Эксплуатация судовых энергетических установок

Затраты на изготовление, например, отечественных водотрубных котлов определяются стоимостью:

– барабанов, коллекторов и парообразующих труб - 40-50 %,

– обшивки - 15-25 %,

– топочных и сажеобдувочных устройств -10-15 %,

– элементов САР и защиты - до 10 %

– арматуры - 3-5 %.

Затраты на техническое обслуживание (профилактику и ремонт) судовых котлов также можно отнести к показателям экономичности. Эти затраты обычно рассматривают и как один из важных показателей надежности.

Основные требования, предъявляемые к судовым котлам.

Паровой котел морского судна должен иметь:

– высокую надежность;

– простую и удобную в обслуживании конструкцию;

– высокую экономичность;

– возможно меньшие габарит и массу;

– высокую готовность к немедленному действию и длительным перегрузкам.

Кроме того, судовой котел должен удовлетворять требованиям эргономичности, эстетичности, технологичности, патентоспособности, стандартизации и унификации. Контрольные вопросы и задания

1. Перечислить потребители пара машинные и общесудовые.

2. Дать классификацию судовых котлов.

3. Каковы основные требования) предъявляемые к судовым котлам?

4. Назвать основные показатели судовых котлов.

5. В чем заключается сущность принципа термодинамической целесообразности, лежащего в основе выбора параметров пара?

Потребители пара

Потребителями пара (перегретого) на судне могут быть в первую очередь тепловые двигатели - паровые турбины всех назначений, преобразующие тепловую энергию пара в механическую. Кроме того потребителями насыщенного пара могут быть системы подогрева топлива и масла (обогрев топливных цистерн всех назначений, паровые спутники трубопроводов, подогрев перед сепарацией и т.п.); паромеханические форсунки, сажеобдувочные устройства, системы очистки котлов; испарительная установка, подогреватели сепараторов льяльных вод. Общесудовыми потребителями пара являются подогреватели пресной и забортной воды; системы отопления жилых и служебных помещений. Обеспечение паром систем обогрева балластных танков, кингстонных ящиков, патрубков забортной воды, якорей и систем паротушения способствует росту безопасности судна. Кроме того пар может использоваться в технологических схемах перевозки грузов: системах обогрева и мойки грузовых танков на танкерах, привода грузовых насосов, подогрева воздуха в системах вентиляции грузовых помещений.

Для вспомогательных турбоприводов на судах используется перегретый пар давления 3 - 3,5 МПа и температурой 300 - 350°С. Для главных паровых турбин с целью повышения их эффективности используется перегретый пар более высоких параметров (давление 8-10 МПа и температура 510 - 520°С). Для большей части судовых потребителей, в которых пар в процессе теплообмена изменяет свое агрегатное состояние (конденсируется), целесообразно понижать его начальное давление и температуру. Объясняется это тем, что при снижении давления возрастает теплота парообразования, передающаяся нагреваемой среде при конденсации пара. Поэтому для указанных потребителей используют насыщенный пар давлением 0,5 - 0,7 МПа. На теплоходах, где кроме обычных потребителей насыщенного пара установлены турбоприводные механизмы, используется пар двух уровней давления - перегретый давлением до 1,5 МПа (реже до 3 МПа) и насыщенный давлением 0,5 МПа (для понижения давления используют редукционные устройства).

4.6 Устройство водотрубных котлов

Простейший водотрубный котел (рис. 14) состоит из двух цилиндрических барабанов, соединенных трубками. Трубки заполнены водой и обогреваются горячими газами, которые получаются в результате сгорания топлива.

Пространство котла, в котором находится вода (нижний барабан, трубки и часть верхнего барабана), называется водяным, а то, в котором находится пар, - паровым. Поверхность, разделяющая водяное и паровое пространство, называется зеркалом испарения.



Рис. ?14. Устройство простейшего парового котла

Топливо сгорает в топке б, снабженной мазутными форсунками 8. Воздух, необходимый для сгорания топлива, поступает через отверстия 7 воздухонаправляющего устройства.

Поверхность, с одной стороны обогреваемая горячими газами, а с другой омываемая водой, называется поверхностью нагрева котла. В рассматриваемом котле большая часть поверхности нагрева образована трубками 5. Поверхность нагрева должна иметь конфигурацию, обеспечивающую хорошее омывание ее продуктами сгорания топлива.

Низший допускаемый уровень воды в котле, должен быть на 150 мм, (при крене до 5°) выше уровня обогреваемого горячими газами. Для уменьшения тепловых потерь барабан котла покрывают слоем изоляции из материала, являющегося плохим проводником теплоты.

Для непрерывной и безопасной работы котел снабжен комплектом приборов и устройств, называемых арматурой. Паровой котел должен иметь манометр, указывающий давление пара. На шкале манометра красной чертой отмечено наибольшее допускаемое давление. Для контроля за уровнем воды служит водомерное стекло 4. Правила Регистра требуют установки на котле двух водомерных стекол. Мощные паровые котлы большой высоты снабжены сниженными указателями уровня.

К арматуре парового котла относятся также запорные устройства. В месте отбора пара из котла установлен главный запорный клапан 2. Иногда для отбора из котла небольшого количества пара для вспомогательных нужд предусматривается вспомогательный запорный клапан с уменьшенным проходным сечением. Для подачи воды к котлу присоединена труба 3 с питательным клапаном. Если давление в котле превышает допускаемое, то пар стравливается в атмосферу через предохранительный клапан /. По Правилам Регистра таких клапанов должно быть два. Для удаления воды при очистке или ремонте котла, а также для частичного продувания во время работы на спускной трубе 9 установлен клапан нижнего продувания. Иногда предусматривается также клапан верхнего продувания, через который во время работы котла можно удалить загрязненный верхний слой воды.

Чтобы улучшить использование теплоты продуктов сгорания топлива, паровой котел может иметь дополнительные поверхности нагрева: пароперегреватель для перегрева образованного в котле насыщенного пара; водяной экономайзер для подогрева питательной воды; воздухоподогреватель для подогрева воздуха поступающего в топку. В установках с повторным перегревом пара имеются два пароперегревателя.

