Котлоагрегаты. Устройство котельной

Испокон веков человек стремился устроить свой быт. Первобытные люди для обогревания себя и для приготовления пи щи пользовались огнем, разводя его прямо на земле (костер); для варки пищи сосуд с нею ставился сверх огня на камни, которые позднее заменились таганами. Костры затем уступают место: очагам, поддерживающим груду камней, на которых сжигается топлива; треножникам, поддерживающим особые сосуды для топлива, или переносным сосудам для угля. Этим последним придавалась иногда форма тележек, в каком виде они употреблялись до недавнего времени для обогревания жилищ в Италии, Испании и на юге Франции. В древнем Риме общественные здания иногда отапливались следующим способом: полы первого этажа делались из плит, перекрывающих подвальные столбы; между этими столбами циркулировал дым от топок, помещавшихся внизу или вне здания. Подобное же устройство применялось с давних пор для некоторых зданий в северном Китае. Все эти и другие примитивные приборы отличаются отсутствием дымовых труб, которые впервые появляются у римлян ко времени Сенеки, но применяются крайне редко. Началом введения дымовых труб следует считать лишь XII век, когда на северо-западе Европы появляются камины, на юге же Европы еще писатели начала XIV века упоминают о них, как о предметах роскоши. В России первообраз нагревательного прибора - курная печь (без трубы). Она служит для приготовления пищи и состоит из глиняного горизонтально поставленного короба с одним отверстием (очелком) для наполнения топливом и для выхода дыма в избу. Дым удаляется в волоковое окно – отверстие в стене у потолка. Время введения в России первых дымовых труб неизвестно, но иностранные путешественники начала XVII века упоминают в своих описаниях о наших глиняных и изразчатых печах с трубами (в домах более состоятельных горожан). Топка таких печей производилась из коридора или сеней.

Время шло, и огонь стал средством обогрева человеком своего жилища. Его потребность в наши дни стала минимальной, но не менее значимой. Температура является одним из важных факторов микроклимата жилых помещений, а она напрямую зависит от работы котельной. Основной целью работы является изучение прикладного характера знаний о тепловых явлениях на примере поселковой котельной.

Глава I «Котлоагрегаты. Устройство котельной»

1. Котлоагрегат и его назначение

Котлоагрегат – котельный агрегат, конструктивно объединенный в единое целое комплекс устройств для получения под давлением пара или горячей воды за счет сжигания топлива. Главной частью котлоагрегата являются топочная камера и газоходы, в которых размещены поверхности нагрева, воспринимающие тепло продуктов сгорания топлива (паронагреватель, водяной экономайзер, воздухонагреватель). Элементы котлоагрегата опираются на каркас и защищены от потерь тепла обмуровкой и изоляцией.

Котлоагрегаты применяются на тепловых электростанциях для снабжения горячей воды на промышленных и отопительных котельных для выработки пара и горячей воды на технологические и отопительные нужды; в судовых котельных установках. Конструкция котлоагрегата зависит от его назначения, вида применяемого топлива и способа сжигания, единичной производительности, а так же от давления и температуры вырабатываемого пара или воды.

В топочной камере котлоагрегата происходят сгорание топлива и частичное охлаждение продуктов сгорания в результате лучистого теплообмена нагретыми газами и покрывающими стены топочной камеры трубами по которым циркулирует охлаждающая их среда (вода). Система этих труб называется топочными экранами. На выходе из топки газы имеют температуру порядка 1000 град. С. Для дальнейшего охлаждения газов на их пути в виде ширм - трубчатых змеевиков , собранных в плоские пакеты труб. Теплообмен в ширмовых поверхностях осуществляется излучением и конвекцией, поэтому часто такие поверхности называются полурадиационными. Пройдя ширмовой водонагреватель, газы с температурой 800 – 900 град. С поступают в конвективные водонагреватель, представляющие собой пакеты труб. Теплообмен в этих и последующих поверхностях нагрева осуществляется в основном конвекцией, и они называются конвективными. После водонагревателя на пути газов, имеющих температуру 600 – 700 град. С, устанавливается водяной экономайзер, а далее воздухоподогреватель, в котором газы охлаждаются до 130-170 град. С.

