Проектирование паровых котельных

Введение

Котельной установкой называют совокупность устройств и механизмов, предназначенных для производства водяного пара или приготовления горячей воды. Водяной пар используют для привода в движение паровых двигателей, для нужд промышленности и сельского хозяйства, и отопления помещения. Горячую воду предназначают для отопления производственных, общественных и жилых зданий, для коммунально-бытовых нужд населения.
По роду производимого теплоносителя различают установки с паровыми и водогрейными котлами. По назначению паровые котельные агрегаты делят на промышленные, устанавливаемые в производственные и отопительные котельные, которые устанавливают в котельных тепловых электрических станций. По типу паровые котлы можно разделить на вертикально-цилиндрические, вертикально-водотрубные с развитой испарительной поверхностью нагрева и экранные. Современная паровая котельная установка представляет собой сложное сооружение.
Основной частью её является собственно паровой котел, в котором осуществляется превращение воды в насыщенный пар. Однако в настоящее время собственно паровой котел с целью повышения экономичности котельной установки дополняется пароперегревателем, водяным экономайзером и воздухоподогревателем.
1. Классификация паровых котлов и устройство. Котел – это устройство, предназначенное для получения пара с давлением выше атмосферного или горячей воды за счет тепла, выделяемого при сжигании топлива. Может использовать энергию топлива, сжигаемого в своей топке, электрическую энергию (электрический паровой котёл) или утилизировать теплоту, выделяющуюся в других установках (котлы-утилизаторы).
Котел (рис. 1, 2) является сложным техническим объектом с большим числом связанных между собой элементов, работающих в условиях высоких температур и напряжений. Вместе с этим он является одним из основных элементов энергоблока и от его надежной и эффективной работы зависят эти показатели для блока в целом. Известно, что в процессе эксплуатации котла эти показатели ухудшаются. Снижение надежности может привести к авариям и большим затратам на ее ликвидацию. Ухудшение экономичности приводит к увеличению расхода топлива. Эти два показателя связаны между собой, поэтому в работе они рассматриваются вместе, то есть это будет система комплексной диагностики.
Рисунок 1. Паровой котел
Рисунок 2. Схема парового котла
1 – конденсатоотводчик;
2 – предохранительный клапан;
3- манометр;
4 - теплообменник
По назначению бывают:
Энергетические паровые котлы — предназначены для производства пара, использующегося в паровых турбинах.
Промышленные паровые котлы — вырабатывают пар для технологических нужд, так называемые «промышленные парогенераторы».
Паровые котлы-утилизаторы — используют для получения пара вторичные энергетические ресурсы теплоту горячих газов, образующихся в технологическом цикле. Энергетические котлы-утилизаторы в составе ПГУ используют теплоту уходящих газов ГТУ.
По параметрам пара:
- котлы, работающие на низком (0,88 МПа);
- среднем (1,36, 2,36 и 3,9 МПа);
- высоком (9,8 и 13,8 МПа);
- критическом (16 МПа);
- сверхкритическом (24 МПа) давлении.
Достижения современной науки и техники в области получения новых конструкционных материалов и сталей позволили создать новые типы паровых котлов, работающих на сверхкритическом давлении (до 30 и более МПа). Паровые котлы малой паропроизводительности (до 20 т/ч) выпускаются на низкое и среднее давление пара. Они получили значительное распространение и широко используются для технологических и хозяйственных нужд, входят в состав стационарных и передвижных котельно-отопительных установок.
Котлы средней производительности (до 100 т/ч) – это, как правило, котлы среднего давления с умеренной температурой перегретого пара (425–450°С) – широко используются в качестве источника технологического пара на промышленных предприятиях.
Энергетические паровые котлы выпускаются на среднее и высокое давление пара и имеют паропроизводительность от 100 до 640 т/ч. Эти котлы устанавливаются на небольших теплоэлектроцентралях и промышленных предприятиях и предназначаются для выработки электроэнергии, получения водяного пара или горячей воды для технологических нужд и нужд отопления. Котлы энергоблоков ТЭС (КЭС и ТЭЦ) имеют паропроизводительность до 3600 т/ч и выпускаются на среднее, высокое, сверхкритическое и суперсверхкритическое давление пара. Они предназначены для обеспечения выработки электроэнергии и теплофикации населенных пунктов.
Основными элементами котла являются топка и теплообменные поверхности. Специальное устройство котла, в котором происходит сжигание топлива, называется топкой или топочной камерой. Некоторые типы котлов, например, котлы-утилизаторы, не имеют топки.
