Современную теплоэнергетику невозможно представить без высокоточных средств измерения. Технологический процесс на энергетических объектах должен постоянно контролироваться с помощью датчиков или преобразователей, которые не только пассивно снимают информацию, но и позволяют производить автоматическую регулировку и защитное отключение при нарушении нормального режима.

Типы КИПиА в котельной

Из общего названия и сказанного выше можно сделать вывод, что для безаварийной работы газового оборудования необходимы следующие комплексы:

• измерительные;
• регулировочные;
• защитные.

Эксплуатация водогрейных и энергетических установок без приборов защит запрещена, поскольку при нестандартных ситуациях и поломках угроза жизни людей и целостности механизмов повышается многократно. Перед растопкой дежурный персонал организует проверку действие защит на останов котла. Введение этого пункта в ПТЭ помогло серьезно снизить негативные последствия аварий.

Особенности работы КИПиА котельного оборудования

Для сетевых и газового трубопроводов предусматриваются как дистанционные цифровые комплексы, так и механические приборы по месту. Это позволяет обслуживающему персоналу контролировать состояние среды во время обхода котельной или при потере напряжения. Действие защит распространяется чаще всего на топливоподачу, для исключения взрыва при нарушениях режима горения в котлах.

Обслуживание КИПиА в котельных

Для правильной работы контролирующих устройств на объектах теплоэнергетики формируют специальный цех или подразделение. Эта служба выполняет следующие функции:

• ежедневный контроль правильности показаний,
• проверка устройств защиты;
• ремонт и замена вышедших из строя приборов;
• периодическая поверка устройств измерения.

Ведение режима котельного агрегата невозможно без постоянно контроля со стороны оператора котельной. Несколько обходов в смену помогают держать такое измерительное оборудование в исправности.

Приборы КИПиА для котельных

Основными измерительными устройствами в газовых котельных являются:

• Манометры. Необходимы для контроля давления в трубопроводах, без них эксплуатация зачастую невозможна. По ним происходит регулировка процесса горения в водогрейных и энергетических котлах, посредством измерения давлений природного газа и воздуха.
• Термопары. Теплоноситель должен отпускаться в город с определенной температурой. Для контроля за ней, а значит и за режимом работы котельной устанавливают несколько термических преобразователей.
• Расходомеры. Экономические характеристики производства тепловой и электрической энергии связаны с расходами рабочей среды и топлива. Для их измерения применяются цифровые пишущие устройства.

Слесарь КИПиА газовых котельных

В современном производстве все параметры, получаемые от измерительных приборов, аккумулируются на пункте. Компьютерные системы на нем позволяют обратиться к этой информации, вплоть до определенного периода. Такой порядок полезен для анализа.

В обязанности дежурного слесаря входят общие пункты:

• обеспечение исправности устройств контроля и защиты;
• периодическая проверка измерительных приборов;
• техническое обслуживание КИПиА в котельной;
• аккумулирование и предоставления целостной информации по параметрам производственного процесса.

Оперативный персонал посменно осуществляет обеспечение нормальной эксплуатации измерительных комплексов на энергетических объектах и тепловых сетях. Также он контролирует систему сбора информации, чтобы не допустить ее сбоев.

По назначению арматуру можно разделить на четыре груп­пы: 1) для управления работой котла – стопорные, питатель­ные, топливные клапаны, клапаны отбора насыщенного и охлаж­денного пара; 2) для защиты котла – предохранительные кла­паны, быстрозапорное устройство; 3) для физико-химического контроля – клапаны отбора, проб, ввода присадок, продувания и др.; 4) для выпуска воздуха, дренажа, присоединения к кон­трольно-измерительным и регулирующим приборам – дополни­тельная арматура.

На рис. 7.22 показана примерная схема размещения арма­туры на водотрубном котле. На пароводяном коллекторе котла (Рис. 7.22, а , в ) установлена следующая арматура: два питатель­ных клапана 5 и 17 для регулирования подачи питательной воды в котел вручную; питательные невозвратные клапаны 4 и 18 для пропуска питательной воды только в одном направле­НИИ – в котел; сдвоенные предохранительные клапаны – глав­ный 19 и импульсный 20 ; клапаны 10 и 11 пароохладителя, рас­положенного в водяном пространстве коллектора; водоуказателыше приборы 6 и 12 ; клапан верхнего продувания 23 и клапан 3 продувания пароохладителя; спускные клапаны 16 ; воз­душные клапаны 7 и 24 для выпуска воздуха из перепускной трубы 25 , соединительной трубы конденсационного сосуда и па­роохладителя; клапан 1 для отбора проб котловой воды на хи­мический анализ; клапаны 22 манометров, импульсные клапаны 2 и 21 для подачи сигналов к регулятору питания; клапан 9 отбора насыщенного пара.

На коллекторе пароперегревателя (Рис. 7.22, б ) размещены главный стопорный клапан 13 , клапан дренажа (осушения) 15 и главный предохранительный клапан 14 пароперегревателя (импульсные клапаны 8 , 9 установлены на пароводяном кол­лекторе). Клапаны нижнего продувания, предназначенные для удаления воды и шлама, имеются на всех водяных коллекторах котла. Их размещают аналогично клапану 15 .

Главный стопорный клапан (ГСК) служит для со­общения котла с главной паровой магистралью, по которой пар поступает к основным потребителям. На рис. 7.23 показана конструкция ГСК с сервомотором системы аварийного отключе­ния котла. Тарелка 10 клапана перемещается с помощью махо­вика 1 и зубчатой передачи 2 .

