Сжигание газового топлива в котлах

Классификация котельных

По назначению котельные подразделяются:

• на отопительные - для обеспечения теплом систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения;
• отопительно-производственные - для обеспечения теплом систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и для технологического теплоснабжения;
• производственные - для технологического теплоснабжения;
• энергетические - вырабатывающие перегретый пар для получения электроэнергии в турбоагрегатах (на такие котельные СНиП II-35-76 «Котельные установки» не распространяется).

По размещению котельные подразделяются на:

• отдельно стоящие;
• пристроенные к зданиям другого назначения; встроенные в здания другого назначения независимо от этажа размещения;
• крышные, располагаемые (размещаемые) на покрытии здания непосредственно или на специально устроенном основании над покрытием.

По надежности отпуска тепла потребителям котельные относятся:

• к первой категории - котельные, являющиеся единственным источником тепла системы теплоснабжения и обеспечивающие потребителей первой категории, не имеющих индивидуальных резервных источников тепла;
• ко второй категории - остальные котельные.

Потребители тепла по надежности теплоснабжения относятся:

• к первой категории - потребители, нарушение теплоснабжения которых связано с опасностью для жизни людей или со значительным ущербом народному хозяйству (повреждение технологического оборудования, массовый брак продукции);
• ко второй категории - остальные потребители тепла.

Классификация котлов

По характеру (виду) вырабатываемого теплоносителя: паровые, водогрейные, пароводогрейные.

По параметрам теплоносителя:

• паровые котлы с рабочим давлением пара р_п более 0,7 кгс/см² и водогрейные с температурой нагрева воды t_в выше 115 °С являются объектами котлонадзора (Ростехнадзора России); на них распространяется действие ПБ 10-574-03 «Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов» - «надзорные» котлы;
• паровые котлы с рабочим давлением пара р_п не более 0,7 кгс/см² и водогрейные с температурой нагрева воды t_в не выше 115 °С - «не надзорные» котлы; на них распространяется действие «Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов с давлением пара не более 0,07 МПа (0,7 кгс/см²), водогрейных котлов и водонагревателей с температурой нагрева воды не выше 388 К (115 °С)», утвержденных Минстроем России.

По применяемому материалу: стальные, чугунные.

По принципу теплообмена:

• поверхностные (рекуперативные), в которых передача теплоты от продуктов сгорания к котловой воде происходит через разделительную стенку (поверхность нагрева);
• контактные, в которых передача теплоты осуществляется при непосредственном контакте (смешении) газов и воды.

По перемещению продуктов сгорания и воды поверхностные котлы делятся:

• на водотрубные, в которых котловая вода перемещается по трубам, а продукты сгорания движутся снаружи труб;
• газотрубные (с жаровой трубой (топкой) и пучком дымогарных труб), в которых продукты сгорания движутся внутри труб, омываемых снаружи водой;
• водотрубно-газотрубные (котел ВК-32, у которого топочная часть — водотрубная, а конвективная - газотрубная).

По организации процесса горения (способуподачи воздуха и удалению продуктов сгорания):

• работающие под разрежением; могут иметь тягу и подачу воздуха естественную или принудительную, В газовом тракте (и в топке) давление ниже атмосферного (тяга);
• работающие с противодавлением (под наддувом); топка и газоходы находятся под избыточным давлением по отношению к окружающему воздуху. Подача воздуха и удаление продуктов сгорания производятся принудительно от дутьевого вентилятора.

По характеру движения котловой воды (пароводяной смеси):

• с естественной циркуляцией (рисунок ниже);
• с принудительной циркуляцией, когда вода движется за счет напора, создаваемого насосами:
• с многократной принудительной циркуляцией (рисунок ниже; широкого распространения не получили);
• прямоточные (без барабанов). По такой схеме работают крупные энергетические котлы на тепловых электрических станциях (D_п = 3950 т/ч, p_п = 255 кгс/см², t_пп = 560 °С) и практически все водогрейные котлы (рисунок ниже).

Схемы циркуляции воды в паровых котлах

а - естественная; б - принудительная многократная; в - принудительная прямоточная; 1 - испарительные подъемные трубы; 2 - верхний барабан котла; 3 - пароперегреватель; 4 - опускные трубы; 5 - водяной экономайзер; 6 - питательный насос; 7 - испарительные трубы; 8 - коллекторы; 9 - побудительный циркуляционный насос

Основные технические характеристики паровых и водогрейных котлов

Расчетные параметры, характеризующие работу котла, указываются в паспорте котла, составленном изготовителем по установленной форме (прил. 4 к ПБ 10-574-03) и хранящемся у владельца в течение всего срока эксплуатации.

На каждом котле должна быть прикреплена заводская табличка с маркировкой паспортных данных, нанесенных способом, обеспечивающим четкость и долговечность изображения.

На табличке парового котла должны быть нанесены следующие данные:

• наименование, товарный знак организации-изготовителя;
• обозначение котла;
• номер котла по системе нумерации организации-изготовителя;
• год изготовления;
• номинальная паропроизводительность D_п в т/ч;
• рабочее давление на выходе в МПа (кгс/см²);
• номинальная температура пара на выходе в °С.

На табличке водогрейного котла должны быть нанесены следующие данные:

• наименование, товарный знак организации-изготовителя;
• обозначение котла;
• номер котла по системе нумерации организации-изготовителя;
• год изготовления;
• номинальная теплопроизводительность Q в МВт (Гкал/ч);
• рабочее давление на выходе в МПа (кгс/см²);
• номинальная температура воды на выходе в °С.

В обозначении парового котла приводятся: тип, паропроизводительность (т/ч), абсолютное (избыточное) давление пара p_п, (МПа или кгс/см²), вид топлива (Г - газ, М - мазут); котлы под наддувом обозначаются буквой Н.

Например: ДКВР-10/13; Е-25-2,4 ГМ; ДЕ-6,5/14-225 ГМ; Е-1/9-Г.

В обозначении водогрейного котла приводятся:

• тип - КВ (котел водогрейный);
• вид топлива (Г - газ, М (Ж) - мазут, соляра);
• тип топки (Н - под наддувом);
• номинальная тепловая мощность (МВт или Гкал/ч);
• номинальная температура воды на выходе из котла, °С;
• давление газа (Гн - низкое; Гс - среднее);
• автоматизированный котел обозначается буквой «а»;
• С - стальной.

Например: КВ-ГМ-10-50; КСВа-2,5-Гс; КВа-3-95; КВа-0,75Ж-115.

На каждом котле, введенном в эксплуатацию и после проведенных технических освидетельствований, должна быть на видном месте прикреплена табличка форматом не менее 300x200 мм с указанием следующих данных:

• регистрационный номер;
• разрешенное давление;
• число, месяц и год следующего внутреннего осмотра и гидравлического испытания.

Основные технические характеристики паровых котлов:

• номинальная пароироизводительность, D_п, т/ч - максимальное рабочее количество пара, вырабатываемого котлом, в течение 1 ч;
• параметры получаемого пара:рабочее (расчетное, или разрешенное) давление пара, p_п МПа (кгс/см²); пробное давление, p_проб, МПа (кгс/см²); вид пара (насыщенный, перегретый); температура насыщенного пара, /_нас, °С (при рабочем давлении пара/»_пили температуре перегретого пара, t_пп, “С);
• температура питательной воды, °С;
• паровой и водяной объем котла, м³;
• объем воды, м³;
• время испарения этого объема, мин.

Основные технические характеристики водогрейных котлов:

• номинальная теплопроизводительность (тепловая мощность), Q, Гкал/час (МВт) - максимальное рабочее количество теплоты, воспринимаемое водой, за 1 ч работы; 1 Гкал/ч = 1,163 МВт;
• параметры воды: рабочее давление воды, МПа (кгс/см²); минимально допустимое давление воды p_в при номинальной температуре t_в; пробное давление, p_проб, МПа (кгс/см²); минимально допустимая температура воды на входе в котел, °С; номинальная температура воды на выходе из котла, °С; номинальный расход воды через котел, G_b, м³/ч, а также минимально и максимально допустимый; гидравлическое сопротивление, не более, МПа.

Общие параметры, характеризующие паровые и водогрейные котлы:

• вид топлива и его характеристики;
• тип горелочного устройства;
• поверхность нагрева котла: радиационная, конвективная, общая, S, м²;
• расчетный КПД, брутто, % при сжигании газа и мазута;
• сопротивление газового и воздушного трактов, Па (мм вод. ст.);
• температура продуктов сгорания на выходе из топки, за котлом, температура уходящих газов - при сжигании газа и мазута;
• содержание в уходящих газах O₂, СО, NO_X;
• конструктивные показатели: внутренний диаметр барабанов, толщина стенки барабанов, длина цилиндрической части верхнего и нижнего барабанов; диаметры опускных труб, экранных и конвективных труб; шаг труб экранов, их число; габариты котла.

Паровые котлы с естественной циркуляцией воды

Простейший контур естественной циркуляции воды (рисунок ниже) состоит из верхнего барабана и нижнего коллектора, соединенных между собой опускной необогреваемой (или слабо обогреваемой) трубой и подъемной обогреваемой трубой, образующими замкнутый контур.

Простейший контур естественной циркуляции воды

1 - верхний барабан котла; 2 - нижний коллектор; 3 - опускная труба; 4 - подъемная труба; 5 - обмуровка котла

Естественная циркуляция возникает за счет разности плотностей котловой воды в необогреваемых опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных обогреваемых трубах.

Общее количество пара, образующегося в подъемных трубах, многократно меньше, чем количество циркулирующей воды, что обеспечивает интенсивное охлаждение стенок труб.

Отношение массы воды, поступившей в циркуляционный контур, к массе пара, образующегося в нем за тот же промежуток времени, называется кратностью циркуляции.

Кратность естественной циркуляции всегда больше 1 и колеблется от 8 до 50.

Создаваемый при естественной циркуляции напор расходуется на обеспечение скорости и преодоления сопротивлений в контуре при движении воды и пара.

Скорость входа воды в подъемные трубы называется скоростью циркуляции и составляет 0,5-1,5 м/с.

В современных конструкциях котлов испарительные поверхности нагрева выполняются из отдельных пучков труб, подсоединенных к барабанам и коллекторам, которые образуют достаточно сложную систему замкнутых циркуляционных контуров.

Для надежной и безопасной работы парового котла циркуляция в нем должна быть устойчивой, то есть движение потоков воды и пароводяной смеси в циркуляционных контурах должно быть непрерывным и с необходимой скоростью. В противном случае в подъемных трубах могут возникнуть паровые мешки, приводящие к местному перегреву и разрушению стенок труб.

При этом возможно явление застоя или опрокидывания циркуляции, когда пароводяная смесь в подъемных трубах начинает двигаться вниз.

На надежность циркуляции влияют резкие изменения нагрузки, давления и уровня воды в барабане котла, отложения накипи на поверхностях нагрева, приводящие к уменьшению сечения труб.

Использование котлов на газовом топливе

Горячую воду и пар для нужд промышленности и коммунального хозяйства получают главным образом в специальных котлах, которые являются одним из видов теплообменных аппаратов поверхностного типа непрерывного действия. В котлах теплота отбирается от нагретых продуктов сгорания и передается холодной воде Теплообмен в котлах происходит без непосредственного контакта воды и продуктов сгорания газа, отделенных друг от друга металлическими поверхностями нагрева. Такие теплообменники называют аппаратами непрерывного действия, так как горячие продукты сгорания, отдающие теплоту, и холодная вода, воспринимающая теплоту, находятся в непрерывном движении. Котлы в зависимости от их назначения бывают водогрейными и паровыми. Если потребителю требуются горячая вода и пар, то применяют паровые котлы. В этих котлах часть получаемого пара используется для нужд производства, а часть направляется в специальный теплообменный аппарат - бойлер. В бойлере пар отдает часть теплоты воде, движущейся по трубам от водопровода к потребителю, конденсируется и вновь возвращается в котел для превращения в пар. Пар, идущий на нужды производства, также может быть собран после его использования и конденсации и возвращен обратно в котел для повторного нагрева.

Для нормальной эксплуатации котлов большое значение имеет качество питательной воды. В этой воде могут содержаться различные примеси в виде солей, которые при нагреве выделяются и оседают на стенках котлов. Эти отложения приводят к уменьшению площади поперечного сечения труб, по которым движется нагреваемая вода, ухудшают теплообмен между продуктами сгорания и водой и могут привести к перегревам отдельных участков поверхностей нагрева и, как следствие, к разрушению этих участков.

Поверхности котла, обрабатываемые с одной стороны продуктами сгорания газа, а с другой - водой, называются поверхностями нагрева. Поверхность нагрева измеряют в квадратных метрах и подразделяют на конвективную и радиационную.

Радиационная поверхность обращена в топку и воспринимает теплоту в основном за счет излучения газового пламени, раскаленных огнеупорных стенок.

Остальная часть поверхности нагрева котла называется конвективной и воспринимает теплоту в основном за счет непосредственного соприкосновения с ней движущихся в газоходах продуктов сгорания, то есть за счет конвекции.

Важная характеристика работы котла - его тепловое равновесие, когда расход и поступление теплоты равны. Если такого соответствия нет, то давление пара в котле и температура воды в нем будут повышаться или понижаться. Другая характеристика работы котла - его материальное равновесие, когда количество поступающей и расходуемой питательной воды соответствуют одно другому. Естественно, что при быстрой подаче в котел большого количества воды давление и температура воды в нем уменьшаются. При кипении вся вода в котле имеет одинаковую температуру, которая незначительно превышает температуру, соответствующую давлению насыщенного пара в паровом пространстве. В котле одновременно находятся вода и пар, а насыщенный пар имеет практически ту же температуру, что и вода.

Часто для нужд промышленности требуется не насыщенный, а перегретый пар. Чтобы из насыщенного пара получить перегретый, его дополнительно нагревают в конвективном пароперегревателе, расположенном по ходу продуктов сгорания за первым газоходом котла. Пароперегреватель представляет собой устройство из параллельно включенных змеевиков диаметром 28-42 мм, соединенных коллекторами.

Продукты сгорания газа на выходе из газохода имеют еще значительный запас теплоты. Чтобы уменьшить эти потери теплоты, за котлами по ходу продуктов сгорания располагают дополнительные теплообменники - экономайзер и воздухонагреватель. В экономайзере поступающая в котел питательная вода подогревается за счет использования части теплоты продуктов сгорания. В воздухонагревателе за счет теплоты продуктов сгорания подогревается воздух, необходимый для сжигания газа. Использование более нагретого воздуха приводит к повышению температуры горения газа, улучшению процесса горения и увеличению температуры продуктов горения.

Важная характеристика котельного агрегата - его тепловая мощность, которая определяется как произведение поверхности нагрева на расчетный теплосъем с 1 м². Расчетный теплосъем с 1 м² поверхности нагрева зависит от типа котла и колеблется от 25-50 тыс. для чугунных секционных котлов до 100 тыс. кДж/ч и более для водотрубных котлов.

Мощность паровых котлов определяется их паропроизводительностью, то есть количеством тонн пара в час. Поскольку количество теплоты в 1 кг пара зависит от его давления, при определении па- ропроизводительности котла указывается и расчетное давление. Например, в обозначении котла ДКВР-10-13 первая цифра показывает, что котел вырабатывает 10 т пара в час, а вторая цифра - давление пара в атмосферах (13 ат).

В отопительных котельных жилищно-коммунального хозяйства преимущественно используют небольшие чугунные или стальные секционные котлы без экономайзеров и воздухонагревателей. В производственно-отопительных котельных применяют водотрубные котлы с установкой индивидуальных или групповых экономайзеров, в котельных электростанций - крупные котлоагрегаты в комплексе с экономайзерами и воздухонагревателями. Особенности сжигания газа в топках котлов требуют правильного выбора типа, тепловой мощности, количества горелок и их рационального размещения.

Газовое топливо создает хорошие условия для автоматизации его сжигания, что значительно повышает безопасность и эффективность эксплуатации котлов и обеспечивает их работу в соответствии с заданным режимом. Современная комплексная автоматика газифицированных котельных включает в себя приборы автоматики безопасности, регулирования, контроля и сигнализации. Автоматика безопасности обеспечивает прекращение подачи газа к горелкам при нарушениях режима работы агрегата, способных привести к аварии. Автоматика регулирования поддерживает заданный режим работы котла.

Приборы контроля и сигнализации обеспечивают условия для дистанционного управления работой агрегата с диспетчерского пульта. Установлен минимально необходимый объем автоматики газифицированных котельных, обеспечивающий прекращение подачи газа к горелкам при недопустимом отклонении давления газа, погасании пламени горелок, отсутствии разрежения и прекращении подачи воздуха к горелкам.