Устройство, виды и принцип работы барабанных котлов

Барабанный котёл представляет собой мощную стационарную установку, которая применяется в котельных и теплоэлектростанциях. Особенностью его конструкции является применение барабанов, за счёт чего удается получить чёткую границу разделения воды и пара. Преимуществом в эксплуатации является возможность использования воды с любым содержанием солей, так как происходит её неполное испарение и обеспечивается оптимальная скорость циркуляции.

Технические характеристики

Барабанный паровой котёл имеет следующие технические характеристики:

• КПД до 90% за счёт разделения пара и воды в барабанах, которое обеспечивает высокую производительность нагрева;
• рабочее давление варьируется в пределах от 17 до 18 Мпа;
• толщина используемой листовой стали варьируется в пределах от 13 до 40 мм, в зависимости от рабочего давления;
• количество образуемого пара 4-25% от поступающего объёма воды;
• периодичность продувки котла через каждые 12-16 часов работы;
• возможность пуска при низких температурах благодаря отделению холодного пара;
• исключение резких скачков температуры за счёт аккумулирующих тепло барабанов;
• ограниченная скорость запуска из-за необходимости исключения термических напряжений в сварных швах конструкции;
• отношение количества воды к количеству пара, проходящих через контур циркуляции в единицу времени, составляет от 5 до 50.

Устройство котла

Барабанный паровой котёл конструктивно состоит из следующих частей:

• корпуса;
• двух барабанов;
• питательных, кипятильных и опускных труб;
• водяного и парового объёмов;
• пароперегревателя;
• зеркала испарителя;
• коллектора бокового экрана;
• топки;
• горелки;
• зольника;
• сепарационного и обдувочного устройств.

Виды барабанных котлов

Барабанные котлоагрегаты бывают следующих видов:

• батарейные;
• водотрубные.

Батарейные котлы

Конструкция котлов батарейного типа была разработана с целью повышения производительности и КПД стандартной трубной конструкции, а также более эффективного использования генерируемого пара. За основу модернизации был взят принцип увеличения площади нагрева, который предполагал использование батарей над топочной камерой.

Существуют модификации на основе 4, 6 или 9 барабанов, расположенных особым образом внутри котла. При этом парособиратель, поперечные нагреватели и грязевики остаются общими. Диаметры цилиндров варьируются в пределах 60-80 см.

Батарейные котлы барабанного типа вырабатывают небольшую тепловую мощность, однако обеспечивают стабильное и равномерное паровое давление в условиях резких изменений при его расходе. В среднем создаётся от 20 до 22 кг/м2 пара на нагретой поверхности площадью 30-250 м2.

Водотрубные котлы

В отличие от батарейных, водотрубные конструкции рассчитаны на выработку высоких мощностей нагрева, поэтому применяются для промышленных целей или на теплоэлектростанциях. Предназначены для получения пара или горячей под высоким давлением в результате нагрева от сгорания топлива.

В основе конструкции – стальные трубы (газоходы), по которым движется теплоноситель, снаружи нагреваемые продуктами газообразными сгорания. Трубные каналы формируют топочные экраны, в которых температура нагрева достигает +10000С.  При движении через пароперегреватель, экономайзер и воздухоперегреватель температура снижается до +130-1700С.

Водотрубные котлы в зависимости от требований к вырабатываемой тепловой мощности могут быть с принудительной или естественной циркуляцией, а по характеру движения пароводяной смеси – с многократным циклом или прямоточные.

Паропроизводительность котлов водотрубного типа составляет для вертикально-трубных 2,5-640 т/ч, а прямоточных – 250-2500 т/ч. Конструкции с горизонтальным расположением каналов циркуляции не применяются по причине неравномерности нагрева теплоносителя и низкому КПД.

Принцип работы

В основе принципа работы барабанного котла заложен нагрев воды в замкнутом или проточном контуре (с чёткой границей разделения газовой и жидкой сред в барабане без полного выкипания влаги) с получением высокотемпературного пара, последующим его охлаждением и отводом в отопительную систему. Различают две основных конструкции, имеющих принципиальные отличия в циркуляции теплоносителя: с естественной и принудительной циркуляцией.

Барабанный котёл с естественной циркуляцией работает следующим образом:

1. К горелке, расположенной в топке, подводится и сгорает топливо. Воздух для поддержания процесса горения нагнетается при помощи вентилятора или подсасывается естественным способом через отверстия между колосниками. Для повышения экономичности в некоторых конструкциях реализован прогрев воздуха с использованием дымовых газов.
2. Тепловой поток от горелки прогревает поверхность топочной камеры. Дымовой газ после отдачи тепла охлаждается и отводится через дымовую трубу в атмосферу.
3. В котёл подаётся вода. Предварительно она очищается катионовыми фильтрами и понижается её жёсткость, после чего поступает в деаэратор для удаления коррозионно-активных газов. Полностью подготовленная к циркуляции вода попадает в специальный бак.
4. Вода отбирается из бака по мере необходимости через экономайзер в паровой котёл.
5. При нагреве от дымовых газов вода поступает в верхний барабан, затем по трубам опускается в коллектор экранов либо в нижний барабан. Оттуда по трубам снова возвращается в верхний барабан, где расположена граница между водной и паровой средой. При этом объём воды в результате нагрева снижается за счёт парообразования.
6. Пар из барабана поступает в пароперегреватель для достижения заданной температуры, после чего идёт в паровой коллектор, подключённый к отопительной системе.
7. Через 12-16 часов работы котла для нижнего барабана выполняется процедура продувки, которая позволяет своевременно удалять часть отработанной воды вместе с растворёнными солями и заменять её на новую. В верхнем барабане очистка проводится в постоянном режиме.
8. Регулировка температуры нагрева осуществляется посредством добавления воды в пар, прохождением части нагретого пара к коллектору, минуя пароперегреватель, контролированием размера пламени в горелке, рециркуляцией продуктов сгорания. Некоторые конструкции котлов имеют специально установленные пароохладители, имеющие прямой контакт с пароперегревателями.
9. После непрерывной работы в течение 16-20 дней выполняется продувка, позволяющая удалить из нижней части объёма шлам. Для этого открывают специальные вентили и сбрасывают воду через расширитель с охлаждением прямо в канализационную систему.

Схема движения воды в барабанном котле с естественной циркуляцией имеет П-образную форму: сначала в ёмкости путём нагрева жидкости передаётся тепловая энергия, в результате которой она по нагреваемым трубам поднимается в верхний барабан, а затем по необогреваемым возвращается в виде пароводяной смеси обратно. То есть движение воды происходит за счёт разности плотностей между нагретой и не нагретой частями труб.

Принцип работы барабанного котла с принудительной циркуляцией отличается тем, что вместо подъёмных труб применены специально подогреваемые змеевики. В результате скорость движения воды увеличивается от трёх до десяти раз, по сравнению с устройствами естественной циркуляции. Для повышения мощности котла перед подъёмными змеевиками устанавливают циркуляционные насосы.

Прямоточные и барабанные котлы должны работать при постоянном давлении пара для получения стабильных тепловых характеристик. Поэтому на них устанавливают манометры на сифонной трубке с трёхходовым краном, а также предохранительные клапаны, позволяющие в аварийных ситуациях пропускать наружу избыток пара.

На стандартных конструкциях предусмотрена установка обратного клапана на входной патрубок подачи воды, запорного вентиля или заглушки на отбор пара, вентили снизу котла для продувки.

Особенности ремонта

Котлы барабанного типа отличаются надёжностью работы и неприхотливостью в эксплуатации, однако требуют постоянного контроля для обеспечения стабильных режимов нагрева и давления пара, а также своевременной продувки. При несоблюдении одного из этих требований могут появляться поломки и возникает необходимость ремонта агрегата.

Перед проведением ремонтных работ необходимо в обязательном порядке изучить прилагаемую производителем документацию и схему барабанного котла. Это позволит определить последовательность всех действий и не допустить ошибок, которые могут стать причиной более серьёзных последствий.

Для ремонта барабана необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

• до начала восстановления следует оценить состояние металла: толщину, прочность, герметичность;
• обнаруженные дефекты необходимо расточить абразивным инструментом до чистого металла, чтобы была возможность заварить его или залатать;
• поиск трещин при помощи прогрева горелкой поверхности строго запрещён, так как велик риск деформации узлов или потери свойств стали;
• коррозию на глубину металла до 10% допускается не устранять, а только тампонировать цементным раствором;
• для восстановления толщины стали применяют электронаплавку;
• заварка раковин обязательна, при условии их размеров до 40 мм и расстоянии равном трём размерам самой большой из них (если глубина повреждений больше половины толщины стенок).

Сфера применения

Барабанные отопительные котлы применяются в следующих сферах:

• в теплоэлектростанциях;
• крупных промышленных предприятиях.

Применение таких котлов для частного использования весьма неэффективно по причине большого расхода воды, высокой стоимости оборудования, громоздкости агрегата, необходимости тщательного контроля его состояния. Однако для производственных и промышленных масштабов он является весьма привлекательным, так как неприхотлив в эксплуатации и отличается повышенной долговечностью и надёжностью.