Глава 6 судовые паровые котлы и котельные установки

1. Схема котельной установки

Основу котельной установки составляет паровой котел.

Паровой котел - это теплообменный агрегат, предназначенный для производства водяного пара с заданными параметрами в результате превращения химической энергии топлива в тепловую энергию пара.

Котельная установка одна из составляющих СЭУ. На судах флота рыбной промышленности пар потребляется на технологические нужды - производство муки, консерв, - а также на подогрев топлива и масла, воды, для личных потребностей экипажа - стирка белья, другие санитарные нужды.

Современная котельная установка - это совокупность различных систем и устройств, предназначенных для обслуживания парового котла. На судах флота РП устанавливаются вспомогательные паровые котлы. Главные паровые котлы устанавливают на судах, где главная СЭУ - это паротурбинная установка, которая работает на движитель через ТЗА (турбозубчатый агрегат).

Принципиальная схема котельной установки изображена на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 - Схема котельной установки

Установка состоит из парового котла 7 и вспомогательных механизмов и агрегатов, которые подают в котел питательную воду, топливо и воздух. Питательная вода в водяное пространство котла нагнетается насосом 5 через подогреватель 6. Жидкое топливо (мазут) насосом 11 через подогреватель 16 и топливный фильтр 9 подается к форсунке 8. Воздух засасывается вентилятором 2 и через подогреватель 1, установленный в дымовой трубе, нагнетается в топку 12. В топке котла распыленный форсункой 8 мазут, смешиваясь с воздухом, сгорает и образующаяся при этом теплота вдет на нагрев воды, из которой получается пар. При открытом клапане 3 пар отводится к потребителям по трубопроводу 4. Топливо в расходной цистерне 13 подогревается змеевиком 15, в который поступает пар по трубопроводу 14.

Подогрев питательной воды и топлива в подогревателях 6 и 10, а также в расходной цистерне 13 теплотой отработавшего пара и подогрев воздуха в подогревателе 1 теплотой отводимых газов повышают экономичность котельной установки, т.к. на подогрев топлива и воздуха перед сгоранием в топке и на получение пара из предварительно подогретой питательной воды (до 40-60° С) расходуется меньше теплоты, а следовательно, и топлива.

6.2 Схема устройства и принцип действия парового котла

Водотрубный котел, одна из принципиальных схем которого показана на рисунке 6.2, состоит из цилиндрических барабанов - коллекторов, которые соединены трубками небольшого диаметра (29-57 мм), заполненными водой и обогреваемыми горячими газами.

Пространство в котле, заполненное водой - нижний водяной коллектор, водогрейные трубки и часть верхнего пароводяного коллектора - называется водяным пространством, а занимаемая паром — верхняя часть парового коллектора - паровым пространством. Поверхность воды, разделяющее паровое и водяное пространства, называется зеркалом испарения, а его проекция на вертикальную плоскость - уровнем воды в котле. Уровень воды в котле должен сохраняться постоянным посредством непрерывного возмещения питательными насосами испаряющейся жидкости. Поверхность, омываемая с одной стороны водой, паром или воздухом, а с другой газами, называется поверхностью нагрева. Поверхностью нагрева, служащая для испарения воды, называется испарительной поверхностью котла.

Рисунок 6.2 - Принципиальная схема водотрубного котла с естественной циркуляцией.

1 - топливо; 2 - перегретый пар; 3 - питательная вода; 4 - атмосферный воздух;

5 - воздухоподогреватель; 6 - экономайзер; 7 - насыщенный пар; 8 - второй конвективный пучок; 9 - первый конвективный пучок; 10 - пароперегреватель; 11 - лучевоспринимающая (радиационная) поверхность.

Из парового пространства большая часть насыщенного пара направляется в пароперегреватель, где повышается его температура. Испарительная и пароперегревательная поверхности являются основными поверхностями нагрева котла. Для снижения потери тепла с отходящими газами, а следовательно, повышения КПД за основными поверхностями нагрева в газоходе котла устанавливают поверхности, служащие либо для подогрева питательной воды (водяной экономайзер), либо для подогрева воздуха (воздухоподогреватель). Иногда устанавливают одновременно водяной экономайзер и воздухоподогреватель.

