Классификация и основные характеристики

Паровых котлов

Судовые паровые котлы классифицируют по следующим признакам:

по назначению – главные (ГК) и вспомогательные (ВК). Главные паровые котлы обеспечивают паром ГТЗА, при­водящий в действие гребной винт, и некоторые вспомогатель­ные потребители. Вспомогательные паровые котлы служат для подачи пара в турбогенераторы, испарительные установки, к грузовым и палубным механизмам во время стоянки судна, а также для обеспечения бытовых нужд, пуска судовой энерге­тической установки из холодного состояния. Эти котлы при­меняются, как правило, на теплоходах. К вспомогательным относятся и утилизационные котлы (УК), которые используют теплоту отходящих газов главных двигателей во время движе­ния судна. Пар от них поступает к вспомогательным потреби­телям, а также расходуется на бытовые и производственные нужды;

по конструкции – водотрубные и огнетрубные. В водо­трубных паровых котлах вода и пароводяная смесь движутся внутри труб, которые снаружи омываются горячими дымовыми газами (Рис. 1.4, а). В огнетрубных (газотрубных) паровых котлах, наоборот, дымовые газы перемещаются по трубам, а вода омывает их с наружной стороны (Рис. 1.4, б);

по принципу движения воды и пароводяной смеси – с естественной или принудительной циркуляцией. Естественная циркуляция (Рис. 1.4, а, б), то есть движение воды и пароводяной смеси по замкнутому контуру, происходит естественным путем – только за счет разности веса воды в опуск­ных и пароводяной смеси в подъемных трубах котла. Прину­дительная циркуляция (Рис. 1.4, в) воды и пароводяной смеси создается в паровых котлах специальным насосом. В настоя­щее время на судах главные и вспомогательные котлы вы­полняются водотрубными с естественной циркуляцией, а ути­лизационные – с принудительной циркуляцией;

по давлению в топке – водотрубные с вентиляторным дутьем и с наддувом. В котлах с вентиляторным дутьем топливо сжигается в топке при давлении, примерно равном атмосфер­ному. В котлах с наддувом давление в топке может быть зна­чительно больше атмосферного. Воздух в топку котла с надду­вом подается компрессором турбонаддувочного агрегата (ТНА).

Рис. 1.4. Компоновочные схемы котлов: а – водотрубного; б – огнетрубного; в – с принудительным током воды

Приведенную классификацию нельзя считать полной: в ней учтены только основные особенности котлов. Для характеристи­ки котлов используется ряд показателей, основные из них: паропроизводительность D – количество производимого пара в еди­ницу времени, кг/с; рабочее давление пара – избыточное давление в пароводяном коллекторе котла с естественной и при­нудительной циркуляцией или избыточное давление пара на вы­ходе из пароперегревателя в прямоточном котле, МПа; темпера­тура перегретого пара на выходе из котла, °С; температура питательной воды , поступающей в котел, °С; расход топли­ва В или количество топлива, сжигаемого в котле в единицу времени, кг/с.

Степень совершенства конструкции котла характеризуют такие показатели: коэффициент полезного действия (к. п. д.); мощность , выделившаяся при сгорании топлива в единице объема топки, Вт/м³ ; плотность теплового потока на поверх­ности нагрева , Вт/м² (количество теплоты, воспринятой в единицу времени единицей площади поверхности нагрева котла); относительная масса котла без воды – отношение сухой массы котла к его производительности (кг∙с)/кг; отно­сительная масса котла с водой при температуре 20°С, залитой до рабочего уровня , (кг∙с)/кг; относительный объем котла – отношение объема всего котла к его произво­дительности , (м³∙с)/кг.

Общее устройство котлов

Главные котлы. Широкое распространение на транспортных судах в качестве главных нашли водотрубные котлы с есте­ственной циркуляцией (Рис. 1.5). Корпус котла включает паро­водяной коллектор 1, водяной коллектор 6, парообразующие трубы 3, 7, составляющие основную поверхность нагрева, и опуcкные не-

обогреваемые трубы 2, через которые подается вода в коллектор 6 и в парообразую­щие трубы 3, 7. В топку 4 котла через топочное устройство 5 по­даются топливо и воздух, кото­рый предварительно

