Котельные установки. Виды, устройство котельных.

1. Общие сведения и понятия о котельных установках

Котельная установка (котельная) - это сооружение, в котором осуществляется нагрев рабочей жидкости (теплоносителя) (как правило - воды) для системы отопления или пароснабжения, расположенное в одном техническом помещении. Котельные соединяются с потребителями при помощи теплотрассы и/или паропроводов. Основным устройством котельной является паровой, жаротрубный и/или водогрейный котлы. Котельные используются при централизованном тепло- и пароснабжении или при местном теплоснабжении зданий.

Котельная установка представляет собой комплекс устройств, размещенных в специальных помещениях и служащих для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию пара или горячей воды. Ее основные элементы - котел, топочное устройство (топка), питательные и тягодутьевые устройства. В общем случае котельная установка представляет собой совокупность котла (котлов) и оборудования, включающего следующие устройства: подачи и сжигания топлива; очистки, химической подготовки и деаэрации воды; теплообменные аппараты различного назначения; насосы исходной (сырой) воды, сетевые или циркуляционные - для циркуляции воды в системе теплоснабжения, подпиточные - для возмещения воды, расходуемой у потребителя и утечек в сетях, питательные для подачи воды в паровые котлы, рециркуляционные (подмешивающие); баки питательные, конденсационные, баки-аккумуляторы горячей воды; дутьевые вентиляторы и воздушный тракт; дымососы, газовый тракт и дымовую трубу; устройства вентиляции; системы автоматического регулирования и безопасности сжигания топлива; тепловой щит или пульт управления.

Котел - это теплообменное устройство, в котором теплота от горячих продуктов горения топлива передается воде. В результате этого в паровых котлах вода превращается в пар, а в водогрейных котлах нагревается до требуемой температуры.

Топочное устройство служит для сжигания топлива и превращения его химической энергии в тепло нагретых газов.

Питательные устройства (насосы, инжекторы) предназначены для подачи воды в котел.

Тягодутьевое устройство состоит из дутьевых вентиляторов, системы газовоздуховодов, дымососов и дымовой трубы, с помощью которых обеспечиваются подача необходимого количества воздуха в топку и движение продуктов сгорания по газоходам котла, а также удаление их в атмосферу. Продукты сгорания, перемещаясь по газоходам и соприкасаясь с поверхностью нагрева, передают теплоту воде.

Для обеспечения более экономичной работы современные котельные установки имеют вспомогательные элементы: водяной экономайзер и воздухоподогреватель, служащие соответственно для подогрева воды и воздуха; устройства для подачи топлива и удаления золы, для очистки дымовых газов и питательной воды; приборы теплового контроля и средства автоматизации, обеспечивающие нормальную и бесперебойную работу всех звеньев котельной.

В зависимости от использования их теплоты котельные делятся на энергетические, отопительно-производственные и отопительные.

Энергетические котельные снабжают паром паросиловые установки, вырабатывающие электроэнергию, и обычно входят в комплекс электрической станции. Отопительно-производственные котельные бывают на промышленных предприятиях и обеспечивают теплотой системы отопления и вентиляции, горячего водоснабжения зданий и технологические процессы производства. Отопительные котельные решают те же задачи, но обслуживают жилые и общественные здания. Они делятся на отдельно стоящие, сблокированные, т.е. примыкающие к другим зданиям, и встроенные в здания. В последнее время все чаще строят отдельно стоящие укрупненные котельные с расчетом на обслуживание группы зданий, жилого квартала, микрорайона.

Устройство встроенных в жилые и общественные здания котельных в настоящее время допускается только при соответствующем обосновании и согласовании с органами санитарного надзора.

Котельные малой мощности (индивидуальные и небольшие групповые) обычно состоят из котлов, циркуляционных и подпиточных насосов и тягодутьевых устройств. В зависимости от этого оборудования в основном определяются размеры помещений котельной.

2. Классификация котельных установок

Котельные установки в зависимости от характера потребителей разделяются на энергетические, производственно-отопительные и отопительные. По виду получаемого теплоносителя их делят на паровые (для выработки пара) и водогрейные (для выработки горячей воды).

