Как работает паровой котел

Паровой котел — устройство, необходимое для выработки пара из воды. Полученный пар может применяться для различных целей: от обогрева многоэтажек до выработки электричества. Паровые котлы используются как в быту, так и в промышленности.

Сферы применения

Жилищно-коммунальное хозяйство

Пар прогревает теплоноситель в индивидуальных системах отопления, а также в котельных, подающих воду в центральные отопительные системы и ГВС-сети.

Предприятия ЖКХ используют для получения пара преимущественно мощное оборудование низкого и среднего давления. В частных домах устанавливаются паровые котлы малой мощности. Установка парового котла в индивидуальной системе отопления повышает ее эффективности и снижает финансовые затраты. Высокий КПД котла обеспечивает как быстрый и равномерный прогрев помещения, так и экономию на топливе.

Энергетика

Котел является частью паровой турбины на электростанциях. Паровые котлы обеспечивают выработку пара. Попадая в турбину, он преобразуется в энергию, которая запускает вращение вала, вырабатывающего электроэнергию.

Промышленность

Такие устройства способны вырабатывать пар, который превращается в энергию, необходимую для движения различных систем и элементов промышленный линии.

На некоторых предприятиях пар решает другие задачи. Например, установка котла на химических заводах необходима для разогрева паром технологических жидкостей. Пар на производстве стройматериалов используется для просушки железобетонных изделий и заготовок. В пищевой промышленности пар необходим для стерилизации тары и подготовки продуктов. На производстве медицинского оборудования и инструмента при помощи пара дезинфицируют продукцию.

Транспорт

В середине XIX и начале XX века паровые котлы широко применялись на транспорте. За счет энергии пара работали автомобили, железнодорожный транспорт, спецтехника. Сегодня котельное оборудование заменили более современные устройства, однако некоторые транспортные средства до сих пор работают на паровой тяге. Например, железнодорожный транспорт — тепловозы.

Принцип работы парового котла

Функционирование котла невозможно без теплоносителя и источника топлива. Теплоноситель котельного оборудования — очищенная вода, а работают паровые котлы на газе, жидком или твердом топливе.

Принцип работы устройства заключается в преобразовании воды пар, который передает тепловую или кинетическую энергию к месту применения. Конструкция оборудования различается по сферами применения. Например, для промышленности используют устройства оснащенные топкой и мощными горелками, а для бытового отопления используют простые водотрубные котлы

Но существует общий алгоритм работы для устройств любого типа:

1. Вода проходит этапы подготовки: очистку от взвеси и смягчение.
2. При помощи электронасоса вода нагнетается в резервуар.
3. Накопленная в баке вода спускается по трубам, направляющим ее к коллектору.
4. Из коллектора теплоноситель поступает вверх, в зону нагрева. На этом этапе из воды образуется пар.
5. За счет разницы давления жидкости и газа обеспечивается подъем пара вверх.
6. Через сепаратор пар отделяется от излишков воды.
7. Пар направляется в трубопровод, жидкость отводится обратно в резервуар.

Устройство парового котла

Основная часть устройства — паропреобразователь. В этой емкости происходит преобразование воды в пар под действием тепла, которое образуется при сгорании топлива.

Другие комплектующие котла:

• трубная система — конструкция из экранных и конвекционных бесшовных труб, через первые вода поступает в резервуар и нагревается, вторые служат для выхода пара;
• насос — оборудование для нагнетания воды в резервуар;
• топочное пространство — отсек для сжигания природного топлива;
• дымоход — устройство для создания тяги в газовом агрегате;
• горелки — элементы топочной камеры газового парового котла;
• зольник — компонент оборудования, работающего на угле;
• корпус — часть устройства, объединяющая комплектующие.

Паровые котельные имеют дополнительные конструкционные элементы, связывающие воедино систему паровых котлов: арматуру, циркуляционные насосы, контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА).

Схема парового котла

Лучше понять устройство и принцип работы котельного оборудования для преобразования воды в пар поможет схема.

1. Подготовленная и очищенная вода поступает в резервуар через трубопровод для подачи воды.
2. При сжигании топлива в топке запускается процесс подогрева жидкости. На зеркале испарения (стыке водного и воздушного пространства) образуется пар.
3. Через пароотделитель и пароперегреватель пар проходит в выходной трубопровод.
4. Отделяемая сепаратором жидкость перемещается в циркуляционный насос и направляется обратно в теплообменник.
5. Отработанный газ уходит в дымоход.

