Судовые паровые котлы

Эксплуатация паровых котлов на судне требует постоянного контроля и обслуживания. Важно следить за давлением, температурой, уровнем воды и состоянием оборудования. Проводите регулярное техническое обслуживание согласно рекомендациям производителя и международным стандартам безопасности. Обучите персонал правильной эксплуатации оборудования и процедурам безопасности.

Технически правильная эксплуатация судового парового котла обеспечивает бесперебойную и безопасную работу, его полную паропроизводительность при заданном рабочем давлении пара, наименьший расход топлива и, наконец, сохранение котла в межнавигационный период.

Принцип действия паровых котлов

Паровой котел – это агрегат, предназначенный для непрерывного производства пара с определенными параметрами в результате превращения любого вида энергии в тепловую. Наиболее распространенным источником тепловой энергии, используемым на судах, является твердое и жидкое топливо. В последние годы все шире используется тепло газов, отходящих от двигателей внутреннего сгорания (в утилизационных котлах) и имеющих температуру 300-450 °С. Иногда для производства пара используют электроэнергию (в электрокотлах) и атомную энергию (в судовых реакторах).

В большинстве паровых котлов пар образуется в результате передачи тепла, выделяющегося при сгорании топлива в топке, рабочему веществу – воде.

В паровом котле происходят следующие процессы, в результате которых осуществляется непрерывное производство водяного пара:

• топочный – горение топлива в топке котла;
• аэродинамический – подача в топку воздуха и удаление из газоходов продуктов горения топлива;
• теплопередача – передача тепла от газов к воде через поверхность нагрева;
• гидродинамический – движение (циркуляция) воды и пара внутри котла, вдоль его поверхности нагрева.

Эти процессы тесно связаны между собой и сопровождаются такими побочными явлениями, как:

• коррозия металла;
• образование отложений;
• нарушение прочности элементов котла и другими,

что отражается на безаварийной и экономичной работе паровых котлов.

Паровые котлы, установленные на судах, разделяются на:

• огнетрубные;
• водотрубные;
• и комбинированные.

В огнетрубных котлах горячие дымовые газы проходят внутри дымогарных труб, снаружи омываемых водой. В водотрубных котлах по водогрейным трубам движется вода и пар, а снаружи они омываются горячими газами. В комбинированных котлах сочетаются элементы конструкции огнетрубного и водотрубного котлов – в одной части поверхности нагрева газы движутся внутри труб, а снаружи их омывает вода, в другой части по трубам циркулирует вода, а газы омывают их снаружи.

Котел состоит из следующих основных узлов:

• корпуса с развитой поверхностью нагрева;
• каркаса и фундамента;
• обмуровки;
• изоляции и обшивки;
• внутрибарабанного устройства;
• водяного экономайзера;
• пароперегревателя и пароохладителя;
• топки с топочным устройством;
• воздухоподогревателя с воздухопроводами;
• дымоходов с дымовой трубой;
• арматуры и контрольно-измерительных приборов.

В состав Судовые вспомогательные котлы и их технические характеристикисудовой котельной установки обычно входят несколько паровых котлов. Обеспечение их нормальной работы осуществляется при помощи следующих систем:

• питания;
• топливоподачи;
• воздухоподачи и удаления газов;
• продувки;
• водообработки;
• сажеобдувки;
• контроля, регулирования и управления.

Работа каждой системы обеспечивается различными механизмами и устройствами, которые выполняют определенные функции.

На рис. 1 дана простейшая схема парового водотрубного котла, работающего на жидком топливе, с воздухоподогревателем, экономайзером и пароперегревателем.

Котел состоит из водяного 2 и пароводяного 14 барабанов, соединенных между собой водогрейными трубами 3.

Топка котла предназначена для сжигания топлива Т в потоке воздуха В. Она состоит из топочного пространства (топочной камеры) 1 и топочного устройства 15. Тепло газов передается воде в топке и газоходах 5, которые предназначены также для направления потока газов в дымоход, расположенный за хвостовой поверхностью нагрева и заканчивающийся дымовой трубой, через которую газы Г отводятся в атмосферу. Хвостовые поверхности нагрева в виде экономайзера и воздухоподогревателя являются важными элементами судовых паровых котлов, позволяющими обеспечить высокий КПД котла за счет более полного использования тепла отходящих газов, а следовательно, снижения их температуры. При установке экономайзера или воздухоподогревателя температура отходящих газов доводится до 10-160 °С, а в отдельных случаях до 125-130 °С, поэтому поверхности нагрева экономайзера и воздухоподогревателя работают в условиях относительно низких температур дымовых газов.

Для подогрева воздуха В, расходуемого на горение топлива, служит воздухоподогреватель 7. Подогретый воздух подается по воздухопроводу 4 к топочному устройству 15. Во время работы котла пар непрерывно отводится через главный стопорный клапан 10. Для поддержания внутри котла определенного (рабочего) уровня воды последняя постоянно подается через питательный клапан 12. Падение уровня воды ниже допустимого может привести к перегреву стенок котла, не омываемых водой, и их разрыву. Уровень воды контролируется по водоуказательным приборам 13, установленным на передней части парового котла.

В паровом котле имеются два отдельных тракта – пароводяной и воздушногазовый.

Поверхность воды, разделяющая паровое и водяное пространства в котле, называется зеркалом испарения.

В процессе эксплуатации может произойти повышение давления в котле сверх расчетного (допустимого). Для предотвращения аварии, которая может в этом случае произойти, на паровом котле устанавливается предохранительный клапан 11. Контроль за давлением пара в котле осуществляется по манометру 9.

Перечисленные выше элементы котла являются минимально необходимыми для обеспечения длительного производства пара.

Для повышения экономичности работы паросиловой установки используют перегретый пар, для получения которого служит пароперегреватель 6, расположенный в газоходе котла. С этой целью питательную воду, поступающую в котел, предварительно подогревают в экономайзере 8, для чего используют тепло дымовых газов. Экономайзер также устанавливается в газоходе котла. Питательная вода может предварительно подогреваться в водоподогревателях, в которых используется тепло отработавшего пара от судовых вспомогательных механизмов. Подогретая вода из водоподогревателя по трубопроводам направляется в экономайзер, где происходит дальнейший ее подогрев. Из экономайзера нагретая вода поступает в котел. Паровой котел устанавливается на фундаменте 16.

Основные характеристики и классификация паровых котлов

Основными величинами, характеризующими работу паровых котлов, являются:

• паропроизводительность;
• давление и температура пара;
• КПД котла;
• поверхность нагрева котла и его узлов;
• масса котла.

Паропроизводительность D – массовое количество пара, вырабатываемое котлом в единицу времени в течение длительного периода.

Она измеряется в т/ч, а для котлов малой мощности – в кг/ч.

В зависимости от наличия на судне главных машин и вспомогательных механизмов, а также от расхода пара на хозяйственно-бытовые и технологические нужды паровые котлы могут одновременно вырабатывать перегретый, охлажденный и насыщенный пар. Давление пара в этом случае будет одинаковым, а теплосодержание – разным.

где:

• D_пп, D_охл, D_нас – соответственно количество перегретого, охлажденного и насыщенного пара, вырабатываемого котлом, кг/ч.

Для более удобного и точного подсчета тепловой нагрузки котла введена характеристика – теплопроизводительность котла Q. Это количество тепла (Дж), затраченное на нагрев, испарение воды и перегрев пара в единицу времени (ч).

где:

• i_пп, i_охл, i_x – теплосодержание перегретого, охлажденного и насыщенного пара, Дж/кг;
• i_{п. в} – теплосодержание питательной воды, Дж/кг.

где:

• x – степень сухости пара;
• (1 + x) – степень влажности пара;
• i′′ – теплосодержание сухого насыщенного пара при рабочем давлении, Дж/кг;
• i′ – теплосодержание воды при температуре насыщения, Дж/кг.

Степень сухости является очень важной величиной, особенно, когда котел вырабатывает только насыщенный пар. Обычно она выражается в процентах.

Параметры вырабатываемого пара – давление и температура. Давление пара, измеряемое манометрами, называется избыточным, или манометрическим. Действительное давление в котле выше манометрического на величину барометрического давления. Оно носит название абсолютного давления. В технике используется величина, которая называется технической атмосферой. Она соответствует давлению О,1 МПа (1 кгс/см²). Температура пара, как правило, выражается в градусах Цельсия (°C).

КПД котла – это отношение полезного тепла, использованного на подогрев, испарение воды и перегрев пара, к общему количеству тепла, которое может выделить (при сгорании без тепловых потерь) топливо, затраченное для получения необходимого количества пара.

КПД обычно выражается в процентах и характеризует экономичность работы парового котла. Величина его зависит от:

• типа котла;
• его конструкции;
• назначения;
• режима работы и др.

У высоконапряженных котлов с мазутным отоплением КПД составляет 77-83 %, а у слабонапряженных – 88-93 %.

Поверхность нагрева котла – это поверхность его стенок, с одной стороны омываемая водой, с другой – горячими газами.

Через нее передается тепло, полученное при сгорании топлива. Поверхность нагрева измеряется в м² и подсчитывается со стороны прохода газов.

Поверхность, на которой происходит образование пара, называется испарительной, или парообразующей.

При наличии экранов их поверхность обычно входит в испарительную.

Масса котла, заполненного водой до среднего уровня по водомерному стеклу, измеряется в рабочем состоянии с полностью установленной штатной арматурой, гарнитурой и приборами.

Масса воды в котле – это масса объема воды, необходимого для заполнения котла до среднего уровня по водомерному стеклу.

Кроме рассмотренных характеристик есть и другие (производные):

• удельный паросъем;
• относительная масса;
• относительный объем;
• удельная тепловая нагрузка топочного объема и др.

Эти характеристики применяются при сравнении однотипных котлов.

Паровые котлы, установленные на судах, классифицируются по ряду признаков. В зависимости от назначения различают:

• главные;
• и вспомогательные котлы.

Главными называются паровые котлы, вырабатывающие пар для двигателей (паровых машин, паровых турбин), приводящих в движение судовые движители, а также для вспомогательных механизмов.

Вспомогательными называются паровые котлы, вырабатывающие пар только для вспомогательных механизмов, для хозяйственно-бытовых и технологических нужд судна.

В зависимости от циркуляции воды и пароводяной смеси различают котлы:

• с естественной;
• и принудительной циркуляцией.

В котлах с естественной циркуляцией движение воды происходит из-за разности ее удельного веса в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных. В котлах с принудительной циркуляцией вода движется по трубам под действием давления, создаваемого специальными насосами. Котлы с принудительной циркуляцией разделяют на:

• котлы с многократной принудительной циркуляцией;
• и прямоточные.

В зависимости от рода сжигаемого топлива различают:

• котлы, работающие на твердом;
• и жидком топливе.

Особую группу составляют утилизационные котлы, в которых используется тепло выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания.

По величине давления вырабатываемого пара котлы бывают:

• низкого;
• среднего;
• повышенного;
• и высокого давления.

Морские Главные и вспомогательные паровые котлыпаровые котлы с давлением пара до 1,5-2,2 МПа относятся к котлам низкого давления, с давлением 2,2-3,2 МПа – к котлам среднего давления.

Паровые котлы с рабочим давлением в пределах 3,2-6,4 МПа называют котлами повышенного давления, с давлением пара более 6,4 МПа – котлами высокого давления.

Деление это весьма условно и меняется с развитием котлостроения.

Огнетрубные паровые котлы

Огнетрубные котлы в зависимости от направления движения дымовых газов делятся на пролетные и оборотные (рис. 2).

Оборотными называются котлы, в которых топки и дымогарные трубы размещены параллельно, а газы движутся по ним, совершая поворот в огневой камере. Пролетными называются котлы, в которых газы, последовательно проходя огневую камеру и дымогарные трубы, не меняют своего направления.

Пролетные котлы на морских судах промыслового флота распространения не получили.

