Сжигание газового топлива в котлах

1. Классификация котельных

По назначению котельные подразделяются на:

• отопительные – для обеспечения теплом систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения;
• отопительно-производственные – для обеспечения теплом систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и для технологического теплоснабжения;
• производственные – для технологического теплоснабжения;
• энергетические – вырабатывающие перегретый пар для получения электроэнергии в турбоагрегатах (на такие котельные СНиП II-35–76 «Котельные установки» не распространяется).

По размещению котельные подразделяются на:

• отдельно стоящие;
• пристроенные к зданиям другого назначения;
• встроенные в здания другого назначения независимо от этажа размещения;
• крышные, располагаемые (размещаемые) на покрытии здания непосредственно или на специально устроенном основании над покрытием.

По надежности отпуска тепла потребителям котельные относятся:

• к первой категории – котельные, являющиеся единственным источником тепла системы теплоснабжения и обеспечивающие потребителей первой категории, не имеющих индивидуальных резервных источников тепла;
• ко второй категории – остальные котельные.

Потребители тепла по надежности теплоснабжения относятся:

• к первой категории – потребители, нарушение теплоснабжения которых связано с опасностью для жизни людей или со значительным ущербом народному хозяйству (повреждение технологического оборудования, массовый брак продукции);
• ко второй категории – остальные потребители тепла.

2. Классификация котлов

По характеру (виду) вырабатываемого теплоносителя:

• паровые,
• водогрейные,
• пароводогрейные.

По параметрам теплоносителя:

• паровые котлы с рабочим давлением пара p_п более 0,7 кгс/см² и водогрейные с температурой нагрева воды t_в выше 115 °С являются объектами котлонадзора (Ростехнадзора России); на них распространяется действие ПБ 10-574–03 «Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов» – «надзорные» котлы;
• паровые котлы с рабочим давлением пара p_п не более 0,7 кгс/см² и водогрейные с температурой нагрева воды t_в не выше 115 °С – «не надзорные» котлы; на них распространяется действие «Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов с давлением пара не более 0,07 МПа (0,7 кгс/см²), водогрейных котлов и водонагревателей с температурой нагрева воды не выше 388 К (115 °С)», утвержденных Минстроем России.

По применяемому материалу:

• стальные,
• чугунные.

По принципу теплообмена :

• поверхностные (рекуперативные), в которых передача теплоты от продуктов сгорания к котловой воде происходит через разделительную стенку (поверхность нагрева);
• контактные, в которых передача теплоты осуществляется при непосредственном контакте (смешении) газов и воды.

По перемещению продуктов сгорания и воды поверхностные котлы делятся на:

• водотрубные, в которых котловая вода перемещается по трубам, а продукты сгорания движутся снаружи труб;
• газотрубные (с жаровой трубой (топкой) и пучком дымогарных труб), в которых продукты сгорания движутся внутри труб, омываемых снаружи водой;
• водотрубно-газотрубные (котел ВК-32, у которого топочная часть – водотрубная, а конвективная – газотрубная).

По организации процесса горения (способу подачи воздуха и удалению продуктов сгорания):

• работающие под разрежением; могут иметь тягу и подачу воздуха естественную или принудительную. В газовом тракте (и в топке) давление ниже атмосферного (тяга);
• работающие с противодавлением (под наддувом); топка и газоходы находятся под избыточным давлением по отношению к окружающему воздуху. Подача воздуха и удаление продуктов сгорания производятся принудительно от дутьевого вентилятора.

По характеру движения котловой воды (пароводяной смеси):

• с естественной циркуляцией (рис. 1, а);
• с принудительной циркуляцией, когда вода движется за счет напора, создаваемого насосами:
  • с многократной принудительной циркуляцией (рис. 1, б; широкого распространения не получили);
  • прямоточные (без барабанов). По такой схеме работают крупные энергетические котлы на тепловых электрических станциях (D_п = 3950 т/ч, р_п = 255 кгс/см², t_пп = 560 °С) и практически все водогрейные котлы (рис. 1, в).

