Котел (производство электроэнергии)

Промышленный котел, первоначально использовавшийся для подачи пара в стационарный паровой двигатель.

Котел или парогенератор представляет собой устройство , используемое для создания пары , применяя тепловую энергию к воде . Хотя определения несколько гибки, можно сказать, что старые парогенераторы обычно назывались котлами и работали при низком и среднем давлении (7–2000  кПа или 1-290  фунт / кв. Дюйм ), но при давлениях выше этого обычно говорят из парогенератора .

Бойлер или парогенератор используются везде, где требуется источник пара. Форма и размер зависят от области применения: мобильные паровые двигатели, такие как паровозы , переносные двигатели и дорожные транспортные средства с паровым приводом, обычно используют меньший котел, который является неотъемлемой частью транспортного средства; стационарные паровые машины , промышленные установки и электростанции обычно имеют более крупную отдельную парогенераторную установку, соединенную с точкой использования трубопроводами. Заметным исключением является паровой беспламенный локомотив , где отдельно произведенный пар передается в ресивер (бак) локомотива.

Парогенератор (компонент тягача) [ править ]

Тип парогенератора, применяемого на угольных электростанциях

Парогенератор или паровой котел является неотъемлемой частью паровой машины, если рассматривать ее в качестве первичного двигателя . Однако его необходимо рассматривать отдельно, поскольку в некоторой степени различные типы генераторов можно комбинировать с различными агрегатами двигателей. Котел включает топку или топку для сжигания топлива и выработки тепла . Вырабатываемое тепло передается воде для образования пара в процессе кипения . При этом образуется насыщенный пар.со скоростью, которая может изменяться в зависимости от давления над кипящей водой. Чем выше температура печи, тем быстрее производится пар. Полученный таким образом насыщенный пар может быть либо немедленно использован для выработки энергии через турбину и генератор переменного тока , либо может быть дополнительно перегрет до более высокой температуры; это заметно снижает содержание взвешенной воды, заставляя заданный объем пара производить больше работы и создает больший температурный градиент, что помогает снизить возможность образования конденсата . Любое остающееся тепло в дымовых газах может быть либо отведено, либо пропущено через экономайзер , роль которого заключается в нагревании питательной воды. прежде, чем он достигнет котла.

Типы котлов [ править ]

Котлы Haycock и вагоны [ править ]

Для первого двигателя Ньюкомена 1712 года котел был немногим больше, чем большой пивоваренный чайник, установленный под силовым цилиндром. Поскольку мощность двигателя была получена за счет вакуума, создаваемого конденсацией пара, требовалось большое количество пара при очень низком давлении, не превышающем 1  фунт / кв. Дюйм (6,9  кПа ). Весь котел был установлен в кирпичной кладке, которая сохраняла некоторое количество тепла. На решетке под слегка выпуклой кастрюлей был зажжен объемный угольный огонь, который давал очень маленькую поверхность нагрева; поэтому в дымоходе было потрачено много тепла . В более поздних моделях, особенно Джона Смитоназначительно увеличена поверхность нагрева за счет того, что газы нагревают стенки котла, проходя через дымоход . Смитон еще больше увеличил длину пути прохождения газов с помощью спирального лабиринтного дымохода под котлом. Эти паровые котлы использовались в различных формах на протяжении 18 века. Некоторые были круглого сечения (сенокос). Более длинная версия на прямоугольном плане была разработана около 1775 года Боултоном и Ваттом (котел на крыше вагона). Это то, что сегодня известно как трехходовой котел, в котором огонь нагревает нижнюю часть, затем газы проходят через центральный трубчатый дымоход квадратного сечения и, наконец, вокруг стенок котла.

Цилиндрический жаротрубный котел [ править ]

