Основы парового котла

Основы парового котла

Паровой котел представляет собой закрытый резервуар, в котором вода нагревается в контролируемых условиях для преобразования ее в пар. Котел представляет собой теплообменник, в котором тепло передается воде. Его также иногда называют парогенератором. Тепловая энергия для нагрева воды подается либо за счет топлива (газ, жидкость или твердое вещество), либо за счет энергии отходов, получаемой в результате различных промышленных процессов. Иногда солнечная энергия также используется для производства пара. Пар, производимый в котле, может быть низкого давления, среднего давления или высокого давления. В промышленном контексте произведенный пар используется в качестве технологического пара в различных промышленных процессах или для привода турбин для производства электроэнергии. Каждый котел предназначен для передачи как можно большего количества тепловой энергии воде, содержащейся в котле. Тепловая энергия передается теплопроводностью, конвекцией и излучением. Относительный процент каждого из них зависит от типа котла, расчетной поверхности теплообмена и топлива, питающего горение.

Есть в основном два типа котлов. Это жаротрубный котел и водотрубный котел.

Жаротрубный котел состоит из множества труб, по которым проходят горячие газы. Эти трубки с горячим газом погружены в воду в закрытом сосуде. В этом котле один закрытый сосуд или оболочка содержит воду, через которую проходят трубы горячего газа. Эти трубки горячего газа нагревают воду и превращают воду в пар, и пар остается в том же сосуде. Жаротрубные котлы обычно используются для относительно небольшой паропроизводительности и низкого или среднего давления пара. Эти котлы компактны, блочной конструкции и дешевле.

Водотрубный котел — это тип котла, в котором вода нагревается внутри труб, а горячие газы окружают их. Это прямо противоположно жаротрубному котлу. В этом котле питательная вода котла протекает по трубам и поступает в барабан котла. Циркуляционная вода нагревается дымовыми газами и превращается в пар в паровом пространстве барабана. Этот котел используется, когда потребность в паре, а также требования к давлению пара высоки, как в случае котла, необходимого для удовлетворения потребностей в паре для промышленных процессов, а также для производства электроэнергии. Особенности водотрубных котлов включают (i) принудительную, индуцированную и уравновешенную тягу, помогающую повысить эффективность сгорания (ii) меньшую устойчивость к качеству воды, следовательно, необходимость установки водоочистных сооружений, и (iii) более высокие уровни тепловой эффективности.

Компоненты котельной

Основными компонентами котельной установки являются установка водоподготовки, подогреватели питательной воды котла, деаэраторы, питательный насос, экономайзер, пароперегреватель, пароохладитель, паровая система, конденсатор и конденсатный насос. Кроме того, имеются наборы элементов управления для контроля расхода воды и пара, расхода топлива, расхода воздуха и добавок для химической обработки. Принципиальная схема технологической схемы котельной представлена ​​на рис. 1

                                                              Рис. 1. Принципиальная схема технологической схемы котельной

В целом котельная система состоит из системы питательной воды, паровой системы и топливной системы. Система питательной воды подает очищенную воду в котел и автоматически регулирует ее для удовлетворения потребности в паре. Паровая система собирает и регулирует пар, производимый в котле. Пар направляется по системе трубопроводов к месту использования. Топливная система включает в себя все оборудование, используемое для подачи топлива для выработки необходимого тепла. Необходимое оборудование зависит от типа используемого топлива.

Система питательной воды

Питательная вода – это вода, подаваемая в котел, которая превращается в пар. Двумя источниками питательной воды являются конденсат или сконденсированный пар, возвращаемый из процесса, и подпиточная вода, которая представляет собой очищенную воду с установки водоподготовки. Ниже приведены основные компоненты системы питательной воды.

Подогреватель питательной воды – КПД котла повышается за счет извлечения отработанного тепла из отработанного пара для предварительного нагрева питательной воды котла. Нагреватели представляют собой кожухотрубные теплообменники с питательной водой на трубной стороне и паром на межтрубной. Конденсат возвращается в резервуар для хранения конденсата или в колодец горячего конденсата.

Деаэраторы. Питательная вода часто содержит кислород, растворенный в нежелательных количествах, который возникает из-за утечек воздуха из конденсатора, уплотнений насосов или из самого конденсата. Кислород удаляется механически в деаэраторе. Деаэратор работает по принципу уменьшения растворимости кислорода при повышении температуры. Это делается путем пропускания пара через питательную воду.