По типу котла котлоагрегаты делятся на несколько видов, в этой работе будут рассмотрены только водогрейные котлы.

2. Водогрейные котлы

Водогрейным котлом называется устройство с топкой, обогреваемое продуктами сгорания топлива и предназначенное для нагрева воды, находящейся под давлением выше атмосферного и используемой в качестве теплоносителя вне самого устройства. Водогрейные котлы изготовляются из чугуна и стали. Котлы, эксплуатируемые на котельной школы, являются стальными.

Водогрейные котлы характеризуются рядом величин, которые тесно связаны между собой. Одной из основных характеристик является тепловая мощность (теплопроизводительность). Теплопроизводительностью водогрейного котла называется отношение количества теплоты, воспринимаемой водой в водогрейном котле, ко времени работы. Эту величину выражают в ваттах, для практических целей часто используют кал/ч. Между внесистемной единицей (кал/ч) и ваттом существуют следующие соотношения:

1 ккал/ч = 1,163 Вт;

1 Мкал/ч = 1,163 кВт;

1 Гкал/ч = 1,63 МВт.

Поверхностью нагрева водогрейного котла называется поверхность, которая с одной стороны омывается газообразными продуктами сгорания, а с другой стороны водой.

Тепловым напряжением поверхности нагрева называется отношение тепловой мощности (Ф) котла к площади поверхности нагрева его (S) Ф/S. Единица измерения теплового напряжения - кВт/м2 и Мкал/(ч·м2), между которыми существует следующее соотношение: 1 Мкал/(ч·м2) = 1,163 кВт/м2.

3. Основные составные части котельной установки

3. 1 Тяго- дутьевые устройства

Движение дымовых газов по газоходам котельной установки происходит при помощи тяговых устройств. Воздух в топку подается либо за счет имеющегося в ней разряжения, либо дутьевыми устройствами.

В любой котельной установке в том или ином виде необходимы тяговые устройства. Простейшее тяговое устройство – дымовая труба – создает в газоходах (дымоходах) котельной установки разряжение, или, как принято говорить естественную тягу, т. е. давление ниже атмосферного.

В современных отопительно-производственных котельных установках не всегда хватает естественной тяги, в этих случаях создают искусственную тягу с помощью дымососов, которые представляют собой центробежные вентиляторы с устройством водяного охлаждения подшипников. Дымосос присоединяется к борову перед дымовой трубой (см. приложение).

В качестве дутьевых устройств используют обычные вентиляторы. Необходимость дутья определяется типом сжигаемого топлива. При сжигании твердых сортов топлива дутьем преодолевается сопротивление колосниковой решетки, слоя топлива и шлака, образующегося в процессе горения.

3. 2 Подпитывающие и циркуляционные (сетевые) насосы

Устройства, обеспечивающие подачу воды в паровые котлы, называют питательными. В водогрейных котельных установках насосы служат для создания циркуляции в системе.

В качестве циркуляционных (сетевых) используют непременно два центробежных насоса, один из которых является рабочим, а другой – резервным. Необходимо помнить, что напор, создаваемый подпиточным и сетевым насосами, должен исключать вскипание воды в котле и в системе. Вместо одного подпитывающего насоса разрешается использовать водопроводную сеть в том случае, если давление в водопроводной сети непосредственно у места присоединения его к котлу выше суммы статистического и динамического давления не менее чем на 1,147 МПа.

3. 3 Расширительный бак

Расширительный бак в системе водяного отопления предназначен для удаления воздуха из системы отопления и предотвращения повышения давления воды в системе сверх допустимого при ее нагреве. На трубопроводе, соединяющий расширительный бак с системой отопления запрещается устанавливать какие-либо запорные или регулировочные устройства.