Устройство парового котла может иметь дополнительные элементы для более удобной, безопасной и эффективной эксплуатации конструкции.

Пароперегреватель обеспечивает нагрев пара до 100-500ºC и предупреждает его чрезмерную конденсацию. Таким образом повышается энергоэффективность и экономичность использования оборудования. Сепаратор удаляет влагу из пара, увеличивая КПД котла.

В комплектацию устройства может входить экономайзер — важная, но не обязательная деталь котла. Это канальный теплообменник для подогрева воды, поступающей в паропреобразователь. Обогрев в этой части устройства происходит за счет выходящих из топки дымовых газов. Таким образом сокращается количество теплоносителя, необходимого для производства пара.

Схема котельной установки также может включать в себя воздухоподогреватель — устройство, обеспечивающее дополнительный подогрев воздуха, выходящего из топки. Этот элемент помогает сократить количество топлива, необходимого для работы котельного оборудования.

Автоматика паровых котлов

Принцип работы автоматики — управление котлом в автоматическом режиме. Система помогает контролировать параметры и компоненты котла, предотвратить аварии и ошибки, вызванные человеческим фактором.

Отсутствие систем автоматики и безопасности допустимо только в угольных котлах малой мощности. Схема остальных установок включает в себя устройства управления и обеспечения безопасности: датчики температуры и давления, газоанализаторы, системы учета и другую технику.

КИПиА паровых котлов способны без участия пользователя выполнять следующие задачи:

• автоматический розжиг горелки;
• защитное отключение горелки;
• автопроверка герметичности клапанов;
• понижение и повышение давления;
• повышение и понижение уровня воды в барабане;
• включение и отключение дымососа;
• прекращение подачи электроэнергии;
• регулировка мощности;
• другие действия, направленные на повышение эффективности и обеспечение безопасности.

Некоторые производители выпускают блочно-модульные котельные (БМК). Они могут включать в себя один или несколько котлов и комплекс дополнительного оснащения для полной автоматизации работы агрегата. Такой блок можно оперативно подключить к действующей системе отопления или производственной линии. Приобретение комплекса поможет получить установку с высоким КПД и сэкономить на пусконаладочных работах.

Виды паровых котлов

Особенности внутреннего устройства парового котла могут разниться в зависимости от типа и назначения оборудования, особенностей его эксплуатации. Конструктивно паровые котлы могут отличаться по нескольким параметрам. При этом основной принцип работы парового котла остается неизменным.

По способу сепарации пара

Различают прямоточные и циркуляционные конструкции. В прямоточных установках водяная взвесь, образованная в процессе получения пара самотеком, т.е. под воздействием гравитационной конвекции, стекает в преобразователь. На поддержание конвективных потоков работает топливо. В циркуляционных установках предусмотрен отдельный отвод для жидкости. Такой принцип отвода конденсата не требует дополнительной тепловой энергии.

Прямоточные котлы проще, могут быть энергонезависимыми. По остальным параметрам они уступают циркуляционным:

• взрывоопасны;
• отличаются низким КПД;
• требуют значительных затрат топлива для бесперебойной работы.

Циркуляционные котлы отличаются повышенной паропроизводительностью и экономичностью за счет постоянного тока воды без сгорания дополнительного топлива. Эффективная площадь зеркала парообразователя больше геометрической в 1,5-2 раза. КПД циркуляционной установки может превышать 90%.

Способу теплообмена

В водотрубных котлах и газ, и теплоноситель проходят внутри одной емкости. В газотрубных (жаротрубных, огнетрубных) котлах путь разогретых газов лежит в отдельных трубах, которые проходят внутри резервуара с водой.

Водотрубные конструкции имеют ряд преимуществ в сравнении с газотрубными аналогами:

• компактные размеры;
• большая мощность;
• высокая надежность и безопасность.

Последний параметр особенно важен для длительной, беспроблемной и экономичной эксплуатации котла. В устройствах водотрубного типа меньше термические напряжения, из чего следует меньшая аварийность при эксплуатации. Прорыв одной трубы не повлечет за собой взрыв котла, так как мощный поток смеси из воды и пара способен погасить топку. Водотрубные установки не требуют частого технического обслуживания.

Газотрубные устройства сегодня практически не используются.

По конфигурации каналов парообразователя

Заполненные водой трубопроводы в паровых котлах могут располагаться горизонтально или вертикально. Часто встречается комбинированный вариант с изогнутыми каналами, горизонтальным входом топочных газов и вертикальным выходом. Также возможно наклонное, змеевиковое, рубашечное расположение конструкции.