Экономайзеры. Экономайзеры являются последней ступенью системы питательной воды. Они предназначены для извлечения теплотворной способности из выхлопных газов для нагрева пара и повышения эффективности котла. Это простые ребристые трубчатые теплообменники. Экономайзер питательной воды снижает потребность в топливе за счет передачи тепла от дымовых газов поступающей воде.

Паровая система

Паровая система состоит из паровых и грязевых барабанов, котельных труб, пароперегревателей, пароохладителей и конденсатных систем.

Паровые и грязевые барабаны. Паровой барабан - это верхний барабан водотрубного котла, в котором происходит разделение воды и пара. Паровой барабан содержит внутренние элементы для ввода питательной воды, впрыскивания химикатов, удаления продувки, контроля уровня и отделения пара от воды. Питательная вода поступает в паровой барабан из экономайзера. Пар выходит из верхней части барабана через паровые сепараторы. Выход пара обычно выходит из этого барабана в нижний барабан с помощью набора стояков и нисходящих угловых труб. Нижний барабан, называемый грязевым барабаном, представляет собой резервуар на дне котла, который выравнивает распределение воды по генераторным трубам и собирает твердые частицы, такие как соли, образованные из жесткости и кремнезема.

Котельные трубы – Котельные трубы изготавливаются из высокопрочной углеродистой стали. Трубы свариваются, образуя непрерывную стенку трубы. Обычно используется более одного банка трубок. Трубы наиболее подвержены поломкам из-за проблем с потоком или коррозионных отложений.

Пароперегреватель - пар, выходящий из котла, является насыщенным, так как он находится в равновесии с водой при давлении и температуре котла. Назначение пароперегревателя состоит в удалении всей влаги из пара путем повышения температуры пара выше точки его насыщения. Пароперегреватель добавляет энергию к выходящему из котла пару. Добавленная энергия поднимает температуру и теплосодержание пара выше точки насыщения. Перегретый пар имеет больший удельный объем.

Attemperators – Attemperators контролируют степень перегрева. Атмосферирование – процесс частичного снижения перегрева пара путем контрольного впрыска воды в поток перегретого пара. Обычно для кондиционирования используется питательная вода котла.

Конденсатные системы – Конденсат из различных систем теплообменников возвращается в котел как часть питательной воды. Однако необходимо тщательно контролировать конденсаты на предмет pH и проникновения кислорода, а также необходимо применять надлежащую обработку конденсата.

Топливная система

Системы подачи топлива играют решающую роль в работе котлов. Их основные функции включают подачу топлива в котел и распределение топлива внутри котла для обеспечения равномерного и полного сгорания. Тип топлива влияет на эксплуатационные характеристики топливной системы. Система подачи топлива является наиболее важным компонентом котельной системы. Топливо должно быть подготовлено к сжиганию и транспортировано к котлу. Система сгорания должна обеспечивать стабильность пламени в широком диапазоне расходов путем создания благоприятных условий для воспламенения топлива и установления аэродинамических условий, обеспечивающих хорошее смешивание первичного воздуха для горения с топливом. Горелки являются центральными элементами эффективной системы сжигания топлива.

КПД парового котла

В паровом котле происходят некоторые потери энергии, которые включают неполное сгорание, потери на излучение, происходящие от стен, окружающих паровой котел, тепло, уносимое выхлопными газами и т. д. КПД парового котла указывает на эти потери. КПД парового котла – это процентное соотношение общего количества тепла, отводимого выходящим паром, от общего количества тепла, отдаваемого топливом, как указано ниже.

КПД парового котла включает тепловой КПД, КПД сгорания и КПД топлива по отношению к пару. Эффективность парового котла зависит от многих факторов, включая размер котла, тип котла, конструкцию котла и т. д.

Классификация паровых котлов

В зависимости от конструкции и конструкции паровые котлы в основном классифицируются следующим образом.

Котел на пылевидном топливе. Большинство угольных электростанций и промышленных водотрубных котлов используют пылеугольный уголь. Эта технология хорошо развита, и на ее долю приходится более 90 % мощностей по сжиганию угля. Уголь измельчается до тонкого порошка, так что менее 2 % составляет +300 микрон (мкм), а 70-75 % составляет менее 75 микрон для битуминозного угля. Пылевидный уголь вместе с частью воздуха для горения вдувается в котел через ряд форсунок горелок. Также могут быть добавлены вторичный и третичный воздух. Горение происходит при температуре 1300-1700°С, в зависимости от марки угля. Время пребывания частиц в котле обычно составляет от 2 до 5 секунд, и частицы должны быть достаточно малы, чтобы за это время произошло полное сгорание. Эта система имеет много преимуществ, таких как возможность сжигания угля различного качества, быстрое реагирование на изменения нагрузки, использование высоких температур предварительного нагрева воздуха и т. д.