Последняя вращает ходовую гайку 16 , благодаря чему движется вверх и вниз втулка 14 , имеющая винтовое соединение с гайкой 16 и шпоночное – со стопором-указателем 13 , который передвигается по направляю­щим стоек 15 клапана и не позволяет втулке 14 вращаться. При подаче втулки 14 вверх тарелка 10 отходит от седла 9 клапана и клапан открывается. В этом случае пар свободно проходит че­рез ГСК. Однако при давлении в котле ниже давления в паро­проводе (например, при разрыве парообразующей трубы) пар не пойдет из паропровода в котел, так как тарелка клапана вместе со штоком опустится и перекроет проход. Таким образом, ГСК является невозвратно-запорным клапаном.

Клапан закрывается при ходе вниз втулки 14 , которая пере­мещает шток); последний прижимает тарелку 10 к седлу 9 . Шток 11 соединен с втулкой 14 прессовой посадкой.

Рис. 7.23. Главный стопорный кла­пан

Рис. 7.24. Главный питательный клапан

При неисправности зубчатой передачи 2 для перемещения тарелки 10 можно использовать квадрат в верхней части штока. Квадраты на валике маховика 1 служат для присоединения при­водов дистанционного управления.

Для ускоренного закрытия клапана в случае аварии турбо­агрегата или главного паропровода применяют сервомотор 7 . Шток 5 сервомотора через приставку 4 и рычаг 3 соединен с по­перечиной 17 . Рычаг 3 имеет опору 12 на крышке клапана и мо­жет поворачиваться вокруг этой опоры. При открытом клапане в верхнюю и нижнюю полости сервомотора поступает пар. Пор­шень 8 находится в верхней полости 6 сервомотора поскольку площадь поршня вверху меньше на величину площади попереч­ного сечения штока и сила давления на поршень снизу больше, чем сверху. Для быстрого закрытия клапана достаточно соеди­нить нижнюю часть сервомотора с паровой магистралью низкого давления или с конденсатором. При этом поршень сервомотора пойдет вниз, крестовина 4 надавит на рычаг 3 , который повер­нется относительно опоры 12 , и поперечина 17 переместит шток 11 вниз. При этом шток опустит вниз тарелку клапана и при­жмет ее к седлу 9 .

Питательный клапан служит для управления подачей питательной воды в котел. Этот клапан тоже невозвратно-за­порный, что исключает утечку воды из котла в случае аварии питательной системы (Рис. 7.24). Тарелка клапана 4 с запрессо­ванной латунной втулкой 2 может свободно перемещаться по концу штока 1 вверх и вниз. Отверстие 3 предотвращает разре­жение в полости между концом штока и тарелкой клапана, что препятствует присасыванию тела клапана к штоку. При откры­вании клапана с помощью маховика и пары шестерен шток под­нимается вверх, при закрывании – опускается вниз. После подъема штока тарелка клапана поднимается под действием давления воды в питательном трубопроводе.

Топливный клапан предназначен для управления по­дачей топлива к форсункам котла. Конструктивно он подобен питательному клапану.

Предохранительные клапаны (ПХК) обеспечивают защиту котла от чрезмерного повышения давления пара. Со­гласно действующим нормативам, ПХК должен открываться при повышении давления пара на 5% от номинального значе­ния. При давлении в котле < 4 МПа используют ПХК пря­мого действия, при > 4 МПа – предохранительные устрой­ства непрямого действия, состоящие из импульсных и главных ПХК.

Предохранительный клапан прямого действия представляет собой пробку в стенке пароводяного коллектора котла. На одну сторону этой пробки давит пар, на другую – пружина или груз. При давлении свыше нормативного сила давления пара на пробку превысит силу сжатия пружины или веса груза, пробка поднимется и выпустит часть пара в атмосферу.

Схема предохранительного устройства непрямого действия показана на рис. 7.25. Тарелка 1 клапана в корпусе 2 главного ПХК сидит на штоке 3 и давлением пара прижимается к седлу. Шток проходит в цилиндре 4 и несет на себе пригнанный к этому цилиндру поршень. На правом конце штока навинчена втулка, отжимаемая вправо небольшой пружиной 5 . Эта пру­жина обеспечивает начальное прижатие клапана к седлу, которое усиливается давлением пара. Тарелка 11 импульсного клапана прижимается к седлу пружиной 8 через нижнюю втулку 10 и шток 9 . При давлении выше номинального значения пар припод­нимает клапан 11 и по импульсной трубе устремляется в пра­вую полость цилиндра главного предохранительного клапана. Площадь поршня в нем больше площади тарелки 1 клапана, и поэтому шток перемещается влево, открывая выход пара из коллектора в атмосферу. Силу сжатия пружины 8 регулируют с помощью нарезной втулки 6 , при вращении которой переме­щается верхняя втулка 7 , изменяющая высоту пружины, а сле­довательно, и ее силу сжатия.

При резком повышении давления (внезапном прекращении отбора пара из котла) срабатывание главных ПХК обезопасит котел от разрушения. Однако пароперегреватель котла, не по­лучающий пара, но еще обогреваемый газами, может быть по­врежден. В связи с этим главный ПХК ставят также на собирающем коллекторе ПП,

а импульсный – на пароводяном кол­лекторе. В этом случае избыточный пар перед выпуском в ат­мосферу омывает трубы пароперегревателя, защищая их от пе­регрева дымовыми газами.

Для обеспечения надежности как импульсный, так и главный ПХК выполняют сдвоенными. Как правило, в общем корпусе устанавливают два однотипных ПХК. Один из импульсных кла­панов является контрольным. Его регулируют на определенное давление и затем пломбируют. Другой импульсный клапан ра­бочий. Он не пломбируется; при необходимости силу нажатия его пружины можно ослабить и тем самым гарантировать ра­боту котла на сниженном давлении.