Одним из первых сторонников цилиндрической формы был британский инженер Джон Блейки, предложивший свою конструкцию в 1774 году. ^{[1] [2]} Другим ранним сторонником цилиндрической формы был американский инженер Оливер Эванс , который справедливо признал, что цилиндрическая форма была лучшей из всех разработок. с точки зрения механического сопротивления, и к концу 18 века начал включать ее в свои проекты. ^{[ необходимая цитата ]} Вероятно, вдохновленный записями о схеме двигателя Leupold "высокого давления", которые появились в энциклопедических трудах с 1725 года, Эванс отдавал предпочтение "сильному пару", то есть двигателям без конденсации, в которых только давление пара приводило в движение поршеньа затем был выброшен в атмосферу. Он видел преимущество сильного пара в том, что меньшими объемами пара можно было выполнять больше работы; Это позволило уменьшить размеры всех компонентов и приспособить двигатели для транспортировки и небольших установок. С этой целью он разработал длинный цилиндрический горизонтальный котел из кованого железа, в который была встроена единственная дымовая труба, на одном конце которой находилась колосниковая решетка.. Затем газовый поток был направлен в канал или дымоход под стволом котла, затем разделен, чтобы вернуться через боковые дымоходы, чтобы снова присоединиться к дымоходу (котел с колумбийским двигателем). Эванс включил свой цилиндрический котел в несколько двигателей, как стационарных, так и мобильных. Из-за габаритов и веса последние были однопроходными, отводом непосредственно от дымовой трубы к дымовой трубе. Еще одним сторонником «сильного пара» в то время был корнуолл Ричард Тревитик . Его котлы работали при давлении 40–50 фунтов на квадратный дюйм (276–345 кПа) и имели сначала полусферическую, а затем цилиндрическую форму. Начиная с 1804 года Trevithick производил небольшой двухходовой котел с обратным дымоходом для переносных двигателей и локомотивных двигателей. Корниш котлаРазработанный примерно в 1812 году Ричардом Тревитиком, он был одновременно сильнее и эффективнее, чем предшествовавшие ему простые котлы. Он состоял из цилиндрического резервуара для воды около 27 футов (8,2 м) в длину и 7 футов (2,1 м) в диаметре и имел угольную колосниковую решетку, размещенную на одном конце единой цилиндрической трубы шириной около трех футов, которая проходила в продольном направлении внутри резервуара. . Огонь подавлялся с одного конца, а горячие газы от него перемещались по трубе и выходили из другого конца, чтобы циркулировать обратно по дымоходам, идущим снаружи, а затем в третий раз под стволом котла, прежде чем они были выброшены в дымоход. Позже это было улучшено еще одним трехходовым котлом, котлом Ланкашир.в котором стояла пара печей в отдельных трубах. Это было важным усовершенствованием, поскольку каждую печь можно было топить в разное время, что позволяло производить очистку одной печи во время работы другой.

Котлы железнодорожных локомотивов обычно были однопроходного типа, хотя в первые дни двухходовые котлы с «обратным дымоходом» были обычным явлением, особенно с локомотивами, построенными Тимоти Хаквортом .

Многотрубные котлы [ править ]

Значительный шаг вперед был сделан во Франции в 1828 году, когда Марк Сеген изобрел двухходовой котел, у которого второй проход был образован пучком из нескольких труб. Подобная конструкция с естественной индукцией, используемая в морских целях, была популярным судовым котлом Scotch .

Перед испытаниями Рейнхилла 1829 года Генри Бут , казначей Ливерпульско-Манчестерской железной дороги, предложил Джорджу Стивенсону схему многотрубного однопроходного горизонтального котла, состоящего из двух блоков: топки, окруженной водяными пространствами, и бочки котла. состоящий из двух телескопических колец, внутри которых вмонтированы 25 медных трубок; пучок трубок занимал большую часть водного пространства в стволе и значительно улучшил теплопередачу . Старый Джордж немедленно сообщил о схеме своему сыну Роберту, и это был котел, использованный на ракете Стивенсона., явный победитель судебного разбирательства. Конструкция легла в основу всех последующих локомотивов, построенных Стефенсоном, и была немедленно принята другими конструкторами; этот образец жаротрубного котла строится до сих пор.

Структурное сопротивление [ править ]

Котел 1712 г. был собран из клепаных медных пластин с куполом из свинца в первых примерах. Позже котлы были сделаны из склепанных между собой небольших пластин из кованого железа. Проблема заключалась в производстве достаточно больших пластин, так что даже давление около 50  фунтов на квадратный дюйм (344,7  кПа ) не было абсолютно безопасным, равно как и чугунный полусферический котел, который изначально использовал Ричард Тревитик. Эта конструкция с небольшими пластинами сохранялась до 1820-х годов, когда стали возможны более крупные пластины, которые можно было свернуть в цилиндрическую форму с помощью всего одного стыкового шва, усиленного вставкой ; Sans Pareil 11 Тимоти Хакворта 1849 года имел продольный сварной шов. ^[3] Сварная конструкция локомотивных котлов приживалась очень медленно.

Однотрубные прямоточные водотрубные котлы, используемые Doble, Lamont и Pritchard, способны выдерживать значительное давление и выпускать его без опасности взрыва.

Сжигание [ править ]

Источником тепла для котла является сжигание любого из нескольких видов топлива, например древесины , угля , нефти или природного газа . Ядерное деление также используется в качестве источника тепла для производства пара. Парогенераторы- утилизаторы (HRSG) используют тепло, отводимое от других процессов, таких как газовые турбины .

