и выше. Поэтому пароперегреватели часто
изготавливают из легированных сталей, устойчивых против коррозии данного вида.
Каустическая хрупкость металла – понижение механических свойств металла под
воздействием на него концентрированного раствора едкого натра при высоких
температурах. Этот вид коррозии чаще всего наблюдается в местах застоя и расслоения
пароводяной смеси.
Электрохимическая коррозия является следствием разности потенциалов между
отдельными участками металла, различными по составу, структуре и напряжению. При
омывании этих участков котловой водой, действующей как электролит (так как содержит
растворённые соли и щёлочи), они образуют между собой многочисленные
микрогальваноэлементы, вызывающие разрушение металла.
Показатели качества воды
Общее солесодержание – суммарное количество солей, растворённых в воде.
Качественно об этом показателе судят обычно по содержанию хлоридов.
Содержание хлоридов – содержание в воде хлористых солей NaCl, MgCl2, CaCl2 и
других, концентрацию которых выражают миллиграммах хлор-иона Cl¯ , содержащихся в 1 л
воды (мг/л). По содержанию хлоридов можно контролировать случаи засоления забортной
водой конденсата в конденсаторах и тёплых ящиках, пресной воды в междудонных
цистернах и других емкостях в случае появления там неплотностей.
Жёсткость (мг-экв/л) – качество воды, определяемое содержанием в ней
растворённых солей кальция и магния.
1 мг-экв/л – такая концентрация массы вещества (в мг/л), при которой масса
растворённого вещества (в мг) численно равна эквивалентной массе, равной отношению
молекулярной массы к валентности вещества.
35
Жёсткость – одна из важнейших характеристик воды, т.к. соли жёсткости являются
основными накипеобразующими веществами. Различают общую жёсткость ЖО, кальциевую
ЖСа, магниевую ЖМg, карбонатную ЖК и некарбонатную ЖНК.
ЖО = ЖСа + ЖМg = ЖК + ЖНК
Кальциевая и магниевая жёсткости определяются концентрацией в воде ионов
соответственно кальция и магния.
Карбонатная (временная) жёсткость обусловлена содержанием в воде двууглекислых
солей (бикарбонатов) кальция Са(НСО3)2 и магния Mg(HCO3)2, которые при нагревании
воды до температуры кипения распадаются на карбонаты СаСО3 и MgCO3.
Са(НСО3)2 — ↓СаСО3 + СО2 + Н2О
Mg(HCO3)2 — MgCO3 + Н2О, затем происходит гидролиз карбоната магния:
MgCO3 + Н2О → ↓ Mg(OН)2 + СО2.
Труднорастворимые вещества СаСО3 и Mg(OН)2 выпадают в осадок и в виде шлама
удаляются из котла при продуваниях.
Некарбонатная (постоянная) жёсткость обусловлена содержанием в воде сульфатов,
хлоридов, нитратов, силикатов кальция и магния. Они остаются растворёнными и в осадок
не выпадают и при испарении воды откладываются на поверхности нагрева в виде накипи.
Щелочность воды обусловлена присутствием веществ, которые при диссоциации или
гидролизе образуют ионы ОН¯ . В зависимости от того, какие ионы присутствуют в воде,
щёлочность называют гидратной (ОН¯ ), карбонатной ( CO 32− ), бикарбонатной ( HCO 3− ) или
фосфатной ( PO 34− ). Сумма этих видов щёлочности называется общей щёлочностью.
Щёлочь может быть свободной и связанной. Свободная щёлочь образуется при вводе
бикарбоната натрия, а связанная – при вводе тринатрийфосфата.
Причина щёлочности – введение в воду химических соединений для устранения
жёсткости и накипеобразования. Щёлочность выражается в мг-экв/л, но чаще используется
показатель, называемый щелочным числом.
Щелочное число АZ – общая щёлочность в перерасчёте на NaOH (мг/л). Для измерения
щёлочности используются также фосфатное число PZ, нитратное число NZ и показатель
концентрации водородных ионов рН.
Фосфатное число – избыточное содержание тринатрийфосфата в котловой воде,
характеризуемое количеством фосфатного ангидрида PO 34− (мг/л) и поддерживаемое для
обеспечения безнакипного режима.
Нитратное число – содержание в котловой воде нитрата натрия NaNO3 (мг/л).
Нитрат натрия вводится для нейтрализации агрессивного действия свободной щёлочи,
исключая межкристаллитную коррозию и хрупкость металла в местах соединений при
наличии в них пропаривания.
Водородный показатель рН характеризует степень щелочности или кислотности воды
и определяет её коррозионную активность. Чистая нейтральная вода при Т = 22°С имеет рН
= 7. При рН > 7 вода имеет щелочную реакцию, при рН < 7 – кислую.
Содержание газов – важный показатель качества воды. В воде могут находиться в
растворённом виде кислород, азот и углекислый газ. Азот является нейтральным газом и на
протекание процесса коррозии и обработку воды влияния практически не оказывает.
Кислород – основной коррозионный агент, вызывающий химическую коррозию
пароводяного тракта котла. Углекислый газ влияет на процессы обработки воды и в его
присутствии начинают активно протекать коррозионные процессы с выделением водорода.
Нормы качества воды устанавливаются инструкциями завода-изготовителя и
судовладельца по каждой серии судов в зависимости от параметров пара и конструктивных
особенностей котлов. Основные нормы качества воды для судовых котлов (не более)
приведены в таблице 7.1.
36
Таблица 7.1
Показатель
Общая жёсткость,
мг-экв/л
Содержание масла и
нефтепродуктов, мг/л
Содержание
кислорода, мг/л
Соединения железа,
мкг/кг
Соединения меди,
мкг/кг
Хлориды, Cl¯ , мг/л
Общая жёсткость,
мг-экв/л
Тип котла и рабочее давление пара
Вспомогательные и
Главные котлы
утилизационные
Газоводотруб- ВодотрубВодотруб- ВодотрубГазотрубные и
ные
ные
ные
ные
водотрубные
2,0 – 4,0
4,0 – 6,0
6,0 – 9,0
до 2,0 МПа
МПа
МПа
МПа
Питательная вода
0,5
0,3
0,002
0,001
0,001
3
3
0
0
0
0,1
0,1
0,05
0,03
0,02
—
—
—
100
100
—
—
—
50
50
0,2
0,1
0,02
0,001
0,001
—
—
—
Конденсат
50
10
2
Дистиллят или химически обработанная вода
—
0,05
Пресная вода
Общая жёсткость,
мг-экв/л
8
5
Котловая вода
Общее
солесодержание, мг/л
Хлориды, Cl¯ , мг/л
Щелочное число
NaOH, мг/л
Фосфатное число
PO43 − , мг/л
13000
3000
2000
300
250
8000
1200
500
30
30
150 – 200
150 – 200
100 – 150
10 – 30
10 – 15
10 – 30*
10 – 30*
20 – 40
30 – 50
10 – 20
5 – 15
—
0,02
0,02
Нитратное число
75 – 100*
75 – 100*
50 – 75
NaNO3, мг/л
Жёсткость остаточная
0,4
0,2
0,05
мг-экв/л
* Для котлов, переведённых на фосфатно-нитратный режим.
Водообработка и водоконтроль.
Внекотловая обработка – улучшение качества воды до подачи в котёл.
Методы внекотловой водообработки:
Термический
метод
–
получение
дистиллята
(добавочной
воды)
в
водоопреснительной установке путём испарения забортной воды и последующей
конденсации пара в конденсаторе.
Химический метод – очищение воды реактивами, которые в соединении с
растворёнными в воде солями дают нерастворимые соли, выпадающие из воды в
37
специальные отстойники, либо переводят постоянную жёсткость во временную, легко
устранимую при нагревании.
Катионитовый метод – пропускание питательной воды через слой катионита (в
ионообменных фильтрах), обладающего свойством поглощать содержащиеся в воде и
являющиеся накипеобразователями катионы кальция и магния, а в раствор переводить
содержащиеся в нём катионы натрия.
Магнитный метод – изменение физических свойств воды и содержащихся в ней
солей под воздействием магнитного поля. Соли выпадают в виде шлама и не образуют
накипи.
Деаэрация – удаление из питательной воды растворённого кислорода и углекислого
газа при подогреве её до температуры кипения в деаэраторе (рис 7.1).
Рис. 7.1 Схема деаэратора:
1. Регулятор уровня воды.
2. Головка.
3. Охладитель выпара.
4. Регулятор подачи пара.
5. Греющий пар.
6. Барботажное устройство.
7. Бак-аккумулятор.
8. Деаэрированная вода.
9. Подача воды в деаэратор.
Фильтрация – очищение воды от масла и механических примесей в фильтрах,
устанавливаемых на магистралях питательной воды и в тёплом ящике (сборнике
конденсата). В качестве фильтрующих материалов используют кокс, активированный уголь,
люфу, пеньку, ткани и др.
Поступающая в тёплый ящик (рис. 7.2, а) питательная вода отстаивается, и масло
частично оседает на пластинах 2 секции 1. Затем вода поступает в секцию 3, где очищается
от масла в коксовом фильтре 4, установленном в гнезде I. Очищенная вода откачивается
питательным насосом. При понижении уровня воды в тёплом ящике он пополняется
автоматически с помощью поплавкового регулятора 5. Фильтр (узел I) состоит из
растительного фильтрующего материала 6, решеток 7, кокса 8.
Тёплый ящик (рис. 7.2, б) представляет собой сварную цистерну 1, разделённую на
две части горизонтальной перегородкой 2. Верхняя часть разделена перегородками 3 на ряд
каскадных отсеков. В первых трёх отсеках отстаиваются нефтепродукты и оседают
механические примеси. В последних отсеках установлены фильтры 4, заполняемые коксом,
поверх которого обычно укладывают манильскую или сезальскую пеньку, люфу или
древесную стружку. Иногда в дополнение к этим фильтрующим материалам применяют
тканевые материалы (махровое полотно, сукно) и поролон. Очищенная вода из последнего
отсека поступает в нижнюю часть тёплого ящика, откуда по трубе 5 забирается питательным
насосом.
Перечисленные выше фильтрующие материалы задерживают только капельное масло.
Масло в виде эмульсии может быть удалено при фильтровании только через активированный
уголь. Обычно фильтр с активированным углем размещают в отдельном от тёплого ящика
корпусе.
38
а)
б)
Рис. 7.2 Устройство тёплых
ящиков
Внутрикотловая обработка – обеспечение безнакипного и бескоррозионного
режима работы котла. Она заключается в постоянной корректировке состава котловой воды
путём ввода в котёл противонакипных и противокоррозионных химических реагентов.
Вступая в реакцию с солями жёсткости, реагенты переводят их в шлам, удаляемый
продувкой котла.
Рекомендуемые режимы внутрикотловой обработки:
Типы котлов
Режим обработки
Газотрубные, водотрубные и другие
котлы давлением пара до 2 МПа
Фосфатно-щелочной
Фосфатно-нитратный
Водотрубные давлением от 2 до 6 МПа
Фосфатно-нитратный
Водотрубные давлением от 6 до 9 МПа
Фосфатный
При фосфатно-щелочном режиме (реже фосфатно-нитратном) в котловую воду
вводят противонакипин МФ, препарат ТХ, зарубежные препараты: Rochem One Shot BWT,
Adjunct B и Ameroid GC, Perolin HR-227 и Perolin LA-133, Combitreat и др.
Противонакипин МФ состоит из кальцинированной соды Na2CO3, тринатрийфосфата
Na3PO4 и концентрата сульфитно-спиртовой барды. Растворённые в котловой воде соли в
результате их химической реакции со щелочами, содержащимися в противонакипине,
переходят из раствора в осадок.
В состав препарата ТХ входит динатрийфосфат Na2HPO4, едкий натр NaOH, трилон Б
(комплексон) и полимерные добавки. Трилон Б связывает накипеобразующие ионы Са и Mg.
Полимерные добавки ускоряют процесс осаждения в шлам солей жёсткости.
39
Фосфатно-нитратный режим применяется для предотвращения щелочной
хрупкости, т.е. коррозионного разрушения металла в результате увеличения щелочности
воды. При этом режиме в котловую воду вводят тринатрийфосфат и нитрат натрия (селитру)
NaNO3 или калия KNO3. Нитрат натрия образует на внутренних поверхностях котла
защитную плёнку, предотвращающую коррозию.
При фосфатном режиме для уменьшения количества шлама вода должна быть с
минимальным содержанием кислорода, хлоридов, солей жёсткости и иных примесей. В
котловую воду вводится только тринатрийфосфат Na3PO4 -12 Н2О.
Для снижения содержания кислорода в воде применяется гидразингидрат N2H4·H2O.
Этот химический реагент не только связывает кислород, но и восстанавливает окислы железа
в их закиси, не образующие накипи и находящиеся в виде шлама.
Верхняя продувка котла осуществляется для удаления вместе с водой плавающих
шлама, нефтепродуктов и солей. Нижняя продувка – для удаления шлама и значительной
части котловой воды, в результате чего общее солесодержание, шламосодержание и другие
показатели снижаются.
Водный режим котлов разрабатывает бассейновая теплотехническая лаборатория
пароходства. За соблюдением водного режима несут ответственность старший и котельный
механики. Во время эксплуатации котла регулярно отбираются пробы воды для определения
её состава.
Для контроля качества воды в судовых условиях применяют химические лаборатории
водоконтроля типов ЛВК-4, ЭЛВК-5, КЛВК-1, СКЛАВ-1 и др. Анализ воды выполняют
согласно прилагаемым инструкциям. Кроме лабораторий на судах используют экспрессметоды оценки показателей качества воды с помощью специальных препаратов.
Глава 8
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДВЕДЁННОЙ К КОТЛУ
ТЕПЛОТЫ
Тепловой баланс котла.
Тепловой баланс – равенство между подводимой к котлу и отводимой от него
теплоты.
Рис. 8.1 Тепловой
баланс котла
Приходная часть теплового баланса, кДж/кг:
Qприх = Qрасп = Qрн + ∆Qгт + ∆Qгв + Qрп (8.1)
Qрасп – располагаемая удельная теплота; Qрн – низшая удельная теплота сгорания рабочей
массы топлива; ∆Qгт – удельная теплота, полученная топливом в топливоподогревателе;
∆Qгв – удельная теплота, полученная воздухом в воздухоподогревателе; Qрп – удельная
теплота, внесённая в топку паром при паровом распыле топлива.
40
Так как значения ∆Qгт, ∆Qгв, Qрп малы относительно значения Qрн, для упращения
расчётов принимают Qрасп = Qрн.
Расходная часть теплового баланса, кДж/кг:
Qрасх = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5
Q1 – удельная теплота, полезно
использованная в котле;
(8.2)
Теплота, затраченная
на производство пара.
Q2 – потеря теплоты с уходящими из котла газами;
Q3 – потеря теплоты от химической неполноты
сгорания топлива;
Q4 – потеря теплоты от механической неполноты
сгорания топлива;
Q5 – потеря теплоты в окружающую среду.
Потери
теплоты.
Для 1 кг топлива уравнение теплового баланса (принимая Qрасп = Qрн) имеет вид:
Qрн = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5
(8.3)
Тепловой баланс составляют для установившегося режима работы котла на основании
результатов теплотехнических испытаний с целью оценки его экономических показателей, а
также при проектировании котла для определения расхода топлива и проверки правильности
теплового расчёта.
Рис. 8.2 Схема потоков рабочих тел в
паровом котле:
1. Котёл.
2. Воздухоподогреватель.
3. Экономайзер.
4. Промежуточный пароперегреватель.
5. Пароперегреватель.
6. Испарительные поверхности нагрева.
7. Топка.
tхв, tгв – температура холодного и
горячего воздуха.