Огнетрубные котлы бывают:

• клепаными;
• и сварными.

Сварные конструкции имеют существенные преимущества перед клепаными. Устройство сварного и клепаного котлов в принципе одинаково.

Огнетрубные котлы состоят из следующих основных частей:

• бочки 1;
• переднего 7 и заднего 4 днищ;
• жаровых труб (топок) 6;
• огневых камер 5;
• дымогарных труб 2;
• и дымовой коробки 3.

На некоторых котлах для увеличения степени сухости пара устанавливают сухопарник 8.

Топливо, вводимое в котел, сгорает в топке, откуда образовавшиеся дымовые газы поступают в огневую камеру, где происходит их перемешивание и догорание летучих веществ. Затем горячие газы направляются в дымогарные трубы, через стенки которых осуществляется интенсивная передача тепла (основная часть) от газов котловой воде. Тепло котловой воде передается также через стенки жаровых труб и стенки огневых камер.

В результате теплопередачи вода испаряется и образуется пар, который собирается в паровом пространстве котла, а затем по паропроводам отводится к потребителям.

Для уменьшения тепловых потерь и предохранения обслуживающего персонала от ожогов на корпус котла наносится слой асбозурита или асбестового картона, а затем слой совелита с обмазкой на совелитовом растворе. Изоляция покрывается асбестовым полотном, после чего на нее устанавливается стальной разъемный кожух.

Основные преимущества огнетрубных котлов:

• высокая степень сухости пара (до 98 %) вследствие небольшой интенсивности парообразования;
• малая чувствительность к резким колебаниям нагрузки, что объясняется большой аккумулирующей способностью котла (количество воды в огнетрубном котле в несколько раз превышает его паропроизводительность);
• относительно малая чувствительность к качеству питательной воды;
• длительный срок службы (до 40-50 лет);
• простота обслуживания.

Недостатки огнетрубных котлов:

• невозможность получения пара с давлением выше 1,8 МПа (из-за больших размеров и толщины стенок котла технология его изготовления требует мощного и дорогостоящего оборудования), что делает постройку таких котлов практически нецелесообразной;
• сравнительно низкая паропроизводительность. Поверхность нагрева огнетрубных котлов в зависимости от числа топок составляет от 15 до 280 м². У трехтопочных котлов паропроизводительность не превышает 5,5-7,5 т/ч при сжигании в топках мазута и 5-6 т/ч – при сжигании угля;
• большая масса огнетрубных котлов (в рабочем состоянии 140-160 т);
• жесткость конструкции, не допускающая быстрого подъема и снижения давления пара в котле. При этом в нем возникают большие температурные напряжения, что может привести к образованию трещин и появлению течи в заклепочных соединениях, дымогарных трубах и других местах. Поэтому в зависимости от конструкции огнетрубного котла и эксплуатационных условий на подъем пара до рабочего давления (или его охлаждение) затрачивается от 12 до 24 ч и более;
• низкий КПД по сравнению с водотрубными котлами;
• взрывоопасность (при определенных условиях может произойти взрыв котла. При этом сила взрыва бывает настолько велика, что почти всегда приводит к гибели судна).

Из-за указанных недостатков огнетрубные котлы редко устанавливают на морских судах и почти не используют на судах промыслового флота.

Водотрубные паровые котлы

Водотрубные котлы в зависимости от способа циркуляции воды и пароводяной смеси делятся на:

• котлы с естественной циркуляцией;
• и котлы с принудительной, или искусственной, циркуляцией.

Паровые котлы с принудительной циркуляцией устанавливают на судах очень редко. Наибольшее распространение получили котлы с естественной циркуляцией воды и пароводяной смеси, которые в свою очередь разделяются на:

• барабанные;
• и секционные.

В барабанных котлах имеются один пароводяной барабан и от одного до трех водяных барабанов. Водогрейные трубы у этих котлов расположены под углом 30-90°, поэтому они называются также вертикально-водотрубными.

В секционных котлах имеется только один пароводяной барабан. Водогрейные трубы у этих котлов установлены наклонно и образуют с горизонталью угол 15-22°. Секционные котлы называются также горизонтально-водотрубными.

В зависимости от расположения конструкции котла относительно вертикальной плоскости, а также от способа отвода дымовых газов вертикально-водотрубные котлы делятся на следующие типы:

• двухпроточные симметричные, у которых газы отводятся с двух сторон пароводяного барабана;
• двухпроточные асимметричные;
• однопроточные асимметричные.

Секционные котлы бывают одноходовые, у которых горячие газы, полученные от сгорания топлива в топке, поднимаясь, омывают водогрейные трубы и уходят в дымоход, не меняя своего направления, и трехходовые, у которых горячие газы вследствие установки газонаправляющих перегородок дважды меняют свое направление, а затем отводятся в дымоход. Наиболее широкое распространение на судах получили вертикально-водотрубные котлы, имеющие разнообразные конструктивные формы.

На рис. 3 показан однопроточный водотрубный котел с вертикальным пароперегревателем, расположенным между рядами конвективного пучка водогрейных труб.

В котле имеется один пароводяной 2 и два водяных 7 барабана. Водяные барабаны расположены на одной стороне и делят конвективный пучок водогрейных труб на две части. В результате образуется два независимых контура циркуляции – притопочный и внешний. Притопочный сложный контур образуется притопочным пучком 4 и экранными трубами 5. Притопочный пучок 4 состоит из четырех рядов водогрейных труб, являющихся подъемными. Экран состоит также из четырех рядов труб, сведенных в два сплошных ряда, передний является подъемным, задний – опускным. Внешний контур циркуляции – независимый. Он включает 13 рядов труб конвективного пучка 8. Все трубы этого пучка являются подъемными. Вода опускается по двенадцати опускным трубам диаметром 114×7 мм, которые расположены с переднего и заднего фронтов и соединяют пароводяной барабан 2 с водяным барабаном 7. Пароперегреватель вертикальный, петлевой выполнен из труб диаметром 25×2,5 мм и делит конвективный пучок на две части. Это увеличивает размеры котла, усложняет его конструкцию, но дает возможность получить пар с высокой температурой перегрева.

Воздушный тракт котла довольно сложный. Холодный воздух вентилятором через патрубок 3 нагнетается в двойную обшивку котла, где предварительно подогревается до определенной температуры. Затем он по вертикальному каналу 6 поступает в воздухоподогреватель, из которого направляется к воздухонаправляющим устройствам форсунок. Воздухоподогреватель состоит из двух пакетов труб: нижнего 10 и верхнего 9. На выходе из нижнего пакета температура воздуха составляет 90 °С. Змеевиковый экономайзер 11 выполнен из гладких труб диаметром 29×2,5 мм и расположен в шахте. Для уменьшения влажности пара в пароводяном барабане ниже зеркала испарения установлен дырчатый щит 1. В верхней паровой части барабана установлено сепарирующее устройство в виде перфорированного отбойного щита. Все это обеспечивает влажность пара на выходе из котла менее 0,5 %.

Главный и вспомогательный пароохладители расположены также в пароводяном барабане. Однако, как показала практика, это расположение себя не оправдало, и в последнее время внутрибарабанный главный пароохладитель заменяют внешним.

Схема горизонтально-водотрубного (секционного) котла дана на рис. 4.

Поверхность нагрева секционного котла составляют водогрейные трубы 2, которые своими концами завальцованы в передних 1 и задних 3 камерах с наклоном 15-22° к горизонтали. Такое расположение труб улучшает парообразование и циркуляцию котловой воды. Пароводяной барабан 6 расположен выше водогрейных труб. С передними камерами он сообщается при помощи соединительных труб 7. Задние камеры соединяются с пароводяным барабаном при помощи труб 4, по которым пароводяная смесь поступает из камер в паровое пространство барабана 6. Отделившийся пар по трубе 5 поступает в пароперегреватель 9, расположенный за водогрейными трубами. Перегретый пар отводится к потребителям по трубопроводу 8. В связи с тем, что наклон водогрейных труб в секционных котлах небольшой – 15-22°, циркуляция в них значительно слабее, чем в вертикально-водотрубных котлах.

На схеме показаны две газонаправляющие перегородки, расположенные перпендикулярно водогрейным трубам. Благодаря им горячие газы дважды меняют свое направление, что увеличивает теплопередачу, а главное, отдаваемое тепло равномернее распределяется по рядам труб.

Передняя и задняя камеры с развальцованными в них трубами называются секцией.

Расположение водогрейных труб в ней бывает шахматным или коридорным. Рассмотренный секционный котел называется трехходовым.

Тепловые характеристики секционных котлов лучше, чем у оборотных огнетрубных, но хуже, чем у вертикально-водотрубных. Секционные котлы не сложны по конструкции, для их работы можно использовать питательную воду сравнительно низкого качества, кроме того, они просты в обслуживании.

Секционные котлы используются на судах промыслового флота. Они могут работать на жидком и твердом топливе, но последние встречаются редко.

Котлы с принудительной циркуляцией можно разделить на два основных типа:

• с многократной принудительной циркуляцией;
• и прямоточные,

кратность циркуляции у которых равна 1.

На рис. 5 представлена принципиальная схема котла с многократной принудительной циркуляцией типа «Ла Монт», который состоит из пароводяного барабана 5, распределительного коллектора 2, экранного 10 и конвективного 9 пучков труб, пароперегревателя 8 и экономайзера 7.

Принудительная циркуляция в котле осуществляется при помощи циркуляционного насоса 3, который забирает воду из пароводяного барабана 5 и прокачивает ее через распределительный коллектор 2 в трубы экранного 10 и конвективного 9 пучков. Проходя по ним, вода воспринимает тепло, выделяющееся при сгорании топлива, которое подается в топку форсунками 1. Образовавшаяся в трубах пароводяная смесь поступает в барабан 5, в котором пар отделяется от воды и собирается в его паровом пространстве, а затем по трубам 6 направляется в пароперегреватель 8 и далее по паропроводам к потребителям.

Наличие пароводяного барабана способствует улучшению сепарации пара и увеличивает объем котловой воды, аккумулирующей тепло. Питательная вода в пароводяной барабан подается питательным насосом 4. Предварительно она подогревается, проходя по трубам экономайзера 7.

Для равномерного распределения воды по параллельно включенным трубам экранного пучка 10 в распределительном коллекторе 2 (на входе в каждую трубу) устанавливают дроссельные шайбы. Чтобы предотвратить их засорение, распределительный коллектор необходимо периодически продувать.

Кратность циркуляции котлов типа «Ла Монт» составляет 6-8, т. е. полное испарение объема воды в котле происходит через 6-8 ее оборотов по контуру. Для обеспечения надежной работы котла предусмотрено два циркуляционных насоса, которые устанавливают на 4-5 м ниже пароводяного барабана, поэтому они работают с постоянным подпором.

Котлы типа «Ла Монт» паропроизводительностью 65-80 т/ч применяют в качестве главных на некоторых морских судах. Однако более широко их используют в качестве вспомогательных и утилизационных. Паропроизводительность этих котлов колеблется от 0,2 до 10-12 т/ч.

Основные преимущества котлов с многократной принудительной циркуляцией:

• относительно малые масса и габаритные размеры, а также удобство их компоновки на судне;
• возможность постройки таких котлов практически на любую паропроизводительность и любые параметры пара;
• быстрый подъем пара в котле (15-20 мин) и хорошая маневренность.

Основные недостатки котлов с принудительной циркуляцией:

• наличие циркуляционных насосов большой производительности, которые работают в очень тяжелых температурных условиях и являются наименее надежной частью котла, так как температура воды перед насосом близка к температуре насыщения;
• использование дроссельных шайб, небольшие отверстия которых часто засоряются.

Устанавливаемые перед шайбами специальные фильтры с отверстиями меньшими, чем в шайбах, как показала практика, не могут полностью предохранить шайбы от засорения. Кроме того, для котлов с принудительной циркуляцией требуется более сложный и тяжелый каркас, чем для водотрубных котлов с естественной циркуляцией.