Пароперегреватель, экономайзер и воздухоподогреватель характеризуются, как и собственно котел, величиной поверхности нагрева. Этой поверхностью считается поверхность, омываемая с одной стороны газами, а с другой - паром для пароперегревателя, водой для экономайзера и воздухом для воздухоподогревателя.

Конструкция котлов Тейлор Д.А. Основы судовой техники. М.: Транспорт. 1987. - 320 с.

Существует два различных типа котлов: водотрубный и огнетрубный. В водотрубном котле вода проходит через трубки, а горячие газы омывают их снаружи. В огнетрубном котле через трубки проходят горячие газы, а питательная вода омывает их. Практически существует множество вариантов водотрубных и огнетрубных котлов

Если в энергетической установке используется паросиловой цикл, то на судне устанавливают один или несколько водотрубных котлов для получения пара, обладающего большим давлением и температурой. На дизельном судне имеется один небольшой, обеспечивающий получение пара для различных судовых нужд..

Для работы котлов применяется питательная вода. Пар, обладающий высокой температурой и давлением, получается в результате преобразования энергии, выделяющейся при сгорании топлива. Все котлы имеют топку или камеру сгорания, в которую для осуществления процесса сгорания подается воздух. Энергия сгораемого топлива в виде теплоты передается воде через поверхность, разделяющую топку котла и его водяное пространство. Эта поверхность имеет большую площадь для более интенсивной передачи теплоты нагреваемой воде. Котел должен иметь барабан или коллектор, в котором пар и вода могли бы отделяться один от другого. Кроме того, необходимо иметь ряд приборов и устройств для того, чтобы подача топлива, воздуха и питательной воды в котел производилась в оптимальный пропорции. Необходимы также приспособления и устройства для обеспечения безопасной работы котла.

В процессе парообразования питательная вода, поступающая в котел, нагревается и превращается в пар. Вода циркулирует между паровым и водяным коллекторами и в процессе циркуляции нагревается. Часть воды проходит по трубкам, окружающим топку, т. е. по боковым и донным трубкам экрана, в которых она также нагревается, и возвращается в паровой коллектор. В коллекторе пар отделяется от воды и может быть взят оттуда для дальнейшего использования.

На рис. ?4. 3, для примера показан котел радиационного типа. Топка и внешняя камера окружены газонепроницаемыми водяными трубными стенками. В этом котле нет традиционного пучка испарительных трубок.



Рис. ?4.3. Котел радиационного типа: а -- вертикальный разрез; б -- горизонтальный разрез; 1 -- распределительный коллектор; 2 -- смотровое окно; 3~ лаз; 4 -- топка с газонепроницаемыми водяными трубными стенками; 5 -- форсунки (3 шт.); 6 - подъемные трубки экрана; 7 - патрубок для входа воздуха; 8-алюминиевые стойки; 9 -- сажеобдувочное устройство; 10 - патрубок для входа воды; 11 -экономайзер; 12 -- патрубок для выхода воды; 13 -- кипящий экономайзер; 14 -- входной коллектор пароперегревателя первой ступени; 15 -- экран; 16 -- пароперегреватель первой ступени, 17 -- выходной коллектор пароперегревателя первой ступени; 18--выходной коллектор пароперегревателя второй ступени; 19 -- пароперегреватель второй ступени; 20 -- входной коллектор пароперегревателя второй ступени; 21 -- коллекторы экрана; 22 -- коллектор притопочного пучка трубок; 23 -- патрубок для выхода пара из пароперегревателя второй ступени

Горячие газы из топки через отверстие в нижней части экранной стенки выходят во внешнюю камеру. В ней располагаются конвекционные пучки первой и второй ступеней пароперегревателя. Температура пара на выходе регулируется пароохладителем, расположенным в паровом коллекторе.

Горячие газы после выхода из первой ступени пароперегревателя попадают на трубки кипящего экономайзера. Это теплообменник, в котором параллельно потоку газа в трубках проходит смесь пара и воды. И, наконец, перед выходом в дымовую трубу газы проходят через обычный экономайзер.

Радиационные котлы обычно применяются в паротурбинных установках с промежуточным подогревом пара. Пар после расширения в турбине высокого давления возвращается обратно в котел, в промежуточный пароперегреватель. Здесь пару сообщается дополнительная энергия, и затем пар направляется в турбину низкого давления.

Конструкция стенок топки. При решении проблем, связанных с применением огнеупорных материалов в кладке топки, особенно ее вертикальных стен, были созданы два варианта конструкции экрана, при использовании которых исчезает необходимость иметь кладку, непосредственно противостоящую действию пламени. Это так называемые тангенциальный экран или моноэкран.

Рис. 4,4. Конструкция экранированной стенки топки: а -- тангенциальный экран; б-моноэкран; 1-- трубки, плотно прилегающие одна к другой; 2 -- огнеупорная кладка; 3 --изоляция; 4 -- кожух; 5 -- наружный кожух; 6--трубка; 7 -- стальная полоса; 8 -- теплоизоляционная обшивка

В тангенциальном экране трубки плотно прилегают одна к другой, за ними располагаются слои огнеупорной кладки и изоляции, а затем листы кожуха котла (рис. 4. 4; а). В цельносварном экране между соседними трубками вваривается стальная полоса так, что стенка становится газонепроницаемой (рис. ?4. 4, б). В последнем случае за экраном достаточно иметь лишь слой теплоизоляции и кожух. При использовании цельносварных экранов исчезают недостатки, связанные с применением кирпичной кладки и необходимостью развальцовывать трубы в коллекторах. Но при этом в случае повреждения трубки необходимо производить сварочные работы. Можно было бы, конечно, заглушить поврежденную трубку с обоих концов, но тогда ее нужно защитить огнеупорным материалом, чтобы не повредилась находящаяся за трубкой изоляция. При использовании тангенциального экрана поврежденную трубку можно заглушить, и тогда ее не нужно вынимать для дальнейшей работы котла.

4.7 Огнетрубные котлы

Огнетрубные котлы обычно применяют для получения пара низкого давления для судовых нужд. Котлы работают по простому принципу, к воде для этих котлов требования невысокие. Иногда из-за большого объема воды в них их называют котлами-цистернами, а иногда дымогарными котлами.

