Паровой котел и сфера его применения

Сегодня паровой котел широко применяется в различных сферах деятельности. Этот агрегат повсеместно используется дома, в жилищно-коммунальном хозяйстве, на металлургических, нефтехимических и прочих производствах.

Что это такое

Паровые котлы — комплексы, перерабатывающие питательную воду в пар, который применяется в системе отопления для дома. Перегретый пар получают и используют исключительно в промышленных целях на металлургических, нефтехимических, строительных и других производствах.

Перегретый пар является лучшим переносчиком тепла, его использование повышает КПД тепловых установок.

Варочные котлы с паровой рубашкой предназначены для варки продуктов. Они представляют собой две емкости, одна из которых помещена в другую. Конструкция способствует равномерному нагреванию котла, в котором находится пища. Процесс приготовления становится не таким трудоемким и затратным по времени, а главное преимущество — такой способ приготовления пищи полностью исключает пригорание. Широко применяется на пищевых предприятиях.

В аппаратах, отличающихся по конструкции, может вырабатываться пар различного давления:

• низкого — до 1,0 Мпа;
• среднего — 1,0-10,0 Мпа;
• более 14,0 Мпа — высокого давления;
• сверхвысокого — 18,0-20,0 Мпа;
• сверхкритического — выше 22,5 Мпа.

По соображениям безопасности в быту могут применяться только аппараты низкого, реже среднего давления.

Устройство агрегатов

Стандартный котел — агрегат, состоящий из топочной камеры, где топливо сгорает и выделяет тепло, и резервуар, где жидкость переходит в газообразное состояние. Обычно эти емкости выполнены в виде трубы различного диаметра.

Конструкция топки напрямую зависит от типа используемого горючего:

1. Твердотопливный котел на дровах, угле, коксе в нижней части оснащен колосниковой решеткой. На нее укладывается топливо, снизу поступает воздух, поддерживающий горение. Дымоход усиливает тягу.
2. В паровых котлах горелки устанавливаются, если применяется жидкое горючее либо газ. Располагаются они в топочной камере. Чтобы создать тягу, агрегаты оснащают дымоходами.

В обоих случаях газ, предварительно нагретый, поднимается к емкости, где находится вода. Он доводит жидкость до кипения, а затем выходит через дымоход. Процесс приводит к испарению воду. С зеркала испарения пар идет выше к трубам.

Как это работает

Принцип работы парогенератора основан на превращении воды из жидкого состояния в парообразное путем нагревания. Котел для парового отопления может функционировать от разных источников энергии, например солнечный свет, тепло от горения газов или твердых материалов, геотермальные источники.

Перед поступлением в прибор вода сначала проходит стадию очистки, затем насосом перекачивается в рабочую емкость. Жидкость поступает в котел до тех пор, пока не сработает датчик уровня воды. При испарении он вновь опускается до нижнего рабочего, и резервуар снова наполняется. Так насос может функционировать в циклическом режиме, реагируя на показания датчиков.

Если по какой-то причине датчики не сработали или источник воды отключился, то при испарении всей жидкости возможно повышения давления в приборе до критических значений. При поднятии воды выше верхнего аварийного уровня произойдет заброс пара вместе с водой в паропровод, который повлечет за собой разрушающий гидравлический удар. Чтобы избежать опасных ситуаций, на парогенераторах устанавливаются предохранительные клапаны.

В паровых котлах с естественной циркуляцией пар поднимается по тепловым трубкам. Это происходит благодаря разному удельному весу между ним и водой. Новая порция жидкости наполняет резервуар и не дает испарившейся конденсироваться.

В резервуаре вода перетекает в коллектор, идет вверх, проходя зону нагрева. На этом этапе образуется пар, перемешанный с водой, который из-за разницы давлений идет вверх к сепаратору, где отделяется от жидкости. Отсюда он идет в паропровод и поступает к потребителю. Пар в парогенераторах дополнительно проходит через зону нагревания, где его температура сильно повышается. Благодаря этому увеличивается мощность парового котла.

Цели применения

Различные по типу паровые котлы применяются для разнообразных целей:

1. Агрегаты низкого давления могут создавать насыщенный неперегретый пар (100 ℃), который чаще используется в отопительных системах в быту или ЖКХ.
2. Аппараты среднего и высокого давления устанавливаются на энергетических и промышленных предприятиях. В этом случае оборудование должно быть выполнено особенно качественно, чтобы выдерживать высокие нагрузки. Пар здесь продолжают нагревать после его испарения до температуры около 500 ℃.

В каждом конкретном случае выбирается такой аппарат, который будет удовлетворять всем требованиям по назначению и техническим характеристикам.