Рисунок 3. Паровой котел Ici Caldaie

1. Топочное устройство – служит для сжигания топлива и превращения его химической энергии в тепло нагретых газов. 
2. Водяной экономайзер – представляет собой трубчатый теплообменник, в котором питательная вода перед поступлением в котел подогревается за счет тепла уходящих газов. При использовании экономайзера значительно снижается температура уходящих газов, что существенно повышает экономичность котлоагрегата.  Водяные экономайзеры изготовляют чугунными (p < 2,4 МПа) и стальными (р > 2,4 МПа). По степени подогрева питательной воды экономайзеры разделяются на некипящие и кипящие. В экономайзере некипящего типа вода максимально подогревается на 20-30 градуса Цельсия ниже температуры кипения.
2. Принцип работы парового котла Источником тепла для нагрева воды в паровом котле может быть любой вид энергии: солнечная, геотермальная, электрическая, тепло от сгорания твёрдого топлива или газа. Образующийся пар является теплоносителем, он переносит тепло сгорания топлива к месту его применения.
Рисунок 4. Принцип работы парового котла ТЭС.
1 — топочная камера (топка);
2 — горизонтальный газоход;
3 — конвективная шахта;
4 — топочные экраны;
5 — потолочные экраны;
6 — спускные трубы;
7 — барабан;
8 — радиационно-конвективный пароперегреватель;
9 — конвективный пароперегреватель;
10 — водяной экономайзер;
11 — воздухоподогреватель;
12 — дутьевой вентилятор;
13 — нижние коллекторы экранов;
14 — шлаковый комод;
15 — холодная коронка;
16 — горелки.
На схеме не показаны золоуловитель и дымосос.
В различных конструкциях паровых котлов используется общая схема подогрева воды и её превращения в пар:
Вода очищается и подаётся в резервуар с помощью электронасоса. Как правило, резервуар расположен в верхней части котла.
Из резервуара по трубам вода стекает вниз в коллектор.
Из коллектора вода поднимается снова вверх через зону нагрева (горения топлива).
Внутри водной трубы образуется пар, который под действием разницы давлений между жидкостью и газом поднимается вверх.
Вверху пар проходит через сепаратор. Здесь он отделяется от воды, остатки которой возвращаются в резервуар. Дальше пар поступает в паропровод.
Если это не простой паровой котёл, а парогенератор, то его трубы вторично проходят через зону горения и нагрева.
3. Этапы и цели при проектировании паровых котельныхЧто собой представляется проектирование паровой котельной? – Это инженерная разработка установки для производства тепла, в которой воплощаются все технические параметры, указанные заказчиком на стартовом этапе сотрудничества. После предварительный грамотных расчетов и составления документации, соблюдения и учета всех законодательных и стандартизированных параметров, давление пара должно находиться в диапазоне от 0,7 до 90 кг/см квадратный. Но это далеко не одно базовое требование для интенсивной и безопасной эксплуатации. По всей системе оборудования необходимо установить специальные датчики, а именно:
Отводчики конденсата;
Прерыватели вакуума.
Инженеры и другие профильные специалисты в процессе составления проекта не только рассчитывают КПД и мощность, но также наперед оценивают окупаемость и берутся даже спрогнозировать эксплуатационные показатели.
Основные моменты в проектировании
Во время подготовительного этапа создается общая концепция объекта, происходит уточнение и согласование с заказчиком всех важных и необходимых этапов. Согласно правилам, необходимо поставить на учет в Ростехнадзоре тепловые установки, поскольку они работают при температуре более 1150 градусов. При проектировании паровых котельных   не только производятся полевые исследования и замеры всех объектов, но еще и собирается максимально полная техническая информация о котельной или о месте, где она будет возведена.
Принципиальные требования во время разработки проекта:
Подбор согласно техническим характеристикам основного оборудования;
Характеристики воды, а именно концентрация солей, объем и количество растворенных газов, максимальное и рабочее давление, общая жесткость;
Характеристика потребителей пара;
Особенности вида основного топлива;
Технические особенности пара, как давление, температура и расход.
В обязательном порядке во время расчета учитывается локация и геодезия места и климатическая зона. Когда вся документация составлена и проверена государственными органами, можно переходить к активной фазе воздвижения паровой котельной. Специалисты проводят авторский надзор и контроль до этапа завершения строительства и непосредственно сдачи промышленного объекта в эксплуатацию. Профессиональная компания возьмется провести проектирование котельной, независимо от ее мощности и места. Большой плюс, что компания имеет все необходимые разрешения и сертификаты на этот вид работ,
Краткое описание котельной
Котельная установка предназначена для производственных целей и оборудована паровым котлом типа ДЕ-25-14ГМ. Максимальная паропроизводительность котельной  (т/ч). Конденсат возвращается в количестве 80% при температуре 70о С. Давление пара, необходимое потребителю, равно 7ат. Обычно потребность в паре для технологических потребителей составляет: летом  » (т/ч), в зимнее время – до 8 т/ч. Т.е., как в летнее время, так и в зимнее обычно работает один котёл.
