Что такое водотрубный котел?
Водотрубный котел — это паровой котельный агрегат, представляющий собой комплекс устройств, объединенных в единую конструкцию. Его основная задача — производство пара под давлением или нагрев воды за счет энергии, выделяемой при сжигании топлива. Этот тип котла является одним из двух ключевых в котельной технике. Его отличительная особенность заключается в том, что вода и пароводяная смесь циркулируют внутри стальных труб, которые снаружи омываются горячими продуктами сгорания топлива.
Устройство и принцип работы
Сердцем водотрубного котла служат топочная камера и газоходы, где расположены поверхности нагрева. К ним относятся пароперегреватель, водяной экономайзер и воздухоподогреватель. Все эти элементы монтируются на прочном каркасе и для минимизации теплопотерь защищаются специальной обмуровкой и теплоизоляцией.
Процесс начинается в топке, где сжигается топливо. Стенки топочной камеры покрыты трубами с циркулирующей водой (топочные экраны), и между раскаленными газами и этими трубами происходит интенсивный лучистый теплообмен. На выходе из топки температура газов может достигать 1000 °C.
Далее, для дальнейшего охлаждения и эффективного использования тепла, газы последовательно проходят через ряд теплообменных устройств:
- Ширмовые пароперегреватели: Плоские пакеты труб-змеевиков, где теплообмен происходит за счет излучения и конвекции (полурадиационный теплообмен). Температура газов снижается до 800–900 °C.
- Конвективные пароперегреватели: Здесь основной механизм передачи тепла — конвекция. Газы охлаждаются до 600–700 °C.
- Водяной экономайзер: Подогревает питательную воду перед ее поступлением в котел, повышая общий КПД установки.
- Воздухоподогреватель: Нагревает воздух, идущий в топку, что улучшает процесс горения. На этом этапе газы охлаждаются до 130–170 °C.
Охлажденные дымовые газы после очистки от золы и, часто, от соединений серы выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу. Уловленные продукты сгорания удаляются системами шлако- и золоудаления.
Основные типы водотрубных котлов
По способу организации движения рабочей среды (воды и пара) водотрубные котлы делятся на три основных типа:
1. Котлы с естественной циркуляцией
Движение среды по замкнутому контуру (состоящему из обогреваемых «подъемных» и необогреваемых «опускных» труб, соединенных барабанами) происходит естественным образом. Оно вызвано разницей в плотности: более легкая пароводяная смесь в нагретых трубах поднимается вверх, а более тяжелая вода в холодных трубах опускается вниз.
2. Котлы с принудительной циркуляцией
Здесь циркуляция рабочей среды обеспечивается специальным насосом. Это позволяет создавать более компактные и гибкие конструкции.
В котлах с многократной циркуляцией (как естественной, так и принудительной) происходит постоянное испарение воды, что ведет к концентрации растворенных в ней солей и примесей. Чтобы избежать их отложения на стенках труб (что может привести к перегреву и аварии) и переноса с паром в турбину, периодически выполняется продувка котла — удаление части котловой воды с высокой концентрацией примесей.
3. Прямоточные котлы
В таких агрегатах вода, превращаясь в пар, проходит весь тракт нагрева за один раз, без многократной циркуляции. Здесь невозможна продувка, поэтому к качеству питательной воды предъявляются исключительно высокие требования. Вода обязательно проходит глубокую подготовку в системе водоподготовки.
Применение и особенности
Основная сфера применения водотрубных котлов — тепловые электростанции, где они вырабатывают пар для привода турбин. Также они широко используются в промышленных и отопительных котельных, а также в судовых энергетических установках.
Для повышения эффективности энергоблоков часто применяют схемы с промежуточным перегревом пара. Пар, частично отработавший в турбине, возвращается в котел в специальный пароперегреватель низкого давления, снова нагревается и направляется в следующую ступень турбины. Для поддержания стабильной температуры пара используются различные регулирующие устройства: смесительные теплообменники, системы рециркуляции дымовых газов и другие.
Современные вертикально-водотрубные котлы имеют паропроизводительность от 2,5 до 640 т/ч, а прямоточные — от 250 до 2500 т/ч. Горизонтально-водотрубные конструкции сегодня уже не производятся.
Историческая справка
Принцип работы первых котлов, представлявших собой цилиндры диаметром до 120 см, был предложен французским исследователем Дени Папеном. Непосредственно водотрубный котел был изобретен независимо друг от друга в 1829 году Джорджем Стефенсоном и М. Сеганом. Дальнейшее совершенствование их конструкции связано с именами изобретателей Гарни Голдуотера и Якоба Перкинса.