Энергетические котельные установки вырабатывают пар для паровых турбин на тепловых электростанциях. Такие котельные оборудуют, как правило, котлоагрегатами большой и средней мощности, которые вырабатывают пар повышенных параметров.

Производственно-отопительные котельные установки (обычно паровые) вырабатывают пар не только для производственных нужд, но и для целей отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Отопительные котельные установки (в основном водогрейные, но они могут быть и паровыми) предназначены для обслуживания систем отопления производственных и жилых помещений.

В зависимости от масштаба теплоснабжения отопительные котельные бывают местные (индивидуальные), групповые и районные.

Местные котельные обычно оборудуют водогрейными котлами с нагревом воды до температуры не более 115 °С или паровыми котлами с рабочим давлением до 70 кПа. Такие котельные предназначены для снабжения теплотой одного или нескольких зданий.

Групповые котельные установки обеспечивают теплотой группы зданий, жилые кварталы или небольшие микрорайоны. Их оборудуют как паровыми, так и водогрейными котлами большей теплопроизводительности, чем котлы для местных котельных. Эти котельные обычно размещают в специально сооруженных отдельных зданиях.

Районные отопительные котельные служат для теплоснабжения крупных жилых массивов: их оборудуют сравнительно мощными водогрейными или паровыми котлами.

Рис. 1. Пример территории котельной и некоторого ее оборудования

Рис. 2. Примеры компоновки некоторых котельных и их оборудования

Рис. 3. Примеры компоновки некоторых котельных и их оборудования

Рис. 4. Принципиальные схемы паровой и водогрейной котельных

Отдельные элементы принципиальной схемы котельной установки принято условно показать в виде прямоугольников, кружков и т.п. и соединять их между собой линиями (сплошными, пунктирными), обозначающими трубопровод, паропроводы и т. п. В принципиальных схемах паровых и водогрейных котельных установок имеются существенные различия. Паровая котельная установка (рис. 4, а) из двух паровых котлов 1, оборудованных индивидуальными водяными 4 и воздушными 5 экономайзерами, включает групповой золоуловитель 11, к которому дымовые газы подходят по сборному борову 12. Для отсоса дымовых газов на участке между золоуловителем 11 и дымовой трубой 9 установлены дымососы 7 с электродвигателями 8. Для работы котельной без дымососов установлены шиберы (заслонки) 10.

Пар от котлов по отдельным паропроводам 19 поступает в общий паропровод 18 и по нему к потребителю 17. Отдав теплоту, пар конденсируется и по конденсатопроводу 16 возвращается в котельную в сборный конденсационный бак 14. Через трубопровод 15 в конденсационный бак подается добавочная вода из водопровода или химводоочистки (для компенсации объема, не вернувшегося от потребителей).

В случае, когда часть конденсата теряется у потребителя, из конденсационного бака смесь конденсата и добавочной воды подается насосами 13 по питательному трубопроводу 2 сначала в экономайзер 4, а затем в котел 1. Воздух, необходимый для горения, засасывается центробежными дутьевыми вентиляторами 6 частично из помещения котельной, частично снаружи и по воздуховодам 3 подается сначала к воздухоподогревателям 5, а затем к топкам котлов.

Водогрейная котельная установка (рис. 4, б) состоит из двух водогрейных котлов 1, одного группового водяного экономайзера 5, обслуживающего оба котла. Дымовые газы по выходе из экономайзера по общему сборному борову 3 поступают непосредственно в дымовую трубу 4. Вода, нагретая в котлах, поступает в общий трубопровод 8, откуда подается к потребителю 7. Отдав теплоту, охлажденная вода по обратному трубопроводу 2 направляется сначала в экономайзер 5, а затем опять в котлы. Вода по замкнутому контуру (котел, потребитель, экономайзер, котел) перемещается циркуляционными насосами 6.