3. 4 Золоулавливающие устройства и шлакоудаление

При сжигании твердого топлива вместе с дымовыми газами в трубу уносится большое количество твердых частиц летучей золы и несгоревшего топлива (унос). Вынесенные таким образом зола и несгоревшие мельчайшие частицы загрязняют атмосферу окружающей местности. Выбрасываемая в атмосферу летучая зола очень мелкая и легко проникает в глаза и легкие человека, нанося вред здоровью. В связи с этим дымовые газы перед выбросом их в атмосферу необходимо очищать от золы и уноса в специальных устройствах – золоуловителях, которыми оборудуют современные котельные, работающие на твердом топливе. Золоуловители не устанавливают в том случае, когда АрВ < 5000, где Ар – зольность топлива, %; В – расход топлива, кг.

Для очистки дымовых газов от летучей золы в котельных применяют сухие золоуловители-циклоны.

отдельный циклон (см. приложение) работает следующим образом. Дымовые газы скоростью 20-25 м/с по касательной к цилиндрической части подаются в циклон, где совершают спирально-вращательное движение. В результате этого движения частицы золы прижимаются к внутренней поверхности корпуса циклона и, теряя скорость, выпадают в бункер. Очищенные газы через внутреннюю трубу циклона проходят вверх и удаляются в атмосферу. Чем меньше диаметр циклона, тем более полно им улавливаются твердые частицы.

Циклоны устанавливают за котлом, как правило, перед дымососом для предохранения его от истирания и заноса золой.

При сжигании твердого топлива образуется зола и шлак, которые остаются на колосниковой решетке. В котельных, оборудованной котлами малой мощности, шлак удаляется вручную или механически.

Ручное удаление применяют при выходе золы и шлака не более 150 кг/ч: выгребают из топки на пол, заливают водой, вручную погружают в вагонетки и увозят в отвалы.

3. 5 Контрольно-измерительные приборы и арматура

На водогрейном котле установлены: термометры, манометры, предохранительные клапаны, водопробный кран, вентиль на линии аварийного сброса воды, продувочные и спусковые вентили, задвижки на линии входа и выхода воды из котла.

Манометры служат для показания давления воды в котле и сети. Один манометр размещают на линии горячей воды между котлом и запорным устройством, другой - на линии входа воды. Кроме того, их устанавливают на всасывающей и нагнетательной линиях сетевых насосов.

Термометры на водогрейном котле служат для измерения температуры воды, выходящей из котла и входящей в котел. Один термометр размещают на линии горячей (выходящей из котла) воды, обязательно между котлом и запорным устройством, другой - на линии входа воды.

Предохранительные клапаны устанавливаются на водогрейном котле или патрубках, непосредственно присоединенных к котлу. На каждом водогрейном котле должно быть не менее двух предохранительных клапанов, они должны быть отрегулированы на давление не более 1,08 рабочего давления в котле.

Линия аварийного сброса воды служит для предотвращения резкого повышения давления и температуры воды в котле при остановке сетевых насосов по каким-либо причинам. Ее присоединяют к выходной линии котла на участке между котлом и запорным устройством.

Глава II «Процессы горения в котельной установке»

1. Топливо, виды топлива и характеристика каменного угля Кокуйского месторождения

Топливом называются горючие вещества, выделяющие при сжигании значительное количество тепловой энергии. По физическому состоянию все виды топлива делятся на твердые, жидкие и газообразные. В свою очередь эти виды делятся на естественные и искусственные (см. приложение).

Топливо Твердое Жидкое Газообразное

Естественное Дрова, торф, сланцы, Нефть Природный газ, попутный газ нефтяных

Бурый уголь, каменный месторождений уголь, антрациты

Искусственное Древесный уголь, торфяной кокс, Мазут, соляровое масло, Коксовый газ, доменный газ, генераторный каменноугольный кокс, брикеты, керосин, лигроин, бензин, газ, подземный газ, газы переработки нефти пылеугольное топливо и др. спирт и пр.

Естественным называется такое топливо, которое применяется в том виде, в каком оно находится в природе, без переработки. Искусственным называется такое топливо, которое люди получают из естественного топлива путем физической или химической его переработки.

Рабочая масса топлива независимо от внешнего вида и физического состояния (дрова, торф, каменные угли и т. д. ) состоит из следующих основных элементов: углерода Ср, водорода Нр, кислорода Ор, азота Nр, летучей серы Sлр. Кроме того, в состав топлива входят вода Wр и зола Ар.

