Паровой котел предназначен для получения водяного пара обычно высокого давления и температуры. Так как тепловые электрические станции в подавляющем большинстве случаев имеют весьма большую мощность (порядка многих десятков, а зачастую и сотен, тысяч киловатт), то для их работы требуется очень много пара. Поэтому современные паровые котлы электрических станций имеют большую паропроизводительность, т. е. с их помощью можно получить много тонн пара в час. Многие паровые котлы имеют паропроизводительность 200 и даже более тонн пара в час.
Котел высокого давления с такой большой паропроизводительностью потребляет очень много топлива. Если в качестве топлива используется, например, бурый уголь Подмосковного бассейна, то его потребуется около 65 тонн в час, что составит около 65 двухосных саморазгружающихся вагонов в сутки. Такой котел (или, точнее сказать, котельная установка) весит около тысячи тонн и стоит несколько миллионов рублей. Котельная установка включает большое число различных устройств и механизмов и для размещения ее необходимо большое многоэтажное помещение.
Много сложных вопросов должно быть решено для обеспечения хорошей, надежной работы котельной установки. К числу таких вопросов, в частности, относятся: правильная организация процесса сжигания топлива, позволяющая с высокой экономичностью использовать низкосортные сорта топлива; предварительная очистка подаваемой в котел воды, в результате которой сводятся к минимуму отложения солей при испарении и унос солей с паром в тепловой двигатель (); улавливание золы из дымовых газов — вопрос, имеющий исключительно важное значение при сжигании топлива в виде пыли, и многие другие. Ещё в советское время Энергетический институт Академии наук СССР работал над проблемой комбинированного производства не только электрической энергии и тепла для отопительных нужд, но также и высококалорийного газа для бытового потребления и промышленности.
Современные паровые котлы электрических станций можно разделить на два основных вида: котлы с естественной циркуляцией и котлы с принудительной циркуляцией; среди котлов второго типа на наибольшее распространение получили так называемые прямоточные котлы.
Принцип работы котла с естественной циркуляцией легко себе представить с помощью рисунка ниже. В барабан котла, представляющий собой стальной цилиндр, рассчитанный на высокое давление, непрерывно подводится питательная вода, предназначенная для образования из нее пара. Барабан имеет систему опускных (холодных) и подъемных (обогреваемых) трубок. Тепло, , подводится к подъемным (обогреваемым) трубкам, одна из которых показана на рисунке:
В результате подвода тепла вода в этой трубке испаряется — образуется насыщенный пар. Так как удельный вес пара во много раз меньше веса воды, то образовавшийся в подъемной трубке пар поднимается и заполняет объем барабана над уровнем питательной воды. На место испарившейся воды поступает новая ее порция через опускные необогреваемые трубки. Таким образом, через систему опускных и подъемных трубок происходит непрерывная циркуляция воды и пара, возникающая вследствие разности удельных весов воды и
именуется естественной, откуда возникло и наименование котла. Насыщенный пар, поступающий в барабан, непрерывно отводится из него, а вода подается и, таким образом, уровень питательной воды в барабане поддерживается постоянным.
На рисунке ниже представлена принципиальная схема современной котельной установки с естественной циркуляцией большой паропроизводительности. Топливо (обычно размолотый порошкообразный уголь) и необходимый для его сгорания воздух подаются через форсунки в топку котла. Образовавшиеся в результате горения топлива газы следуют по пути, указанному на рисунке ниже пунктирной линией, отсасываются дымососом (не показанном на схеме) и выбрасываются в атмосферу. Из котла продукты сгорания выходят уже охлажденными, так как тепло, выделившееся при сгорании топлива, в своей большей части передается воде и пару.
Питательная вода (конденсат) поступает в подогреватель, а затем в барабан котла. Барабан котла снабжен необогреваемыми, расположенными вне пределов топки опускными трубами и подъемными, обогреваемыми трубами. В результате естественной циркуляции, происходящей, как сказано выше, вследствие разности удельных весов воды п насыщенного пара, в барабан непрерывно поступает насыщенный пар. Из барабана насыщенный пар поступает в пароперегреватель, в котором благодаря дальнейшему подводу тепла нагревается и превращается в перегретый пар. Перегретый пар из пароперегревателя подается к тепловому двигателю (). Воздух, необходимый для горения топлива, предварительно нагревается в .
Обогреваемые подъемные трубы, в которых происходит собственно процесс парообразования, как это видно из рисунка ниже, расположены вдоль стенок топочной камеры. Они обогреваются в основном за счет излучения и называются экранными . В современных котельных агрегатах высокой производительности основная часть кипятильных труб, т. е. труб, в которых из воды образуется пар, устанавливается по стенкам топки, образуя большую экранную поверхность. Именно такой тип котельной установки, именуемый установкой экранного типа, представлен на рисунке:
Широкое распространение котельных установок экранного типа объясняется их значительными преимуществами. Дело в том, что температура внутри топочной камеры современного, мощного котельного агрегата достигает 1500 °С и более. Такая высокая температура действует разрушающе на стенки топочной камеры, несмотря на то, что они всегда , большей частью из огнеупорного кирпича; кроме того, плавящаяся при таких температурах зола топлива оказывает разъедающее действие на огнеупорный кирпич. Возникает необходимость защиты стен топочной камеры. Наиболее удачным способом защиты является устройство экранных поверхностей, предохраняющих стенки топки от разрушающего воздействия высокой температуры и плавящейся золы топлива.
Подогреватель поступающей в котел воды (или, как его называют, ) и пароперегреватель в отличие от испарительных (экранных) труб работают по прямоточному принципу. Это отличие заключается в том, что для превращения в пар всей заполняющей испарительные трубы воды эта последняя должна несколько раз протечь через испарительные трубы, т. е. мы сталкиваемся здесь с так называемой многократной циркуляцией, в то время как через водяной подогреватель или пароперегреватель вода или пар проходят 1 раз.
Как уже было сказано выше, из котлов с принудительной циркуляцией большое применение нашли прямоточные котлы.
Принцип устройства прямоточного котла весьма прост. В принципе, прямоточный котел представляет собой обогреваемый змеевик, в один конец которого подается вода, а из другого конца непрерывно поступает перегретый пар. Схема прямоточного котла представлена на рисунке ниже. Она настолько проста, что не требует специальных пояснений.
В этом случае вода или пар протекают через трубы котельной установки благодаря напору, создаваемому насосом. Естественная циркуляция здесь вообще отсутствует, в силу чего прямоточные котлы именуются также котлами с принудительной циркуляцией.
Основное отличие между современными крупными котельными установками с естественной циркуляцией и с принудительной циркуляцией (в частности, прямоточными) сводится к устройству испарительной поверхности (экранной поверхности) и к отсутствию барабана у прямоточного котла.
По трубам экранной поверхности прямоточного котла вода и пар движутся за счет работы насоса. В котле же с естественной циркуляцией движение воды и пара по трубам экранной поверхности происходит вследствие разности удельных весов воды и пара. Что касается прочих элементов котельной установки (водяного подогревателя, пароперегревателя, воздушного подогревателя, топки), то они по существу одинаковы у обоих типов котлов.
Благодаря отсутствию барабана и необогреваемых труб экранной поверхности нагрева расход при прочих равных условиях меньше, чем на котел с естественной циркуляцией. Это является преимуществом прямоточных котлов перед котлами барабанными (с естественной циркуляцией). Кроме того, следует иметь в виду, что котельные установки с естественной циркуляцией практически могут быть использованы только в том случае, когда давление воды не превышает так называемого критического давления, равного для воды примерно 226 атмосферам. С понятием критического давления (критического состояния) читатель бесспорно знаком из курса физики. Здесь мы отметим только, что при давлениях, больших, чем критическое (т. е. для воды при давлениях, больших 225,65 атмосферы) , само понятие «испарение» теряет смысл, так как при этих условиях уничтожается различие между жидкостью и паром. Поэтому принцип естественной циркуляции, основанный на значительной разнице удельных весов между насыщенным паром и кипящей жидкостью, не может быть использован в так называемой надкритической области, т. е для водяного пара при давлениях выше 226 атмосфер. Естественно, что котлы, рассчитанные на выработку пара сверх-критического давления, должны быть котлами с принудительной циркуляцией.
К недостаткам прямоточных котлов по сравнению с барабанными котлами следует отнести особо высокие требования к качеству питательной воды, предъявляемые эксплуатацией прямоточных котлов. Кратко поясним сказанное. Для того чтобы любой котельный агрегат работал надежно и длительно, без аварий, нельзя допускать отложения сколько-нибудь значительного количества солей (накипи) на внутренней поверхности обогреваемых труб. Когда труба, например, экранной поверхности свободна от накипи, тогда, несмотря на высокую температуру в топке, температура стенки трубы не делается слишком высокой, так как труба энергично охлаждается протекающим внутри ее потоком воды или пара. Если же внутри трубы образуется значительный слой накипи, отличающейся плохой проводимостью тепла, охлаждение стенки трубы водой или паром делается в несколько раз меньшим, температура стенки резко повышается и она может через сравнительно короткое время перегореть, что приведет к необходимости остановки и охлаждения котла для ремонта (после ремонта делают также в некоторых случаях делают ).
