Значительного повышения КПД котельных в течение отопительного сезона можно достигнуть путем разработки алгоритма наилучшего эксплуатационного режима совместной работы отдельных котлов. Предпосылкой для определения этого режима является требование о том, чтобы при любой нагрузке на котельную КПД каждого котла был близок к тому максимуму, который возможен при конкретном виде и качестве сжигаемого топлива. При установлении наилучшего режима работы каждого из котлов исходят из того, что при увеличении его теплопроизводительности удельные потери в окружающую среду уменьшаются, а удельные потери с уходящими газами, химическим и механическим недожогом увеличиваются.
На основе характеристик для отдельных котлов строятся одноименные характеристики для котельной применительно к одновременно находящимся в работе котлам в данный период времени и оптимальному распределению тепловой нагрузки котельной между ними.
Распределение нагрузки между совместно работающими агрегатами будет наиболее выгодным, когда выполнение данного общего графика нагрузки требует наименьшего количества первичной энергии. Тепловые нагрузки котлов, соответствующие этим условиям, будут совпадать, если в рассматриваемый период времени все работающие котлы данной котельной используют одинаковое топливо.
Режим работы котла, должен строго соответствовать режимной карте, составленной на основе испытания оборудования и инструкции по эксплуатации.
В случае реконструкции котла и изменении марки и качества топлива режимная карта должна быть скорректирована.
Режимная карта является руководством для обслуживающего персонала по ведению режима работы котла и вспомогательного оборудования. Она составляется на основании результатов режимноналадочных или балансовых испытаний котла.
При наличии на электростанции нескольких однотипных котлов, работающих на одинаковом топливе, испытания в полном объеме могут быть проведены на одном из этих котлов. Для остальных котлов этой серии по результатам нескольких опытов в режимную карту вносятся необходимые уточнения.
Компоновка котельных:
Рациональная компоновка котельных должна:
- обеспечить надежную работу, удобное и безопасное обслуживание установленного оборудования;
- дать минимальную протяженность трубопроводов и других коммуникаций, а также кабельных линий;
- приводить к наименьшим габаритам помещений для размещения оборудования, лабораторий и ремонтных служб котельных, чтобы, сократить затраты на строительные конструкции, здания и вспомогательные сооружения;
- обеспечивать минимально потребное количество обслуживающего персонала путем использования в экономически оправдываемых пределах средств автоматизации технологических процессов;
- допускать поочередную установку оборудования, а также расширение в условиях действующей первой очереди котельной с минимальными переделками коммуникаций;
- создавать условия для механизированного производства ремонтных работ, ревизий и чистки оборудования и арматуры, используя для этих целей специальные приспособления, грузоподъемные механизмы в ремонтные площадки.
Здание котельной, как правило, состоит из помещения, в котором размещены котельные агрегаты с их вспомогательным оборудованием, бункерного отделения - этажерки топливоподачи, части здания или пристройки для установки золоуловителей, водоподготовительной установки, трансформаторной подстанции, электрических щитов, щитов контрольно - измерительных приборов и автоматики, а также помещений для лабораторий и служебно - бытовых помещений и ремонтного пункта.
Водоподготовительные установки для котельных допускается проектировать в отдельно стоящих зданиях. В котельных, сжигающих газообразное или жидкое топливо, бункерное отделение, топливоподача, пылеприготовление и золоудаление отсутствуют, так что компоновочные решения таких котельных существенно упрощаются.
При проектировании котельных собственно котлы и их вспомогательное оборудование желательно принимать в заводской или типовой компоновке, которая обычно выполняется по агрегатной схеме. Установка котлов в котельной осуществляется однорядной, с фронтом, расположенным в одну линию и обращенным к окнам котельного зала.
Компоновка котельных при размещении его полностью внутри помещений называется закрытой.
При благоприятных климатических условиях (теплый климат, отсутствие пыльных и песчаных бурь и т. д.) котлы и вспомогательное оборудование могут быть размещены вне здания. Такая компоновка оборудования котельной называется открытой. При ее осуществлении, однако, щиты управления и распределительные устройства располагаются в закрытых помещениях.
