Судовые энергетические установки
 Скачать 3.53 Mb.
|
|
Тема 2.3. Судовые котельные установки В процессе изучения темы следует познакомиться с основной терминологией, используемой в области судовых котельных установок, разобраться в принципиальной схеме котельной установки. Особое внимание следует уделить изучению факторов, влияющих на экономичность паровых котлов, а значит — на себестоимость производимого ими пара. Основные вопросы темы: — принцип действия и устройство водотрубного котла; — принцип действия и устройство газотрубного и комбинированного котла; — состав и схема котельной установки, системы и механизмы, обслуживающие котлы, и их взаимодействие; — основные параметры и классификация паровых котлов; — требования Морского Регистра Судоходства к паровым котлам и котельным установкам в целом. 85 2.3.1 Общие сведения о паровых котлах Судовая котельная установка. Для привода в действие главных машин или турбин, для отопления, бытовых нужд и технологических целей на теплоходах используется пар, вырабатываемый судовой котельной установкой. Принципиальная схема котельной установки изображена на рисунке 2.19. Рисунок 2.19 - Схема котельной установки Установка состоит из парового котла 8 и вспомогательных механизмов и агрегатов, которые подают в котел питательную воду, топливо и воздух. Питательная вода в водяное пространство котла нагнетается насосом 11 через подогреватель 10. Жидкое топливо (мазут) насосом 1 через подогреватель 2 и топливный фильтр 3 подается к форсунке 9. Воздух засасывается вентилятором 5 и через подогреватель 4, установленный в дымовой трубе, нагнетается в топку. В топке котла распыленный форсункой мазут, смешиваясь с воздухом, сгорает и образующаяся при этом теплота идет на нагрев воды, из которой получается пар. При открытом клапане 6 пар отводится к потребителям по трубопроводу 7. Подогрев питательной воды и топлива в подогревателях 2 к 10 теплотой отработавшего пара и подогрев воздуха в подогревателе 4 теплотой отводимых газов повышает экономичность работы котельной установки, так как на подогрев топлива и воздуха перед сгоранием в топке и на получение пара из предварительно подогретой воды расходуется меньше теплоты, а следовательно, и топлива. Схема устройства и принцип действия парового котла. Паровой котел — это теплообменный аппарат, в котором происходит превра- щение воды в пар с давлением выше атмосферного за счет теплоты сгорающего топлива. Рассмотрим принцип действия его на примере водотрубного котла (рисунок 2.20). Он представляет собой два цилиндрических барабана (коллектора) У, заполненных водой, которые пучками водогрейных труб 2 соединены с верхним пароводяным коллектором 5. Пространство котла, занимаемое водой (нижние коллекторы, трубки и часть верхнего коллектора), называется водяным пространством, а занимаемое паром (другая часть верхнего коллектора)—паровым пространством. Поверхность, разделяющая водяное и паровое пространства, называется зеркалом испарения. 86 Рисунок 2.20 - Схема двухпроточного водотрубного котла. Горячие газы образуются при сгорании мазута в топке 6 и, двигаясь к газоходам 4, служащим для направления потока газов, пересекают пучки водогрейных трубок. Первые ряды трубок, расположенные ближе к топке, воспринимают больше теплоты, чем трубки последних рядов. Поэтому в первых рядах трубок за один и тот же промежуток времени образуется больше пара, чем в трубках, расположенных дальше от зоны горения. Так как пар в несколько сот раз легче воды, занимающей тот же объем, то удельная масса пароводяной смеси в первых рядах трубок меньше, чем в последних рядах. Следовательно, в течение всего времени работы котла в его трубках происходит непрерывное движение воды и пароводяной смеси, направленное вверх в трубках первых рядов котла и вниз в трубках последних рядов. Это движение воды внутри котла, вызываемое неодинаковым нагревом трубок, называется естественной циркуляцией воды в котле. Трубки котла, по которым вода и пароводяная смесь поднимаются вверх, называются подъемными, а трубки, по которым вода опускается,— опускными. Пар из подъемных трубок попадает в пароводяной коллектор, проходит толщу воды, всплывает на поверхность зеркала испарения и собирается над поверхностью воды в паровом пространстве. Так образуется насыщенный пар, который может быть использован для санитарно-бытовых и технологических нужд. Для получения перегретого пара, необходимого для привода паровых машин и турбин, насыщенный пар из пароводяного коллектора подается в пароперегреватели 5, расположенные в газоходах, где он осушается и превращается в перегретый пар за счет теплоты горячих дымовых газов. Рассмотренный котел является водотрубным симметричным двухпроточным котлом шатрового типа. Основные характеристики паровых котлов. Работу всякого котла характеризуют следующие основные данные: поверхность нагрева, паропроизводительность, удельный паросъем, параметры пара, коэффициент полезного действия. 