При производстве влажного насыщенного пара (обычно во вспомогательных котлах)
подводимая теплота расходуется на подогрев питательной воды до температуры насыщения
и на превращение её во влажный насыщенный пар:
Dx(ix − iпв)
Q1 =
, (8.4)
В
Dx – массовый расход насыщеннго пара, кг/с; ix – удельная энтальпия влажного
насыщенного пара, кДж/кг; iпв – удельная энтальпия питательной воды, кДж/кг;
В – массовый расход топлива, кг/с.
41
В общем случае (в основном в главных котлах) подводимая теплота расходуется на
производство перегретого, охлаждённого и насыщенного пара, промежуточный перегрев
пара (рис. 8.2) и на продувку котла:
Q1 =
D п (iп − iпв ) + D охл (iохл − iпв ) + D x (i x − iпв ) + D вп (iвп − iп1 ) + D пр (iпр − iпв )
,
В
(8.5)
Dп, Dохл, Dх, Dвп, Dпр – массовый расход пара (паропроизводительность)
перегретого, охлаждённого, насыщенного, вторично перегретого (после
промежуточного пароперегревателя) и на продувку котла, кг/с.
iп, iохл, iх, iвп, iп1, iпр, – удельная энтальпия пара соответственно
перегретого, охлаждённого, насыщенного, вторично перегретого,
перегреваемого и на продувку котла, кДж/кг.
iпв – удельная энтальпия питательной воды, кДж/кг.
Отношение полезно использованной теплоты к подведённой определяет КПД котла:
Q
ηк = 1 , (8.6)
Q рн
Подставив в формулу (8.6) значение Q1 из формул (8.4) и (8.5), определим КПД
котла по прямому тепловому балансу:
ηк =
Dx(ix − iпв)
ВQ рн
КПД котла в случае производства
влажного насыщенного пара
(8.7)
ηк =
∑ D i ∆ii
BQ рн
КПД котла в общем
случае
Метод прямого теплового баланса предполагает измерения параметров рабочего
процесса, необходимых для определения Q1. Для расчёта КПД по прямому балансу требуется
определить расход топлива, расходы и удельные энтальпии пара различных состояний, что не
всегда осуществимо в эксплуатационных условиях. Поэтому часто используют метод
обратного теплового баланса, который предполагает определение потерь теплоты по
измеренным параметрам, характеризующим эти потери.
Для этого все составляющие формулы (8.3) делятся на Qрн и умножаются на 100%:
Q рн
Q рн
100 = 100;
Q1
Q рн
100 = ηк;
Q2
Q рн
100 = q2;
Q3
Q рн
100 = q3;
Q4
Q рн
100 = q4;
Q5
Q рн
100 = q5
q2, q3, q4, q5 – относительные потери теплоты, %.
Тогда тепловой баланс и КПД котла:
ηк + q2 + q3 + q4 + q5 = 100,
ηк = 100 – (q2 + q3 + q4 + q5).
ηк характеризует экономичность работы самого котла и, в отличие от КПД всей
котельной установки, не учитывает затраты энергии на работу механизмов и других
обслуживающих технических средств.
42
КПД котельной установки:
D (i − i ) + Q
ηуст = ηк – ∑ отс отс пв ∑ эл , (8.8)
BQ рн
Dотс – массовый расход пара на все технические средства обслуживающие котёл, кг/с;
iотс – энтальпия пара на все технические средства, обслуживающие котёл, кДж/кг;
Qэл – расход электроэнергии на привод технических средств, кВт.
Затраты энергии на обслуживающие котёл ТС составляют до 4 – 6% энергии
расходуемого топлива.
Потери теплоты.
Потеря теплоты с уходящими газами в тепловом балансе котла является
наибольшей. Охладить дымовые газы в котле до температуры окружающей среды
невозможно, т.к. с уменьшением разности температур tух – tхв уменьшается температурный
напор в поверхности нагрева.
Для ГК q2 = 2 – 10%, для ВК q2 = 5 – 25%.
I ух − I хв
q2 =
Q рн
Iух – энтальпия уходящих газов при данной температуре, кДж/кг;
Iхв – энтальпия холодного воздуха, кДж/кг.
Значение q2 зависит от коэффициента избытка воздуха α и температуры уходящих
газов tух. Снижение tух на 10 – 15°C уменьшает q2 примерно на 1%.
Для уменьшения q2 необходимо снижать Iух путём поддержания минимального
значения коэффициента избытка воздуха, обеспечения чистоты поверхностей нагрева,
применения экономайзера и воздухоподогревателя.
С уменьшением α потеря q2 снижается, но при этом возможно повышение потери
теплоты от химической неполноты сгорания топлива. Оптимальное значение величины α
учитывают по минимуму суммы q2 и q3.
Одним их основных эксплуатационных мероприятий по поддержанию оптимального
значения q2 является удаление сажи и накипи путём систематической обдувки поверхностей
нагрева и их очистки.
Потеря теплоты от химической неполноты сгорания обусловлена тем, что
практически невозможно достичь идеального смесеобразования в топке котла.
q3 определяется содержанием в уходящих газах продуктов неполного сгорания
топлива (СО, Н2, СН4 и других углеводородов). При определении потери q3 учитывают лишь
содержание окиси углерода (который за время нахождения топлива в топке не успевает
окислиться до СО2), т.к. содержание других веществ ничтожно мало.
Полнота сгорания топлива зависит от качества распыливания и перемешивания
топлива с воздухом, значения коэффициента избытка воздуха и температурного уровня
горения.
Потери q3 возрастают не только при недостатке воздуха, но и при подаче большого
количества холодного воздуха, что приводит к переохлаждению топки. При этом
увеличивается потеря теплоты из-за увеличения объёма газов.
(3018CO + 8555CH 4 + 2579H 2 )Vсг
q3 =
100
[%]
Q рн
СО, СН4, Н2 – содержание окиси углерода, метана и водорода в сухих газах, %;
Vсг – удельный объём сухих газов, м3/кг;
3018, 8555, 2579 – теплота сгорания окиси углерода, метана и водорода, кДж/м3.
43
Причины ухудшения смесеобразования:
износ сопла форсунки; закоксованность фурмы или головки форсунки; неправильная
установка форсунки или диффузора; засорение паровых каналов форсунки; неправильная
установка или деформация воздухонаправляющего устройства; понижение температуры или
давления топлива и попадание в него воды; снижение температуры воздуха.
При оптимальном α и хорошем смесеобразовании значение q3 не превышает 0,5%.
Этот вид тепловых потерь зависит от вида топлива, способа его сжигания и конструкции
топки.
Потеря теплоты от механической неполноты сгорания возможна в случае
образования сажи и кокса в отдельных частях топки при нарушении процесса горения:
— неправильное обслуживание;
— сжигание топлива с чрезмерным избытком или недостатком воздуха;
— неудовлетворительное качество распыливания топлива;
— низкая температура в топке.
При правильной эксплуатации котлов, работающих на жидком топливе, потери q4
практически нет и её не учитывают (q4 = 0).
Потеря теплоты в окружающую среду зависит от размеров котла, компоновки
воздушных трактов, тепловых нагрузок, паропроизводительности, обшивки и качества
изоляции.
Обшивку современных котлов выполняют с двойными стенками. Между ними
движется холодный воздух, подаваемый в топку, что значительно уменьшает теплоотдачу в
окружающую среду.
При работе котла с неполной нагрузкой значение q5 возрастает. Для водотрубных
котлов q5 составляет 0,5 – 4%, для огнетрубных 2 – 6%.
При теплотехнических испытаниях котла потерю q5 определяют как остаточный член
уравнения теплового баланса
q5 = 100 – (ηк + q2 + q3).
Эффективность работы утилизационной установки.
Приходную часть теплового баланса составляет количество теплоты отработавших
газов двигателя:
Qприх = Qог.
Расходная часть состоит из количества теплоты, полезно использованной в котле, и
потерь с уходящими газами и в окружающую среду:
Qрасх = Q1 + Q2 + Q5.
Полезно использованное количество теплоты, отнесённое к 1 кг топлива,
израсходованного в двигателе, определяется по прямому балансу или по снижению
энтальпии газов:
D (i − i )
Q1 = п п пв ,
В
Q1 = φ1 (Iог – Iух).
φ1 – коэффициент сохранения теплоты котлом;
Iог , Iух – энтальпия отработавших газов и энтальпия уходящих из котла газов, кДж/кг.
КПД утилизационного котла, %:
ηук =
ϕ1 ( I ог − I ух )
I ог
44
100
В утилизационном котле имеются потери теплоты только с уходящими газами Q2 и в
окружающую среду Q5. Потери теплоты от химической и механической неполноты сгорания
отсутствуют, но их наличие в двигателе оказывает существенное влияние на работу котла,
вызывая низкотемпературную коррозию и загрязнение поверхности нагрева.
Глава 9
КОНСТРУКЦИИ СУДОВЫХ КОТЛОВ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Судовые потребители пара.
Конструкция судовых котлов зависит от потребителей тепловой энергии пара (или
другого органического теплоносителя), т.к. эти потребители определяют текущую
паропроизводительность и нагрузку котельной установки.
Состав потребителей пара, их конструктивные особенности и технико-экономические
характеристики зависят от назначения и района плавания судна, типа и мощности главного
двигателя и других факторов.
Судовые потребители пара
Потребители,
обеспечивающие работу
главных двигателей,
котельных и других
установок
Потребители,
обеспечивающие
нормальные условия
обитания и безопасность
судна
Потребители,
обеспечивающие
технологические
нужды судна
• Системы обогрева топливных
цистерн.
• Подогреватели сепараторов
топлива и масла, льяльных вод
и топлива перед главным
двигателем.
• Системы обогрева масляных
цистерн, цистерн отходов
сепарации и утечек топлива и
масла.
• Подогреватели котельного
топлива.
• Пар на форсунки,
сажеобдувочные устройства и
другие потребители пара
котлов.
• Главные паротурбинные
установки.
• Турбогенераторы и паровые
приводы насосов.
• Паровые спутники.
• Опреснители.
• Системы обогрева
цистерн пресной воды.
• Подогреватели
питьевой и мытьевой
воды.
• Хозяйственно-бытовые
нужды.
• Системы
кондиционирования
воздуха.
• Системы отопления
служебных помещений.
• Системы обогрева
уравнительных и
балластных цистерн.
• Обогрев и продувание
бортовой арматуры.
• Системы паротушения.
• Пар на верхнюю
палубу.
• Системы
вентиляции
грузовых
трюмов.
• Системы
защиты
окружающей
среды.
• Турбоприводы
грузовых
насосов.
• Системы
обогрева
грузовых танков.
• Системы мойки
грузовых танков.
45
20%
25%
10%
55%
70%
20%
Рис. 9.1 Распределение
вспомогательных котлов по типам:
55% - водотрубные котлы,
20% - огнетрубные котлы,
25% - огнетрубно-водотрубные.
Рис. 9.2 Распределение
утилизационных котлов по типам:
70% - водотрубные,
20% - газотрубные и комбинированные,
10% - водотрубные в системах глубокой
утилизации.
Вспомогательные огнетрубные котлы.
Среди
вспомогательных
огнетрубных
котлов
зарубежных
конструкций
распространены котлы типов: «Стимблок», «Спаннер», «Чифтейн», «Автономик», «Кохран»,
«Рапид», «Линдхольмен», «Унекс», «Паксман» и др.
На теплоходах отечественной постройки, где расход пара на вспомогательные нужды
не превышает 1 т/ч, используют котлы типа КВА. Это автоматизированные котлы трёх
моделей, различающихся только паропроизводительностью и системами автоматического
регулирования и управления. В котле КВА 1/5-М регулирование подачи топлива при
нагрузках до 20% позиционное, а от 20 до 100% – непрерывное. В котлах КВА 0,63/5 и КВА
0,25/3-М на всех нагрузках предусмотрено позиционное регулирование подачи топлива и
питательной воды.
Рис. 9.3 Огнетрубный котёл КВА 1/5-М.
46
Котёл КВА 1/5-М (рис. 9.3) – компактный и полностью автоматизированный агрегат.
Все обслуживающие механизмы, устройства (кроме питательных насосов и ионообменных
фильтров) и системы регулирования, управления, защиты, сигнализации и КИП размещены
вместе с котлом на фундаментной раме 1. Корпус котла состоит из обечайки 3, переднего 21
и заднего 7 днищ, продольных связей 10 между ними. Котёл имеет переднюю 24 и заднюю 5
огневые камеры; на фланцах к котлу крепят крышку 6 и корпус топочного устройства 23 с
механической центробежной форсункой; люковое отверстие для доступа внутрь котла
закрывают крышкой 28. На обечайке расположены клапаны: стопорный 15,
предохранительный 11, нижней 2 и верхней 20 продувки, топливный 22, питательный 29, а
также водоуказательный прибор 17. Внутри котла расположены парозаборная труба 13,
труба верхней продувки с воронкой 12, успокоительные листы 9, отбойный козырёк 30.
Котёл покрыт теплоизоляцией 14, для защиты которой установлены съёмные металлические
листы (16 – указатель нижнего уровня воды).
Продукты сгорания из жаровой трубы (топки) 4 проходят через заднюю огневую
камеру 5, где выполняют поворот на 180° и, проходя по трубам 18, попадают в переднюю
огневую (дымовую) камеру 24. В ней газы вновь поворачиваются на 180°, по трубам 19
направляются в дымник 8 и далее через дымоход в атмосферу. На раме располагаются
топливный насос 27, электродвигатель 26 топливного насоса и вентилятора 25.
На рис. 9.4 показан горизонтальный агрегатированный огнетрубный котёл с
поворотным движением газов «Унекс ВН-2200» (Финляндия). Паропроизводительность
котла 2,2 т/ч, давление пара 0,7 МПа, КПД около 86%. Котёл может работать совместно с
утилизационным котлом и выполнять функцию сепаратора пара.
Рис. 9.4 Котёл «Унекс ВН-2200», устройство и схема расположения арматуры:
1. Дополнительный паросборник. 2. Секущие клапаны. 3. Патрубок. 4. Основной корпус.
5. Топка. 6. Топливно-форсуночный агрегат. 7. Дымовая камера. 8. Дымогарные трубы.
9. Огневая камера. 10. Предохранительные клапаны. 11. Клапан нижнего продувания.
12. Питательные клапаны. 13. Клапан верхнего продувания. 14. Предохранительные
клапаны. 15. Клапан на автоматику. 16. Стопорный клапан. 17. Клапан к манометру.
18. Водоуказатели. 19, 20. Клапаны к системе принудительной циркуляции (при работе
совместно с УК). 21. Клапан нижнего продувания. 22. Питательные клапаны.
Горизонтальные огнетрубные котлы типа Спаннер (рис. 9.5) изготавливают различных
размеров. Dк = 0,2 – 3,3 т/ч, КПД 80 – 84%. Для улучшения теплопередачи в котле
используют патентованные дымогарные трубы "Свирлифло" с геликоидальными
поверхностями.
47
Рис. 9.5 Котёл Спаннер:
1 - дымогарные трубы.
2 - топка.
Огнетрубный котлоагрегат Стимблок (рис. 9.6) поставляют в одном блоке с
котельным вентилятором 1, питательным насосом 8, топочным устройством 2, средствами
контроля давления пара 3 и уровня воды 5, блоком контроля 9. Жаровая труба 6 –
гофрированная, дымогарные трубы 4 – гладкостенные, топочное устройство – с
механической форсункой позиционного регулирования. Котёл покрыт изоляцией 7. Работа
котлоагрегата автоматизирована. Dк = 0,68 – 10,9 т/ч, Рп = 1 – 1,7 МПа, масса в рабочем
состоянии до 9 т. Фирма изготовитель Спенсер-Кларксон.
Рис. 9.6 Огнетрубный
котлоагрегат Стимблок
В котлах типа Чифтейн (рис. 9.7) поверхность нагрева сильно развита по отношению
к его объёму. Паропроизводительность этих котлов 2 – 15 т/ч, рабочее давление 1,72 МПа.
Жаровая труба котла состоит из гладкостенных цилиндров разного диаметра. Это
увеличивает скорость газов перед поступлением в полусферическую огневую камеру.
Конструкция водоохлаждаемой огневой камеры в сочетании с жаровой трубой большого
диаметра обеспечивает работу камеры в условиях относительно низких температур, что
способствует уменьшению опасности повреждения труб. Дымогарные трубы с одной
стороны изогнуты и радиально входят в огневую камеру. Они слегка развальцованы и
приварены к камере, а к передней доске они крепятся исключительно за счёт развальцовки.
Бочка котла имеет воздушный кожух. Топочное устройство агрегатированное.
48
Рис. 9.7 Котлоагрегат Чифтейн:
1. Топочное устройство. 2. Дымогарная труба. 3. Воздушный кожух.
4. Огневая камера. 5. Цилиндры.
В вертикальном огнетрубном котле типа Кохран (рис. 9.8) топка сферической формы
выполнена цельноштампованной. Дымогарные трубы закреплены в передней и задней
трубных решётках. Продукты сгорания из топки проходят через огневую камеру и
дымогарные трубы (где отдают часть теплоты воде), дымовую коробку и уходят из котла.
Паропроизводительность котла 0,9 – 4,5 т/ч при давлении пара 1 – 1,76 МПа.
Рис. 9.8 Котёл Кохран:
1. Предохранительный
клапан
2. Стопорный клапан
3. Лючок
4. Паросборник
5. Дымовая коробка
6. Топочное устройство
7. Кран продувания
8. Питательный клапан
9. Бочка
10. Дымогарные трубы
11. Контрольные краны
12. Водомерное стекло
13. Огневая камера.
На рис. 9.9 представлен котёл финской постройки типа «Унекс СН».
Паропроизводительность котлов этого типа порядка 3,5 т/ч, давление до 1,0 МПа.
Цилиндрический корпус 5 имеет верхнее 3 и нижнее 9 днища. Внутри корпуса размещена
топочная камера 7 со сферической нижней частью, которая омывается со всех сторон водой
и увеличивает площадь поверхности нагрева котла. Топочная камера имеет патрубок 11 для
установки топливно-форсуночного агрегата 14. Из дымовой камеры 4 газы отводятся в
дымоход 2. Топочная и дымовая камеры соединены прямыми парообразующими трубами 6.
49
Для лучшей теплоотдачи примерно в 30% парообразующих труб установлены
спиралевидные ленты, которые при очистке труб могут выниматься.
Жёсткость нижнего днища обеспечена благодаря топочной камере, установленной на
опорах 8 в виде радиально расположенных косынок. Жёсткость верхнего днища, имеющего
вид кольца, достигнута путём вварки её в цилиндрический корпус и дымовую камеру.
Патрубок 10 служит для дренажа воды при мойке котла с газовой стороны. Отвод газов из
котла в дымоход предусмотрен боковой для того, чтобы на дымовой камере можно было
установить съёмные щиты 1 для осмотра и очистки труб. Котёл покрыт теплоизоляцией,
которая снаружи обшита тонкими стальными листами 13. Крепится котёл на судовом
фундаменте нижним фланцем. Проушины 12 служат для дополнительного крепления котла
тягами и талрепами. Автоматика котла обеспечивает безвахтенное обслуживание.
Рис. 9.9 Огнетрубный котёл типа «Унекс СН»
Вспомогательные водотрубные котлы.
Таблица 9.1
Показатель
Паропроизводительность,
т/ч
Давление пара, МПа
Температура питательной
воды, °C
Расход топлива, т/ч
Площадь испарительной
поверхности нагрева, м2
КПД, %
Удельный паросъём,
кг/(м2·ч)
Масса котла с водой, т
КВВА
7,5/28
КВВА
6/15
КВВ
КВВА
2,5/5
КВС
30/11-А
КВА
1/5
КАВ
6,3/7
КАВ
4/7
7,5
6
2,3
2,5
2
1
6,3
4
2,8
1,5
1,5
0,5
0,5
0,5
0,7
0,7
100
80
90
60
40
85
50
80
0,6
0,46
0,2
0,2
0,29
0,08
0,49
0,31
—
111
85
77
79
15
127
93
77
85
76
81
74
75
81
80
—
50
26
32
25
68
50
43
1,6
1,8
2,4
0,8
1,3
0,8
1,9
1,4
50
Рис. 9.10 Принципиальные схемы водотрубных котлов
отечественной постройки:
а) КВС 30/11-А: 1. Пароводяной коллектор.
2. Подъёмные трубы второго контура циркуляции.
3. Опускные трубы второго контура. 4. Водяной
коллектор второго контура. 5. Водяной коллектор
первого контура. 6. Трубы экрана. 7. Опускные
трубы первого контура.
б) КВВА 2,5/5: 1. Пароводяной коллектор. 2. Опускные трубы. 3. Подъёмные трубы.
4. Форсунки. 5. Водяной коллектор. 6. Конвективный пучок труб. 7. Змеевики
подсушки пара, идущего к форсункам.
в) КАВ: 1. Пароводяной коллектор. 2. Опускные трубы. 3, 5. Подъёмные трубы.
4. Водяной коллектор.
г) КВ 35: 1. Пароводяной коллектор. 2. Опускные трубы. 3, 6. Подъёмные трубы.
4. Водяной коллектор. 5. Подогреватель для поддержания котла в готовности.
7. Воздухоподогреватель.
Вспомогательный котёл КВ35 является прототипом всех котлов типа КВ.
Паропроизводительность котла 35 т/ч, давление насыщенного пара 2,65 МПа, КПД 85%.
Модернизированный котёл КВ35-1 (рис. 9.11, а) отличается от КВ35 наличием
двухсекционного змеевикового пароперегревателя. Это повысило КПД до 91%. Для
поддержания котла в горячем резерве в водяном коллекторе размещён водоподогреватель, в
котором используется греющий пар из главного котла.
Двухсекционный воздухоподогреватель в котле КВ1 (рис. 9.11, б) обеспечивает
подогрев
воздуха
до
120°C.
Благодаря
увеличению
поверхности
нагрева
воздухоподогревателя и снижению коэффициента избытка воздуха до 1,1 КПД повышен до
95%. Малый избыток воздуха обусловлен возможностью использовать уходящие газы в
системе инертных газов для создания взрывобезопасной среды в танках.
Модернизированный котёл КВ1-1 (рис. 9.11, в) отличается от КВ1 наличием
вертикального двухколлекторного пароперегревателя. Экономайзер и водоподогреватель в
водяном коллекторе отсутствуют. КПД котла на 2% ниже, а паропроизводительность на 5
т/ч меньше, чем у КВ1.
Конструктивной особенностью котла КВ2 (рис. 9.11, г) является применение
двухколлекторного петлевого пароперегревателя, поверхность которого выполнена из
одного ряда петель. Паропроизводительность 25 т/ч, давление пара 1,75 МПа, КПД 84%.
51
Рис. 9.11 Схемы вспомогательных котлов типа КВ:
а) КВ35-1; б) КВ1; в) КВ1-1; г) КВ2.
1. Воздухоподогреватель. 2. Пароперегреватель. 3. Водоподогреватель. 4. Экономайзер.
Водотрубный котёл КВВА 12/15 (рис. 9.12) – однопроточный с естественной
циркуляцией. Испарительная поверхность состоит из конвективного пучка 8 и экрана 5.
Котёл имеет пароводяной 2 и водяной 7 коллекторы. Опускные трубы 6 расположены за
экраном. Питательным насосом вода подаётся к патрубку 4. В пароводяном коллекторе 2
установлены дырчатые листы 1 и 3. Котёл оборудован паромеханическими форсунками:
малой – с подачей топлива 200 кг/ч, двумя большими – с подачей топлива по 300 кг/ч.
Максимальная паропроизводительность котла 12 т/ч при давлении 1,5 МПа.
Рис. 9.12 Водотрубный котёл КВВА
12/15
52
Котёл КАВ 6,3/7 (рис. 9.13) – двухколлекторный с естественной циркуляцией. Воздух
подаётся к топочному устройству 8 с паромеханической форсункой через кожух котла, где
подогревается. На пароводяном коллекторе 1 установлены: предохранительные клапаны
(главный 2 и импульсный 3), стопорный клапан 4, питательный 5, верхней продувки,
водоуказательный прибор 6, импульсный генератор 7, регулятор питания и другая арматура.
На наружной обшивке расположены топливный 14 и регулирующий 13 блоки, другие
элементы системы автоматики и приборы контроля. К фундаменту котёл крепят посредством
четырёх опор 11 и стульев 12. Контроль процесса горения осуществляется через смотровое
отверстие с крышкой 9.
Пароводяной 1 и водяной 10 коллекторы – сварные с овальными лазами 25 (рис. 9.14,
а) для осмотра и ремонта. Циркуляционный контур представляет собой трубы конвективного
пучка 29 и экрана 24 (размером 29,5×2,5 мм), а также ряд опускных труб 23 (44,5×3 мм),
развальцованных в коллекторах.
Для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду наружными 27 и внутренними
28 стенками котла образован кожух, через который движется воздух (нагреваясь при этом)
перед поступлением в топку. Посредством распорных скоб 18, связей 15 и перегородок 17
достигается необходимая жёсткость в стенках кожуха. Для доступа к трубам в стенках
корпуса предусмотрены окна, закрываемые крышками 26 с помощью задраек 30.
Для наблюдения за горением предусмотрены лючки 16, закрываемые крышками.
Кирпичная кладка передней 20 и задней стенок в районе топки и частично в районе трубного
пучка выполнена из огнеупорных шамотных кирпичей (рис. 9.14, б). Кирпичи крепят к
внутренним стенкам болтами 33, головки которых устанавливают в отверстиях кирпича и
замазывают раствором мертеля. Кирпичи в районе трубных пучков крепят на стальных
элементах 32 с помощью раствора шамотного мертеля 31. Для кладки фурмы 19 используют
фасонные огнеупорные кирпичи.
Опоры 21 крепят к переходным стульям 22 болтами с гайками. Для предотвращения
повреждений котла в результате воздействия температурных деформаций одну из опор
закрепляют неподвижно, а остальные – подвижно (что обеспечивается овальными
отверстиями для болтов).
Паропроизводительность котлов типа КАВ 4 – 16 т/ч при давлении 0,7 – 1,6 МПа.
Рис. 9.13 Общий вид котла
КАВ 6,3/7
53
Рис. 9.14 Котёл КАВ 6,3/7
Котёл КВ1 (рис. 9.15) предназначен для обеспечения паром (Рп до 2,7 МПа, Dк до 35
т/ч) грузовых и зачистных турбонасосов, а также подогрева нефти.
Рис. 9.15 Котёл КВ1
54
Котёл КВ1 состоит из пароводяного и водяного коллекторов, соединённых
парообразующими трубами конвективного пучка 4 (29×3), а также опускными трубами 7
(57×3,5), закрытыми от прямого излучения из топки трубами экрана 6 (29×3). Котёл снабжён
экономайзером 3, воздухоподогревателем 2, сажеобдувочными устройствами 1 и
водоподогревателем 5 питательной воды, установленном в водяном коллекторе. Подогрев
питательной воды перед подачей её в экономайзер предусмотрен с целью исключения
низкотемпературной коррозии экономайзерных труб.
Экономайзер 3 представляет собой две секции, каждая из которых состоит из 22
двухходовых змеевиков 10, замыкающихся на входной 15, два промежуточных 13 и
выходной 14 коллекторы. Змеевики 9 прикреплены к кронштейнам 11 и диафрагмам 12.
Задние кронштейны опираются на опорные балки и могут перемещаться при тепловых
расширениях змеевиков.
Воздухоподогреватель выполнен пятиходовым по ходу газов, для чего в газоходе
имеются верхняя 17 и нижняя 16 камеры. Трубы воздухоподогревателя прикреплены к
трубным доскам 8 посредством сварки. Котёл обслуживают топочные устройства с
паромеханическими форсунками.
Вертикальный однопроточный
котёл типа Вагнер (рис. 9.16)
вырабатывает пар в количестве 2,5 т/ч
давлением
0,39
МПа.
Котёл
оборудован топочным устройством с
ротационной форсункой и системой
автоматического
управления
и
защиты.
Рис. 9.16 Котёл Вагнер:
1. Пароводяной коллектор
2. Воздухоподогреватель
3. Экономайзер
4. Конвективный пучок труб
5. Водяной коллектор
6. Трубы экрана
7. Опускные трубы
8. Топочное устройство
Для возможности работы на воде сравнительно невысокого качества, особенно в
случаях, когда она может быть загрязнена нефтепродуктами (на танкерах с дизельными
установками), иногда используют двухконтурные котлы. Паропроизводительность котла на
танкере типа «Луганск» 16 т/ч, давление в первом контуре 5,1 МПа, во втором – 1,6 МПа,
расход топлива 1 т/ч.
Схема двухконтурного котла показана на рис. 9.17. Первый контур представляет
собой обычный двухколлекторный водотрубный котёл с естественной циркуляцией.
Топочное устройство с механической центробежной или ротационной форсункой 8. В
первом контуре циркулирует одна и та же дистиллированная вода, поэтому нет опасений,
что в трубах образуется накипь. Пополнять водой первый контур практически не требуется,
т.к. утечки ничтожно малы и нет необходимости в его продувках.
55
Рис. 9.17 Схема двухконтурного
котла
Насыщенный пар, выработанный первым контуром, по трубам 3 поступает в петлевой испаритель 5, размещённый в паровом коллекторе 4, и
отдаёт свою теплоту воде второго контура. Затем
этот пар, превратившись в конденсат, стекает по
трубам 7 в водяной коллектор 10. От насоса 9 в
паровой коллектор 4 поступает питательная вода.
Испаряясь, она превращается во вторичный пар и
направляется к потребителям. Котёл может быть
оборудован пароперегревателем 1 и воздухоподогревателем 2. Давление в паровом коллекторе 6 примерно в 2 – 3 раза выше, чем в коллекторе 4, а разность температур первичного
(греющего) и вторичного (рабочего) пара составляет примерно 50°C. Испаряющаяся во втором
контуре вода образует отложения, которые удаляют продувкой. По мере загрязнения наружных
поверхностей испаритель вынимают и очищают.
Особенность двухконтурного котла заключается в том, что при сильных загрязнениях и
упуске воды из второго контура аварии не
произойдёт. КПД котлов находится в пределах 80
– 84%. Однако по сравнению с обычными
водотрубными (одноконтурными) котлами эти
котлы имеют более высокую стоимость, бóльшие
размеры и бóльшую массу.
Огнетрубно-водотрубные котлы
Это котлы типов Флеминг, Аальборг, VX, Кларксон, Хеншел, Санрод и др., обычно
оборудованные форсуночными агрегатами типа Монарх или механическими форсунками.
Рис. 9.18 Принципиальные схемы огнетрубно-водотрубных котлов:
а) AQ-3; б) Хитачи Зосен; в) VX.
1. Пароводяная часть. 2. Парообразующие трубы. 3. Цилиндрический корпус (огневой
патрубок в VX). 4. Огневые патрубки. 5. Нижняя (водяная) часть. 6. Топочные камеры.
7. Дымовые коробки. 8. Огневые коробки. 9. Опускная труба. 10. Центральная
подъёмная труба. 11. Направляющие листы.
56
Рис. 9.19 Огнетрубно-водотрубный
котёл Санрод типа СРДВ -12:
1. Топочная камера.