Котлы Кохрана. Современный вертикальный котел Кохрана имеет топку сферической формы, и его называют сферическим рис. 4. 5). Топка со всех сторон окружена водой; для эксплуатации топки не требуется огнеупорная кладка. Горячие газы один раз проходят по горизонтальным трубам, а затем уходят в дымоход. Огневые трубки котла небольшого диаметра, имеют внутри завихряющие устройства, способствующие лучшему теплообмену, так как поток газа в трубах приобретает турбулентный характер.



Рис. ?4.5. Сферический котел Кохрана: 1 -- смотровой люк; 2 -- огневые трубы; 3 -- огнеупорная кладка; 4 -- лаз; 5 -- форсунка; 6 -- сферическая топка; I -- выход газов в дымоход

Котлы Спаннера. В вертикальном котле Спаннера применяются патентованные трубки, известные как трубки Свирлифло. При принятой форме изгиба труб улучшается теплообмен. Котел состоит из наружного кожуха, внутри помещается топка цилиндрической формы, от которой вертикальные дымовые трубы ведут в дымовой ящик цилиндрической формы в верхней части котла (рис. ?4. 6).

Рис. ?4.6. Котел Спаннера с трубками Свирлифло и потолочными форсунками: 1 -- лаз в возвратный ящик; 2 -- головка форсунки; 3 -- уровень воды в котле; 4 -- вентилятор принудительного дутья; 5 -- съемная верхняя крышка; 6 -- съемная огнеупорная кладка возвратного ящика

Форсунка расположена в центре топки, ее факел направлен вниз; горячие газы проходят по вертикальным трубам через водяную полость. Котел имеет универсальную конструкцию, позволяющую получать пар как путем сжигания жидкого топлива, так и использованием выпускных газов дизелей, когда судно находится в море.

Помимо чисто водотрубных и огнетрубных котлов, на судах применяются котлы других конструкций для получения пара: паровой парогенератор, двухконтурный паровой котел и некоторые видоизмененные конструкции утилизационных котлов.

Парогенераторы

Парогенераторы предназначаются для получения насыщенного пара низкого давления, который используется для различных судовых нужд. Они применяются в совокупности с водотрубными котлами. Парогенераторы имеют свой собственный контур, чтобы не загрязнять главный циркуляционный контур питательной воды водотрубного котла. Пар высокого давления и температуры подается в змеевик от главного парового котла. Парогенератор горизонтального исполнения показан на рис. ?4. 7.

Рис. ?4.7. Парогенератор: 1 - пучок труб пара высокого давления; 2 -- корпус низкого давления; 3 - коробка пара высокого давления; I -- загрязненная питательная вода; II -- насыщенный пар низкого давления; III - насыщенный пар высокого давления; IV- конденсат пара высокого давления

Утилизационные котлы

Использование выпускных газов главных двигателей для получения пара является одним из способов регенерации тепла и приводит к повышению к. п. д. установки.

На рис. ?4.8 показана установка, работающая на выпускных газах. Ее конструкция проста: это ряд пучков трубок, омываемых выпускными газами. Некоторые пучки могут использоваться для подогрева питательной воды, Другие --для получения пара, а третьи --для перегрева пара. В последнем случае необходимо иметь паровой коллектор, в котором происходило бы образование пара и отделение его от воды. Обычно для этого используют паровой коллектор вспомогательного котла.

Вспомогательные паровые установки и комбинированные котлы. Утилизационные котлы теплоходов, исключая танкеры, обычно комбинированные, т. е. могут работать на жидком топливе и на выпускных газах дизелей. В последнем случае котел работает как теплообменник, но с собственным паровым коллектором.

На современных теплоходах вспомогательные паровые установки обычно включают в себя теплообменник, работающий на выпускных газах и установленный в нижней части дымовой трубы, и один-два вспомогательных водотрубных котла (рис. ?4.8). От вспомогательных котлов получают насыщенный или перегретый пар. При нахождении судна в море котел служит паровым ресивером для пара, вырабатываемого утилизационным котлом, работающим на выпускных газах. При стоянке вспомогательный котел работает обычным образом на жидком топливе.



Рис. 4.8. Комбинированная паровая установка с вспомогательным и утилизационным котлами: 1 -- вспомогательный водотрубный котел; 2,4 -- пароперегреватели; 3 -- теплообменник, работающий на выпускных газах- 5 -- циркуляционный насос; I -- вход питательной воды; I I -- насыщенный пар; I I I -- перегретый пар к турбогенератору

4.8 Гарнитура котла

Для обеспечения безопасной работы котлов на них оборудуется ряд устройств, которые обычно называют гарнитурой котла. К гарнитуре котла относятся следующие устройства.

1. Предохранительные клапаны. На котле устанавливают два предохранительных клапана, которые препятствуют повышению давления в котле. После того как в присутствии ответственного лица будет установлено давление срабатывания клапана, его пломбируют. Изменять самостоятельно давление срабатывания клапана запрещается. Клапан открывается автоматически, если давление достигает определенного установленного значения.

2. Главный стопорный клапан. Этот клапан обычно невозвратного типа, устанавливается на главном паропроводе.

3. Вспомогательный стопорный клапан. Устанавливается на вспомогательном трубопроводе. Клапан меньшего размера, как правило, невозвратный.

4. Питательный клапан. Обычно устанавливают два питательных клапана: один -- главный, другой -- вспомогательный, или резервный. По конструкции клапан невозвратный, он должен быть снабжен указателем открытого и закрытого положения.

5. Водомерное стекло. Обычно устанавливают два водомерных стекла по обе стороны котла. Конструкция стекол зависит от расчетного давления котла.

6. Манометровые штуцеры. Там, где это необходимо, на паровом коллекторе, пароперегревателе и в других местах, устанавливают манометры для контроля давления.

7. Воздушные краны. Их устанавливают на паровых коллекторах и в других частях котла для выпуска воздуха из водяной полости при заполнении котла водой и при первом пуске котла.

8. Арматура для взятия проб. На питательном трубопроводе устанавливают кран отбора с охлаждающим устройством для взятия проб воды и ее анализа. Конструкция крана может предусматривать возможность ввода в питательный трубопровод различных химических добавок.

9. Клапан продувки котла. С помощью этого клапана обеспечивается продувка или спуск воды из котла. Клапан может использоваться для частичного и для полного осушения котла.

