Барабанные паровые котлы – разновидности конструкций

Барабанные паровые котлы – разновидности конструкций

Барабанные котлы – конструктивное исполнение бойлеров, где поверхности теплопередающих элементов заключены в стальной оболочке. Барабанные котлы нередко упоминаются как «жаротрубные» или «дымогарные», поскольку продукты сгорания в таких сооружениях проходят сквозь внутреннюю область пучка стальных труб. Таким образом, тепловая энергия передаётся от нагретых труб окружающей воде. Внутри барабанных котлов используются различные комбинации трубного размещения, включая разное число проходов. Благодаря технологическим вариациям, достигается нужный тепловой эффект от топлива, сжигаемого в печи котла.

Конструктивные детали барабанных котлов

Передаточная тепловая камера располагается непосредственно внутри бойлера. Такое решение позволяет увеличить площадь теплопередачи, а также даёт возможность нагревать котловую воду в точке, где тепло от печи достигает максимума — на задней стенке камеры.

Следует подчеркнуть: газы продуктов сгорания должны охлаждаться, по меньшей мере, до температуры 420°C в котлах с барабанами из стали и до 470°C для котлов с барабанами из легированной стали, перед тем, как продукты сгорания входят в передаточную камеру.

Температура, превышающая указанные значения, вызывает перегрев и растрескивание торцевых пластин. Конструкторы барабанных котлов учитывают этот важный момент, когда рассматривается возможность применения различных видов топлива.

Барабанный паровой котёл
Современная конструкция бойлера барабанного типа. Полностью автоматизированная тепловая установка высокой производительности

В общей сложности разработано несколько различных типов барабанных котлов. Ниже рассматриваются существующие и эксплуатируемые конструкции.

Ланкаширский барабанный котёл

Инженер из Шотландии — Сэр Уильям Фэйрбэрн, ещё в 1844 году сконструировал котёл барабанного типа, получивший название «Ланкаширский». Основу конструкции составил одноходовой локомотивный бойлер, созданный ранее британским инженером Ричардом Тревитиком.

Ланкаширские котлы применялись повсеместно. Подобные конструкторские экземпляры до сего дня находятся в эксплуатации. Именно эти конструкции бойлеров стали предшественниками современных и высокоэффективных конструкций, которые активно используются на современном этапе существования социума.

Котёл «Ланкашир» заключается в мощную стальную оболочку — барабан. Длина такого бойлера может составлять 5 — 9 м. Внутри барабана установлены две трубы большого диаметра, исполняющие функции дымоходов.

Часть каждого дымохода гофрирована. Так сделано специально для компенсации расширения по мере нагревания бойлерных труб и предотвращения возможного их разрушения от сильного давления.

Печь установлена непосредственно у входной части каждого дымохода в передней области барабана котла. Как правило, печь Ланкаширского котла предусматривалась под сжигание угля. Заполнение углём ведётся вручную либо автоматически.

Нагретые газообразные продукты сгорания проходят из печи через гофрированные дымоходы «Ланкашира» и нагревают стенки труб. Полученное тепло от горячих дымовых газов переносится в воду, окружающую трубы-дымоходы.

Конструктивные детали бойлера «Ланкашир»

Конструкция Ланкаширского котла
Конструкция «Ланкашир»: 1 — продувочный клапан; 2 — подача угля; 3, 4 — вода; 5 — внутренние дымоходы; 6 — паровой кран; 7 — антикоррозийная труба; 8 — смотровой люк; 9 — сигнальный свисток; 10 — предохранительный клапан; 11 — питание водой

Конструкция «Ланкашир» заключается в кирпичную кладку. Система кладки устроена так, чтобы горячие газы дымоходов пропускались внизу бойлера, передавая тепло через донную часть барабана. Затем газовый поток направляется обратным ходом по боковым сторонам.

Оба боковых канала встречаются на противоположной стороне барабанного котла «Ланкашир», объединяются и переходят в канал дымохода. Такой конструкцией проходов шотландский инженер пытался извлечь максимум энергии от продуктов сгорания, прежде чем эти продукты будут выброшены в атмосферу.