Сумма всех веществ, входящих в состав рабочей массы топлива, равна 100%:

Ср + Нр + Ор + Nр + Sлр + Wр + Ар = 100%

Не все вещества, входящие в состав рабочего топлива, являются горючими. Из всех указанных выше веществ горючими являются только углерод Ср , водород Нр и летучая сера Sлр. Все остальные вещества, входящие в состав топлива, негорючие. Рассмотрим подробнее, что же представляют горючие вещества.

Углерод в свободном состоянии встречается в природе (в виде алмаза, графита). В топливе углерод находится в виде соединения с другими элементами, количество его колеблется от55 до 95%. Углерод – высококалорийный горючий элемент. При полном сгорании 1 кг углерода выделяется около 33 939 кДж тепла.

Водород при обыкновенной температуре представляет собой бесцветный газ, не имеющий запаха. При температуре ниже -240оС под давлением водород превращается в бесцветную жидкость, кипящую при температуре -252,8оС (при атмосферном давлении). Если быстро испарять эту жидкость, то образуется твердый водород в виде прозрачных кристаллов, плавящихся при температуре - 259,2оС. Водород – самый легкий из всех газов – он почти в 134,5 раза легче воздуха. Масса 1 л водорода при нормальных условиях равна 0, 09 г.

Водород является самым лучшим горючим веществом в горючей массе топлива: при сгорании 1 кг водорода с образованием водяных паров выделяется 121 091 кДж (28 900 ккал) тепла.

Сера представляет собой твердое хрупкое кристаллическое вещество желтого цвета. Она плавится при 112,8оС. Несмотря на то, что при горении 1 кг серы выделяется 10 475 кДж (2500ккал) тепла, примесь ее в топливе нежелательна, так как продукты сгорания серы разъедают отдельные части котла и загрязняют окружающий воздух.

Кислород и азот, находящиеся в топливе, при горении не выделяют тепло, так как они не являются горючими веществами. Кислород участвует в реакции горения, а азот как инертный газ в реакции горения не участвует. Из топлива азот попадает в отходящие газы и вместе с ними в свободном состоянии удаляется через трубу.

Содержание влаги в рабочей массе топлива очень вредно, потому что влага уменьшает долю горючих частей в единице массы или объема топлива. Кроме того, при горении топлива она испаряется , на что расходуется часть тепла.

Зола - негорючая часть топлива, которая состоит из различных веществ , входящих в состав минеральных примесей металлов, окислов кремния, железа, алюминия и пр. , а также сульфатов кальция и магния - CaSO4 и MgSO4. Присутствие в топливе золы уменьшает количества тепла, даваемого единицей массы топлива.

Важнейшей физической характеристикой рабочей массы топлива является теплота сгорания топлива (удельная теплота сгорания топлива). Теплотой сгорания топлива называется количество тепла, выделяющегося при полном сгорании топлива. Ее определяют отношением теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива, к массе сгоревшего топлива, т. е.

q = Q/m, где Q – теплота, выделяющаяся при полном сгорании топлива; m – масса топлива.

Теплота сгорания топлива зависит от содержания горючих веществ в единице массы рабочего топлива. Чем больше в топливе горючих веществ, тем больше теплота его сгорания. Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива.

2. Процессы горения в котельной установке

Процесс химического соединения горючих элементов топлива с кислородом воздуха, сопровождающийся резким повышением температуры и выделением значительного количества теплоты, называется горением. В результате горения топлива образуются дымовые газы и остатки топлива в виде золы. Различают два вида горения6 гомогенное и гетерогенное.

Если горючие вещества топлива и кислород воздуха (окислитель) находятся в одной газовой фазе, как, например, при горении газообразного топлива, то такое горение называют гомогенным. Если топливо и кислород воздуха имеют различное агрегатное состояние, как, например, при горении каменного угля и т. д. , то такое горение называется гетерогенным, так как горение происходит на поверхности раздела двух фаз (горение углерода в воздухе)

Для нормального устойчивого горения кроме достаточного количества воздуха требуется предварительный нагрев топлива до определенной температуры - температуры воспламенения. В зависимости от химического состава каждое топливо имеет свою температуру воспламенения: торф +225, дрова +300, бурый уголь +300-400, каменный уголь +450-500 и антрацит +700-750. Чем больше выделяется летучих веществ при разложении топлива, тем ниже температура воспламенения. Температура воспламенения мазута +500, газообразного топлива +600-700 оС.

