Введение
Котёл — это закрытый сосуд, в котором нагревается теплоноситель (обычно вода). Теплоноситель не обязательно закипает. Нагретый или испаренный теплоноситель покидает котёл для использования в различных процессах или системах отопления, включая нагрев воды, центральное отопление, выработку электроэнергии с использованием котла, приготовление пищи и санитарные нужды.
A boiler is a closed vessel in which fluid (generally water) is heated. The fluid does not necessarily boil. The heated or vaporized fluid exits the boiler for use in various processes or heating applications, including water heating, central heating, boiler based power generation, cooking, and sanitation.
Источники тепла
В электростанции, работающей на ископаемом топливе и использующей паровой цикл для выработки электроэнергии, основным источником тепла является сжигание угля, нефти или природного газа. В некоторых случаях для нагрева котла может использоваться побочное топливо, такое как отходящие газы коксовой батареи, богатые монооксидом углерода; также может применяться биотопливо, например, багасса, при экономической целесообразности. На атомной электростанции котлы, называемые парогенераторами, нагреваются теплом, выделяющимся при ядерном делении. Если в результате какого-либо процесса образуется большой объем горячего газа, парогенератор с утилизацией тепла или рекуперационный котел могут использовать это тепло для производства пара, практически не потребляя дополнительного топлива; такая конфигурация широко распространена на электростанциях с комбинированным циклом, где используются газовая турбина и паровой котел. Во всех случаях продукты сгорания отделены от рабочего тела парового цикла, что делает эти системы примерами двигателей внешнего сгорания.
Материалы
Сосуд под давлением котла обычно изготавливается из стали (или легированной стали) или, исторически, из кованого железа. Нержавеющая сталь, особенно аустенитных марок, не используется в частях котла, контактирующих с водой, из-за коррозии и коррозионного растрескивания под напряжением. Однако ферритная нержавеющая сталь часто применяется в секциях перегревателей, не подвергающихся воздействию кипящей воды, а электрически нагреваемые котлы из нержавеющей стали допускаются согласно европейской "Директиве об оборудовании, работающем под давлением", для производства пара для стерилизаторов и дезинфекторов. В котлах с прямым паром часто используется медь или латунь, поскольку их легче обрабатывать в котлах меньшего размера. Исторически медь часто применялась для топок (особенно в паровозах) из-за ее лучшей пластичности и более высокой теплопроводности; однако в последнее время высокая цена меди часто делает этот выбор неэкономичным, и вместо нее используются более дешевые заменители (например, сталь). На протяжении большей части викторианской "эпохи пара" единственным материалом, используемым для изготовления котлов, была кованая сталь наивысшего качества, скрепляемая заклепками. Это железо часто получали от специализированных заводов, таких как предприятия в районе Клитор-Мур (Великобритания), известные высоким качеством своей листовой стали, которая особенно подходила для использования в ответственных областях, таких как котлы высокого давления. В 20-м веке конструкторская практика сместилась в сторону использования стали со сварной конструкцией, которая прочнее, дешевле и может быть изготовлена быстрее и с меньшими трудозатратами. Котлы из кованого железа корродируют гораздо медленнее, чем их современные стальные аналоги, и менее подвержены локальной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением. Это делает срок службы старых котлов из кованого железа значительно выше, чем у сварных стальных котлов. Чугун может использоваться в качестве нагревательного элемента бытовых водонагревателей. Хотя в некоторых странах такие нагреватели обычно называют "котлами", их основная задача – производство горячей воды, а не пара, поэтому они работают при низком давлении и стараются избежать кипения. Хрупкость чугуна делает его непрактичным для паровых котлов высокого давления.
Энергия
Источником тепла для котла является сжигание различных видов топлива, таких как древесина, уголь, нефть или природный газ. Электрические паровые котлы используют нагревательные элементы сопротивления или погружные нагреватели. Ядерный распад также используется в качестве источника тепла для выработки пара, либо напрямую (BWR), либо, в большинстве случаев, в специализированных теплообменниках, называемых "парогенераторами" (PWR). Утилизационные парогенераторы (HRSG) используют тепло, выделяемое другими процессами, например, газотурбинными установками.
