Паровой котел

Несмотря на столь почтенный возраст изобретения, паровые установки до сих пор является одним из самых востребованных в промышленности. И хотя сегодня паровое отопление в жилых домах встречается крайне редко, паровой котел часто используется в качестве основного генерирующего устройства в теплоэлектроцентралях, заводах и фабриках. Даже самые мощные энергетические установки атомных электростанций не могут обойтись без парового котла – основно элемента в рабочем цикле производства электроэнергии. Так что, включая телевизор или лампочку в комнате с большой долей вероятности можно утверждать, что это результат работы парового котла.

Классификация паровых установок

Для классификации паровых установок применяется несколько вариантов шкал и классификаций. Самые распространенные различают агрегаты по назначению, виду используемого теплоносителя и конструкции. Более детальная классификация использует технические особенности конструкции котлов и их назначение в технологическом цикле.

По области применения чаще всего оборудование классифицируется по следующим признакам:

• Бытовые парогенерирующие установки – применяются для отопления домов, сегодня такие котлы большая редкость. На смену бытовым котлам отопления сегодня приходят водогрейные котлы отопления, они более экономичны и безопасны.
• Промышленные агрегаты – используются в технологическом цикле производства продукции. Установки этого типа в большинстве своем производят сухой перегретый, применяемый для сушки, дезинфекции, обработки сырья.
• Паровые энергоустановки – вырабатывают пар, который является основным продуктом для генерации электричества и тепловой энергии;
• Котлы для утилизации отходов производства – используются в качестве охладителей высокотемпературных отходов металлургического и химического производства.

По потребляемым энергоносителям паровые котлы могут подразделяться на использующие:

• Газ;
• Каменный уголь;
• Электроэнергию;
• Жидкие углеводороды;
• Горючее растительного происхождения.

В промышленных установках используется два основных вида конструкций установок:

• Водотрубные паровые установки;
• Газотурбинные котлы.

Водотрубные котлы имеют преимущество перед газотурбинным, у них выше КПД. У этого типа паровых котлов выше производительность, они вырабатывают больше пара, и они обладают высокой скоростью нагрева воды. Принцип работы парового котла этого типа заключается в нагреве воды в трубах небольшого диаметра, они заполняются водой, а в пространстве между ними горит топливо. Таким образом, получается, что суммарная наружная поверхность обеспечивает большую площадь нагрева небольшого количества находящейся в ней. Большая поверхность нагрева дает возможность увеличить скорость образования пара, что делает этот вид паровых агрегатов максимально эффективными.

Водотрубные котлы бывают:

• Прямоточными;
• Барабанными.

Первые, обеспечивают высокую скорость парообразования. Вода, проходя по трубам, нагревается, преобразуется в пар и покидает контур котла.

Барабанные агрегаты делятся на паровые котлы горизонтального и вертикального расположения. Эти устройства более рационально распределяют процесс подготовки пара – барабан, применяемый в конструкции, позволяет собирать пар, отделять конденсат и вновь отправлять его в зону нагрева. Барабанные паровые котлы, имеющие несколько барабанов, производят высокотемпературный, сухой пар высокого давления.

Принцип работы газотурбинной паровой установки заключается в нагреве воды в контуре вокруг топки. По своей конструкции, газотрубный агрегат представляет собой объемный сосуд, через который проходят трубы большого диаметра. При сжигании топлива в полостях этих труб происходит нагрев воды и образование пара. На такой схеме построена и установка утилизации промышленных газов. Высокотемпературные газы пропускаются через трубы и отдают тепло нагревающейся воде. Эти агрегаты, по сути, являются котлами-утилизаторами, что устанавливаются на промышленных предприятиях.

Этот вид оборудования, к сожалению, имеет и существенный недостаток – они содержат большой объем пара под высоким давлением. Поэтому для контроля работы этого вида оборудования применяется высокоточные системы безопасности, а толщина стенок труб подбирается так, чтобы выдерживать давление в 10 кгс/см2.

Если брать производительность установок, то они разделяются на агрегаты малой, средней, большой мощности.

В зависимости от конструкции эти агрегаты делятся на:

• Установки производящие насыщенный пар;
• Агрегаты производящие перегретый водяной пар.