Сжигание твердого топлива [ править ]

Для создания оптимальных характеристик горения огня необходимо подавать воздух как через решетку, так и над огнем. Большинство котлов теперь зависят от оборудования механической тяги, а не естественной тяги . Это связано с тем, что естественная тяга зависит от условий наружного воздуха и температуры дымовых газов, выходящих из печи, а также от высоты дымохода. Все эти факторы затрудняют достижение эффективной тяги и, следовательно, делают механическое тяговое оборудование гораздо более экономичным. Существует три типа механической тяги:

1. Индуцированная тяга: это достигается одним из трех способов, первым из которых является «эффект дымовой трубы» нагретого дымохода, когда дымовой газ менее плотен, чем окружающий воздух окружающий котел. Более плотный столб окружающего воздуха нагнетает воздух для горения в котел и через него. Второй метод - использование паровой струи. Струя пара или эжектор, ориентированный в направлении потока дымовых газов, вводит дымовые газы в дымовую трубу и позволяет увеличить скорость дымовых газов, увеличивая общую тягу в печи. Этот метод был распространен на паровозах, у которых не могло быть высоких дымоходов. Третий метод заключается в простом использовании вытяжного вентилятора (ID-вентилятора), который всасывает дымовые газы из печи и вверх по дымовой трубе. Почти все печи с вытяжкой имеют отрицательное давление.
2. Принудительная тяга: тяга получается путем нагнетания воздуха в топку с помощью вентилятора (FD-вентилятор) и воздуховодов. Воздух часто пропускают через воздухонагреватель; который, как следует из названия, нагревает воздух, поступающий в топку, чтобы повысить общую эффективность котла. Заслонки используются для контроля количества воздуха, поступающего в топку. Печи с принудительной тягой обычно имеют положительное давление.
3. Сбалансированная тяга: Сбалансированная тяга достигается за счет использования как принудительной, так и принудительной тяги. Это чаще встречается в больших котлах, где дымовые газы должны проходить большое расстояние через множество проходов котла. Вытяжной вентилятор работает вместе с вытяжным вентилятором, позволяя поддерживать давление в печи немного ниже атмосферного.

Пожарный котел [ править ]

Следующий этап процесса - вскипятить воду и приготовить пар. Цель состоит в том, чтобы как можно более полный поток тепла от источника тепла к воде. Вода находится в ограниченном пространстве, нагреваемом огнем. Образующийся пар имеет более низкую плотность, чем вода, и поэтому будет накапливаться на самом высоком уровне в емкости; его температура останется на уровне точки кипения и будет только увеличиваться с увеличением давления. Пар в этом состоянии (в равновесии с жидкой водой, которая испаряется внутри котла) называется насыщенным паром.". Например, насыщенный пар при атмосферном давлении кипит при температуре 100 ° C (212 ° F). Насыщенный пар, взятый из котла, может содержать захваченные капли воды, однако хорошо спроектированный котел будет подавать практически« сухой »насыщенный пар с очень небольшим количеством увлеченная вода. Продолжающийся нагрев насыщенного пара приведет пар к «перегретому» состоянию, когда пар нагревается до температуры выше температуры насыщения, и в этом состоянии не может существовать жидкая вода. Большинство поршневых паровых двигателей 19-го века века использовался насыщенный пар, однако современные паровые электростанции повсеместно используют перегретый пар, что позволяет повысить эффективность парового цикла .

Superheater [ править ]

LD Porta дает следующее уравнение, определяющее КПД паровоза , применимое к паровым двигателям всех типов: мощность (кВт) = Производство пара (кг ч ^-1 ) / Удельный расход пара (кг / кВт ч).

Большее количество пара может быть произведено из данного количества воды путем ее перегрева. Поскольку огонь горит при гораздо более высокой температуре, чем насыщенный пар, который он производит, гораздо больше тепла может быть передано некогда образовавшемуся пару путем его перегрева и превращения водяных капель, взвешенных в нем, в большее количество пара, что значительно снижает потребление воды.

Пароперегреватель работает как змеевики в кондиционере , но с другой стороны. Трубопровод пара (с проходящим по нему паром) направлен через дымовой тракт в топку котла. Эта область обычно находится в диапазоне 1300–1600  ° C (2372–2,912  ° F ). Некоторые пароперегреватели относятся к излучающему типу (поглощают тепло тепловым излучением ), другие относятся к конвекционному типу (поглощают тепло через жидкость, например, газ), а некоторые представляют собой комбинацию этих двух. Таким образом, будь то конвекция или излучение, чрезмерное тепло в топке котла / дымовом газе будет также нагревать паровой трубопровод перегревателя и пар внутри. Пока температура пара в пароперегревателе повышается, давление пара не увеличивается:турбина или движущиеся поршни предлагают «постоянно расширяющееся пространство», а давление остается таким же, как в котле. ^[4] Процесс перегрева пара наиболее важен для удаления всех капель, захваченных паром, для предотвращения повреждения лопаток турбины и / или связанных с ними трубопроводов. Перегрев пара увеличивает объем пара, что позволяет заданному количеству (по весу) пара производить больше энергии.