Что представляет собой накипь, образующаяся в котельных трубах и как она возникает? Накипь представляет собой отложение солей на внутренней поверхности труб и возникает она вследствие того, что питательная вода, подаваемая в котельную установку, в том или ином количестве, обязательно содержит в себе в растворенном виде различные соли. Образующийся вследствие испарения воды пар обычно уносит с собой сравнительно небольшое количество солей, большая же часть солей остается в еще не испарившейся воде. Таким образом, содержание солей, отнесенных на 1 литр воды (солесодержание воды, измеряемое обычно количеством миллиграммов солей, растворенных в 1 литре воды), по мере испарения воды и образования пара, непрерывно увеличивается. Чем меньше остается не испарившейся еще воды, тем больше содержание в ней солей. При испарении оставшейся воды высокого солесодержания большая часть солей переходит из растворенного состояния в твердое и отлагается на внутренней поверхности труб. Из сказанного следует, что отложение солей должно происходить главным образом в испарительных трубках в конце процесса парообразования. Очевидно, что для уменьшения возможного отложения накипи следует снижать количество солей, растворенных в питательной воде.
В прямоточном котле, работающем по схеме, представленной на рисунке выше, почти все соли, вносимые с питательной водой (за исключением солей, уносимых паром), должны отложиться па поверхностях нагрева испарительной зоны. Для того чтобы отложение солей происходило не слишком быстро, прямоточные котлы питают только конденсатом с весьма малым солесодержанием. Кроме того, для увеличения надежности и срока безостановочной работы котла прибегают к специальным мероприятиям. К числу таких мероприятий принадлежат, в частности, периодические промывки котла слабым раствором кислоты.
Требования, предъявляемые к питательной воде барабанных котлов, несколько меньше. Это объясняется следующим. В результате многократной циркуляции в испарительных трубах и в барабане котла образуется вода (котловая вода), обладающая значительно большим солесодержанием, чем питательная вода на входе в котел. Солесодержание котловой воды все время увеличивается вследствие непрерывно происходящего испарения, несмотря на безостановочную подачу в барабан котла подогретой питательной воды, обладающей значительно меньшим солесодержанием. Однако солесодержание котловой воды легко поддержать на неизменном уровне, не допуская его дальнейшего увеличения. Для этого достаточно производить непрерывный или периодический выпуск котловой воды из барабана (устроить так называемую продувку котла) с таким расчетом, чтобы количество солей, вносимых в котельный агрегат с питательной водой, в единицу времени было бы равно количеству солей, выбрасываемых из котельного агрегата за то же время с продувочной водой. Очевидно, что количество продувочной воды, выпускаемой из котла, например, в час, будет во столько раз меньше количества питательной воды, подаваемой за час в котел, во сколько раз солесодержание котловой воды больше солесодержания питательной воды. В современных мощных барабанных котлах в большинстве случаев применяют непрерывную продувку.
С целью улучшения водного режима прямоточного котла, увеличения надежности и длительности непрерывной его работы в последние годы делаются попытки выполнения так называемых сепараторных прямоточных котлов. Отличие сепараторного прямоточного котла от обычного прямоточного котла заключается в том, что в первом, в конце зоны испарения, устанавливается сепаратор — устройство, позволяющее отделить воду от пара. Таким образом, влажный пар (т. е. смесь сухого насыщенного пара и кипящей воды), имеющий уже весьма малую долю влаги, поступает в сепаратор. В сепараторе влага, содержащаяся в паре и обладающая тем большим солесодержанием, чем меньше ее количество, отделяется от пара и может быть выброшена из котла путем непрерывной продувки сепаратора. Если бы сепаратор мог отделить всю влагу, а эта последняя целиком удалялась бы, то отложений на стенках труб прямоточного котла практически не было бы вообще, как и на ленте 12Х18Н10Т цена.
Нет сомнения в том, что прямоточные котлы с сепараторами пара имеют большую перспективу развития. К сожалению, создание сепаратора, обладающего высоким К.П.Д. по влагоудалению, является делом нелегким. Также сложным делом является регулирование работы такого котла. Кроме того, расход металла на сепараторный прямоточный котел значительно повышается.
Котлы с естественной циркуляцией и прямоточные котлы, как сказано выше, имеют свои преимущества и недостатки.