Kotel je tepelný výměník, ve kterém je komplex zařízení konstrukčně spojen do jediného celku k výrobě tepla ve formě horké vody nebo páry pomocí chemické energie spalovaného paliva. Kotel byl poprvé použit jako parní generátor v roce 1600 v zařízení pro zvedání vody. Za počátek průmyslového využití kotlů je považován rok 1774, kdy skotský mechanik D. Watt vytvořil univerzální instalaci skládající se z kotle, parního stroje a kondenzátoru. Proces zlepšování konstrukce kotlových jednotek probíhal ve dvou směrech:
výroba plynových kotlů, kdy se do válcového kotle vložila jedna až tři požární trubice velkého průměru a poté desítky malých průměrů kouřových trubic;
výroba vodotrubných kotlů zvýšením počtu válců ze tří na deset – bateriové kotle a poté na desítky a stovky válců, trubky malého průměru – sítové plochy moderních vertikálních vodotrubných kotlů.
V současné době se v topných systémech používají kotle různých typů a provedení, které lze klasifikovat podle následujících hlavních charakteristik:
jmenování: 1) energetické turbínové generátory elektráren poskytujících páru; 2) elektrárny, vyrábějící páru pro parní turbíny, které fungují jako pohon strojů a mechanismů; 3) výroba, výroba páry pro technologické účely a 4) vytápění, poskytování tepla pro vytápění, ventilaci a zásobování teplou vodou;
generovaná chladicí kapalina: 1) nízkotlaká pára (strп 1,8 MPa), průměr (strп = 1,8-3,5 MPa), vysoká (strп = 3,5-6,5 MPa) a ultravysoké (strп 6,5 MPa) tlaky, při kterých vzniká sytá nebo přehřátá pára; 2) teplárny, ve kterých se teplá voda vyrábí pod tlakem vyšším než je atmosférický;
podle návrhu: 1) vodní trubice (obr. 4.4), ve které jsou vnější povrchy trubek omývány plyny a uvnitř trubek cirkuluje voda nebo směs páry a vody; 2) plynová trubice (obr. 4.3) nebo požární trubice, ve které se produkty spalování paliva pohybují uvnitř potrubí nebo komor a voda je omývá zvenčí; 3) kombinovaná nebo plynovod-voda, ve které voda a spaliny omývají část potrubí zevnitř a část zvenčí;
princip pohybu pracovní tekutiny: 1) s přirozenou cirkulací, ve které dochází k pohybu vody v důsledku rozdílu v hustotách studené a horké vody; 2) s nuceným oběhem, ve kterém je pohyb vody vytvářen čerpadlem.
Moderní kotle jsou poměrně složitou jednotkou, která zahrnuje následující konstrukční prvky (obr. 4.4):
Rýže. 4.3. Schémata uspořádání plynových kotlů:
1 – tělo; 2 – plynovod; 3 – parní prostor; 4 – plamence;
5 – otočná kamera; 6 – topeniště; 7 – hořák
Rýže. 4.4. Schéma uspořádání parního kotle sítového typu:
1 – komorové topeniště; 2 – obrazovky; 3 – spouštěcí trubky; 4 – hřebenatka;
5 – podšívka; 6 – buben; 7 – kolektor přehřáté páry;
8 – přehřívák páry; 9 – ekonomizér; 10 – ohřívač vzduchu
pec 1 se zařízeními na spalování paliva, určená ke spalování paliva, částečnému chlazení produktů spalování, uvolňování popela a odstraňování strusky;
topné plochy z ocelových nebo litinových trubek (konstrukce), které jsou určeny k přenosu tepla ze spalin do pracovního prostředí (chladiva) a jsou umístěny na stěnách topeniště ve formě sít 2, a uvnitř kouřovodů v forma přehříváku 8 páry, ekonomizéru 9 a ohřívače 10 vzduchu;
kouřovod je kanál pro směrování produktů spalování paliva a umístění topných ploch;
přehřívač 8 je trubkový výměník tepla pro zvýšení teploty páry nad teplotu nasycení při vhodném tlaku;
ekonomizér 9 – výměník tepla určený pro ohřev nebo částečnou výrobu páry napájecí vody vstupující do kotle vlivem tepla spalin (spalin);
ohřívač 10 vzduchu je tepelný výměník pro ohřívání vzduchu výfukovými plyny před jeho přiváděním do topeniště kotle;
buben 6 – kotlové těleso určené ke shromažďování a rozvodu pracovního média, k oddělení páry od kapaliny, čištění páry a zajištění zásoby vody v kotli;
rám – nosná kovová konstrukce, která přebírá zatížení od hmoty všech kotlových článků, pracovního prostředí a případných přetížení a zároveň zajišťuje požadovanou vzájemnou polohu kotlových těles při provozu;
vyzdívka 5 – vyrobena z ohnivzdorných a tepelně izolačních materiálů, zajišťuje plynotěsnost topeniště a plynového potrubí kotle a zároveň snižuje tepelné ztráty do okolí;
armatury, potrubí a přístrojové vybavení, které slouží k řízení a monitorování provozu kotlové jednotky.