Рис. 1.5. Водотрубный котел с естественной циркуляцией

нагревается в воздухоподогревателе 13 кот­ла. Стрелки 14 указывают под­вод воздуха к воздухоподогревателю, а стрелки 16 – к топоч­ному устройству 5. Дополнительные поверхности нагрева, образованные пучками труб пароперегревателя 9, водяного экономайзера 12 и воздухоподогрева­теля 13, последовательно разме­щены в газоходе котла. Они вос­принимают теплоту от дымовых газов, которые, двигаясь по газоходе котла, постепенно охлаж­даются. Дымовые газы темпе­ратурой 150–200°С направляются в дымовую трубу (стрелки 15). Дополнительные поверх­ности нагрева позволяют повысить экономичность котла, пол­нее использовать теплоту, выделившуюся при сгорании топ­лива.

Принцип действия такого котла заключается в следующем. При факельном сжигании топлива образуются продукты сгора­ния (дымовые газы), имеющие высокую температуру. В топке передача теплоты парообразующим трубам осуществляется в основном тепловым излучением от высокотемпературного фа­кела, а вне топки (в газоходе котла направление хода газов ука­зано стрелками 10) – тепловой конвекцией от движущихся через основную и дополнительную поверхности нагрева дымовых газов. Охлажденные дымовые газы поступают в дымовую трубу (на рисунке не показана).

Питательная вода нагнетается питательным насосом по тру­бопроводу 11 в экономайзер, где подогревается до температуры на 20–30°С ниже температуры кипения. Оттуда она направ­ляется в водяную часть коллектора 1, смешивается с котловой водой и по опускным трубам 2 движется к водяному коллектору 6, из которого поступает в парообразующие трубы 3, 7. Ряд труб 3, защищающих от облучения факелом опускные трубы 2, называется экраном. Первые ряды пучка 7 и экрана восприни­мают теплоту излучения газов в топке, а поверхности труб 7, 9, 12, 13 – теплоту, передаваемую конвекцией от движущихся га­зов. Внутри труб 3 и 7 происходит процесс парообразования, появившаяся при этом пароводяная смесь поступает в коллек­тор 1. Образовавшийся в циркуляционном контуре пар, пройдя водяную часть коллектора 1, скапливается в его паровой зоне, откуда по перепускной трубе 17 направляется в верхний кол­лектор пароперегревателя 9, а вода, смешиваясь с питательной водой, вновь поступает по опускным трубам 2 к коллектору 6.

Вода и пароводяная смесь движутся по замкнутому контуру: пароводяной коллектор – опускные трубы – водяной коллек­тор – парообразующие трубы – пароводяной коллектор. Это движение происходит за счет разности веса воды и пароводяной смеси в трубах и называется естественной циркуляцией. Сово­купность элементов котла, в которых осуществляется замкнутое движение воды и пароводяной смеси, называют контуром цир­куляции. У котла, показанного на рис. 1.5, только один контур циркуляции. Однако котлы могут иметь несколько таких кон­туров.

В пароводяном коллекторе 1 циркуляционного контура котла размещаются сепарирующие устройства (на схеме не показаны), поэтому пар, направляемый в пароперегреватель, имеет степень сухости, близкую к единице. В пароперегревателе 9 пар подсу­шивается и перегревается. Перегретый пар через главный сто­порный клапан (на схеме не показан) направляется к потреби­телям (стрелка 8).

Значительно меньшие массу и габариты имеют прямоточные котлы (Рис. 1.6), движение рабочей среды в которых происхо­дит за счет напора питательного насоса 12, подающего воду в экономайзер 1 котла. Подогретая питательная вода направ­ляется в парообразующую поверхность нагрева, состоящую из труб 9, полностью экранирующих топку 8, и конвективного пучка 10. Почти сухой пар поступает в пароперегреватель 3, откуда перегретый пар через главный стопорный клапан направ­ляется к потребителям (стрелка 11).

Прямоточные котлы могут обеспечивать большую произво­дительность и высокие параметры пара. Они компактны, маневренны, легко вписываются в габариты котельного помещения, однако очень чувствительны к качеству питательной воды и не­надежны при работе на малых нагрузках.

Котлы, в которых горение топлива в топке происходит при давлении в 2,5–4 раза выше атмосферного, называются высо­конапорными. Они могут быть как с естественной, так и с при­нудительной циркуляцией воды.