10. Стопорный клапан свистка. Это небольшой невозвратный клапан на трубопроводе от парового коллектора котла к паровому свистку.

Дополнительная гарнитура водотрубных котлов. На водотрубных котлах, в связи с тем, что в них имеется меньшее количество воды по отношению к производимому пару, требуется установка некоторых следующих дополнительных устройств.

1. Автоматический регулятор питательной воды. Его устанавливают до главного питательного клапана. Служит для обеспечения постоянного уровня воды в котле независимо от расхода пара. В котлах с высокой интенсивностью парообразования используется многоимпульсная система регулирования подачи воды в котел (см. гл. 15).

2. Сигнализатор минимального уровня. Это устройство, подающее звуковой сигнал при снижении уровня воды до минимального.

3. Перепускной клапан пароперегревателя. Через него проходит пар при разжигании котла и повышении давления пара в котле.

4. Сажеобдувочное устройство. Применяется для удаления сажи и других продуктов сгорания с поверхности трубок. Работает на паре или сжатом воздухе. Несколько таких устройств монтируется в наиболее важных частях котла. Затем их включают в работу, выдувают сажу. После работы сажеобдувочные приспособления вынимают.

Водомерные стекла. По водомерному стеклу можно визуально наблюдать за уровнем воды в котле, если этот уровень в пределах нормы. Если уровень воды в котле резко повысится, вода может попасть в паропровод и серьезно повредить механизмы, работающие на паре. Если уровень воды в котле понизится, то теплопередающие поверхности, оказавшиеся без воды, могут выйти из строя, Поэтому важно постоянно следить за уровнем воды в котле. Так как судно подвержено качке, необходимо для правильного суждения об уровне воды в котле иметь два водомерных стекла с обеих сторон котла.

В зависимости от значения давления в котле существуют водомерные стекла двух различных типов. При давлении до 1,7 МПа в котлах применяют водомерное стекло с круглой стеклянной трубкой. Такое стекло при помощи штуцеров, на которых стоят краны, крепится на корпусе котла (рис. ?4.9). Для уплотнения мест присоединения и предотвращения утечки устанавливают уплотнительные кольца. Обычно вокруг трубки помещают кожух, защищающий стекло от случайных повреждений, а также обслуживающий персонал от возможных травм при повреждении стекла. На трубках, ведущих в паровое и водяное пространство, ставят разобщительные клапаны. Кроме того, устанавливают спускной кран. На случай повреждения трубки снизу устанавливают шариковый невозвратный клапан, отсекающий воду при резком увеличении скорости потока.

Рис. 4.9. Водомерное стекло со стеклянной трубкой: 1 -- шариковый клапан; 2 -- гайка; 3 -- стеклянная трубка; 4 -- уплотнительное устройство; 5 -- паровой кран; 6 -- фланец для присоединения к корпусу котла; 7 -- рукоятка крана; 8 -- водяной кран; 9 -- спускной кран; 10 -- трубка спуска в трюм

Для котлов с рабочим давлением свыше 1,7 МПа применяются водомерные приборы с плоскими стеклами. Вместо стеклянной трубки здесь используют сборку из плоского стекла, помещаемого в металлический корпус (рис. ?4.10). Сборка напоминает многослойный пирог. Спереди и сзади установлены металлические плитки, затем стеклянные плитки, а между ними -- снова металлическая плитка. Между металлическими и стеклянными плитками имеются уплотнения, а на поверхности стекла, соприкасающейся с водой и паром, накладывается слой слюды.

Рис. 4.10. Водомерное стекло с плоскими стеклами: а -- водомерное стекло; б --разрез парового крана; в -- сборка водомерного стекла; г -- шариковый клапан; / -- нижний соединительный узел; 2 -- соединительная гайка; 3 -- прокладка; 4-- верхний соединительный узел; 5 -- крышка; 6 -- стеклянная плитка; 7-- слюда; 8 -- средняя металлическая плитка; 9 -- плоскость разъема; 10 -- шариковый клапан; // -- корпус спускного крана; 12 -- рукоятка крана с проволочным приводом с поста управления котлом; 13 -- кран (спускной) нижнего продувания; 14 -- трубка спуска в трюм

Она выполняет роль надежного изолятора, который предохраняет стекло от поломки при очень высоких температурах. При сборке этой конструкции, затяжку болтов нужно производить равномерно по кругу и с большой осторожностью. При затяжке болтов во время сборки стекло может быть повреждено, и появится утечка. Помимо визуального наблюдения за уровнем воды в котле, существуют дистанционные указатели уровня в центральном посту управления.

Поскольку нельзя предотвратить закупоривание паровых и водяных трубок кусочками окалины и твердыми частицами, водомерные стекла могут давать неправильные показания. Для контроля за чистотой парового и водяного каналов необходимо их периодически продувать. Для водомерного стекла, показанного на рис. 4.9, при закрытии водяного крана и открытии спускного крана из последнего пойдет сильная струя пара. Если закрыть паровой кран и открыть водяной кран, то из спускного крана пойдет сильная струя воды. Если струи нет, то канал, на котором открыт кран, засорен.

Предохранительные клапаны. Эти клапаны устанавливают обычно по два на одной клапанной коробке. Каждый клапан рассчитан так, что он может выпустить весь пар, который вырабатывается в котле в установленный период времени, при условии, что давление в котле за это время поднимается не блее чем на 10%.

На судах устанавливают клапаны, нагруженные пружинами, так как они лучше работают в условиях качки. Клапаны располагают в области парового пространства парового коллектора. Традиционный предохранительный клапан показан на рис. 4. 11. Клапан закрыт под действием спиральной пружины, затяжка которой регулируется при помощи гайки, расположенной в верхней части клапана. Установленная в присутствии ответственного лица затяжка пружины клапана фиксируется и пломбируется. Когда давление пара превышает установленное значение, пружина сжимается и клапан открывается. Выходящий пар через отводную трубу выходит в дымовую трубу и далее в атмосферу. По сравнению с усилием, при котором происходит первоначальное открытие клапана, требуется несколько большее усилие для дальнейшего перемещения клапана в сторону открытия и для сжатия пружины.



