Котлы делятся на четыре основные типа: электрические, огнетрубные (FT, Fire Tube Boilers), водотрубные (WT, Water Tube Boilers) и котлы с ядерным реактором. Последующая разбивка по типу производится на основании конструкции, показателей давления, рабочих параметров и области применения.
Котлы могут быть как водогрейными, так и парогенераторными, предназначенными для использования на суше, локомотивах или морских судах, переносными (смонтированными на передвижной платформе) или стационарными. Для увеличения мощности, котлы ограниченной мощности поставляются в комплектных установках и обвязываются на месте установки.
Первые три типа котлов могут использоваться для коммерческих, институциональных или промышленных применений. Для выработки электроэнергии используются только водотрубные котлы и котлы с ядерными реакторами. Водотрубные котлы наиболее распространены в эксплуатации на нефтеперерабатывающих предприятиях, электростанциях и нефтехимических заводах.
Для большинства крупных промышленных предприятий по всему миру обычно используются котлы FT или WT.
Электрические котлы с небольшим количеством горячей воды и парогенераторами низкого давления используются в пекарнях, котлах с рубашками и другом кухонном оборудовании, винных заводах, пивоварнях, текстильных изделиях, прачечных, увлажнителях, паровых банях, фармацевтических препаратах и предлагают значительные преимущества перед котлами на ископаемом топливе.
Как правило, конструкции электрических котлов ограничены мощностью до 600 кВтч. Однако в случаях крупномасштабной промышленности и локациях с дешевым электричеством, проекты электрокотлов варьируются от 12 000 до 24 000 кВтч и более.
В этом типе котлов, вода подается в основной барабан, в котором трубы установлены горизонтально от одного конца до другого и связаны с трубной решеткой с одной из сторон барабана. Горелка установлена с противоположной стороны и пламя направлено внутрь труб. Топочный газ может делать один или несколько проходов и нагревать воду вокруг труб.
Существуют различные типы огнетрубных котлов, предназначенных для разных видов использования, однако, на перерабатывающих предприятиях обычно используется тип котлов, показанный на Рис. 1-1.
Стандартный огнетрубный котел
Огнетрубные котлы подразделяются на три группы. Горизонтальные котлы с обратными дымогарными трубами (HRT, Horizontal return tubular) обычно оснащены автономным режимом и отдельной камерой сгорания. Шотландские паровые, цилиндрические огнетрубные и жаротрубные котлы оснащены дымогарными трубами и камерой сгорания, установленными в одном корпусе. Котлы с топочной коробкой оснащены ватержакетной печью и используют, в большинстве своем, три прохода топочного газа.
Водотрубные котлы преобразуют тепло от сжигания топлива в топочной камере для выработки горячей воды или пара (часто при очень высоком давлении и температуре). Однако, в отличие от огнетрубных котлов, вода удерживается внутри труб, а тепло от горячих газов течет через стенки труб снаружи.
Преимущество водотрубных котлов заключается в том, что трубы котла любого диаметра имеют большую поверхность нагрева, чем трубы огнетрубного котла. Это связано с тем, что поверхность нагрева труб водотрубного котла представляет собой большую внешнюю стенку, в отличии от огнетрубных котлов.
Конструкция водотрубных котлов обеспечивают гораздо большую мощность, давление и универсальность, чем огнетрубные котлы, из-за разделения частей, работающих под давлением, и возможности переукомплектовывать компоненты котла в самые разные конфигурации. Производительность пара может составлять от 650 кг / час до нескольких миллионов кг / час.
Паровые барабаны используются в рециркуляционных котлах, работающих при докритических давлениях. Основное назначение парового барабана – отделение насыщенного пара от пароводяной смеси, попадающей в барабан. Вода без пара рециркулирует в котле вместе с технологической водой для генерации пара. Насыщенный пар удаляется из барабана при помощи групп выходных сопел, из которых пар попадает в перегреватель для дальнейшего нагрева.
Насыщенный пар – это чистый пар, чья температура соответствует температуре кипения при конкретном давлении.