Применение принудительной циркуляции позволило снизить массу и габаритные размеры котла в результате увеличения тепловой нагрузки поверхности нагрева, однако возможности обычных мазутных камерных топок имеют определенный предел. Увеличение тепловой нагрузки топок сверх этого предела резко увеличивает потери от химической неполноты сгорания. Поэтому появились топки, процесс горения в которых проходит при давлении газов 0,3-0,5 МПа, что значительно повышает скорость реакции горения и дает возможность увеличить тепловую нагрузку топки в 40-50 раз по сравнению с обычными камерами. Такие котлы называются парогенераторами или котлами с наддувом.

Котлы с принудительной циркуляцией типа «Велокс» являются котлами с наддувом. Работа их основана на следующем принципе.

В топку подается воздух давлением 0,24-0,35 МПа и температурой 140-170 °С, которую он приобретает при сжатии в компрессоре. Процесс горения в топке происходит при указанном давлении, что позволяет увеличить ее тепловую нагрузку, улучшить процесс горения и получить высокие скорости газов. Увеличение скорости газов и их плотности значительно повышает теплопередачу в конвективных поверхностях нагрева. Энергия отходящих из котла газов частично используется для привода газовой турбины компрессора, подающего сжатый воздух в топку котла. Рабочее давление пара в котлах типа «Велокс» достигается через 5-8 мин после пуска, что является их большим достоинством. Котлы типа «Велокс» находятся в эксплуатации на морских судах и имеют паропроизводительность до 30 т/ч при давлении 5,8 МПа и температуре пара 480 °С. Их КПД составляет 91 % при температуре питательной воды 120 °С.

Котлы этого типа зарекомендовали себя в эксплуатации достаточно надежными в морских условиях, но при их применении требуется установка на судне вспомогательного котла и надежная система автоматического регулирования их работы.

Водотрубные котлы являются более совершенными, чем огнетрубные. Они имеют ряд существенных преимуществ, что и определило их широкое использование на морском флоте, в том числе и на промысловых судах.

Достоинства водотрубных котлов:

• получение пара высоких параметров. Рабочее давление достигает 6 МПа и выше, а температура перегрева – 350-480 °С (у огнетрубных соответственно: 1,6-1,8 МПа и 300-320 °С). С увеличением начального давления пара и его перегрева увеличивается количество полезно использованного тепла в паровом двигателе, т. е. увеличивается его КПД;
• удельный паросъем водотрубных котлов в 2-3 раза выше, чем у огнетрубных, что происходит в результате лучшего теплообмена между газами и водой в водогрейных трубах. Общая паропроизводительность водотрубного котла в 10-15 раз выше максимальной производительности огнетрубного оборотного котла;
• масса и габаритные размеры водотрубных котлов в рабочем состоянии в несколько раз меньше, чем огнетрубных при одинаковой производительности;
• быстрый ввод в действие по сравнению с огнетрубными, а также изменение нагрузки в широких пределах. Минимальное время, необходимое для поднятия пара до рабочего давления у вертикально-водотрубных котлов 1-1,5 ч, у горизонтально-водотрубных – 4-6 ч;
• меньшая взрывоопасность (из-за малого объема воды в них).

Недостатки водотрубных котлов:

• малая аккумулирующая способность, что при резком изменении нагрузки влияет на параметры пара;
• большая влажность пара вследствие меньшего парового пространства и большого паронапряжения зеркала испарения. Для уменьшения влажности в пароводяном барабане необходимо устанавливать сепараторы, отражательные и дырчатые щиты и другие устройства;
• большая чувствительность к качеству питательной воды;
• при незначительных отложениях накипи на поверхности нагрева напряженных котлов создается опасность перегрева металла водогрейных труб и их разрыва;
• для обслуживания котлов требуется более высокая квалификация обслуживающего персонала.

Дополнительные поверхности нагрева паровых котлов

Начальные параметры пара (давление и температура), вырабатываемого котлом, значительно влияют на экономичность работы паросиловой установки. Наибольшее влияние на ее КПД оказывает повышение температуры перегретого пара. Так, при повышении температуры на 20-25 °С общий КПД паровой установки увеличивается примерно на 1 %.

Для получения перегретого пара используют пароперегреватели, устройство которых зависит от типа и конструкции котлов. Различают пароперегреватели водотрубных и огнетрубных котлов, которые подразделяются следующим образом:

• по расположению труб – вертикальные и горизонтальные;
• по конструкции – змеевиковые, петлевые и с трубками малого прогиба;
• по способу тепловосприятия – конвективные, радиационные и комбинированные.

Радиационные пароперегреватели из-за больших тепловых нагрузок и малой надежности практически не используются в судовых паровых котлах.

В Судовые котлы и котельные установкисудовых водотрубных котлах устанавливают, как правило, только конвективные пароперегреватели.

Наибольшее распространение в водотрубных котлах получили горизонтальные петлевые и змеевиковые пароперегреватели.

На рис. 6 показан общий вид горизонтального петлевого пароперегревателя, снабженного двумя коллекторами с патрубками насыщенного 5 и перегретого 1 пара.

Одним из существенных недостатков горизонтальных пароперегревателей является возможность провисания труб в процессе эксплуатации, в результате чего ухудшается теплопередача (из-за нарушения шаговых отношений). Кроме того, для извлечения пароперегревателя приходится удалять часть деформированных труб. Для устранения провисания трубы пароперегревателя устанавливают в специальных листах 4 из жаростойкой стали, которые прикрепляют к водогрейным трубам 3, включенным в общий контур циркуляции котла. Количество фиксирующих листов (не более 3-4) зависит от длины труб пароперегревателя. Для обдувки последних устанавливают трубы 2 сажеобдувочных устройств.

Недостаток петлевого пароперегревателя – невозможность обеспечения высокого перегрева пара из-за ограничения количества рядов труб (а следовательно, и поверхности нагрева) конструктивными размерами коллекторов пароперегревателя. Этого недостатка не имеет горизонтальный змеевиковый пароперегреватель. При использовании змеевиковых пароперегревателей можно получить любую температуру перегрева, но при этом предъявляются повышенные требования к чистоте пара, так как внутренняя поверхность труб практически недоступна для механической чистки. Чистить внутреннюю поверхность петлевых пароперегревателей, несмотря на наличие люков в коллекторе, также очень трудно.

Для предварительного подогрева питательной воды за счет тепла дымовых газов в паровых котлах используют экономайзеры. Обычно их устанавливают непосредственно за испарительной поверхностью нагрева котла перед воздухоподогревателем. Подогрев питательной воды, поступающей в паровой котел, дает возможность сократить размеры его парообразующей поверхности и повысить КПД котла.

По конструкции экономайзеры подразделяют на змеевиковые и петлевые, по типу поверхности нагрева – на:

• гладкотрубные;
• плавниковые;
• игольчатые;
• и ребристые.

Наибольшее распространение на судах получили гладкотрубные экономайзеры из-за простоты изготовления, эксплуатации и ремонта. В судовых котлах используют экономайзеры, температура воды которых на 40-60 °С ниже температуры ее кипения. Они называются некипящими.

Воздухоподогреватели служат для подогрева воздуха, подаваемого в топку, теплом отходящих дымовых газов. По конструкции воздухоподогреватели делятся на:

• трубчатые, изготовленные из круглых, овальных и других форм труб (последние могут иметь ребра снаружи и внутри);
• и пластинчатые, изготовленные из гладких стальных листов.

По роду теплоносителя воздухоподогреватели подразделяют на:

• газовые;
• и паровые.

Использование воздухоподогревателй улучшает процесс горения топлива в топке и увеличивает КПД котла на 5-6 % и более. Чем выше температура подогрева воздуха, тем больше экономия топлива и выше КПД котла. Практически температура подогрева обычно находится в пределах 120-200 °С.

Наиболее широкое распространение в судовых установках получили трубчатые воздухоподогреватели, которые в зависимости от расположения труб подразделяются на вертикальные и горизонтальные. Применение горизонтальных воздухоподогревателей дает возможность уменьшить габариты водотрубных котлов благодаря их лучшей компоновке. Однако очистка горизонтальных воздухоподогревателей от сажи затруднена. Кроме того, они подвержены пережогу значительно больше, чем вертикальные.

Сжигание топлива в топках паровых котлов

Горючее вещество, которое сжигается для получения значительного количества тепла, называется топливом.

Различают естественное и искусственное топливо. Естественное топливо используют в том виде, в котором его добывают (каменный уголь, торф, нефть, дрова и т. д.). Искусственное топливо перед сжиганием подвергается переработке. К нему относят:

• дизельное топливо;
• мазут;
• бензин;
• кокс и т. д.

По физическим признакам топливо, сжигаемое в судовых паровых котлах, делится на твердое и жидкое. В качестве твердого топлива в судовых паровых котлах используют:

• каменный уголь;
• антрацит;
• иногда дрова.

В качестве жидкого – флотский мазут марок Ф5, Ф12, а также непарафинистый топочный мазут 40. В паровых котлах малой производительности обычно применяется дизельное топливо.

Горением называется процесс окисления горючих элементов топлива, сопровождающийся интенсивным выделением тепла.

Для обеспечения горения в топку котла необходимо подавать топливо и воздух в определенных количествах. Кислород, содержащийся в воздухе, обеспечивает окислительный процесс, в результате чего образуются продукты сгорания – дымовые газы.

Процесс горения топлива в топке котла сопровождается выделением большого количества тепла, часть которого теряется бесполезно например:

• тепло, уходящее с дымовыми газами;
• тепло, отдаваемое в окружающую атмосферу нагретыми частями котла и дымоходов;
• тепло, уходящее с водой при осуществлении верхней и нижней продувки и т. п.

Принимаются различные меры для уменьшения потерь, но избежать их полностью не удается. Существуют и другие потери, которые зависят от протекания процесса сгорания в топке, от полноты сгорания топлива и от эффективности использования тепла образующихся продуктов сгорания.

Сгорание в топке может быть полным и неполным. Полным оно считается тогда, когда в результате горения горючих элементов топлива (в основном C и H) получается углекислый газ CO₂ и водяные пары, которые больше не способны участвовать в окислительном процессе, т. е. гореть и выделять тепло.

При неполном сгорании получаются промежуточные продукты, способные при определенных условиях к дальнейшему окислению, в основном это окись углерода CO, водород H₂ и метан CH₄. Они обладают большой теплотворной способностью, поэтому присутствие всего лишь 1 % окиси углерода в уходящих газах влечет за собой потерю тепла до 5-6 %.

Теоретически для сгорания 1 кг топлива необходимо 14 кг, или около 11 м³ воздуха. Практически этого количества воздуха недостаточно для обеспечения полного сгорания топлива, потому что частицы топлива и воздуха перемешиваются недостаточно хорошо и не весь кислород, поступающий в топку, вступает в реакцию с топливом. Для обеспечения нормального сгорания топлива приходится подавать в топки котлов несколько большее количество воздуха. Эта разница учитывается коэффициентом избытка воздуха, который определяется как отношение количества воздуха, действительно подаваемого в топку для сжигания 1 кг топлива, к количеству воздуха, теоретически необходимому для этой цели.

где:

• α – коэффициент избытка воздуха (всегда больше единицы);
• V_д – действительное количество воздуха, м³;
• V₀ – теоретически необходимое количество воздуха, м³.

Коэффициент избытка воздуха зависит от:

• сорта топлива;
• способа его сжигания;
• технического состояния котельных форсунок;
• конструкции топки;
• режима работы котла и т. д.;

например, коэффициент избытка воздуха при сжигании мазута – 1,15-1,3. Выбирая значение α, следует учитывать, что недостаток воздуха приводит к неполному сгоранию, потере тепла и перерасходу топлива. Большой избыток воздуха может привести к еще большим потерям, так как сильно понижает температуру в топке, что способствует образованию значительного количества окиси углерода CO. Кроме того, избыточный воздух увеличивает количество продуктов сгорания в топке, которые, нагреваясь и уходя в дымовую трубу, уносят значительное количество тепла, тем самым увеличивая потери с уходящими газами.