К арматуре защиты котла относят систему быстрозапорного устройства (Рис. 7.26). Ее используют в тех случаях, когда требуется быстро (за 1–2 с) вывести котел из действия. В состав быстрозапорного устройства входят ГСК (слева) с сер­вомотором 4 , главный топливный клапан 9 (справа) с сервомо­тором 12 и переключающий клапан (в центре). Пар из паро­перегревателя через клапан 1 по трубам проходит к верхним штуцерам 3 и 11 сервомоторов. Нижние штуцеры 5 и 13 серво­моторов получают такой же пар через штуцеры 8 и 7 переклю­чающего клапана. Если тарелка этого клапана находится в верх­нем положении, то давление в верхних и нижних полостях сер­вомоторов будет одинаковым.

В аварийной ситуации маховик переключающего клапана поворачивают на полоборота. При этом штуцер 7 сообщается с атмосферой через штуцер 6 . В результате давление в нижних полостях сервомотора падает, оба поршня идут вниз, опуская концы рычагов 2 и 10 , которые, поворачиваясь вокруг оси, пе­ремещают штоки клапанов и отсекают котел от парового и топ­ливного трубопроводов.

Котлы рассчитаны на безвахтенное обслуживание, поэтому снабжены надежными средствами защиты и сигнализации. Ав­томатическая система защиты котла срабатывает при чрезмер­ном давлении пара, при уровне воды ниже критической отметки, недопустимом снижении давления воздуха перед топкой, само­произвольном затухании факела. Системы защиты различны по конструкции, независимо от этого их основной функцией являет­ся прекращение подачи топлива к форсункам. Для этой цели служит электромагнитный запорный клапан (Рис. 7.27). При нормальной работе котла по обмотке катушки 1 проходит элек­трический ток и магнитное поле катушки втягивает сердечник с запорной иглой 5 , которая, поднимаясь, открывает доступ топ­лива к форсунке через седло 4 , запрессованное в корпусе кла­пана 3 .

В случае появления одной из вышеперечисленных неисправ­ностей катушка обесточивается, пружина 2 прижимает запорную иглу к седлу клапана, закрывая доступ топлива к форсункам.

Арматура физико-химического контроля служит для управле­ния водным режимом котла. В состав систем отбора проб, ввода присадок, продувания входят клапаны и краны, конструкция кото-

Рис. 7.27. Электромагнитный быстрозапорный топливный клапан

Рис. 7.28. Клапан нижнего продувания

рых не отличается от стандартной, исключением является клапан нижнего продувания . Нижним продуванием из водяных коллекторов удаляется скапливающийся там шлам, который мо­жет засорить клапан. Поэтому клапан нижнего продувания оснащен двумя маховиками (Рис. 7.28). Большой маховик 2 служит для перемещения штока и связанного с ним тела кла­пана 5 вдоль оси с помощью винтовой втулки 3 . Малый махо­вик 1 позволяет только проворачивать тело клапана 5 вокруг оси с целью очистки его посадочных поверхностей. Для облег­чения вращения штока во втулке смонтирован подшипник 4 . Конструкция клапанов дополнительной арматуры также яв­ляется стандартной.

К контрольно-измерительным приборам относятся: мано­метры, термометры, водоуказательные приборы, газоанализа­торы, солемеры и др.

Манометры предназначены для измерения давления. Со­гласно требованиям Правил Регистра СССР на каждом котле должно быть не менее двух манометров, соединенных с паро­вым пространством отдельными трубками, с запорными клапа­нами и сифонами. Один манометр устанавливают на переднем фронте котла, другой – у пульта управления главными меха­низмами. Исключение допускается для утилизационных котлов и котлов с производительностью менее 750 кг/ч, которые мо­гут иметь один манометр. На выходе из экономайзера также устанавливают манометр. Манометры на котле должны иметь шкалу, на которой рабочее давление отмечено красной чертой.

Широко используют пружинные (Рис. 7.29, а ) и мембранные (Рис. 7.29, б ) манометры. В пружинных манометрах рабочей частью служит бронзовая трубчатая пружина 1 , имеющая овалообразное сечение, а в мембранных – гофрированная диско­вая мембрана 6 . В пружинном манометре один конец пру­жины 1 соединяется со штуцером 4 , по которому подводится пар, а другой запаян и связан с передаточным механизмом 3 . Давление пара, действующее внутри полой пружины 1 , стре­мится выпрямить ее, перемещает ее запаяный конец и через передаточный механизм стрелку 2 , которая указывает на шкале результат изменения давления. В мембранном манометре дав­ление пара действует на упругую мембрану 6 , которая в зави­симости от величины давления прогибается и при помощи стержня 5 и зубчатого механизма 3 перемещает стрелку 2 ма­нометра.

Для измерения малых перепадов давлений используют жид­костные дифференциальные манометры. Контроль работы котла за определенный промежуток времени осуществляют с помощью регистрирующих манометров.

Измерение температуры рабочих тел котла (пара, газа, воз­духа, воды, топлива) проводят с помощью термопар, термомет­ров расширения и сопротивления. Вторичные (показывающие) приборы термопар и термометров со­противления устанавливают на щите у переднего фронта котла, а также на центральном посту управления (ЦПУ) энергетической установкой.

Надежная и безопасная работа кот­лов с естественной циркуляцией воз­можна только при определенном уров­не воды в пароводяном коллекторе, не выходящем за пределы ВУВ и НУВ (см. рис. 7.4). Поэтому во время эксплуатации котла уровень воды в коллекторе необходимо поддерживать неизменным. Для наблюдения за уров­нем воды служат водоуказательные приборы (ВУП).