2. Нижний канал (вход воды).
3. Дымогарная труба большого
диаметра.
4. Труба (элемент Санрод).
5. Шипы.
6. Верхний канал (выход пароводяной
смеси).
7. Паровое пространство.
Выход пара
Шипы
Вход воды
Рис. 9.20 Элемент Санрод
Утилизационные котлы
В качестве утилизационных котлов с естественной циркуляцией наиболее
распространены вертикально-газотрубные котлы.
Одноходовой вертикально-газотрубный УК типа Джуро Джакович (рис. 9.21, а)
состоит из цилиндрической части 3, верхней 1 и нижней 5 трубных досок, в которых с
помощью сварки закреплены трубы 2. Для внутреннего осмотра и очистки котла имеются
лючки 4. Котёл установлен на выпускном газопроводе главного двигателя, и проходящие по
трубам газы передают теплоту омывающей их воде. Вертикально-газотрубные котлы могут
быть двухходовыми (рис. 9.21, б).
Горизонтально-газотрубный котёл показан на рис. 9.21, в (2 – трубы, 6 и 7 – днища).
57
Рис. 9.21 Вертикально-газотрубные и горизонтально-газотрубные
утилизационные котлы
На некоторых судах применяют вертикально-водотрубные утилизационные котлы с
естественной циркуляцией (рис. 9.22).
В пароводяном 1 и водяном 3 коллекторах закреплены водогрейные трубы 2,
омываемые поперечным потоком газов, подводимых по газопроводу 5. Котёл имеет
отбойную решётку 4, обшивку с изоляцией 6. Первые ряды труб, омываемые более горячими
газами, являются подъёмными, а последние – опускными.
Рис. 9.22 Вертикальноводотрубный УК
Таблица 9.2
Показатель
Паропроизводительность, кг/ч
Давление пара, МПА
Температура газов, °C: перед котлом
за котлом
Расход газов, т/ч
Площадь испарительной
поверхности нагрева, м2
Коэффициент использования
теплоты газов, %
Масса котла с водой, т
КУП
18
150
0,3
370
305
5
Утилизационные котлы
Джуро
КУП КУП
Зульцер
Джакович
70
110
510
3700
800
1300
0,7
0,12
0,57
0,54
310
350
350
320
240
310
246
230
20
96
20
36
КУП
135
1900
0,54
365
225
35
20
75
450
69
118
140
18
22
26
30
28
38
2,2
11
31
6,4
9,7
9,6
58
В дизельной энергоустановке малой мощности применяют водогрейные газотрубные
УК. В котлах типов КУВ75 и КУВ100 (рис. 9.23) вода давлением 0,2 – 0,4 МПа подаётся в
котёл снизу, а выходит в верхней части, подогреваясь до температуры 95°C.
Рис. 9.23 Водогрейный газотрубный
утилизационный котёл КУВ 100:
1. Верхняя газовая камера.
2. Обух.
3. Верхняя трубная доска.
4. Трубы (38×3).
5. Цилиндрическая обечайка.
6. Нижняя трубная доска.
7. Люк.
8. Газоперепускная камера.
9. Газоперепускная заслонка.
10. Крышка приёмной камеры.
11. Отвод гудрона.
12. Отвод воды при течи труб
13. Нижняя газовая камера.
14. Вход воды.
Конструктивные различия УК:
- гладкотрубные цилиндрические (применяются в ДЭУ малой и средней мощности);
- гладкотрубные с прямоугольной компоновкой пакетов змеевиков (применяются в
ДЭУ средней и большой мощности);
- с гладкотрубной или оребрённой поверхностью нагрева и прямоугольной компоновкой
(обеспечивающие глубокую утилизацию теплоты в ДЭУ или газотурбинных ЭУ
большой мощности и вырабатывающие перегретый пар для турбогенератора и
утилизационной ходовой турбины).
Для обеспечения паром систем теплоснабжения судна широко применяют установки с
отечественными УК, имеющими многократную принудительную циркуляцию и автономные
сепараторы пара. Цилиндрические УК со спиральными гладкотрубными змеевиками
поверхностей
нагрева
компактны,
но
повышение
мощности
двигателя
и
паропроизводительности котла требует увеличения диаметра змеевиков и усложнения
технологии изготовления УК. Котлы типа КУП, используемые в системах малой утилизации
теплоты, имеют производительность 150 – 3000 кг/ч насыщенного пара давлением 0,5 – 0,8
МПА; площадь поверхности нагрева 19 – 305 м2.
В котле КУП19/5 (рис. 9.24) поверхность нагрева образована горизонтально
расположенными спиральными змеевиками 1, концы которых приварены к входному и
выходному распределительным коллекторам 2. Пароводяная смесь отводится из выходного
59
коллектора в паросборник, роль которого обычно выполняет паровой сепаратор. В корпусе
котла размещены: газовая камера, газоход 6 с трубным пучком, вставка 7 для свободного
прохода газов и глушитель 8. Во вставке 3 находятся газоперепускные заслонки 4 и 5,
которыми регулируют расход газов.
Рис. 9.24 Утилизационный котёл КУП19/5
Утилизационный водотрубный котёл КУП1100 (рис. 9.25) используется в системе
глубокой утилизации теплоты отработавших газов. Это котёл с прямоугольной компоновкой
змеевиков
поверхностей
нагрева,
с
экономайзером
и
пароперегревателем.
Паропроизводительность 9,2 т/ч, давление пара 0,7 МПа, температура газов перед котлом
330°C, температура газов за котлом 186°C, коэффициент использования теплоты 0,44,
площадь поверхности нагрева экономайзера 324 м2, испарительной части 778 м2,
пароперегревателя 56 м2.
Каждая из поверхностей состоит из двух параллельно работающих секций. Каждая
секция экономайзера представляет собой 44 двухходовых змеевика, а каждая испарительная
и пароперегревательная секции – соответственно 89 и 71 одноходовой змеевик из труб
диаметром 22×2,5 мм.
Вода насосом подаётся во входные коллекторы 11, змеевики 10 экономайзера и
выходит через коллекторы 9. Затем по перепускным трубам вода направляется во входные
коллекторы 6 и змеевики 7 испарительной части, а образовавшаяся пароводяная смесь через
60
выходные коллекторы 8 поступает в сепаратор. Пар из сепаратора направляется через
коллекторы 5 в змеевики 4 пароперегревателя, откуда выходит через коллекторы 3 с
температурой 270°C к турбогенератору. В стенках кожуха 16 предусмотрены окна со
съёмными щитами для ремонта змеевиков. Для крепления котла имеются опоры 2 и 1.
Искроулавливатель 13 состоит из лопаток 12, сетки-диафрагмы 15 и конуса 14.
Рис. 9.25 Утилизационный котёл КУП1100
Повышение степени использования теплоты и паропроизводительности требует
увеличения размеров котла из-за снижения температурного напора между отработавшими
газами и рабочей средой. Интенсификация теплообмена в поверхностях нагрева может быть
достигнута их оребрением. Отношение площади оребрённой поверхности трубного пучка к
единице занимаемого им объёма в несколько раз выше по сравнению с гладкотрубными
поверхностями нагрева. Применение оребрённых поверхностей нагрева в несколько раз
уменьшает металлоёмкость конструкции и увеличивает удельный паросъём. В оребрённых
поверхностях коэффициент теплоотдачи в 2 – 3 раза больше по сравнению с коэффициентом
теплоотдачи круглой трубы такого же диаметра.
61
На рис. 9.26 показан утилизационный котёл с горизонтальными петлевыми
змеевиками типа «Санрод». Котёл имеет сварной прямоугольный корпус 7, покрытый
теплоизоляцией. Парообразующая часть котла выполнена в виде вставленных в корпус
секций, каждая из которых имеет передний 3 и задний 6 щиты. В щитах закреплены
змеевики 4, входные части которых привариваются к водяному коллектору 5, а выходные – к
паровому коллектору 1. К коллектору 5 подводится питательная вода, а от коллектора 1
через патрубок 2 отводятся пар и пароводяная смесь в сепаратор. Петли змеевиков 4 (рис.
9.26, б) в секциях и гибы у заднего щита 1 располагаются в горизонтальной плоскости, а у
переднего щита 3 они имеют изгиб для перехода в следующий горизонтальный ряд. В
газоходе находятся участки труб, расположенные между щитами, а гибы из газохода
вынесены.
Особенностью котлов «Санрод» является ошиповка труб в районе газохода,
выполненная в виде приваренных стальных стержней 2, увеличивающих поверхность
теплообмена.
а)
б)
Рис. 9.26 Утилизационный котёл типа «Санрод» (а) и его секция (б).
Современные УК имеют различные параметры. Температура подводимых газов
составляет 260 – 450°C, а их расход доходит до 350 т/ч. Температура уходящих газов
составляет 170 – 260°C.
DУК, т/ч
0,1 – 5
2–6
15 – 30
Сухогрузные суда
Нефтеналивные суда
Крупнотоннажные суда
РП, МПа
0,5 – 0,8
до 1,6
Вспомогательно-утилизационные (комбинированные) котлы
Комбинированные котлы, в которых совмещены топливная и утилизационная части
составляют примерно 5 % общего числа котлов. Их можно эксплуатировать как в ходовом
режиме судна, так и на стоянке (при остановке ГД).
Топливная часть огнетрубно-водотрубного комбинированного котла типа Кларксон
(рис. 9.27, а) состоит из топки 5, дымогарной трубы 3 большого диаметра, в боковые стенки
которой вварены напёрсткообразные трубы 2. Для более полного смывания газами труб 2 в
центре дымогарной трубы установлен газонаправляющий цилиндр 4. Дымовые газы из
дымогарной трубы отводятся по центральному газоходу 1. По приемному патрубку 9
62
выпускные газы от главного двигателя поступают в утилизационную часть дымогарной
трубы 6, в боковые стенки которой также вварены напёрсткообразные трубы 2. Двигаясь
вниз, дымовые газы отдают свое тепло трубам 2, затем поворачивают на 180° и поступают в
кольцеобразный газоход 7, образованный центральным газоходом топливной части и
центральным цилиндром 8 утилизационной части. Наличие двух выпускных газоходов 1 и 7
обеспечивает как индивидуальную, так и одновременную работу топливной и
утилизационной частей котла.
а)
б)
Рис. 9.27 Принципиальные схемы комбинированных котлов.
На рис. 9.27, б показан котёл КВКА 6/5 (водотрубный, комбинированный,
автоматизированный, паропроизводительность топливной части 6 т/ч, утилизационной – 5
т/ч). Особенность котла состоит в том, что для работы турбогенератора он обеспечивает пар
с небольшим перегревом. С этой целью в утилизационной и топливной частях установлены
пароперегреватели 10 и 2. Поверхность нагрева топливной (161 м2) и утилизационной (632
м2) частей разделена стенкой 7. Отработавшие газы ГТУ подводятся к патрубку 8
утилизационной части и омывают вначале трубы пароперегревателя 10 (поверхность нагрева
31,7 м2), а затем трубы пучка 12. Топливная часть состоит из подъемных труб экрана 4,
конвективного пучка 3 и опускных труб 5. Пароперегреватель 2 (поверхность нагрева 36 м2)
топливной части имеет змеевиковую конструкцию. На каждом фронте топливной части
расположены по две горелки. Для всех элементов котла применены одинаковые трубы
(размеры труб 29×2,5 мм), за исключением опускных труб 5 (44,5×3 мм). Пароводяной
барабан 1 общий для всех частей. Топливная и утилизационная части имеют отдельные
водяные барабаны 6 и 11. Для обдувки поверхностей нагрева применены устройства 9.
Расход дизельного топлива 465 кг/ч; давление пара 0,6 МПа; температура перегретого пара
180 – 195°С; КПД топливной части 81%; температура газов за ГТУ 240 °С; масса котла без
воды 32,6 т, с водой 41,5 т.
Вспомогательно-утилизационный газотрубный котёл Кохран (рис. 9.28) состоит из
корпуса 2, нижнего 6 и верхнего 1 днищ, труб 3, закреплённых в трубных досках.
Отработавшие газы входят в котёл через патрубок 4, проходя через трубы 3, отдают теплоту
омывающей их воде и выходят в газоход 7. Направление движения продуктов сгорания
топлива, подаваемого через форсунку 5, и отработавших газов показано на схемах
стрелками.
63
а)
б)
Рис. 9.28 Вспомогательно-утилизационные газотрубные котлы
смешанного (а) и комбинированного (б) типов.
Котлы систем с органическим теплоносителем
Водяной пар, используемый в системах теплоснабжения, имеет ряд недостатков
(высокая коррозионная агрессивность; низкая температура насыщения при малых давлениях;
возможность замерзания конденсата пара в системах обогрева помещений и балластных
танков; необходимость жёсткого контроля качества воды; трудность и высокая стоимость
техобслуживания систем обогрева грузовых, топливных и др. танков).
На судах без турбоприводов целесообразно использовать другие теплоносители. В
последнее время в качестве таких теплоносителей используют органические жидкости на
основе минеральных масел (термомасел). При их использовании снижаются трудоёмкость и
стоимость обслуживания, упрощается эксплуатация и устраняется опасность замерзания
теплоносителя. Кроме того, имеется возможность обеспечить высокую точность и
равномерность регулирования температуры нагреваемой среды. Термомасла применяются на
судах, предназначенных для плавания в холодных районах, на танкерах и некоторых
специализированных судах.
Поверхность нагрева вспомогательного котла с термомасляным теплоносителем (рис.
9.29) скомпонована в виде наружного 3 и внутреннего 5 змеевиков. Котел имеет форму
цилиндра диаметром 2250 мм и высотой 3045 мм, в верхней части которого размещена
горелка 1 для сжигания мазута. Термомасло поступает сверху по трубам 2 и по наружному
змеевику 3 движется вниз и далее к внутреннему змеевику 5, в котором оно имеет
восходящее движение к верхним элементам змеевика. Оттуда оно отводится к потребителям.
Внутренний змеевик выполнен в виде экрана не по всей высоте, образуя в нижней части
разреженный участок 6 для прохода газов в кольцевое пространство между змеевиками
(движение газов показано стрелками). Внешний змеевик 3 по всей высоте цилиндра образует
сплошную стенку (экран), поэтому дымовые газы движутся вверх, затем поворачивают на
180° и движутся вниз по кольцевому пространству между наружным змеевиком 3 и
корпусом котла 4 до выхода в дымоход 7 диаметром 450 мм.
64
Рис 9.29 Термомаслянный котёл с
принудительной циркуляцией
Трубы змеевиков 3 омываются газовым потоком с двух сторон и имеют только
конвективный теплообмен, а змеевики 5 воспринимают лучистую теплоту из топки и
получают частично конвективную теплоту со стороны кольцевого пространства между
змеевиками. По высоте змеевики имеют соответственно по 26 и 28 витков, выполненных из
труб диаметром 82,5×5 мм полностью сварной конструкций без фланцевых соединений.
Давление термомасла в около 1 МПа, температура на входе в котел 140°, а на выходе
180°С; количество масла в котле 1,27 м3; масса котла без масла 5400 кг.
На некоторых судах, работающих в северных широтах, в системах отопления иногда
используют два теплоносителя - водяной пар и термомасло, причем термомасло нагревается
водяным паром, полученным в обычных паровых котлах.
Отечественные органические теплоносители: АМТ-300 и АМТ-300Т. Зарубежные
термомасла: Жилотерм, Эссотерм-500 и др.
Недостатки органических теплоносителей:
— низкая термическая стойкость, приводящая к образованию плотных отложений
нефтепродуктов;
— высокая пожароопасность;
— высокая стоимость;
— отсутствие опыта эксплуатации термомасляного оборудования;
— трудность при ремонте сваркой и т.д.