Когда все капли устраняются, считается, что пар находится в перегретом состоянии.

В паровозном котле Стефенсона с дымовыми трубами это влечет за собой направление насыщенного пара через трубы малого диаметра, подвешенные внутри дымовых труб большого диаметра, вводя их в контакт с горячими газами, выходящими из топки; насыщенный пар течет назад от влажного коллектора к топке, а затем снова направляется к сухому коллектору. Перегрев стал в основном применяться для локомотивов примерно в 1900 году из-за проблем с перегревом и смазкой движущихся частей в цилиндрах и паросборниках.. Многие котлы с дымовыми трубами нагревают воду до кипения, а затем используют пар при температуре насыщения, другими словами, при температуре точки кипения воды при заданном давлении (насыщенный пар); это все еще содержит большую часть воды во взвешенном состоянии. Насыщенный пар может и использовался непосредственно двигателем, но поскольку взвешенная вода не может расширяться и выполнять работу, а работа подразумевает падение температуры, большая часть рабочей жидкости тратится впустую вместе с топливом, израсходованным на ее производство.

Водотрубный котел [ править ]

Другой способ быстрого производства пара - это подача воды под давлением в трубу или трубы, окруженные дымовыми газами. Самый ранний пример этого был разработан Голдсуорси Герни в конце 1820-х годов для использования в паровых вагонах. Этот котел был сверхкомпактным и легким по весу, и с тех пор такое расположение стало нормой для морских и стационарных применений. Трубки часто имеют большое количество изгибов, а иногда и ребер для увеличения площади поверхности. Этот тип котла обычно предпочтителен в приложениях с высоким давлением, поскольку вода / пар высокого давления содержится в узких трубах, которые могут выдерживать давление с более тонкими стенками. Однако он может быть поврежден вибрацией в устройствах наземного транспорта. В чугунесекционный котел, иногда называемый «котлом для свинины», вода содержится внутри чугунных секций. Эти секции механически собираются на месте для создания готового котла.

Сверхкритический парогенератор [ править ]

Сверхкритические парогенераторы часто используются для производства электроэнергии . Они работают при сверхкритическом давлении. В отличие от «подкритического котла», сверхкритический парогенератор работает при таком высоком давлении (более 3200  фунтов на квадратный дюйм или 22,06  МПа ), что фактическое кипение прекращается, в котле отсутствует разделение жидкой воды и пара. В воде не происходит образования пузырьков пара, поскольку давление выше критического давления, при котором могут образовываться пузырьки пара. Он проходит ниже критической точки, поскольку действительно работает в турбине высокого давления, и попадает в конденсатор генератора . Это приводит к немного меньшему расходу топлива и, следовательно, к меньшемупроизводство парниковых газов . Термин «бойлер» не следует использовать для парогенератора сверхкритического давления, поскольку в этом устройстве фактически не происходит «кипения».

Очистка воды [ править ]

Питательная вода для котлов должна быть как можно более чистой с минимумом взвешенных твердых частиц и растворенных примесей, вызывающих коррозию , пенообразование и унос воды . Наиболее распространенными вариантами деминерализации питательной воды котла являются обратный осмос (RO) и ионный обмен (IX). ^[6]

Безопасность котла [ править ]

Когда вода превращается в пар, она увеличивается в объеме в 1600 раз и движется по паропроводам со скоростью более 25 м / с. Из-за этого пар является хорошим способом перемещения энергии и тепла по территории от центральной котельной туда, где они необходимы, но без правильной обработки питательной воды для котла паропроизводящая установка будет страдать от образования накипи и коррозии. В лучшем случае это увеличивает затраты на энергию и может привести к низкому качеству пара, снижению эффективности, сокращению срока службы установки и ненадежной работе. В худшем случае это может привести к катастрофическому отказу и гибели людей. Несмотря на то, что в разных странах могут существовать различия в стандартах, применяются строгие законодательные нормы, правила тестирования, обучения и сертификации, чтобы попытаться свести к минимуму или предотвратить такие случаи. К режимам отказа относятся:

• избыточное давление в котле
• недостаточное количество воды в котле вызывает перегрев и выход из строя емкости
• выход из строя сосуда под давлением котла из-за ненадлежащей конструкции или технического обслуживания.