В судовых паровых котлах различают два основных способа сжигания топлива в топках – слоевой и факельный.

Слоевой способ сжигания топлива наблюдается только при сжигании угля и в практике на судах используется очень редко.

При факельном способе сжигания частицы топлива непрерывно движутся во взвешенном состоянии в окружении воздуха и газов, температура которых выше температуры самовоспламенения данного горючего вещества. Этот способ используется при сжигании жидкого топлива в паровых котлах. Под факелом подразумевают газовоздушную струю с распределенными в ней испаряющимися и горящими частицами топлива.

Топки паровых котлов разделяются на слоевые и камерные. Слоевые топки служат для сжигания твердого топлива, уложенного на колосниковой решетке равномерным слоем. Они могут быть с ручным обслуживанием и механизированные (частично или полностью). Камерные топки предназначены для сжигания распыленного жидкого топлива в потоке подаваемого воздуха. При этом в процессе горения образуется факел.

Топочное устройство предназначено для подачи жидкого топлива в топку котла, его распыливания и смешивания с воздухом в топочном объеме. Каждое топочное устройство состоит из:

• форсунки;
• воздухонаправляющего устройства;
• системы включения форсунки и управления ею;
• регуляторов и заслонок (шиберов),
• а также топливных трубопроводов и арматуры.

Основными узлами являются форсунки и воздухонаправляющие устройства. Обычно форсунки устанавливают внутри воздухонаправляющего устройства, которое монтируется на фронтовой топочной раме котла.

Большинство топочных устройств, используемых на морских судах, можно разделить на три группы:

• с паровыми и воздушными форсунками;
• с механическими центробежными форсунками;
• с механическими вращающимися (ротационными) форсунками.

Правилами Регистра России предъявляются определенные требования к топочным устройствам. Все оборудование, предназначенное для топочных устройств, должно быть одобрено Регистром России и изготовлено под наблюдением его или другого компетентного органа, признанного Регистром России. Конструкции форсунок должны обеспечивать возможность регулирования их производительности, следовательно, и паропроизводительности котла, т. е. иметь устройство для регулирования количества воздуха, подаваемого в топку.

Автоматические топочные устройства должны обязательно иметь ручное управление. Отключение топочного устройства должно предусматриваться с двух мест, одно из которых должно обязательно находиться вне котельного отделения.

Форсунки, устанавливаемые в котлах, подразделяются на:

• паровые, у которых топливо распыливается под действием кинетической энергии струи пара;
• механические (центробежные), у которых распыливание топлива осуществляется под давлением (они могут быть регулируемыми и нерегулируемыми, т. е. допускают или не допускают регулирование их производительности);
• паромеханические, у которых распыливание топлива осуществляется под действием кинетической энергии струи пара и давления топлива;
• вращающиеся (ротационные), у которых топливо распыливается под действием центробежной силы, возникающей при вращении стакана форсунки.

Паровые форсунки в свое время получили довольно широкое распространение на судах из-за простоты устройства и обслуживания. Они обеспечивают хорошее качество распыливания и легко регулируются. При правильном регулировании процесса горения коэффициент избытка воздуха составляет 1,07-1,10, а потери от химического недожога – 0-0,2 %. Несмотря на такие преимущества, паровые форсунки практически не используют на морских судах из-за большого расхода пара на распыливание мазута (2-5 % от паропроизводительности котла). Их применяют лишь на портовых буксирах, судах прибрежного плавания и на речном флоте.

На промысловом флоте широко применяют механические центробежные и ротационные форсунки.

Распыливание мазута в механических центробежных форсунках осуществляется в результате большой скорости истечения его из сопла. Механические центробежные форсунки бывают регулируемые и нерегулируемые. У регулируемых форсунок производительность изменяется в процессе работы.

На рис. 7 показана одна из простейших конструкций механической нерегулируемой центробежной форсунки фирмы «Тодд».

Она состоит из полого корпуса 4, имеющего наружную резьбу на обоих концах. На один конец корпуса навинчивается рукоятка 5, имеющая канал для подвода мазута, на другой – корпус сопла 3 с отверстиями 6. К корпусу сопла с помощью гайки 2 крепится распыливающая шайба 1 с тангенциальными канавками. Плоскости прилегания сопла и распыливающей шайбы должны быть тщательно притерты друг к другу. Распыливающие шайбы изготавливаются из хромоникелевой или хромовольфрамовой стали. Корпус форсунки выполнен толстостенным в связи с тем, что мазут может подаваться под большим давлением. Размер соплового отверстия каналов позволяет изменять производительность форсунки.

Шайбы изготавливаются по номерам. Каждый номер соответствует определенной производительности, которая указывается в судовой технической документации. Для улучшения качества распыливания мазут необходимо предварительно подогревать до температуры 90-115 °С (в зависимости от его марки).

Такая механическая форсунка позволяет некоторое регулирование без замены распыливающих шайб (за счет изменения давления мазута). Так, при увеличении давления от 1,0 до 2,0 МПа производительность форсунки увеличивается примерно в 1,5 раза. Если такое регулирование является недостаточным, прибегают к замене шайб. Расход энергии на работу механических центробежных форсунок в 20-30 раз меньше, чем паровых.

Использование топочного устройства с форсункой типа «Тодд» позволяет добиться нормального сгорания топлива при коэффициенте избытка воздуха 1,12-1,15. При этом потери тепла от химического недожога находятся в пределах 0-0,3 %. Показатели несколько хуже, чем у паровых форсунок, но это окупается значительно меньшим расходом энергии на их работу.

На рис. 8 показана паромеханическая форсунка конструкции СКБК (специализированное конструкторское бюро котлостроения), которая состоит из корпуса 11 с рукояткой 10 и наконечника 7 с наружной резьбой.

Корпус и наконечник соединяются топливной 8 и паровой 9 трубами, которые крепятся при помощи сварки. На наконечник навинчивается стопорное кольцо 6 и накидная гайка 4. Между ними устанавливается уплотнение 5, которое служит для предотвращения подтекания мазута по резьбе. Уплотнение при необходимости поджимается стопорным кольцом 6, чем достигается необходимая плотность соединения. Накидная гайка служит для установки и крепления в определенном положении сопла 1, распылителя 2 и шайбы 3 к торцевой поверхности наконечника 7. Все указанные детали должны быть тщательно обработаны, а прилегающие поверхности притерты друг к другу.

Распылитель включает в себя топливную вихревую камеру и имеет с обеих сторон по четыре тангенциальных канала шириной 1 мм со стороны паровой части и 1,8 мм с топливной. По окружности распылителя расположены восемь продольных каналов радиусом 2 мм для прохода пара. При сборке топливный ниппель распылителя входит в отверстие сопла, образуя кольцевой зазор. Шайба распылителя 3 устанавливается между самим распылителем и наконечником 7. В ней имеется восемь топливных отверстий диаметром 1,8 мм и восемь продольных каналов радиусом 2 мм (по наружному диаметру). В наконечнике имеется два канала для прохода топлива и пара.

Топливо по каналу в корпусе, топливной трубе и каналу в наконечнике подается к шайбе 3. Через цилиндрическое отверстие в шайбе мазут поступает к тангенциальным каналам распылителя, по ним в вихревую камеру, из которой через прожимное отверстие топливного ниппеля распылителя выходит из форсунки распыленным, вращаясь с большой частотой.

Пар подходит по каналу в корпусе, паровой трубе и каналу в наконечнике к шайбе 3 распылителя. Пройдя по продольным каналам в шайбе и таким же каналам в распылителе 2, затем по четырем тангенциальным каналам, выполненным в распылителе с другой стороны, пар попадает в полость, ограниченную поверхностью сопла, распылителя и наружной стороной ниппеля. Отсюда через кольцевой зазор, образуемый отверстием в сопле и ниппеле, пар с большой скоростью выходит из форсунки, подхватывая капли топлива, выходящие из топливного отверстия ниппеля. В процессе истечения пара и топлива капли последнего дробятся на мельчайшие частицы, что способствует их хорошему перемешиванию с воздухом.

Достоинства паромеханических форсунок следующие:

• высокое качество распыливания мазута;
• достаточно широкие пределы регулирования производительности (10-100 %);
• возможность работы с низким коэффициентом избытка воздуха (до 1,02-1,04);
• малая склонность к закоксовыванию выходных отверстий, так как они периодически могут продуваться паром.

Расход пара в паромеханических форсунках (0,05-0,15 кг/кг топлива) значительно меньший, чем в обычных паровых, что очень важно для промысловых судов. Эти форсунки широко используются в паровых котлах.

Ротационные форсунки также получили широкое распространение на промысловых судах. Для их использования не требуется расхода пара на распыливание мазута, при этом достигается удовлетворительное качество распыливания топлива во всех диапазонах нагрузок (от 5 до 100 %).

Основной частью ротационных форсунок является распыливающая головка (рис. 9).

Она состоит из стакана 1, закрепленного на валу 6 при помощи крестовины 5 и вращающегося с частотой 5 000-7 000 об/мин. Внутренняя поверхность стакана имеет небольшую конусность, вследствие чего мазут перемещается по ней в сторону топки. Топливо под давлением 0,05-0,07 МПа подводится по неподвижно закрепленной трубе 7 в кольцевую полость и через отверстие 4 равномерно поступает на внутреннюю поверхность стакана.

Достигая выходной кромки, пленка мазута под действием центробежной силы образует конус распыливания. Первичный воздух подается в кольцевой канал 3, образованный неподвижным корпусом воздухонаправляющего устройства 8 и вращающимся стаканом 1. Воздух входит в топку через кольцевое воздушное сопло 9 с большой скоростью (60-80 м/с), что способствует хорошему смесеобразованию. Часто в кольцевом канале 3 устанавливают тангенциальные лопатки 2 для завихрения первичного воздуха.

Мазут и воздух предварительно подогревают. Температура нагрева мазута 70-90 °С. Первичный воздух подается под давлением 3,5-4 кПа, вторичный – под давлением 0,3-0,4 кПа.

Воздух к форсункам подается различными способами в зависимости от конструкции паросиловой установки. Иногда топливо на внутреннюю поверхность стакана подается по отверстию во вращающемся валу.

Арматура паровых котлов

Приборы и устройства, установленные на паровом котле и служащие для контроля, управления и регулирования его работы, называются арматурой. В зависимости от расположения на котлах различают арматуру парового пространства и арматуру водяного пространства.

К арматуре парового пространства относятся:

• предохранительные клапаны;
• манометры;
• главный и вспомогательные стопорные клапаны и т. д.;

к арматуре водяного пространства:

• питательные клапаны;
• краны (клапаны) верхней и нижней продувки;
• легкоплавкие пробки и т. д.

В зависимости от назначения арматуру котла разделяют на:

• запорно-разобщительную;
• указательную;
• и предохранительную.

К запорно-разобщительной арматуре, предназначенной для регулирования потоков воды, пара или воздуха, относятся:

• стопорные паровые клапаны;
• питательные клапаны;
• клапаны продувки котла и пароперегревателя;
• клапаны для ввода присадок и отбора проб,
• спускные клапаны для манометров и устройств автоматического регулирования и т. д.

К указательной арматуре, предназначенной для контроля за процессами, протекающими в котле, относятся контрольно-измерительные приборы:

• манометры;
• термометры;
• пирометры;
• тягомеры;
• газоанализаторы;
• водоуказатели и пр.

К предохранительной арматуре, предназначенной для предотвращения повышения давления пара в котле выше допустимого, относятся:

• предохранительные клапаны, расположенные на паровом барабане котла и на выходном коллекторе пароперегревателя.

