За счет чего происходит циркуляция воды и пароводяной смеси в контурах

Циркуляция воды в паровом котле

Паровые котлы. Схемы циркуляции паровых котлов

В зависимости от конструктивных особенностей паровые котлы бывают:

В газотрубных продукты сгорания топлива движутся по трубам малого диаметра, нагревая теплоноситель, который эти трубы окружает.

В водотрубных котлах движение теплоносителя происходит по кипятильным трубкам, которые нагреваются от продуктов сгорания топлива.

Водотрубные котлы бывают:

По принципу движения теплоносителя:

Рисунок 1 − Принцип движения теплоносителя в паровых котлах

а) барабанный котел с естественной циркуляцией;

б) барабанный котел с принужденной циркуляцией;

в) прямоточный котел;

Рисунок 2 − Принцип движения теплоносителя в паровых котлах

а) барабанный с естественной циркуляцией;

б) с многократно принудительной циркуляцией

1. экономайзер; 2. испарительные поверхности нагрева; 3. пароперегреватель;

4. воздухоподогреватель; 5. переходная зона испарительной поверхности

нагрева; 6. конвективный пароперегреватель; 7. сепаратор пара

По назначению паровые котлы можно разделить на 3 основных типа:

Энергетические устройства вырабатывают перегретый пар, который используют в дальнейшем для паровых турбин. Температура такого пара превышает температуру кипения.

Промышленные котлы вырабатывают пар, который применяется для технологических нужд и используются на различных предприятиях в производственных процессах.

Электрический паровой котел, в котором для нагрева воды используется электрическая энергия

Особенностью паровых котлов-утилизаторов является отсутствие топки. Такое оборудование работает на вторичных энергетических ресурсах − той тепловой энергии, которая образуется в процессе технологического цикла производства.

По давлению получаемого пара котельные агрегаты разделяются:

• низкого давления (0,8÷1,6 МПа);

• сверхвысокого давления (25÷31Мпа).

По количеству вырабатываемого пара:

• Малой мощности (до 25 т/ч)

• Средней мощности (25 ― 120 т/ч)

• Высокой мощности (120 ― 220 т/ч)

Циркуляция воды в паровом котле

Конструкция котла включает в обязательном порядке циркуляционный контур, по которому движутся вода и пароводяная смесь. За счет этого достигается постоянное парообразование и нагрев теплоносителя (воды).
В паровых котлах применяются следующие схемы циркуляции воды:

В паровых котлах с естественной циркуляцией циркуляционный контур состоит из обогреваемых и необогреваемых труб.

Необогреваемые трубы находятся за пределами топочного пространства. Вверху трубы соединяются с барабаном котла, поэтому подобные схемы называют барабанными. В нижней части трубы соединены коллектором.

Обогреваемые и необогреваемые части контура разделяются между собой теплоизоляционной футеровкой. Прогретая пароводяная смесь меньшей плотности попадает в барабан, где происходит ее закипание, а холодная вода, имеющая большую плотность, движется вниз.

Обогреваемые трубы, в которых вода движется вверх, называются подъемными, а необогреваемые называтся опускными. Чтобы обеспечить надежную работу котла с естественной циркуляцией, необходима постоянная разница в плотностях воды и пара.

Принудительную циркуляцию воды в паровом котле можно организовать за счет специального насоса, установленного на опускных трубах.

Принудительная циркуляция воды позволяет увеличить скорость движения и располагать парообразующие трубы в топке любым образом (наклонно, горизонтально), исходя из размещения котла в ограниченных по высоте помещениях и более удобно его конструировать.

Рисунок 3 − Схема естественной циркуляции воды в паровых котлах

1 водяной объем; 2 паровой объем; 3 обмуровка;

4 трубопровод питательной воды; 5 ГПЗ; 6 паропровод котла

Рисунок 4 − Схема циркуляции воды в паровом котле ДЕ(Е)

Рисунок 5 − Устройство парового котла КЕ-10-14

Источник

Схемы движения воды в котельных агрегатах (паровых, водогрейных)

Правильно организованное движение воды, паро-водяной смеси и пара в трубах котельного агрегата обеспечивает необходимую паропроизвод-ть котлового агрегата. Вследствие этого обеспечивается интенсивный отвод теплоты от поверхности нагрева и устранение местных застоев пара и газа, что предотвращает поверхность нагрева от недопустимого перегрева и коррозии. Непрерывное движение воды, охл-ей поверхность нагрева – циркуляцией.