В основе работы ВУП лежит прин­цип сообщающихся сосудов. Схема установки ВУП приведена на рис. 7.30. Прозрачный элемент 1 ВУП соединен сверху и снизу соответственно с паро­вым и водяным пространствами кол­лектора 4 . В качестве прозрачного элемента для котлов при давлении ме­нее 3,2 МПа используют стекло, при более высоких давлениях – набор слюдяных пластин. Поверхность

стекла, обращенную к воде, делают рифленой. Благодаря этому световые лучи пре­ломляются таким образом, что нижняя часть стекла, контакти­рующая с водой, кажется темной, а верхняя – светлой.

В непосредственной близости к прозрачному элементу сверху и снизу установлены два быстрозапорных клапана 2 . Они со­единены между собой штангой 5 , которая оканчивается рукоят­кой 6 у площадки обслуживания. В случае разрыва прозрач­ного элемента вахтенному достаточно толкнуть штангу вверх, чтобы перекрыть оба быстрозапорных клапана. Затем закры­вают клапан 3 обычной конструкции.

Водоуказательные приборы монтируют на фланцах с по­мощью специальных удлиненных штуцеров под углом 15° к вер­тикали. При таком наклоне лучше виден уровень воды с площадки обслуживания. На каждый котел устанавливают не менее двух независимых ВУП одинаковой конструкции. При вы­ходе из строя одного из приборов котел следует вывести из действия. Работа котла с одним ВУП запрещается. Вспомога­тельные и утилизационные котлы могут иметь один ВУП. При его повреждении котел должен быть выведен из действия. Если котел полностью автоматизирован, то допускается замена ВУП без вывода котла из эксплуатации.

Для регулирования и оптимизации функционирования котловых агрегатов технические средства стали применяться еще на начальных этапах автоматизации промышленности и производства. Сегодняшний уровень развития этого направления позволяет значительно повысить рентабельность и надежность котельного оборудования, обеспечить безопасность и интеллектуализацию труда обслуживающего персонала.

Задачи и цели

Современные системы автоматизации котельных способны гарантировать безаварийную и эффективную эксплуатацию оборудования без непосредственного вмешательства оператора. Функции человека сводятся к онлайн-мониторингу работоспособности и параметров всего комплекса устройств. Автоматизация котельных решает следующие задачи:

Объект автоматизации

Как объект регулирования является сложной динамической системой со множеством взаимосвязанных входных и выходных параметров. Автоматизация котельных осложняется тем, что в паровых агрегатах очень велики скорости протекания технологических процессов. К основным регулируемым величинам относят:

• расход и давление теплоносителя (воды или пара);
• разряжение в топке;
• уровень в питательном резервуаре;
• в последние годы повышенные экологические требования предъявляются к качеству приготавливаемой топливной смеси и, как следствие, к температуре и составу продуктов дымоудаления.

Уровни автоматизации

Степень автоматизации задается при проектировании котельной или при капитальном ремонте/замене оборудования. Может лежать в диапазоне от ручного регулирования по показаниям контрольно-измерительных приборов до полностью автоматического управления по погодозависимым алгоритмам. Уровень автоматизации в первую очередь определяется назначением, мощностью и функциональными особенностями эксплуатации оборудования.

Современная автоматизация работы котельной подразумевает комплексный подход - подсистемы контроля и регулирования отдельных технологических процессов объединяются в единую сеть с функционально-групповым управлением.

Общая структура

Автоматизация котельных выстраивается по двухуровневой схеме управления. К нижнему (полевому) уровню относятся приборы локальной автоматики на базе программируемых микроконтроллеров, реализующие техническую защиту и блокировку, регулировку и изменение параметров, первичные преобразователи физических величин. Сюда же причисляют и оборудование, предназначенное для преобразования, кодирования и передачи информационных данных.

Верхний уровень может быть представлен в виде графического терминала встроенного в шкаф управления или автоматизированного рабочего места оператора на базе персонального компьютера. Здесь отображается вся информация, поступающая от микроконтроллеров нижнего уровня и датчиков системы, и производится ввод оперативных команд, регулировок и уставок. Кроме диспетчеризации процесса решаются задачи оптимизации режимов, диагностики технического состояния, анализа экономических показателей, архивирования и хранения данных. При необходимости информация передается в общую систему управления предприятием (MRP/ERP) или населенным пунктом.

Современный рынок широко представлен как отдельными приборами и устройствами, так и комплектами автоматики отечественного и импортного производства для паровых и водогрейных котлов. К средствам автоматизации относят:

• оборудование управления розжигом и наличия пламени, запускающее и контролирующее процесс горения топлива в топочной камере котлоагрегата;
• специализированные сенсоры (тягонапоромеры, датчики температуры, давления, газоанализаторы и т. д.);
• (электромагнитные клапаны, реле, сервоприводы, частотные преобразователи);
• панели управления котлами и общекотельным оборудованием (пульты, сенсорные мнемосхемы);
• шкафы коммутации, линии связи и энергообеспечения.

При выборе управления и контроля наиболее пристальное внимание следует уделить автоматике безопасности, исключающей возникновение нештатных и аварийных ситуаций.

Подсистемы и функции

Любая котельной включает в себя подсистемы контроля, регулирования и защиты. Регулирование осуществляется путем поддержания оптимального режима горения заданием разряжения в топке, расхода первичного воздуха и параметров теплоносителя (температуры, давления, расхода). Подсистема контроля выводит фактические данные о функционировании оборудования на человеко-машинный интерфейс. Приборы защиты гарантируют предотвращение аварийных ситуаций при нарушении нормальных условий эксплуатации, подачу светового, звукового сигнала или останов котлоагрегатов с фиксацией причины (на графическом табло, мнемосхеме, щите).