Согласно требованиям Правил Регистра России всю котельную арматуру следует устанавливать на приварных специальных патрубках и штуцерах.

Все клапаны должны закрываться при вращении маховиков по часовой стрелке. Если конструкция арматуры не позволяет видеть, открыта она или закрыта, то на клапанах должны быть нанесены указатели «открыто-закрыто».

На главных и вспомогательных котлах ответственного назначения должно быть не менее двух невозвратных питательных клапанов. На остальных вспомогательных и утилизационных котлах допускается установка одного питательного клапана. Питательные клапаны служат для подачи и регулирования количества воды, поступающей в котел.

На рис. 10 показан одинарный питательный клапан.

На корпусе 1 имеются два фланца 3 и 6 для крепления клапана к котлу и питательному трубопроводу. В крышке 7 – резьба, в которую ввинчивается шток клапана 8, уплотняемый сальником, нажимной втулкой и накидной гайкой. На питательном клапане 5 имеется четыре ребра 4, которые направляют его при посадке в гнездо 2. Клапан открывается вращением маховика 9 против часовой стрелки до упора. Затем давление питательной воды в магистрали приподнимает невозвратный клапан 5, в результате чего открывается проход для воды в котел. Закрытие питательного клапана осуществляется вращением маховика 9 по часовой стрелке до упора. В этом случае шток 8 упирается в клапан, в результате чего прекращается питание котла. Правила Регистра России разрешают изготовление питательных клапанов только из бронзы или стали.

Стопорные (разобщительные) клапаны служат для сообщения котла с паропроводом, по которому пар поступает к потребителям. Их всегда устанавливают в верхней части котла в наиболее удобном для обслуживания месте и подсоединяют таким образом, чтобы пар из котла поступал под тарелку клапана. На котлах, как правило, устанавливают невозвратные стопорные клапаны, у которых тарелка нежестко связана со штоком. Они соединяют паровое пространство котла с паропроводом главных или вспомогательных механизмов и в зависимости от этого называются главными или вспомогательными стопорными клапанами.

Существует много конструкций стопорных клапанов, одна из них показана на рис. 11.

На корпусе клапана 1, отлитом из стали, имеются три фланца, два из которых служат для подсоединения трубопроводов. К верхнему фланцу при помощи шпилек и гаек крепится фигурная крышка 3, сквозь которую проходит шток клапана 5. Он перемещается вдоль оси при помощи нарезной втулки 6, установленной неподвижно при помощи штифта. Первый резьбовой конец штока ввинчивается в эту втулку, а второй располагается в сальнике крышки, состоящем из грундбуксы 8, набивки и сальниковой втулки 4. Тарелка клапана 2 соединена со штоком при помощи гайки 9 и стопорной шайбы 10, предотвращающей ее самоотвинчивание. Посадочное место тарелки и седло клапана выполнены в виде колец 11. Стопорный клапан открывается и закрывается поворотом маховика 7, насаженного на квадрат штока клапана и закрепленного гайкой.

Для удаления шлама и пены на котлах имеются клапаны нижней и верхней продувки. Иногда устанавливают также и клапаны опорожнения котлов. Внутренний диаметр клапанов и труб нижней продувки согласно требованиям Регистра России должен быть не менее 20 и не более 40 мм. Устройство для верхней продувки (для удаления пены и шлама, плавающих на поверхности) устанавливают на котлах со свободной поверхностью испарения. Кроме этого, на паровых котлах должны быть клапаны или краны для отбора проб и клапаны для удаления воздуха, которые также ставят на пароперегревателях и экономайзерах.

На рис. 12 приведена одна из наиболее распространенных конструкций сдвоенного пружинного предохранительного клапана.

В корпусе 1 клапана с помощью резьбы установлены два стальных гнезда клапанов 3. Тарелки клапанов 4, изготовленные из бронзы, прижимаются к седлу через шарик 2 штоком 6, нагруженным пружиной 5. Для регулирования натяжения пружины служит нажимная гайка 8, опирающаяся на верхнюю тарелку пружины. Круглая гайка 9, навинченная на верхнюю часть седла клапана, служит для регулирования момента закрытия (посадки) предохранительного клапана после его подрыва. Стопор 12 фиксирует гайку 9 от проворачивания во время работы.

После окончательного регулирования предохранительного клапана на верхнюю его часть надевается защитный колпачок 7 с ушком и прорезью для установки чеки 10. На ушке и чеке имеются отверстия, стянутые проволокой, на концы которой инспектор Регистра России устанавливает пломбу. В рассматриваемой конструкции ручной подрыв осуществляется поворотом рычага 11, упирающегося в специальный бурт защитного колпачка 7. На котле устанавливается не менее двух предохранительных клапанов, один из которых пломбируется Регистром России. Предохранительные клапаны должны иметь дистанционные приводы с управлением из котельного отделения и с верхней палубы, или из других специальных помещений вне машинного отделения.

Читайте также: Ремонт вспомогательных паровых котлов и теплообменных аппаратов

На каждом паровом котле устанавливают не менее двух, не зависимых один от другого водоуказательных приборов. На утилизационных котлах, а также сепараторах пара и котлах с расчетной паропроизводительностью не более 750 кг/ч можно установить один водоуказатель. Пробные краны или клапаны не могут заменять водоуказательные приборы.

Водоуказатели располагают со стороны переднего фронта котла и снабжают запорными устройствами со стороны парового и водяного пространств.

На рис. 13 показан водоуказательный прибор с плоским стеклом Клингера.

Смотровая рамка 3 крепится к призматическому корпусу 8 при помощи шпилек и гаек. Между корпусом и рамкой устанавливается стекло Клингера 4, уплотняемое паронитовыми прокладками. Шпильки следует обжимать осторожно и равномерно во избежание поломки стекла. Поверхность стекла, обращенная к воде – рифленая. Она преломляет лучи таким образом, что нижняя часть стекла, заполненная водой, кажется темной, верхняя – светлой. Это значительно улучшает условия наблюдения за уровнем воды в котле. Водоуказательные приборы крепят на переднем днище котла симметрично относительно вертикальной оси при помощи фланцев 6 и 9, штуцеров 5 и 2, сообщающих рабочую полость водоуказательного прибора с паровым и водяным пространствами. В случае замены стекла или по другим причинам водоуказательный прибор можно отключить от котла при помощи парового 7 и водяного 10 кранов. Для продувки стекла водой или паром служит кран 1, к которому подсоединяется трубопровод, идущий под пайолы. При продувке паром должны быть открыты краны 1 и 7. При продувке паром и водой все три крана должны быть открыты одновременно.

Согласно требованиям Правил Регистра России у каждого парового котла должно быть не менее двух манометров, соединенных с паровым пространством отдельными трубами с запорными клапанами или кранами. Один из манометров устанавливают на переднем фронте котла, другой – у пульта управления главными механизмами. Исключение допускается для утилизационных котлов и котлов с расчетной производительностью менее 750 кг/ч, которые могут иметь один манометр.

На выходе из экономайзера также устанавливают манометр. Манометры на котле должны иметь соответствующую шкалу (достаточную для проведения гидравлических испытаний), на которой деление, соответствующее рабочему давлению, должно быть отмечено красной чертой.

Проверку манометров нужно производить ежегодно компетентными органами, признанными Регистром России. Манометры должны быть запломбированы и иметь клеймо с датой проверки.

Для определения температуры на судах применяют приборы, действие которых основано:

• на расширении тел при нагревании;
• на возбуждении электродвижущей силы (ЭДС) при нагревании двух спаянных проволок из разных металлов;
• и на увеличении электрического сопротивления проводника при повышении его температуры.

К первой группе относятся термометры:

• ртутные;
• ртутно-газонаполненные;
• и заполненные легкоиспаряющимися жидкостями.

Наиболее распространенными являются ртутные термометры, которые используют для измерения температур от 30 до 750 °С. Более высокие температуры измеряют при помощи термопар. Их принцип действия основан на том, что если нагревать место спайки двух проволок из разных металлов, а к другим концам – подсоединить гальванометр, то он покажет прохождение тока по цепи, ЭДС которого зависит от степени нагревания и увеличивается с увеличением температуры спайки. Термопара присоединяется к милливольтметру, имеющему соответствующую градуировку.

В термометрах сопротивления используют свойство металлических проводников изменять электрическое сопротивление в зависимости от их температуры.

Питание паровых котлов

Воду, применяемую для работы котельной установки на морских судах, разделяют на следующие виды:

• котловая, находящаяся в котле во время его работы;
• конденсат, образующийся в результате конденсации отработавшего пара;
• дистиллят, полученный в результате конденсации вторичного пара в судовых или береговых испарительных установках;
• пресная котельная (береговая), принимаемая с берега или с другого судна;
• умягченная, прошедшая предварительную термическую или химическую обработку в специальных установках с целью удаления из нее накипеобразующих солей;
• добавочная, подаваемая в котел для пополнения потерь конденсата и котловой воды (может быть дистиллятом, умягченной и пресной водой);
• питательная, подаваемая непосредственно в котел в процессе его работы (может состоять из конденсата и добавочной воды);
• продувочная, удаляемая из котла при продувке;
• забортная, используемая для питания испарительных установок и охлаждения всех видов конденсаторов, входящих в состав паросиловой установки.

Основными показателями, характеризующими качество воды, используемой в судовых паровых котлах, являются следующие:

• содержание хлоридов;
• жесткость;
• щелочность;
• фосфатное число;
• нитратное число;
• содержание газов;
• взвешенных веществ и масла.

Щелочность определяет содержание в воде едкого натра, соды, тринатрийфосфата и других щелочных веществ. Она выражается щелочным числом, которое численно соответствует суммарному содержанию щелочей в котловой воде, эквивалентному содержанию в ней едкого натра в миллиграммах на литр (мг/л NaOH).

Фосфатное число определяет содержание растворимых солей фосфорной кислоты в воде и выражается в миллиграммах фосфорного ангидрида P₂O₅ или фосфатных ионов

$P{O}_4^{–3}$

на литр воды (мг/л).

Нитратное число определяет содержание в воде азотнокислых солей и выражается в миллиграммах азотнокислого натрия NaNO₃ в одном литре воды (мг/л).

Растворенные в воде газы представлены в основном кислородом O, азотом N и углекислым газом CO₂. Их содержание измеряется в мг/л. В котловой воде нежелательно присутствие растворенного кислорода, так как он вызывает интенсивную коррозию металла.

Взвешенные вещества – это растворимые в котловой воде примеси песка, ила и других органических веществ, а также накипь, шлам и продукты коррозии, образовавшиеся в процессе эксплуатации котла. Они способствуют загрязнению котла и вырабатываемого пара. Содержание взвешенных веществ выражается в мг/л.

Содержание масла, также определяемое в мг/л, имеет очень важное значение для эксплуатации котла. Масло впитывается накипью, в результате чего на поверхности нагрева образуется слой черного или темно-коричневого вещества, обладающего очень малым коэффициентом теплопроводности и создающего опасность местного перегрева металла.

Хлоридами называют соли соляной кислоты – хлористый натрий NaCl, хлористый магний MgCl₂ и др. Концентрацию хлоридов выражают в миллиграммах хлор-иона Cl^-1, содержащегося в одном литре.

Содержание хлоридов в питательной воде должно составлять:

• для огнетрубных котлов не более 50 мг/л;
• для водотрубных и комбинированных котлов с рабочим давлением пара до 2 МПа – не более 15 мг/л;
• для водотрубных котлов с рабочим давлением пара более 2 МПа-2 мг/л и менее.

Хлориды оказывают большое влияние на интенсивность коррозии металла котла.

Жесткость – одна из основных характеристик воды. Жесткость разделяют на:

• временную;
• постоянную;
• и общую.

Временная (карбонатная) жесткость обусловливается содержанием в воде двууглекислых солей кальция и магния (бикарбонатов), которые при нагревании до температуры кипения воды распадаются на карбонаты, воду и углекислый газ.