Рис. 1. Схемы циркуляции воды в паровых котлах: а – естественная; б – принудительная многократная; в – принудительная прямоточная; 1 – испарительные подъемные трубы; 2 – верхний барабан котла; 3 – пароперегреватель; 4 – опускные трубы; 5 – водяной экономайзер; 6 – питательный насос; 7 – испарительные трубы; 8 – коллекторы; 9 – побудительный циркуляционный насос

3. Основные технические характеристики паровых и водогрейных котлов

Расчетные параметры, характеризующие работу котла, указываются в паспорте котла, составленном изготовителем по установленной форме (прил. 4 к ПБ 10-574–03) и хранящемся у владельца в течение всего срока эксплуатации.

На каждом котле должна быть прикреплена заводская табличка с маркировкой паспортных данных, нанесенных способом, обеспечивающим четкость и долговечность изображения.

На табличке парового котла должны быть нанесены следующие данные:

• наименование, товарный знак организации-изготовителя;
• обозначение котла;
• номер котла по системе нумерации организации-изготовителя;
• год изготовления;
• номинальная паропроизводительность D_п в т/ч;
• рабочее давление на выходе в МПа (кгс/см²);
• номинальная температура пара на выходе в °С.

На табличке водогрейного котла должны быть нанесены следующие данные:

• наименование, товарный знак организации-изготовителя;
• обозначение котла;
• номер котла по системе нумерации организации-изготовителя;
• год изготовления;
• номинальная теплопроизводительность Q в МВт (Гкал/ч); рабочее давление на выходе в МПа (кгс/см²);
• номинальная температура воды на выходе в °С.

В обозначении парового котла приводятся:

• тип,
• паропроизводительность (т/ч),
• абсолютное (избыточное) давление пара р_п, (МПа или кгс/см²),
• вид топлива (Г – газ, М – мазут);
• котлы под наддувом обозначаются буквой Н.

Например: ДКВР-10/13; Е-25-2,4 ГМ; ДЕ-6,5/14-225 ГМ; Е-1/9-Г.

В обозначении водогрейного котла приводятся:

• тип – КВ (котел водогрейный);
• вид топлива (Г – газ, М (Ж) – мазут, соляра);
• тип топки (Н – под наддувом);
• номинальная тепловая мощность (МВт или Гкал/ч);
• номинальная температура воды на выходе из котла, °С;
• давление газа (Гн – низкое; Гс – среднее);
• автоматизированный котел обозначается буквой «а»;
• С – стальной.

Например: КВ-ГМ-10-50; КСВа-2,5-Гс; КВа-3-95; КВа-0,75Ж-115.

На каждом котле, введенном в эксплуатацию и после проведенных технических освидетельствований, должна быть на видном месте прикреплена табличка форматом не менее 300×200 мм с указанием следующих данных:

• регистрационный номер;
• разрешенное давление;
• число, месяц и год следующего внутреннего осмотра и гидравлического испытания.

Основные технические характеристики паровых котлов:

• номинальная паропроизводительность, D_п, т/ч – максимальное рабочее количество пара, вырабатываемого котлом, в течение 1 ч;
• параметры получаемого пара:
• рабочее (расчетное, или разрешенное) давление пара, р_п, МПа (кгс/см²);
• пробное давление, р_проб, МПа (кгс/см²);
• вид пара (насыщенный, перегретый);
• температура насыщенного пара, t_нас, °С (при рабочем давлении пара р_п или температуре перегретого пара, t_пп, °С);
• температура питательной воды, °С;
• паровой и водяной объем котла, м³;
• объем воды, м³;
• время испарения этого объема, мин.

Основные технические характеристики водогрейных котлов:

номинальная теплопроизводительность (тепловая мощность), Q, Гкал/час (МВт) – максимальное рабочее количество теплоты, воспринимаемое водой, за 1 ч работы; 1 Гкал/ч = 1,163 МВт;

параметры воды:

• рабочее давление воды, МПа (кгс/см²);
• минимально допустимое давление воды р_в при номинальной температуре t_в;
• пробное давление, р_проб, МПа (кгс/см²);
• минимально допустимая температура воды на входе в котел, °С;
• номинальная температура воды на выходе из котла, °С;
• номинальный расход воды через котел, G_в, м³/ч, а также минимально и максимально допустимый;
• гидравлическое сопротивление, не более, МПа.

Общие параметры, характеризующие паровые и водогрейные котлы:

• вид топлива и его характеристики;
• тип горелочного устройства;
• поверхность нагрева котла: радиационная, конвективная, общая, S, м²;
• расчетный КПД, брутто, % при сжигании газа и мазута;
• сопротивление газового и воздушного трактов, Па (мм вод. ст.);
• температура продуктов сгорания на выходе из топки, за котлом, температура уходящих газов – при сжигании газа и мазута;
• содержание в уходящих газах О₂, СО, NO_X;
• конструктивные показатели: внутренний диаметр барабанов, толщина стенки барабанов, длина цилиндрической части верхнего и нижнего барабанов; диаметры опускных труб, экранных и конвективных труб; шаг труб экранов, их число; габариты котла.

4. Паровые котлы с естественной циркуляцией воды

Простейший контур естественной циркуляции воды (рис. 2) состоит из верхнего барабана 1 и нижнего коллектора 2, соединенных между собой опускной необогреваемой (или слабо обогреваемой) трубой 3 и подъемной обогреваемой трубой 4, образующими замкнутый контур.

Рис. 2. Простейший контур естественной циркуляции воды: 1 – верхний барабан котла; 2 – нижний коллектор; 3 – опускная труба; 4 – подъемная труба; 5 – обмуровка котла

Естественная циркуляция возникает за счет разности плотностей котловой воды в необогреваемых опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных обогреваемых трубах.

Общее количество пара, образующегося в подъемных трубах, многократно меньше, чем количество циркулирующей воды, что обеспечивает интенсивное охлаждение стенок труб.

Отношение массы воды, поступившей в циркуляционный контур, к массе пара, образующегося в нем за тот же промежуток времени, называется кратностью циркуляции.

Кратность естественной циркуляции всегда больше 1 и колеблется от 8 до 50.

Создаваемый при естественной циркуляции напор расходуется на обеспечение скорости и преодоления сопротивлений в контуре при движении воды и пара.

Скорость входа воды в подъемные трубы называется скоростью циркуляции и составляет 0,5–1,5 м/с.

В современных конструкциях котлов испарительные поверхности нагрева выполняются из отдельных пучков труб, подсоединенных к барабанам и коллекторам, которые образуют достаточно сложную систему замкнутых циркуляционных контуров.

Для надежной и безопасной работы парового котла циркуляция в нем должна быть устойчивой, то есть движение потоков воды и пароводяной смеси в циркуляционных контурах должно быть непрерывным и с необходимой скоростью. В противном случае в подъемных трубах могут возникнуть паровые мешки, приводящие к местному перегреву и разрушению стенок труб.

При этом возможно явление застоя или опрокидывания циркуляции, когда пароводяная смесь в подъемных трубах начинает двигаться вниз.

На надежность циркуляции влияют резкие изменения нагрузки, давления и уровня воды в барабане котла, отложения накипи на поверхностях нагрева, приводящие к уменьшению сечения труб.

5. Использование котлов на газовом топливе

Горячую воду и пар для нужд промышленности и коммунального хозяйства получают главным образом в специальных котлах, которые являются одним из видов теплообменных аппаратов поверхностного типа непрерывного действия. В котлах теплота отбирается от нагретых продуктов сгорания и передается холодной воде. Теплообмен в котлах происходит без непосредственного контакта воды и продуктов сгорания газа, отделенных друг от друга металлическими поверхностями нагрева. Такие теплообменники называют аппаратами непрерывного действия, так как горячие продукты сгорания, отдающие теплоту, и холодная вода, воспринимающая теплоту, находятся в непрерывном движении.

Котлы в зависимости от их назначения бывают водогрейными и паровыми. Если потребителю требуются горячая вода и пар, то применяют паровые котлы. В этих котлах часть получаемого пара используется для нужд производства, а часть направляется в специальный теплообменный аппарат – бойлер. В бойлере пар отдает часть теплоты воде, движущейся по трубам от водопровода к потребителю, конденсируется и вновь возвращается в котел для превращения в пар. Пар, идущий на нужды производства, также может быть собран после его использования и конденсации и возвращен обратно в котел для повторного нагрева.

Для нормальной эксплуатации котлов большое значение имеет качество питательной воды. В этой воде могут содержаться различные примеси в виде солей, которые при нагреве выделяются и оседают на стенках котлов. Эти отложения приводят к уменьшению площади поперечного сечения труб, по которым движется нагреваемая вода, ухудшают теплообмен между продуктами сгорания и водой и могут привести к перегревам отдельных участков поверхностей нагрева и, как следствие, к разрушению этих участков.

Поверхности котла, обрабатываемые с одной стороны продуктами сгорания газа, а с другой – водой, называются поверхностями нагрева. Поверхность нагрева измеряют в квадратных метрах и подразделяют на конвективную и радиационную.

Радиационная поверхность обращена в топку и воспринимает теплоту в основном за счет излучения газового пламени, раскаленных огнеупорных стенок.

Остальная часть поверхности нагрева котла называется конвективной и воспринимает теплоту в основном за счет непосредственного соприкосновения с ней движущихся в газоходах продуктов сгорания, то есть за счет конвекции.

Важная характеристика работы котла – его тепловое равновесие, когда расход и поступление теплоты равны. Если такого соответствия нет, то давление пара в котле и температура воды в нем будут повышаться или понижаться. Другая характеристика работы котла – его материальное равновесие, когда количество поступающей и расходуемой питательной воды соответствуют одно другому. Естественно, что при быстрой подаче в котел большого количества воды давление и температура воды в нем уменьшаются. При кипении вся вода в котле имеет одинаковую температуру, которая незначительно превышает температуру, соответствующую давлению насыщенного пара в паровом пространстве. В котле одновременно находятся вода и пар, а насыщенный пар имеет практически ту же температуру, что и вода.

Часто для нужд промышленности требуется не насыщенный, а перегретый пар. Чтобы из насыщенного пара получить перегретый, его дополнительно нагревают в конвективном пароперегревателе, расположенном по ходу продуктов сгорания за первым газоходом котла. Пароперегреватель представляет собой устройство из параллельно включенных змеевиков диаметром 28–42 мм, соединенных коллекторами.

Продукты сгорания газа на выходе из газохода имеют еще значительный запас теплоты. Чтобы уменьшить эти потери теплоты, за котлами по ходу продуктов сгорания располагают дополнительные теплообменники – экономайзер и воздухонагреватель. В экономайзере поступающая в котел питательная вода подогревается за счет использования части теплоты продуктов сгорания. В воздухонагревателе за счет теплоты продуктов сгорания подогревается воздух, необходимый для сжигания газа. Использование более нагретого воздуха приводит к повышению температуры горения газа, улучшению процесса горения и увеличению температуры продуктов горения.

Важная характеристика котельного агрегата – его тепловая мощность, которая определяется как произведение поверхности нагрева на расчетный теплосъем с 1 м². Расчетный теплосъем с 1 м² поверхности нагрева зависит от типа котла и колеблется от 25–50 тыс. для чугунных секционных котлов до 100 тыс. кДж/ч и более для водотрубных котлов.

Мощность паровых котлов определяется их паропроизводительностью, то есть количеством тонн пара в час. Поскольку количество теплоты в 1 кг пара зависит от его давления, при определении паропроизводительности котла указывается и расчетное давление. Например, в обозначении котла ДКВР-10-13 первая цифра показывает, что котел вырабатывает 10 т пара в час, а вторая цифра – давление пара в атмосферах (13 ат).

В отопительных котельных жилищно-коммунального хозяйства преимущественно используют небольшие чугунные или стальные секционные котлы без экономайзеров и воздухонагревателей. В производственно-отопительных котельных применяют водотрубные котлы с установкой индивидуальных или групповых экономайзеров, в котельных электростанций – крупные котлоагрегаты в комплексе с экономайзерами и воздухонагревателями. Особенности сжигания газа в топках котлов требуют правильного выбора типа, тепловой мощности, количества горелок и их рационального размещения.

Газовое топливо создает хорошие условия для автоматизации его сжигания, что значительно повышает безопасность и эффективность эксплуатации котлов и обеспечивает их работу в соответствии с заданным режимом. Современная комплексная автоматика газифицированных котельных включает в себя приборы автоматики безопасности, регулирования, контроля и сигнализации. Автоматика безопасности обеспечивает прекращение подачи газа к горелкам при нарушениях режима работы агрегата, способных привести к аварии. Автоматика регулирования поддерживает заданный режим работы котла.

Приборы контроля и сигнализации обеспечивают условия для дистанционного управления работой агрегата с диспетчерского пульта. Установлен минимально необходимый объем автоматики газифицированных котельных, обеспечивающий прекращение подачи газа к горелкам при недопустимом отклонении давления газа, погасании пламени горелок, отсутствии разрежения и прекращении подачи воздуха к горелкам.