Коммуникационные протоколы

Автоматизация на базе микроконтроллеров сводит к минимуму использование в функциональной схеме релейных коммутаций и контрольных электролиний. Для связи верхнего и нижнего уровней АСУ, передачи информации между датчиками и контроллерами, для трансляции команд на исполнительные устройства используют промышленную сеть с определенным интерфейсом и протоколом передачи данных. Наибольшее распространение получили стандарты Modbus и Profibus. Они совместимы с основной массой оборудования, используемого для автоматизации объектов теплоснабжения. Отличаются высокими показателями достоверности передачи информации, простыми и понятными принципами функционирования.

Энергосберегающие и социальные эффекты автоматизации

Автоматизация котельных полностью исключает возможность аварий с разрушением капитальных строений, гибелью обслуживающего персонала. АСУ способна круглосуточно обеспечить нормальное функционирование оборудования, свести к минимуму влияние человеческого фактора.

В свете непрерывного роста цен на топливные ресурсы не последнее значение имеет и энергосберегающий эффект автоматизации. Экономия природного газа, достигающая до 25 % за отопительный сезон, обеспечивается:

• оптимальным соотношением "газ/воздух" в топливной смеси на всех режимах работы котельной, коррекцией по уровню содержания кислорода в продуктах сгорания;
• возможностью индивидуальной настройки не только котлов, но и ;
• регулированием не только по температуре и давлению теплоносителя на входе и выходе котлов, но и с учетом параметров окружающей среды (погодозависимые технологии).

Кроме того, автоматика позволяет реализовать энергоэффективный алгоритм отопления нежилых помещений или зданий, не используемых в выходные и праздничные дни.

Котельная установка (котельная) - это сооружение, в котором осуществляется нагрев рабочей жидкости (теплоносителя) (как правило - воды) для системы отопления или пароснабжения, расположенное в одном техническом помещении. Котельные соединяются с потребителями при помощи теплотрассы и/или паропроводов. Основным устройством котельной является паровой, жаротрубный и/или водогрейный котлы. Котельные используются при централизованном тепло- и пароснабжении или при местном теплоснабжении зданий.

Котельная установка представляет собой комплекс устройств, размещенных в специальных помещениях и служащих для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию пара или горячей воды. Ее основные элементы - котел, топочное устройство (топка), питательные и тягодутьевые устройства. В общем случае котельная установка представляет собой совокупность котла (котлов) и оборудования, включающего следующие устройства: подачи и сжигания топлива; очистки, химической подготовки и деаэрации воды; теплообменные аппараты различного назначения; насосы исходной (сырой) воды, сетевые или циркуляционные - для циркуляции воды в системе теплоснабжения, подпиточные - для возмещения воды, расходуемой у потребителя и утечек в сетях, питательные для подачи воды в паровые котлы, рециркуляционные (подмешивающие); баки питательные, конденсационные, баки-аккумуляторы горячей воды; дутьевые вентиляторы и воздушный тракт; дымососы, газовый тракт и дымовую трубу; устройства вентиляции; системы автоматического регулирования и безопасности сжигания топлива; тепловой щит или пульт управления.

Котел - это теплообменное устройство, в котором теплота от горячих продуктов горения топлива передается воде. В результате этого в паровых котлах вода превращается в пар, а в водогрейных котлах нагревается до требуемой температуры.

Топочное устройство служит для сжигания топлива и превращения его химической энергии в тепло нагретых газов.

Питательные устройства (насосы, инжекторы) предназначены для подачи воды в котел.

Тягодутьевое устройство состоит из дутьевых вентиляторов, системы газовоздуховодов, дымососов и дымовой трубы, с помощью которых обеспечиваются подача необходимого количества воздуха в топку и движение продуктов сгорания по газоходам котла, а также удаление их в атмосферу. Продукты сгорания, перемещаясь по газоходам и соприкасаясь с поверхностью нагрева, передают теплоту воде.

Для обеспечения более экономичной работы современные котельные установки имеют вспомогательные элементы: водяной экономайзер и воздухоподогреватель, служащие соответственно для подогрева воды и воздуха; устройства для подачи топлива и удаления золы, для очистки дымовых газов и питательной воды; приборы теплового контроля и средства автоматизации, обеспечивающие нормальную и бесперебойную работу всех звеньев котельной.

В зависимости от использования их теплоты котельные делятся на энергетические, отопительно-производственные и отопительные.

Энергетические котельные снабжают паром паросиловые установки, вырабатывающие электроэнергию, и обычно входят в комплекс электрической станции. Отопительно-производственные котельные бывают на промышленных предприятиях и обеспечивают теплотой системы отопления и вентиляции, горячего водоснабжения зданий и технологические процессы производства. Отопительные котельные решают те же задачи, но обслуживают жилые и общественные здания. Они делятся на отдельно стоящие, сблокированные, т.е. примыкающие к другим зданиям, и встроенные в здания. В последнее время все чаще строят отдельно стоящие укрупненные котельные с расчетом на обслуживание группы зданий, жилого квартала, микрорайона.

Устройство встроенных в жилые и общественные здания котельных в настоящее время допускается только при соответствующем обосновании и согласовании с органами санитарного надзора.

Котельные малой мощности (индивидуальные и небольшие групповые) обычно состоят из котлов, циркуляционных и подпиточных насосов и тягодутьевых устройств. В зависимости от этого оборудования в основном определяются размеры помещений котельной.

