Паровым котлом (парогенератором, котлоагрегатом) называется агрегат, в котором за счет тепловой энергии, образующейся при сгорании топлива, происходит превращение питательной воды в пар с давлением выше атмосферного. По принципу действия котел является сложным теплообменным аппаратом, в котором происходят физические явления, связанные с процессами теплообмена и циркуляции воды, пара и пароводяной смеси.
Сущность процесса теплообмена заключается в том, что тепло от среды, имеющей высокую температуру (горячие газы), передается среде с низкой температурой (котельная вода, пар и воздух). Теплообмен в котлах происходит через стенки труб и камер, являющихся поверхностями нагрева, и осуществляется тремя способами: тепловым излучением, конвекцией и теплопроводностью. Совместное действие этих трех способов передачи тепла называется теплопередачей. Распространение тепла в воде и паре происходит главным образом конвекцией.
Сначала вода подогревается в экономайзере, в экономайзере кипящего типа частично испаряется. Затем в топочной камере происходит интенсивное парообразование, за счет разницы плотностей пароводяная смесь поднимается в барабан, где сепарируется на пар и воду. Пар идет на перегрев, а вода по опускным трубам возвращается в топочное пространство, где опять образуется пароводяная смесь.
Частицы жидкости (пара), находящиеся в непосредственном соприкосновении с поверхностями нагрева, получают от них тепло, нагреваются, становятся более легкими и поднимаются вверх, отдавая часть своего тепла и уступая место соседним, более холодным, а значит и более тяжелым частицам. Вследствие этого происходит движение частиц жидкости в виде восходящих и нисходящих потоков и осуществляется теплообмен внутри массы жидкости (воды и пара). Такое явление непрерывного перемещения частиц воды и пара носит название естественной циркуляции.
Тепло, образующееся топке парового котла при сжигании топлива, передается воде и водяному пару в поверхностях нагрева. Таким образом, в процессе теплообмена участвуют две среды: теплопередающая (нагревающая) и тепловоспринимающая (нагреваемая).
Основной теплопередающей средой (или теплоносителем) в паровых котлах являются продукты сгорания (дымовые газы), образующиеся в топке. В утилизационных котлах теплоносителем являются горячие газы, образовавшиеся в рабочем процессе дизельных или газотурбинных двигателей.
Тепловоспринимающей средой в паровых котлах может быть: вода и пароводяная смесь — в испарительных поверхностях нагрева; — водяной пар — в пароперегревателях; — вода — в экономайзере; — воздух — в воздухоподогревателе.
В ходе рабочего процесса, происходящего в паровых котлах, имеют место все три вида теплообмена:
− лучистый (радиационный) теплообмен — происходит в основном в топках паровых котлов и частично в других поверхностях нагрева;
− конвективный теплообмен — происходит при омывании горячими газами конвективных поверхностей нагрева;
− теплопроводность — с помощью этого вида теплообмена тепло от теплоносителя передается через стенки труб нагреваемой среде.
В котлах различают три типа поверхностей нагрева:
− испарительные;
− пароперегревательные;
− экономайзерные.
В них происходит теплообмен разными путями: в испарительных поверхностях нагрева за счет излучения (радиации), в пароперегревательных — излучением и конвекцией, в экономайзерных — конвекцией.
Парообразующие поверхности котлов располагаются в основном в топочной камере. В барабанных котлах среднего давления экономайзеры кипящего типа, так как питательная вода подогревается не только до температуры насыщения, но и частично превращается в пар. В барабанных котлах высокого давления доля теплоты, используемой на парообразование ниже, чем в средних, поэтому достаточно теплоты, подводимой к экранным трубам, где получается требуемое количество пара, потому экономайзеры выполняются некипящими.
При высоком и сверхкритическом давлениях пароперегревательные поверхности потребляют значительную долю тепловосприятия и не могут размещаться только в горизонтальном газоходе, потому часть поверхности пароперегревателя занимает верх топки (потолок, настенные панели), и выходной конвективный пакет часто находится в верхней части конвективной шахты.
Тепловосприятие экономайзера и воздухоподогревателя составляет 30–35 % общего тепловосприятия поверхностей нагрева, пароперегревательных поверхностей — 20–22 %, топочных экранов (испарительных поверхностей) — 35–50 %.