Элементы котла
Кожух – часть котла, охватывающая топку и парообразующие поверхности нагрева,
направляющая движение воздуха и газов и предотвращающая утечку теплоты и газов в
окружающую среду.
Топочный фронт котла – стенка кожуха, на которой расположены топочные
устройства.
Водопаровой тракт – система последовательно включённых элементов, в которых
движутся питательная вода, пароводяная смесь и перегретый пар.
Воздушный тракт – комплекс оборудования и устройств для приёма, подогрева,
транспортирования и подачи в топку атмосферного воздуха.
65
В топке начинается газовый тракт, который проходит через поверхности нагрева и
заканчивается дымовой трубой. Воздушный и газовый тракты соединены между собой
последовательно и образуют газовоздушный тракт.
Внутриколлекторные устройства – устройства, предназначенные для обеспечения
устойчивой циркуляции воды в котле, получения пара требуемого качества и продувки
котла.
Устройство пароводяного коллектора (рис. 9. 30):
•
труба 2 с фланцами 1 и разделительным щитом для равномерного распределения
подаваемой питательной воды;
• поверхностный пароохладитель 10 с подсоединёнными трубами 8 с фланцами 9;
• трубы 5 верхней продувки с воронками 3 для удаления шлама и маслянистых веществ с
поверхности воды;
• успокоительный дырчатый щит 6 с угольниками 4 (погруженный в воду на 100 –150мм
ниже среднего уровня) для выравнивания паровой нагрузки зеркала испарения по всей
его площади и успокоения воды при качке;
• потолочный дырчатый лист 7 для создания более равномерного поля скоростей пара.
Вместо потолочного щита иногда устанавливают парозаборную трубу с круглыми
или щелевыми отверстиями вверху по всей длине.
Рис. 9.30 Пароводяной коллектор
Температура наружной поверхности изоляции котла не должна превышать 50°C, а
изоляции трубопроводов 60°C.
Футеровка – часть обмуровки топки, воспринимающая энергию теплового излучения
факела.
Кирпичную кладку выполняют с использованием огнеупорных растворов, в состав
которых входят сыпучие огнеупоры (мертели) с применением для крепления кирпичей
штырей, болтов, подвесок и других приспособлений из жаростойкой стали (рис. 9.31).
Рис. 9.31 Виды крепления
кирпичей:
1. Раствор. 2. Кирпич с
пазами. 3. Лист изоляции. 4. Приварная скоба.
5. Обмуровка. 6. Болт
крепления кирпичей.
7. Гайка. 8. Шайба.
9. Прокладка. 10. Кирпич
с отверстиями. 11. Заполнитель. 12. Кирпич.
13. Скоба.
66
Для увеличения срока службы футеровку покрывают огнеупорными обмазками,
приготовленными из хромовой руды, шамота, графита, огнеупорной глины с добавлением
жидкого стекла и воды. Для снижения тепловосприятия экранные трубы также покрывают
частично или полностью специальной обмазкой (рис. 9.32).
Рис. 9.32 Обмуровка экранных труб:
1. Раствор. 2. Обмуровка
экранных труб. 3. Кирпич без
отверстий. 4. Обмуровка общая.
5. Обмуровка пода. 6. Кирпич
легковесный. 7. Стальные шипы.
Для повышения экономичности вспомогательной ПЭУ в котлах применяют
дополнительные поверхности нагрева – пароперегреватели, водяные экономайзеры и
воздухоподогреватели.
Пароперегреватели (обычно змеевикового типа) устанавливают за парообразующим
пучком труб. Змеевики изготавливают из труб (29×2,5 или 38×3 мм) и объединяют в пучки
(рис. 9.33).
Во избежание перегрева труб пароперегревателя при пуске и остановке котла, выводе
из действия потребителей перегретого пара следует держать открытыми клапаны продувки
пароперегревателя.
а)
б)
в)
Рис. 9.33 Змеевики пароперегревателей: а) простой; б) двухходовой для коридорного
строения пучка; в) двухходовой для шахматного строения пучка.
1. Верхняя паровая камера. 2. Змеевики. 3. Нижняя паровая камера. 4. Корпус котла.
67
Водяные экономайзеры и воздухоподогреватели относятся к хвостовым поверхностям
нагрева, т.к. устанавливаются за котлом. При этом полнее используется теплота сгорания
топлива и повышается экономичность работы котла.
Водяной экономайзер предназначен для подогрева подаваемой в котёл питательной
воды теплотой уходящих продуктов сгорания. Во вспомогательных котлах применяют
экономайзеры некипящего типа, в которых температура выходящей воды на 30 – 50°C ниже
температуры кипения.
Питательная вода подаётся во входной коллектор 2 экономайзера (рис. 9.34),
проходит внутри змеевиков 3 (омываемых газами) и выходит из коллектора 1. Для
предотвращения провисания труб имеются планки 4. скорость воды в экономайзере
рекомендуется 1,8 – 2,5 м/с.
Рис. 9.34 Экономайзер
Воздухоподогреватель (рис. 9.35) предназначен для подогрева воздуха, подаваемого в
топку, теплотой уходящих продуктов сгорания топлива или теплотой пара. Это
интенсифицирует процесс горения. В газовых воздухоподогревателях воздух нагревают до
150 – 200°C.
а)
б)
Рис. 9.35 Схемы воздухоподогревателей:
а) одноходовой по воздуху и газу; б) двухходовой по воздуху.
С целью предупреждения коррозии поверхностей нагрева воздухоподогревателя
требуется не допускать понижения температуры уходящих газов ниже точки росы (ввод в
топливо присадок и поддержание минимального коэффициента избытка воздуха).
68
Сепараторы пара
Сепаратор пара УК с принудительной циркуляцией используют для отделения пара
от воды и в качестве ёмкости для воды. Сепараторы пара бывают вертикальными и
горизонтальными.
Пуск, остановка, переменные режимы работы УК связаны с изменением
водосодержания экономайзерной и испарительной поверхностей нагрева, что является
причиной изменения уровня воды в сепараторе пара. Колебания уровня воды могут
нарушить нормальный режим работы других элементов энергоустановки.
Масса воды в сепараторе должна быть достаточной для компенсации возможных
колебаний уровня. Размеры сепаратора должны обеспечивать получение пара требуемого
качества и возможность приёма массы воды, вытесняемой в него из обогреваемой части УК
при пуске. Давление пара в сепараторе меньше, чем в УК на 0,05 – 0,3 МПа.
Рис. 9.36 Вертикальный сепаратор пара
Вертикальный сепаратор (рис. 9.36) представляет собой цилиндрический сосуд.
Корпус с опорами 14 покрыт изоляцией 10. В корпусе имеется лаз 9, а на корпусе
расположены клапаны: предохранительный 3, стопорный 4, питательный 6, продувания 8.
На корпусе расположены также водоуказательный прибор 5, импульсный генератор
термогидравлического регулятора 1, патрубки 2 и 7 для присоединения клапанов
пароводяной смеси и циркуляционной воды. Внутри сепаратора установлены пароотборная
труба 11, труба питательной воды 12, козырёк 13, предотвращающий унос пара
циркуляционной водой, отбойный щит 15 для эффективного отделения воды и пара.
Основными аккумуляторами теплоты в сепараторе являются вода и пар. Для
обеспечения паром судовых потребителей при разных режимах работы главных двигателей,
теплоты в УКУ должно быть достаточно в течение времени, необходимого для пуска ДГ или
ввода в действие ВК. Повышение аккумуляционной способности УКУ достигается подводом
питательной воды в нижнюю часть сепаратора (это увеличивает теплоёмкость сепаратора),
подогревом питательной воды и созданием новых конструкций сепараторов и схем УКУ.
69
Глава 10
АРМАТУРА И СИСТЕМЫ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Арматура и её назначение
Арматура предназначена для обеспечения надёжной и безопасной работы котла. Она
служит для подвода к котлу питательной воды, топлива, воздуха, отвода пара к
потребителям, продувки котла, отбора проб котловой воды и ввода химических реагентов,
наблюдения за уровнем воды в котле, удаления из него воды и воздуха, предотвращения
повышения давления пара сверх установленного значения.
Арматура парового пространства (рис. 10.1):
предохранительные клапаны 1; разобщительные (стопорные) клапаны 2, 17; клапаны для
удаления воздуха из котла 4; клапаны на манометры 5; клапаны главного и вспомогательного
паропроводов 16. Также котлы могут иметь клапаны для паротушения, к пароохладителю,
для продувания пароперегревателя, подачи пара к свистку и др.
Арматура водяного пространства:
солемерный клапан 7; питательный клапан 8; клапан верхней 9 и нижней 13 продувки;
клапан для введения химических реагентов 10.
а)
б)
Рис. 10.1 Расположение арматуры котла:
а) на пароводяном коллекторе; б) на коллекторе пароперегревателя
На рис. 10.1 также указаны следующие элементы:
3 – паровой патрубок; 6 – водоуказательный прибор; 11 – питательная труба; 12 – труба
верхней продувки; 14 – манометр; 15 – клапан продувки пароперегревателя; 18 – коллектор
пароперегревателя.
70
Стопорный клапан
Предохранительный клапан
Предохранительные клапаны предназначены для
обеспечения безопасного действия котла. Они
сбрасывают избыток пара в случае увеличения его
давления выше рабочего.
На каждом паровом котле устанавливают не менее
двух пружинных предохранительных клапанов,
которые могут быть прямого и непрямого
(импульсного) действия.
Сдвоенный предохранительный клапан прямого
действия (рис. 10.2) расположен в корпусе 4 и
прикреплён к котлу фланцем 3. Верхний конец
пружины 9 фиксируется тарелкой 10, упирающейся
через втулку 12 в крышку 8. Пружина нижним
концом через тарелку 7 и шток 11 прижимает
тарелку 6 клапана к седлу 5. При повышении
давления пара в котле сверх установленного
значения тарелка 6, преодолевая сопротивление
пружины, отходит от седла, и избыток пара выходит
в атмосферу. При снижении давления пара тарелка
под воздействием пружины прижимается к седлу.
Для подрыва клапана вручную имеется привод с
рычагом 2, с помощью которого, воздействуя на
колпак 13, закреплённый чекой 14 на штоке 11,
Рис. 10.2 Предохранительный
можно преодолеть сопротивление пружины. При
клапан прямого действия
этом шток и тарелка 6 отходят от седла 5, и пар
выходит в атмосферу.
Натяжение пружины регулируют, ввёртывая или вывёртывая втулку 12 при снятом
колпаке 13. После опломбирования инспектором Регистра клапан регулированию не
подлежит (пломба 1 связывает чеку 14 с колпаком 13).
71
Котлы паропроизводительностью ниже 750 кг/ч и утилизационные могут
оборудоваться только одним предохранительным клапаном.
В котлах с рабочим давлением пара 4 МПа и более рекомендуется установка
предохранительных клапанов импульсного действия (устройств, состоящих из импульсного
и главного предохранительных клапанов, рис. 10.3).
При регулировании предохранительных клапанов максимальное давление в котле при
их действии не должно превышать рабочее более чем на 10%.
а)
б)
Рис. 10.3 Предохранительный клапан непрямого действия
(а - импульсный; б - главный):
1. Нарезная втулка. 2. Верхняя тарелка. 3. Пружина. 4. Шток.
5. Нижняя тарелка. 6. Выпускной патрубок. 7. Тарелка клапана. 8. Седло клапана. 9. Впускной патрубок. 10. Выпускной
патрубок (в атмосферу). 11. Вход пара от импульсного клапана.
12. Шток. 13. Поршень. 14. Пружина. 15. Полость главного
клапана. 16. Впускной патрубок. 17. Тарелка клапана. 18. Седло
клапана.
Рис. 10.4 Схема действия импульсного и
главного предохранительного клапанов:
1. Тарелка клапана. 2. Поршень
серводвигателя. 3. Пружина.
4. Импульсный трубопровод.
5. Импульсный клапан. 6. Паровой
коллектор.
Стопорные клапаны (рис. 10.5) предназначены для сообщения котла с
паропроводами.
Разобщительные (стопорные) клапаны главного и вспомогательного паропроводов,
кроме местного управления, должны иметь дистанционные приводы.
Стопорные клапаны, сообщающие котёл с главным и вспомогательным
паропроводами, называют главным и вспомогательным стопорными клапанами.
72
Рис. 10. 5 Угловой невозвратно-запорный
стопорный клапан:
1. Маховик. 2. Шток. 3. Втулка кронштейна
крышки. 4. Нажимная втулка сальника. 5.
Крышка. 6. Паронитовая прокладка. 7. Седло
клапана.
8. Тарелка клапана.
9. Корпус
клапана. 10. Фланец для крепления к котлу.
Буквами "О" и "З" обозначены указатели
положений открытия и закрытия клапана.
Верхний конец штока (удлинённый квадрат
над маховиком) служит для присоединения
дистанционного привода.
Питательные клапаны предназначены для сообщения и разобщения котла с
питательным трубопроводом (рис. 10.6).
Каждый котёл оборудуют не менее чем двумя питательными клапанами
невозвратного типа. Утилизационный котёл может иметь один клапан. Для возможности
разобщения невозвратного питательного клапана и котла между ними устанавливают
разобщительный клапан. Невозвратный и разобщительный клапаны могут размещаться в
одном корпусе.
Рис. 10.6 Питательный клапан
невозвратного типа:
1. Крышка.
2. Тарелка клапана.
3. Седло клапана.
4. Корпус.
Клапан верхней продувки предназначен для удаления шлама, маслянистых веществ и
других плавающих примесей, скапливающихся у зеркала испарения. Также они служат для
снижения солёности котловой воды в процессе эксплуатации путём частичного удаления её
за борт.
От клапана внутри котла проходит труба, заканчивающаяся воронкой или труба с
обращёнными вверх отверстиями.
Клапан нижней продувки предназначен для удаления шлама и солей, оседающих в
нижней части барабана огнетрубного котла или в водяных коллекторах водотрубного котла.
Трубы нижней продувки имеют отверстия по нижней образующей поверхности и
соединены одним концом с клапаном (другой конец заглушен).
73
Воздушный клапан служит для выпуска воздуха из парового коллектора при
заполнении котла водой перед его подготовкой к действию. Клапан закрывают после того,
как через него будет выходить пар.
Клапаны к манометрам служат для сообщения котла с манометрами. Котёл должен
иметь не менее двух манометров.
Надёжная эксплуатация парового котла возможна только при определённом уровне
воды в нём. Нижний уровень воды в котле должен находиться на расстоянии не менее 150
мм над высшей точкой поверхности нагрева. Для котлов с паропроизводительностью менее
750 кг/ч это расстояние может быть уменьшено до 125 мм. Верхний уровень ограничивается
необходимым паровым объёмом котла. Рабочий уровень расположен посередине между
нижним и верхним уровнями.
Уровень воды контролируют с помощью водоуказательных приборов, в основе
работы которых лежит принцип сообщающихся сосудов. На каждом котле, имеющем
зеркало испарения, должно устанавливаться не менее двух независимых водоуказателей. На
котлах с паропроизводительностью до 750 кг/ч и утилизационных агрегатах допускается
устанавливать только один прибор.
Водоуказательный прибор (рис. 10.7) сообщается с водяным и паровым
пространством коллектора котла клапанами 8 и 11. Клапаны 8 имеют ручное управление, а
клапаны 11 – дистанционное с помощью тяг 13 и 14, которые рычагами 12 поворачивают
штоки. В рамке 4 установлены прозрачные слюдяные пластины 2 или специальные стёкла,
прижимаемые к рамке упорными планками 3 с помощью болтов. Между рамкой и пакетом
пластин установлена прокладка 5.
