Паровые котлы и парогенераторы

Это его свойство необходимо во многих технологических процессах (например, для пропарки древесины, комбикорма, изделий легкой промышленности). Также пар наиболее эффективен для подогрева трубопроводов и емкостей с маслом, мазутом и другими вязкими средами, теряющими свою текучесть при низкой температуре. При проведении строительных работ в холодное время года пар применяется для оттаивания наледи, грунта, дренажных и канализационных систем, размораживания стройматериалов (песок, щебень и т.д.) и прогрева оборудования.

В качестве теплоносителя пар часто используется в системах центрального отопления промышленных и жилых зданий. Это обусловлено тем, что при одной и той же температуре энтальпия (теплосодержание) пара значительно выше, чем у воды, поскольку при фазовом переходе «вода–пар» затрачивается большое количество энергии. Соответственно данная энергия выделяется при конденсации – обратном переходе пара в жидкое состояние.

Для перечисленных выше целей применяют как стационарные паровые котлы различной производительности, так и мобильные установки небольшой мощности. Чаще всего в паровых котлах используют органическое топливо: природный газ, солярку, мазут, уголь, торф, дрова, сланцы и т.д. Существуют и электрические парогенераторы.

В паровом котле тепловая энергия, выделяющаяся при сжигании топлива, передается воде, которая при определенной для каждого давления температуре превращается в пар. В процессе парообразования температура теплоносителя остается неизменной, но вода постепенно превращается в насыщенный (находящийся в равновесии с жидкой фазой и имеющий максимальную плотность при данных температуре и давлении) пар. При испарении всей жидкости получается сухой (без частиц влаги) насыщенный пар. Если к нему продолжать подводить тепло, то его температура будет повышаться и получится перегретый пар.

По конструкции современные паровые котлы подразделяют на жаротрубные (жаротрубно-дымогарные), водотрубные и прямоточные. В первых процессы подогрева воды и ее испарения происходят, как правило, в одном объеме. Вода в таких котлах воспринимает тепло через стенки топочного устройства (жаровой трубы) или от высокотемпературных продуктов сгорания, проходящих через дымогарные трубки небольшого диаметра. Такое оборудование обычно используют в промышленности для отопления или выработки насыщенного пара.

Жаротрубные котлы имеют ограничения по мощности и максимальному рабочему давлению, поскольку при проектировании сосуда высокого давления толщина стенки определяется заданными значениями его диаметра, давления, температуры и с ростом указанных параметров оказывается непомерно большой. Преимущества таких котлов – компактность и возможность поставки в полностью собранном виде. На российском рынке представлены жаротрубные паровые котлы производительностью до 55 т/ч с рабочим давлением до 30 бар и более.

В водотрубных паровых котлах процессы подогрева воды, парообразования и перегрева пара протекают в различных зонах котельной установки: в экономайзере дымовых газов, испарительной части (топочные экраны и трубные котельные пучки) и пароперегревателе. Нагреваемая вода в таких котлах протекает по трубкам малого диаметра, которые снаружи обтекают топочные газы. Данная конструкция практически не имеет принципиальных ограничений по давлению и паропроизводительности.

Самые мощные водотрубные котлы (производительность – свыше 4000 т/ч при давлении до 300 бар и температуре до 650 °С) устанавливаются на энергоблоках электростанций. В промышленной энергетике применяют котлы меньшей производительности (например, ДКВр-10/13 и ДЕ-25, БКЗ-75), выпускаемые рядом отечественных котлостроительных заводов. В них пар образуется главным образом в экранных трубах, выполняющих также функцию защиты ограждения котла от излучения высокотемпературной зоны топочной камеры. Пароводяная смесь из топочных экранов обычно поступает в верхний необогреваемый барабан, где происходит сепарация воды и пара. Под воздействием давления в барабане насыщенный пар поступает потребителю, а вода по необогреваемым опускным трубам – к нижним коллекторам топочных экранов. Подъемное движение в последних осуществляется за счет разности плотностей воды в опускных трубах и пароводяной смеси – в экранных. (Отметим, что в «большой энергетике» могут применяться и котлы с принудительной циркуляцией, в которых движение воды в топочных экранах обеспечивается специальным насосом.)

В отличие от котлов, описанных выше, у прямоточных нет барабана. Пар на выходе из котла образуется при однократном прохождении воды через трубные поверхности нагрева. Такая схема получения пара является единственно возможной как при давлении выше критического (для промышленных паровых котлов – 221 бар), так и при невозможности организовать естественную циркуляцию из-за малых габаритов или других конструктивных ограничений.

Сегодня на российский рынке паровых котлов промышленной мощности представлено оборудование отечественных и зарубежных производителей. Среди них – Booster Boiler (Южная Корея), Buderus, Loos, Omnical, Viessmann (Германия), Erensan (Турция), Ferroli, I.Var, Garioni Naval, ICI Caldaie (Италия), Hoval (Лихтенштейн), TH (Чехия), Thermax (Индия), Wärtsilä (Финляндия), «Белогорье», Бийский котельный завод, Борисоглебский котельно-механический завод, «Газдевайс», Дорогобужкотломаш, «Рэмэкс», «Энергомаш (Белгород)», «Энтророс» (Россия).

Отдельный класс оборудования – парогенераторы малой (до 100–200 кг/ч) производительности, широко применяемые сегодня как в производстве, так и сфере услуг (например, в гостиницах, больницах, прачечных, химчистках, цехах по обработке древесины, в пищевой промышленности). Здесь преобладают вертикальные аппараты прямоточной или беструбной конструкции. (Устройство последних напоминает жаротрубный двухходовой котел, второй ход продуктов сгорания организован не по трубкам, а по цилиндрическому газоходу, образованному корпусом котла и оребренной стенкой водяной рубашки.)

Кроме того, для покрытия потребностей рынка многие изготовители предлагают модели малой мощности, разработанные на основе выпускаемых ими паровых котлов промышленных серий и имеющие аналогичную конструкцию. Такие парогенераторы, к примеру, присутствуют в ассортименте компаний Alba Makina (Турция), Standartkessel (Германия), Steamrator (Финляндия).

На многих объектах, где используют парогенераторы малой мощности, отсутствует необходимость в качественном паре – он может обладать высокой влажностью и содержать большое количество кислорода. В этом случае, во-первых, можно отказаться от применения сепаратора пара и деаэратора, а во-вторых, увеличивается его фактическую производительность. Так, с помощью установки номинальной мощностью 200 кВт можно получать 300 кг пара/ч влажностью 10 % или 400–480 кг/ч – влажностью 40 %.

В заключение отметим, что наряду с парогенераторами малой мощности, использующими энергию сжигаемого топлива, предлагаются электрические аппараты различной конструкции (ТЭНовые, электродные и индукционные). Они дешевле, чем котлы, работающие на газообразном и жидком топливе, обладают меньшими габаритами,  массой и экологически чище. Кроме того, они проще в установке и эксплуатации и, как правило, не требуют регистрации в органах Ростехнадзора (с 2004 г. – Федеральная служба по экологическому, технологическому и атому надзору). Их недостаток – необходимость в источнике электрической энергии соответствующей мощности.