Рис. 4.11. Предохранительный клапан, нагруженный пружиной: 1 -- седло клапана; 2 -- тарелка клапана; 3 -- втулка; 4 -- шпиндель клапана; 5 -- спиральная пружина; 6 -- пружинное кольцо; 7 -- нажимная гайка; в --колпак; 9 -- чека; 10 -- замок; 11-- разгрузочное устройство; 12 -- патрубок выхода пара; 13 -- патрубок входа пара

Эта проблема решается путем применения специального кольцевого выступа на тарелке клапана, благодаря которому при открытии клапана площадь тарелки увеличивается. Предусмотрено также аварийное открытие клапана при помощи разгрузочного устройства с ручным приводом.

В конструкцию пружинных предохранительных клапанов вносятся различные усовершенствования, направленные на увеличение высоты подъема клапана. В усовершенствованной конструкции с увеличенной высотой подъема клапана (рис. 4.12) сделаны изменения нижней тарелки пружины клапана, выполненной в виде поршня, на который пар действует снизу. Полое кольцо вокруг поршня выполняет роль парового цилиндра. Окна для прохода паpa выполнены в днище цилиндра, которое служит направляющей для штока. Пар после прохода через открытый клапан воздействует на нижнюю тарелку пружины, создавая дополнительное усилие, в результате которого клапан поднимается дальше вверх. Когда после стравливания пара его давление станет нормальным, клапан под действием пружины резко закроется. Чтобы смягчить удар при посадке клапана на седло, в седле имеются специальные выемки, которые смягчают удар.

В наружной полости клапана имеются спускные отверстия для конденсата, который в случае накапливания над клапаном мог бы затруднить его открытие при превышении расчетного давления.

Рис. 4.12. Усовершенствованная конструкция предохранительного клапана с увеличенной высотой подъема: 1-пружина; 2-шток клапана; 3-ннжняя тарелка пружины; 4 -- свободно сидящее кольцо (цилиндр); 5-спускное отверстие; 6 -- окно для входа пара; 7 -- тарелка клапана; 8 - седло клапана; I - пар из котла; II - выход пара.

4.9 Процесс сгорания топлива

Сгорание -- это процесс сжигания топлива с целью получения теплоты. Для полного и эффективного сгорания нужно, чтобы в топку были введены топливо и воздух в пропорции, при которой масса воздуха должна примерно в 14 раз превышать массу топлива. Топливо и воздух должны быть тщательно перемешаны. Для полного сгорания топлива необходимо, чтобы количество воздуха было немного больше теоретически требуемого. При недостатке воздуха сгорание получается неполным и выходящие газы приобретают черный оттенок.

Подача воздуха. Перепад давлений, при котором воздух проходит через топку котла, называют тягой. Судовые котлы имеют принудительную тягу, т. е. воздух нагнетается в топку вентиляторами.

Существует ряд конструкций топок с принудительной тягой. Обычная конструкция -- это большой вентилятор, от которого по воздухопроводу воздух подается к переднему фронту топки.

Рис. 4.13. Система подачи топлива к котлу: 1 -- отстойник; 2 -- фильтр грубой очистки; 3 -- насосы; 4 -- подогреватели; 5 -- фильтр тонкой очистки; 6 -- регулятор вязкости; 7 -- труба рециркуляции; / -- подача топлива при холодном запуске котла; //-- подача топлива к другому котлу; 111 -- подача топлива к форсункам

Со стороны переднего фронта оборудуется камера коробчатой формы, называемая воздушным регистром, в, которой осуществляется регулирование подачи воздуха в топку. Воздухопровод к регистру на каком-то участке проходит через дымоход, и благодаря этому воздух немного подогревается. Тягу называют искусственной, если вентилятор расположен в дымоходе и всасывает воздух в топку. Существует также уравновешенная тяга, когда устанавливаются вентиляторы обоих типов и тогда давление в топке становится близким к атмосферному.

Подача топлива. Современные паровые котлы отапливаются низкосортным жидким топливом. Хранится топливо обычно в цистернах междудонного пространства, откуда топливоперекачивающим насосом оно подается в отстойные цистерны (рис. 4.13). В отстойниках из топлива выделяется вода, которая затем спускается.

Из отстойников топливо через фильтры подается к топливным насосам, которые нагнетают его через топливоподогреватели к фильтрам тонкой очистки. Процесс подогрева топлива должен тщательно контролироваться, так как при повышенной температуре может произойти распад молекул нефти. В схеме предусмотрена возможность подачи к форсунке дизельного топлива для разжигания котла или для его работы на малой мощности. От фильтров тонкой очистки топливо подается к форсунке, в которой оно мелко распыливается и в таком виде подается в топку. Для разогрева топлива перед разжиганием котла предусмотрена труба рециркуляции.

Сгорание топлива. Топливо к форсунке подается под высоким давлением и выходит из нее мелко распыленной струей (рис. ?4.14). Благодаря завихряющей пластине струя приобретает форму вращающегося конуса и в таком виде поступает в топку. Существуют различные конструкции форсунок. Упомянутая выше форсунка известна под названием механической (рис. ?4.14, а). В форсунке с вращающейся головкой (рис. ?4. 14. б) распыливание и завихрение топлива производится посредством срыва топлива с кромок вращающегося конического колпачка. В паровой форсунке (рис. ?4. 14, в) топливо распиливается и завихряется струей пара, обладающей высокой скоростью. Пар подводится в форсунку через центральную втулку.

Воздушный регистр представляет собой комплект заслонок и направляющих, расположенных вокруг форсунок в пространстве между кожухами котла. Регистром устанавливаются размеры проходного сечения для поступления воздуха из воздушного короба.

Отсечка воздуха осуществляется с помощью поворотной воздушной заслонки. Воздух обтекает форсунку, и при помощи завихрителя ему придается вращательное движение, противоположное тому, в котором вращается топливная струя. Благодаря этому обеспечивается перемешивание топлива с воздухом (рис. ?4.15).