В зависимости от организации движения воды и параводяной смеси в испарительной системе котлы делятся: с естественной циркуляцией, котлы с принудительной циркуляцией. В котлах с естественной циркуляцией движение воды и пароводяной смеси в испарительной системе осуществляется за счёт давления создаваемого разностью массы столба воды в опускных трубах и столба пароводяной смеси в обогреваемых подъёмных трубах систем. При этом кратность циркуляции, т.е. отношение массы воды, циркулирующей в системе за единицу времени, к массе выработанного пара за тот же промежуток времени: к = Gц / D составляет 15-100. для того чтобы возникла естественная циркуляция воды должна существовать замкнутый контур состоящий из барабана и коллектора, соединёнными между собой подъёмной и опускной трубой. При подводе теплоты к подъёмной трубе вода в ней частично превращается в пар и образуется пароводяная смесь, плотность которой меньше плотности воды в необогреваемой опускной трубе. В следствии этого в замкнутом контуре создаётся напор, благодаря которому вода и пароводяная смесь приходят в движение: вода движется вниз к коллектору, а смесь – вверх в барабан, где пар отделяется от воды.

Котлы с принудительной циркуляцией: прямоточные и с многократной принудительной циркуляцией. В котлах с многократной принудительной циркуляцией движения воды и пароводяной смеси в испарительной системе осуществляется при помощи специального насоса К-6-10. Питательная вода из водяного экономайзера подаётся в барабан котла, из которого она забирается циркуляционным насосом и направляется в нижний коллектор экранов и коллектор конвективной поверхности нагрева, распределяется по параллельно включённым подъёмным трубам, через трубы пароводяная эмульсии поступает в барабан котла, в котором происходит отделение пара от жидкости. Затем пар поступает в пароперегреватель и потребителям.

В прямоточных котлах питательный насос создаёт принудительное движение воды, пароводяной смеси и пара по ряду параллельно включённых труб поверхностей нагрева, отдельные участки котла выполняют роли экономайзера, испарительной поверхности нагрева и пароперегревателя к = 1.

К принудительной циркуляции прибегают, когда невозможно осуществить естественную циркуляцию воды. Это происходит с повышением давления, т.к. с повышением давления разность плотностей питательной воды и пара уменьшается недостаточно. Насос для создания естественной циркуляции (>18 МПа) для схемы (а) движущее движение циркуляции возникает за счёт разности масс столбов воды и пароводяной смеси:

∆S –полезное давление.

∆S = H ∙ Pв – (Нэк ∙ Pэк + Нп ∙ Pпв)

где H – расстояние над уровнями воды в барабане и осью коллектора;

Производительность контура циркуляции определяется по следующей методике:

1. Строится график зависимости ∆S(∆P) по вертикальной оси.

2. По горизонтальной – производительность контура.

Точка пересечения двух зависимостей даёт значение действительной производительности.

Тягодутьевые устройства

Для кот-ных проектир-ся обычно одна, общая для всех установленных котлов, дым труба. Дым трубы сооружаются по типовым проектам из кирпича или железобетона. Применение металлич дым труб диаметром >1м допускается только при технико-экономич целесообразности такого решения.

Высоту дым трубы определяют из условий равенства силы тяги и суммы сопротивлений, возник при движ-ии газов по газоходам КА и в дым трубе,она д приниматься 30,45,60,75,90,120,150,180м.

где S-сила ест тяги дым трубы, кгс/м2

Н-высота дым трубы,м

t_в и t_Г-т-ра воздуха и ср т-ра дым газов,

В_л-миним-е барометр давление данного района,мм.рт.ст

Расчеты и выбор высоты дым труб,обеспечивающей рассеивание твредных выбросов,выполняются программой расчетов,составл-й на основе СН 369-74.Наиб концентрация вредного в-ва в приземном слое атмосферы не д превышать ПДК,установленной “Санитарными нормами проектир-ния пром пр-тий.”