87 Поверхность нагрева — это поверхность всех металлических стенок котла, которая с одной стороны обогревается пламенем горящего топлива и дымовыми газами, а с другой стороны омывается водой. Поверхность нагрева позволяет судить о размерах котла. Она обозначается буквой Н и измеряется в квадратных метрах (м 2 ) со стороны, омываемой газами. Поверхность нагрева современных главных судовых котлов составляет примерно 500—1000 м 2 , вспомогательных— 10—100 м 2 Паропроизводительность котла — это количество пара, производимое котлом в единицу времени при заданных параметрах пара; обозначается она буквой D и измеряется в т/ч или кг/с. Паропроизводительность главных судовых котлов составляет 5,0-60 т/ч, вспомогательных 0,5—12 т/ч. Удельный паросъем котла представляет собой количество пара, получаемого с 1 м 2 поверхности нагрева в единицу времени: d = 𝐷 𝐻 т/(м 2 ·ч) или кг/(м 2 ·с). Удельный паросъем характеризует интенсивность работы котла. На современных судах с каждого квадратного метра поверхности нагрева котла снимается до 60 кг пара в час. К параметрам пара относятся рабочее давление р (МПа, кгс/см 2 ) и температура t (°С). Состояние перегретого пара определяют два параметра— давление и температура, а насыщенного— давление и степень сухости или влажности. В установках с паровыми машинами применяется пар с избыточным давлением 1,5—2 МПа (15—20 кгс/см 2 ) и температурой 300—370° С. Современные судовые котельные установки, дающие пар для паровых турбин, работают при параметрах пара 3,0-3,4 МПа (30—45 кгс/см 2 ) и 475—500° С. Коэффициент полезного действия (к. п. д.) парового котла является основной качественной характеристикой, отражающей экономичность работы котла. Он представляет собой отношение теплоты, использованной в котле для получения пара, ко всему количеству теплоты, выделившейся при сгорании топлива в топке. Для судовых котлов к. п. д. составляет 0,75—0,93. Это значит, что 75—93% теплоты идет на создание пара в котле, а 25—7% теряется с уходящими газами и излучается в окружающую среду. Классификация паровых котлов. Судовые паровые котлы можно классифицировать по ряду признаков: - по назначению — главные паровые котлы, вырабатывающие пар, используемый в главных машинах или турбинах; вспомогательные, устанавливаемые на судне для вспомогательных и технологических целей (отопление судна, душевых, обогрев судовых систем, обработка рыбы в рыбомучных и жиромучных установках и т. д.); - по конструкции — водотрубные, огнетрубные, комбинированные. В водотрубных котлах (см. рисунок 26) горячие газы омывают наружные поверхности труб, вода же находится в трубах; в огнетрубных котлах горячие газы проходят внутри труб, а вода омывает их снаружи. Комбинированные котлы соединяют в себе отдельные элементы водотрубных и огнетрубных котлов; 88 - по роду используемого топлива — котлы, работающие на жидком (мазут) и твердом (каменный уголь) топливе. В настоящее время главные судовые котлы в основном работают на мазуте; вспомогательные котлы работают либо на мазуте, либо используют отходящие газы двигателей внутреннего сгорания (ути- лизационные котлы); - по типу циркуляции воды и пароводяной смеси — котлы с естественной циркуляцией (см. рисунок 26) и котлы с принудительной циркуляцией, у которых движение воды по трубкам создается насосом; - по виду тяги — котлы с искусственной тягой, у которых непрерывная подача воздуха в топку котла и удаление продуктов сгорания осуществляется с помощью котельного вентилятора, и котлы с естественной тягой, у которых тяга осуществляется с помощью дымовой трубы. 2.3.2 Конструкции судовых паровых котлов Водотрубные котлы. В водотрубных котлах вода циркулирует внутри водогрейных труб, омываемых горячими газами. Водотрубные котлы подразделяются на вертикально- водотрубные (барабанные), у которых водогрейные трубки наклонены под углом более 30°, и горизонтально-водотрубные (секционные) с наклоном трубок менее 30°. Рассмотренный ранее (см. рисунок 25) вертикально-водотрубный трехбарабанный двупроточный котел имеет серьезный недостаток: в нем нельзя получить высокие параметры пара [давление свыше 5 МПа (50 атм)] при достаточной производительности. Это объясняется тем, что газы, выходя через два газохода, имеют сравнительно невысокую скорость, а следовательно, в единицу времени не могут передать водогрейным трубкам большое количество теплоты. На современных морских судах получили распространение барабанные однопроточные экранированные котлы с развитой хвостовой частью. Они могут быть построены для работы при высоких давлениях пара — до 10—12 МПа (100— 120 кгс/см 2 ). Принципиальная схема и внешний вид корпуса такого котла представлены на рисунке 2.21. Рисунок 2.21 - Однопроточный водотрубный котел. 89 Котел состоит из пароводяного барабана 1 и водяных барабанов 6 и 9. Барабаны соединены пучками водогрейных труб 10, 7 и 2. Трубки пучка 10 обогреваются за счет теплопередачи конвекцией (соприкосновения с горячими движущимися газами); притопочный пучок трубок 7 воспринимает теплоту и кон- векцией и излучением, а пучок 2 — только излучением. Этот ряд трубок 2, проходящий вдоль пола и боковой стенки котла, называется экраном. Экран предохраняет стенки котла от разрушения пламенем топки и создает дополнительную поверхность нагрева. Во всех пучках трубок происходит подъем пароводяной смеси. Спуск воды в водяные барабаны осуществляется по необогреваемым трубам 4, расположенным за пределами обшивки котла. Между конвективным пучком 10 и притопочным 7 размещен па- роперегреватель §, состоящий из барабана и петлевого пучка труб. Питательная вода, прежде чем попасть в пароводяной барабан, подогревается горячими газами в змеевиковом экономайзере 11. На переднем фронте топки 5 котла имеются фурмы для шести форсунок 3. Необходимый для горения воздух, нагнетаемый вентилятором, проходит через воздухоподогреватель 12, откуда поступает на передний фронт котла, а затем к воздухонаправляющим устройствам форсунок. Управление горением топлива, питанием котла и регулирование температуры перегретого пара в современных котельных установках осуществляются автоматически. Наличие одного газохода, обеспечивающего высокую скорость газов, развитая хвостовая часть (экономайзер, воздухоподогреватель), экранирование топки, спуск воды по необогреваемым трубам позволяют получить к. п. д. таких котлов до 93%,. Барабанные котлы отличаются высокой надежностью в эксплуатации. Котлы такого типа установлены на плавбазе «Восток». На рисунке 2.22 показана схема секционного водотрубного котла. Рисунок 2.22 - Схема секционного водотрубного котла Поверхность нагрева такого котла образована водогрейными трубами, расположенными под углом 15—25° к горизонтальной оси. Водогрейные трубы обоими концами завальцованы в передние 9 и задние 2 камеры, имеющие коробчатую форму. 90 Передняя и задняя камеры с развальцованными в них трубками образуют секцию котла. Вода для питания котла подается в верхний пароводяной барабан 7 и по соединительным патрубкам 8 опускается к передним камерам 9, а затем по водогрейным трубам 1 движется к задним камерам 2, испаряясь в пути. Образовавшаяся в трубах пароводяная смесь по задним камерам поднимается вверх и по горизонтальным соединительным трубам 3 идет в барабан 7. Из барабана пар по трубопроводу 5 поступает в пароперегреватель 4, откуда направляется в паровую машину или турбину. Для лучшей циркуляции воды и облегчения выхода образующихся пузырьков пара секции сделаны наклонными. Для увеличения скорости протекания газов, что усиливает интенсивность теплоотдачи, ставят перегородки 6. Стенки топки 10 котла выкладывают изнутри огнеупорным кир- пичом 11. Секционные котлы изготовляют на давление пара до 4,5—5 МПа (45—50 кгс/см2). На рыбопромысловом флоте такие котлы установлены в качестве главных на сельдебазах типа «Северодвинск» и других паровых судах старой постройки. Недостатком секционных котлов по сравнению с другими водотрубными является большая масса вследствие наличия массивных камер. Огнетрубные котлы. На паровых траулерах и других судах флота рыбной промышленности старой постройки до сих пор встречается значительное количество огнетрубных котлов. Такие котлы отличаются большим сроком службы (до 30—40 лет). Поэтому, несмотря на то, что в последнее время их перестали устанавливать на судах в качестве главных, они будут встречаться на флоте еще ряд лет. Огнетрубные котлы могут быть пролетными и оборотными. Пролетные котлы имеют прямой ход газа; на морских судах они не применяются. На рисунке 2.23 представлена схема огнетрубного однопроточного оборотного котла. Рисунок 2.23 - Схема огнетрубного котла. Котел состоит из бочки 5, к которой приклепывают или приваривают переднее днище 3 и заднее 6. Внутри бочки размещена огневая камера 7. К переднему днищу котла и к передней стенке огневой камеры присоединена жаровая труба 8, внутренняя полость которой представляет собой топку котла. Жаровые трубы имеют диаметр от 700 до 1200 мм. Они подвергаются давлению 91 снаружи, поэтому во избежание сплющивания их делают волнистыми. Над жаровой трубой расположены дымогарные трубы 4, концы которых завальцованы в переднее днище котла и переднюю стенку огневой камеры. Бочка котла заполнена водой так, что водой омываются дымогарные трубы, огневая камера и жаровая труба. Топливо в топку подается через форсунку 9. Горячие газы из топки попадают в огневую камеру, откуда через дымогарные трубы, сделав оборот,— в дымовую коробку 1 и далее в дымовую трубу 2. Огнетрубные оборотные котлы просты в обслуживании. Основными недостатками огнетрубных котлов являются: большая масса; нецелесообразность использования их на давлениях свыше 2,0 МПа (16 кгс/см 2 ), так как при этом значительно увеличивается толщина стенок; низкая паропроизводительность (до 6,5 т/ч); низкий к. п. д. (70-75%). Комбинированные котлы. С целью улучшения циркуляции в огнетрубных котлах, уменьшения их массы и повышения удельного паросъема были сконструированы котлы, работающие по смешанному принципу, т. е. содержащие элементы как огнетрубных, так и водотрубных котлов. Комбинированные котлы по устройству сходны с огнетрубными и отличаются от них наличием дополнительной приставной огневой камеры, внутри которой размещены барабаны, заполненные водой, и водогрейные трубы. Комбинированные котлы успешно работают на некоторых наших паровых рыболовных траулерах старой постройки. Но в связи с тем, что у этих котлов сохранились основные недостатки, присущие огнетрубным, в настоящее время новых комбинированных котлов не строят. Вспомогательные и утилизационные котлы. На паровых промысловых и транспортных судах вспомогательные котлы устанавливают редко, так как пар для бытовых нужд и для работы вспомогательных механизмов обычно отбирается от главных котлов и пропускается через устройство, снижающее давление и температуру пара. На теплоходах установка вспомогательного котла является неизбежной. При этом для производства пара на ряде судов используется теплота отходящих газов двигателей внутреннего сгорания, имеющих температуру 300—500° С. Котлы, в которых пар получают таким образом, названы утилизационными. В связи с тем, что утилизационные котлы могут вырабатывать пар только тогда, когда работают главные двигатели, вспомогательный и утилизационный котлы иногда объединяют в единую конструкцию. Насчитывается большое количество различных систем вспомогательных и утилизационных котлов. В качестве вспомогательных используют обыкновенные водотрубные и огнетрубные котлы малой производительности, конструкция которых более проста благодаря отсутствию пароперегревателей, а зачастую и хвостовых поверхностей нагрева. Давление пара во вспомогательных котлах, обычно не превышает 1,2 МПа (12 кгс/см 2 ). При этом часто котлы работают на том же топливе, что и двигатели 92 внутреннего сгорания; это исключает необходимость иметь на судне два вида топлива. В качестве вспомогательных наиболее широкое распространение на промысловом флоте получили водотрубные котлы однопроточного типа. Типовая конструкция такого КВВА (котел вспомогательный водотрубный автоматизированный) отечественной постройки показана на рисунке 2.24, а. Котел имеет пароводяной барабан 1 и водяной барабан 5. Поверхность нагрева состоит из водогрейных трубок основного пучка 6 и трубок бокового экрана 2. Топка котла оборудована двумя форсунками 3. Необходимый для сгорания топлива воздух предварительно подогревается в воздушном кожухе 4, что способствует уменьшению массы котла благодаря сокращению тол- щины кирпичной кладки и снижает потери теплоты в окружающую среду. Котлы КВВА имеют паропроизводительность 1—7,5 т/ч. К. п. д. котлов лежит в пределах 74—82%; низкие значения к. п. д. объясняются отсутствием дополнительных поверхностей нагрева. На рисунке 2.24, б представлен вспомогательный водотрубный котел КВЦ (котел вертикальный цилиндрический), устанавливаемый на средних рыболовных траулерах. В цилиндрическом разъемном корпусе 5 закреплен барабан 3, в нижней части которого размещается топка, а в верхней — несколько рядов водогрейных трубок 4. Верхняя часть барабана — выпуклая, к потолку приварен цилиндр 2. Он проходит через верхнее днище корпуса котла и служит основанием для дымовой трубы. Вода заполняет пространство между корпусом и барабаном и внутреннее пространство водогрейных трубок. Рисунок 2.24 - Вспомогательные водотрубные котлы: а — двухбарабанный; б — цилиндрический. Для обеспечения лучшей циркуляции водогрейные трубки выполнены с небольшим уклоном (примерно 10°). Полость между верхней частью корпуса котла н цилиндром 2 образует паровое пространство. Футеровка 6 топки выполнена из 93 огнеупорного кирпича. Снаружи корпус котла покрывают слоем изоляции и окрашивают. На БМРТ типа «Пушкин» и транспортных рефрижераторах типов «Яна», «Светлогорск» в качестве вспомогательных установлены огнетрубные котлы. По устройству они отличаются от котла, изображенного на рисунке 28, лишь количеством паровых труб. На СРТМ типа «Маяк», малых рыболовных траулерах и ряде других судов используются вспомогательные огнетрубные котлы вертикального типа марок КОВ (котел огнетрубный вертикальный). Корпус такого котла установлен вертикально, в нижней его части размещена топка, а в верхней — вертикальные дымогарные трубки. При наличии у этих котлов средств автоматики им присваивается марка КОВА. Утилизационные котлы также могут быть огнетрубными и водотрубными, причем огнетрубные котлы имеют естественную циркуляцию, а водотрубные, как правило, выполняются с искусственной циркуляцией. Огнетрубные котлы в качестве утилизационных используются сравнительно редко. Наиболее широко распространенный водотрубный утилизационный котел КУП (котел утилизацион- ный паровой) представляет собой ряд спиральных змеевиков, размещенных в выпускных трактах двигателей, по которым насосом прокачивается вода. Иногда утилизационный змеевиковый котел с искусственной циркуляцией и вспомогательный котел имеют общую пароводяную магистраль. Схема такой котельной установки показана на рисунке 2.25. Рисунок 2.25 - Схема включения вспомогательного и утилизационного паровых котлов В этом случае вспомогательный огнетрубный котел 3 и утилизационный котел со змеевиками 8 соединяются водяной 9 и пароводяной 5 магистралями. На стоянке, когда главные двигатели не работают, закрываются клапаны 4 и 10, в результате чего утилизационный котел разобщается от вспомогательного. Необходимое количество пара обеспечивается сжиганием топлива в топке котла 3. 94 Для этого предусмотрена одна форсунка 13, топливо к которой подается по трубо- проводу 12. Воздух в топку нагнетается электроприводным вентилятором 14. Питательная вода из теплого ящика 1 подается в котел насосом 2. На ходовом режиме, когда работают главные двигатели, выключают форсунку 13, в результате чего вспомогательный котел прекращает работу. Открываются клапаны 4 и 10 и включается циркуляционный насос И, который подает воду из вспомогательного котла в приемный коллектор 6утилизационного котла. Пароводяная смесь, образующаяся в рядах спиральных змеевиков 8, отводится из коллектора 7 в паровое пространство котла 3. Таким образом, пар к потребителю подается только из котла 3 как при работе вспомогательного, так и при работе утилизационного котла. Требуемый уровень воды в котле 3 обеспечивается регулированием производительности питательного насоса 2. Включение по такой схеме вспомогательного и утилизационного котлов осуществлено на БКРТ «Наталья Ковшова», ТР типа «Ветер» и тунцеловной базе «Ленинский луч». На добывающих судах с прямой передачей мощности на гребной винт энергетическая установка длительное время работает на переменных и долевых режимах, и поэтому применять утилизационные котлы на таких судах неэффективно. |