Рис. 5. Схема паровой котельной установки: 1 - циркуляционный насос; 2 - топка; 3 - пароперегреватель; 4 - верхний барабан; 5 - водоподогреватель; 6 - воздухоподогреватель; 7 - дымовая труба; 8 - центробежный вентилятор (дымосос); 9 - вентилятор для подачи воздух в воздухоподогреватель

На рис. 6 представлена схема котельного агрегата с паровым котлом, имеющим верхний барабан 12. В нижней части котла расположена топка 3. Для сжигания жидкого или газообразного топлива используют форсунки или горелки 4, через которые топливо вместе с воздухом подается в топку. Котел ограничен кирпичными стенами -обмуровкой 7.

При сжигании топлива выделяющаяся теплота нагревает воду до кипения в трубных экранах 2, установленных на внутренней поверхности топки 3, и обеспечивает ее превращение в водяной пар.

Рис 6. Схема котельного агрегата

Дымовые газы из топки поступают в газоходы котла, образуемые обмуровкой и специальными перегородками, установленными в пучках труб. При движении газы омывают пучки труб котла и пароперегревателя 11, проходят через экономайзер 5 и воздухоподогреватель 6, где они также охлаждаются вследствие передачи теплоты воде, поступающей в котел, и воздуху, подаваемому в топку. Затем значительно охлажденные дымовые газы при помощи дымососа 17 удаляются через дымовую трубу 19 в атмосферу. Дымовые газы от котла могут отводиться и без дымососа под действием естественной тяги, создаваемой дымовой трубой.

Вода из источника водоснабжения по питательному трубопроводу подается насосом 16 в водяной экономайзер 5, откуда после подогрева поступает в верхний барабан котла 12. Заполнение барабана котла водой контролируется по водоуказательному стеклу, установленному на барабане. При этом вода испаряется, а образующийся пар собирается в верхней части верхнего барабана 12. Затем пар поступает в пароперегреватель 11, где за счет теплоты дымовых газов он полностью подсушивается, и температура его повышается.

Из пароперегревателя 11 пар поступает в главный паропровод 13 и оттуда к потребителю, а после использования конденсируется и в виде горячей воды (конденсата) возвращается обратно в котельную.

Потери конденсата у потребителя восполняются водой из водопровода или из других источников водоснабжения. Перед подачей в котел воду подвергают соответствующей обработке.

Воздух, необходимый для горения топлива, забирается, как правило, вверху помещения котельной и подается вентилятором 18 в воздухоподогреватель 6, где он подогревается и затем направляется в топку. В котельных небольшой мощности воздухоподогреватели обычно отсутствуют, и холодный воздух в топку подается или вентилятором, или за счет разрежения в топке, создаваемого дымовой трубой. Котельные установки оборудуют водоподготовительными устройствами (на схеме не показаны), контрольно-измерительными приборами и соответствующими средствами автоматизации, что обеспечивает их бесперебойную и надежную эксплуатацию.

Рис. 7. Технологическая схема производственно-отопительной котельной

Для правильного монтажа всех элементов котельной используют монтажную схему, пример которой показан на рис. 9.

Рис. 9. Пример монтажной схемы автономной газовой котельной

Водогрейные котельные установки предназначены для получения горячей воды, используемой для отопления, горячего водоснабжения и других целей.

Для обеспечения нормальной эксплуатации котельные с водогрейными котлами оборудуют необходимой арматурой, контрольно-измерительными приборами и средствами автоматизации.

Водогрейная котельная имеет один теплоноситель - воду в отличие от паровой котельной, у которой два теплоносителя - вода и пар. В связи с этим в паровой котельной необходимо иметь отдельные трубопроводы для пара и воды, а также баки для сбора конденсата. Однако это не значит, что схемы водогрейных котельных проще паровых. Водогрейная и паровая котельные по сложности устройства бывают различными в зависимости от вида используемого топлива, конструкции котлов, топок и т. п. В состав как паровой, так и водогрейной котельной установки обычно входят несколько котлоагрегатов, но не менее двух и не более четырех-пяти. Все они связываются между собой общими коммуникациями - трубопроводами, газопроводами и др.

Устройство котлов меньшей мощности показано ниже в пункте 4 данной темы. Чтобы лучше понять устройство и принципы действия котлов разной мощности, желательно сравнить устройство этих менее мощных котлов с устройством описанных выше котлов большей мощности, и найти в них основные элементы, выполняющие такие же функции, а также понять основные причины различий в конструкциях.