При одновременном совместном присутствии в атмосфере неск вредных в-в их безразмерная суммарная конц-ция q не д превышать 1:

Где с-конц-ции вредных в-в в атм в-хе в одной и той же точке местности,мг/м3

ПДК-соотв-щие максим-е предельно допустимые концентрации вредных в-в в атм в-хе, мг/м3

1) Кирпичные дымовые трубы.

Высота от 30 до 70 м.

Площадь вых сечения дым трубы:

В-максим расход топлива[кг/г]

V_г-объём дым газов выд-щихся при сжигании 1 кг топлива

t_ух-тем-ра ух газов у выходн сечения трубы

w-скорость газа у вых сечения трубы: при естеств тяге w=4-10 м/с

при искусств w=8-15 м/с

2)Железобетонные дым трубы

Возводят высотой 100 м и более. Такая высота применяется не для созд требуемой тяги, а из-за необход удаления запыленных и вредных газов в более высокие слои атмосферы. Жел-бет трубы в большинстве случаев устан-ся в крупных котельных тепл станций.Для предохранения от действия выс тем-ры трубы изнутри футируются огнеупорным кирпичом.

3) Стальные дым трубы.

Применяют в КУ малой произв-ти, для котлов верт-цилиндрич и водогрейных.

Эти дым трубы цилиндрич, высота не более 30-50 м. Они сост из отдельных звеньев соед с помощью сварки. Часто трубы устан-ют на фундаменте с цоколем и крепят болтами. Для большей устойчивости стальн дым трубы дополнительно закрепляют несколькими растяжками. В большинстве случаев растяжки прикреплены к трубе в двух местах: на высоте ½ и 1/3 от её основания.

26.Основные требования к помещениям и расположению оборудования котельных установок

Стационарные котлы должны устанавливаться в зданиях и помещениях, отвечающих требованиям СНиП װ-35-76 «Котельные установки», СНиП װ-58-75 «Электростанции тепловые» и настоящих правил. Установка вне помещений допуск. только в том случ., если к. спроектирован для работы в заданных климат. условиях. Устройство помещений и чердачных перекрытий над к. не допускается. Это не распространяется на к., устан-ые в произв. помещениях в соотв-ии с пунктом 417 настоящих правил: «внутри произв помещений допускается установка:

-прямоточных к. паропроизв-ю не более 4 т/ч каждый;

-водогр. к., произв-ю не более 10ГДж/ч кажд., не имеющих барабанов;

— к.-утилизаторов без ограничений».

Место установки к. внутри помещений д/б отделено от ост. части помещения несгораемыми перегородками по всей высоте к., но не ниже 2 м, с устройством дверей. Места расположения выхода и напр-е открытия дверей опред-ся проектной орг-ей исходя из местных условий. К.-утилизаторы м/б отделены от ост. части произв. помещ. вместе с печами или агрегатами, с кот. они связаны технологич. процессом. В зданиях котельной не разрешается размещать бытовые и служебные помещения, кот. не предназначены для работы котельной, а также мастерские не предназначенные для ремонта котельного оборуд-я. Уровень к. нижнего этажа не д/б ниже планировочной отметки земли, прилегающей к котельной. Двери из котельной должны открываться наружу. Двери из служебных, бытовых и вспомогательно-бытовых помещений должны снабжаться пружиной и откр-ся в сторону котельной.

Расстояние от фронта к. или выступающих частей топок до противоположной стены котельной должна сост. не менее 3 м. При этом для к., работающих на газообр. или жидк. т-ве, расст-е от выступающих частей горелочных устройств до стены котельного помещения д/б не менее 1 м, а для к. оборудованных механизир. топками расст-е от выступающих частей топок д/б не менее 2 м. Для к. паропроизв-ю не более 2,5 т/ч расст-е от фронта к. или выступающих частей до стены котельной м/б уменьшено в след. случаях:

1. если топка с ручной загрузкой тв. т-ва обслуживается с фронта и имеет длину не более 1м.;

2. при отсутствии необходимости обслуживания топки с фронта;

3. если к. работают на газообр. и жидк. т-ве (при сохранении расст-я от горел. устройств до стены котельной не менее 1 м);

Расст-е между фронтами котлов не выступающими частями топок, расположенных друг против друга, должны составлять:

1. для к. оборудованных механизир. топками не менее 4 м.;

2. для к., работающих на газообр. или жидк. т-ве расст-е между горел. устр-ми д/б не менее 2 м;

3. для к. с ручной загрузкой тв. т-ва не менее 4 м.