Кроме того, для непрерывного и длительного горения топлива необходимо также непрерывно отводить из топки продукты сгорания.

При сжигании топлива, т. е. при окислении его горючих элементов, в результате химических процессов между углеродом, водородом и серой получаются следующие продукты горения:

C + O2 = CO2 – углекислый газ;

S + O2 = SO2 - сернистый газ;

2H2 + O2 = 2H2O – водяной пар;

2 C + O2 = 2CO – окись углерода.

Продукты сгорания (дымовые газы) без водяных паров называются сухими газами. Полным называется горение при котором топливо сгорания выделяет то количества тепла, которое оно содержит в себе. В этом случае отходящие из топки газы не будут содержать горючих веществ. Если в составе дымовых газов имеется окись углерода (горючий газ), то такое горение называется неполным, а если она отсутствует – полным.

Что же необходимо для полного горения? Для полного горения необходимы:

✓ высокая температура (не ниже 1000 оС);

✓ постоянный приток достаточного количества воздуха в топку и хорошее перемешивание его с топливом;

✓ достаточный объем топочного пространства;

✓ постоянный отвод из топки продуктов сгорания.

Практически добиться полного сгорания топлива в котельной установке нельзя. Неполное горение происходит по целому ряду причин приводящих к потере тепла: механической неполноты сгорания топлива - 4% (унос в атмосферу с дымовыми газами частичек мелкого топлива), потери теплоты котельной установки в окружающую среду и с теплотой удаляемого шлака и золы– 2%, химической неполноты сгорания топлива – 4%, с уходящими дымовыми газами – 20%.

Определить на практике полное или неполное горение можно по цвету пламени. Если цвет пламени соломенно-желтый при горении твердого топлива или прозрачно-голубоватый без желтых языков при горении газообразного топлива, значит горение полное. Если цвет пламени красный или желтый с дымными полосами, значит горение неполное. Это объясняется тем, что сгорает не весь углерод, имеющийся в топливе. В горючих газах остается много несгоревших, но разогретых до красна частичек углерода в виде сажи, которые и придают пламени красный или желтый цвет с дымными полосами. В этом случае при сгорании углерода образуется не углекислый газ, а окись углерода СО. Реакция горения выражается уравнением С + О = СО. При этом тепла выделится намного меньше, чем при полном горении. При полном горении1 кг углерода выделяется 33 939 кДж тепла (8100 ккал), а при неполном - только 10 056 кДж (2400 ккал). .

Процесс горения напрямую зависит от количества воздуха, поступающего к топливу в процессе горения. Количество воздуха, необходимого для полного сгорания 1 кг топлива, называется теоретически необходимым количеством воздуха, например, для полного сгорания угля необходимо 3 м3 воздуха, природного газа – 9,5 м3, мазута – 10 м3, антрацита – 7 м3. Но для обеспечения полного сгорания топлива в топку подают воздуха немного больше теоретически необходимого количества. Число, показывающее, во сколько раз действительное количество воздуха больше теоретически необходимого, называется коэффициентом избытка воздуха. (ά = действительное количество воздуха/ теоретическое количество воздуха, где ά – коэффициент избытка воздуха).

Коэффициент избытка воздуха определяется анализом дымовых газов. Чем совершеннее топочное устройство и лучше перемешивание частиц топлива с воздухом, тем меньше коэффициент избытка воздуха. А чем меньше избыток воздуха, тем выше температура горения и тем меньше потери с отходящими дымовыми газами.

3. Потери тепла

Потери тепла с уходящими дымовыми газами зависит от температуры уходящих дымовых газов и коэффициента избытка воздуха.

Для уменьшения потерь тепла с уходящими дымовыми газами устанавливают водяной экономайзер и содержат в чистоте поверхность нагрева котла, а также не допускают большого избытка воздуха в топке. Температура уходящих дымовых газов не должна превышать 180оС, а коэффициент избытка воздуха в зависимости от сжигаемого топлива должен быть 1,05 – 1,8.