Жесткость воды определяется содержанием в ней растворенных солей кальция Ca и магния Mg, выраженным в миллиграмм-эквивалентах на литр воды (мг-экв/л). 1 мг-экв/л жесткости соответствует содержанию в воде 20 мг/л кальция или 12,2 мг/л магния. Иногда жесткость определяют в немецких градусах жесткости °H; 1 мг-экв/л = 2,8 °H.

На промысловых судах применяют открытую и закрытую системы питания паровых котлов. При открытой системе питательная вода соприкасается с атмосферным воздухом и насыщается кислородом, который способствует разъеданию стенок котла. Этот процесс протекает особенно интенсивно при давлении пара свыше 1,6-2 МПа. Поэтому для питания котлов, работающих при давлении 2 МПа и выше, рекомендуется применять закрытую систему питания, при которой исключается попадание воздуха в питательную воду.

Для более полного удаления воздуха из питательной воды для питания котлов высокого и повышенного давления применяют деаэраторы. В них используют одно из свойств газов: уменьшение его растворимости с увеличением температуры воды и равенство ее нулю при кипении воды. На судах применяют смешивающие деаэраторы, в которых вода нагревается до кипения путем смешивания с паром.

Питательная вода подогревается в специальных устройствах, называемых подогревателями питательной воды. В них обычно используют тепло отработавшего пара от вспомогательных механизмов давлением выше атмосферного и температурой более 100 °С.

Для предотвращения (уменьшения) накипеобразования и коррозии в судовых паровых котлах производят докотловую и внутрикотловую обработку воды.

Докотловая обработка заключается в том, что перед подачей в котел питательную воду очищают для улучшения ее качества.

Применяют следующие способы докотловой обработки воды:

• фильтрацию (для удаления механических примесей и масла);
• химическую очистку (для удаления солей из воды);
• термическую обработку (для удаления солей из воды);
• магнитную (электромагнитную) обработку (для уменьшения образования накипи);
• деаэрацию (для удаления из воды газов – кислорода и углекислоты).

Для очистки воды от механических примесей и масла на судах используют фильтры, устанавливаемые в тепловом ящике или отдельно.

При химической обработке в воду добавляют определенные химические реактивы, которые с растворенными в воде солями образуют нерастворимые соединения, выпадающие в виде шлама. Известно несколько способов химической обработки воды перед поступлением в котел, но они (за исключением отдельных случаев) не нашли применения на промысловых судах, так как требуют дополнительной установки громоздкого оборудования:

• фильтров;
• отстойников;
• трубопроводов;
• арматуры и т. д.

Термическая обработка воды заключается в получении дистиллята с низким содержанием солей в специальных испарительных установках. Этот способ позволяет получить наиболее чистую воду, но требует расхода греющего пара.

Соблюдение норм качества питательной воды требует ее внутрикотловой обработки, которая заключается во введении химических реактивов в котел, вступающих в химическую реакцию с солями жесткости, в результате чего они переходят в шлам и удаляются из котла продувкой. В качестве химических реактивов используют антинакипины, получившие широкое применение на морских судах для котлов низкого давления.

Тяга и циркуляция в паровых котлах

Процесс сжигания топлива сопровождается постоянным притоком воздуха в топку котла и непрерывным отводом дымовых газов в атмосферу. Дымовые газы будут отводиться лишь в том случае, если их статическое давление меньше давления воздуха. Образующаяся при этом сила, вызывающая движение газов и поступление воздуха в топку котла, называется тягой. Судовые паровые котлы имеют естественную и искусственную тягу, которая в свою очередь разделяется на:

• вытяжную
• и нагнетательную.

На рис. 14 приведена схема парового котла с естественной тягой, которая создается в результате разности статических давлений окружающего воздуха и нагретых газов.

Сила тяги зависит от высоты дымовой трубы и разности между температурами дымовых газов и воздуха. Она измеряется в Па. Чем выше дымовая труба и температура отходящих дымовых газов, тем больше сила тяги. Она уменьшается при появлении неплотностей в дымнике, дымоходах, топочных устройствах и т. д.

Форсирование котлов с естественной тягой ограничено, так как сопротивление газового тракта и слоя топлива с увеличением нагрузки растет.

Недостатки, свойственные естественной тяге, отсутствуют у искусственной, создаваемой при помощи парового форсуна или дымососа. Использование искусственной тяги обеспечивает более интенсивный приток воздуха к горящему в топке котла топливу.

Наибольшее распространение на морских судах получила искусственная тяга с подачей воздуха в топку котла под некоторым давлением, создаваемым вентилятором, схема которого дана на рис. 15.

Он состоит из кожуха 2, внутри которого на валу 4 установлена крыльчатка 5, приводимая в движение электрическим или паровым двигателем. При работе вентилятора воздух засасывается через отверстие 3 с предохранительной сеткой и под определенным давлением отводится через патрубок 1.

На некоторых котлах устанавливают нагнетательные вентиляторы, создающие давление в топке 60-70 Па и выше, что требует герметичной обшивки котла. Для измерения силы тяги используются тягомеры.

В паровых котлах тепло, полученное от сгорания топлива в топке, передается воде, пару или воздуху.

Процесс передачи тепла от одних тел к другим называется теплообменом.

Теплообмен в котле осуществляется тремя основными способами:

• теплопроводностью;
• конвекцией;
• и излучением.

Он происходит через стенки, являющиеся поверхностью нагрева, которая может состоять из нескольких слоев:

• наружного загрязнения (золы и сажи);
• внутреннего загрязнения (накипи и масла) и металла стенки.

Для обеспечения надежной работы котла очень важное значение имеет процесс циркуляции воды и пароводяной смеси. Во время работы в паровом котле образуются так называемые контуры циркуляции, состоящие из опускных и подъемных элементов. Циркуляция в них осуществляется под действием разности веса столбов воды и пароводяной смеси в опускных и подъемных трубах.

Вода в опускных трубах движется вниз, а пароводяная смесь в подъемных трубах – вверх, в результате чего возникает контур циркуляции. Разность плотности объясняется разным содержанием пара в опускных и подъемных трубах.

Основное требование, предъявляемое к процессу циркуляции, заключается в том, чтобы при любых возможных нагрузках котла температура стенок его поверхности нагрева не превышала бы допустимую, после которой снижается механическая прочность металла и может произойти разрыв стенок поверхности нагрева. Для этого необходимо непрерывно отводить тепло от поверхности нагрева движущейся водой и пароводяной смесью.

Автоматическое регулирование паровых котлов

Ручное управление судовыми паровыми котлами очень затруднительно, а работа по оптимальным техническим показателям невозможна из-за интенсивности процессов, происходящих в котлах. Автоматизированные котлы работают значительно эффективней и надежней, кроме того, облегчаются условия работы обслуживающего персонала, что позволяет сократить численный состав машинных команд.

В процессе работы паровой котел должен непрерывно вырабатывать пар определенных параметров (давления и температуры). Количество пара, отводимого от котла, зависит от работы потребителей, но не должно превышать его номинальной паропроизводительности. Качественные характеристики работы парового котла, т. е. его основные параметры, должны оставаться практически неизменными во времени или изменяться незначительно.

Основными параметрами, характеризующими работу котла, являются следующие:

• давление пара;
• температура перегретого пара;
• уровень воды в паровом котле;
• давление или разрежение газов в топке котла;
• соотношение между количеством сжигаемого топлива и воздуха, подаваемого в топку котла (соотношение топливо-воздух).

Кроме основных, существует много регулируемых вспомогательных параметров, которые характеризуют работу механизмов и систем, обслуживающих котел, например, давление и температура мазута перед форсунками, давление и температура питательной воды, ее солесодержание и т. д.

Работой котла управляют при помощи регулирующих органов, которые, перемещаясь при изменении нагрузки в определенное положение, обеспечивают своевременное изменение заданных значений регулируемых параметров. Это возможно осуществить лишь при постоянном или периодическом измерении величины каждого из регулируемых параметров и передачи импульсов к регулирующему органу. Автоматическое регулирующее устройство, имеющее измеритель величины регулируемого параметра, автоматически воздействует на один или несколько регулирующих органов, от положения которых зависит величина измеряемого параметра.

Судовые паровые котлы представляют собой сложный объект регулирования, состоящий из нескольких аккумуляторов энергии и материальной среды.

Автоматическое регулирующее устройство и связанный с ним аккумулятор энергии образуют контур регулирования, представляющий собой замкнутую цепь воздействий: от измерителя к регулирующему органу, действующему на объект регулирования (котел или его участок), и от него, через измененный параметр – опять к измерителю. Такая схема контура характерна для всех систем автоматического регулирования. Связь между звеньями контура представлена ниже на схеме автоматической системы регулирования с регулятором непрямого действия.

Число контуров регулирования зависит от количества регулируемых параметров. Совокупность контуров регулирования образует систему автоматического регулирования.

В котлах с естественной циркуляцией автоматизация всех процессов осуществляется при помощи следующих систем:

• автоматического регулирования питания котла (обеспечивающей поддержание необходимого уровня воды в пароводяном барабане);
• автоматического регулирования горения (управляющей подачей топлива и воздуха и обеспечивающей заданное давление пара в котле);
• регулирования температуры перегретого пара (поддерживающей заданное значение температуры на всех режимах работы котла).

Главные и вспомогательные водотрубные котлы ответственного назначения согласно Правилам Регистра России должны иметь систему автоматического регулирования питания и горения. Для остальных котлов автоматическое регулирование рекомендуется. У всех паровых котлов должно быть также и ручное управление.

Системы автоматического регулирования должны с установленной точностью поддерживать оптимальные значения регулируемых параметров на всех режимах работы котла. Переход с одного режима работы на другой не должен сопровождаться резкими колебаниями регулируемых параметров. Учитывая специфические условия работы (крен, дифферент, вибрация и т. п.), системы должны отличаться высокой надежностью в работе, иметь малые габаритные размеры и небольшую стоимость, а также быть несложными в обслуживании. При выходе из строя системы регулирования исполнительные органы должны принимать положение, безопасное для дальнейшей работы котлов.

Системы автоматического регулирования должны иметь защитные и сигнализирующие устройства, срабатывающие при отклонении регулируемых параметров от заданных значений. Защитные устройства должны автоматически прекращать подачу топлива к форсункам при достижении нижнего предельного уровня воды и неисправностях в системе отопления котла. После срабатывания автоматики котел включают вручную.

Устройства контроля и сигнализации должны срабатывать при:

• понижении уровня воды до нижнего предельного уровня;
• повышении уровня воды до верхнего предельного уровня;
• неисправностях в системах автоматического регулирования и устройствах защиты;
• неисправностях в системе отопления котлов.

Сигнализация по низшему предельному уровню должна действовать раньше, чем сработает устройство защиты.

Если наблюдение за работой котла производится с центрального поста управления, туда должно быть выведено минимально необходимое количество приборов контроля и сигнализации.

Регулирующие устройства (регуляторы) поддерживают заданные значения регулируемых параметров на всех режимах работы котла. Они состоят из следующих основных частей:

• измерительного органа, измеряющего регулируемый параметр и преобразующего его отклонения от заданного значения в механические перемещения, усилия или электрические величины (импульсы);
• регулирующего органа, предназначенного для изменения расхода материальной среды;
• исполнительной связи между указанными выше органами.

Регуляторы бывают прямого и непрямого действия. В регуляторах прямого действия измерительный орган непосредственно приводит в движение регулирующее устройство. Они очень просты по конструкции. Однако часто для получения необходимых перестановочных усилий требуются большие размеры измерительного органа, что в судовых условиях неприемлемо. Поэтому в судовых котельных установках в основном применяют регуляторы непрямого действия, в которых импульс, воспринимаемый измерительным органом, усиливается в результате подвода вспомогательной энергии от постороннего источника.