Топочные экраны находятся в зоне наиболее высоких температур газов, выполняют в виде вертикальных панелей, полностью закрывающих все стены топки и имеющих только подъемное движение рабочей среды. Конструкция экранов должна обеспечивать непрерывный отвод теплоты для исключения перегорания трубок, нарушения гидравлических режимов и недопущения аварийных ситуаций.
Передача теплоты экранам топочной камеры определяется в основном лучистым теплообменом между высокотемпературными газами, заполняющими топочный объем, и наружной поверхностью труб, покрытых слоем загрязнений. В открытых топочных камерах с подъемным движением факела за счет конвекции можно пренебречь тепловосприятием топочных экранов, так как скорости газов около стен топки малы, а наружные загрязнения создают большое термическое сопротивление. В топках с вихревым движением факела (циклонные предтопки, топки с пересекающимися струями) конвективная составляющая теплообмена становится заметной и ее надо учитывать.
Одна из важных особенностей процесса теплообмена в топке состоит в том, что он протекает одновременно со сгоранием топлива.
В пароперегревателе перегревается насыщенный пар до заданной температуры. Он является одним из наиболее ответственных элементов котла, так как температура пара здесь достигает наибольших значений и металл работает в условиях, близких к предельно допустимым. Обычно для пароперегревателей применяют гладкие трубы, но у них ограничено удельное тепловосприятие. Для интенсификации теплообмена в пароперегревателях применяют плавниковые трубы и поперечное и внутреннее продольное оребрение.
В зависимости от места расположения пароперегревателя в котле и, следовательно, от вида теплообмена, осуществляющегося в нём, различают радиационные, ширмовые (полурадиационные) и конвективные пароперегреватели.
Радиационные пароперегреватели размещают на потолке топочной камеры или же на стенках её, часто между трубами экранов. Эти пароперегреватели, как и испарительные экраны, воспринимают тепло, излучаемое факелом сжигаемого топлива. Ширмовые пароперегреватели, выполненные в виде отдельных плоских ширм из параллельно включенных труб, укрепляются на выходе из топки перед конвективной частью котла. Теплообмен в ширмовых пароперегревателях осуществляется как излучением, так и конвекцией. Конвективные пароперегреватели располагают в газоходе котлоагрегата обычно за ширмами или за топкой; они представляют собой многорядные пакеты из змеевиков. Пароперегреватели, состоящие только из конвективных ступеней, обычно устанавливают в котлоагрегатах среднего и низкого давления при температуре перегретого пара не выше 440–510 °С. В котлах высокого давления со значительным перегревом пара применяют комбинированные пароперегреватели, включающие конвективную, ширмовую, а иногда и радиационную части. Котлы тепловых электростанций обязательно снабжают пароперегревателем, так как повышение температуры пара повышает термический к. п.д. паросиловой установки. При давлении пара в 14 Мн\м2 (140 кгс/см2) и выше обычно, кроме основных (первичных) пароперегревателей, устанавливают вторичные (промежуточные), в которых перегревается пар, частично отработавший в турбине.
Экономайзер и воздухоподогреватель используют температуру низкотемпературных продуктов сгорания (400–1200С), размещаются в конвективной шахте. При конструировании этих поверхностей нагрева главной задачей является интенсификация теплообмена и создание элементов с меньшей затратой металла, которые не подвергались бы сильному золовому износу и коррозийным повреждениям. Воздухоподогреватель имеет самый низкий коэффициент теплопередачи, потому его поверхность нагрева превышает суммарную поверхность нагрева всех элементов водопарового тракта и может достигать десятков и сотен тысяч квадратных метров. Воздух при одноступенчатой компоновке подогревателя подогревается до 250–3000С, при необходимости подогрева воздуха до более высокой температуры (350–4500С) воздухоподогреватель выполняют двухступенчатым, располагая часть экономайзера между двумя его ступенями (в рассечку).
Для интенсификации теплообмена в экономайзере змеевики экономайзера выполняют из труб малого диаметра (28–32 мм при толщине стенки 2,5–3,5 мм) и оснащают плавниками. Плавниковая труба имеет большую удельную поверхность нагрева и повышенное тепловосприятие. Движение воды в экономайзере выполняют восходящим, что обеспечивает свободный выход с водой выделяющихся при нагреве газов и в кипящих экономайзерах пара.
Литература:
- Резников М. И., Липов Ю. М. Котельные установки электростанций, 3-е изд., Москва: Энергоатомиздат, 1987–288 с.