Допускается установка котельного и вспомогоат. оборуд-я, щитов управления, при этом ширина свободных проходов вдоль фронтов д/б не менее1,5 м. Проходы в котельной должны иметь свободную высоту не менее 2 м. При отсутствии необходимости перехода через барабан, сухопарник или экономайзер, расст-е от них до нижних конструктивных частей покрытия котельной д/б не менее 0,7 м.

Требования к оснащению паровых и водогрейных котлов приборами безопасности

На каждом котле д б предусмотрены приборы безоп-сти(ПБ), обеспеч своеврем и надежное автоматич отключение котла или его элементов при недопустимых отклонениях от заданных режимов эксплуатации.

Котлы должны быть оснащены автоматическими защитами, прекращаю­щими их работу при превышении параметров, установленных инструкциями организаций-изготовителей, в следующих случаях: для парового котла:

— увеличения давления пара;

— снижения уровня воды;

— повышения уровня воды;

— повышения или понижения давления газообразного топлива перед го­релками;

— понижения давления жидкого топлива перед горелками;

— понижения давления воздуха перед горелкой;

— уменьшения разрежения в топке;

— погасания факела горелки;

— прекращения подачи электроэнергии в котельную;

— снижение расхода воды в котле ниже допустимого (для прямоточных котлов);

для водогрейного котла:

— повышение давления воды в выходном коллекторе котла более чем на 5 % расчетного или разрешенного давления;

— понижения давления воды в выходном коллекторе котла до значения, соответствующего давлению насыщения при макс температуре воды на выходе из котла;

— повышения температуры воды на выходе из котла до значения указанного заводом-изготовителем

— уменьшения расхода воды через котел до минимально допустимых значений,

— понижения давления жидкого топлива перед горелками;

— уменьшения разрежения в топке;

— понижения давления воздуха перед горелками;

— прекращения подачи электроэнергии в котельную.

При достижении предельно допустимых параметров котла автоматически должна включаться звуковая и световая сигнализации.

Пар-е котлы(ПК) с камерным сжиганием т-ва д б оборудованы автоматич устр-вами, прекращающ подачу т-ва к горелкам при снижении уровня, а для прямоточных котлов-расхода воды в котле ниже допустимого. Водогр котлы(ВК) с многократной циркуляцией и камерным сжиганием т-ва, д б оборудованы приборами, автоматич-ки прекращающ подачу т-ва к горелкам,а со слоевым сжиганием т-ва—приборами, отключающими тягодутьевые устр-ва при сниж-нии давл-я воды до знач-я, при кот создается опасность гидравл ударов,и при повышении т-ры воды выше уст-нного предела. ПК и ВК при камерном сжигании т-ва д б оборудованы автом устр-вами для прекращ-я подачи т-ва в топку в след случаях:

А)при погасании факела в топке

Б)при отключении всех дымососов или прекращении тяги

В)при отключении всех дутьевых вентиляторов.

Источник

Внутрикотловая гидродинамика

Устойчивая функциональная работа котла возможна только при непрерывном охлаждении водой или паром его теплопередающих поверхностей. В экономайзерных и пароперегревательных поверхностях движение воды и пара происходит под действием насоса или разности давлений пара в барабане и пароперегревателе. В испарительных поверхностях нагрева движение воды и пароводяной смеси происходит под действием питательного насоса или за счет естественной циркуляции.

Естественная циркуляция [ править ]

Естественной циркуляцией называют движение воды и пароводяной смеси в трубах котла, вызванное разностью их плотностей, вследствие более интенсивного обогрева одной из труб, рис. 7.11.

Рис.7.11. Схема естественной циркуляции: 1 – верхний барабан; 2 – нижний барабан; 3 – тепловоспринимающие поверхности

Трубы, в которых вода и пароводяная смесь опускаются, называют опускными трубами, а трубы, в которых вода и пароводяная смесь поднимаются – подъемными.

Под действием разности плотностей в опускных и подъемных трубах создается непрерывное движение воды или циркуляция. Эту разность плотностей называют движущим напором циркуляционного контура.