Двойной котел [ править ]

В паровозе Doble используется прямоточный генератор прямоточного типа, состоящий из сплошной трубы. Огонь здесь находится наверху катушки, а не внизу. Вода закачивается в трубку внизу, а пар отводится вверху. Это означает, что каждая частица воды и пара обязательно должна проходить через каждую часть генератора, вызывая интенсивную циркуляцию, которая предотвращает образование осадка или накипи внутри трубы. Вода поступает в нижнюю часть этой трубки со скоростью 600 футов (183 м) в секунду, когда в трубке одновременно находится менее двух кварт воды.

По мере того, как горячие газы проходят между змеевиками, они постепенно охлаждаются, так как тепло поглощается водой. Последней частью генератора, с которой соприкасаются газы, остается поступающая холодная вода. Огонь полностью прекращается, когда давление достигает заданного значения, обычно устанавливаемого на 750 фунтов на кв. Дюйм (5,2 МПа), давление холодной воды; предохранительный клапан набор на 1200 фунтов (544 кг) обеспечивает дополнительную защиту. Огонь автоматически отключается по температуре, а также по давлению, поэтому в случае, если котел полностью высохнет, будет невозможно повредить змеевик, поскольку огонь будет автоматически отключен по температуре. ^[7]

Подобные генераторы принудительной циркуляции , такие как котлы Pritchard и Lamont и Velox, обладают теми же преимуществами.

Основное оборудование котла [ править ]

• Предохранительный клапан
• Измерение давления
• Продувочные клапаны
• Главный запорный клапан пара
• Обратные клапаны подачи
• Плавкая вилка
• Датчик воды
• Сигнализация низкого уровня воды
• Отключение топлива при низком уровне воды
• Приставка для контрольного манометра инспектора
• Табличка с именем
• Регистрационная табличка
• Насос питательной воды котла

Котельная арматура [ править ]

• Предохранительный клапан : используется для сброса давления и предотвращения возможного взрыва котла. Первоначально это было изобретено Денисом Папеном, это был мертвый груз на конце руки, который поднимался избыточным давлением пара. Этот тип клапана использовался на протяжении 19 века для стационарных паровых двигателей , однако колебания локомотивных двигателей заставляли клапаны подпрыгивать и «шипеть», расходуя пар. Поэтому они были заменены различными подпружиненными устройствами.
• Водяной столб: для показа оператору уровня жидкости в бойлере предусмотрен водомер или водяной столб.
• Клапаны нижней продувки
• Линия продувки поверхности
• Подающий насос (ы)
• Циркуляционный насос
• Обратный или обратный клапан: обратный запорный клапан, через который вода поступает в котел.

Аксессуары Steam [ править ]

• Главный запорный клапан пара
• Конденсатоотводчики
• Запорный / обратный клапан основного пара, используемый в установках с несколькими котлами

Аксессуары для горения [ править ]

• Масло Топливная система
• Газовая система
• Угольная система
• Системы автоматического сжигания

Применение паровых котлов [ править ]

Паровые котлы применяются там, где нужен пар и горячий пар. Следовательно, паровые котлы используются в качестве генераторов для производства электроэнергии в энергетическом бизнесе. Он также используется в рисовых мельницах для пропаривания и сушки. Помимо множества различных областей применения в промышленности, например, в системах отопления или для производства цемента , паровые котлы используются в сельском хозяйстве, а также для пропаривания почвы . ^[8]

Тестирование парогенераторов [ править ]

Выдающимся кодом для испытаний парогенераторов в США является код испытаний производительности Американского общества инженеров-механиков (ASME), PTC 4. Связанный компонент - регенеративный воздухонагреватель. В 2013 году будет опубликована значительная редакция кода испытаний производительности для воздухонагревателей. Копии проекта доступны для ознакомления. ^{[9] [10]} Европейскими стандартами приемочных испытаний паровых котлов являются EN 12952-15 ^[11] и EN 12953-11. ^[12] Британские стандарты BS 845-1 и BS 845-2 также продолжают использоваться в Великобритании. ^{[13] [14]}

См. Также [ править ]

• Глоссарий терминологии котлов
• Бойлер - разговорное название водонагревателя (в гидронике )
• Парогенератор (атомная электростанция) - теплообменник в сжатом реакторе с водой под -equipped атомной электростанции
• Парогенератор (железная дорога) - устройство, используемое в поездах для обеспечения теплом легковых автомобилей.

Ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме паровых котлов .