Насыщенный пар подается в систему при температуре 100 градусов Цельсия. Он быстро охлаждается и переходит в жидкое состояние, поэтому его применение ограничено в основном бытовыми установками и технологическими циклами, где требуется именно такой густой водяной пар. Давление в таких системах редко доходит до 100 Кпа.

Для отопления, генерации электричества и использования в качестве средства дезинфекции и в силовых установках используется перегретый водяной пар. Он практически не содержит крупных водяных капель, они отсеиваются в сепараторе, да и температура нагрева составляет 500 градусов.

Технологическое применение котловых паровых установок

Паровые котлы, применяющиеся сегодня намного совершеннее тех что были в работе 100-120 лет назад в самый рассвет паровых машин. Но век таких агрегатов уже минул и сегодня эти агрегаты в основном применяются в четырех отраслях экономики:

• Теплоэнергетике;
• Энергетике;
• В промышленном производстве, где необходимо применение высокотемпературного пара;
• При утилизации отходов производства.

Паровые котлы в теплоэнергетическом комплексе используются как установка для отопления больших промышленных объектов. Для того чтобы в промышленном цеху или на конвейерной линии по сборке автомобилей было тепло используется паровая система отопления. Она более эффективна по сравнению с обычной котельной, где в качестве теплоносителя используется вода. Для таких масштабов, как локомотивное депо или средняя швейная фабрика одного парового котла вполне достаточно чтобы в помещениях была температура на уровне +16-18 градусов Цельсия. В теплоэлектроцентралях городов паровые котлы греют пар для пунктов теплоснабжения, где и происходит нагрев воды систем отопления жилых домов. Кроме того, он используется как энергоустановка во время пиковых нагрузок, чтобы снизить нагрузку на магистральные линии, и взять обслуживание части потребителей на себя. В электроэнергетике паровой котел является основным агрегатом, который вырабатывает пар для турбин генераторов. В паровой установке вырабатывается пар, он под давлением выпускается из котла и, попадая на лопасти турбины, обеспечивает ее вращение. Это самый простой и одновременно безопасный способ получить высокие обороты турбины. При этом паровой котел используется в технологическом цикле, что на обычной тепловой электростанции, что на атомной.

В промышленности, где применяется пар для приготовления перегретого высокотемпературного пара. Без паровой обработки не обходится дезинфекция цистерн и емкостей для пищевых продуктов, например, цистерна молоковоза обязательно обрабатывается паром, перед каждым рейсом и сразу после того, как молоко будет слито с нее. В кожевенном производстве обработка кожи проводится в несколько этапов, одним из которых выступает обработка паром.  В пищевой промышленности, при изготовлении продуктов из растительных жиров, продуктов животноводства и переработке продукции растениеводства пар используется не только как способ дезинфекции, но и как один из способов кулинарной обработки. Так, производство консервированных продуктов, соков, полуфабрикатов невозможно без обработки паром под высоким давлением.  В строительной индустрии при помощи пара проводится сушка железобетонных конструкций в сушилках заводов по производству железобетонных изделий. Пар по своим свойствам имеет высокую теплоемкость, даже конденсат пара в замкнутом контуре нагрет выше температуры кипения воды.

Используется паровой котел и при утилизации газообразных отходов производства. Так, при утилизации доменных газов, продуктов горения плавильных печей, остатков производства химических волокон и стекла установка используется как охладитель. Паровой агрегат выступает идеальным устройством для отбора тепла у газов перед их очисткой.

Принципы работы и устройство паровых котлов

Работа паровой установки основана на принципе изменения физического состояния воды с жидкого до состояния пара при высокотемпературном нагреве и дальнейшее преобразование пара до состояния с необходимыми параметрами. Этот принцип на практике реализуется при помощи подачи в контур котла необходимого количества воды и обеспечении нужной поверхности испарения.

