Паровой котел вместе с совокупностью оборудования обеспечивающего его работу, называется котельной установкой. В состав котельной установки, кроме парового котла, входят оборудование топливоприготовления, тягодутьевая установка и устройства золоулавливания газовоздушного тракта котла, питательные насосы и регулирующие устройства питательного тракта, электродвигатели и системы управления и защиты парового котла.

На рис. 2.3 показана котельная установка с барабанным паровым котлом относительно небольшой паропроизводительности при сжигании твердого топлива. Рядом с котлом располагаются система пылеприготовления из поступающего на станцию кускового топлива, тягодутьевая установка, обеспечивающая подачу воздуха в котел и отвод продуктов сгорания после их очистки в дымовую трубу. К обслуживанию котельной установки относят питательные насосы, подающие воду в котел, которые по технологической схеме расположены в турбинном отделении. К котельной установке относится также система дренажей коллекторов и непрерывной продувки из барабана с оборудованием для использования теплоты этих потоков (сепараторы, теплообменники).

Рис. 2.3. Общая технологическая схема парогенераторной установки, работающей на твердом топливе

2 – бункер разгрузочного устройства; 3 – дробильный блок; 4 – бункер парогенератора для сырого топлива; 5 – мельница для размола топлива; 6 – эксгаустер; 7 – барабан парогенератора; 8 – пароперегреватель; 9 – водяной экономайзер; 10 – воздухоподогреватель; 11 – вентилятор; 12 – деаэратор; 13 – питательный насос; 14 – золоуловитель; 15 дымосос; 16 – дымовая труба; 17 – ленточный транспортер; 19 – багерная насосная система золоудаления

Котел для сжигания твердого топлива имеет в нижней части топки устройство для удаления шлаков, образующихся в зоне ядра горящего факела. Для охлаждения шлаков выполняют сближение двух противоположных экранов топки, охлаждаемых изнутри на этом участке водой. Это устройство называется холодной воронкой. При сжигании газа и мазута этой проблемы нет и нижняя часть топки имеет горизонтальный под, выложенный огнеупорным материалом.

Обмуровка стен топочной камеры и газоходов крепится к специальному каркасу котла, который принимает на себя также вес металла всех поверхностей нагрева, коллекторов и барабана.

Газовоздушный тракт - единая система воздушных коробов и газохо­дов, обеспечивающая подачу воздуха через воздухоподогреватель и горелки

в топку, движение образующихся продуктов сгорания (газов) по газоходам котла и удаление охлажденных газов в дымовую трубу. Движение воздуха и газов в зависимости от мощности и размеров котла может быть органи­зовано за счет естественной или принудительной тяги.

В котлах малой паропроизводительности без организации подогрева воздуха для горения при, относительно короткой длине газоходов (рис. 2.4а) возникает небольшое сопротивление при движении газов, которое преодолевается за счет естественной тяги дымовой трубы. Естественная тяга или самотяга Н с, Па, определяется разностью давлений гидростатических столбов атмосферного воздуха снаружи и нагретой газовой среды внутри трубы:

H c = h тр (ρ в -ρ г)g, (2.4)

где h тр - высота дымовой трубы, м; ρ в, ρ г - плотность холодного воздуха (при 20-30°С) и газов (при температуре на выходе из котла), кг/м 3 ; g- ускорение под действием сил земного притяжения, м/с 2 . В среднем для трубы высотой 100 м значение Н с = 350 - 400 Па или 35-40 кгс/м 2 (35-40 мм в. ст.).

В котлах большой мощности увеличивается количество трубных поверхностей в газовом потоке, появляется подогрев воздуха за счет тепла газов, газоходы значительно удлиняются и имеют как подъемные, так и опускные участки, где необходимо преодолевать собственную самотягу газов, направленную вверх. Дополнительно необходимо иметь запас напора для регулирования расходов. В этом случае сопротивление газовоздушного тракта становится очень большим и не может быть преодолено за счет тяги дымовой трубы, поэтому организуется принудительное движение воздуха и газов.