2. Классификация котельных установок

Котельные установки в зависимости от характера потребителей разделяются на энергетические, производственно-отопительные и отопительные. По виду получаемого теплоносителя их делят на паровые (для выработки пара) и водогрейные (для выработки горячей воды).

Энергетические котельные установки вырабатывают пар для паровых турбин на тепловых электростанциях. Такие котельные оборудуют, как правило, котлоагрегатами большой и средней мощности, которые вырабатывают пар повышенных параметров.

Производственно-отопительные котельные установки (обычно паровые) вырабатывают пар не только для производственных нужд, но и для целей отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Отопительные котельные установки (в основном водогрейные, но они могут быть и паровыми) предназначены для обслуживания систем отопления производственных и жилых помещений.

В зависимости от масштаба теплоснабжения отопительные котельные бывают местные (индивидуальные), групповые и районные.

Местные котельные обычно оборудуют водогрейными котлами с нагревом воды до температуры не более 115 °С или паровыми котлами с рабочим давлением до 70 кПа. Такие котельные предназначены для снабжения теплотой одного или нескольких зданий.

Групповые котельные установки обеспечивают теплотой группы зданий, жилые кварталы или небольшие микрорайоны. Их оборудуют как паровыми, так и водогрейными котлами большей теплопроизводительности, чем котлы для местных котельных. Эти котельные обычно размещают в специально сооруженных отдельных зданиях.

Районные отопительные котельные служат для теплоснабжения крупных жилых массивов: их оборудуют сравнительно мощными водогрейными или паровыми котлами.

Рис. 1.

Рис. 2.

Рис. 3.

Рис. 4.

Отдельные элементы принципиальной схемы котельной установки принято условно показать в виде прямоугольников, кружков и т.п. и соединять их между собой линиями (сплошными, пунктирными), обозначающими трубопровод, паропроводы и т. п. В принципиальных схемах паровых и водогрейных котельных установок имеются существенные различия. Паровая котельная установка (рис. 4, а) из двух паровых котлов 1, оборудованных индивидуальными водяными 4 и воздушными 5 экономайзерами, включает групповой золоуловитель 11, к которому дымовые газы подходят по сборному борову 12. Для отсоса дымовых газов на участке между золоуловителем 11 и дымовой трубой 9 установлены дымососы 7 с электродвигателями 8. Для работы котельной без дымососов установлены шиберы (заслонки) 10.

Пар от котлов по отдельным паропроводам 19 поступает в общий паропровод 18 и по нему к потребителю 17. Отдав теплоту, пар конденсируется и по конденсатопроводу 16 возвращается в котельную в сборный конденсационный бак 14. Через трубопровод 15 в конденсационный бак подается добавочная вода из водопровода или химводоочистки (для компенсации объема, не вернувшегося от потребителей).

В случае, когда часть конденсата теряется у потребителя, из конденсационного бака смесь конденсата и добавочной воды подается насосами 13 по питательному трубопроводу 2 сначала в экономайзер 4, а затем в котел 1. Воздух, необходимый для горения, засасывается центробежными дутьевыми вентиляторами 6 частично из помещения котельной, частично снаружи и по воздуховодам 3 подается сначала к воздухоподогревателям 5, а затем к топкам котлов.

Водогрейная котельная установка (рис. 4, б) состоит из двух водогрейных котлов 1, одного группового водяного экономайзера 5, обслуживающего оба котла. Дымовые газы по выходе из экономайзера по общему сборному борову 3 поступают непосредственно в дымовую трубу 4. Вода, нагретая в котлах, поступает в общий трубопровод 8, откуда подается к потребителю 7. Отдав теплоту, охлажденная вода по обратному трубопроводу 2 направляется сначала в экономайзер 5, а затем опять в котлы. Вода по замкнутому контуру (котел, потребитель, экономайзер, котел) перемещается циркуляционными насосами 6.

Рис. 5. : 1 - циркуляционный насос; 2 - топка; 3 - пароперегреватель; 4 - верхний барабан; 5 - водоподогреватель; 6 - воздухоподогреватель; 7 - дымовая труба; 8 - центробежный вентилятор (дымосос); 9 - вентилятор для подачи воздух в воздухоподогреватель

На рис. 6 представлена схема котельного агрегата с паровым котлом, имеющим верхний барабан 12. В нижней части котла расположена топка 3. Для сжигания жидкого или газообразного топлива используют форсунки или горелки 4, через которые топливо вместе с воздухом подается в топку. Котел ограничен кирпичными стенами -обмуровкой 7.

При сжигании топлива выделяющаяся теплота нагревает воду до кипения в трубных экранах 2, установленных на внутренней поверхности топки 3, и обеспечивает ее превращение в водяной пар.

Рис 6.

Дымовые газы из топки поступают в газоходы котла, образуемые обмуровкой и специальными перегородками, установленными в пучках труб. При движении газы омывают пучки труб котла и пароперегревателя 11, проходят через экономайзер 5 и воздухоподогреватель 6, где они также охлаждаются вследствие передачи теплоты воде, поступающей в котел, и воздуху, подаваемому в топку. Затем значительно охлажденные дымовые газы при помощи дымососа 17 удаляются через дымовую трубу 19 в атмосферу. Дымовые газы от котла могут отводиться и без дымососа под действием естественной тяги, создаваемой дымовой трубой.

Вода из источника водоснабжения по питательному трубопроводу подается насосом 16 в водяной экономайзер 5, откуда после подогрева поступает в верхний барабан котла 12. Заполнение барабана котла водой контролируется по водоуказательному стеклу, установленному на барабане. При этом вода испаряется, а образующийся пар собирается в верхней части верхнего барабана 12. Затем пар поступает в пароперегреватель 11, где за счет теплоты дымовых газов он полностью подсушивается, и температура его повышается.