Полуоткрытой называется компоновка котельных, при которой часть вспомогательного оборудования, например деаэраторы, вентиляторы, дымососы или золоуловители, находятся вне здания, или компоновка, при которой только нижняя часть котлов с горелками, арматурой и трубопроводами в пределах котлов расположена внутри здания, а верхняя часть котлов находится вне здания. Полуоткрытая компоновка оборудования котельных допускается только для районов с расчетной температурой наружного воздуха не ниже - 30°С.
Для предотвращения скопления пыли на трактах топливоподачи проектируют установку пневмоуборки или гидросмыва. Наклонная и надбункерная галереи транспортеров топливоподачи оборудуются системами отопления и вентиляции. В местах пересыпки топлива предусматриваются местные отсосы запыленного воздуха (аспирация). Чтобы не утяжелять строительные конструкции за счет восприятия динамических нагрузок от оборудования, а также не передавать вибраций на них, насосы, углеразмольные мельницы, дымососы и вентиляторы, как правило, должны устанавливаться на нулевой отметке котельной на фундаментах, не связанных со строительными элементами здания котельной.
Для обслуживания и ремонта оборудования предусматриваются свободные проходы не менее 0,8 м от выступающих частей, а также устройства и площадки, необходимые для выемки деталей узлов. Практика проектирования котельных показывает, что минимально возможная протяженность трубопроводных коммуникаций получается при установке сетевых и питательных насосов вдоль фронта котлов. Насосы размещаются обычно под встроенной этажеркой для установки щитов КИП или теплообменников.
Золоуловители, а иногда и тягодутьёвые установки монтируются на открытом воздухе - между зданием котельной и дымовой трубой. Только в тех случаях, когда такое размещение не допускается санитарными нормами или климатическими условиями данного района, их устанавливают внутри здания. Дымовые трубы сооружаются за пределами зданий котельных на расстоянии, которое определяется компоновкой устанавливаемых вне здания золоуловителей и дымососов, а также габаритами фундамента под дымовую трубу и конструкцией газоходов. При наличии высоких уровней грунтовых вод газоходы выполняются надземными.
Компоновка котельных, со стороны постоянного торца, предусматривает помещения для механической мастерской, лабораторий, водоподготовительных установок (ВПУ) и КИП, а также для служебно - бытовых нужд обслуживающего и ремонтного персонала.
Внутрикотловые процессы. Циркуляция воды в паровых котлах. Принцип естестественной циркуляции. Принудительное движение воды и пара в трубах энергетических котлов.
Внутрикотловые процессы - это процессы, при которых внутри поверхностей нагрева, происходит подогрев и испарение воды, перегрев пара, которым сопутствуют следующие процессы:
а) выделение из воды растворенных газов (воздуха, кислорода, азота и двуокиси углерода);
б) коррозионное разрушение кислородном и двуокисью углерода внутренних поверхностей нагрева, изготовленных из сталей с образованием окислов железа;
в) выделение из воды выкристаллизовавшихся солей жесткости и образование вместе с продуктами коррозии на внутренних поверхностях нагрева отложений – накипи и шлама.
Надежная работа поверхностей нагрева котла может быть обеспечена только при условии необходимого охлаждения стенок труб расположенных в зоне высоких температур продуктов сгорания.
Средой, охлаждающей испарительные поверхности нагрева, является вода или смесь ее с образовавшимся паром.
Надежность охлаждения стенок труб поверхности нагрева может быть обеспечена только при непрерывном движении, называемом циркуляцией.
Движение воды по трубам испарительной поверхности нагрева может происходить принудительно (например, с помощью насоса или за счет естественной циркуляции).
В зависимости от организации движения потока воды и пароводяной смеси в испарительной системе котлы разделяются на 2 группы:
1) с естественной циркуляции;
2) с принудительной циркуляцией (прямоточные и многократной принудительной циркуляцией).