Совместная работа воздушного и газового трактов котла может быть организована двумя способами. По первому способу (рис. 2.4,б) газовоздушный тракт котла включает в себя дутьевые вентиляторы для подачи атмосферного воздуха под давлением 2,5-4-5 кПа (250 - 500 мм в. cт.) через воздухоподогреватели к горелкам и части горячего воздуха в углеразмольные мельницы. Сопротивление газового тракта котла, а также аппаратов золоулавливания и газоходов до дымовой трубы преодолевается дымососами, имеющими напор 2,0-3,5 кПа. В: этом случае весь воздушный тракт на участке «вентилятор-топка» находится под давлением, выше атмосферного. Продукты сгорания удаляют из котла дымососами, в связи с чем топка и все газоходы находятся под разрежением. Такую схему тяги и дутья называют уравновешенной. Контрольной точкой, обеспечивающей согласование работы дутьевых вентиляторов и дымососов, является давление газов на выходе из топочной камеры. Здесь устанавливается и автоматически поддерживается небольшое разрежение (давление ниже атмосферного), составляющее 30-50 Па (3-5 мм вод. ст.). Дутьевой вентилятор подает столько воздуха, сколько нужно для полного сжигания топлива, а регулирующие устройства дымососов изменяют производительность так, чтобы в верху топки постоянно сохранять указанное небольшое разрежение. Ввиду работы всего газового тракта при давлении ниже атмосферного через неплотности его ограждений происходят присосы окружающего воздуха, что заметно увеличивает объем перекачиваемых дымососами газов. В среднем доля присосов воздуха составляет около 20-30% объема газов, образующихся в топке при горении топлива.

Транспорт воздуха до топки и продуктов сгорания до выхода в атмосферу можно также обеспечить специальными высоконапорными дутьевыми вентиляторами без применения дымососов. В этом случае топка и газоходы будут находиться под некоторым избыточным давлением - наддувом. Весь газовый тракт котла при наддуве находится под избыточным давлением в сравнении с атмосферным. В этом случае, чтобы исключить проникновение в котельное отделение токсичных газов, необходимо обеспечить полную газоплотность всех стен газоходов котла, что достигается переходом на новую технологию производства настенных экранов и заметно удорожает котел.

Рис. 2.4. Схемы газовоздущных трактов котлов: а - с естественной тягой; б - с уравновешенней тягой; 1 - воздухозаборник; 2 - короб горячего воздуха; 3 - присосы холодного воздуха; 4 - контроль разрежения на выходе из топки; 5 - топливозабрасыватель; Б - барабан-сепаратор; ПП - пароперегреватель; ЭК - экономайзер; ВП - воздухоподогреватель; ДВ - дутьевой вентилятор; ДС - дымосос; ДТ - дымовая труба; ПС - система пылеприготовления; Г - горелка; Т - топочная камера (топка).

Вместе с тем переход на газоплотность тракта исключает присосы воздуха и уменьшает объем удаляемых из котла газов. Напор, который создает высоконапорный дутьевой вентилятор, меньше, чем сумма напоров дутьевого вентилятора и дымососа в уравновешенной схеме. Это приводит к экономии энергии на привод тягодутьевых машин. К тому же высоконапорный дутьевой вентилятор перекачивает объем холодного воздуха, а дымососы - достаточно «горячих» газов с увеличенным дельным объемом, что дополнительно снижает затраты энергии на перекачку.

В длительной эксплуатации газоплотного котла в разных его местах за счет термических напряжений со временем происходит разгерметизация тракта, исключение которой требует больших, постоянных затрат. Поэтому в эксплуатации используют газоплотные по конструкции поверхности котла

Современная котельная установка представляет собой сложное техническое сооружение и состоит из котла и вспомогательного котельного оборудования, размещенного в помещении котельной или вне ее границ и предназначенного для производства пара с необходимыми параметрами или для подогрева горячей воды, или того и другого одновременно.

В состав котла входят: топка, водяной экономайзер, воздухоподогреватель, обмуровка и каркас с лестницами и площадками, а также арматура и гарнитура.

