Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

Котел – це пристрій, призначений для одержання пари із тиском вище атмосферного або гарячої води за рахунок тепла, що виділяється при спалюванні палива. Основними елементами котла є топка й теплообмінні поверхні. Спеціальний пристрій котла, в якому відбувається спалювання палива, називається топкою або топковою камерою. Деякі типи котлів, наприклад котли-утилізатори, не мають топки. У такому випадку отримання пари або підігрів води здійснюються за рахунок теплоти гарячих газів, що утворюються при якому-небудь технологічному процесі. Газовий тракт котла, тобто та частина котла, якою протікають продукти згорання, розділений на окремі газоходи. Взаємне розташування газоходів, що визначає напрямок руху продуктів згорання й розташування поверхонь нагріву, називається компоновкою. Найпоширенішими у даний час є П–подібна, Т–подібна та баштова компоновки. Можна виділити й конвективні газоходи, якими протікають уже відносно холодні гази.  У котел подається вода, яка називається живильною. Живильна вода у котлі нагрівається, а потім перетворюється на насичену або перегріту пару необхідних параметрів. Під параметрами пари маються на увазі її тиск і температура. Основним споживачем водяної пари, що виробляється у котельних установках, є паросилові установки, а також вона може використовуватися для технологічних потреб.

Перетворення живильної води у пару відбувається в поверхнях нагріву котла. До поверхонь нагріву котла відносяться випарні, пароперегрівні та економайзерні поверхні. Випарні поверхні нагріву розташовуються у топці котла або безпосередньо за нею. У них вода нагрівається до температури насичення й утворюється пароводяна суміш. Пароперегрівники призначені для отримання перегрітої пари.

Барабан котла

Вони розташовуються за топковою камерою.

Економайзерні поверхні нагріву призначені для попереднього підігріву живильної води теплотою продуктів згорання, що відходять з котла. Теплообмінні поверхні котла конструктивно можуть розділятися на окремі секції або «пакети».

До основних елементів котла відносяться також барабани, повітропідігрівники, пальникові пристрої, пристрої для регулювання температури перегріву пари. Барабани котлів призначені для відділення насиченої пари від води, видалення з неї надмірної вологи, а також як пристрій, в якому акумулюється кількість води, необхідної для надійної роботи котла. Повітропідігрівники котла – це поверхні нагріву, в яких відбувається попередній підігрів повітря, що надходить в топку, й необхідного для спалювання палива. Пальникові пристрої – це пристрої для спалювання палива у топці котла. Пальникові пристрої сучасних котлів у першу чергу забезпечують найефективніше згорання палива як хімічного процесу й зниження кількості шкідливих речовин, що утворюються у процесі горіння та викидаються в атмосферу. До пристроїв регулювання температури перегріву пари відносяться теплообмінники різних типів та впорскувальні пароохолоджувачі.

Для забезпечення роботи сучасні котли оснащені допоміжним устаткуванням, до якого відносяться дуттьові вентилятори, димососи, золоуловлююче устаткування, устаткування з підготовки палива і т.п. Сукупність котла та допоміжного устаткування називається котельною установкою.

Одним з важливих елементів котла є каркас, призначений для розміщення та кріплення всіх його елементів. Він виготовлений з металоконструкцій і спирається на фундамент або елементи будівлі.

Для забезпечення безпеки роботи персоналу, а також для зниження втрат теплоти у навколишнє середовище на котлі передбачені обмурування та теплова ізоляція.

Котли класифікують за призначенням, паровидатністю, параметрами пари, типом топкового пристрою, способом організації взаємного руху продуктів згорання й робочого середовища, способом організації руху робочого середовища у поверхнях нагріву та видом спалюваного органічного палива.

За призначенням котли поділяються на парові, що виробляють водяну пару необхідних параметрів, водогрійні, котлиутилізатори і енерготехнологічні котли. Вони призначаються для енергетичних, виробничих, опалювально-виробничих і опалювальних котельних установок.

За паровидатністю котли поділяються на котли малої потужності, котли середньої потужності, енергетичні котли і котли великої паропродуктивності енергоблоків ТЕС.

За параметрами пари парові котли поділяються на такі, що працюють на низькому (0,88 МПа), середньому (1,36, 2,36 і 3,9 МПа), високому (9,8 й 13,8 МПа), критичному (16 МПа), надкритичному (24 МПа) тиску. Досягнення сучасної науки й техніки в області отримання нових конструкційних матеріалів та сталей дозволили створити нові типи парових котлів, що працюють на супернадкритичному тиску (до 30 й більше МПа).Складання блоків конвективного пароперегрівника

Парові котли малої паровидатності (до 20 т/год) випускаються на низький та середній тиск пари. Вони отримали значне розповсюдження й широко використовуються для технологічних і господарських потреб, входять до складу стаціонарних й пересувних котельно-опалювальних установок.

Котли середньої паровидатності (до 100 т/год) – це, як правило, котли середнього тиску з помірною температурою перегрітої пари (425–450°С) – широко використовуються як джерело технологічної пари на промислових підприємствах.

Енергетичні парові котли випускаються на середній й високий тиск пари і мають паровидатність від 100 до 640 т/год. Ці котли встановлюються на невеликих теплоелектроцентралях й промислових підприємствах і призначаються для вироблення електроенергії, отримання водяної пари або гарячої води для технологічних потреб та опалювання.

Котли енергоблоків ТЕС (КЕС і ТЕЦ) мають паровидатність до 3600 т/год і випускаються на середній, високий, надкритичний і супернадкритичний тиск пари. Вони призначені для забезпечення вироблення електроенергії й теплофікації населених пунктів.

За типом топкового пристрою вирізняють котли, оснащені шаровою топкою, камерною топкою, циклонною топкою, вихровою топкою, топкою з киплячим шаром, спеціальними топками для спалювання специфічних видів палива. Котли, оснащені вихровими топками й топками з киплячим шаром, останнім часом мають багато модифікацій і набувають все більшого поширення. Їх перевага перед котлами з камерними топками полягає у тому, що вони можуть спалювати тверде паливо погіршеної якості та багато промислових й побутових відходів. При цьому для них не потрібні системи пилоприготування. Вони мають меншу металоємність й більш високі екологічні показники.

За способом організації взаємного руху продуктів згорання й робочого середовища котли поділяються на газотрубні й водотрубні. Водотрубні котли у свою чергу випускаються декількох модифікацій: барабанні з природною циркуляцією, сепараційні (безбарабанні) з багаторазовою примусовою циркуляцією і прямоточні котли. У котлах з природною циркуляцією вода циркулює за рахунок різниць її густини; для забезпечення примусової циркуляції використовуються циркуляційні насоси, а рух середовища у прямоточних котлах здійснюється за рахунок напору, що розвивається живильним насосом.

Розвиток типів водотрубних котлів поданий на малюнку 2.1.

Відмінною рисою водотрубних барабанних котлів є наявність одного або декількох барабанів із фіксованою межею поділу між парою й водою.

Важливим кроком у розвитку конструкцій парових котлів виявився винахід прямоточних котлів (мал. 2.1, д). Прямоточний рух робочого середовища у парових котлах запропонований у кінці XIX століття російськими інженерами, у тому числі Д.І. Артемьєвим, який у 1893 році створив судновий прямоточний котел.

Прямоточні котли не мають барабана, у них вода, а потім пароводяна суміш й пара (звані разом робочим середовищем) послідовно проходять всі поверхні нагріву котла. На відміну від барабанного типу, прямоточні котли можуть працювати і при надкритичному тиску робочого середовища.

За типом тяги у газоповітряному тракті парові котли розрізняють на котли з врівноваженою тягою та наддувом. У котлах з врівноваженою тягою рух продуктів згорання газоповітряним трактом примусовий і здійснюється за рахунок спільної роботи димососа та дуттьового вентилятора. У котлах із наддувом опір газового тракту в основному долається роботою компресора.

За видом спалюваного органічного палива парові котли поділяються на котли, що спалюють тверде, рідке, газоподібне паливо, а також побутові відходи, дрова, біомасу.

Мал. 2.1. Розвиток типів водотрубних котлів: а – циліндричний; б – камерний горизонтально-водотрубний; в – двобарабанний вертикально-водотрубний; г – однобарабанний факельний вертикально-водотрубний; д – прямоточний; 1 – топка; 2 – барабан-сепаратор; 3 – нижній барабан; 4 – вихід пари; 5 – роздавальна водяна камера; 5' – колектор; 6 – труби котельних пучків; 6' – труби настінних екранів; 7 – економайзер; 8 – пароперегрівник; 9 – повітропідігрівник; 10 – колосникова решітка; 11 – пальник; 12 – вхід води в котел

Для маркування парових котлів прийняті такі позначення: П – прямоточний; Е – котел з природною циркуляцією; Пр – котел з примусовою циркуляцією і т. д. Наприклад, типорозмір Е–420–140ГМ означає: паровий котел з природною циркуляцією для спалювання газу і мазуту паропродуктивністю 420 т/год з тиском 140 кгс/см2 (14 МПа).