У регуляторов непрямого действия имеются следующие дополнительные звенья:

• усилительный орган, в котором слабый импульс измерительного органа усиливается вспомогательной энергией. Он обычно жестко связан с измерителем и управляет подводом вспомогательной энергии;
• сервомотор, служащий для преобразования вспомогательной энергии, подводимой к нему, в механическую работу, затрачиваемую на приведение в действие регулирующего органа;
• стабилизирующий орган, осуществляющий стабилизацию процесса регулирования благодаря использованию обратных связей.

Обратные связи бывают жесткими и гибкими. В жестких используют рычажные и пружинные звенья, которые повышают устойчивость системы регулирования. Гибкие обратные связи, кроме того, снижают или полностью ликвидируют неравномерность регулирования. Их называют изодромом, а регуляторы с гибкими связями – изодромными.

Схема одного из таких регуляторов приведена на рис. 16.

Принцип его действия заключается в следующем. При понижении уровня воды в котле 2 он понизится и во внутренней трубе термогидравлического элемента 3, а следовательно, большая часть ее будет заполнена паром. Это приведет к тому, что давление пара дистиллированной воды в кольцевом пространстве наружной трубы и связанной с ним импульсном трубопроводе 4 возрастет, в результате чего измерительный орган 5 переместит влево подвижную струйную трубу 6 усилительного устройства. Рабочая жидкость через левое сопло и трубопровод 12 поступит в верхнюю полость сервомотора 13 и переместит его поршень вниз. Регулирующий клапан 1 откроется, и питательная вода поступит в котел 2.

При повышении уровня воды в котле в системе регулирования происходит обратный процесс. Изодром 10 представляет собой цилиндр с поршнем и штоком, соединенным с рычажной связью 8, которая при помощи пружинной обратной связи 7 связана со струйной трубой. Полости изодрома соединены между собой трубой с дроссельным клапаном, а поршень со стороны штока нагружен цилиндрической пружиной. Кроме того, одна полость цилиндра изодрома соединена трубопроводом 9 с усилителем, а вторая – трубопроводом 11 с сервомотором.

При понижении уровня воды в котле поршень сервомотора опустится и вытеснит часть рабочей жидкости, которая по трубопроводу 11 перетечет в левую полость цилиндра изодрома и переместит поршень вправо. Его шток через рычаг 8 и пружинную обратную связь 7 возвратит подвижную струйную трубу в среднее положение. Перемещение поршня сервомотора, а с пим и регулирующего клапана прекратится, так как часть рабочей жидкости перетечет через дроссельный клапан из одной полости изодрома в другую и через некоторое время давление в трубопроводах 9 и 11 сравняется. После этого поршень изодрома под действием своей пружины переместится влево на некоторую величину, что приведет к повторному смещению влево подвижной струйной трубы 6. Регулирующий клапан приоткроется еще немного, и остаточная неравномерность регулирования ликвидируется.

Система автоматического регулирования горения с определенной точностью обеспечивает изменение подачи топлива и поддержание заданных значений коэффициента избытка воздуха, величина которого зависит от качества форсунок, топочных фронтов и топочного устройства в целом. При автоматическом регулировании горения КПД котла на 2-3 % выше, чем при ручном.

Для общего представления о системе регулирования горения рассмотрим упрощенную схему, приведенную на рис. 17.

В цилиндре сервомотора 1 движется поршень, связанный с топливным клапаном 2 и тягой шибера воздухонаправляющего устройства 8. Изменение положения шибера осуществляется при помощи углового рычага 6, качающегося на своей оси. К сервомотору подходит четыре трубопровода. Нижняя полость цилиндра сервомотора соединена с нагнетательным патрубком топливного насоса при помощи трубопровода 4, верхняя полость – со специальным клапаном при помощи трубопровода 3. Этот регулирующий клапан может располагаться в любом удобном месте котельного отделения. В верхней части цилиндра сервомотора имеется трубопровод для подвода топлива к форсунке 7 через топливный клапан 2. Трубопровод 5 служит для отвода утечки топлива из сервомотора.

Принцип действия регулирующего устройства следующий. Открывая регулирующий клапан (на схеме не показан), по трубопроводу 3 подводят топливо в верхнюю полость цилиндра сервомотора. По трубопроводу 4 также подается топливо от нагнетательной магистрали топливного насоса. В результате разности верхней и нижней площади поршня создается усилие, движущее его вниз. В результате открывается шибер воздухонаправляющего устройства, поршень тянет шток топливного клапана 2 и открывает его. Мазут из верхней полости цилиндра через клапан 2 по трубопроводу подводится к форсунке 7. Давление мазута, создаваемое топливным насосом, так же как и давление в нижней полости цилиндра сервомотора, в процессе эксплуатации остается практически неизменным.

Регулируя давление в верхней полости цилиндра, уменьшают или увеличивают открытие клапана 2 и подачу топлива к форсунке 7. Одновременно регулируется подача воздуха в топку изменением положения шибера 8. Открытие шибера и топливного клапана отрегулировано таким образом, чтобы горение в топке котла происходило при минимальном коэффициенте избытка воздуха.

Топливо в верхнюю часть цилиндра сервомотора подается по трубопроводу 3 автоматически в зависимости от расхода пара. Так, с увеличением нагрузки котла подаваемого в топку топлива не хватает и, как следствие, давление пара в котле начнет понижаться. В это время регулирующий клапан на трубопроводе 3 среагирует и откроется на большую величину, что увеличит давление в верхней полости цилиндра сервомотора. Поршень пойдет вниз, и большее количество топлива и воздуха поступит в топку для сгорания. В результате этого давление в котле снова поднимется до установленного. И так процесс регулирования будет осуществляться непрерывно.

Автоматические регуляторы, в зависимости от рода рабочей среды и используемой вспомогательной энергии разделяются на:

• гидравлические;
• пневматические;
• электрические;
• и комбинированные.

В гидравлических регуляторах используется энергия рабочей жидкости (вода, минеральное масло) давлением 0,6-1,0 МПа, а в пневматических – воздух такого же давления.

В регуляторах непрямого действия применяют усилительные органы, наибольшее распространение из которых получили струйные усилители, используемые в водяных и масляных системах регулирования.

Техническая эксплуатация паровых котлов

Техническая эксплуатация котла во время его работы заключается в поддержании установленных режимов, которые определяются следующими показателями:

• давлением перегретого, насыщенного и охлажденного пара;
• температурой перегретого пара и питательной воды;
• паропроизводительностью котла;
• давлением и температурой воздуха перед топкой;
• давлением и температурой жидкости топлива перед форсунками;
• расходом топлива;
• разрежением (или давлением) в топке и за котлом.

В процессе эксплуатации паровые котлы работают на различных режимах в зависимости от количества пара, необходимого для обеспечения потребителей. На судах различают следующие режимные состояния котлов:

• действующее (с момента подъема давления пара в котле выше атмосферного);
• поддержки пара (главный стопорный клапан закрыт и при малом горении огня в топках поддерживается давление пара выше атмосферного);
• эксплуатационное (при установившихся режимах);
• переменной нагрузки (при изменении потребления пара интенсивность, горения огня в топках, а также давление пара в котле меняются в пределах, обеспечивающих работу главных и вспомогательных механизмов).

Режимное состояние поддержки пара можно разделить на стояночный режим, «Горячий резерв» и «В готовности». При стояночном режиме давление пара может быть снижено в зависимости от его расхода на судовые нужды. При режиме «В готовности» давление пара в котле должно поддерживаться близким к рабочему, а все системы и вспомогательные механизмы, обеспечивающие работу котельной установки, должны быть прогреты и готовы к действию.

На стоянке судна давление в котлах поддерживается исходя из условия обеспечения паром судовых паровых механизмов.

Форсированный режим работы паровых котлов допускается по приказанию капитана лишь в исключительных случаях, связанных с опасностью для жизни людей и судна. Об этом делается соответствующая запись в машинном журнале. Старший механик в это время должен находиться в котельном отделении непосредственно у котлов. Если дальнейшая работа в форсированном режиме грозит неизбежной аварией, старший механик обязан немедленно снизить нагрузку, доложив об этом капитану.

Перед пуском котла убеждаются в исправной работе системы питания, проверяют работу питательных насосов и инжекторов, действие дозировочного устройства для подачи антинакипина в котел. Осматривают цистерны жидкого топлива, убеждаются в отсутствии в них воды, в исправности арматуры, мазутных фильтров, мазутных насосов и самой топливной системы (в исправности топочных устройств и правильной установке форсунок котлов). После этого котельный механик докладывает старшему механику о результатах проверки.

Перед пуском котла все автоматические регуляторы котельной установки переводят в положение «Ручное управление», а запорные клапаны регуляторов питания, давления пара, давления воздуха, давления и температуры топлива – полностью закрывают. В остальном руководствуются инструкцией по эксплуатации систем автоматического регулирования котельных установок.

Продолжительность подъема пара в котлах приводится в инструкциях заводов-изготовителей и зависит от:

• типа котла;
• его конструкции;
• назначения;
• габаритов и т. п.

Если таких инструкций нет, то следует пользоваться инструкцией, разработанной механико-судовой службой судовладельца и утвержденной в вышестоящих инстанциях. При составлении таких инструкций необходимо руководствоваться приближенными данными, приведенными в Правилах технической эксплуатации паровых котлов на судах флота рыбной промышленности России.

Розжиг котла производят основным видом топлива (мазутом) или растопочным топливом (дизельным), если у котла имеется специальное растопочное устройство. Если мазут холодный и подогреть его нет возможности, розжиг производят растопочным топливом. Большинство промысловых судов имеет систему для розжига котлов дизельным топливом. Перед пуском котла необходимо тщательно провентилировать топку, для чего следует открыть воздухонаправляющие устройства и включить вентиляторы. Пocлe вентиляции воздухонаправляющие устройства всех форсунок закрыть, оставить лишь открытым воздухонаправляющее устройство у растопочной форсунки, а если ее нет – у одной из форсунок котла. Зажигают форсунку вручную факелом. Длина железного прута факела должна быть равна 1 м. При введении факела в топку котельный машинист во избежание ожогов должен стоять в стороне от отверстия, в которое вставляется факел. Если за две повторных попытки котел разжечь не удалось, необходимо выяснить и устранить причину этого, провентилировать топку и повторить все сначала.

В котлах для розжига котла вместо открытого факела все чаще используют специальные запальные устройства. В основном это электровоспламенители, одна из конструкций которых приведена на рис. 18.

В корпусе электровоспламенителя 3 установлена электромагнитная катушка 1. От источника тока напряжением 24-36 В один провод подведен к катушке 1, а второй подсоединен к угольному электроду 7. При включении тока катушка втягивает сердечник 4, соединенный с электродом 6, сжимая при этом пружину 2. Натяжение пружины и сила электромагнитного поля катушки 1 отрегулированы таким образом, чтобы между угольными электродами 6 и 7 поддерживался определенный зазор, необходимый для устойчивого горения дуги между ними. К корпусу электровоспламенителя 3 крепится защитный кожух электродов 5.

Если у котла имеется несколько топочных устройств, то каждую форсунку зажигают отдельно в установленном порядке. Электровоспламенитель при розжиге котла вставляется в отверстие для факела. После розжига необходимо отрегулировать горение так, чтобы пламя распространялось равномерно по отношению к нагревательным поверхностям котла и не ударяло в трубы и кирпичную кладку. При появлении пара из воздушного крана его нужно перекрыть.

С момента включения форсунок и до достижения рабочего давления необходимо постоянно продувать водоуказательные стекла для равномерного их прогрева. Пocлe того как давление в котле поднимается до 0,3-0,4 МПа, начинают прогревать паровую магистраль, затем подают пар к подогревателю мазута и некоторым другим вспомогательным механизмам. До подачи пара к потребителям включают рабочую форсунку и выключают растопочную. При давлении пара не более 0,5 МПа тщательно осматривают фланцы, лазы, горловины и при необходимости осторожно обжимают их ключом под наблюдением котельного механика.