Zlepšení kotlových jednotek bylo doprovázeno zvýšením spolehlivosti a bezpečnosti provozu, zlepšením manévrovatelnosti, zvýšením parametrů generovaných chladiv, snížením spotřeby kovů a zvýšením účinnosti spalování paliva. Mezi hlavní charakteristiky kotlových jednotek patří: 1) parametry generovaného chladiva; 2) výstup páry nebo tepla; 3) měrný odvod tepla; 4) tepelné namáhání topných ploch; 5) tepelné napětí spalovacího objemu; 6) spotřeba paliva; 7) účinnost a další.
Hlavní ukazatele charakterizující kvalitu výrobků vyráběných kotlovými jednotkami jsou: 1) pro přehřátou páru – tlaková pп a její teplota tп; 2) pro sytou páru – tlak strн, teplota tн a stupeň suchosti (x) nebo vlhkosti páry; 3) pro vodu pod tlakem – vstupní teplota txb a výstupní tгв. Zvýšení parametrů páry nebo horké vody umožňuje zpravidla zvýšit účinnost instalace kotle a celého topného systému.
Výkon kotlových jednotek se posuzuje podle množství páry nebo tepla generovaného instalací za jednotku času. Parní výkon D se měří v kg/s nebo t/hod, topný výkon Q se měří v Gcal/hod nebo MW. V současné době jsou sériově vyráběny parní kotle o výkonu od 0,01 t/hod do 900 t/hod., horkovodní kotle od 0,01 Gcal/hod do 200 Gcal/hod.
Tepelné namáhání otopných ploch ukazuje výkon tepelného toku (Q Kcal/hod) vnímaný 1 m2 otopné plochy (N, m2):
qH = Q/H. (4.6)
Tepelné namáhání spalovacího objemu je výkon tepelného toku (Q, kcal/hod) uvolněný v 1 m 3 spalovacího objemu (V, m 3):
qv = Q/V. (4.7)
U moderních parogenerátorů může tepelné namáhání spalovacího objemu dosahovat od 500 do 510 6 kcal/(m 3 hod).
Spotřeba paliva je množství paliva spáleného v topeništi kotle. Určuje zatížení a účinnost kotle. Obecným kritériem pro hodnocení účinnosti využití paliva je účinnost kotelny:
kde Q1 – užitečné (vygenerované) teplo obsažené v páře nebo horké vodě, kcal/hod;
Qр – dostupné teplo, kcal/h, které se skládá z chemické energie spáleného paliva a fyzikálního tepla vzduchu a paliva, když jsou ohřívány externím zdrojem tepla, kcal/h.
Účinnost moderních kotlů závisí na typu a způsobu spalování paliva, dokonalosti konstrukce zařízení na spalování paliva a kotlových jednotek, přítomnosti automatizace a dalších faktorech. Moderní kotle mají účinnost 90-96%.