4. Описание тепловой схемы существующей котельной1. Насыщенный пар из котла 1 с давлением  атм поступает в общую паровую магистраль котельной, из которой часть пара отбирается на привод резервного парового поршневого насоса.
2. К основным производственным потребителям пар направляется с давлением 7ат после прохода через редуктор.
3. С этим же давлением пар используется для нагрева питательной воды в деаэраторе 4 и исходной воды в пароводонагревателе.
4. Возврат конденсата по линии 13 от потребителей осуществляется в конденсатный бак 12, откуда он при помощи конденсатных насосов 11 подаётся в деаэратор. В него поступает также предварительно обработанная водопроводная вода, восполняющая потери конденсата, а также конденсат от пароводонагревателя.
5. Для уменьшения потерь тепла с продувочной водой устанавливается сепаратор непрерывной продувки.
6. В сепараторе за счёт снижения давления с 7 до 1,7атм частично выделяется пар вторичного вскипания, который направляется в деаэратор, а остаточная продувочная вода охлаждается до 40Сo в водоводяном теплообменнике 7, после чего сбрасывается в барботёр 8, а затем в дренаж. Исходная водопроводная вода с температурой 5Сo , подаваемая насосом 9, нагревается в теплообменнике 5 до 25Сo , затем проходит химическую водоочистку 10 и теплообменник 7, в котором нагревается до 36Сo . После этого исходная вода проходит через охладитель выпара 11, дополнительно нагреваясь до 39Сo , и лишь затем попадает в деаэратор. В головке деаэратора смешиваются три потока при средней их температуре 80Сo .
Добавочная вода и конденсат в деаэраторе подогреваются до 104Сo как острым паром , так и паром, полученным в сепараторе непрерывной продувки. Из бака-деаэратора питательным насосом 2 (2’) вода нагнетается в водяные экономайзеры котлов. Обычно для питания используются центробежные насосы 2, а паровые поршневые 2 являются резервными. Тепловая схема котельной приведена на рис.5.
Рисунок 5. Принципиальная тепловая схема котельной.
5. Расчёт тепловых процессов в котельной
Паропроизводительность котельной «брутто» составляет  (т/ч).
Общее количество возвращаемого в котельную конденсата
 (т/ч).
Расход воды на продувку
 (т/ч).
Количество пара, выделяемое в сепараторе непрерывной продувки
 (т/ч).
Где  и  – энтальпия воды соответственно при 14 ат и 1,7 ат, в ккал/кг;  – энтальпия насыщенного пара при 1,7 ат, ккал/кг;  – значение коэффициента, учитывающего потери тепла.
Количество воды непрерывной продувки, сливаемое в канализацию
 (т/ч).
Количество воды, добавляемое для питания котлов
 (т/ч).
Количество воды, подвергаемое химической водоподготовке, с учётом собственных нужд (gхим =10%)
 (т/ч).
Количество питательной воды, поступающей из деаэратора, с учётом непрерывной продувки
 (т/ч).
Расход выпара из деаэратора
 (т/ч).
Где  т/т – удельный расход выпара в т на 1т деаэрируемой воды (по данным ЦКТИ).
Расход пара для подогрева исходной воды в теплообменнике 5
 (т/ч).
Где  и  – энтальпия исходной воды при входе и выходе из теплообменника 5 (численно равные их температурам), ккал/кг;  и  – энтальпия насыщенного греющего пара и воды при давлении пара 7 ат, ккал/кг. Количество конденсата из теплообменника 5, возвращаемое в деаэратор принимаем количество возвращаемого конденсата численно равным расходу пара, т.е.: (т/ч). А энтальпию конденсата берём при давлении 7 ат:  ккал/кг.
Энтальпия химически очищенной воды (численно равная её температуре) после её нагрева в теплообменнике 7
 (ккал/кг).
Где i” 7 и i’ 7 – энтальпия воды при выходе и входе в теплообменние 7, ккал/кг;
i’ 1,7 - энтальпия продувочной воды при давлении 1,7 ат, ккал/кг.
i’ др - энтальпия сбрасываемой в барботёр воды (принимаемая численно равной температуре 40Сo). Энтальпия химически очищенной воды после её нагрева в охладителе выпара (теплообменник 11)
 ккал/кг.