Для подачи воздуха в высоконапорный прямоточный котел служит турбонаддувочный агрегат. В состав ТНА входят ком­прессор 6, газовая турбина 4 и добавочный двигатель 7. Обра­зовавшиеся в топке дымовые газы, омывая последовательно по­верхности нагрева, расположенные в газоходе котла, охлаж­даются до температуры 550–650°С и поступают (стрелка 5) в газовую турбину ТНА, здесь происходит их расширение и сни­жжение темпе-

ратуры до 150–250°С. Из турбины газ поступает в дымовую трубу (стрелка 2). Турбина приводит во вращение компрессор. Таким образом, работа газа в турбине расходуется на сжатие и нагрев воздуха в компрессоре.

Рис. 1.6. Прямоточный высоконапорный котел

При малой нагрузке котла мощность газовой турбины может оказаться недостаточной для сжатия воздуха в компрессоре и подачи его в топку. В этом случае применяется добавочный двигатель (обычно паровая турбина). Он не только восполняет нехватку мощности газовой турбины, но и служит источником энергии во время пуска котла из холодного состояния. Пар для этого двигателя поступает от другого котла или от береговой котельной установки.

Вспомогательные котлы. Из вспомогательных котлов отече­ственной постройки наибольшее распространение получили водо­трубные котлы типов КВВА и КАВ. Они установлены на тан­кере «Великий Октябрь», сухогрузах «Капитан Кушнаренко», «Славянск» и других судах. Нормализованный ряд котлов типа КВВА включает котлы паропроизводительностью 0,28–3,35 кг/с [(1 ÷ 12)∙10³ кг/ч] при давлении от 0,49 до 2,75 МПа.

На рис. 1.7 показана схема водотрубного котла КВВА 12/15 с естественной циркуляцией. Котел автоматизирован, имеет сле­дующие параметры: D = 3,35 кг/с (12000 кг/ч), – 1,47 МПа (15 кгс/см²), = 80%.

Корпус котла состоит из пароводяного 1 и водяного 9 кол­лекторов, соединенных между собой подъемными парообразую­щими трубами экрана 6 и пучка 11 и опускными необогреваемыми трубами 5, расположенными за экраном. Топка котла 8 оборудована топочным устройством, состоящим из двух форсу­нок 7 и дежурной форсунки 13 (на рисунке показаны фурмы, в центре кото-

Рис. 1.7. Вспомогательный водотрубный котел	Рис. 1.8. Компоновочная схема вспомогательного огнетрубного котла типа «Кохран»

рых устанавливаются форсунки). Для наблюдения за процессом горения топлива имеются смотровые лючки 12. Для обдувки и мытья поверхностей нагрева установлены сажеобдувочные устройства 10. Кожух 14 котла выполнен с двойной обшивкой, охлаждаемой воздухом. В пароводяном коллекторе размещены питательная труба 4, нижний 3 и верхний 2 дырча­тые щиты.

Аналогичную конструкцию имеют котлы типа КАВ. На сухо­грузных теплоходах иностранной постройки наиболее многочис­ленной является группа огнетрубных и газоводотрубных котлов. Они имеют сходные компоновочные схемы: это цилиндрические вертикальные котлы со сферической топкой без хвостовых по­верхностей нагрева. Обычно котлы имеют такие параметры: D = 0,163 ÷ 0,60 кг/с [(0,6 ÷ 2,5)∙10³ кг/ч], = 0,49 МПа (5 кгс/см²), = 75 ÷ 79%. Их характерные особенности – вы­сокое водосодер-жание и большая относительная масса.

Во вспомогательном огнетрубном котле типа «Кохран» (Рис. 1.8) дымовые газы из топки 7 по патрубку 4 поступают в огневую камеру 2 и по дымогарным трубам 3 через коробку 6 направляются в дымовую трубу. Корпус 1 над топкой содержит перегородку 5, которая благодаря сферической форме не пре­пятствует тепловым расширениям при нагревании и облегчает удаление отложений (шлама), оседающих на стенке перего­родки 5.

Котел не очень чувствителен к качеству питательной воды, обладает высокой аккумулирующей способностью, надежен в эксплуатации.

Утилизационные котлы. В утилизационных котлах в качестве источника теплоты используются отходящие газы главных дви­гателей судовой энергетической установки: двигателей внутрен­него сгорания или газовых турбин. Применение УК позволяет экономить топливо на 8–12%. Помимо утилиза­ции теплоты отходящих газов УК обеспечивают глушение шума выпуска главных двигателей и искрогашение. Пар от УК расходуется в основном на судовые нужды.