V městských teplárenských soustavách jsou dominantními parogenerátory vertikální vodotrubné kotle s horizontální a vertikální orientací otopných ploch. V současné době jsou v provozu desetitisíce kotlů typu DKVR (dvoububnové vodotrubné kotle), vyvinuté společností TsKTI im. I. Polzunová. Tyto kotle vyráběla kotelna Biysk (BiKZ) v letech 1958 až 1986. Celá řada kotlů DKVR má dva podélně umístěné bubny a rozvinutou kotlovou banku s chodbovým uspořádáním varných trubek. Standardní sortiment zahrnoval kotle o výkonu 2,5; 4; 6,5; 10 a 20 t/hod. Spalovací prostor kotlů 2,5-6 t/h má pouze boční clony, zatímco DKVR-10 a 20 mají také přední a zadní clony z trubek o průměru 5125 mm. Analýza dat charakterizujících provozní vlastnosti těchto kotlů ukázala, že mají vysokou spotřebu kovu, značné náklady na instalaci, silnou vyzdívku a nižší účinnost (o 5-7 %) oproti vypočtené. V tomto ohledu TsKTI spolu s BiKZ vyvinuly dvě nezávislé unifikované řady kotlů: E (DE) – plynový olej a KE – tlaková tuhá paliva. V současné době probíhá sériová výroba těchto kotlů o výkonu 4; 6,5; 10; 16 a 25 t/hod., s absolutním tlakem 14 a 24 kgf/cm a teplotou přehřátí páry až 225C. Kotle mají jedinou konstrukci: 1) horní a spodní buben stejné délky; 2) zcela stíněnou spalovací komoru umístěnou na straně konvekčního nosníku; 3) boční plynotěsné zástěny z trubek o průměru 51 mm; 4) lehká podšívka. Kotle typu DE mají zvýšenou tovární připravenost, takže dodávku lze provést jako smontovanou jednotku, ale bez opláštění a vyzdívky. Doba mezi poruchami DE kotlů je minimálně 3000 hodin, průměrná životnost minimálně 20 let. Rozsah regulace zátěže je od 20 do 120 % jmenovitého výkonu páry, jmenovitého režimu dosáhne za 1 hodinu. V tabulce 4.1 uvádí tepelně technické charakteristiky kotlů typu DE, které se v příštích letech stanou nejběžnějšími v městských soustavách zásobování teplem.
Kotelní jednotka (kotel, kotel) je soubor zařízení konstrukčně spojených do jednoho celku pro výrobu páry pod tlakem nebo horké vody spalováním paliva.
- u tepelných elektráren (TPP) – dodávat páru do turbín;
- v rafinériích – pro výrobu nízkotlaké a vysokotlaké technické páry potřebné v procesech rafinace ropy;
- v průmyslových a vytápěcích kotelnách – k výrobě páry a horké vody pro technologické a topenářské potřeby;
- v lodních kotelnách.
- jeho jmenování
- druh použitého paliva,
- způsob spalování,
- jednotkový výstup páry,
- tlak a teplota vyvíjené páry.
Konstrukce kotle
spalovací komora
Zde dochází ke spalování paliva a částečnému ochlazování spalin v důsledku výměny sálavého tepla mezi ohřátými plyny a trubkami pokrývajícími stěny spalovací komory, kterými cirkuluje jejich chladicí médium (voda nebo pára).
Systém těchto trubek se nazývá spalovací clony.
Na výstupu z pece mají plyny teplotu asi 1000°C.
Přehříváky
Pro další ochlazování plynů podél jejich cesty jsou instalovány trubkové topné plochy (přehříváky), obvykle vyrobené ve formě clon – trubicových hadů sestavených v plochých obalech.
Výměna tepla v površích obrazovek probíhá sáláním a konvekcí, proto se takové povrchy často nazývají polosálavé.
Po průchodu sítovým přehřívačem vstupují plyny o teplotě 800-900°C do vysokotlakých a nízkotlakých konvekčních přehříváků, což jsou trubkové svazky.
Výměna tepla v těchto a následných topných plochách se uskutečňuje převážně konvekcí a nazývá se konvektivní.
Ekonomizér vody
Za přehřívačem je v cestě plynů o teplotě 600-700°C instalován ekonomizér vody.
Ohřívač vzduchu
Zde se plyny (v závislosti na druhu spalovaného paliva) ochladí na 130-170°C.