Рис. 10. 7 Водоуказательный прибор
74
Для плотности соединений корпуса 1 прибора с патрубками, сообщающими его с
котлом, имеется набивка 9. Каналы прибора закрыты пробками 6. На планке 10 нанесены
риски, отмечающие верхний, средний и нижний уровни воды. Водоуказательный прибор
крепят к котлу фланцами 7. Кран 15 служит для продувки водоуказательного прибора.
При работе котла уровень воды в водоуказательном приборе должен колебаться,
отсутствие колебаний уровня свидетельствует о загрязнении каналов прибора.
Водоуказательные приборы необходимо продувать не реже одного раза за вахту, а также
перед проведением верхнего и нижнего продувания котла.
Порядок продувания водоуказательного прибора:
— открыть нижний клапан (или кран) продувания;
— закрыть паровой клапан;
— открыть паровой клапан и затем закрыть водяной клапан;
— открыть водяной клапан и закрыть клапан (кран) продувания.
Рис. 10.8 Сниженный
указатель уровня воды в
котле
При расположении пароводяного коллектора котла на
значительной высоте, а также при управлении котельной
установкой из ЦПУ применяют сниженные указатели уровня.
Для этих указателей применяются жидкости, плотность которых
больше плотности воды и которые с водой не смешиваются
(тетрахлорид, четырёххлористый углерод и другие вещества).
Для лучшей видимости тяжёлую жидкость окрашивают.
Сниженный указатель уровня (рис. 10.8) представляет
собой U-образную петлю, нижняя часть которой заполнена
тяжёлой жидкостью. На левой ветви установлен указатель 1,
который сообщается через клапан 5 с паровым, а через клапан 6
– с водяным пространством котла. Труба 2 заполнена
конденсатом. У неё имеется неизолированная конденсационная
полость 3, откуда излишек воды из-за конденсации пара или
изменения уровня через перегородку 4 стекает в трубу 7. Таким
образом, в трубе 2 уровень воды постоянен. В трубе 7 уровень
соответствует уровню воды в пароводяном коллекторе. При
повышении уровня воды в котле увеличивается высота столба
воды в трубе 7, из-за чего повышается давление на поверхность
тяжёлой жидкости и уровень в указателе 1 поднимается.
Системы котельных установок
•
•
•
•
•
•
питательная;
топливная;
подачи воздуха и отвода дымовых газов;
продувания котла;
автоматического регулирования, сигнализации и защиты;
ввода химических реагентов.
Питательная система служит для приёма питательной воды из деаэратора
(закрытая система) или тёплого ящика (открытая система) и подачи её в котёл.
Открытая система питания более проста по конструкции и используется во
вспомогательных и утилизационных установках с давлением пара не выше 2 МПа.
Питательная система главных и вспомогательных котлов состоит из двух не
зависимых друг от друга питательных трубопроводов. Питательные системы
утилизационных котлов иногда оборудуют одним трубопроводом питательной воды.
75
В состав системы входят два или более питательных насоса с паровыми или
электрическими приводами. Система питания УК может быть оборудована одним
питательным насосом.
Питательные насосы в системе на рис. 10.9 – центробежные, одноступенчатые,
электроприводные, нерегулируемые. Для уменьшения пусковой нагрузки насосов
предусмотрены дроссельные шайбы, позволяющие отвести некоторое количество
питательной воды в тёплый ящик. Регулирование насосов осуществляется комбинированным
способом: дросселированием с помощью питательного клапана и одновременным
перепуском части воды с помощью шайб 13 и клапанов 14.
Рис. 10.9 Питательная система вспомогательного котла:
1. Тёплый ящик. 2, 3. Питательные насосы. 4. Перемычки. 5. Автоматический
регулирующий клапан. 6. Ручной регулирующий клапан. 7. Невозвратные питательные
клапаны перед котлом. 8. Невозвратные питательные клапаны после питательных
насосов. 9. Манометр. 10. Запорные клапаны. 11. Подпиточный насос. 12. Цистерна
добавочной воды. 13. Дроссельные шайбы. 14. Перепускные клапаны. 15 Охладитель
чистых конденсатов. 16 Охладитель грязных конденсатов. 17. Контрольно-смотровая
цистерна.
Топливная система рассмотрена в главе 5.
Система верхней и нижней продувки является обязательной для всех котлов и
предназначена для удаления пены, шлама, маслянистых и других веществ из воды, а также
для снижения концентрации солей в котловой воде.
Системы верхней и нижней продувок двух и более котлов могут иметь общий
отводящий трубопровод при условии установки невозвратных клапанов на трубопроводах
продувки каждого котла до соединения с общим трубопроводом.
Система подачи воздуха в топку состоит из дутьевого вентилятора или компрессора,
устройства для регулирования расхода воздуха и воздуховодов с необходимыми КИП или их
датчиками. Обычно используются центробежные вентиляторы с электрическим приводом на
переменном токе с двумя ступенями скорости. Воздух поступает в пространство между
кожухом и обшивкой котла, затем в воздухоподогреватель, а при его отсутствии –
непосредственно к топочному устройству.
В агрегатированных топочных устройствах (рис. 5.10) вентилятор смонтирован
непосредственно в корпусе топочного устройства, а регулирующая воздушная заслонка
устанавливается на всасывании вентилятора и имеет сервопривод, работающий от системы
управления.
76
Рис. 10.10 Система верхней и нижней продувки и система внутренней и
наружной химической очистки котла:
1. Котёл. 2. Эжектор для наружной очистки. 3. Насос. 4. Дроссельный клапан.
5. Ротаметр. 6. Растворный бак. 7. Клапан нижней продувки. 8. Общая
магистраль продувания. 9. Клапан верхней продувки.
Система очистки наружных и внутренних поверхностей нагрева котла
представляет собой установку, собираемую на время промывки (рис. 10.10). Внутренняя
химическая очистка производится раствором сульфаминовой кислоты путём прокачивания
его через котёл. После этого раствор удаляется из котла и производится нейтрализация
остатков кислоты путём прокачивания раствора тринатрийфосфата.
Наружная очистка осуществляется пропариванием котла паром с раствором
углекислого аммония и углекислого натрия, вводимого с помощью эжектора,
устанавливаемого на место форсунки. После пропаривания производится обмывка труб
пресной водой через верхние лючки и топочный лаз.
Глава 11
УТИЛИЗАЦИОННЫЕ КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
Вторичные тепловые энергоресурсы.
Использование вторичных энергоресурсов является одним из основных средств
повышения технико-экономических показателей судовых энергоустановок.
Вторичные энергоресурсы дизеля:
— отработавшие газы с температурой
· 260 ÷ 380°C – у двухтактных дизелей;
· 350 ÷ 450°C – у четырёхтактных дизелей;
— охлаждающая пресная вода с температурой 50 ÷ 130°C.
Энергоресурс отработавших газов составляет 28 – 45% энергии сжигаемого в
двигателе топлива, а охлаждающей воды 12 – 30%.
77
Основной путь повышения экономичности СЭУ – эффективное использование
теплоты отработавших газов для обеспечения потребностей судна в тепловой,
электрической и механической энергии.
Для рационального использования теплоты и выбора оборудования для её утилизации
необходимо знать располагаемые объёмы этой теплоты при различных условиях
эксплуатации судна.
Энергоресурс отработавших газов дизеля:
[кДж/ч]
Qг = Gгсгрtг − Gвсврtв,
Gг – массовый расход газов, кг/ч;
Gв – массовый расход воздуха, поступающего в двигатель, кг/ч;
сгр – средняя удельная массовая теплоёмкость газов, кДж/(кг·°С);
свр – средняя удельная массовая теплоёмкость воздуха, кДж/(кг·°С);
tг – температура отработавших газов, °С;
tв – температура воздуха, поступающего в цилиндр, °С.
Теплота отработавших газов не может быть полностью использована в
утилизационном котле. Охлаждение газов снижает температурный напор, что требует
увеличения площади поверхности нагрева (т.е. увеличения размеров УК), а это повышает
сопротивление газовыпускного тракта и ведёт к снижению эффективного КПД двигателя.
Для предотвращения коррозии хвостовых поверхностей нагрева УК, температура
уходящих газов tух должна быть выше температуры точки росы tр.
tр используемых для дизелей топлив: 115 – 140°С.
Для обеспечения эффективной теплопередачи и предотвращения коррозии хвостовых
поверхностей нагрева минимальная температура отработавших газов за УК должна быть не
менее чем на 25°С выше точки росы.
tmin ух = tр + 25.
Эффективность
утилизации
теплоты
отработавших
газов
оценивается
коэффициентом утилизации.
tг − tminух
Ψmax =
максимальный коэффициент утилизации теплоты,
tг − tо
tг – температура газов перед котлом, °С;
tо – температура окружающей среды, °С.
Ψ=
tг − tух
действительный коэффициент утилизации теплоты.
tг − tо
При номинальных режимах дизелей и t ух = 150°C:
Ψ = 0,45 ÷ 0,54 — для двухтактных с контурной продувкой;
Ψ = 0,59 ÷ 0,62 — для двухтактных с прямоточной продувкой;
Ψ = 0,6 ÷ 0,68 — для четырёхтактных дизелей.
Температура газов за газотурбинным двигателем зависит от конструкции агрегата,
температуры наружного воздуха и нагрузки.
tг = 320 ÷ 600°C.
Энергоресурс газов за ГТД составляет до 60 – 75% теплоты, подведённой к
двигателю.
Qг = Gг ср(tг − tо),
[кДж/ч]
78
Коэффициент утилизации теплоты отработавших газов ГТД:
tг − tух
Ψ=
= 0,45 – 0,8.
tг − tо
Схемы утилизационных установок.
Судовые утилизационные установки классифицируются по следующим признакам:
Признак классификации
Число контуров испарения
Давление пара
Тип утилизационного котла
Схема и компоновка
утилизационного котла
Сепарирование пара
Использование пара
Характеристики
Одноконтурные (пар одного давления)
Двухконтурные (низкого и повышенного давления)
От 2 до 12 кг/см2
Газотрубный
Водотрубный с естественной циркуляцией
Водотрубный с многократной циркуляцией
Комбинированный
Простые (с одной испарительной поверхностью)
Развитые (водоподогреватель, экономайзер, испарительная
поверхность, пароперегреватель)
Автономные с отдельными сепараторами
Без сепараторов (подача пара во вспомогательный котёл)
Замещение вспомогательного котла (или совместная
работа УК и ВК) для выработки насыщенного пара
Утилизационный турбогенератор, турбоприводы других
агрегатов, передача мощности на гребной вал
Технико-экономический эффект использования вторичных энергоресурсов во многом
определяется схемой утилизации теплоты.
На судах для выработки насыщенного пара давлением 0,5 – 0,8 МПа широко
применяют системы утилизации теплоты отработавших газов дизелей с принудительной
(рис. 11.1, а) и естественной циркуляцией.
а)
б)
в)
г)
Рис. 11.1 Схемы утилизационных установок:
1. Утилизационный котёл. 2. Циркуляционный насос. 3. Сепаратор пара (вспомогательный
котёл). 4. Питательный насос. 5. Подогреватель питательной воды. 6. Теплообменник
(испаритель) низкого давления.
79
Система глубокой утилизации теплоты (рис. 11.1, б – г) представляет собой УК с
более развитой поверхностью нагрева (имеющий экономайзер, пароперегреватель и
подогреватель питательной воды) и обеспечивающий более высокие параметры пара и
паропроизводительность.
Оптимальные параметры пара УК при установке утилизационного турбогенератора
составляют: Рп = 8 – 12 кг/см2, Тп = 240 – 310 °С, температура уходящих газов 170 – 180 °С.
Схема утилизационной установки с тепловым потреблением показана на рис. 11.2,
где происходит утилизация тепла отходящих газов главных двигателей (суда типа
"Александр Пушкин"). Используются утилизационные котлы типа "Ла-Монт" с
поверхностью нагрева 226 м2, паропроизводительность каждого 2250 кг/ч, рабочее давление
пара 6 кг/см2. Схема характеризуется неполной утилизацией тепла и необходимостью
включения вспомогательного котла при снижении числа оборотов главного двигателя
до ≈ 0,92 nном.
Рис. 11.2 Схема утилизации тепла
отходящих газов главных
двигателей:
1. Утилизационные котлы.
2. Клапан сброса пара в
конденсатор.
3. Конденсатор.
4. Тёплый ящик.
5. Насос добавочной воды.
6. Питательный насос.
7. Циркуляционный насос.
8. Сепаратор пара
(вспомогательный котёл).
9. Питательный клапан.
10. Секущий клапан.
На теплоходах типа "Борис Бутома" котельная установка состоит из двух
вспомогательных котлов КВ1 и КАВ 6,3/7, а также утилизационных котлов КУП-1100
производительностью 9,2 т/ч пара давлением 0,69 МПа при мощности дизеля 15500 кВт.
Вспомогательные котлы обеспечивают подогрев нефтепродуктов, мойку танков, работу
грузовых насосов, общесудовых потребителей, а УК вырабатывают перегретый пар для
работы УТГ (мощность 800 кВт).
В утилизационной котельной установке с котлом КУП-1100 (рис. 11.3) используется
горизонтальный сепаратор пара. Трубная часть УК состоит из двух симметричных секций по
паровому тракту. Вода из тёплого ящика 4 питательным насосом 3 подаётся в сепаратор 1,
откуда циркуляционным насосом 2 вода направляется через входные коллекторы 13,
змеевики 12, выходные коллекторы 11 экономайзера (324 м2) и перепускные трубы во
входные коллекторы 8 и змеевики 9 испарительной части (778 м2). Пароводяная смесь из
выходных коллекторов 10 поступает по трубопроводу 14 в сепаратор. Пар из сепаратора
80
через входные коллекторы 7, змеевики 6, выходные коллекторы 5 пароперегревателя (56 м2)
направляется в утилизационный турбогенератор.
При неработающем УТГ возможно использование экономайзера как парообразующей
поверхности нагрева производительностью до 4 т/ч насыщенного пара, направляемого в
сепаратор 1 по трубопроводам, обозначенным штриховой линией. При относительно
небольшом объёме УК коэффициент утилизации теплоты отработавших газов составляет
0,44.
Рис. 11.3 Схема утилизационной установки с котлом КУП-1100
Рис. 11.4 Схема утилизационной установки с турбогенератором:
1. Экономайзер.
2. Испарительная поверхность.
3. Пароперегреватель.
4.
Утилизационный котёл. 5. Циркуляционный насос. 6, 8. Водяной и паровой коллекторы
вспомогательного котла. 7. Паропровод. 9. Питательный насос. 10. Сепаратор пара.
11. Тёплый ящик. 12. Эжектор. 13. Конденсатный насос. 14. Конденсатор. 15. Турбина.
16. Генератор. 17. Потребители тепла. 18. Конденсатоотводчик.
81
В турбокотельной установке танкера "Ленинакан" (рис. 11.5) функцию сепаратора
пара выполняет пароводяной коллектор одного из двух вспомогательных котлов. Насос 12
подаёт питательную воду из тёплого ящика 11 через паровой подогреватель 13 и
экономайзер 15 утилизационного котла 1 в пароводяной коллектор 9 вспомогательного
котла. Отсюда вода одним из циркуляционных насосов 10 подаётся в одну или две (в
зависимости от потребности в паре) испарительные секции 14, обогреваемые
отработавшими газами главного двигателя. Образующаяся в секциях пароводяная смесь
поступает в пароводяной коллектор 9, где поддерживается давление 1,6 МПа.
Отсепарированный пар, редуцированный клапаном 3 до давления 1 МПа направляется к
утилизационному турбогенератору 5 и к пароструйному воздушному эжектору 6. К
тепловым потребителям пар поступает через редукционный клапан 2 давлением 0,4 МПа.