Из пароперегревателя 11 пар поступает в главный паропровод 13 и оттуда к потребителю, а после использования конденсируется и в виде горячей воды (конденсата) возвращается обратно в котельную.

Потери конденсата у потребителя восполняются водой из водопровода или из других источников водоснабжения. Перед подачей в котел воду подвергают соответствующей обработке.

Воздух, необходимый для горения топлива, забирается, как правило, вверху помещения котельной и подается вентилятором 18 в воздухоподогреватель 6, где он подогревается и затем направляется в топку. В котельных небольшой мощности воздухоподогреватели обычно отсутствуют, и холодный воздух в топку подается или вентилятором, или за счет разрежения в топке, создаваемого дымовой трубой. Котельные установки оборудуют водоподготовительными устройствами (на схеме не показаны), контрольно-измерительными приборами и соответствующими средствами автоматизации, что обеспечивает их бесперебойную и надежную эксплуатацию.

Рис. 7.

Для правильного монтажа всех элементов котельной используют монтажную схему, пример которой показан на рис. 9.

Рис. 9.

Водогрейные котельные установки предназначены для получения горячей воды, используемой для отопления, горячего водоснабжения и других целей.

Для обеспечения нормальной эксплуатации котельные с водогрейными котлами оборудуют необходимой арматурой, контрольно-измерительными приборами и средствами автоматизации.

Водогрейная котельная имеет один теплоноситель - воду в отличие от паровой котельной, у которой два теплоносителя - вода и пар. В связи с этим в паровой котельной необходимо иметь отдельные трубопроводы для пара и воды, а также баки для сбора конденсата. Однако это не значит, что схемы водогрейных котельных проще паровых. Водогрейная и паровая котельные по сложности устройства бывают различными в зависимости от вида используемого топлива, конструкции котлов, топок и т. п. В состав как паровой, так и водогрейной котельной установки обычно входят несколько котлоагрегатов, но не менее двух и не более четырех-пяти. Все они связываются между собой общими коммуникациями - трубопроводами, газопроводами и др.

Устройство котлов меньшей мощности показано ниже в пункте 4 данной темы. Чтобы лучше понять устройство и принципы действия котлов разной мощности, желательно сравнить устройство этих менее мощных котлов с устройством описанных выше котлов большей мощности, и найти в них основные элементы, выполняющие такие же функции, а также понять основные причины различий в конструкциях.

3. Классификация котельных агрегатов

Котлы как технические устройства для производства пара или горячей воды отличаются многообразием конструктивных форм, принципов действия, используемых видов топлива и производственных показателей. Но по способу организации движения воды и пароводяной смеси все котлы могут быть разделены на следующие две группы:

Котлы с естественной циркуляцией;

Котлы с принудительным движением теплоносителя (воды, пароводяной смеси).

В современных отопительных и отопительно-производственных котельных для производства пара используются в основном котлы с естественной циркуляцией, а для производства горячей воды - котлы с принудительным движением теплоносителя, работающие по прямоточному принципу.

Современные паровые котлы с естественной циркуляцией делают из вертикальных труб, расположенных между двумя коллекторами (верхним и нижним барабанами). Их устройство показано на чертеже на рис. 10, фотография верхнего и нижнего барабана с соединяющими их трубами - на рис. 11, а размещение в котельной - на рис. 12. Одна часть труб, называемых обогреваемыми «подъемными трубами», нагревается факелом и продуктами сгорания топлива, а другая, обычно не обогреваемая часть труб, находится вне котельного агрегата и носит название «опускные трубы». В обогреваемых подъемных трубах вода нагревается до кипения, частично испаряется и в виде пароводяной смеси поступает в барабан котла, где происходит ее разделение на пар и воду. По опускным не обогреваемым трубам вода из верхнего барабана поступает в нижний коллектор (барабан).

Движение теплоносителя в котлах с естественной циркуляцией осуществляется за счет движущего напора, создаваемого разностью весов столба воды в опускных и столба пароводяной смеси в подъемных трубах.

Рис. 10.

Рис. 11.

Рис. 12.

В паровых котлах с многократной принудительной циркуляцией поверхности нагрева выполняются в виде змеевиков, образующих циркуляционные контуры. Движение воды и пароводяной смеси в таких контурах осуществляется с помощью циркуляционного насоса.

В прямоточных паровых котлах кратность циркуляции составляет единицу, т.е. питательная вода, нагреваясь, последовательно превращается в пароводяную смесь, насыщенный и перегретый пар.

В водогрейных котлах вода при движении по контуру циркуляции нагревается за один оборот от начальной до конечной температуры.

По виду теплоносителя котлы разделяются па водогрейные и паровые. Основными показателями водогрейного котла являются тепловая мощность, то есть теплопроизводительность, и температура воды; основными показателями парового котла - паропроизводительность, давление и температура.

Водогрейные котлы, назначением которых является получение горячей воды заданных параметров, применяют для теплоснабжения систем отопления и вентиляции, бытовых и технологических потребителей. Водогрейные котлы, работающие обычно по прямоточному принципу с постоянным расходом воды, устанавливают не только на ТЭЦ, но и в районных отопительных, а также отопительно-производственных котельных в качестве основного источника теплоснабжения.

Рис. 13.

Рис. 14.