Рис. 4.14. Типы форсунок: а -- механическая: б --с вращающейся головкой; в -- паровая; 1 -- корпус форсунки; 2 -- завихряющие каналы; 3 -- колпачковая гайка; 4 -- диафрагма: 5 -- завихряющая камера; 6 -- отверстие; 7 -- завихряющая пластина; 8 -- вращающийся конус; 9 -- вентилятор; 10 -- электродвигатель; 11 -- привод вращения конуса; 12 -- подшипник; 13 -- заслонка; 14 -- распыливающее сопло; 15 -- наружный корпус; 16 -- внутренний корпус; 17 -- прокладки;

/ -- подача топлива; // -- выход воздуха; /// -- выход топлива; IV -- подача воздуха; V -- подача пара



Рис. 4.15. Воздушный регистр: 1 -- труба подвода пара; 2 -- Т-образная рукоятка; 3 -- блок управления; 4 -- нажимной винт; 5 -- распиливающее устройство; 6 -- направляющая Т-образной рукоятки; 7 -- лючок; 8 -- смотровое окно; 9 -- наружная плита форсунки; 10 -- наружный кожух; 11 -- опорная трубка диффузора; 12 -- внутренний кожух; 13 -- сменный наконечник; 14 -- диффузор или завихритель; 15 -- наконечник форсунки; 16 -- направляющее кольцо; 17 -- трубка Вентури; 18 -- поворотная втулка

Топливо, поступающее из форсунки, необходимо сначала воспламенить. После воспламенения в процессе горения вначале сгорают легкие фракции, образуя первичный факел. Благодаря теплоте первичного факела во вторичном факеле сгорают тяжелые фракции топлива. К этим факелам подводится соответственно первичный и вторичный воздух.

Обеспечение чистоты питательной воды. В современных паровых котлах, работающих при высоких давлениях и температурах и имеющих высокую паропроизводительность, необходимо, чтобы питательная вода обладала высокой степенью чистоты.

Даже в самой чистой воде растворены соли, которые выделяются при кипячении. Эти соли в виде накипи откладываются на нагревательных поверхностях и уменьшают теплоотдачу, что может вызвать местный перегрев и повреждение трубки. Некоторые соли остаются в растворе и образуют кислоты, действующие агрессивно на металлические элементы котла. Избыток в воде солей в совокупности с возникающими при работе котла напряжениями приводит к состоянию металла котла, именуемому каустической хрупкостью. Металл становится хрупким, из-за чего могут возникнуть серьезные повреждения котла.

Наличие растворенных в питательной воде кислорода и углекислого газа может вызвать сильную коррозию котла и его питательной системы. Если в питательной воде имеются взвешенные частицы, избыток солей или если туда попадает масло, то может произойти интенсивное образование пены на поверхности воды в паровом барабане котла. Это приводит к выбросу воды из котла вместе с уходящим паром. Даже небольшое количество воды при попадании в турбину может вызвать в ней значительные повреждения.

Примеси, содержащиеся в воде. В воде в различном количестве присутствуют соли. К ним относятся хлориды, сульфаты, бикарбонат кальция или магния. Иногда в воде встречается сера. Содержание солей в воде определяет ее жесткость. В наибольшей степени на жесткость воды влияет наличие солей кальция и магния. Бикарбонаты кальция и магния при нагревании выделяются из воды и образуют накипь. Эти соли создают так называемую временную жесткость. Хлориды, сульфаты и нитраты при кипений воды не выделяются и создают так называемую постоянную жесткость. Общая жесткость -- это сумма временной и постоянной жесткости, и ею оценивается количество накипеобразующих солей в питательной котельной воде.

4.10 Водоподготовка

Водоподготовка предусматривает удаление из воды солей, вызывающих коррозию и образование накипи, а также растворенных в ней газов путем соответствующей химической обработки. Это может быть достигнуто путем соблюдения следующих условий:

– превращением жестких солей в суспензию, благодаря чему не откладывается накипь;

– предотвращением возможности прилипания взвешенных частиц и суспензии к теплопередающим поверхностям;

– предупреждением образования пены в котле, чтобы исключить выброс воды из котла;

– удалением из воды растворенных в ней газов и приданием ей небольшой щелочности для предотвращения коррозии.

Практически водоподготовка заключается во введении различных химических веществ в питательную систему с последующим взятием проб котельной воды при помощи переносного измерительного комплекта. Такой комплект обычно имеет инструкцию по использованию.

В питательную воду вспомогательных котлов обычно добавляют известь (гидроокись кальция) и соду (карбонаты натрия). Независимо от этого можно добавить каустическую соду (гидроокись натрия).

Добавками для водотрубных котлов высокого давления являются различные фосфатные соли, такие как тринатрийфосфат, динатрийфосфат и натрийметафосфат. Применяются такие коагулянты, в которых содержатся соли, превращающие окалину в шлам и предотвращающие ее отложение на поверхностях котла. В качестве коагулянтов применяют алюминат натрия, крахмал и таннин. Окончательную деаэрацию котельной воды производят такими веществами, как гидразин, который активно вступает в соединение с кислородом, где бы он ни находился.

4.11 Основы технического обслуживания СКУ

Количество операций при растопке котла у разных котлов различное, и при эксплуатации котлов следует руководствоваться инструкцией фирмы-изготовителя. Но ряд положений являются общими для всех котлов и включают действия, описанные ниже.

Приготовление к растопке. Вначале необходимо проверить, . открыт ли дымоход, повернуть все заслонки и установить их в надлежащее положение.

Открыть все вентиляционные краны, краны к приборам, указателям, аварийным устройствам.

Открыть клапан перепуска к пароперегревателю и спускные краны, чтобы убедиться в том, что пар будет поступать к пароперегревателю. Все другие краны продувки и спуска должны быть проверены на закрытие. Заполнить котел горячей деаэрированной водой чуть ниже рабочего уровня.

По мере появления воды из воздушных кранов водяных коллекторов, краны должны быть закрыты. Необходимо проверить экономайзер, убедиться в его заполнении водой и полном выходе из него воздуха.

Проверить работу вентилятора. Для воздухоподогревателей универсальных котлов обеспечить перепуск выпускных газов, минуя воздухоподогреватель. Затем проверить правильность положения клапанов и других элементов топливной системы котла. После этого, включив топливную систему на циркуляцию, подогреть топливо.

Растопка котла. Пустить вентилятор и в течение нескольких минут продувать воздухом топку, чтобы очистить ее от остатков продуктов сгорания и масляных паров. Воздушные заслонки на всех регистрах, за исключением заслонок растопочной форсунки, должны быть закрыты. Открыть подачу топлива к растопочной форсунке, зажечь ее и отрегулировать факел так, чтобы горение было небольшим, но с полным сгоранием топлива. При таком режиме горения форсунки нужно отрегулировать давление топлива и дутьевого воздуха, добиваясь устойчивого пламени.