Циркуляционные контуры котлоагрегатов делят на простые и сложные. В простых циркуляционных контурах (рис. 7.12.) вода (пароводяная смесь) проходит последовательно по всем участкам контура. Сложные (рис. 7.13) состоят из нескольких самостоятельных контуров, а некоторые участки являются общими для всех контуров. Обычно это опускные трубы.

Рис. 7.12. Схема простого контура

Рис. 7.13. Схема сложного циркуляционного контура: 1 – верхний барабан; 2 – подъемные трубы; 3 – нижний барабан; 4 – отпускные трубы

При движении воды по опускным трубам давление возрастает на величину давления столба воды от уровня в барабане до рассматриваемого сечения.

Часть подъемной трубы, в которой отсутствует кипение, называют экономайзерным участком – Н_эк, а участок, по которому движется пароводяная смесь, называют паросодержащим участком – Н_пар (рис. 7.14). Полезной высотой – Н_пол называют ту ее часть, которая создает циркуляцию воды в котлоагрегате.

Рис. 7.14. Схема естественной циркуляции: 1 – барабан; 2 – трубы водоподводящие; 3 – коллектор; 4 – участок обогреваемых труб; 5 – участок пароотводящих необогреваемых труб

В любом сечении паросодержащей части имеется часть воды – G_в и часть пара G_п, сумма количеств которых на основании закона сплошности равна количеству воды, поступающей в контур из барабана G_o, т.е. справедливо равенство:

Расход воды через любой циркуляционный контур превышает количество образующегося в нем пара. Отношение количества воды G_o, вошедшей в контур, к количеству образующегося в нем пара G_п называют кратностью циркуляции – К_ц, т.е.

Эта величина изменяется в широких пределах К_ц = 5 ÷ 50 для котла в целом и доходит до 200 и более для отдельных контуров или для котлов низкого давления. Только для прямоточных котлов К_ц = 1.

Величина кратности циркуцяции зависит от давления пара, интенсивности обогрева труб, их конфигурации и высоты циркуляционного контура. Определение этой величины и есть одна из задач расчета циркуляции. Методически этот расчет выполняется аналогично гидравлическому расчету тепловой сети с той лишь разницей, что движение создается гравитационным напором в контуре, а не насосом, и что в нем по отдельным участкам движется двухфазная жидкость переменного состава.

Важное значение для надежного охлаждения испарительных поверхностей нагрева при естественной циркуляции имеет характер движения пароводяной смеси в трубах. Различают четыре основных режима движения пароводяной смесив в вертикальных трубах (рис. 7.15).

Рис. 7.15. Основные режимы движения пароводяной смеси в вертикальных трубах: а – пузырьковый; б – снарядный; в – стержневой; г – эмульсионный

При естественной циркуляции «снарядный» режим движения практически маловероятен (при 3,0 МПа «снарядный» режим переходит в смешанный «снарядно-пузырьковый»). При «стержневом» режиме движения пароводяной смеси тонкая водяная пленка вдоль стенок трубы легко разрушается из-за увеличения в потоке пара отдельных капель.

В горизонтальных трубах, а также в трубах, незначительно наклоненных к горизонту, происходит полное расслоение потока пароводяной смеси. При таком движении верхняя часть сечения трубы, омываемая паром, вследствие ухудшения отвода теплоты, может нагреться до опасных пределов. С повышением давления возможность расслоения увеличивается, и для ее устранения необходимо обеспечить высокие скорости движения пароводяной смеси. Угол наклона труб к горизонту выше 15° предотвращает расслоение.

Надежная работа котельных труб в контуре с естественной циркуляцией лучше всего обеспечивается при «эмульсионном» движении, при котором стенки труб непрерывно охлаждаются водяной пленкой.

Опасным режимом для опускной части контура является парообразование в опускных трубах, которое может возникнуть как следствие падения давления во входном сечении трубы (явление кавитации). Это явление наступает, если высота уровня воды в барабане до входа в опускные трубы меньше потерь напора при входе в опускные трубы. Чтобы исключить режим кавитации в них, необходимо соблюдать условие:

Опасными режимами для подъемной части контура являются:

— образование застоя среды в подъемных трубах;

— расслоение потока пароводяной смеси;

— режим предельной кратности циркуляции.