3. Классификация котельных агрегатов

Котлы как технические устройства для производства пара или горячей воды отличаются многообразием конструктивных форм, принципов действия, используемых видов топлива и производственных показателей. Но по способу организации движения воды и пароводяной смеси все котлы могут быть разделены на следующие две группы:

- котлы с естественной циркуляцией;

- котлы с принудительным движением теплоносителя (воды, пароводяной смеси).

В современных отопительных и отопительно-производственных котельных для производства пара используются в основном котлы с естественной циркуляцией, а для производства горячей воды - котлы с принудительным движением теплоносителя, работающие по прямоточному принципу.

Современные паровые котлы с естественной циркуляцией делают из вертикальных труб, расположенных между двумя коллекторами (верхним и нижним барабанами). Их устройство показано на чертеже на рис. 10, фотография верхнего и нижнего барабана с соединяющими их трубами - на рис. 11, а размещение в котельной - на рис. 12. Одна часть труб, называемых обогреваемыми «подъемными трубами», нагревается факелом и продуктами сгорания топлива, а другая, обычно не обогреваемая часть труб, находится вне котельного агрегата и носит название «опускные трубы». В обогреваемых подъемных трубах вода нагревается до кипения, частично испаряется и в виде пароводяной смеси поступает в барабан котла, где происходит ее разделение на пар и воду. По опускным не обогреваемым трубам вода из верхнего барабана поступает в нижний коллектор (барабан).

Движение теплоносителя в котлах с естественной циркуляцией осуществляется за счет движущего напора, создаваемого разностью весов столба воды в опускных и столба пароводяной смеси в подъемных трубах.

Рис. 10. Паровой котел серии КЕ, работающий на твердом топливе

Рис. 11. Верхний и нижний барабаны и трубы парового котла

Рис. 12. Паровой котел с верхним и нижним барабанами в котельной

В паровых котлах с многократной принудительной циркуляцией поверхности нагрева выполняются в виде змеевиков, образующих циркуляционные контуры. Движение воды и пароводяной смеси в таких контурах осуществляется с помощью циркуляционного насоса.

В прямоточных паровых котлах кратность циркуляции составляет единицу, т.е. питательная вода, нагреваясь, последовательно превращается в пароводяную смесь, насыщенный и перегретый пар.

В водогрейных котлах вода при движении по контуру циркуляции нагревается за один оборот от начальной до конечной температуры.

По виду теплоносителя котлы разделяются па водогрейные и паровые. Основными показателями водогрейного котла являются тепловая мощность, то есть теплопроизводительность, и температура воды; основными показателями парового котла - паропроизводительность, давление и температура.

Водогрейные котлы, назначением которых является получение горячей воды заданных параметров, применяют для теплоснабжения систем отопления и вентиляции, бытовых и технологических потребителей. Водогрейные котлы, работающие обычно по прямоточному принципу с постоянным расходом воды, устанавливают не только на ТЭЦ, но и в районных отопительных, а также отопительно-производственных котельных в качестве основного источника теплоснабжения.

Рис. 13. Устройство парового котла

Рис. 14. Примеры размещения котлов и другого оборудования в котельной

По относительному движению теплообменивающихся сред (дымовых газов, воды и пара) паровые котлы (парогенераторы) могут быть разделены на две группы: водотрубные котлы и жаротрубные котлы. В водотрубных парогенераторах внутри труб движется вода и пароводяная смесь, а дымовые газы омывают трубы снаружи. В России в XX веке преимущественно использовались водотрубные котлы Шухова. В жаротрубных, наоборот, внутри труб движутся дымовые газы, а вода омывает трубы снаружи.

По принципу движения воды и пароводяной смеси парогенераторы подразделяются на агрегаты с естественной циркуляцией и с принудительной циркуляцией. Последние подразделяются на прямоточные и с многократно-принудительной циркуляцией.

Примеры размещения в котельных котлов разной мощности и назначения, а также другого оборудования, показаны на рис. 14- 16.

Рис. 15. Примеры размещения котлов и другого оборудования в котельной

Рис. 16. Примеры размещения бытовых котлов и другого оборудования