По ходу топочных газов

Газотрубные устройства могут быть сконструированы с оборотным ходом топочных газов. Такое оборудование имеет более компактные размеры. Схема установки предполагает параллельное размещение топки и дымогарной трубы, а движение газов — в противоположном направлении. Обслуживать оборотный котел проще, так как корень дымохода, зев топки и зольник, если устройство работает на угле, располагаются в одном помещении.

Устройства с оборотным ходом могут комплектовать отражающими щитками в жаровой камере — они не дают рассеиваться тепловой энергии.

По способу нагрева

Наиболее распространены классические топливные (пламенные) паровые котлы, работающие на газу, бензине, мазуте и угле, а также электрические аналоги, но существуют и другие варианты.

Например, гелиокотел не нуждается в топливе, он производит пар для бытовых и технических нужд, используя энергию ультрафиолетового излучения. Корпус конструкции оснащается окном для для приема солнечных лучей и отражательными пластинами, а также системой автоматики с солнечными батареями.

По назначению

Энергетические паровые котлы участвуют в выработке электроэнергии на тепловых электростанциях. Паровой котел-утилизатор тоже используется на ТЭЦ, но его назначение — переработка тепла, которое выбрасывается в процессе производства электроэнергии и выброса газов.

Отопительные паровые котлы устанавливают в системах центрального отопления и горячего водоснабжения. Выпускаются также компактные котельные установки для обустройства индивидуальной отопительной системы.

Промышленные паровые котлы необходимы для эффективной и экономичной работы производственных линий химических, нефтеперерабатывающих и других предприятий.

Топливо для паровых котлов

Для бесперебойной работы парового котла могут использоваться разные виды топлива: газ, мазут, бензин, уголь, электричество. Твердо- и жидкотопливные, газовые и электрические котлы имеют и преимущества, и недостатки. Их стоит рассмотреть подробнее.

Газовые паровые котлы

Наиболее распространены устройства, работающие на газе. Это оборудование особенно часто эксплуатируется в отопительных системах. Такие конструкции имеют ряд преимуществ:

• доступная стоимость газовых паровых котлов;
• низкая цена топлива;
• высокая производительность;
• компактность;
• автономность;
• безопасность при правильном монтаже и грамотной эксплуатации.

В газовых паровых котлах, как правило, установлены трубы с небольшим диаметром, поэтому оборудование имеет меньшие размеры. Некоторые газовые установки имеют комбинированную конструкцию, что позволяет применять для работы агрегата и другие виды топлива.

К условным недостаткам котла можно отнести повышенный уровень шума при работе.

Так как газ является источником потенциальной опасности, выполнять монтаж газовой установки должен только сертифицированный специалист. Также необходимо периодическое ТО установки с тщательным осмотром топки и соеднинений на предмет повреждения и утечек.

Электрические паровые котлы

Конструкции для выработки пара, работающие на электричестве, делятся на два типа:

• прямого действия — в таких устройствах тепловая энергия образуется из электрического тока;
• косвенного действия — это оборудование работает за счет установленных в нем нагревательных элементов, например, трубчатых электронагревателей.

Устройство электрического парового котла намного проще, чем аналогов. Такие установки отличаются:

• простотой эксплуатации;
• автономностью;
• экологичностью;
• низким уровнем шума.

Существует миф, что оборудование, работающее исключительно за счет электроэнергии, неэкономично в эксплуатации. На самом деле электрические установки позволяют избежать дополнительных расходов. Электрокотел не требует частого ТО, очистки от золы и шлака, затрат на подготовку топлива, обустройство хранилища для него. Поэтому стоимость электроэнергии, затраченной на выработку пара, может окупиться за счет низких эксплуатационных расходов.

Один из главных недостатков электрического парового котла — высокая стоимость. Газовый, жидко- или твердотопливный аналог со схожими характеристиками обойдется дешевле.

Твердотопливные и жидкотопливные паровые котлы

Твердотопливные агрегаты могут работать на угле, торфе или древесине. Жидкотопливные функционируют на дизеле, мазуте, бензине или отработанном масле. Существуют универсальные агрегаты, способные перерабатывать в тепловую энергию различные виды топлива.