К вспомогательному оборудованию для отопительного котла относятся: тягодутьевые и питательные устройства, оборудование водоподготовки, топливодоподачи, а также контрольно-измерительные приборы и системы автоматизации.
Технологический процесс получения пара в отопительном котле осуществляется в следующей последовательности. Топливо в котле при помощи горелочных устройств вводится в топку котла, где и сгорает. Воздух, необходимый для сгорания топлива, подается в топку дутьевым вентилятором или подсасывается через колосниковую решетку — при естественной тяге.

Для улучшения процесса сгорания топлива в отопительном котле и повышения экономичности работы котла воздух перед подачей в топку может предварительно подогреваться дымовыми газами в воздухоподогревателе.
Дымовые газы в отопительном котле, отдав часть своего тепла радиационным поверхностям нагрева, размещенным в топочной камере, поступают в конвективную поверхность нагрева, охлаждаются и дымососом удаляются через дымовую трубу в атмосферу.

Сырая водопроводная вода отопительного котла проходит через катионитовые фильтры, умягчается и далее поступает в деаэратор, где из нее удаляются коррозионно-активные газы (02 и С02) и стекает в бак деаэрованной воды. Из бака питательная вода забирается питательным насосом и подается в паровой котел.
Пройдя по поверхностям нагрева, вода нагревается, испаряется и собирается в верхнем барабане. Из котла пар направляется в общекотельный паровой коллектор и затем подается потребителям.

По назначению котельные установки разделяются на отопительные, производственно-отопительные и энергетические.

Котел — тепловой баланс

При сжигании топлива в котле не все количество тепла, которое выделилось в топке, полезно используется для нагрева воды или получения пара. Часть тепла теряется с уходящими из котла газами, с химическим и механическим недожогом и пр. Основная задача при эксплуатации котла заключается в снижении этих потерь до минимума.

Тепловым балансом котла называется равенство введенного в котел тепла и использованного, которое складывается из полезно использованного тепла, пошедшего на выработку пара (горячей воды), и тепловых потерь, возникающих в процессе работы котельной установки. Тепловой баланс составляется на 1 кг твердого (жидкого) топлива или 1 м3 газообразного топлива.

Упрощенный тепловой баланс котла записывается в виде уравнения;
при сжигании твердого топлива, кДж/кгт
Qph = Q1 + Q2 +Q3 +Q4 +Q5 +Q6,
при сжигании жидкого и газообразного топлива, кДж/кг(м3)т
Qph = Q1 + Q2 +Q3 +Q4 +Q5

Если обе части уравнений разделить на Qph и умножить на 100, то получим уравнения баланса, выраженные в процентах:
100 = д1 + д2 + д3 + д4 + д5 + д6,
100 = д1 + д2 + д3 + д4
В формулах Q1 ;q1 полезно использованное тепло.
Потери тепла:
Q1; д2 — с уходящими дымовыми газами;
Q2; д3 — от химической неполноты сгорания;
Q3; д4 — от механической неполноты сгорания;
Q4; д5 — через наружные ограждения обмуровки в окружающую среду:
Q5; д6 — с физическим теплом шлака.
Коэффициент полезного действия — полезно использованное в котле тепло:
Л = д1 = 100 — д2 — д3 — д4 — д5 – д6;
Л = д1 = 100 — д2 — д3 — д4
КПД котла зависит от величины тепловых потерь: чем потери меньше, тем КПД выше. Значение КПД может находиться в пределах Л = 0,93 — 0,7 (93-70 %),. а величина тепловых потерь для котлов малой мощности составляет: д2 = 12-15 %; д3 = 2-7 %; д4 = 1-6 %; д5 = 0,4-3,5 %; д6 = 0,5-1,5 %.

До начала монтажа котлов и вспомогательного оборудования должны быть выполнены следующие строительные работы, начата кладка стен здания котельной, закончено устройство фундаментов под котлы, насосы, вентиляторы, борова, завершено устройство покрытий полов, подпольных дутьевых и других каналов и приямков. Котельная должна быть очищена от строительного мусора.