Dalšímu snižování teploty plynů opouštějících kotelnu prostřednictvím výhodného využití jejich tepla k ohřevu pracovního prostředí je zabráněno kondenzací vodní páry a kyseliny sírové vznikající na topných plochách při spalování sirných paliv, což vede k intenzivní znečištění topných ploch částicemi popela a korozí kovů.
Zařízení na odstraňování popela a síry
Ochlazené plyny, které prošly čisticími zařízeními k odstranění popela a v některých případech odstranění síry, se uvolňují komínem do atmosféry.
Produkty spalování pevných paliv zachycené v kotlové jednotce jsou periodicky nebo kontinuálně odstraňovány pomocí systémů na odstraňování popela a strusky.
Sada foukacích a mycích zařízení, vibrátorů a zařízení na čištění broků
Pro udržení čistoty topných ploch je k dispozici komplex periodicky zapínaných dmychadel a mycích zařízení, vibrátorů a zařízení na čištění broků.
Podle charakteru pohybu pracovního média jsou kotlové jednotky:
- s vícenásobnou přirozenou cirkulací,
- s nuceným oběhem,
- přímo skrz.
Pohyb pracovního média po cirkulačním okruhu v kotelních jednotkách s přirozenou cirkulací se uskutečňuje v důsledku rozdílu v hustotách směsi páry a vody v ohřívané (zdvihací) části okruhu a vody v nevytápěné nebo slabě ohřívané (spouštěcí) část.
U kotlových jednotek s nuceným oběhem se pracovní médium pohybuje po okruhu působením oběhového čerpadla.
Nepřetržité odpařování kotlové vody v kotelních jednotkách s opakovaným přirozeným nebo nuceným oběhem vede ke zvýšení koncentrace rozpuštěných a suspendovaných nečistot v ní (soli, oxidy, oxid hydráty), které mohou, usazené na vnitřním povrchu vyhřívaného potrubí, zhoršovat podmínky jejich chlazení a způsobit přehřátí kovu a nouzové odstavení kotlové jednotky z důvodu prasknutí potrubí.
Nadměrné zvýšení koncentrace nečistot v kotlové vodě je nepřijatelné z důvodu jejich strhávání párou z bubnu s vodními kapkami nebo ve formě parního roztoku do přehříváku i do turbíny, kde se nečistoty usazují na lopatky turbíny, což snižuje její účinnost.
Aby se zabránilo zvýšení koncentrace nečistot v kotlové vodě, jsou prováděny kontinuální a periodické odkalování kotle.
Maximální přípustná koncentrace nečistot je dána konstrukcí a parametry kotlové jednotky, složením napájecí vody a tepelným namáháním otopných ploch.
V jednotce průtočného kotle probíhá ohřev, odpařování vody a přehřívání páry jedním průchodem média cestou.
Při této organizaci procesu výroby páry nelze nečistoty obsažené v napájecí vodě odstraňovat z kotlové jednotky odfouknutím části kotlové vody, jako je tomu u kotlové jednotky s přirozeným nebo nuceným vícenásobným oběhem.
V jednotce průtočného kotle se část nečistot ukládá na vnitřním povrchu potrubí a část (spolu s párou) vstupuje do turbíny, kde se ukládá na lopatkách.
Na napájecí vodu průtočných kotlů jsou proto kladeny přísnější požadavky na její kvalitu.
Voda vstupující do těchto kotlů je předupravena v systému úpravy vody.
V elektrárnách se pro zvýšení účinnosti používají schémata se sekundárním (mezilehlým) přehřátím: pára se po aktivaci části své tepelné energie v turbíně vrací do kotelní jednotky, kde je podrobena dodatečnému přehřátí v nízkotlaké páře. přehřívákem a znovu poslán do turbíny.
Teplota sekundární přehřáté páry se obvykle považuje za stejnou jako teplota primární přehřáté páry nebo se jí blíží.
Pro udržení teploty primárního a sekundárního přehřátí páry na požadované úrovni je kotel vybaven regulačními zařízeními v podobě směšovacích a plošných výměníků tepla, systémy pro recirkulaci části ochlazených spalin do spalovací komory, popř. zařízení pro změnu úhlu hořáků.