Где и  – энтальпия воды при выходе и входе в теплообменник 11 (численно равные их температурам);
i’ 1,2 и i” 1,2 – энтальпия пара и конденсата при давлении 1,2 ат.
Средняя энтальпия (численно равная средней температуре) потоков воды, вошедших в деаэратор

 (ккал/кг) (С)
Расход пара на подогрев питательной воды в деаэраторе (по пару 7 ат)
 (т/ч).
Где  – энтальпия греющего пара при 7 ат, ккал/кг;
 – энтальпия питательной воды в деаэраторе при давлении 1,2 ат;
 – средняя энтальпия водяных потоков, поступающих в деаэратор.
Количество пара, расходуемое на собственные нужды котельной 
 (т/ч).
Количество пара, выдаваемое потребителю
 (т/ч).
или в % это составит %.
6. Расчёт тепловой схемы котельнойИсходные данные для расчёта тепловой схемы котельной с паровым котлом, работающей на закрытую систему теплоснабжения.
Таблица 1.
Физическая величина Обозначение Обоснование Значение величины при характерных режимах работы котельной
Максимально-зимнего Наиболее холодного месяца Летнего
1 2 3 4 5 6
Расход пара на технологические нужды (давление 0,6 МПа, температура 180о С), т/ч Задан 15 15 10
Расход теплоты на нужды отопления и вентиляции, МВт Задан 9 - -
Расход теплоты на ГВС, МВт Задан 1,8 1,8 1,5
Расчётная температура наружного воздуха для г. Кременчуга, Сo
-при расчёте системы отопления
-при расчёте системы вентиляции Задан -29 -20 Задан -20 - -
Возврат конденсата технологическими потребителями, % Задан 80 80 80
Энтальпия пара при давлении 0,6 МПа, (после РУ), кДж/кг Табл. водяных паров 2815 2815 2815
Температура питательной воды, Сo  Задана 104 104 104
Энтальпия питательной воды, кДж/кг . Табл. Водяных паров 436 436 436
Непрерывная продувка котла, % pпр Принята 3 3 3
Энтальпия котловой воды, кДж/кг iк.в. Табл. Водяных паров 829 829 829
Степень сухости пара X Принята 0,98 0,98 0,98
Энтальпия пара на выходе из расширителя непрерывной продувки, кДж/кг i² расш Табл. водяных паров 2691 2691 2691
Температура подпиточной воды, Сo tподп Принята 70 70 70
Энтальпия подпиточной воды, кДж/кг iподп Табл. водяных паров 336 336 336
Температура конденсата, возвращаемого от потребителей, Сo tк Задана 80 80 80
Энтальпия конденсата, возвращаемого от потребителей, кДж/кг iк Табл. водяных паров 336 336 336
Расчёт тепловой схемы котельной ведётся для трёх наиболее характерных режимов работы:
А. Максимально зимний режим;
В. Режим работы для наиболее холодного месяца;
С. Летний режим работы котельной.
Коэффициент снижения расходов теплоты на отопление и вентиляцию для режима наиболее холодного месяца:
Расход воды на подогреватели сетевой воды
А. Для максимально зимнего режима:
 (т/ч)
В. Для режима наиболее холодного месяца (Qо.в. =7,29 МВт):
 (т/ч)
С. Для летнего режима работы:
 (т/ч)
Расход пара на подогреватели сетевой воды
А. Для максимально зимнего режима:
 (т/ч)
В. Для режима наиболее холодного месяца:
 (т/ч)
С. Для летнего режима работы:
 (т/ч)
Расход редуцированного пара внешними потребителями

А. Для максимально зимнего режима:
 (т/ч)
В. Для режима наиболее холодного месяца:
 (т/ч)
С. Для летнего режима работы:
 (т/ч)
Суммарный расход свежего пара внешними потребителями
А. Для максимально зимнего режима:
 (т/ч)
В. Для режима наиболее холодного месяца:
 (т/ч)
С. Для летнего режима работы:
 (т/ч)
Количество впрыскиваемой воды
Расход пара на собственные нужды котельной
где  – Расход пара на собственные нужды в % расхода пара внешними потребителями (рекомендуется принимать 5-10 %).
А. Для максимально зимнего режима:
 (т/ч)
В. Для режима наиболее холодного месяца:
 (т/ч)
С. Для летнего режима работы:
 (т/ч)
Расход пара на покрытие потерь в котельной∙

где  – Расход пара на покрытие потерь (рекомендуется принимать 2-3 %).