Как только появится пар из спускных кранов коллектора пароперегревателя, их следует закрыть. Когда давление в паровом коллекторе достигнет 0,21 МПа, необходимо закрыть его воздушный кран. Давление пара в котле доводить до рабочего медленно, чтобы обеспечить постепенное тепловое расширение конструкции, избежать перегрева отдельных элементов пароперегревателя и повреждения огнеупорной кладки. При поставке котла фирма-изготовитель, как правило, прикладывает к нему табличку, на которой графически показано увеличение давления в паровом коллекторе в зависимости от времени после зажигания факела.

После этого нужно прогреть главный и вспомогательный трубопроводы и закрыть на них краны продувки, продуть водомерные стекла и проверить правильность их показаний. Когда давление пара будет на 0,3 МПа меньше рабочего, необходимо приоткрыть разгрузочное устройство и выпустить немного пара.

Когда давление в котле достигнет рабочего, к нему можно подключить нагрузку и закрыть клапан перепуска на пароперегревателе. Необходимо тщательно следить за уровнем воды в котле и за правильной работой автоматического регулятора подачи воды.

4.12 Питательные системы котлов

Питательная система замыкает паросиловой цикл котел -- турбина, обеспечивая возможность возвращения отработавшего пара в котел в виде питательной воды. В этой системе имеется четыре главных элемента: котел, турбина, конденсатор и питательный насос. В котле вырабатывается пар, который подается в турбину, и после того, как пар израсходует энергию, он направляется в конденсатор. Там пар превращается в воду (конденсат), которая подается питательным насосом в котел.

Практически в систему включается еще целый ряд элементов, таких как сточная цистерна, куда спускается конденсат из конденсатора и благодаря которому обеспечивается некоторый напор на входе в питательный насос. Для компенсирования утечки воды из системы или для создания некоторого избытка питательной воды в системе предусматривается компенсационный бачок. Если питательная система обслуживает вспомогательный котел, например, на теплоходе, то сточная цистерна или теплый ящик сообщается .С атмосферой. Такая система называется открытой. У водотрубных котлов высокого давления питательная система ни в какой своей части не сообщается с атмосферой, и такая система называется закрытой.

4.13 Открытая питательная система

Схема открытой питательной системы для вспомогательного котла показана на рис. 5.1. Отработавший пар из различных вспомогательных механизмов конденсируется в конденсаторе, который *охлаждается забортной водой. Давление в конденсаторе может поддерживаться атмосферным или чуть ниже атмосферного. Конденсат из него стекает в теплый ящик, оборудованный фильтрами. Если конденсатор работает при небольшом вакууме, то для подачи воды в теплый ящик используется конденсационный насос. В теплый ящик может также поступать конденсат из систем, в которых он может загрязниться, например из топливоподогревателей, из системы подогрева топлива в цистернах и т. д. Загрязненный конденсат может быть обнаружен или на выходе из охладителя конденсатов, или по наблюдениям за контрольной цистерной. Контрольная цистерна, если она установлена, позволяет осуществлять такое наблюдение, и если обнаруживается появление загрязненного конденсата, он направляется в цистерну загрязненных сточных вод.



Рис. ? 5.1. Открытая питательная система: 1 -- питательная цистерна: 2 -- трубопровод для слива избыточной воды; 3--теплый ящик с фильтрами; 4 -- конденсатор; 5 -- вентили для подачи пара к механизмам и устройствам; 6 -- регулятЬр питательной воды; 7 -- котел; 8 -- вспомогательный питательный насос; 9 -- главный питательный насос; 10 -- подогреватель питательной воды

В теплом ящике установлены дефлекторы для предварительного отделения масла или топлива от конденсата или питательной воды. Затем для завершения очистки вода пропускается через угольные или матерчатые фильтры. Избыток воды из теплого ящика перепускается в цистерну питательной воды, откуда при необходимости будет пополняться питательная система. Вода из теплого ящика забирается главным и вспомогательным питательными насосами. В главной питательной системе может быть установлен подогреватель питательной воды. Подогреватель может быть поверхностного типа, в котором производится только подогрев воды, и контактного типа, где кроме подогрева воды происходит и ее деаэрация. Деаэрация -- это процесс удаления из питательной воды воздуха, содержащего кислород, наличие которого может вызвать коррозионные процессы в котле. Для регулирования подачи воды в котел и поддержания в нем необходимого уровня устанавливают регулятор питательной воды.

Описанная выше система является типовой, и для каждой конкретной установки в ней могут быть некоторые различия.

4.14 Закрытая питательная система

На рис. 5.2 показана схема закрытой питательной системы водотрубного котла высокого давления, снабжающего паром главную паровую турбину.

Пар из турбины поступает в конденсатор, где поддерживается высокий вакуум. Здесь применяется конденсатор регенеративного типа, в котором конденсация осуществляется с минимальным перепадом температур. Конденсатный насос откачивает конденсат из конденсатора и подает его к воздушному эжектору.

Проходя через эжектор, конденсат подогревается. Воздушный эжектор, служащий для откачки воздуха из конденсатора, представляет собой пароструйный эжектор. Затем конденсат пропускается через конденсатор системы уплотнения, где он подогревается дополнительно. В этом конденсаторе конденсируется пар из системы уплотнения турбины, и конденсат из него стекает в сточную цистерну. Далее конденсат главной системы проходит через подогреватель низкого давления, который питается паром из отбора турбины. Применение всех вышеперечисленных подогревателей улучшает к. п. д. установки за счет регенерированной теплоты, а увеличение при этом температуры воды способствует ее деаэрации.

В деаэраторе происходит непосредственный контакт питательной воды с паром, где они фактически смешиваются. При смешивании вода подогревается, из нее выходят все растворенные газы, в частности кислород. Нижняя часть деаэратора представляет собой емкость, откуда вода забирается непосредственно одним из питательных насосов, подающих воду в котел.