Котел для сжигания в кипящем слое. В котле для сжигания в кипящем слое (FBC) система сжигания спроектирована на основе сжигания в кипящем слое. Он имеет значительные преимущества по сравнению с традиционной системой сжигания и предлагает множество преимуществ, таких как компактная конструкция котла, гибкость в выборе топлива, более высокая эффективность сгорания и снижение выбросов вредных загрязняющих веществ, таких как SOx и NOx. Топливо, сжигаемое в этих котлах, включает уголь, отходы промывки, рисовую шелуху, багассу и другие сельскохозяйственные отходы.

В этих котлах сжигание в кипящем слое (КСС) происходит при температуре примерно от 840 до 950°С. Поскольку эта температура намного ниже температуры плавления золы, можно избежать плавления золы и связанных с этим проблем. Более низкая температура горения достигается за счет высокого коэффициента теплопередачи за счет быстрого перемешивания в кипящем слое и эффективного отбора тепла из слоя через внутрислойные теплообменные трубы и стенки слоя. Скорость газа поддерживается между минимальной скоростью псевдоожижения и скоростью уноса частиц. Это обеспечивает стабильную работу слоя и предотвращает унос частиц газовым потоком. Существует три типа котлов с кипящим слоем. Это (i) котел для сжигания в атмосферном кипящем слое (AFBC), (ii) котел для сжигания в атмосферном кипящем слое (CFBC) и (iii) котел для сжигания в кипящем слое под давлением (PFBC).

Котлы с атмосферным кипящим слоем – В этом типе котлов уголь измельчается до размера 1 – 10 мм в зависимости от марки угля, вида топлива, подаваемого в камеру сгорания. Атмосферный воздух, который действует и как воздух для псевдоожижения, и как воздух для горения, подается под давлением после предварительного нагрева отработавшими топливными газами. Трубки в постели, несущие воду, обычно действуют как испаритель. Газообразные продукты сгорания проходят через секции пароперегревателя потока котла мимо экономайзера, пылеуловителей и воздухоподогревателя, прежде чем выбрасываются в атмосферу.

Котлы для сжигания в атмосферном циркулирующем псевдоожиженном слое. В циркуляционной системе параметры слоя поддерживаются таким образом, чтобы способствовать отделению твердых частиц из слоя. Отмывание — это процесс, при котором мелкие частицы выносятся из псевдоожиженного слоя за счет скорости потока жидкости, проходящей через слой. Частицы поднимаются в относительно разбавленной фазе в стояке для твердых частиц, а нисходящий стакан с циклоном обеспечивает обратный путь для твердых частиц. Трубки для производства пара не погружены в слой. Генерация и перегрев пара происходит в конвекционной части, водяных стенках и на выходе из стояка. Котлы CFBC, как правило, более экономичны, чем котлы AFBC для промышленного применения, требующего более 75–100 тонн пара в час.

Котел для сжигания с псевдоожиженным слоем под давлением - в этом котле компрессор подает воздух с принудительной тягой, а камера сгорания представляет собой сосуд под давлением. Скорость выделения тепла в слое пропорциональна давлению в слое, поэтому для извлечения большого количества тепла используется глубокий слой. Это повышает эффективность сгорания и абсорбцию диоксида серы в слое. Пар генерируется в двух трубных пучках, один в слое и один над ним. Горячие дымовые газы приводят в действие газовую турбину, вырабатывающую электроэнергию. Система PFBC может использоваться для когенерации (пара и электричества) или для производства электроэнергии с комбинированным циклом. Работа в комбинированном цикле (газовая турбина и паровая турбина) повышает общую эффективность преобразования на 5–8 %.

Котел-утилизатор – Везде, где имеется отработанное тепло при средних или высоких температурах, устанавливается котел-утилизатор для экономичного производства пара. Пар может сбрасываться в паротурбинно-генераторную установку и вырабатываться на ней электроэнергия. Он широко используется для рекуперации тепла выхлопных газов.