Принцип работы парового котла: как работает парогенератор?

Принцип работы парового котла

 

Под паровым котлом следует понимать специальное устройство, имеющее топку, в которой осуществляется сгорание топлива. Результатом данного процесса является выделяемое тепло, предназначенное для получения пара высокого давления. Пар этот может быть использован для самых различных целей.

Схема устройства парогенератора.

Сердцем данного устройства следует считать теплообменник. Именно здесь газами и подогревается вода, прежде чем попадет в котельную установку.

Что представляет собой парогенератор? Для каких целей он необходим? И каков принцип работы парового котла?

Конструктивные элементы парового котла и обеспечение безопасности работы с паровым котлом

К конструктивным элементам парового котла относятся цилиндры и сосуды различных размеров и диаметра, трубы, соединенные между собой в целостную систему посредством вальцовки и сварочных соединений. Абсолютно любой паровой котел имеет трубопроводы, барабан и коллекторы. Ремонт парового котла, его осмотр и чистка осуществляются через лазы – специальные технологические отверстия.

Емкость парового котла, которая заполняется водой и находится внутри, носит название водного пространства. Под паровым пространством следует понимать пространство, которое заполняется образующимся в результате паром. Между собой паровое и водное пространства разделены поверхностью, которую называют зеркалом испарения. В паровом пространстве имеется оборудование, предназначенное для сепарации пара и влаги.

Схема перевода парового котла в водонагревный режим.

Работа парового котла сопровождается постоянным и интенсивным охлаждением металлических элементов всей конструкции, которые в процессе работы подвергаются воздействию высокой температуры. Это позволяет проводить безопасную эксплуатацию парового котла. Охлаждение происходит в результате регулярной циркуляции теплоносителя по трубам обогревания. Тепло от газов, которые образуются в результате сгорания топлива, поступает к трубопроводу. Тем временем теплоноситель, не останавливаясь, отводит тепло от трубопроводных стенок, тем самым препятствуя перегреву трубопровода. Если же весь этот процесс недостаточно интенсивен, трубопровод может сильно перегреться, в результате потеряв свои прочностные характеристики. Перегрев трубопровода может привести к оплавлению труб или даже их разрыву. Такие явления могут стать поводом для аварийной остановки парового котла.

Как работает паровой котел

Принцип работы парогенератора достаточно прост. В основе работы лежит теплообмен пара, воды и дымовых газов. Существует классификация тепловых котлов по способу передвижения сред теплообмена. Здесь выделяют два вида котлов: водотрубные и жаротрубные агрегаты. Принцип работы жаротрубного котла заключается в следующем: нагретый газ движется внутри труб, а вода, которая будет нагреваться, находится за пределами труб. Принцип работы водотрубных паровых котлов подразумевает передвижение воды по трубам. Нагревается вода в результате воздействия на трубы внешних дымовых газов. За счет такого воздействия вода и доходит до состояния кипения.

Котельное паровое оборудование классифицируют в зависимости от движения в них воды и пара. Так, существуют котлы с естественной и принудительной циркуляцией. Принудительная циркуляция подразумевает движение теплоносителей под воздействием специально предназначенных для этого насосов. Паровые котлы с естественной циркуляцией работают в результате перепада плотностей пара и воды.

Схема работы парового котла.

В целом работа парового котла всегда примерно одинакова. Заключается она в следующем: вода подготавливается в деаэраторе, после чего при помощи насоса подается в систему экономайзера воды, где и происходит нагрев воды в результате уходящих газов. Далее вода движется в верхний барабан и смешивается с водой котла. Часть нагретой воды котла поступает в нижний барабан по кипятильному трубопроводу. Здесь образуется так называемая пароводяная смесь. В результате эта смесь по подъемному трубопроводу поднимается в верхний барабан.

Оставшаяся в верхнем барабане вода спускается по опускным трубопроводам, которые находятся за пределами топки, к коллекторной системе экранных труб. При этом паровая смесь снова оказывается в верхнем барабане котла. Систему трубопроводов, осуществляющую движение теплоносителя, следует называть циркуляционным контуром.

Пар, который образуется в испарителях, далее проходит через так называемые паросепараторы, которые являются обязательной составляющей жаротрубных паровых котлов. Здесь из пара и выделяются капельки влаги. После того как пар становится сухим, он поступает к перегревателю по паропроводу. Здесь пар и нагревается до необходимых температур.