Конденсат греющего пара от подогревателей и бытовых потребителей 16 отводится в
атмосферный конденсатор 4, откуда самотёком поступает в тёплый ящик 11. Из вакуумного
конденсатора 7 турбогенератора конденсат подаётся в тёплый ящик одним из двух
конденсатных насосов 8. Конденсат рабочего пара из охладителя эжектора 6 поступает в
тёплый ящик самотёком. Грузовые операции обеспечивают три грузовых насоса,
работающие на паре вспомогательного котла давлением 1,6 МПа. Паропроизводительность
утилизационного котла 5,1 т/ч, а каждого из вспомогательных котлов – 14,5 т/ч.
Рис. 11.5 Схема турбокотельной установки танкера "Ленинакан"
Такие компоновочные решения, определяемые вероятностью включения ВК в
ходовом режиме, нашли применение на крупнотоннажных судах. Основные преимущества
такой компоновки – постоянная готовность ВК к работе и упрощение конструкции
котельной установки. Недостатки заключаются в снижении общей надёжности котельной
82
установки, трудностях обеспечения нормальной эксплуатации обоих котлов, значительных
потерях теплоты в окружающую среду через трубную часть неработающего ВК.
Утилизационная котельная установка теплохода "Профессор Щеголев" (рис. 11.6)
отличается от обычных установок с принудительной циркуляцией воды. Утилизационный
котёл и сепаратор пара 1 скомпонованы в одном агрегате. Поверхность нагрева образована
спиральными змеевиками, причём испарительная поверхность нагрева состоит из труб
диаметром 32×3 мм, а пароперегревательная – из труб 44,5×3,5 мм. Испарительная часть
состоит из двух секций 4 и 5 поверхности нагрева, водяных 9 и 10 и пароводяных 11 и 12
камер.
Вода из сепаратора 1 в параллельно включённые секции подаётся циркуляционным
насосом 15 или самотёком по трубе 16. Пароводяная смесь из камер 11 и 12 по перепускной
трубе 3 поступает в сепаратор, откуда насыщенный пар направляется к потребителям, а по
трубе 17 – в секцию 14 коллектора пароперегревателя 7. Выходящий из секции 13
перегретый пар может использоваться в турбогенераторе. Отработавшие газы двигателя
подводятся к котлу через патрубок 8, а отводятся через глушитель 2.
Паропроизводительность котла регулируется байпасированием подводимых к нему газов
посредством газоперепускной заслонки 6, изменяющей соотношение количества газов,
омывающих поверхность нагрева и проходящих мимо неё в центральную часть агрегата.
Паропроизводительность утилизационного котла 0,6 т/ч, давление пара 0,49 МПа,
площадь поверхности нагрева испарительной части 134 м2, пароперегревательной – 9 м2.
Рис. 11.6 Схема утилизационной котельной установки теплохода
"Профессор Щеголев"
83
Глава 12
ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Регулируемые величины и регулирующие воздействия
Многообразие сложных процессов, осуществляемых в котельной установке,
обусловливает высокие требования к качеству её эксплуатации. Невыполнение требований
приводит к снижению технико-экономических показателей и авариям КУ.
Основная задача регулирования технологического процесса – поддержание
заданных значений переменных параметров на всех режимах работы котла.
От точности поддержания давления и температуры пара зависят условия работы,
экономичность и надёжность потребителей.
Давление пара зависит от его расхода из котла и количества топлива, подаваемого в
топку. Для поддержания заданного давления должно быть обеспечено соответствие
количеств пара, производимого котлом и расходуемого на потребители (внешняя нагрузка
котла).
Экономичность работы котла определяется совершенством организации процесса
горения топлива (определённое соотношение расходов топлива и воздуха, качественное
распыливание топлива). Регулирование расхода воздуха должно обеспечить поддержание
оптимального значения коэффициента избытка воздуха. Качество распыливания топлива
зависит от его давления и вязкости. При использовании паромеханических форсунок
требуется поддерживать определённое давление распыливающего пара.
По условиям безопасности и надёжности работы котла необходимо поддерживать
заданный уровень воды. Регулирование подачи воды в котёл должно обеспечивать
поддержание в питательном трубопроводе большего по сравнению с котлом давления, а
также по возможности сохранять при этом соответствие между подачей воды в котёл и
расходом пара из него.
Давление пара, коэффициент избытка воздуха и уровень воды регулируют, изменяя
подачу топлива, воды и воздуха.
Для автоматического регулирования котельной установки, её оборудуют
соответствующими регуляторами (рис. 12.1):
- давления пара 1 (измеряет давление пара и воздействует на топливный клапан);
- давления топлива 2 (измеряет давление перед топливным клапаном и воздействует
на клапан подачи пара к турбоприводу топливного насоса);
- уровня воды 3 (измеряет уровень воды в котле и воздействует на питательный
клапан);
- давления питательной воды 4 (измеряет давление воды перед питательным клапаном
и воздействует на клапан подачи пара к турбоприводу питательного насоса);
- расхода воздуха 5 (измеряет перепад давления воздуха на фронте котла и
воздействует на заслонку, регулирующую подачу воздуха в топку);
- давления воздуха 6 (измеряет давление воздуха перед воздушной заслонкой и
воздействует на клапан подачи пара к турбоприводу котельного вентилятора);
- температуры топлива 7 (измеряет температуру топлива на выходе из
топливоподогревателя и воздействует на клапан подачи к нему греющего пара).
Кроме перечисленных регуляторов котельная установка может быть оборудована
регулятором температуры перегретого пара; регулятором давления пара, распыливающего
топливо; регулятором температуры промежуточного перегрева пара; регулятором вязкости и
другими.
В качестве приводов топливных насосов и котельных вентиляторов часто используют
электродвигатели с регулируемой мощностью.
84
Рис. 12.1 Принципиальная схема автоматизации котельной установки.
Автоматическая система регулирования (контур регулирования) – каждый
регулятор совместно с аккумулятором объекта, регулируемую величину которого он
поддерживает заданной. Совокупность этих систем образует систему автоматического
регулирования котельной установки.
Автоматизация утилизационной котельной установки
Количество подведённой к УК теплоты определяется режимом работы двигателей, а
его нагрузка – режимом работы потребителей пара.
Технологический процесс УК (преобразование теплоты отработавших газов
двигателя в потенциальную энергию пара) связан с подводом к котлу газов двигателя и
питательной воды, а также отводом от него пара и отработавших газов. Изменение
количества и температуры отработавших газов, а также нагрузки котла приводит к
изменению давления пара, уровня воды, температуры перегретого пара.
Регулируемыми параметрами являются давление пара и уровень воды. Уровень воды
регулируют включением-выключением питательных насосов или изменением степени
открытия питательного клапана. Регулирование давления пара осуществляется изменением
паропроизводительности самого УК или за счёт отдачи излишков теплоты охлаждающей
среде в специальном теплообменнике.
Виды регулирования УКУ:
1. Позиционное регулирование паропроизводительности.
Применяется в установках, производящих пар для общесудовых и эксплуатационных
нужд, где допустимо некоторое отклонение давления пара. Регулирование уровня воды
осуществляется путём включения-выключения питательного насоса.
2. Непрерывное регулирование паропроизводительности.
Применяется в котлах с малой аккумуляционной способностью или в установках, где основным потребителем пара является турбогенератор, для обеспечения устойчивой работы которого требуется поддерживать постоянное давление пара.
Паропроизводительность регулируется в зависимости от нагрузки на генератор.
3. Комбинированное регулирование.
Комбинированные системы регулирования осуществляют позиционное регулирование
при низких нагрузках, а непрерывное – при более высоких нагрузках.
85
В УКУ предусматривается сигнализация по нижнему значению уровня воды в котле
(или сепараторе), а также по нижнему и верхнему значениям давления пара. Средством
защиты при повышении давления пара являются предохранительные клапаны.
Методы регулирования паропроизводительности УК:
1. Байпасирование газов.
Изменение расхода отработавших газов через УК с помощью заслонки.
Достоинства:
- простота;
- широкий диапазон регулирования;
- возможность отключения УК по газовой стороне при повреждениях.
Недостатки:
- установка громоздкого обводного канала и глушителя;
- сложность формы заслонки, обеспечивающей плотность прилегания;
- возможность заклинивания заслонки.
2. Изменение эффективности поверхности нагрева.
Изменение числа работающих пучков труб или змеевиков котла; изменение положения
уровня воды, определяющего площадь испарительной поверхности нагрева вертикальногазотрубного УК.
Достоинства:
- простота;
- небольшие капиталовложения.
Недостатки:
- не поддерживается постоянное давление пара;
- используется при небольших изменениях нагрузки.
3. Изменение температуры циркуляционной воды.
Теплопередача зависит от разности температур теплообменивающихся сред. При
изменении температуры воды, подаваемой в котёл, изменяется и разность температур.
При повышении давления пара в УК регулятор уменьшает расход циркуляционной воды
через теплообменник. В результате повышения температуры воды на входе в котёл
снижается разность температур воды и газов, следовательно, и количество теплоты,
воспринимаемой поверхностью нагрева.
Подача охлаждённой циркуляционной воды в котёл даёт возможность снизить
температуру газов на выходе, т.е. увеличить степень утилизации теплоты. Таким образом,
достигается стабилизация давления пара.
Регулятор
ЦН
4. Изменение расхода циркуляционной воды.
Количество воды, подаваемой в котёл, изменяют с помощью трёхходового крана в
зависимости от потребности в паре. Расходом воды управляет регулятор давления пара
86
или персонал, воздействуя на трёхходовой кран, который направляет часть воды во
всасывающий трубопровод насоса.
Недостатки:
- низкая надёжность;
- резкие изменения давления и
температуры пара.
5. Сброс излишков пара в конденсатор.
Данный метод позволяет осуществлять качественное регулирование в любом диапазоне
нагрузок. При уменьшении нагрузки утилизационного турбогенератора увеличивается
количество сбрасываемого в конденсатор пара (↓ нагрузка УТГ ⇒ ↑открытие клапана
сброса пара, и наоборот). При таком регулировании УК работает с постоянной нагрузкой
независимо от расхода пара на потребители.
Недостатки:
- большие капиталовложения и эксплуатационные расходы.
Совместная работа вспомогательного и утилизационного котлов
Если паропроизводительность УК недостаточна для удовлетворения потребителей, то
возможна совместная работа утилизационного и вспомогательного котлов на общую
паровую магистраль.
Вспомогательный котёл должен находиться в нагруженном резерве (в готовности к
действию), потому что для непрерывного обеспечения паром ответственных потребителей
необходимо, чтобы время ввода в действие ВК было минимальным.
На рисунке 12.2 представлена схема автоматической системы управления (АСУ)
совместной работой утилизационного и вспомогательного котлов. В этой схеме
вспомогательный котёл выполняет роль сепаратора пара УК. Подвод пароводяной смеси от
утилизационного котла во вспомогательный позволяет поддерживать температуру воды в
ВК близкой к температуре кипения.
Если количество производимого утилизационным котлом пара достаточно для
удовлетворения нужд потребителей, то его паропроизводительность регулируется с
помощью регулятора давления пара 4, воздействующего на газоперепускную заслонку (ВК
при этом не работает). При недостаточном количестве производимого УК пара его давление
в паропроводе снижается, и реле давления 5 подаёт сигнал в АСУ вспомогательным котлом
на его ввод в действие. АСУ вспомогательным котлом настраивают на поддержание более
низкого давления пара, чем в УК. При повышении давления пара сверх заданного ВК
выводится из действия автоматически с помощью реле 5 и системы управления.
Если утилизационный котёл не обеспечивает производство пара заданных параметров
(например, при работе двигателя на минимальных нагрузках), то реле 1 по температуре
уходящих газов отключает УК от ВК посредством исполнительных механизмов 2 и
останавливает циркуляционный насос посредством пускателя 3. Потребность в паре будет
обеспечиваться вспомогательным котлом. При достижении температурой газов значения,
при котором УК обеспечивает выработку пара заданных параметров, с помощью реле 1
осуществляется его подключение к ВК.
87
Рис. 12.2 Схема АСУ совместной работой УК и ВК.
Одним из методов поддержания вспомогательного котла в нагруженном резерве
является использование излишков пара УК (рис. 12.3). Этим достигается повышение
технико-экономических показателей котельной установки.
Сепаратор пара утилизационного котла трубопроводом сброса излишков пара 6
дополнительно подключён через регулирующий 4 и запорный 2 клапаны к водяному
коллектору вспомогательного котла. В применяемых утилизационных котельных установках
излишки пара обычно направляются через регулирующий клапан 5 в конденсатор 7, откуда
конденсат поступает в тёплый ящик.
Уменьшение расхода пара приводит к повышению его давления в сепараторе. Из
сепаратора излишки пара по трубопроводу 6 через клапан 4 (настроенный на открытие при
меньшем давлении пара, чем клапан 5) будут поступать в водяной коллектор, нагревая воду
во вспомогательном котле. Подача пара продолжается до тех пор, пока в сепараторе не
установится заданное давление или давления в сепараторе и во вспомогательном котле не
уравняются. Дальнейшее повышение давления в сепараторе пара приводит к открытию
клапана 5 и сбросу излишков пара в конденсатор 7.
Для ограничения уровня воды в ВК, который повышается вследствие поступающего
греющего пара, по сигналу датчика предельного уровня 1 открывается электромагнитный
клапан 3, и излишки воды сбрасываются в конденсатор (при снижении уровня в ВК клапан
закрывается). При включении вспомогательного котла в работу клапан 2 закрыт.
Рис. 12.3 Схема поддержания вспомогательного котла в нагруженном резерве
88
Глава 13
ТЕХНИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Техническая эксплуатация котельной установки – совокупность мероприятий по
техническому использованию, обслуживанию и ремонту.
Техническое использование – подготовка котельной установки к действию,
обслуживание и вывод из действия, учёт технического состояния.
Подготовка КУ к действию предусматривает осмотр входящих в неё технических
средств и других элементов; подготовку котельных вентиляторов, питательной и топливной
систем, средств автоматизации; заполнение котла водой.
Обслуживание котла в действии предусматривает: контроль рабочих параметров;
розжиг, подъём пара и включение котла в работу; обеспечение работы питательной,
топливной, воздухоподводящей систем и средств автоматизации; управление горением;
соблюдение установленного водного режима; очистку поверхностей нагрева; хранение
бездействующего котла; меры предосторожности при обслуживании котла.
Режимы вспомогательного котла:
•
•
•
•
•
действующий – со времени подъёма давления пара в котле выше атмосферного;
поддержки давления пара – при отсутствии расхода пара из котла обеспечивается
поддержание давления пара в нём выше атмосферного;
эксплуатационный;
форсировки – повышенная по сравнению с номинальным значением
паропроизводительность;
переменной нагрузки – изменение паропроизводительности, нагрузки поверхностей
нагрева и давления пара вследствие изменения режима работы потребителей пара.
При обслуживании КУ необходимо руководствоваться Правилами технической
эксплуатации судовых технических средств; инструкциями заводов-изготовителей;
инструктивными материалами пароходств; отдельными положениями: Руководства по
техническому надзору за судами в эксплуатации, Правил технической эксплуатации судов,
Положения о заводском ремонте судов, Правил техники безопасности на судах морского
флота, Международной конвенции по предотвращению загрязнения моря с судов и других
нормативных документов.
Надзор за проектированием, постройкой, испытанием, установкой на судно, сдачей
котла судовладельцу и эксплуатацией осуществляется Регистром судоходства – органом
государственного технического контроля.
Подготовка котла к действию
Подготавливать к действию допускается только исправный котёл, на эксплуатацию
которого имеется разрешение Регистра.