Рис. 5.2. Закрытая питательная система: 1--цистерна питательной воды; 2 -- конденсатные насосы; 3-- конденсатор; 4 -- трубопровод для воздуха и газов; 5 -- воздушный эжектор; 6 -- конденсатор системы уплотнения; 7 -- рециркуляционная труба; 8-- вентили для подачи пара к механизмам и устройствам; 9 -- охладитель дренажных конденсатов; 10 -- подогреватель низкого давления; 11 -- экономайзер; 12-- котел; 13 -- пароперегреватель; 14 -- подогреватель высокого давления; 15 -- питательные насосы; 16 -- деаэратор; 17 -- дренажный насос; 18 -- атмосферная сточная цистерна

Вода после этого поступает к подогревателю питательной воды высокого давления, затем к экономайзеру, а оттуда -- в паровой коллектор. В системе имеется соединенная с атмосферой сточная цистерна для слива в нее избыточной питательной воды и питательная цистерна, откуда при недостатке воды будет пополняться питательная система. В сточную цистерну также поступает конденсат от многих вспомогательных систем, таких как система уплотнения турбин, конденсат отработавшего рабочего пара воздушных эжекторов и т. д. Для обеспечения прохождения питательной воды через воздушный насос и конденсатор системы уплотнения на режимах небольшой мощности и во время маневрирования судна в системе предусмотрена рециркуляционная перемычка.

Данная схема также является типовой, и для каждой конкретной установки в ней могут быть некоторые различия.

4.15 Вспомогательная питательная система

Система предназначена для воспроизведения пара из конденсата от вспомогательных механизмов и устройств, может выполняться как отдельно -- в виде открытой или закрытой системы, так и заодно с главной питательной системой, составляя ее часть.

В тех случаях, например, когда у палубных механизмов применяется паровой привод, для конденсации отработавшего пара используют конденсатор, работающий при давлении, близком к атмосферному (рис. 5.3). Конденсат конденсатным насосом подается к воздушному эжектору, пройдя через который, вода поступает в главную питательную магистраль между конденсатором уплотнительной системы и охладителем дренажных конденсатов. Для работы на малой мощности предусмотрена рециркуляция, а для регулирования уровня воды в конденсаторе имеется регулятор уровня.

Если в установке существует опасность загрязнения питательной воды, для парогенератора может быть создана отдельная система (рис. 5.4). Пар низкого давления из парогенератора подается для различных судовых нужд, таких, например, как подогрев топлива, а конденсат возвращается в теплый ящик. Питательными насосами вода подается к подогревателю питательной воды, который одновременно служит охладителем конденсата, полученного от подогревающего пара парогенератора. Отсюда вода поступает непосредственно в парогенератор.



Рис. 5.3. Вспомогательная питательная система: 1 -- регулятор уровня; 2 -- рециркуляционная труба; 3 -- вспомогательный конденсатор- 4 -- воздушный эжектор; 5 -- конденсатный насос; 6 -- охладитель дренажных конденсатов; 7 -- конденсатор системы уплотнения; I -- подвод отработавшего пара от вспомогательных механизмов и устройств

Рис. 5.4. Питательная система парогенератора: 1-- подогреватель питательной воды; 2 -- парогенератор; 3-- трубопровод для пара низкого давления; 4 -- вентили для подачи пара к вспомогательным механизмам и устройствам; 5 -- цистерна загрязненных конденсатов; 6 -- питательные насосы; / -- спуск конденсата в главную питательную систему; // -- подвод пара

Многими фирмами выпускаются питательные системы в модульном исполнении, т. е. на едином фундаменте монтируются различные элементы системы. Иногда там размещается весь комплект механизмов и устройств или некоторая его часть.

4.16 Элементы питательной системы

Конденсатор. Это теплообменный аппарат, в котором от отработавшего пара отнимается скрытая теплота, в результате чего пар превращается в конденсат, направляемый обратно в котел. Конденсация должна осуществляться с минимальным переохлаждением, т. е. температура конденсата должна минимально отличаться от температуры пара. Конденсатор устроен таким образом, что из него удаляются различные газы и пары, которые выделяются при конденсации водяного пара.

На рис. 5.5 показан вспомогательный конденсатор. Круглый в сечении корпус закрыт с обеих сторон крышками, устроенными так, что забортная вода в конденсаторе совершает два хода. В водяных полостях крышек установлены протекторы, необходимые для предохранения от электрохимической коррозии. Пар в конденсатор поступает сверху в центральной части корпуса и через окна во входной коробке, расположенной под кожухом, разделяется на два потока. Пар конденсируется на поверхности трубок, через которые проходит забортная вода. Для крепления трубок в середине конденсатора по длине устроена диафрагма, которая в свою очередь крепится при помощи анкерных болтов.

Конденсат накапливается в отстойнике, находящемся под пучками водяных трубок. Предусмотрена откачка воздуха, газов и паров, выделяющихся при конденсации водяного пара. Главные конденсаторы, работающие совместно с главными паровыми турбинами, это конденсаторы регенеративного типа. Часть пара в них проходит сквозь трубки и соприкасается с конденсатом в отстойнике. Конденсат, таким образом, имеет одинаковую с паром температуру, благодаря чему повышается к. п. д. конденсатора. На рис. 5.6 показан один из вариантов регенеративного конденсатора. В центре его имеется канал, по которому пар проходит к отстойнику и, конденсируясь, подогревает конденсат.



Рис. 5.5. Вспомогательный конденсатор: 1 - патрубок подвода конденсата; 2-протекторы; 3- лаз со смотровым люком; 4-анкерный болт; 5 - входная водяная коробка; 6- фланец подвода циркуляционной воды; 7-смотровые лючки; 8 - фланец отвода воды; 9 - заглушённый штуцер; 10 - кожух на входе пара в конденсатор; 11 - патрубок входа влажного пара; 12 - патрубок от клапана верхнего продувания котла; 13, 27 - патрубки для термометров; 14, 30-патрубки для крана щелочных добавок; 15 - воздушный кран; 16 - патрубок для вакуумметра; 17 - водяная коробка; 18 - запасной паровой патрубок; 19 - корпус конденсатора; 20 - водомерное стекло; 21 - отстойник; 22 - патрубок отвода воздуха; 23 -диафрагма; 24 - трубная доска; 25-разделяющая перегородка; 26- спускная пробка; 28 - патрубок клапана спуска; 29 - патрубок выхода конденсата

...