С увеличением мощности главных двигателей на некоторых судах пере­шли к использованию энергетических установок, в которых УК производят пар для ходовых турбогенераторов или паровой турбины, работающей на винт судна. Например, на танкерах типа «Великий Октябрь» и нефтерудовозах типа «Борис Бутома», на которых мощность главного двигателя превышает 6,5 МВт,

УК генерирует пар, используемый для бытовых нужд и ходового турбогенератора судовой электростанции. На голов­ном судне типа «Капитан Смирнов» УК снабжает паром тур­бину, которая через редуктор работает совместно с главным газотурбинным двигателем на винт судна.

Наиболее широкое распространение в отечественном флоте получили водотрубные УК с принудительной циркуляцией и с автономным сепаратором пара. В качестве примера рассмо­трим принципиальную схему утилизационной котельной уста­новки (Рис. 1.9), в которой использован УК с принудительной циркуляцией воды и пароводяной смеси. При движении судна он обеспечивает перегретым паром турбогенератор, а насыщен­ным паром – вспомогательные потребители.

Рис. 1.9. Утилизационная котельная установка с котлом КУП-700

Котельная установка включает собственно котел 2, автоном­ный сепаратор 9, циркуляционный насос 4. Утилизационный ко­тел состоит из экономайзера 8, двух секций парообразующих змеевиков 7 и 5 и пароперегревателя 3. Дымовые газы посту­пают от главного двигателя (стрелка 1), омывают поверхности нагрева, расположенные в корпусе котла, и уходят в дымовую трубу. Питательная вода поступает в сепаратор 9 (стрелка 10), оттуда забирается циркуляционным насосом 4 и направляется в экономайзер 8. Из экономайзера по перепускной трубе она по­ступает в нижнюю секцию 5 парообразующего пучка, которая соединена со второй секцией 7 трубой 6. Пароводяная смесь из секции 7 направляется в сепаратор 9. Насыщенный пар из сепаратора используется для бытовых нужд. Значительная часть производимого пара подается в пароперегреватель 3, где перегревается и направляется к ходовому турбогенератору судо­вой электростанции.

Для очистки поверхностей нагрева от сажи в котле предус­мотрены сажеобдувочные устройства, а для слива воды, по­павшей в газоход, – отверстия в нижней части каркаса ко­тла. Полная паропроизводительность такого котла составляет 0,89 кг/с (3200 кг/ч), рабочее давление в сепараторе 0,98 МПа (10 кгс/см²), температура перегретого пара 270°С, температура газов перед котлом 320°С. Утилизационный котел оснащен системой трубопроводов и арматурой, которая позволяет от­ключать экономайзер, вторую секцию парообразующего пучка и пароперегреватель одновременно и раздельно.

За счет оребрения поверхностей нагрева со стороны газов можно значительно снизить массу и габариты этих котлов. С оребрением выполнены котлы КУП-3100 и КУП-95Р, а также котел типа «Грин Дисекон» (см. рис. 1.1, г), относительная удельная масса которых в несколько раз меньше по сравнению с гладкотрубными УК. Так, относительная удельная масса гладкотрубного УК (25,2 ÷ 11,1)∙10³ кг∙с/кг, а УК с оребрением – (2,74 ÷ 5,52)∙10³ кг∙с/кг.

Глава 2. ТОПЛИВО И ПРОДУКТЫ

СГОРАНИЯ

Общие сведения

Топливом называется горючее вещество органического происхождения, которое экономически целесообразно сжигать с целью получения больших количеств теплоты. В зависимости от агрегатного состояния различают твердое, жидкое и газооб­разное топливо. Топливо бывает природным и искусственным. Природным называется топливо, которое используется без пред­варительной термической обработки (каменный уголь, горючие сланцы, нефть, газ и др.). Искусственным называется топливо, которое получается в результате термической обработки есте­ственных топлив (кокс, бензин, керосин и др.).

В настоящее время в судовых котлах используется искус­ственное жидкое топливо – мазут. Его получают из нефти в результате ее термической обработки – отгонки из нее бен­зина, бензола и масел. Мазут – это топливо углеводородного состава, содержащее малое количество золы, почти безводное. Качество мазута определяется его элементарным составом, вязкостью, температурой вспышки, воспламенения и застывания, плотностью и содержанием механических примесей.