Если котельная имеет прочный бетонный пол толщиной не менее 200 мм, то топку котла выкладывают непосредственно на полу. При отсутствии бетонного пола под котлом устраивают бетонную подушку толщиной 300 мм. До монтажа котла с нижней топкой на затвердевшем фундаменте должны быть возведены стены топки и газоходов до уровня нижних головок секций стены топки, в которые закладывают подколосниковые балки.

Правильность закладки балок проверяют положением уложенных на них колосников.

Секции чугунного котла собирают, опирая их на боковые стенки топки. Под головки секции укладывают асбестовый картон. Секции соединяют на конических ниппелях. Вначале устанавливают крайнюю секцию, а к ней последовательно присоединяют все средние, а потом переднюю лобовую. Чтобы собираемые секции не упали, их раскрепляют боковыми упорами.

Перед сборкой секции очищают от формовочной земли, а внутренние поверхности ниппельных гнезд и наружные поверхности ниппелей - от ржавчины. Ниппельные гнезда смазывают графитной пастой. На середину ниппеля навертывают кольцо из асбестового шнура, пропитанного также графитной пастой. Ниппели вставляют в верхнее и нижнее ниппельные гнезда секции.

Секции стягивают двумя стяжными болтами, вставляемыми в верхнее и нижнее ниппельные отверстия. Под гайки стяжного болта прокладывают шайбы большого диаметра, которые перекрывают ниппельные гнезда. Секции стягивают, постепенно подвинчивая гайки одновременно на обоих болтах, чтобы секция не имела перекоса. Зазор между ниппельными головками не должен быть более 2 мм. Чтобы секции при сборке не были разорваны, их нужно стягивать плавно и равномерно, без рывков.

По окончании сборки пакета секций монтажные болты заменяют постоянными стяжными. К собранным пакетам присоединяют отводы и тройники, связывающие оба пакета между собой.

Монтаж котлов можно вести с использованием пакетов, собранных и испытанных на монтажном заводе. Такие пакеты, состоящие из комплекта секций одной половины котла, доставляют на объект и устанавливают на место автокраном.

Для удобства сборки секционных чугунных котлов и в целях безопасности производства работ применяют приспособление, приведенное на рис. 124.

Рис. 124. Приспособление для сборки секционных чугунных котлов и схемы его установки:
а - конструкция, б - схема установки приспособления при сборке котлов «Универсал-1» и «Универсал 2», в - то же, при сборке котла МГ-2, г - то же, при сборке котла «Энергия-3»; 1 - крайние опорные стойки, 2 - рейка, 3 - винтовые захваты 4 - консольная опора, 5 - средняя опорная стойка

После сборки котлы подвергают гидравлическому испытанию. Для этого на всех открытых патрубках ставят заглушки, оставив лишь отверстия для наполнения котла водой и для выпуска воздуха. Наполнив котел водой, давление поднимают до заданного с помощью присоединенного к котлу гидравлического пресса. Водогрейные котлы испытывают давлением, превышающим рабочее давление на 20%, но не менее 0,4 МПа, а паровые котлы давлением на 0,2 МПа выше рабочего давления. Сборка котлов считается правильной, если в течение 5 мин нахождения под заданным давлением оно не будет падать.

При гидравлическом испытании не должно быть течи или потения на стенках и соединениях котла. При появлении течи или потения места дефектов нужно обвести мелом, постепенно снизить давление, спустить воду из котла, устранить неисправности и вторично подвергнуть испытанию.

Закончив гидравлическое испытание, приступают к монтажу топки, обмуровке котла кирпичной кладкой или крупными блоками из жароупорного бетона или установке металлического кожуха; монтируют колосники, навешивают фронтовую плиту, загрузочную и зольниковую дверцы, присоедняют зольник к дутьевому каналу с помощью дутьевой коробки, устанавливают шиберные блоки, укрепляют канаты и контргрузы.

На смонтированный котел устанавливают арматуру. До установки арматуры на котел ее нужно разобрать, чтобы проверить, прочистить и протереть, затем вновь собрать и проверить на герметичность и прочность гидравлическим испытанием.