Контроль за работой котла

Компании, выпускающие паровые котлы, обязательно оснащают оборудование специальными контрольно-измерительными устройствами и приборами, которые позволяют контролировать работу парового котла.

Уровень воды в системе возможно регулировать при помощи водомерного стекла. Водомерное стекло является важным элементом контрольной системы. Расположено оно на передней панели кожуха топки. Оснащено это стекло специальными кранами: нижним и верхним. Нижний располагается на верхнем уровне огневого короба, а верхний кран устанавливается внутри парового пространства котла. Между собой краны связаны специальной стеклянной трубкой и плоским стеклом. Это стекло при помощи нижнего крана заполняется водой и всегда находится под паровым давлением, поступающим через верхний кран. Действует данный прибор по принципу закона сообщающихся сосудов. Это означает, что уровень воды в котле всегда будет равен уровню воды в стеклянном сосуде.

Схема естественной циркуляции воды: H – высота котла.

Уровень воды во время работы котла всегда должен быть между самым минимальным и максимальным уровнями. Устанавливается минимальный уровень для того, чтобы исключить перегрев металлических элементов. Многие модели подразумевают нижний уровень воды не ниже 100 мм над зоной огня. Чтобы вода не попала в систему паропровода, устанавливают максимальный уровень. Если вода все же попадет в паропровод, в нем может произойти гидравлический удар, что приведет к серьезной аварии.

Принцип работы промышленных и бытовых котлов примерно одинаковый, да и конструкция у них очень похожа. Немного отличаются так называемые котлы-утилизаторы. Такие котлы подогревают воду тепловой энергией газов, которые выделяются газотурбинными установками, дизель-генераторами и другим оборудованием. Конструкция такого котла заметно отличается от обычного парового. Вторичные газы в котле-утилизаторе сразу же поступают на нагревающую поверхность. В таком котле отсутствует воздухоподогреватель и топка. В котел поступают газы с температурой от 350 до 700 градусов Цельсия. Как правило, такое оборудование предназначено для промышленных целей и устанавливается на больших энергоемких производствах.

Прямоточные котлы

Помимо котлов с естественной и принудительной циркуляцией существуют и так называемые прямоточные котлы. В конструкции таких котлов отсутствует барабан. Вода однократно проходит через испарительный трубопровод, постепенно превращаясь в пар. В переходной зоне завершается процесс преобразования воды в пар. Пароводяная смесь из испарительного трубопровода поступает в пароперегреватель, где пар и нагревается до необходимой температуры. Некоторые прямоточные котлы имеют промежуточный подогреватель пара. Он предназначен для повторного прогревания пара, который поступил из турбинной установки. Снова прогревшись, пар возвращается в турбину. Прямоточный котел представляет так называемую разомкнутую гидросистему. Такая котельная установка может работать как на докритических давлениях, так и на сверхкритических.

Прямоточные паровые котлы не требуют специально оборудованных помещений. Они не требуют регулярный контроль по эксплуатации и технадзору.

Схема прямоточного котла.

Самым главными и неоспоримым преимуществом прямоточного парового котла следует считать минимальное время, требуемое для нагрева воды, и маленький срок, требуемый для приведения котла в рабочее состояние. За счет всех этих плюсов прямоточные котлы служат как бы резервными установками, применение которых необходимо при сбоях и во время нагрузок основного котельного оборудования.

Помимо этого прямоточные котлы имеют и другие плюсы. Во-первых, они допускают более высокую тепловую нагрузку. Во-вторых, отсутствуют тяжелые и громоздкие коллекторные установки, имеется возможность свободной компоновки нагревательных поверхностей. Наиболее эффективно используется нагревательная поверхность. Прямоточные котлы обладают высоким КПД и достаточно компактны, имеют высокую маневренность.

Минусы прямоточных котлов

К недостаткам прямоточного парового котла следует отнести слишком частое включение горелок по сравнению с жаротрубным котлом. Здесь также отсутствуют аккумулирующие паровые и водяные емкости. Несмотря на то, что данная проблема решаема при помощи регулируемой подачи топлива, это может привести к тому, что горелки будут еще чаще включаться, а режим нагрузки будет колебаться, что повлечет преждевременный износ оборудования.

Кроме того, в результате постоянного выключения и включения горелок выделяется сажа, которая откладывается на нагревательной поверхности и требует удаления. Топливо при этом расходуется в гораздо большем количестве.

Выбор прямоточных котлов сейчас достаточно велик. Отличаются они по своей мощности и моделям. Выбор парового котла должен осуществляться исходя из целей и задач оборудования.