Циркуляцией воды называется движение воды по замкнутому контуру. В состав контура циркуляции, в общем случае, входят такие конструктивные элементы котлов, как барабаны, коллекторы, обогреваемые и необогреваемые трубы поверхностей нагрева. Вода может проходить по контуру многократно либо однократно, двигаясь через поверхности нагрева от входа к выходу.
В зависимости от причин, которые вызывают движение воды циркуляция подразделяется на естественную и принудительную.
Естественная циркуляция осуществляется в паровых котлах, так как движущий напор в контуре создается разностью плотностей воды и пара. При этом каждый кг воды может постепенно превращаться в пар, многократно проходя через контур, либо превращаться в пар за один проход через поверхность нагрева.
Принудительная циркуляция воды производится с помощью насоса. Она применяется в водогрейных котлах и водяных экономайзерах и является прямоточной.
При любом виде циркуляции и способах ее организации вода и пар, образующийся в контуре, должны надежно охлаждать металл, что необходимо для безаварийной работы котлов.
Рассмотрим принцип действия естественной циркуляции на примере контура циркуляции бокового экрана топки.
Питательная вода вводится в верхний барабан котла. Из него вода опускается по опускной трубе и входит в коллектор. На этом участке контура теплота к воде не подводится и температура воды остается ниже температуры насыщения при данном давлении пара в котле.
Из коллектора вода поступает в обогреваемые трубы экрана и, поднимаясь по ним, нагревается до кипения, кипит и частично превращается в пар. Образовавшаяся пароводяная смесь вводится в барабан, где разделяется на воду и пар. Пар покидает котел, а вода смешивается с питательной водой и вновь поступает в контур циркуляции.
Участок подъемных труб, где вода нагревается до кипения, называется экономайзерным, а содержащий пар – паросодержащим. Высота последнего в несколько раз превышает высоту экономайзерного участка.
На экономайзерном участке вода движется с постоянной скоростью, а на паросодержащем участке она постоянно возрастает, так как количество образующегося пара в подъемных трубах непрерывно увеличивается. Скорость, которую вода имеет на экономайзерном участке, называется скоростью циркуляции. По причине своего постоянства скорость циркуляции является одной из важных характеристик естественной циркуляции.
В конвективных пучках все трубы обогреваются газами, температура которых при прохождении через пучок непрерывно снижается. Поэтому в кипятильных трубах по ходу движения газов паросодержание также уменьшается, а плотность пароводяной смеси возрастает. Наличие в трубах пучка пароводяной смеси с разной плотностью создает движущий напор, который движет воду по следующей схеме: из верхнего барабана вода поступает в задние трубы пучка и по ним поступает в нижний барабан котла; из барабана вода входит в остальные трубы пучка и вместе с паром поступает в верхний барабан.
Принудительная циркуляция. Принудительная циркуляция применяется в водогрейных котлах, а также в экономайзерах паровых котлов. Движение воды по трубам поверхностей нагрева производит насос. Вода входит в поверхности нагрева холодной, а покидает ее горячей, совершая в котле прямоточное движение. Кратность циркуляции воды равна единице.
Для создания прямоточного движения воды поверхности нагрева котлов изготавливаются в виде отдельных панелей, которые соединяются между собой последовательно или параллельно. Панель выполняется из одного ряда труб, концы которых замкнуты на нижний (распределительный) и верхний (собирающий) коллекторы. При этом трубы могут иметь как прямую (в основном), так и змеевиковую конфигурацию.
При параллельном подсоединении труб к коллекторам вода проходит по трубам неодинаковыми расходами, что обусловлено различиями в гидравлических сопротивлениях труб и неравномерным обогревом труб газами. Поэтому в отдельные трубы воды поступает меньше, чем это нужно для надежного охлаждения металла. Возможно даже вскипание воды в отдельных трубах, что еще в большей степени уменьшает поступление воды в такие трубы.
Движение воды в трубах может быть как подъемным, так и опускным. Однако во избежание вскипания воды ее скорость принимается не менее 0,5–1 м/с. По тем же причинам перепад давления воды в котлах не должен быть более 0,2 МПа.