Центробежные насосы, как правило, доставляют на объекты с электродвигателями, проверенными и собранными в агрегаты на плите. До установки насосов необходимо очистить от строительного мусора гнезда, установить анкерные болты по шаблону, закрепить их на требуемой высоте и залить гнезда цементным раствором Через двое суток, когда цемент затвердеет, гайки отдинчивают и снимают шаблон.

Затем, положив деревянные клинья, на болты помещают центробежный насос с электродвигателем. Клинья постепенно раздвигают для того, чтобы анкерные болты полностью прошли в отверстия плиты насоса и электродвигателя. Затем навинчивают гайки, выверяют центробежный насос по отвесу и уровню, подливают под плиту цементный раствор, завинчивают гайки, устанавливают ограждение соединительной муфты Дутьевые вентиляторы устанавливают таким же способом.

Трубопроводы в котельной (рис. 125) монтируют из деталей и узлов, заготовленных на монтажных заводах, в следующем порядке. Сначала монтируют подающую 1 и обратную 2 гребенки, воздухосборники 3, предохранительную 4 и питательно-спускную 10 линии. Затем делают обвязку 5 центробежных насосов. Далее устанавливают коллекторы 9, грязевик 8, ручной насос 6 и соединяют их трубопроводом 7 с котлами, насосами и системой. Весь трубопровод должен быть предварительно проверен по замерным карточкам. Рекомендуется проверить также, не засорены ли трубы и узлы.

Рис. 125. Общий вид трубопроводов в котельных:
1 - подающая гребенка, 2 - обратная гребенка, 3 - воздухосборники) 4 - предохранительная линия, 5 -обвязка центробежных насосов 6 - ручной насос, 7 - трубопровод к котлам и системе отопления, 8 - грязевик, 9 - распределительные коллекторы 10 - питательно спускная линия

Трубопровод прокладывают с заданным уклоном не менее 0,002. Уклоны трубопровода должны быть направлены в сторону водоспускных устройств, а подъем - в сторону воздухоудаляющих устройств.

Трубопроводы собирают на сварке, за исключением участка, который присоединяется к котлу и насосу. Задвижки устанавливают и присоединяют к трубопроводу на фланцах, приваренных к нему. Участки трубопроводов, собираемые на сварке, должны быть тщательно подогнаны один к другому. При монтаже трубопроводов в котельной следует обеспечить доступ к задвижкам и другой арматуре. Все манометры необходимо устанавливать так, чтобы их показания были видны с пола. Манометры в узлах управления должны быть на одной высоте. Гильзы термометров надо опускать в трубопровод. Для установки термометров на трубопроводах малого диаметра в них рекомендуется вваривать участки труб диаметром 50 мм. Чтобы систему можно было заполнить водой или удалить из нее воду, в котельных устанавливают ручные насосы.

На водогрейных котлах для предупреждения повышения давления выше допустимого устанавливают два рычажных предохранительных клапана. Выкидную трубу от клапана выводят к раковине в котельной с таким расчетом, чтобы горячая вода не могла обжечь находящихся в котельной людей.

Конденсатные баки. В котельных, оборудованных паровыми котлами, для сбора конденсата монтируют конденсатные баки. Их изготовляют из листовой стали на заготовительном предприятии. Баки оборудуют спускной, переливной и воздушной трубами и водоуказательными стеклами. В зависимости от проектного решения конденсатные баки могут быть установлены или в приямке или на полу котельной. В обоих случаях их устанавливают на антисептированные деревянные брусья.

Независимо от места установки баки целесообразно монтировать с помощью стрелового крана до устройства перекрытия над местом их установки.’ Кояденсатный бак окрашивают в соответствии с проектом.

Насосы. Для питания котлов водой применяют ручные, центробежные и паровые насосы.

Ручные насосы используют, как правило, в котельных с секционными котлами в тех случаях, когда давление в сети недостаточно. С помощью ручного насоса можно также., опорожнить, котел.

Ручной насос устанавливают на стене, на высоте 0,8-1 м, в месте, удобном для обслуживания. Болтами его крепят к доске. Вместе с укрепленным на ней насосом, доску устанавливают в проектное положение.

