Водотрубный котел: устройство, принцип работы в промышленной энергетике

Котельное водогрейное оборудование широко распространено в промышленности, где ценится высокая производительность генераторных установок. Такие агрегаты в основном применяют для технологических операций – например, для выработки пара за счет испарения воды. Но не исключается и возможность бытовой эксплуатации, если нужно организовать ГВС на несколько крупных потребителей. В числе наиболее оптимизированных парогенераторных конструкций можно отметить водотрубную. Котел такого типа не уступает многим аналогам по объемам выпуска за единицу времени, но его устройство обуславливает множество ограничений по эксплуатации в тесных условиях.

Устройство агрегата

Наиболее распространена конструкция с двумя барабанами (коллекторами) в основе. Это металлические резервуары, которые соединяются между собой трубами разных диаметров. Также обязательным компонентом является камера сгорания или топка, генерирующая тепловую энергию. К остальным элементам конструкции относятся:

• Патрубок для подвода топлива (как правило, жидкостного).
• Циркуляционные коммуникации для воды.
• Входы и выходы для воды.
• Выпускной канал для слива воды.
• Перегородки (если речь идет о замкнутой системе котла в защитном корпусе).
• Дымоход.
• Паровой сепаратор.

Большинство элементов конструкции водотрубного котла изготавливается из жаростойкого стального сплава. Встречаются и чугунные модели, но их можно использовать, если условия эксплуатации допускают установку тяжеловесных агрегатов. Трубчатые и фурнитурные элементы частично могут выполняться и на основе огнестойкой керамики, которая практичнее металла. Окно топки и ряд других зон возможного наблюдения изготавливают из жаростойкого стекла, прошедшего закалку.

Вспомогательные элементы конструкции

Опционально в состав котла могут входить и дополнительные устройства, расширяющие возможности и удобство применения оборудования. В их числе можно отметить следующие приспособления:

• Пароперегреватель. Предназначен для наращивания температуры пара до 100 °C и выше. Сама по себе конструкция водотрубных агрегатов не ставит целью доведение температурного режима пара до определенных величин. Как правило, целевой точкой работы является именно эффект испарения. В свою очередь, конвекционные пароперегреватели в зависимости от модели способны доводить температуру выходной смеси до 500 °C, что может потребоваться в некоторых технологических операциях на производствах.
• Влагоотделитель. Тоже средство для подготовки пара, которое делает его сухим, выводя излишнюю влагу.
• Паровой аккумулятор. Если водотрубный котел не справляется с нагрузками или, напротив, в минимальных объемах заполняет паровую камеру, сбалансировать рабочий режим поможет данное устройство. Аккумулятор отбирает или нагнетает паровые потоки в систему, когда это необходимо.
• Устройство для водоподготовки. Вода, как источник генерации, тоже нуждается в соответствующей обработке. Например, специальная система фильтров понижает объем растворенного кислорода, удаляет соли и нежелательные химические реагенты.
• Сегодня все реже обходится без автоматических средств управления, но они же поставляются в базовой комплектации с оборудованием. Можно лишь приобрести расширенный комплект контрольно-измерительных приборов, которые позволят комплексно отслеживать параметры давления, температуры, влажности и т. д.

Принцип действия

В исходном положении два барабана заполняются водой – один полностью (водяной), а второй (паровой) наполовину. Во втором коллекторе внутри предусматривается разделительная мембрана, отделяющая воду от пара. Данная граница называется зеркалом испарения. Рабочий процесс начинается с момента разгорания топки, которая сопряжена с теплообменником в виде трубчатой системы с циркулирующей водой. Горячая вода поступает в первый барабан, поддерживая в нем достаточный объем.

Параллельно начинается процесс испарения жидкости в паровом коллекторе водотрубного котла. Принцип работы агрегата основывается на конвективном теплообмене, который может выполняться в естественном безостановочном режиме. Холодная вода из системы центрального водоснабжения проходит базовый уровень фильтрации, затем поступает в теплообменную систему и направляется в барабан нагрева. Далее в зависимости от темпов испарения жидкость постепенно восполняет уровень наполнения парового коллектора. Пар, в свою очередь, или выпускается через дымоход, или же поступает в технологическую зону дальнейшего применения.

Отличия от жаротрубного котла

Разница между этими агрегатами заключается в конфигурации размещения камеры сгорания или в принципе источника тепловой энергии относительно теплообменника и емкости с водой. Во-первых, совсем не обязательна генерация пара. Жаротрубный котел в основном работает на обогрев водой, обеспечивая функцию системы ГВС. Во-вторых, у таких котлов топка размещается в центре конструкции, а емкости с контурами циркуляции воды носят прикладной характер. Они соприкасаются с теплообменником на внешней поверхности конструкции.