Главные причины потерь тепла от химической неполноты сгорания: недостаток воздуха; низкая температура в топке; неправильное распределение воздуха и недостаточный объем топочного пространства. Чтобы свести к минимуму потери тепла от химической неполноты сгорания, необходимо:

• забрасывать топливо чаще и мелкими порциями;

• не держать долго открытой шуровочную дверку, так как холодный воздух, попадая в топку, охлаждает ее;

• не допускать прогаров и шлакования колосниковой решетки (прогары способствуют неравномерному распределению воздуха по слою топлива, а зашлакованная решетка препятствует прохождению воздуха в топку).

Потери тепла от механической неполноты сгорания топлива происходят вследствие:

• провала мелких частиц несгоревшего топлива в прозоры колосников;

• выгреба со шлаком частиц несгоревшего топлива;

• выноса мелких частиц в газоходы котла.

Для уменьшения потерь тепла от механической неполноты сгорания топлива необходимо:

• установить размеры прозоров между колосниками в соответствие со сжигаемым топливом;

• не допускать выгреба несгоревших частиц топлива вместе со шлаком;

• предотвращать унос мелких несгоревших частиц топлива в дымоходы путем тщательного перемешивания мелочи с кусками топлива и выбора наилучшего режима работы топки.

Потери тепла в окружающую среду происходят вследствие охлаждения металлических частей котла и его обмуровки.

4. Понятие о коэффициенте полезного действия

Коэффициентом полезного действия (КПД) котельной установки называется отношение количества использованного тепла ко всему теплу, выделившемуся в топке при сгорании топлива.

При определении КПД брутто, т. е. КПД котельной установки без учета собственных нужд котельной (на дутьевые вентиляторы, питательные насосы и т. п. ). КПД нетто меньше, чем КПД брутто, так как при его расчете учитываются расходы тепла и энергии на собственные нужды котельной установки. Если помимо тепловой электроэнергии расходуется на собственные нужды электроэнергия, то ее переводят в расходуемую тепловую. Для этого подсчитывают суммарную мощность, кВт·ч, служебных расходов и умножают на удельный расход тепла на 1 кВт·ч выработанной электроэнергии.

КПД котельной установки во многом зависит от качества работы обслуживающего персонала котельной. Чем лучше машинисты обслуживают котлоагрегаты, тем меньше потери от химической и механической неполноты сгорания.

Кроме того, на КПД котельной установки влияет состояние поверхностей нагрева котла. Чем чище поверхности нагрева котла, т. е. чем меньше они загрязнены накипью и сажей, тем меньше потери с отходящими газами, тем лучше используется теплота сжигаемого топлива, а следовательно, тем выше КПД котельной установки.

В ходе работы были сделаны следующие выводы:

• Основная цель, поставленная в начале работы, была достигнута. В процессе работы котельной используются следующие физические явления: конвекция, теплопередача, излучение, горение и т. д.

• Горение в топках котлов неполное, что визуально определяется по цвету пламени.

• Чтобы свести к минимуму потери тепла от химической неполноты сгорания, необходимо:

✓ забрасывать топливо чаще и мелкими порциями;

✓ не держать долго открытой шуровочную дверку, так как холодный воздух, попадая в топку, охлаждает ее;

✓ не допускать прогаров и шлакования колосниковой решетки (прогары способствуют неравномерному распределению воздуха по слою топлива, а зашлакованная решетка препятствует прохождению воздуха в топку).

• Для уменьшения потерь тепла от механической неполноты сгорания топлива необходимо:

✓ установить размеры прозоров между колосниками в соответствие со сжигаемым топливом;

✓ не допускать выгреба несгоревших частиц топлива вместе со шлаком;

✓ предотвращать унос мелких несгоревших частиц топлива в дымоходы путем тщательного перемешивания мелочи с кусками топлива и выбора наилучшего режима работы топки.

• На базе этой работы возможен проект по теме « Влияние работы поселковой котельной на окружающую среду».