Этим, же ручным насосом иногда удаляют, воду из приямка для конденсатного бака. В углу приямка с этой целью устраивают зумпф, в который опускается труба диаметром 20-25 мм, второй конец трубы присоединяется к трубопроводу обвязки ручного насоса.

Центробежные насосы монтируют по правилам. При их монтаже, так же как и при монтаже другого оборудования, необходимо максимально соблюдать принцип индустриальности, т. е. насосы следует поставлять на место монтажа полностью обвязанными трубопроводами и соответствующей арматурой. Насосы для перекачки конденсата должны быть установлены так, чтобы они находились под заливом.

Паровые поршневые насосы (ГОСТ 11376-71) изготовляются двух типов: прямодействующие двухцилиндровые горизонтальные (ПДГ) и прямодействующие двухцилиндровые вертикальные (ПДВ) в общепромышленном и судовом исполнении. В условном обозначении парового насоса (например, ПДВ 125/8) первая цифра означает подачу (в м куб/час), вторая – давление нагнетания (в кгс/см кв).

Паровые насосы применяются как резервное оборудование для питания паровых котлов. Они поставляются заводом-изготовителем обычно в собранном виде с заглушёнными патрубками. В этом случае ревизия насосов на объекте не производится, насосы подвергаются лишь промывке для снятия консервирующей смазки; также проверяется состояние шеек валов, подшипников и сальников. Паровые насосы имеют большую массу и их установка в проектное положение производится с помощью кранов или других такелажных средств.

Водоподогреватели. К вспомогательному оборудованию котельной относятся также различные типы водоподогревателей. Их устанавливают, как правило, на металлических, бетонных и железобетонных подставках, а также на кронштейнах. Между водоподогревателем и основанием прокладывают листовой асбест толщиной 4-5 мм. На рис.6 в качестве примера показана установка емкостного водоподогревателя. Аналогично устанавливают скоростные водоподогреватели. Водоподогреватели могут быть смонтированы не только в здании котельной, но и в тепловых пунктах и других сооружениях. При их монтаже необходимо предусматривать возможность вытаскивания внутренних пучков труб для ремонта, замены и т. п.

Водоподогреватели испытывают гидравлическим давлением, в 1,5 раза превышающем максимальное рабочее давление, но не менее 2 кгс/см кв для паровой части и 4 кгс/см кв для водяной части. Время испытания и конечные результаты такие же, как и для секционных котлов.

Тягодутьевые машины. К тягодутьевым машинам относятся дутьевые вентиляторы типа ВД и дымососы типа Д. Эти тягодутьевые машины – консольного типа; состоят они из следующих узлов: ходовой части, рабочего колеса, улитки и направляющего аппарата. Дымосос отличается от вентилятора более массивной улиткой и рабочими лопатками. Некоторые модификации дымососов имеют систему водяного охлаждения подшипников.

Монтируют дымососы и вентиляторы в следующем порядке. На фундамент устанавливают сварную металлическую раму под ходовую часть и улитку, верхний патрубок которой должен находиться в проектном положении. К улитке после ее установки приваривают опорные уголки (которые на заводе были к ней прихвачены). Затем на улитке отбалчивают съемную верхнюю часть для возможности установки рабочего колеса с валом и осевого направляющего аппарата. После установки этих деталей и выверки по уровню горизонтальности вала устанавливают верхнюю часть улитки на асбестовой прокладке. Далее приваривают сальник, уплотняющий место входа вала в улитку, и проверяют легкость вращения вала от руки, после чего на вал двигателя надевают расточенную полумуфту и на фундаментной раме с ходовой частью устанавливают электродвигатель. По окончании этих операций цементным раствором заливают опорные уголки улитки и нижнюю часть опорной рамы и электродвигателя. После схватывания раствора проверяют затяжку анкерных болтов и центруют электродвигатель и ходовую часть. К змеевику ходовой части подводят водопровод из труб диаметром 15 мм (эта операция выполняется только при монтаже некоторых конструкций дымососов), в корпус ходовой части заливают масло до верхнего уровня по риске маслоуказателя и устанавливают термометр. После выполнения этих операций тягодутьевая машина считается подготовленной к пуску.