Застой среды в подъемных трубах происходит из-за неравномерности их обогрева. Неравномерный обогрев подъемных труб возникает вследствие:

— конструктивных особенностей циркуляционных контуров;

Конструктивные особенности обусловлены различной длиной обогреваемых участков, необходимостью обвода экранных труб вокруг амбразур и горелок и пр.

Эксплуатационными факторами являются: шлакование экранов и конвективных пучков, заносы поверхностей нагрева летучей золой, резкое изменение режима топки и т.п.

Из конструктивных мероприятий, способствующих повышению надежности циркуляции, основными являются:

— увеличение сечения опускных труб;

Увеличение сечений опускных труб приводит к увеличению расхода воды через все трубы циркуляционного контура, в том числе и через слабо обогреваемые трубы. Увеличение сечений опускных труб снижает полезный напор и делает маловероятным образование застоя среды (образование свободного уровня) в подъемных трубах.

Разбивка топочных экранов на ряд секций обеспечивает более равномерное тепловосприятие подъемных труб.

Опрокидывание циркуляции, под которым понимают переход от подъемного движения воды и пароводяной смеси к опускному, имеет место в трубах, выведенных в водяное пространство барабана. При этом неизбежны образование свободного уровня и связанная с ним опасность пережога труб.

Расслоение потока пароводяной смеси в подъемных трубах возможно только в горизонтальных и слабонаклонных трубах при малой массовой скорости потока. Поэтому в циркуляционных контурах котлов с естественной циркуляцией применение таких труб не рекомендуют.

Режим предельной кратности циркуляции в подъемных трубах – такой режим, при котором кратность циркуляции близка к единице. При этом происходит значительное выпаривание воды в трубах и образование на поверхности труб накипи. Поэтому в котлах с естественной циркуляций рекомендуется не снижать среднюю кратность циркуляции ниже трех (для барабанных котлов высокого давления).

Принудительная циркуляция [ править ]

Принудительной циркуляцией называют движение воды и пароводяной смеси в трубах котла и в других поверхностях теплопередачи котла, вызванное действием насоса или разностей давлений пара в барабане и пароперегревателе.

Поверхность нагрева паровых котлов состоит из большого числа параллельно работающих труб, из которых многие из-за неравномерности обогрева и неодинаковости гидравлического сопротивления имеют различные тепловые и гидродинамические характеристики. Распределение воды по таким трубам не может быть равномерным, вследствие этого энтальпия рабочего тела на выходе из отдельных витков может значительно отличаться от среднего значения.

Отношение наибольшего приращения энтальпии в каком-либо витке ∆h_в к среднему приращению энтальпии по всей поверхности нагрева ∆h_ср называют тепловой разверкой:

Величина тепловой разверки является оценкой как тепловой, так и гидравлической неравномерности.

Тепловая неравномерность параллельно включенных труб обусловлена неодинаковыми условиями их обогрева, зависящими от эксплуатационных факторов (зашлаковывание отдельных групп витков, смещение ядра факела и возникновение температурных перекосов в топке и газоходах и пр.) и от конструктивных особенностей и компоновки отдельных элементов котельного агрегата (топочной камеры, горелочных устройств и пр.).

Гидравлическая неравномерность обусловлена неодинаковыми гидравлическими сопротивлениями вследствие различной степени шероховатости стенок труб, неодинаковой их длины, конфигурации и изменением их тепловой нагрузки по эксплуатационным причинам.

Для надежной работы котла необходимо сделать характеристику трубных пучков устойчивой. Для этого используют дополнительное сопротивление в виде дроссельных шайб, устанавливаемых на входе в трубы. Гидравлическое сопротивление шайбы суммируется с сопротивлением витка и гидродинамическая характеристика его становится устойчивой. Влияние установки шайб на изменение гидродинамической характеристики показано на рис. 7.16.

Рис. 7.16. Влияние установки шайб на изменение гидродинамической характеристики трубы.: 1 – обогреваемая труба без шайбы; 2 – обогреваемая труба при установке шайбы, d = 10 мм; 3 – то же d = 7 мм; 4 – то же d = 5 мм

Дроссельные шайбы устраняют также пульсацию потока, вызывающую образование кольцевых трещин в трубах. Для устранения пульсации потока применяют большее дросселирование по сравнению с тем, которое требуется для стабилизации гидродинамической характеристики витка.

Источник