Горячие газы, образующиеся при сгорании мазута в топке 14, двигаются к газоходу 15 и пересекают конвективные пучки труб 9 и 8. Первые ряды трубок, расположенные ближе к топке, воспринимают больше теплоты, чем трубки последних рядов. Поэтому в первых рядах трубок за один и тот же промежуток времени образуется больше пара, чем в трубках, расположенных дальше от зоны горения.

Т.к. пар в несколько сотен раз легче воды, занимающей тот же самый объем, то плотность пароводяной смеси в первых рядах конвективного пучка 9 и 8 будет меньше чем в последних рядах. Следовательно, в течении всего времени работы котла в его трубках происходит непрерывное движение воды и пароводяной смеси, направленное вверх в трубках первых рядов. Это движение воды внутри котла, вызываемое неодинаковым нагревом трубок, называется естественной циркуляцией воды в котле.

Трубки, по которым вода и пароводяная смесь поднимается вверх, называются подъемными, а трубки, по которым вода опускается - опускными. Пар из подъемных трубок попадает в пароводяной коллектор, проходи толщу воды и собирается над поверхностью воды. Так образуется насыщенный пар.

Массовый расход среды в сложном контуре Дцк., равный расход воды через спускные трубы, значительно превышает количество образующегося в контуре пара Дпк. Отношение Дцк и Дпк называется кратностью циркуляции воды в этом контуре, т.е. Кк = Дц.к./Дц.к..

Применительно ко всему паровому котлу среднее значение кратности циркуляции получим по формуле К = Дц/Дп, где Дц - количество воды, поступающей в единицу времени во все опускные трубы ПК, кг/с; Дп - количество пара, образующегося за это же время в паровом котле, или просто паропроизводительность, кг/с.

Кратность циркуляции вспомогательных вертикальных водотрубных ПК находится в пределах 20-40 и более. Т.о. количество воды, циркулирующей по контуру, в десятки раз больше паропроизводительности контура. Скорость входа воды в подъемные трубы называется скоростью циркуляции, которая в экранных трубах и трубах первого ряда достигает 1,1-2,4 м/с и 0,3-0,9 м/с в трубах последующих рядов.

В опускные трубы поступает вода, которая представляет собой смесь питательной и кипящей воды, выходящей из подъемных труб. Т.к. температура питательной воды ниже температуры кипящей, то в опускные трубы входит вода, недогретая до кипения. По мере опускания воды в необогреваемой трубе недогрев воды увеличивается из-за повышение давления на величину массы столба воды за вычетом напора, израсходованного на преодоление гидравлического сопротивления.

Т.о. в подъемные трубы поступает недогретая до кипения вода. Поэтому на некотором участке подъемной трубы называется экономайзерным, происходит лишь подогрев воды; закипание происходит лишь в точке К. Тот участок, по которому движется пароводяная смесь (выше точки К) называется паросодержащим. Его высоту от точки К до уровня зеркала испарения в пароводяном коллекторе обозначают Нпар.

Из теплового подъема трубы можно определить положение точки К и величину Нпар. Зная высоту паросодержащего участка, найдем движущий напор циркуляции:

S = Нпар(Рв - Рсм)g,

где: Рв - плотность воды, кг/м ; Рсм - плотность пароводяной смеси; g = 9,81 м/сек - ускорение свободного падения.

Предельное значение коэффициента циркуляции не должно быть менее 4, т.е. К> 4, в противном случае прекращается циркуляция воды и наступает опрокидывание котла (застой).

На промысловых судах используются вспомогательные котлы низких параметров. Давление пара обычно не превышает 1,2 МПа (12 кгс/см2). Температура насыщенного пара при этом от 152° С при р = 0,5 МПа до 188° С при 1,2 МПа (12 кгс/см2).

Процесс перехода жидкости в пар называется парообразованием, а пар в жидкость - конденсацией.

Пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью, из которой он получен, называется насыщенным. Процесс кипения происходит при определенной температуре, т.е., при t = const, называемой температурой кипения или температурой насыщения ts, давление р при котором происходит кипение также постоянно, т.е. р = const.