Барабанные котлы
Барабанные котлы широко применяют на ТЭС. Наличие одного или нескольких барабанов с фиксированной границей раздела между паром и водой является отличительной чертой этих котлов. Питательная вода в них, как правило, после экономайзера 1 (см. рис. 6, а) подается в барабан 2, где смешивается с котловой водой (водой, заполняющей барабан и экраны). Смесь котловой и питательной воды по опускным необогреваемым трубам 3 из барабана поступает в нижние распределительные коллектора 4, а затем в экраны 5 (испарительные поверхности). В экранах вода получает теплоту Q от продуктов сгорания топлива и закипает. Образующаяся пароводяная смесь поднимается в барабан. Здесь происходит разделение пара и воды. Пар по трубам, соединенным с верхней частью барабана, направляется в перегреватель 6, а вода снова в опускные трубы 3.
Объемы барабана, заполненные водой и паром, называют соответственно водяным и паровым, а поверхность их разделяющую - зеркалом испарения. Уровень воды в барабане при работе котла колеблется между низшим и высшим. Низший уровень определяется надежным поступлением воды в опускные трубы, а высший - исключением возможности попадания воды в пароперегреватель. Объем воды между этими уровнями позволяет запускать в работу барабанные котлы без подачи в них питательной воды на некоторое время.
В экранах за один проход испаряется лишь часть (от 4 до 25 %) поступающей в них воды. Тем самым обеспечивается достаточно надежное охлаждение труб. Предотвратить накопление солей, осаждающихся при испарении воды на внутренней поверхности труб, удается благодаря непрерывному удалению части котловой воды из котла. Поэтому для питания котла допускается использование воды с относительно большим содержанием растворенных в ней солей.
Замкнутую систему, включающую в себя барабанные котлы, опускные трубы, коллекторы и испарительные поверхности, по которой многократно движется рабочее тело, принято называть контуром циркуляции, а движение воды в нем - циркуляцией. Движение рабочей среды, обусловленное только различием веса столбов воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных, называют естественной циркуляцией, а паровой котел - барабанным с естественной циркуляцией. Естественная циркуляция возможна лишь 14 в котлах с давлением, не превышающем 18,5 МПа. При большем давлении из-за малой разности плотностей пароводяной смеси и воды устойчивое движение рабочей среды в циркуляционном контуре обеспечить трудно. Если движение среды в циркуляционном контуре создается насосом 8 (см. рис. 6, б), то циркуляция называется принудительной, а паровой котел - барабанным с принудительной циркуляцией. Принудительная циркуляция позволяет выполнять экраны из труб меньшего диаметра как с подъемным, так и опускным движением среды в них. К недостаткам такой циркуляции следует отнести необходимость установки специальных насосов (циркуляционных), которые имеют сложную конструкцию, и дополнительный расход энергии на их работу.
Простейшие барабанные котлы, используемые для получения водяного пара, состоят из горизонтального барабана 1, на 3/4 объема заполненного водой, и топки 2 под ним (рис. 7, а). Стенки барабана, обогреваемые снаружи продуктами горения топлива, играют роль теплообменной поверхности. С ростом паропроизводительности резко возросли размеры и масса котла. Развитие котлов, направленное на увеличение поверхности нагрева при сохранении водяного объема, шло по двум направлениям. Согласно первому направлению увеличение теплообменной поверхности достигалось благодаря размещению в водном объеме барабана труб, обогреваемых изнутри продуктами сгорания. Так, появились жаротрубные (рис. 7. б), затем дымогарные и, наконец, комбинированные газотрубные котлы. В жарот трубных котлах в водном объеме барабана, параллельно его оси размещены одна или несколько жаровых труб 3, большого диаметра (500-800 мм), в дымогарных - целый пучок труб 3 малого диаметра. В комбинированных газотрубных котлах (рис. 7, в) в начальной части жаровых труб расположена топка 2, а конвективная поверхность выполнена из дымогарных труб 3. Производительность этих котлов была невелика, ввиду ограниченных возможностей размещения жаровых и дымогарных труб в водяном объеме барабана 1. Их использовали в судовых установках, локомобилях и паровозах. В настоящее время их применяют для получения пара на собственные нужды предприятия.