Чтобы контролировать работу устройства, паровой котел снабжается большим количеством датчиков контроля. Весь технологический цикл выработки пара постоянно находится под постоянным контролем. Технология приготовления пара в агрегате выглядит следующим образом: перед началом работы насос заполняет трубы подготовленной и очищенной водой до необходимого уровня. После этого подача воды прекращается. Дальше начинается процесс нагрева, в ходе которого происходит испарение воды. Полученный, таким образом, пар выходит из контура нагрева. Испаряясь, вода постепенно опускается до минимума, датчики фиксируют падение уровня воды и запускают насосное оборудование, которое нагнетает воду до рабочего уровня. После этого процесс нагрева повторяется снова. Таким образом, нетрудно представить, что паровой агрегат работает в циклическом режиме.

Кроме контроля рабочего уровня жидкости в резервуаре электроника контролирует еще и аварийные уровни – максимальный и минимальный. Когда жидкость достигает эти уровни, автоматика защиты проводит блокировку подачи топлива и делает аварийный сброс пара. Таким образом, автоматика отсекает паровой котел от магистрали, чем спасает оборудование, стоящее после котла, от сильнейших гидравлических ударов.

Учитывая то, что паровой котел является оборудованием повышенной опасности, он оснащается как электронной автоматикой защиты, так и механическими устройствами. К числу таких устройств относятся – аварийные клапаны, сбросные клапаны, отсечные механизмы. Задача этого оборудования безопасности при возникновении аварийной ситуации, если не сработает электронная защита, остановить и заглушить установку и избежать аварии.

Большим преимуществом паровой установки выступает то, что при использовании его в качестве прибора отопления не требуется дополнительно устанавливать циркуляционные насосы для нагнетания пара в магистральный трубопровод. Здесь пар под давлением сам постоянно проталкивает объем теплоносителя собственным давлением. А подпитка осуществляется при помощи забора насосом воды из конденсатосборника. В замкнутых системах, где теплоноситель циркулирует постоянно, при заборе конденсата не требуется дополнительной подготовки воды перед направлением ее в котел.

А в открытых системах, когда теплоноситель после прохождения по всему контуру отопления поступает в открытый охладитель, требуется постоянная подпитка воды из внешнего источника. В этом случае проводится ее предварительная обработка – умягчение, очистка от посторонних примесей, удаление из нее кислорода. В отдельных случаях, для предотвращения образования коррозии в воду вносятся специальные антикоррозионные добавки и нейтрализаторы, этого требуют технологические стандарты производства.

Составные части конструкции парового котла

Паровой котел это сложный агрегат, в его состав входит основное и вспомогательное оборудование. К числу основного оборудования относится:

• Топка;
• Корпус (обечайка) парового котла;
• Горелка для установок, работающих на газу (устройства нагрева для котлов с топкой – трубы или экраны, электрические тэны;
• Теплоизоляция;
• Обшивка;
• Блок системы управления;
• Блок системы безопасности;
• Механические устройства безопасности;
• Нагнетающие насосы.

Высокие требования безопасности и специфика самого агрегата требует применения в конструкции оборудование самого высокого качества. Так для труб и переходников применяются изделия из жаропрочных сортов стали, а соединение их выполняется специальными электродами, образующими высокопрочный шов.

Теплоизоляция котла состоит из нескольких слоев шамотного кирпича, базальтовой ваты, асбестового полотна. Для соединения частей теплоизоляции используются специальные высокотемпературные составы на основе шамотной глины и синтетических добавок.

Система безопасности парового котла обеспечивается приборами контроля. При проведении наладочных работ каждый датчик, манометр, уровнемерная трубка со стеклом многократно проверяются и калибруются, доводя до максимальной точности показатели приборов.

К числу вспомогательного оборудования парового котла относится:

• Установка умягчения воды и водоподготовки;
• Экономайзер;
• Нагреватель воздуха;
• Пароперегреватель;
• Сепаратор – проводит отделение тяжелых водяных капель от мелкодисперсного пара;
• Деаэратор;
• Дымосос удаляет продукты горения из корпуса топки.

Вспомогательное оборудование парового котла обеспечивает подготовку воды, очистку воздуха от примесей и пыли, удаление дыма и вредных газов, вторичный нагрев пара перед подачей его в магистраль. Эти устройства позволяют повысить эффективность оборудования и обеспечить максимальную производительность парового котла.