Паровой барабан используется в следующих целях:
– Перемешивание насыщенной воды, остающейся после пароотделения, с технологической водой
– Смешивание химреагентов, впрыскиваемых в барабан для контроля коррозии и обработки воды
– Очистка пара путем удаления загрязнений и остаточной влаги
– Предоставление источника для системы продувания, где часть воды отводится для контроля химического состава котельной воды и уменьшения содержания частиц
– Для обеспечения приспособления к любым резким изменениям нагрузки котла и хранения воды.
Наиболее важная функция парового барабана – разделение воды и пара. Сепарация под действием силы тяжести достигается посредством большой площади пароводяной поверхности внутри барабана. Этот вариант не является экономичным, так как для него необходимы паровые барабаны большего размера, а, следовательно, использование механических устройств разделения – лучший выбор для разделения воды и пара.
Разработка ядерного реактора началась в 1940-х годах, после демонстрации ядерного деления Энрико Ферми в 1942 году. С 1950-х годов атомные котлы всё чаще используются для выработки электроэнергии. Ядерная энергия также широко используется для морской службы как на коммерческих, так и на военных суднах. Сердцем системы котельной АЭС является активная зона реактора, в которой происходит процесс ядерного деления. Деление ядер – это разделение ядра на два или более отдельных ядер. Деление обычно происходит при бомбардировке нейтронными частицами и сопровождается выделением очень большого количества энергии, дополнительных нейтронов, радиоактивного материала и других частиц. Генерация новых нейтронов при делении делает возможным процесс цепной реакции и последующее использование ядерной реакции для обеспечения выработки электроэнергии. Требуемое в реакторе ядерное топливо изменяется в зависимости от используемой технологии, но включает в себя как природные нуклиды, такие как Уран 232, Уран 238 и Торий 232; и искусственные нуклиды, такие как Торий 233 и Уран 235.
Водотрубные котлы используются на большинстве промышленных установок из-за условий производительности и безопасности.
С точки зрения возникновения взрыва, водотрубные котлы являются более надежными по сравнению с огнетрубными котлами, потому что барабан не подвергается воздействию лучистой теплоты сгорания. При разрыве трубок существует лишь относительно небольшой объем воды, которая может мгновенно парообразоваться.
Проверка, очистка и техническое обслуживание котлов сравнимы для современных водотрубных и огнетрубных котлов, но водотрубные котлы, как правило, требуют большее количество человеко часов оператора, просто потому, что они, как правило, физически больше. Другим общим правилом является то, что системы водотрубных котлов требуют более высококвалифицированного оператора из-за их большей сложности.
Водотрубные котлы установлены в коммерческих и институциональных зданиях, небольших производствах, крупных промышленных предприятиях. По сути, электроэнергетика является крупнейшим потребителем мощности водотрубных котлов в мире.
Более мелкие водотрубные котлы выпускаются в виде комплектных установок заводской сборки, в то время как крупные котлы строятся секциями и отгружаются для монтажа на месте установки. Крупнейшие полевые котлы могут обеспечивать пар, перегретый до 593 °C (1100 ° F) и при давлениях свыше 20 МПа (MPa).
Огнетрубные бойлеры подразделяются на три группы. Горизонтальные котлы с обратными дымогарными трубами обычно оснащены автономными горизонтальными дымогарными трубами и отдельной камерой сгорания. Шотландские паровые, цилиндрические огнетрубные и жаротрубные котлы оснащены дымогарными трубами и камерой сгорания, установленных в одном корпусе. Котлы с топочной коробкой оснащены ватержакетной печью и используют, в большинстве своем, три прохода топочного газа.
Типовой водотрубный котел
Паровой барабан с трубчатыми отверстиями
Водотрубные котлы, работающие на жидком топливе и природном газе, по геометрии труб подразделяются на три класса. В конструкции (A – блочный водотрубный котел) предусмотрены два небольших нижних барабана и верхний барабан большего размера для отделения влаги от пара. В конструкции (D), являющейся самой распространенной, предусмотрены два барабана и камера сгорания большого объема. От ориентации труб котла (D) зависит конфигурация – левосторонняя или правосторонняя. В конструкции (O) конфигурация труб котла позволяет свести размер участков поверхности труб, воспринимающих лучистое тепло, к минимуму.
(A) блочный водотрубный котел
(D) водотрубный котел
(О) водотрубный котел