В каких сферах применяются

Сферы применения паровых котлов могут быть самыми разнообразными:

1. В быту для обустройства отопления используются котлы низкого давления, которые образуют насыщенный неперегретый пар. Для нужд ЖКХ применяются парогенераторы низкого и среднего давления. Пар поступает в тепловые сети. Промышленные водогрейные и паровые котлы позволяют получить горячую воду, поступающую в трубы водоснабжения.
2. На различных предприятиях и заводах с помощью перегретого пара обеспечивается движение оборудования.
3. Выработка электроэнергии при помощи вращающегося вала (под действием перегретого пара). Этот способ получения электричества используется в турбинах тепло-электростанций.
4. Паровые варочные котлы широко применяются в пищевой промышленности. Благодаря равномерному распределению горячей воды, превращающейся в пар, емкость для приготовления еды равномерно прогревается, что позволяет одновременно готовить большие объемы продукта.

От сферы применения размер парового котла будет значительно отличаться. Для котельных в частных домах применяются компактные установки 2-3 кв.м. В промышленности парогенераторы могут занимать целые комнаты.

Основные виды

Классифицируют паровые котлы по виду используемого топлива, назначению, конструкции топки.

По типу топлива:

• газовый паровой котел;
• на твердом топливе (уголь, кокс, дрова);
• электрический паровой котел;
• жидкотопливный.

По конструкции можно выделить газотрубные и водотрубные агрегаты.

По назначению:

• бытовые используют в горячем водоснабжении, отопительных системах;
• промышленный паровой котел применяется для работы производства;
• утилизационные способны на вторичную переработку тепла — с помощью экономайзера паровой котел может повысить производительность до 95% (в этом случае предварительный нагрев воды происходит за счет отходящих из топки газов);
• энергетические используются для генерации электроэнергии.

Некоторое парогенерирующее оборудование может иметь несколько вариантов исполнения, в зависимости от которых будет отличаться тип используемого топлива или назначение, например, паровые котлы на газе. Существуют универсальные модели. Например, паровой котел ДКВР может работать на газе, угле, растительном топливе.

Различают также два вида агрегатов, которые отличаются устройством топочной емкости: камерные для пылевидного топлива и слоевые (котлы на твердом топливе).

Водотрубные модели

Паровой котел называется водотрубным, если в агрегате разогретый газ поднимается по межтрубному пространству, нагревая при этом воду, перемещающуюся по экранам труб. После закипания жидкость переходит в газообразное состояние. Все водотрубные агрегаты делятся на прямоточные паровые котлы и барабанные. Последние классифицируются по направлению труб — вертикальные, горизонтальные, радиальные или комбинированные.

За счет использования менее широких труб давление в паровом котле может быть значительно выше, чем в аппаратах других типов. Следовательно, температура нагревания воды и КПД также выше. Водотрубные котлы не боятся перегрузок и намного безопаснее.

Жаротрубные агрегаты

Жаротрубные или газотрубные котлы устроены наоборот. Здесь газ заполняет трубы, а вода находится в межтрубном пространстве. Мощность установок намного меньше, в том числе из-за широких труб. Чтобы повысить эти значения, их пришлось бы значительно уплотнять, делать более толстыми, что экономически не целесообразно.

Существует два типа газотрубных котлов — с дымогарными трубами и с жаровыми. В первых вода нагревается сама посредством дымовых газов, а во втором — на входе в трубу установлена горелка с вентилятором, процесс сгорания происходит в самой трубе по всей длине топки.

В дизельных котлах температура уходящего газа не может превышать определенные значения, поэтому их мощность не может быть выше 400 кВт. По сравнению с аналогами это очень маленькие значения для больших производств.

Водотрубные котлы безопаснее, чем жаротрубные. Могут выдерживать большие перегрузки, при этом отличаются большей мощностью и производительностью.

 

Чугунные секционные

Чугунные секционные агрегаты широко применяются в отопительных системах. Для их установки и эксплуатации не требуются разрешительные документы. Увеличить мощность можно добавлением новых секций. Такая конфигурация является недостатком — при выходе из строя одной секции нужно будет менять всю систему.

Работа чугунных котлов ограничена давлением в 100 кПа и малой мощностью до 200 кВт. Но при этом они хорошо проводят тепло и обладают высокой устойчивостью к коррозии. Их можно легко собрать и разобрать при необходимости.

Прямоточные

Котел прямоточного вида отличается тем, что движение воды и пара происходит вертикально вверх. При этом жидкость может пройти лишь один цикл, за который она должна полностью перейти в парообразное состояние. Чтобы все время поддерживать уровень воды, этим устройствам необходимо иметь питательный насос, который делает их взрывоопасными.

Особенности:

• ограниченная паропроизводительность;
• в нижнюю часть контура поступает очищенная вода, а из верхней выходит пар;
• нет четкого разделения между различными зонами паронагревателя;
• теплоноситель подогревается в экономайзере, но достигает проектных значений в экранных трубах и перегревательном контуре.