Несколько позже эффективность конструкции Ланкаширского бойлера улучшили за счёт добавления экономайзера. Поток газа уже после третьего прохода через экономайзер уходит в дымоход. Экономайзер подогревает питательную воду и способствует получению более эффективного теплового КПД.

Однако будучи удачной конструкцией, «Ланкашир» имеет и недостатки. Одним из выраженных недостатков Ланкаширского котла является периодическое нагревание и охлаждение барабана с последующим расширением и сжатием, что приводит к деформации кирпичной кладки и воздуховодов.

Экономические и эксплуатационные факторы «Ланкашир»

Этот вид барабанных котлов при сооружении считается дорогостоящим, так как требуется большое количество строительного материала и значительный объём рабочей силы, необходимой для строительства кирпичной кладки.

Таблица: основные рабочие характеристики Ланкаширского бойлера

Мощность Малая Большая
Габариты, м 5,5 х 2,0 9,0 х 3,0
Выход пара, кг/ч 1500 6500
Давление, атм <= 12 <= 12

Однако крупные габариты и водная ёмкость Ланкаширских барабанных котлов дают ряд существенных преимуществ:

  1. Резкие высокие потребности в паре, например при запущенном двигателе подкачки, легко переносятся, потому что результирующее снижение давления внутри барабана бойлера даёт обильное испарение воды при температуре насыщения.
  2. Ланкаширские котлы барабанного типа по большей части топятся вручную. Поэтому реакция на снижение давления и запрос большего количества топлива характеризуются медленным действием. Большой объем воды, даже при существенной разнице скорости пропаривания, не позволяет резко снизить уровень воды в барабане.
  3. Контроль уровня воды также выполняется вручную. Оператор либо запускает возвратно-поступательный механизм питательного водяного насоса, либо регулирует клапан подачи питательной воды, тем самым поддерживая желаемый уровень воды.
  4. Сигнал низкого уровня даёт поплавочный механизм. Если поплавок достигает заранее определённого уровня воды, срабатывает паровой свисток. Большая площадь поверхности воды по отношению к скорости пропаривания обеспечивает низкую скорость испарения.

Низкой скорости испарения, даже при содержании высокой концентрации растворяемых твердых веществ, вполне достаточно для разделения частиц пара и воды с последующей подачей сухого пара на установку.

Между тем, поскольку современные системы управления, материалы и технологии производства стали более сложными, надежными и экономически эффективными, конструкция современной котельной «Ланкашир» также существенно изменилась.

Экономичный котёл двухпроходный «сухой»

Двухпроходный экономичный котёл «сухого» типа представляет конструкцию, примерно в два раза меньшую, чем аналогичный бойлер «Ланкашир». При этом двухпроходный «сухой» экономичный агрегат имеет более высокую тепловую эффективность.

Двуходная экономичная конструкция
Двухходовая экономичная конструкция: 1 — горелка; 2 — первый проход; 3 — второй проход; 4 — дымовая труба; 5 — паровое пространство; 6 — выход пара; 7, 8 — вода

Первоначальная конструкция имела цилиндрическую внешнюю оболочку, содержащую два больших гофрированных дымохода, действующих как основные камеры сгорания. Горячие дымовые газы проходят через два дымохода печи к задней стороне конструкции.

Далее нагретый дым поступает во внутреннюю область кирпичной кладки (сухая задняя часть) и отводится сквозь пучок небольших металлических трубок, расположенных над дымоходами большого диаметра.

Этими трубками малого диаметра создаётся большая поверхность нагрева для воды. Дымовые газы выходят спереди конструкции и поступают в улитку вентилятора, при помощи которого нагнетаются в дымоход.

Таблица: основные рабочие характеристики экономичного бойлера на два хода

Мощность Малая Большая
Габариты, м 3 х 1,7 7,0 х 4,0
Выход пара, кг/ч 1000 15000
Давление, атм <= 17 <= 17

Экономичный котёл трехпроходный «мокрый»

Продолжением разработки двухпроходного экономичного барабанного котла явилось создание трехходовой конструкции «мокрого» типа, которая сегодня выступает стандартной конфигурацией барабанных бойлеров.

Трёхходовый экономичный котёл
Конструкция трёхходовки: 1 — горелка; 2, 3, 4 — ступени прохода продуктов горения; 5 — дымовая труба; 6, 7 — вода; 8 — область сбора пара; 9 — выход пара

Эта конструкция развивалась по мере появления новых материалов и технологий производства:

  • стали применяться более тонкие металлические трубки, позволяющие размещать большее количество единиц;
  • улучшилась скорость передачи тепла,
  • барабанные котлы стали более компактными.

Таблица: типичная теплопередача трехпроходного «мокрого» экономичного котла

Область труб, м2 Температура, ºС Передача тепла, %
1 ход 11 1600 65
2 ход 43 400 25
3 ход 46 350 10

Блочно-модульная котельная установка

Вначале 50-х годов XX века Министерство топлива и энергетики Великобритании спонсировало исследования, направленные на совершенствование котельных установок. Результатом этого события стал блочно-модульный котёл.

Оборудование блочно-модульного типа получили в результате дальнейшего совершенствования разработки трехходовой экономичной конструкции «мокрого» типа. Блочно-модульные котлы отличались тем, что в качестве топлива были рассчитаны под нефть, а не традиционный уголь.

Блочно-модульным котёл называется по причине поставки полного комплекта с горелкой, регуляторами уровня, питающей помпой и всеми необходимыми котельными принадлежностями и креплениями.

После доставки на место требуется смонтировать только паровую, водяную, продувочную трубопроводную сеть, а также сеть подачи топлива и электрические соединения для обеспечения работы этих сетей.

Развитие технологий также оказало значительное влияние на физический размер барабанных котлов подобного типа. Производители стремятся выпускать котлы меньших габаритов. Экономят на материалах и сохраняют конкурентоспособность продукта.

Эффективность оборудования также достигается за счет малой размерности барабана котла. Чем меньше барабан котла и площадь поверхности, тем меньше тепла теряется в окружающей среде.

В какой-то степени это приводит к всеобщему осознанию о необходимости изоляции и высокой производительности современных изоляционных материалов.

Таблица: сравнительные показатели барабанных бойлеров разных конструкций

Тип бойлера Топливо Длина, м Диаметр, м Эффективность, % Теплоотдача, кВт/м3 Выход пара, кг/м2
Ланкашир уголь 9,0 2,75 74 340 0,07
Эконом уголь 6,0 3,0 76 730 0,12
Модульный нефть 3,9 2,5 82 2330 0,20
Модульный газ 3,9 2,5 80 2600 0,20

О размерах и параметрах барабанных котлов

Владельцам котельных выгодно иметь барабанные котлы малых габаритов. Такой вариант сводит к минимуму количество площадей, необходимых для котельной.

Следовательно, увеличивается пространство, доступное под другие цели.

Котельные с меньшими габаритами (при той же паровой производительности) имеют тенденцию к снижению капитальных затрат.

Объемное тепловыделение (кВт /м³)

Этот коэффициент рассчитывается путем деления общего количества тепла на объем воды в котле. Коэффициент объёмного тепловыделения связывается эффективность выработки пара.

Имеется в виду пар, высвобождаемый при максимальной нагрузке и определённом количество воды в котле. Чем меньше это число, тем больше запас резервной энергии в котле.

Следует учитывать, что показатель для современного котла относительно Ланкаширского котла, больше примерно в восемь раз, что указывает на уменьшение накопленной энергии на аналогичную величину.

Современные барабанные котлы имеют ограниченное количество запасённой энергии. Такая разработка стала возможной благодаря системам управления, которые быстро реагируют и предпринимают соответствующие действия для защиты котла и удовлетворения спроса на паровую энергию.

Скорость выпуска пара (кг/м²/с)

Коэффициент скорости выпуска пара рассчитывается путем деления количества пара, производимого в секунду, на площадь водной плоскости. Чем ниже это число, тем большая вероятность выделения частиц воды из пара и получения «сухого» пара.

Стоит учитывать — показатель скорости выпуска пара современного барабанного котла больше почти в три раза. Этим фактором объясняются меньшие возможности для разделения пара и капель воды.

Тем более процесс разделения значительно усугубляется при пользовании водой с высоким уровнем TDS. Становится необходим точный контроль для эффективности и производства сухого пара.

В моменты быстро возрастающей нагрузки барабанный котёл испытывает снижение давления, что приводит к снижению плотности пара.

Увеличение скорости выделения пара способствует постепенному наращиванию более влажной паровой составляющей на выходе.

Четырёхпроходные барабанные паровые котлы

Четырехпроходные конструкции потенциально являются наиболее термически эффективными. Однако тип топлива и рабочие условия для систем на четыре прохода нередко становятся тормозящим фактором использования.

Когда этот тип агрегатов работает при низкой потребности пара с использованием тяжелого мазута или угля, передача тепла от продуктов сгорания достигает высоких значений.

В результате температура выходного дымового газа опускается ниже точки росы кислоты, что вызывает коррозию дымоходов и воздуховодов. Не исключаются также повреждения конструкции барабана котла.

Конструкция с четырьмя проходами также подвержена более высоким тепловым нагрузкам, особенно если внезапно возникают большие колебания нагрузки.

Такое состояние способно привести к трещинам и нарушениям конструкции котла. По этим причинам четырехпроходные котлы используются крайне редко.

Наперстный котёл с обратным пламенем

Наперстный котёл с реверсом
Бойлер-напёрсток с реверсом пламени: 1 — горелка; 2 — реверс пламени; 3 — вода; 4 — область пара; 5 — выход пара; 6 — выход дыма; 7 — трубы вокруг печи; 8 — область воды

Это один из вариантов конструкции обычного барабанного котла. Камера сгорания выполнена в форме наперстка, а горелка работает строго по центру камеры сгорания.

Пламя проходит двойное направление в камере сгорания, возвращаясь к передней области барабана.

Трубки, отводящие дым, окружают наперсточную часть камеры. Через эти трубки пропускаются дымовые газы к задней части котла и далее в дымоход.

Ограничения давления и мощности барабанных котлов

Напряжения, которые могут налагаться на барабанный котёл, ограничены национальными стандартами. Максимальное напряжение, действующее на корпус барабана, характеризуется как «обруч» или «окружное» усилие. Величину этого напряжения можно рассчитать, используя уравнение:

Ơ = P*D / 2x

Получается логичный вывод: стягивающая нагрузка центробежного характера увеличивается по мере увеличения диаметра. Чтобы компенсировать эту нагрузку, производители барабанных котлов используют более толстую сталь.

Однако более толстая сталь сопровождается сложностями проката. К тому же может потребоваться съём напряжения с пластин толщиной более 32 мм.

Одной из проблем при изготовлении котла является прокатка пластин для оболочки. Рулонные валики не в состоянии выгибать концевые части пластин. Следовательно, остаётся плоская составляющая.

Когда барабанный котёл находится в работе и под давлением, барабанная оболочка из пластин, сваренных вместе, имеет круглое поперечное сечение. Когда же барабанный котёл выведен из работы, пластины приобретают форму «свернутых».

Этот цикл способен вызвать усталостные разрушения (трещины) на некотором расстоянии от сварных швов. Поэтому инспекция барабанных котлов требует периодических проверок для определения точности кривизны барабанной оболочки.

Теплопередача через трубы печи осуществляется путем проводимости. Таким образом, толстая пластина не проводит тепло так же быстро, как проводит тонкая пластина. Но более толстая пластина способна выдерживать большую силу давления.

Эти критерии особенно важны для труб печей, где температура пламени может достигать 1800°C. Поэтому необходимым видится достижение баланса, когда:

  1. Наличие толстых пластин обеспечивает прочную конструкцию.
  2. Наличие тонких пластин способствует быстрой передаче тепла.

По материалам: Pointing.spiraxsarco


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *