Паровые котлы: принцип работы и устройство

Паровые котлы – особая разновидность котельного водяного оборудования. Устройство агрегатов сходно с водогрейными котлами, отличается принцип работы. Основная область применения паровых котлов – промышленность и энергетика. Паровое отопление запрещено в многоквартирных жилых домах, изредка встречается в частном секторе

Принцип действия, назначение

Принцип работы газового котла достаточно прост, понятен и сводится к следующему алгоритму:

  • Из трубопровода в теплообменный контур с помощью циркуляционного насоса подается не подогретый теплоноситель (вода или специальная жидкость).
  • Одновременно происходит открывание клапана и подача газового топлива на горелку и ее последующий автоматический розжиг.
  • В соответствии с настройками таймера и показателями термодатчиков открытое пламя нагревает теплоноситель внутри теплообменника.
  • В зависимости от интенсивности горения и пропускной способности, проходя через тепловой контур, теплоноситель, нагретый до нужной температуры, поступает в теплопровод системы обогрева и дальше в радиаторы.
  • По достижении заданного уровня нагрева системы пламя гаснет, а затем при охлаждении опять зажигается и т. д. – в зависимости от настроек внешнего термостата.
Схематическое изображение работы газового котла

Схематическое изображение работы газового котла Источник otoplenie-gid.ru

Если газовый агрегат предназначен не только для отопления, но и горячего водоснабжения, в его состав входит второй теплообменный контур. В таком случае котел называется двухконтурным. При этом дополнительный теплообменник, отвечающий за подачу горячей воды в смеситель, отличается от первичного более высокими показателями нагрева и пропускной способностью водяного потока.

Обратите внимание! Некоторые модели котлов не имеют раздельных контуров – на отопление и горячую воду. Поэтому могут работать только в каком-то одном режиме. Например, при открывании крана в системе срабатывается датчик протока – теплообменник начинает работать на снабжение горячего водопровода. Как только водозабор прекращается, он переключается в режим отопления.

Схема подключения системы отопления и бойлера к газовому котлу

Схема подключения системы отопления и бойлера к газовому котлу Источник kotlobzor.ru

uslugi.png

Для каких целей нужен пар

Знание того, где используется паровой котел и с какими режимами, позволяет эффективно выбрать оборудование.

ПК применяются в таких отраслях:

  1. ЖКХ в центральном отоплении устанавливают модификации ПК низкого или среднего давления для парового отопления. Теплоноситель поступает либо непосредственно в сеть, либо через теплообменные аппараты подготавливает воду для центрального отопления и ГВС.
  2. Промышленность применяет более мощные парогенераторы, вырабатывающие перегретый пар с повышенной теплоотдачей.
  3. Энергетика, паровые котлы высокого давления участвуют в схемах генерации электроэнергии, передавая пар турбине.
  4. Промышленность, ПК обеспечивают механическое движение производственных аппаратов.
  5. Железнодорожный транспорт, ПК установлены на тепловозах.

Конструктивные элементы парового котла и обеспечение безопасности работы с паровым котлом

К конструктивным элементам парового котла относятся цилиндры и сосуды различных размеров и диаметра, трубы, соединенные между собой в целостную систему посредством вальцовки и сварочных соединений. Абсолютно любой паровой котел имеет трубопроводы, барабан и коллекторы. Ремонт парового котла, его осмотр и чистка осуществляются через лазы – специальные технологические отверстия.

Емкость парового котла, которая заполняется водой и находится внутри, носит название водного пространства. Под паровым пространством следует понимать пространство, которое заполняется образующимся в результате паром. Между собой паровое и водное пространства разделены поверхностью, которую называют зеркалом испарения. В паровом пространстве имеется оборудование, предназначенное для сепарации пара и влаги.

Работа парового котла сопровождается постоянным и интенсивным охлаждением металлических элементов всей конструкции, которые в процессе работы подвергаются воздействию высокой температуры. Это позволяет проводить безопасную эксплуатацию парового котла. Охлаждение происходит в результате регулярной циркуляции теплоносителя по трубам обогревания.

Тепло от газов, которые образуются в результате сгорания топлива, поступает к трубопроводу. Тем временем теплоноситель, не останавливаясь, отводит тепло от трубопроводных стенок, тем самым препятствуя перегреву трубопровода. Если же весь этот процесс недостаточно интенсивен, трубопровод может сильно перегреться, в результате потеряв свои прочностные характеристики. Перегрев трубопровода может привести к оплавлению труб или даже их разрыву. Такие явления могут стать поводом для аварийной остановки парового котла.

Принцип работы парового котла

Для функционирования паровых котлов высокого давления используют химически обработанную воду, нагреваемую через пакеты экранных труб, под воздействием горячих уходящих газов, образующихся, как продукт от горения природного топлива.

С ростом температуры вода преобразуется в пар, поступающий на участок применения для передачи тепловой энергии или кинетической энергии струи.

Схематичное исполнение котла по выработке пара

Принцип работы:

  1. Природная вода поступает на водоподготовку, где проходит очистку от взвешенных веществ и умягчается. Затем она подается в баках химочищенной воды и подаётся в агрегат с помощью питательных насосов для паровых устройств.
  2. Прежде чем попасть в барабан питательная среда поступает через экономайзер – чугунное теплонагревающее устройство расположенное в хвостовой части агрегата для снижения температуры уходящих газов и повышения кпд парового котла.
  3. Из верхнего барабана вода по необогреваемым трубам попадает в нижний барабан, а поднимается из него по подъемным конвективным трубам в виде пароводяной смеси.
  4. В верхнем барабане проходит процесс его сепарации от влаги.
  5. Сухой пар через паропроводы направляется к потребителям.
  6. Если это парогенератор, то пар повторно проходит нагрев в пароперегревателе.

Устройство парового котла

Конструкцию ПК упрощенно можно представит, в виде емкости, где вода преобразовывается в пар. Она изготовлена из труб разного диаметра. Кроме трубной системы ПК имеет топочное пространство, в которой сжигают природное топливо.

Устройство парового котла и его конструктивные особенности, определяются видом топлива. Например, угольные топки оборудованы колосниками, на которых размещен горящий топливный слой, через них в топку поступает кислород.

Вверху топки установлен дымоход, создающий тягу в парогазовом тракте агрегата, чем поддерживается нормальный режим. Паровые котлы на газе имеют газовую или мазутную горелки.

Горячие уходящие газы, получаемые в процессе горения топлива, нагреваю воду до кипения, после этого с зеркала испарения начинает выделяться пар, поступающий потребителю, а дымовые газы через трубу уходят в атмосферу.

Главные конструкционные элементы паровых котельных связываются в одну целостную котловую систему с помощью гарнитуры, арматуры, циркуляционных насосов, КИПиА дымососов и вентиляторов.

Контроль за работой котла

Компании, выпускающие паровые котлы, обязательно оснащают оборудование специальными контрольно-измерительными устройствами и приборами, которые позволяют контролировать работу парового котла.

Уровень воды в системе возможно регулировать при помощи водомерного стекла. Водомерное стекло является важным элементом контрольной системы. Расположено оно на передней панели кожуха топки. Оснащено это стекло специальными кранами: нижним и верхним. Нижний располагается на верхнем уровне огневого короба, а верхний кран устанавливается внутри парового пространства котла. Между собой краны связаны специальной стеклянной трубкой и плоским стеклом. Это стекло при помощи нижнего крана заполняется водой и всегда находится под паровым давлением, поступающим через верхний кран. Действует данный прибор по принципу закона сообщающихся сосудов. Это означает, что уровень воды в котле всегда будет равен уровню воды в стеклянном сосуде.

Уровень воды во время работы котла всегда должен быть между самым минимальным и максимальным уровнями. Устанавливается минимальный уровень для того, чтобы исключить перегрев металлических элементов. Многие модели подразумевают нижний уровень воды не ниже 100 мм над зоной огня. Чтобы вода не попала в систему паропровода, устанавливают максимальный уровень. Если вода все же попадет в паропровод, в нем может произойти гидравлический удар, что приведет к серьезной аварии.

Принцип работы промышленных и бытовых котлов примерно одинаковый, да и конструкция у них очень похожа. Немного отличаются так называемые котлы-утилизаторы. Такие котлы подогревают воду тепловой энергией газов, которые выделяются газотурбинными установками, дизель-генераторами и другим оборудованием. Конструкция такого котла заметно отличается от обычного парового. Вторичные газы в котле-утилизаторе сразу же поступают на нагревающую поверхность. В таком котле отсутствует воздухоподогреватель и топка. В котел поступают газы с температурой от 350 до 700 градусов Цельсия. Как правило, такое оборудование предназначено для промышленных целей и устанавливается на больших энергоемких производствах.

Прямоточные котлы

Помимо котлов с естественной и принудительной циркуляцией существуют и так называемые прямоточные котлы. В конструкции таких котлов отсутствует барабан. Вода однократно проходит через испарительный трубопровод, постепенно превращаясь в пар. В переходной зоне завершается процесс преобразования воды в пар. Пароводяная смесь из испарительного трубопровода поступает в пароперегреватель, где пар и нагревается до необходимой температуры. Некоторые прямоточные котлы имеют промежуточный подогреватель пара. Он предназначен для повторного прогревания пара, который поступил из турбинной установки. Снова прогревшись, пар возвращается в турбину. Прямоточный котел представляет так называемую разомкнутую гидросистему. Такая котельная установка может работать как на докритических давлениях, так и на сверхкритических.

Прямоточные паровые котлы не требуют специально оборудованных помещений. Они не требуют регулярный контроль по эксплуатации и технадзору.

Самым главными и неоспоримым преимуществом прямоточного парового котла следует считать минимальное время, требуемое для нагрева воды, и маленький срок, требуемый для приведения котла в рабочее состояние. За счет всех этих плюсов прямоточные котлы служат как бы резервными установками, применение которых необходимо при сбоях и во время нагрузок основного котельного оборудования.

Помимо этого прямоточные котлы имеют и другие плюсы. Во-первых, они допускают более высокую тепловую нагрузку. Во-вторых, отсутствуют тяжелые и громоздкие коллекторные установки, имеется возможность свободной компоновки нагревательных поверхностей. Наиболее эффективно используется нагревательная поверхность. Прямоточные котлы обладают высоким КПД и достаточно компактны, имеют высокую маневренность.

Схема парового котлоагрегата

Схема движения теплоносителя

ПК устанавливаются в котельном зале, который может располагаться в отдельно стоящих, примыкающих и встроенных зданий нежилого назначения.

Обозначения по схеме:

  1. Система топливоподачи газового парового котла, No1.
  2. Устройство для горения – топка, No2.
  3. Циркуляционные трубы,No3.
  4. Зона пароводяной смеси, зеркало испарения,No4.
  5. Направление движения питательной воды, NoNo5,6 и 7.
  6. Перегородки, No8.
  7. Газоход, No9.
  8. Дымовая труба, No10.
  9. Выход циркуляционной воды, из емкости парового котла, No11.
  10. Слив продувочной воды, No12.
  11. Подпитка котла водой, No13.
  12. Паровой коллектор, No14.
  13. Сепарация пара в барабане, NoNo15,16.
  14. Водоуказательные стекла, No17.
  15. Зона насыщенного пара, No18.
  16. Зона пароводяной смеси, No19.

Классификация паровых котлов

Зависимо от способа нагрева теплоносителя различают газовые, твердотопливные и электрические паровые котлы.

Паровые котлы на газе характеризуются мощностью образования насыщенного пара, измеряемой в кг/ч. Главными характеристиками агрегата являются температура и давление пара.

Паровые газовые котлы могут использовать в качестве топлива природный или сжиженный газ. Топливо горит в установленной на крышке котла горелке. Дымовые газы увеличивают температуру воды, в результате чего она переход в парообразное состояние и под давлением поступает к потребителям через инсталлированный сепаратор пара.

Паровой водогрейный котел может использовать в качестве топлива и дрова. Принцип функционирования паровых котлов на дровах базируется на тепловом обмене между теплоносителем и дымовыми газами. Дрова горят в топке, охваченной остужаемой водяной рубашкой. Дымовые газы преодолевают теплообменник и выходят сверху агрегата. При испарении подогреваемого теплоносителя образуется пар. Он скапливается сверху котла, в паросборной камере и направляется на производственные нужды по паропроводу.

Паровые котлы электрического типа отличаются от двух остальных видов компактными размерами. Это позволяет рассматриваемые паровые водогрейные котлы устанавливать на стену.

В настоящее время паровые водогрейные котлы электрического типа являются самыми востребованными, так как они не требуют организации отдельной котельной с дымоходом, не сжигают кислород, имеют простое управление.

Схема обвязки парового котла

Схема обвязки. Источник фото: strangely.ru

Типовая схема обвязки ПК зависит от типа парогенератора и его рабочих параметров.

Для систем центрального теплоснабжения системы жилищно-коммунального хозяйства типовая схема состоит:

  1. Парогенератор.
  2. Деаэратор.
  3. Умягчитель по схеме химической очистки.
  4. Дозатор и бак реагентов.
  5. Ресивер.
  6. Регулируляторы давления.
  7. Насос подачи питательной воды в котел.
  8. Насос подачи воды из деаэратора в ресивер.

В конструкцию котла также могут входить:

  • пароперегреватель — для повышения температуры насыщенного пара;
  • сепаратор пара и внутрибарабанные устройства — для удаления влаги из пара.

Энергозависимость котла

Большинство современных котлов имеют в комплектации различные датчики для безопасности работ: термостаты, поддерживающие нужную температуру в помещении и регулирующие подачу топлива в котел, циркуляционные насосы и вентиляторы. Все они работают при условии постоянного подключения к электрической сетия.

Важно! Если в вашем районе поставки электричества нестабильны, то лучше присмотреться к энергонезависимым напольным агрегатам или дополнительно установить источник бесперебойного питания.

Обычно используют Источники Бесперебойного Питания (ИБП), также в качестве резервного источника электроэнергии можно использовать другие устройства, например, дизельные или бензиновые генераторы. Однако их применение в загородном доме нецелесообразно. Но иногда необходимо.

Как правильно эксплуатировать

Паровые котлы относятся к объектам повышенной опасности, поэтому многими нормативными документами котлонадзора, проектом установки, технической документацией завода-изготовителя и правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов закреплены требования по безопасной эксплуатации таких сосудов, которые обязаны выполнять ответственные должностные лица и обслуживающий персонал.

Безопасная эксплуатация начинается с химической водоподготовки воды, которая имеет важное значение для технического обслуживания современных парогенераторов и котлов. Минеральные соли, содержащиеся в природной воде, при температуре выше 70 оС, образуют накипь на внутренних поверхностях труб.

Это приводит к ухудшению теплопередачи от дымовых газов к питательной воде, она перестает охлаждать трубы, которые перегреваются, перегорают в следствии чего, образуется разрыв стен, резкое падение давления во внутреннем контуре агрегата, мгновенное парообразование перегретой воды и взрыв котла.

Уровень очистки сырой воды зависит от источника водоснабжения и устанавливается специалистами в проекте водоподготовки котлоагрегата, где описаны не только режимы, но и схема подключения с необходимым оборудованием.

Управление котлов бывает ручным и автоматизированным. Современные ПК без автоматики и защиты безопасности к эксплуатации не допускаются. Ручное управление с защитой безопасности допускаются только в маломощных угольных котлах низкого давления.

Структура управления котла:

  1. Устройства розжига и отключения горения топлива.
  2. Регулирования расходов: топливо, воздух и вода.
  3. Сбор и анализ данных работы ПК.
  4. Система аварийной остановки котла.

Классификация

Паровые котлы, принцип работы которых мы сегодня рассматриваем, могут классифицироваться по нескольким параметрам.

По виду топлива:

  • Угольные.
  • Газовые.
  • Мазутные.
  • Электрические.

По назначению:

  • Бытовые.
  • Энергетические.
  • Промышленные.
  • Утилизационные.

По конструкции:

  • Газотрубные.
  • Водотрубные.

Дополнительные элементы котлов

Принцип работы парового котла довольно прост, тем не менее его конструкция состоит из довольно большого количества элементов. Кроме топочной камеры и труб для циркуляции воды/пара, котлы оснащаются устройствами для повышения их эффективности (увеличение температуры пара, его давления и количества). К таким устройствам относят:

  1. Пароперегреватель. Служит для повышения температуры пара выше 100 градусов. Перегревание пара повышает экономичность аппарата и его коэффициент полезного действия. Перегретый пар может достигать температуры в 500 градусов по Цельсию. Столь высокие температуры имеют место в паровых установках атомных станций. Суть перегрева состоит в том, что после испарения идущий по трубе пар подвергается повторному нагреву. Для этого аппарат может оснащаться дополнительной топочной камерой или простым трубопроводом, который, прежде чем вывести пар на целевое использование, несколько раз проходит через основную топку. Пароперегреватели бывают радиационными и конвекционными. Первые работают в 2-3 раза эффективнее.
  2. Сепаратор. Служит для «осушения» пара — отделения его от воды. Это позволяет увеличить КПД установки.
  3. Паровой аккумулятор. Данное устройство создано для поддержания постоянного уровня выхода пара из установки. Когда пара не хватает, оно добавляет его в систему и, наоборот, отбирает в случае переизбытка.

Подготовительное устройство для воды. Чтобы аппарат работал дольше, вода, попадающая в него, должна отвечать специфическим требованиям. Данное устройство снижает количество кислорода и минералов в воде. Эти несложные меры позволяют предотвратить коррозию труб и образование на их стенках накипи. Ржавчина и накипь не только снижают эффективность аппарата, но и быстро приводят его в негодность, особенно в случае активного использования.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...