Подобные установки, выработавшие срок, переводятся в водогрейный режим.

Паровые БМК

Паровая блочно-модульная котельная — это комплекс всего необходимого и готового к работе оборудования, который поставляется на место установки в полной готовности. Используется в ГВС или в отопительных системах, на предприятиях, где имеется ограничения в поставке энергоресурсов.

Работа котла полностью автоматизирована — при черезвычайной ситуации включается сигнализация и срабатывает защита. Блок может самостоятельно подключаться к системе отопления при возникновении перебоев с поставкой тепла, выполняя роль источника энергии.

Схема обвязки парового котла

Схема обвязки парового котла должна включать в себя агрегат, дополнительное оборудование, требуемое для безопасной работы.

Самая распространенная схема для системы центрального отопления в ЖКХ представлена следующим оборудованием:

• парогенератор;
• насос подачи воды в котел;
• деаэратор;
• насос подачи воды из деаэратора в ресивер;
• ресивер;
• умягчитель по схеме химической очистки;
• дозатор;
• бак реагентов;
• регуляторы давления.

Кроме перечисленных узлов, конструкция агрегата может включать дополнительное оборудование:

1. Пароперегреватель используется для повышения температуры газообразного вещества до 100 °С и выше. Дополнительное нагревание пара происходит в трубах, куда он поступает. Парогенераторы могут быть конвекционными и радиационными (мощность в 2-3 раза выше, чем у конвекционных). Перегретый пар используют в промышленности, например, в атомной энергетике.
2. Сепаратор пара для удаления из него лишней воды. Это существенно повышает КПД работы прибора.
3. Аккумулятор водяного пара — специальное оборудование, отбирающее пар из системы при избытке, а при недостатке — добавляющее.

Правила эксплуатации

Эксплуатация агрегатов регламентируется специальными нормативными документами. Парогенераторы, а также котлы высокого давления являются источниками повышенной опасности на предприятии, поэтому установка, ввод в эксплуатацию и дальнейшее использование должны проходить строго в соответствии с инструкцией и утвержденными правилами использования подобных агрегатов.

Безопасная работа установки начинается с соответствующей системы водоподготовки. Важно очистить поступающую жидкость от минеральных солей и других примесей, которые в процессе нагревания могут отложиться на стенках аппарата, образовав накипь.

Образование накипи нарушает процесс теплопередачи от источника энергии к жидкости, которая перестанет охлаждать трубы. Из-за чрезмерного нагрева в трубах появляются дыры, разрывы, что приводит к уменьшению давления и взрыву установки.

Поэтому очистка воды прописана и утверждена ответственными сотрудниками в соответствующем документе. На прибор обязательно устанавливают водоуказательные стекла паровых котлов или предусматривают другие способы отслеживания уровня жидкости в приборе.

Инструкция по безопасной эксплуатации включает следующие сведения:

• перечень ответственных лиц;
• список использованных при ее составлении документов;
• список всех узлов парогенерирующего оборудования, технические данные;
• порядок подготовки оборудования к работе, пуска прибора, эксплуатации;
• описание всех автоматических систем контроля;
• ошибки при включении, случаи, когда не допускается ввод в эксплуатацию оборудования;
• схема водоподготовки, отбора проб (воды, пара, конденсата).

При эксплуатации паровых котлов малого давления в частном доме следует строго соблюдать все меры предосторожности, прописанные в инструкции к установке.

Современные парогенераторы, особенно большого давления, оснащены автоматическими системами управления. Без такой функции они просто не допускаются к установке на заводе или электростанции. Автоматически можно управлять системой розжига, отключать контроль горения, регулировать расход топлива, воды, воздуха. Может автоматически срабатывать система аварийной остановки котла. Все приборы сейчас способны собирать и анализировать данные на ПК.

Оценка эффективности применения паровых котлов

Чтобы оценить эффективность КПД агрегата, нужно вычислить отношение между вырабатываемым теплом и энергией, получаемой от топлива. Ни один вид оборудования не может достичь КПД 100%, на это влияет несколько факторов:

• процент сгорания топлива;
• потери тепла, обусловленные свойствами внешних стенок котла;
• низкая производительность тепла топливом.

Конструкция и тип агрегата влияют на его эффективность. Например, жаротрубный котел не сможет выработать КПД выше 70%, при этом процент выброса загрязняющих веществ в атмосферу у такого оборудования самый высокий. Водотрубные котлы предпочтительней с точки зрения КПД — при их установке можно нарастить мощность.

Паровой котел стал неотъемлемой частью быта человека. При условии правильной эксплуатации парогенераторов, своевременного обслуживания приборы прослужат долго и станут незаменимыми помощниками на производстве и в быту.

Водеообзор отличительных черт жаротрубных и водотрубных котлов: