Котел (производство электроэнергии) - Boiler (power generation)

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

А котел или же парогенератор это устройство, используемое для создания пар применяя тепловая энергия к воды. Хотя определения несколько гибкие, можно сказать, что старые парогенераторы обычно назывались котлы и работали при низком и среднем давлении (7–2000кПа или 1–290psi ), но при давлениях выше этого обычно говорят о парогенератор.

Бойлер или парогенератор используются везде, где требуется источник пара. Форма и размер зависят от приложения: мобильное Паровые двигатели Такие как паровозы, переносные двигатели и паровые дорожные машины обычно используют котел меньшего размера, который является неотъемлемой частью транспортного средства; стационарные паровые машины промышленные установки и электростанции обычно имеют более крупную отдельную парогенерирующую установку, соединенную с точкой использования трубопроводами. Заметным исключением является паровой привод. безпожарный локомотив, где отдельно образующийся пар передается в ресивер (резервуар) локомотива.

Парогенератор (составная часть тягача)

Тип парогенератор единица, используемая в угольные электростанции

Парогенератор или паровой котел является неотъемлемой частью паровой двигатель когда рассматривается как первичный двигатель. Однако его необходимо рассматривать отдельно, так как до некоторой степени различные типы генераторов можно комбинировать с различными агрегатами двигателей. Котел включает в себя топка или же печь чтобы сжечь топливо и произвести высокая температура. Вырабатываемое тепло передается воде, чтобы сделать пар, процесс кипячение. Это производит 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 немедленно использован для производства энергии через турбина и генератор, или может быть дальше перегретый 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 вероятность образования конденсация. Любое оставшееся тепло в дымовые газы затем можно либо эвакуировать, либо заставить пройти через экономайзер, роль которого - согревать питательная вода прежде, чем он достигнет котла.

Типы котлов

Котлы Haycock и Wagon Top

Во-первых Двигатель Ньюкомена 1712 года котел был немногим больше, чем большая пивоваренная чайник установлен под силовым цилиндром. Поскольку мощность двигателя была получена из вакуум производимый конденсацией пара, требовалось, чтобы большие объемы пара при очень низком давлении едва превышали 1psi (6.9 кПа ) Весь котел был установлен в кирпичная кладка который сохранил немного тепла. На решетке под слегка выпуклой кастрюлей был зажжен объемный угольный огонь, который давал очень маленькую поверхность нагрева; поэтому было потрачено много тепла дымовая труба. В более поздних моделях, особенно от Джон Смитон, поверхность нагрева была значительно увеличена за счет того, что газы нагревали 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, когда огонь нагревает нижнюю часть, газы затем проходят через центральный трубчатый дымоход квадратного сечения и, наконец, вокруг стенок котла.

Цилиндрический жаротрубный котел

Одним из первых сторонников цилиндрической формы был британский инженер Джон Блейки, предложивший свою конструкцию в 1774 году.^[1]^[2] Еще одним ранним сторонником был американский инженер, Оливер Эванс, который справедливо признал, что цилиндрическая форма является лучшей с точки зрения механической прочности, и к концу 18 века начал использовать ее в своих проектах.^{[нужна цитата ]} Вероятно, вдохновленный описанием схемы двигателя «высокого давления» Лейпольда, появившейся в энциклопедических трудах с 1725 года, Эванс предпочитал «сильный пар», то есть двигатели без конденсации, в которых только давление пара заставляло поршень а 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 кованое железо горизонтальный котел, в который была встроена одна дымовая труба, на одном конце которой находился каминная 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 корнишмен, 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. В Корнуоллский котел Разработанный 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 из него проходили по трубе и выходили из другого конца, чтобы циркулировать обратно по дымоходам, идущим вдоль наружной стороны, а затем в третий раз под стволом котла, после чего они были выброшены в дымоход. Позже это было улучшено другим 3-ходовым котлом, Ланкаширский котел 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, как правило, были однопроходного типа, хотя в первые дни двухходовые котлы с «обратным дымоходом» были обычным явлением, особенно с локомотивами, построенными Тимоти Хакворт.

Многотрубные котлы

Значительный шаг вперед был сделан во Франции в 1828 году, когда Марк Сегин разработал двухходовой котел, у которого второй проход был образован пучком из нескольких труб. Подобная конструкция с естественной индукцией, используемая в морских целях, была популярной. Скотч судовой котел.

До Рейнхилл испытания 1829 г. Генри Бут, казначей Ливерпуль и Манчестер Железнодорожный предложил Джордж Стивенсон, схема многотрубного однопроходного горизонтального котла, состоящего из двух агрегатов: топка окружен водяными пространствами и корпусом котла, состоящим из двух телескопических колец, внутри которых вмонтированы 25 медных труб; пучок труб занимал большую часть водного пространства в стволе и значительно улучшился теплопередача. Старый Джордж немедленно сообщил схему своему сыну Роберту, и это был котел, который использовался на Ракета 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

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, чтобы даже при давлении около 50psi (344.7 кПа ) не были абсолютно безопасными, 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, и их можно было свернуть в цилиндрическую форму с помощью всего одного стыкового шва, усиленного ластовица; Тимоти Хакворта Sans Pareil 11 1849 г. 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.

Горение

Источником тепла для котла является сжигание любого из нескольких видов топлива, например: дерево, каменный уголь, масло, или же натуральный газ. 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

Для создания оптимальных характеристик горения Огонь, воздух нужно подавать как через решетку, так и над огнем. Большинство котлов теперь зависят от механическая тяга оборудование, а не натуральное проект. Это связано с тем, что естественная тяга зависит от условий наружного воздуха и температуры дымовые газы выход из топки, а также высота дымохода. Все эти факторы затрудняют достижение эффективной тяги и, следовательно, делают механическое тяговое оборудование гораздо более экономичным. Существует три типа механической тяги:

Индуцированная тяга: это достигается одним из трех способов, первым из которых является "эффект дымовой трубы" нагретого дымохода, при котором дымовые газы менее плотный, чем окружающий котёл воздух. 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.
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.
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

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 "насыщенный пар ". Например, насыщенный пар при атмосферном давлении закипает 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 использовали насыщенный пар, однако современные паровые электростанции повсеместно используют перегретый пар что позволяет выше паровой цикл эффективность.

Перегреватель

Перегретый котел на паровозе.

Л.Д. Porta дает следующее уравнение, определяющее эффективность паровоз, применимый к Паровые двигатели всех видов: мощность (кВт) = выработка 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 катушки на кондиционер единица, но с другой стороны. Трубопровод пара (с проходящим по нему паром) направлен через дымовой тракт в топку котла. Эта площадь обычно находится в пределах 1300–1600° C (2,372–2,912 ° F ). Некоторые пароперегреватели являются лучистыми (поглощают тепло тепловое излучение ), другие конвекция типа (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 перемещение 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, чтобы предотвратить повреждение 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 смазка движущихся частей в цилиндрах и паровые сундуки.Многие дымогарные котлы 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

Схема водотрубного котла.

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 чугун секционный котел, иногда называемый «котлом для свинины», вода содержится внутри чугунных секций. Эти секции механически собираются на месте для создания готового котла.

Генератор сверхкритического пара

Сверхкритический парогенератор - обратите внимание на отсутствие корпуса котла.

Сверхкритические парогенераторы часто используются для производства электроэнергия. Они действуют при сверхкритическом давление. В отличие от «подкритического котла», сверхкритический парогенератор работает при таком высоком давлении (более 3200psi или 22.06МПа ), что фактическое кипение прекращается, в котле отсутствует разделение жидкой воды и пара. В воде не образуются пузырьки пара, потому что давление выше критическое давление при которых могут образовываться пузырьки пара. Он проходит ниже критической точки, так как работает в турбине высокого давления, и попадает в генератор. конденсатор. Это приводит к немного меньшему расходу топлива и, следовательно, к меньшему парниковый газ производство. Термин «бойлер» не следует использовать для парогенератора сверхкритического давления, поскольку в этом устройстве фактически не происходит «кипения».

Очистка воды

Большой катион / анион ионообменники используется для деминерализации питательной воды котлов.^[5]

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

Безопасность котла

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 надлежащей 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 минимизировать 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

В Паровая машина Doble использует 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, предотвращающую любые осадок или же шкала от образования на внутренней стороне трубки. Вода поступает в нижнюю часть этой трубки в скорость потока 600 футов (183 м) в секунду с менее чем двумя квартами воды в трубе в любой момент времени.

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; а предохранительный клапан установленный 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]

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

Основное оборудование котла

Предохранительный клапан
Измерение давления
Продувка клапаны
Главный запорный клапан пара
Подача обратные клапаны
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

Предохранительный клапан: используется для сброса давления и предотвращения возможного взрыва котла. Как первоначально было разработано Денис Папин это был мертвый груз на конце руки, который был поднят избыточным давлением пара. Этот тип клапана использовался на протяжении всего 19 века для стационарные паровые машины, однако колебания локомотивные двигатели заставлял клапаны подпрыгивать и «шипеть», расходуя пар. Поэтому они были заменены различными подпружиненный устройств.
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 клапан или clack valve: обратный запорный клапан, через который вода поступает в котел.

Steam аксессуары

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

Принадлежности для горения

Горючее система
Газовая система
Угольная система
Системы автоматического сжигания

Применение паровых котлов

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 Рисовые мельницы для пропаривания и сушки. Помимо множества различных областей применения в промышленности, например, в системах отопления или для цемент производства, паровые котлы используются в сельское хозяйство а также для пропаривание почвы.^[8]

Испытания парогенераторов

Выдающимся кодексом для испытаний парогенераторов в США является Американское общество инженеров-механиков (ASME) код проверки работоспособности, 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] Европейские стандарты приемочных испытаний паровых котлов - EN 12952-15.^[11] и EN 12953-11.^[12] Британские стандарты BS 845-1 и BS 845-2 по-прежнему используются в Великобритании.^[13]^[14]

Смотрите также

Глоссарий терминологии котлов
Котел – разговорное название водонагревателя (в гидроника )
Парогенератор (атомная энергетика) – а теплообменник в реактор с водой под давлением -оборудован атомная электростанция
Парогенератор (железная дорога) – устройство, используемое в поездах, чтобы обеспечить теплом легковые автомобили