Второе направление в развитии котлов связано с заменой одного барабана несколькими, меньшего диаметра, заполненными водой и пароводяной смесью. Увеличение числа барабанов привело сначала к созданию батарейных котлов, а замена части барабанов - трубами меньшего диаметра, расположенными в потоке дымовых газов, - к водотрубным котлам. Благодаря большим возможностям увеличения паропроизводительности это направление получило широкое развитие в энергетике. Первые водотрубные котлы имели наклоненные к горизонтали (под углом 10-15°), пучки труб 3, которые с помощью камер 4 присоединялись к одному или нескольким горизонтальным барабанам 1 (рис. 7, г). Котлы такой конструкции получили название горизонтальноводотрубных. Среди них особо следует выделить котлы талантливого русского конструктора В. Г. Шухова. Прогрессивная идея, связанная с разделением общих камер, барабанов и трубных пучков на однотипные группы (секции) одинаковой длины и тем же числом труб, заложенная в конструкцию, позволила осуществлять сборку котлов разной паропроизводительности из стандартных деталей. Но такие котлы не могли работать при переменных нагрузках.
Вертикально-водотрубных барабанные котлы - следующий этап развития котлов. Пучки труб 3, соединяющие верхние и нижние горизонтальные барабаны 1, стали располагать вертикально или под большим углом к горизонту (рис. 7, д). Повысилась надежность циркуляции рабочей среды, обеспечился доступ к концам труб и тем самым упростились процессы вальцовки и очистки труб. Совершенствование конструкции этих котлов, направленное на повышение надежности и эффективности их работы, привело к появлению современной конструкции котла (рис. 7, е): однобарабанного с нижним коллектором 5 небольшого диаметра; опускными трубами 6 и барабаном 1, вынесенными из зоны обогрева за обмуровку котла; полным экранированием топки; конвективными пучками труб с поперечным омыванием продуктами сгорания; предварительным подогревом воздуха 9, воды 8 и перегревом пара 7.
Конструктивная схема современного барабанного котла определяется его мощностью и параметрами пара, видом сжигаемого топлива и характеристиками газовоздушного тракта. Так, с ростом давления меняется соотношение между площадями нагревательных, испарительных и перегревательных поверхностей. Увеличение давления рабочего тела от р = 4 МПа до р - 17 МПа приводит к уменьшению доли теплоты q, затраченной на испарение воды с 64 до 38,5 % (рис. 8). Доля теплоты, расходуемой на подогрев воды, увеличивается при этом с 16,5 до 26,5 %, а на перегрев пара -с 19,5 до 35 %. Поэтому с повышением давления растут площади нагревательной и перегревательной поверхностей, а площадь испарительной поверхности уменьшается.
На рис.9 барабанные котлы с естественной циркуляцией Еп-640 - 13,8-540/S40 ГМ. Барабанные котлы предназначены для получения пара при сжигании газа и работы в блоке с турбиной мощностью 200 МВт. Номинальная производительность 640 т/ч, рабочее давление пара на выходе из котла 13,8 МПа, температура свежего пара и пара промежуточного перегрева 540 °С. Барабанные котлы включают топку 2, конвективную шахту 9 и горизонтальный газоход 6, соединяющий топку с конвективной шахтой. Топка призматической формы (в плане представляет прямоугольник 18,6 X X 7,35 м) экранирована трубами испарительной поверхности диаметром 60x6 мм. Все экраны 3 с помощью тяг подвешены к металлоконструкциям потолочного перекрытия и могут свободно расширяться вниз. Для уменьшения влияния неравномерности обогрева на циркуляцию экраны секционированы: трубы с коллекторами выполнены в виде отдельных панелей, каждая из которых представляет собой отдельный циркуляционный контур.
Топка оборудована двенадцатью газомазутными горелками 1, установленными в два яруса на одной стенке. В ее верхней части расположен ширмовый перегреватель 4. В горизонтальном газоходе помещены два пакета конвективного перегревателя 5 высокого давления. Потолок топки, горизонтального газохода и поворотной камеры экранированы трубами перегревателя 7 высокого давления. В конвективной шахте размещены (последовательно по ходу газов) выходной 8 и входной 10 пакеты перегревателя низкого давления, первая (по ходу пара) ступень 11 перегревателя высокого давления и экономайзер 12. Два регенеративных воздухоподогревателя (РВП) установлены вне здания котельной.