Паровой котел с перегревом
Когда вода кипит, образуется насыщенный пар, также называемый "влажным паром". Насыщенный пар, состоящий в основном из водяного пара, содержит некоторое количество неиспарившейся воды в виде капель. Насыщенный пар полезен для многих целей, таких как приготовление пищи, отопление и санитария, но нежелателен там, где требуется передача энергии механизмам, например, для привода судна или "движения" паровоза. Это связано с тем, что неизбежная потеря температуры и/или давления при транспортировке пара от котла к механизму вызывает конденсацию, в результате чего в механизм попадает жидкая вода. Вода, уносимая паром, может повредить лопатки турбины или, в случае парового двигателя, привести к серьезным механическим повреждениям из-за гидрозатвора. Котлы для перегретого пара испаряют воду, а затем дополнительно нагревают пар в перегревателе, в результате чего температура выходящего пара значительно превышает температуру кипения при рабочем давлении котла. Полученный "сухой пар", будучи значительно горячее необходимого для поддержания парообразного состояния, не содержит существенного количества неиспарившейся воды. Кроме того, с перегретым паром возможно более высокое давление, что позволяет ему переносить больше энергии. Хотя перегрев добавляет пару дополнительную энергию в виде тепла, это не влияет на давление, которое определяется скоростью отбора пара из котла и настройками предохранительных клапанов. Расход топлива, необходимый для получения перегретого пара, выше, чем для получения эквивалентного объема насыщенного пара. Однако общая энергетическая эффективность паровой установки (включающей котел, перегреватель, трубопроводы и механизмы) обычно повышается настолько, что более чем компенсирует увеличение расхода топлива. Принцип работы перегревателя аналогичен работе змеевика в кондиционере, хотя и для других целей. Паропроводы проходят через дымоход в топке котла, где температура обычно составляет между… Другие перегреватели – конвективные, поглощающие тепло от жидкости. Некоторые представляют собой комбинацию обоих типов. В любом случае, высокая температура в дымоходе также нагревает трубы перегревателя и содержащийся в них пар. Конструкция любой паровой установки с перегревом представляет собой ряд инженерных задач из-за высоких рабочих температур и давлений. Одной из задач является подача питательной воды в котел. Насос, используемый для подачи воды в котел, должен быть способен преодолеть рабочее давление котла, иначе вода не будет поступать. Поскольку перегретые котлы обычно работают под высоким давлением, давление питательной воды должно быть еще выше, что требует более прочной конструкции насоса. Другой важный аспект – безопасность. Перегретый пар под высоким давлением может быть чрезвычайно опасен при непреднамеренном выбросе. Чтобы дать читателю представление о масштабе, паровые установки, использовавшиеся на многих эсминцах ВМС США, построенных во время Второй мировой войны, работали при давлении и перегреве. В случае серьезного разрушения системы – постоянной угрозы на военном корабле в бою – огромное высвобождение энергии перегретым паром, расширяющимся более чем в 1600 раз, было бы эквивалентно катастрофическому взрыву, последствия которого усугубились бы выбросом пара в замкнутом пространстве, например, в машинном отделении корабля. Кроме того, небольшие утечки, невидимые в месте утечки, могут быть смертельными, если человек окажется на пути выходящего пара. Поэтому конструкторы стремятся обеспечить максимальную прочность компонентов системы, работающих с паром, для поддержания ее целостности. Для предотвращения утечек используются специальные методы соединения паровых труб, а в системах с очень высоким давлением применяются сварные соединения для устранения проблем с утечками, связанных с резьбовыми или прокладками.
Сверхкритический парогенератор
Сверхкритические парогенераторы часто используются для производства электрической энергии. Они работают при сверхкритическом давлении. В отличие от "субкритического котла", сверхкритический парогенератор работает при таком высоком давлении (свыше 221 бар), что физическая турбулентность, характерная для кипения, прекращается; жидкость не является ни жидкостью, ни газом, а представляет собой сверхкритическую среду. В воде не образуются пузырьки пара, поскольку давление превышает критическую точку, при которой возможно образование пузырьков пара. По мере расширения среды через ступени турбины её термодинамическое состояние опускается ниже критической точки, совершая работу по вращению турбины, которая приводит в действие электрический генератор, из которого в конечном итоге извлекается мощность. В этой точке среда может представлять собой смесь пара и жидких капель при прохождении в конденсатор. Это приводит к незначительному снижению расхода топлива и, следовательно, к уменьшению выбросов парниковых газов. Термин "котёл" не следует использовать для обозначения сверхкритического парогенератора, так как в этом устройстве кипение не происходит.
Котельная фитинга и принадлежности
Нагнетательные регуляторы для контроля давления пара в котле. Котлы обычно оснащены 2 или 3 регуляторами: регулятором с ручным сбросом, выполняющим функцию безопасности путем установки верхнего предела давления пара, регулятором рабочего давления, контролирующим момент включения горелки для поддержания давления, и, для котлов, оснащенных модулирующей горелкой, модулирующим регулятором давления, контролирующим интенсивность горения. Предохранительный клапан: используется для сброса давления и предотвращения возможного взрыва котла. Указатели уровня воды: отображают оператору уровень жидкости в котле, также известные как смотровое стекло, водомерное стекло или водяной столб. Нижний продувочный клапан: предназначен для удаления твердых частиц, которые конденсируются и оседают на дне котла. Как следует из названия, этот клапан обычно расположен непосредственно на дне котла и периодически открывается для использования давления в котле для выталкивания этих частиц. Клапан непрерывной продувки: обеспечивает постоянный отвод небольшого количества воды. Его назначение – предотвратить насыщение воды в котле растворенными солями. Насыщение приводит к образованию пены и уносу капель воды с паром – состояние, известное как вспучивание. Продувка также часто используется для контроля химического состава воды в котле. Пробный кран: тип клапана, часто используемый для ручной проверки уровня жидкости в резервуаре. Чаще всего встречается на водонагревательных котлах. Флэш-бак (резервуар для мгновенного испарения): высоконапорная продувка поступает в этот сосуд, где пар может безопасно мгновенно испариться и использоваться в системе низкого давления или сбрасываться в атмосферу, в то время как атмосферная продувка направляется в дренаж. Система автоматической продувки/непрерывного рекуперативного подогрева: эта система позволяет котлу проводить продувку только при поступлении питательной воды, тем самым максимально передавая тепло от продувки в питательную воду. Флэш-бак обычно не требуется, поскольку температура продувки близка к температуре питательной воды. Ручные люки: стальные пластины, установленные в отверстиях в коллекторе для проведения осмотров и монтажа труб, а также для осмотра внутренних поверхностей. Внутренности парового барабана: серия сеток, скрубберов и циклонических сепараторов. Низкоуровневый отсекатель: механическое устройство (обычно поплавковый выключатель) или электрод с защитным выключателем, предназначенный для отключения горелки или прекращения подачи топлива в котел, чтобы предотвратить его работу при снижении уровня воды ниже определенной отметки. "Сухой ход" котла (работа без воды) может привести к разрушению или катастрофической поломке. Линия поверхностной продувки: предназначена для удаления пены или других легких не конденсирующихся веществ, которые имеют тенденцию скапливаться на поверхности воды в котле. Циркуляционный насос: предназначен для возврата воды в котел после отдачи части тепла. Обратный клапан питательной воды: невозвратный запорный клапан в линии питательной воды. Может быть установлен на боковой стенке котла, чуть ниже уровня воды, или на верхней части котла. Верхняя подача: в этой конструкции подачи питательной воды вода подается в верхнюю часть котла. Это может снизить усталость котла, вызванную тепловыми напряжениями. Распыление питательной воды по ряду лотков обеспечивает ее быстрое нагревание, что может уменьшить образование накипи. Трубы или пучки десупернагревателя: серия труб или пучков труб в водяном или паровом барабане, предназначенных для охлаждения перегретого пара для подачи в вспомогательное оборудование, не требующее сухого пара или чувствительного к нему. Линия химической инъекции: соединение для добавления химических веществ для контроля pH питательной воды.
Проточный
Котел, работающий на топливе, должен обеспечивать подачу воздуха для окисления топлива. В ранних котлах этот поток воздуха, или тяга, обеспечивался естественным действием конвекции в дымоходе, соединенном с выходом камеры сгорания. Поскольку нагретые дымовые газы менее плотны, чем окружающий воздух, дымовые газы поднимаются в дымоходе, затягивая более плотный свежий воздух в камеру сгорания. Большинство современных котлов используют механическую тягу, а не естественную. Это связано с тем, что естественная тяга зависит от внешних атмосферных условий, температуры дымовых газов, покидающих топку, а также от высоты дымохода. Все эти факторы затрудняют обеспечение надлежащей тяги и, следовательно, делают механическое оборудование для создания тяги более надежным и экономичным. Типы тяги также можно разделить на принудительную (индуцированную), когда отработанные газы вытягиваются из котла; нагнетаемую (вынужденную), когда свежий воздух подается в котел; и сбалансированную, когда используются оба эффекта. Естественная тяга, обеспечиваемая дымоходом, является разновидностью принудительной тяги; механическая тяга может быть принудительной, нагнетаемой или сбалансированной. Существует два типа механической принудительной тяги. Первый – с использованием пароструйного насоса. Пароструйный насос, ориентированный по направлению потока дымовых газов, индуцирует дымовые газы в дымовую трубу и позволяет увеличить скорость дымовых газов, повышая общую тягу в топке. Этот метод был распространен на паровозах, которые не могли иметь высокие дымоходы. Второй метод заключается в простом использовании вентилятора принудительной тяги (ID-вентилятор), который удаляет дымовые газы из топки и выталкивает их вверх по дымовой трубе. Почти все топки с принудительной тягой работают с небольшим отрицательным давлением. Механическая нагнетаемая тяга обеспечивается вентилятором, который нагнетает воздух в камеру сгорания. Воздух часто проходит через воздухоподогреватель, который, как следует из названия, нагревает воздух, поступающий в топку, для повышения общей эффективности котла. Шиберы используются для регулирования количества воздуха, поступающего в топку. В топках с нагнетаемой тягой обычно поддерживается положительное давление. Сбалансированная тяга достигается путем использования как принудительной, так и нагнетаемой тяги. Это более распространено в больших котлах, где дымовым газам приходится проходить большое расстояние через множество проходов котла. Вентилятор принудительной тяги работает совместно с вентилятором нагнетаемой тяги, позволяя поддерживать давление в топке немного ниже атмосферного.