Установки для получения пара, работающие на твердом и жидком топливе, могут использоваться в местах, где нет доступа к газопроводу или стабильно работающей мощной электросети. Некоторые модели являются полностью автономными и функционируют без подключения к электричеству. Еще одно преимущество такого котельного оборудования — относительно невысокая (в сравнении с электроэнергией) цена топлива.

К минусам таких конструкций относят повышенную пожароопасность и загрязнение окружающей среды продуктами горения. Серьезнее всего экологическую обстановку ухудшают устройства, работающие на мазуте, дизеле, бензине и других видах токсичного жидкого топлива. Также к недостаткам можно отнести необходимость регулярной и тщательной чистки зольной камеры, топки, газоотводящих каналов.

Недостатки парового котла

Сегодня оборудование для производства пара все реже используется в отопительных системах и почти не применяется в транспортной сфере. Это обусловлено некоторыми особенностями паровой техники. Основные недостатки конструкции:

• Большое время готовности. Выход на рабочий режим занимает не менее 3-5 минут в высокотехнологичных современных устройствах и около часа на традиционных отопительных установках.
• Невозможность моментально остановить работу котла. Поэтому, не смотря на высокий КПД, паровое оборудование практически не используют в транспорте, а вместо него устанавливают двигатель внутреннего сгорания.
• взрывоопасность — риск взрыва существует при неправильной эксплуатации даже самых современных установок для выработки пара, оборудованных системами безопасности, так как в топливном баке сконцентрирован большой запас энергии.
• Высокие требования к качеству теплоносителя. Эта характеристика — один из главных минусов парового котла. Для его работы может использоваться только подготовленная вода. При использовании некачественного теплоносителя на стенках труб образуется накипь, способная уменьшить КПД оборудования и увеличить риск взрыва конструкции.
• необходимость регулярного квалифицированного осмотра и обслуживания с обязательной остановкой — пропуск ТО может привести к аварии и выходу из строя дорогостоящего котла.

В некоторых производственных сферах без пара не обойтись, поэтому паровые котлы остаются востребованным оборудованием для промышленности и энергетики.

Производители установок регулярно совершенствуют устройство оборудования для более быстрой, эффективной и экономичной работы, а средства автоматики позволяют избежать аварийных ситуаций на производстве. При соблюдении правил эксплуатации вероятность выхода котла из строя или ЧП сведена к минимуму.

Правила работы

Паровые котлы представляют собой объекты повышенной опасности, поэтому при эксплуатации важно соблюдать ТБ и рекомендации производителя устройства. С основными правилами эксплуатации должны быть знакомы все сотрудники, взаимодействующие с оборудованием.

Подготовка воды

Безопасное использование котла невозможно при низком качестве воды. Она должна быть очищена от минеральных солей, образующих под действием высоких температур накипь на внутренних поверхностях труб.

Появление накипи опасно ухудшением теплопередачи между газом и теплоносителем, что приводит к перегреву труб и, при критическом снижении давления во внутреннем контуре, в взрыву.

Ремонт и обслуживание

Периодичность ТО определяется рекомендациями завода-изготовителя оборудования и законодательными нормами. В ходе техобслуживания могут проводиться следующие работы:

• плановый визуальный осмотр;
• определение причин перегрева, возгорания, засорения;
• оценка герметичности соединений;
• проверка питательной, дымоходной и других систем;
• осмотр вспомогательного оборудования;
• проверка работы КИПиА;
• устранение нарушений правил безопасности.

Производители паровых котлов

На рынке представлен большой выбор оборудования от отечественных и зарубежных брендов.

Рекомендуем обратить внимание на решения от следующих производителей:

• ICI Caldaie (Италия). Компания выпускает различные типы паровых котлов: крупные промышленные агрегаты и компактные установки для небольших производств, дизельные, твердотопливные и газовые устройства, маломощные неподнадзорные котлы. Вне зависимости от типа, мощности и рабочего давления устройства для выработки пара ICI демонстрируют высокий КПД до 92%.
• ПК Потенциал (Россия). Компания выпускает экономичные и производительные котлы и генераторы пара «Орлик», а также специальное оборудование, не имеющее аналогов в РФ.

Такое сложное и опасное оборудование как паровой котел стоит приобретать только у дилеров, работающих с производителями надежного оборудования. Покупка у официального представителя поможет не сомневаться в качестве, эффективности и безопасности установки.

Весь ассортимент оборудования известных марок вы найдете в каталоге компании «Дюпад». Напишите нам в чат на сайте или позвоните по телефону — опытные консультанты помогут подобрать модель под ваши задачи и расскажут об эксплуатации.