Работу предохранительных клапанов проверяют при рабочем давлении путем подрыва их вручную. Разводка холодного котла нередко сопровождается скоплением мазута в нижней части топки, что способствует разрушению кирпичной кладки и создает опасность в пожарном отношении. Поэтому скопившийся мазут необходимо своевременно удалить. По достижении рабочего давления в котле подъем пара считается законченным, после чего повторно проверяют исправность действия:

• предохранительных клапанов;
• водоуказательных приборов;
• средств питания;
• пробных кранов;
• кранов верхней и нижней продувки;
• а также производят верхнюю продувку котла.

Перед включением в работу котла уровень воды в нем не должен превышать рабочего, в противном случае вода может попасть в паропровод вместе с паром. Пар к потребителям подается по паропроводам, которые предварительно прогревают для предотвращения гидравлических ударов и повреждения фланцевых соединений паропроводов и самих труб. Паровые магистрали прогревают и продувают медленно и осторожно, для чего клапаны свежего пара открывают медленно, а закрывают быстро. Главную паровую магистраль прогревают в течение 15-20 мин при открытых кранах продувки.

Во время работы котла особое внимание уделяют поддержанию рабочего уровня воды в нем, так как упуск ее может привести к серьезной аварии и длительному выводу котла из эксплуатации. Колебания уровня допускаются между верхней и нижней кромками водоуказательного стекла. При падении уровня воды в котле ниже допустимого нужно немедленно выключить форсунки, доложить о случившемся вахтенному механику и действовать согласно его указаниям. При этом котел должен быть защищен от быстрого и неравномерного охлаждения. Последующий его ввод в действие разрешается производить после осмотра котла старшим механиком. При наличии дистанционных (сниженных) указателей уровня воды не следует полагаться только на них, так как их показания необходимо проверять по основным водоуказательным приборам, установленным непосредственно на котле. Вахтенный котельный машинист должен быть особенно внимательным при управлении питанием котла в штормовую погоду, когда уровень воды в нем сильно колеблется. В этом случае колебание уровня в водоуказательном приборе (вверх и вниз) относительно среднего (рабочего) уровня должно быть одинаковым.

Действие водоуказательных приборов и водопробных кранов следует проверять при приеме вахты не менее двух раз за вахту и во всех случаях, вызывающих сомнение в их исправности. При исправном водоуказательном приборе уровень воды в нем постоянно колеблется. Если уровень воды стоит неподвижно или поднялся выше верхнего уровня, стекло необходимо немедленно продуть. При выходе из строя одного из водоуказательных приборов необходимо усилить контроль за уровнем воды в котле по второму водоуказательному прибору, продувая его не реже, чем через каждые 10 мин. Работа водотрубных котлов с одним водоуказательным прибором свыше 30 мин и огнетрубных свыше 1 ч запрещается. За это время необходимо устранить неисправность, для чего каждый котел должен иметь не менее одного запасного водоуказательного прибора, готового к немедленной установке на котел и находящегося всегда в котельном отделении.

В случае выхода из строя двух водоуказательных приборов котел немедленно выводят из эксплуатации для устранения дефектов.

При повышении солености котловой воды выше нормы возможны:

• резкие и быстрые колебания уровня в водоуказательном приборе;
• резкие колебания температуры перегретого пара;
• шум и удары в паропроводе;
• и появление течи через их фланцевые соединения.

Все эти признаки указывают на вскипание воды в котле и унос ее в паропровод. Поддержание завышенного уровня воды в котле, ее загрязнение усиливают явления вскипания и уноса воды в паропровод. В этом случае необходимо уменьшить нагрузку котла, прикрыть стопорные клапаны и сделать анализ котловой воды, по результатам которого принять соответствующие меры.

При форсированной работе котла во время маневрирования, а также при чрезмерном загрязнении котловой воды уровень ее рекомендуется держать несколько ниже рабочего во избежание вскипания.

Попадание масла в котел обычно вызывает резкие колебания уровня воды в водоуказательном приборе. Слой плавающего масла часто виден в стекле. При небольшой напряженности работы котла попавшее в котел масло удаляют дополнительными верхними продувками. При появлении масла в водоуказательных приборах котлов, работающих с большой интенсивностью, их следует вывести из работы для очистки.

Загрязнение котловой воды мазутом сопровождается теми же явлениями, что и при попадании масла, с той лишь разницей, что процесс загрязнения котловой воды мазутом может произойти очень быстро. Мазут в котел может попасть сразу в больших количествах, а поэтому такое загрязнение является очень опасным. При попадании мазута котел необходимо немедленно вывести из работы и устранить причины загрязнения котловой воды.

В процессе работы котел периодически продувают для снижения солесодержания котловой воды до нормальных пределов и удаления посторонних примесей. В котлах имеются устройства для верхней и нижней продувки.

Верхняя продувка производится для регулирования солесодержания котловой воды и удаления с ее поверхности масла и плавающего шлама, нижняя – для периодического удаления из котла выпадающего шлама, а также в случае необходимости вывода большого количества котловой воды при сильном изменении ее качества.

При внутрикотловой обработке с помощью нижней продувки поддерживается в заданных пределах щелочность и плотность котловой воды. Продувать котлы должен котельный механик, для чего предварительно снижают нагрузку котла и усиливают наблюдение за уровнем воды в нем, который не должен опускаться ниже 1/4 высоты водоуказательного прибора.

Нижнюю продувку водотрубных котлов следует производить очень осторожно, в несколько приемов с открытием клапана продувки на короткий срок (10-15 с), чтобы не нарушить циркуляцию воды в экранах. Продувать котел рекомендуется при малых нагрузках и очень быстро. Одновременно разрешается продувать лишь один котел, предварительно убедившись, что неработающие котлы разобщены с трубопроводами продувки.

Периодическая верхняя продувка действующего котла производится при рабочем давлении, для чего уровень воды в нем предварительно повышают на 10-15 мм выше среднего. Продувку котла заканчивают, когда уровень воды в нем понизится до нормального (среднего). Продувку рекомендуется производить импульсами, в несколько приемов, так как это повышает ее эффективность.

Сроки продувок и количество удаляемой из котла воды зависят от результатов анализов котловой воды и устанавливаются инструкцией по ведению водного режима котлов, но не реже одного раза в сутки для верхней продувки и одного раза в пять суток – для нижней продувки. Качество котловой воды регулируется величиной объема продуваемой воды. Изменять установленный график продувок котлов не разрешается.

При работе котла одна из основных обязанностей обслуживающего персонала заключается в поддержании полного рабочего давления пара в котле с допустимыми отклонениями ±0,5 МПа. Это достигается изменением подачи топлива (и воздуха) в топку за счет изменения числа работающих форсунок или регулирования их производительности. Регулируемые (ротационные и паровые) форсунки позволяют изменять подачу топлива в широких пределах. Производительность нерегулируемых форсунок можно изменять, меняя давление мазута перед форсунками. В этом случае производительность форсунки не может быть менее 70 % от номинальной без ухудшения качества распыливания. При необходимости дальнейшего уменьшения подачи топлива меняют распылители форсунок, пропускная способность которых зависит от числа тангенциальных каналов и диаметра прожимного отверстия. Поддержание полного рабочего давления пара в котле повышает экономичность работы всей паросиловой установки, обеспечивает развитие паровой машиной (турбиной) необходимой мощности.

Манометры, установленные на котле, проверяют на каждой вахте при помощи трехходового крана или клапана. При сообщении манометра с атмосферой его стрелка должна стать в нулевое положение, а при подключении его к котлу – занять прежнее положение. Если стрелка не проходит в нулевое положение, такой манометр необходимо заменить исправным.

При использовании неисправного манометра (до замены) обслуживающий персонал должен руководствоваться наибольшими величинами его показаний.

В процессе эксплуатации котла ведут постоянное наблюдение за факелом в топке, его формой и цветом, а также за цветом дымовых газов, выходящих из трубы. Для этого на переднем фронте котла имеются специальные смотровые отверстия с синими стеклами. Пламя в топке должно быть прозрачным. При правильном горении в смотровых отверстиях виден задний фронт пламени. Распыливание топлива должно быть ровным, без брызг и потемнений. Струя распыленного топлива сгорает в топочном объеме и не попадает на обмуровку стен из огнеупорного кирпича. Пламя факела должно иметь плавную форму и быть светло-оранжевого цвета. Из дымовой трубы должен выходить едва заметный дым. Все это свидетельствует о полном сгорании топлива при минимальном коэффициенте избытка воздуха.

Котел выводят из действия на короткое время и на длительный период. В первом случае котел должен быть готовым к быстрому подъему пара, а во втором – он находится на хранении (консервации). При остановке котла на короткое время его можно содержать с водой или без воды.

Вывод котла из действия производят последовательным выключением форсунок, закрытием воздушных регистров (заслонок) при одновременном уменьшении подачи мазута насосами, воздуха вентиляторами и пара к подогревателям мазута. После выключения последней форсунки и прекращения огня в топке останавливают мазутные насосы, прекращают подогрев мазута и останавливают котельный вентилятор. Подачу пара к паромеханическим и паровым форсункам прекращают только после продувки их от остатков мазута.

После прекращения горения в топке форсунки снимают и очищают от грязи. Неработающие форсунки не должны оставаться в топочном устройстве.

Главный стопорный клапан закрывают и следят за давлением пара, которое должно медленно понижаться (травить пар не следует). Если в котле имеется пароперегреватель, его необходимо продуть.

Кроме вышеуказанных действий после прекращения горения в топке необходимо:

• обдуть водогрейные трубы и поверхности нагрева с газовой стороны, произвести верхнюю продувку и подпитать котел;
• произвести нижнюю продувку котла до уровня на 15-20 мм ниже рабочего, а затем подпитать котел несколько выше этой отметки для того чтобы при остывании котла уровень воды в нем не опустился ниже допустимого (при разводке);
• закрыть смотровые отверстия, регистры и заслонки воздухонаправляющих устройств для предотвращения проникновения воздуха в топку котла;
• ввести необходимое количество химических реактивов в соответствии с инструкцией по водному режиму котлов, принять меры для предотвращения попадания холодного воздуха в котельное отделение.

В случае необходимости экстренного вывода котла из действия производится следующее:

• прекращают горение в топке закрытием быстрозапорного клапана на трубопроводе, подводящем топливо к форсункам, и останавливают топливный насос;
• прекращают питание котла;
• закрывают главные и вспомогательные стопорные клапаны на котле, открывают вручную предохранительные клапаны для стравливания давления пара в котле;
• принимают меры для обеспечения равномерного и медленного остывания котла.

При необходимости быстрого охлаждения котла открывают регистры воздухонаправляющего устройства. Удалять воду из котла можно при охлаждении его до 60-70 °С.

Автор статьи

Виктор Свиридов

Судовой механик

Список литературы

1. Акимов П. П. Судовые силовые установки.
2. Богомольный А. Е. Судовые вспомогательные механизмы.
3. Коротков В. М. Учебник моториста первого класса промыслового флота.
4. Лубочкин Б. И. Морские паровые котлы.
5. Мещеряков Ф. Е. Основы холодильной техники и холодильной технологии.
6. Плаксионов Н. П., Верете А. С. Судовые турбинные установки.
7. Фильченко В. П., Шабанов А. А. Судовые котельные установки флота рыбной промышленности.
8. Правила обслуживания судовых дизелей и ухода за ними.- М.: Транспорт.
9. Правила технической эксплуатации паровых котлов на судах флота рыбной промышленности.- Л.: Транспорт.
10. Правила обслуживания судовых вспомогательных механизмов и ухода за ними.- Л.: Транспорт.
11. Наставление по предотвращению загрязнения моря нефтью.- Л.: Транспорт.