При подготовке котла проводится его внутренний и внешний осмотры. Все
замеченные неисправности необходимо устранить.
После осмотра котла устанавливают на место крышки лазов и горловин, закрывают
все клапаны и краны, кроме клапанов для выпуска воздуха, на водоуказательные приборы и
манометры. Паровые клапаны приоткрывают на 1/10 оборота маховика для предотвращения
заедания при прогреве. Положение уровня воды при розжиге котла оговаривают в
инструкции по эксплуатации.
Перед включением в работу форсунку продувают, убеждаются в отсутствии топлива в
топке и вентилируют топочное пространство. Воспламенение топлива осуществляется
электровоспламенителем или факелом.
89
При появлении пара из воздушного клапана его закрывают, проверяют работу
манометров, продувают водоуказательные приборы и полностью закрывают паровые
клапаны. При достижении давления пара в котле равного 50% рабочего давления, вручную
проверяют действие предохранительных клапанов.
В течение всего времени подъёма пара котёл осматривают, проверяют действие
манометров и уровень воды. При достижении рабочего давления пара повторно проверяют
действие предохранительных клапанов, водоуказательных приборов, питательных средств,
кранов верхней и нижней продувки, включение в работу автоматического регулятора
питания и осуществляют верхнюю продувку котла.
Подготовка к действию утилизационной котельной установки:
проверить техническое состояние котла, обслуживающих его механизмов,
трубопроводов, контрольно-измерительных приборов, изоляции поверхностей нагрева;
устранить обнаруженные неполадки и загрязнения, проверить плотность закрытия
лазов, горловин и фланцевых соединений;
наполнить котёл водой (подаваемой питательным насосом) при открытом воздушном
клапане, включённых контрольно-измерительных приборах и датчиках автоматической
системы регулирования уровня воды;
при работающем двигателе пустить циркуляционный насос (в котле с принудительной
циркуляцией) и открыть газоперепускную заслонку (при её наличии);
закрыть воздушный клапан при выходе из него пара, продуть водоуказательные
приборы, проверить исправность КИП и сигнализации;
проверить вручную действие предохранительных клапанов;
при достижении рабочего давления пара подключить котёл в сеть потребителей,
постепенно открывая стопорный клапан.
Обслуживание котла
Обслуживание котла заключается в обеспечении заданных режимов работы, которые
определяются давлением пара, температурой перегретого пара и питательной воды,
паропроизводительностью, давлением, температурой воздуха и топлива, расходом топлива,
разрежением или давлением в топке и за котлом.
Давление пара изменяют, регулируя интенсивность горения топлива. Температура
перегретого пара должна поддерживаться постоянной. Её снижение может быть следствием
высокой влажности пара, чрезмерного солесодержания воды, загрязнения поверхности
нагрева пароперегревателя. Повышение температуры возможно при увеличении
коэффициента избытка воздуха, плохом качестве распыливания топлива или загрязнении
поверхностей нагрева котла и экономайзера. Причиной изменения температуры пара может
быть нарушение нормальной работы регулятора температуры перегретого пара.
Температура уходящих газов повышается с увеличением нагрузки и по мере
загрязнения поверхностей нагрева котла.
Обслуживание утилизационной котельной установки:
Обслуживающий персонал обязан: контролировать давление пара и уровень воды;
обеспечивать необходимую паропроизводительность; контролировать работу систем
автоматики; не реже одного раза за вахту продувать водоуказательные приборы; не реже
одного раза в сутки продувать котёл; очищать поверхности нагрева от сажи и накипи;
проверять действие предохранительных клапанов; соблюдать водный режим.
При работающих двигателях и отсутствии потребности в паре утилизационные котлы
должны содержаться без воды, а сепаратор – полностью заполненным водой.
90
Вывод из действия и хранение котла
При выводе из действия котёл отключают от паровой магистрали. Постепенно
прекращают горение, уменьшая подачу топлива и воздуха, а также пара к
топливоподогревателям. После выключения форсунок останавливают топливный насос и
вентилятор, прекращают подогрев топлива. Производят верхнюю продувку с последующим
подпитыванием котла водой. Подпитывают котёл водой до остывания кладки, после чего
осуществляют нижнюю продувку и вновь подпитывают котёл.
Пар выпускают не ранее, чем через 2 ч. после прекращения горения. Перед
вскрытием воду из котла выпускают только после снижения её температуры до 50°С. После
остывания котёл осматривают и устраняют обнаруженные неисправности. При выводе котла
из действия на длительное время его тщательно очищают со стороны огневого и водяного
пространства от загрязнений.
Методы хранения котла:
— мокрый (при выводе котла из действия на срок до 30 сут.)
котёл (экономайзер) и пароперегреватель полностью заполнены водой;
— сухой
котёл осушают и герметизируют, а в коллекторах устанавливают влагопоглотитель.
Вывод из действия УКУ:
Перейти на ручное управление и остановить циркуляционный насос; дождаться
снижения давления пара до нуля и закрыть клапан на трубопроводе отвода пара от котла;
установить газоперепускную заслонку в положение, обеспечивающее прохождение газов
мимо поверхностей нагрева котла; закрыть стопорный клапан на котле (сепараторе);
произвести осмотр утилизационной установки и устранить неисправности.
Неисправности и безопасность обслуживания котла
Характерные неисправности при эксплуатации паровых котлов:
повреждение и загрязнение поверхностей нагрева и кирпичной кладки; нарушения в работе
средств автоматики; выход из строя водоуказательных приборов, питательного и топливного
насосов, котельных вентиляторов; неплотности арматуры, фланцевых соединений и
сальников; засорение и износ форсунок, фильтров и т.д.
Указанные неисправности наносят значительные убытки, особенно когда они
приводят к авариям с тяжёлыми последствиями. Часто аварии происходят при упуске воды
из котла, взрывах газов в топке, перегреве поверхностей нагрева, пожарах в газоходах.
Основной причиной аварий является несоблюдение Правил технической эксплуатации.
Соблюдение мер безопасности и выполнение противопожарных мероприятий
обязательны для каждого члена экипажа.
Обслуживающий персонал обязан:
следить за состоянием изоляции котлов, дымоходов, трубопроводов и механизмов; не
допускать скопления топлива в топках, поддонах, под плитами и неплотностей в системе
топливопровода; перед зажиганием форсунок удалять из топки скопившееся топливо и
хорошо вентилировать топку; при наблюдении за процессом горения пользоваться
смотровыми отверстиями только с исправными стёклами; при включении котла в работу на
потребители открывать разобщительный клапан очень медленно, прогревая паропровод при
открытых клапанах продувки во избежание разрыва паропровода или прокладок в его
соединениях из-за гидравлических ударов; при разборке топливного насоса, фильтра,
топливопроводов пользоваться поддонами; не допускать открытого огня в местах, где могут
находиться топливо или его пары; проверять исправность и готовность к действию средств
пожаротушения; при ремонтных работах внутри котла пользоваться электрическим
освещением напряжением не более 12 В.
91
Работа котла запрещается:
в случае хотя бы одного неисправного предохранительного клапана, водоуказательного
прибора или автономного питательного средства; при неисправных манометрах и клапане
нижней продувки котла или его кингстона, фильтрах питательной воды и маслоотделителей,
регуляторах питания водотрубного котла; с местными коррозионными дефектами листов,
размеры которых превышают допустимые Правилами Регистра, а также с незаделанными
трещинами в корпусе котла, жаровых трубах, трубных досках, коллекторах и т.д.
Осмотры и испытания котлов
Промежуточные осмотры проводят при выводе котла из действия, но не реже
одного раза в 3 месяца. При осмотрах проверяют: состояние кирпичной кладки,
поверхностей нагрева, изоляции, обшивки и металла коллекторов; герметичность крышек
горловин; действие предохранительных клапанов и топочных устройств; разбирают и
очищают форсунки.
При ежегодных осмотрах котла необходимо: удалить из него воду и открыть все лазы
и горловины; очистить котёл от отложений со стороны огневого, газового и пароводяного
пространств и тщательно осмотреть все элементы; проверить крепление и коррозионное
состояние питательных труб, пароохладителей, труб и воронок продувки, других элементов
пароводяного пространства; проверить состояние кирпичной кладки, обшивки котла,
газоходов, креплений, арматуры котла и её приводов.
При ежегодном наружном осмотре котла под паром при рабочем давлении необходимо:
- установить контрольный манометр и сверить с ним показания штатных котельных
манометров, проверить состояние водоуказательных приборов и действие верхней и
нижней продувок котла;
- отрегулировать и проверить действие предохранительных клапанов (максимально
допустимое давление при действии предохранительного клапана Рmax 1,1 Рраб);
- проверить действие систем автоматического управления, сигнализации, блокировки и
защиты и работу котла при переводе с автоматического управления на ручное и наоборот;
- убедиться в отсутствии протечек воды и пара, в исправности клапанов;
- проверить состояние изоляции, крепление паропровода, чистоту и освещённость
котельного отделения.
Гидравлические испытания котла проводят после его внутреннего осмотра в
соответствии со сроками, установленными Регистром и в присутствии его представителя.
Эти испытания проводят для выявления труднообнаруживаемых дефектов, таких как
неплотности швов и развальцовки труб. Перед испытанием котёл полностью заполняют
водой, заклинивают предохранительные клапаны, разобщают водоуказательные приборы,
удаляют обшивку в районе швов. Давление медленно поднимают посредством ручного
пресса или пресса с приводом через аккумулятор давления (при обязательном наличии
проверенных манометров на котле и на прессе).
Порядок действий при гидравлическом испытании котла:
- подъём давления воды до рабочего;
- осмотр при рабочем давлении;
- подъём давления до пробного и выдержка под пробным давлением с отключением
насосов в течение 10 мин. (пробное давление принимается равным 1,25 Рраб, но не менее
Рраб + 0,1 МПа; для котлов, недоступных для полного внутреннего освидетельствования,
а также прошедших существенный ремонт, пробное давление принимается 1,5 Рраб, но не
менее Рраб + 0,1 МПа);
- понижение давления до рабочего значения и осмотр котла.
Если при этом не будет обнаружено признаков разрыва швов, видимых изменений
формы, деформаций и пропусков воды, котёл признаётся выдержавшим испытание.
92
Очистка котлов
Степень загрязнения сажей и золой поверхностей нагрева определяется при осмотрах
после вывода котлов из действия и по показаниям КИП работающих котлов. При
визуальном контроле техническое состояние котла признаётся хорошим, если толщина слоя
отложений на поверхности нагрева не превышает 0,5 – 1 мм, удовлетворительным – при
толщине отложений 1,5 – 2 мм, неудовлетворительным – при слое более 2 мм.
Уровень загрязнения можно определить по изменению температуры уходящих газов.
Температуру уходящих газов сравнивают с температурой газов котла с чистой поверхностью
нагрева (при одинаковой нагрузке котла). При разности температур до 10°С техническое
состояние считается хорошим, при разности 10 – 40°С – удовлетворительным, 40 – 60°С –
неудовлетворительным.
Техническое состояние поверхностей нагрева с водяной стороны определяют
визуальным осмотром и оптическим контролем с использованием эндоскопов. Состояние
поверхности нагрева считается хорошим при наличии легко удаляемой накипи толщиной
0,1 – 0,15 мм, удовлетворительным – при толщине накипи 0,15 – 0,3 мм,
неудовлетворительным – при толщине более 0,3 мм.
Широко применяется очистка поверхностей нагрева со стороны газов с помощью
сажеобдувочных устройств, использующих перегретый пар. Очистку выполняют,
непрерывно изменяя направление струй пара и по возможности быстро.
Методы очистки поверхностей нагрева с газовой стороны при выводе котла из действия:
механический; паровой; с применением щелочных присадок; обмывка горячей водой с
присадками; паромеханический; парогазовый (очистка углекислым аммонием).
Для обмывки применяют подогретую до 50 – 90°С воду под давлением 0,5 – 0,7 МПа.
Обмывку ведут непрерывно сверху вниз, а затем со стороны топки. Перед обмывкой
необходимо обеспечить сток или откачивание грязной воды. С поверхностей нагрева
удаляют все отложения и очищают расширительные швы футеровки топки. После окончания
обмывки котёл просушивают в течение 3 – 4 ч.
При правильной организации водного режима очистка поверхностей нагрева сводится
к удалению шлама путём промывки горячей водой под давлением. Промывку начинают
сразу после остывания котла и спуска из него воды, пока отложения шлама находятся в
рыхлом состоянии.
Для механической очистки труб водотрубного котла применяют проволочные ерши и
шарошки с различными приводами, а для труб огнетрубного котла – стальные щётки и
скребки. Механическая очистка наиболее трудоёмка и качество очистки труб обычно
невысоко.
При длительном нарушении водного режима котла, в результате чего на поверхностях
нагрева образуется твёрдая накипь и отложения нефтепродуктов, применяют химическую
очистку. Предварительно отбирают пробы накипи для химического анализа, по результатам
которого уточняют технологию очистки котла. Если в накипи обнаружены нефтепродукты,
проводится предварительное щелочение котла 0,5 – 1,0%-ным раствором соды или
тринатрийфосфата в течение 3 – 4 ч. при температуре 60 – 90°С.
Для удаления карбонатной или смешанной накипи используют сульфаниловую или
ингибированную соляную кислоту, а для удаления железомедных отложений – комплексоны
(трилон Б и др.), образующие комплексные соединения с окислами металлов.
При химической очистке подогретый раствор кислоты в течение 8 – 10 ч. циркулирует
по замкнутому контуру: котёл – бак с раствором – насос – котёл. После очистки удаляют
остатки разрушенной накипи, котёл промывают пресной водой, затем щелочным раствором
для полной нейтрализации кислоты и, наконец, горячим конденсатом или дистиллятом.
93
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:
1. Правила технической эксплуатации судовых технических средств и
конструкций. РД 31.21.30 – 97. СПб, 1997.
2. Беляев И.Г. Судовые вспомогательные пароэнергетические установки и их
эксплуатация / И.Г. Беляев, В.А. Семченко. – М.: Транспорт, 1995.
3. Верете А.Г. Судовые паровые и газовые энергетические установки / А.Г.
Верете., А.К. Дельвинг. – М.: Транспорт, 1990.
4. Денисенко Н.И. Судовые котельные установки / Н.И. Денисенко, И.И.
Костылев. – СПб.: Элмор, 2005.
5. Хряпченков А.С. Судовые вспомогательные и утилизационные котлы. – Л.:
Судостроение, 1988.
94
ОГЛАВЛЕНИЕ:
Предисловие ......................................................................................................................3
Глава 1. Тепловая схема пароэнергетической установки...........................................4
Глава 2. Назначение, состав и принцип действия котельной установки ..................6
Глава 3. Классификация, характеристики и основные типы судовых котлов .........8
Глава 4. Топливо для судовых котлов ........................................................................12
Глава 5. Процесс горения и устройства для сжигания топлива...............................17
Глава 6. Процессы теплообмена, циркуляции и тяги в котле ..................................30
Глава 7. Водные режимы котлов.................................................................................34
Глава 8. Эффективность использования подведённой к котлу теплоты.................40
Глава 9. Конструкции судовых котлов и их элементов ............................................45
Глава 10. Арматура и системы котельных установок.................................................70
Глава 11. Утилизационные котельные установки .......................................................77
Глава 12. Принципы управления работой котельных установок ..............................84
Глава 13. Техническое использование котельных установок ....................................89
Библиографический список ...........................................................................................94
95
Артур Маратович Султанов
СУДОВЫЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ И УТИЛИЗАЦИОННЫЕ
КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
Учебное пособие
Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс».
Формат 60х84/16. Объем 4.0 уч.-изд.-л.
Заказ № 3870. Тираж 100 экз.
Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР»
344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88
96