А. Для максимально зимнего режима:
 (т/ч)
В. Для режима наиболее холодного месяца:
 (т/ч)
С. Для летнего режима работы:
 (т/ч)
Суммарный расход пара на собственные нужды
Dсн = D¢ сн +Dп
А. Для максимально зимнего режима:
Dсн = 1,553+0,978 = 2,531 т/ч
В. Для режима наиболее холодного месяца:
Dсн = 1,425+0,898 = 2,323 т/ч
С. Для летнего режима работы:
Dсн = 0,61+0,385 = 0,995 т/ч
Суммарная паропроизводительность котельной
D = Dвн +Dсн
А. Для максимально зимнего режима:
D = 31,06+2,531 = 33,591 т/ч
В. Для режима наиболее холодного месяца:
D = 28,5+2,323 = 30,823 т/ч
С. Для летнего режима работы:
D = 12,23+0,995 » 13,23 т/ч
Потери конденсата в оборудовании внешних потребителей и внутри котельной:
где  – Потери конденсата в цикле котельной установки.
Заключение
Паровые котельные – это особый вид обеспечения объекта теплом и горячей водой. Основным элементом такой котельной является паровой котел.
Принцип действия парового агрегата основан на сгорании в специальном пространстве любого вида топлива с последующим выделением тепла. Вода в котле нагревается и переходит в парообразное состояние (перегретый или насыщенный пар). Выделяемый пар служит для обогрева и обеспечения горячего водоснабжения. Паровые котлы чаще всего применяют для поддержания определенного технологического процесса, например, производственно-отопительного.
На первом этапе проектирования специалисты собирают исходные данные, рассчитывают площадь отапливаемого помещения для грамотного подбора оборудования и разрабатывают техническое задание, учитывая пожелания заказчика.
Второй этап – выбор устройств и приборов для будущей котельной. Далее выполняется наиболее важная часть проекта – тепловой расчет парового котла. При выполнении расчетов обязательно учитываются такие параметры, как место размещения котельной и климатические условия конкретного пункта. На этом этапе также создаются чертежи котла в трех проекциях, необходимые планы и схемы.
Конструкция паровой котельной следующая:
котел;
нагревательные приборы (батареи, трубопроводы, регистры);
магистральные трубопроводы;
насосы;
система автоматики;
средства управления для обеспечения автоматического включения и отключения парогенераторов, регулирования уровня воды в барабане и давления пара.
Главной частью парового котла является топка, в которой происходит процесс горения. Она представляет собой пространство, образованное вертикальными трубами, обшитое снаружи огнеупорными и теплоизолирующими материалами.
Паровые котлы обладают такими достоинствами:
высокой теплоотдачей;
отсутствием теплопотерь в теплообменниках;
быстрым нагревом больших помещений;
сравнительно небольшими размерами и несложным монтажом;
невысокой вероятностью замерзания воды в трубах.
Однако, не обошлось и без недостатков:
пар негативно воздействует на трубы, вызывая коррозию;
быстро выставить нужную температуру в помещении не представляется возможным;
трубы и батареи сильно нагреваются.
При правильном подборе парового котла и соответствии его мощности обогреваемому помещению, такой вид отопления получается высокоэффективным и экономичным.
Список литературы: Промышленная энергетика Журнал Промышленная энергетика. Москва.
Сушкин И.Н. Теплотехника Москва Металлургия 1973 270стр
Головкин П.И. Энергосистема и потребители энергии Техника Киев 1978 130 стр.
Веников В.Л. Энергетические системы Москва "Высшая школа"1979,448с
Алабовский А.Н., Недужий И.А. Техническая термодинамика и теплопередача Киев «Высшая школа» 1990
Справочник проектировщика под ред. А.А.Николаева. – Проектирование тепловых сетей.-М.: 1965-360с
Тепловые и атомные электростанции. М.: Энергоатомиздат. 1989 г. Под ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина.
Р. И. Эстеркин. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование. Л.: Энергоатомиздат, 1989 г.
Гусев К. Л. Основы проектирования котельных установок. М.: Стройиздат, 1973 г.
Сидельский Л. Н., Юренев В. Н. Котельные установки промышленных предприятий. М.: Энергоиздат, 1986 г.
Г. Н. Делягин, В. И. Лебедев и др. теплогенерирующие установки. М.: Стройиздат, 1986 г.
Теплотехнический справочник. Том 2. М.: Энергоатомиздат, 1976 г.