Но не только этим отличаются жаротрубные и водотрубные котлы. Разница проходит и по средствам регуляции теплообменного процесса. В конструкции водотрубного агрегата предусматривается экономайзер, благодаря которому изначально холодная вода подвергается предварительному нагреву. Соответственно, дальнейшие реакции теплообмена проходят интенсивнее и с меньшим объемом энергозатрат. С другой стороны, к преимуществам жаротрубного оборудования относят конструкционную простоту и минимальный объем обслуживающих мероприятий при эксплуатации.

Отличия от газотрубного оборудования

В водотрубных агрегатах непосредственным транслятором тепловой энергии выступает горячая вода, наполняющая циркуляционные трубы теплообменника. Получается эффективный и безопасный генератор, который способствует выработке пара. Что касается газотрубных котлов, то техническое исполнение даже внешне может отчасти соответствовать водотрубным конструкциям. Разница заключается лишь в том, что носителем тепловой энергии будут выступать отработавшие в камере сгорания газы. Как это влияет на эксплуатационный процесс? Если принцип работы водотрубного котла допускает полный расход продуктов выработки без остатков до момента испарения и дальнейшего использования пара, то газотрубный котел уже в системе теплообменника должен будет выпускать рабочую газовую среду. Причем для этого предусматриваются толстые патрубки для обеспечения безопасности процесса.

Разновидности водотрубного котла

Основным классификационным признаком является расположение коллекторов. Традиционно конструкции оснащаются горизонтальными барабанами, которые удобно подключать к циркулирующим водоснабжающим контурам. Два коллектора устанавливаются на платформе параллельно, а между ними может размещаться топка с отводными каналами. Если же в техническом помещении недостаточно места, то используются вертикальные водотрубные котлы на специальной коммуникационной подложке. Барабаны цилиндрической формы устремляются вверх, а снизу подводится рабочая жидкость с разными показателями температур. Технологический пар выводится в верхней части.

Судовой водотрубный котел

Конструкция таких агрегатов оптимально подходит для использования в составе морского транспорта. Но и в этом случае используются особые модификации котлов – радиационные. Их отличительной чертой является применение радиационной тепловой энергии, которая так же выделяется в процессе сгорания топлива (обычно дизеля). Обязательное конструкционное условие – верхнее расположение форсунок топки. Еще одной особенностью устройства водотрубного котла для морских судов является совмещение с паротурбинными установками, обеспечивающими промежуточный подогрев пара.

Техническое обслуживание оборудования

Коммуникационная инфраструктура с элементами обвязки достаточно сложна у водотрубных агрегатов, что обуславливает обширный перечень технических мероприятий при диагностике и ремонте. Обслуживающий персонал должен периодически проверять состояние труб на герметичность, производить дефектоскопию функциональных узлов и автоматических средств контроля, а также поддерживать надежность соединений с крепежными элементами. Особое внимание уделяется обвязке теплообменника и коллекторов – малейшие перепады в давлении могут повредить конструкцию, что создаст условия для разгерметизации контура.

Плюсы конструкции

Самое главное достоинство таких котлов в общем семействе паровых агрегатов – это безопасность. Поддерживая оптимальный температурный баланс, можно рассчитывать на долгосрочную эксплуатацию оборудования без аварий и повреждений рабочих органов. Отмечаются и широкие регуляционные возможности водотрубного кота, что подтверждается интеграцией экономайзера с автоматической запорной арматурой. Устройства срабатывают без участия оператора, опираясь на данные установленных алгоритмов термостата. Это дает возможность программировать работу системы на несколько дней вперед.

Минусы конструкции

Принцип работы таких котлов ориентирован на высокую производительность независимо от условий применения. В последнее время этот нюанс играет все большую роль на фоне оптимизации и рационализации производственных мощностей. Массивный корпус и многоуровневые коммуникационные развязки паровых водотрубных котлов заставляют искать альтернативные решения задач парогенерации. Впрочем, не исключается и концепция минимизации устройства данного котла. Но в этом случае будет утрачен высокий КПД, не говоря о возможностях работы в режиме когенерации с параллельным обеспечением работы ГВС. Иными словами, оборудование оптимально подходит для крупных производств, нуждающихся в больших объемах технологического пара, но едва ли пригодится для снабжения потребителей с низкими запросами к целевой энергии.

Заключение

Принципиальным отличием самой концепции водотрубных котлов является принадлежность к классу прямоточного оборудования. Такие установки имеют существенное преимущество перед автономными системами, которое заключается в возможности непрерывного процесса генерации. Даже на пиковом рабочем режиме водотрубные водогрейные котлы способны функционировать длительное время поддерживая то же качество выработки пара. Другое дело, что требования безопасности все же исключают длительные сеансы эксплуатации на высоких мощностях. Что касается автономности, то она применительно к таким котлам выражается в исключении необходимости энергообеспечения. Разумеется, запорная арматура будет нуждаться в питании хотя бы от аккумулятора, но сам процесс циркуляции воды и последующего испарения вполне обходится без электроэнергии.