По относительному движению теплообменивающихся сред (дымовых газов, воды и пара) паровые котлы (парогенераторы) могут быть разделены на две группы: водотрубные котлы и жаротрубные котлы. В водотрубных парогенераторах внутри труб движется вода и пароводяная смесь, а дымовые газы омывают трубы снаружи. В России в XX веке преимущественно использовались водотрубные котлы Шухова. В жаротрубных, наоборот, внутри труб движутся дымовые газы, а вода омывает трубы снаружи.

По принципу движения воды и пароводяной смеси парогенераторы подразделяются на агрегаты с естественной циркуляцией и с принудительной циркуляцией. Последние подразделяются на прямоточные и с многократно-принудительной циркуляцией.

Примеры размещения в котельных котлов разной мощности и назначения, а также другого оборудования, показаны на рис. 14- 16.

Рис. 15.

Рис. 16. Примеры размещения бытовых котлов и другого оборудования

К арматуре котлов относятся: предохранительные устройства, водоуказательные приборы (ВУП), запорные и регулирующие устройства.

Предохранительные устройства.

Согласно Правил, каждый котел (сосуд под давлением) должен иметь предохранительное устройство, автоматически выпускающее пар или воду, если их давление превысило допустимую величину. Паровые котлы с давлением до 0,07 МПа защищаются выкидными устройствами в виде гидравлических затворов (рис.45).

Рис. 45. Выкидное приспособление:

1 спускная линия; 2, 3 - трубы гидрозатвора; 4 - контрольный кран; 5 - труба, сообщающаяся с котлом; 6 - отверстия для возврата воды в гидрозатвор; 7 - бак; 8 - труба для выброса пара в атмосферу; 9 - водопровод.

При работе котла с избыточным рабочим давлением 0,07 МПа уровень воды во внутренней трубе гидрозатвора должен быть равен 7 м. (точнее - на 1 м выше, чтобы избежать частых срабатываний затвора при колебаниях давления пара). При повышении давления в котле пар вытесняет воду из внутренней трубы гидрозатвора в бак и выходит из котла в атмосферу. После снижения давления в котле вода снова заполняет затвор, возвращаясь из бака через отверстия в трубе.

При давлении более 0,07 МПа применяются рычажно-грузовые и пружинные предохранительные клапаны прямого действия (рис.46).

Рис. 46. Предохранительные клапаны:

1 - корпус; 2 - седло; 3 - тарелка; 4 - патрубок для отвода пара; 5 - рычаг; 6 - груз; 7 - регулировочный болт; 8 - пружина.

В рычажно-грузовом клапане тарелка запорного органа находится в седле, если силы давления пара меньше сил, создаваемых грузом. При превышении допустимого давления тарелка приподнимается и пар выходит из котла в атмосферу через отводящую трубу, присоединенную к патрубку клапана.

В пружинном клапане пружина прижимает тарелку к клапану, пока давление пара в норме. Затягивая пружину винтом, можно регулировать давление открытия клапана. Рычажно-грузовые и пружинные клапаны применяются при давлении до 4 МПа.

На каждом котле устанавливается не менее двух предохранительных клапанов. Кроме того, по одному предохранительному клапану устанавливается на входе и выходе воды из отключаемого экономайзера.

Клапаны регулируются на открытие при превышении давления на 3-10% от рабочего.

Водоуказательные приборы .

Прибор состоит из стекла и труб, соединенных с паровым и водяным объемами котла. В трубах и после стекла установлены краны, которые служат для продувки соединительных труб и самого стекла от возможных загрязнений (рис.47).

Рис. 47. Водоуказательный прибор:

а- схема действия; б - прибор с плоским рифленым стеклом:

1 - продувочный кран; 2 - водяной кран; 3 - стекло; 4 - паровой кран; 5 - верхняя головка; 6 - оправа; 7 - нижняя головка.

К корпусу, в который вставляется стекло, крепятся металлические указатели высшего и низшего допустимых уровней воды в котле. При давлении до 4 МПа применяются как рифленые, так и плоские стекла (пластины). Рифленая поверхность пластины преломляет свет таким образом, что вода в стекле кажется темной, а пар светлым.

На каждом котле должно быть не менее двух водоуказательных приборов прямого действия.

В водогрейных котлах уровень воды контролируется водопробными кранами, положение которых соответствует предельным значениям уровня воды. Пробный кран устанавливается в верхней части барабана котла, а при его отсутствии - на выходе воды из котла в магистральный трубопровод до запорного устройства.

Запорная и регулирующая арматура котлов.

Арматура котла используется для управления работой котлов, посредством включения и отключения отдельных элементов, изменения расходов, давления и температуры рабочих сред.

При диаметрах прохода до 100-150 мм преимущественно применяются вентили (запорно-регулирующие устройства), а при больших диаметрах - задвижки (запорные органы). Для пропуска жидкости в одном направлении используются обратные клапаны.

Согласно требованиям Правил запорная и регулирующая арматура должна иметь четкую маркировку на корпусе, в которой должны быть указаны:

Наименование или товарный знак организации - изготовителя;

Условный проход;

Условное давление и температура среды;

Направление потока среды.

На маховиках арматуры обозначается направление вращения при открывании и закрывании арматуры.

Арматура устанавливается на котлах и присоединительных трубопроводах.

На верхнем барабане котла устанавливаются предохранительные клапаны с выхлопными трубами, водоуказательные приборы и манометры .

На паропроводе, соединяющим котел со сборным паропроводом котельной, вблизи барабана котла устанавливается главный запорный орган, который в котлах паропроизводительностью более 4 т/ч оборудуется дистанционным приводом с выводом управления на рабочее место машиниста котла.

Рис.48. Задвижка клиновая с невыдвижным шпинделем:

1 - маховик; 2 - втулка; 3 - сальник; 4 - прокладка; 5 - крышка; 6 - шпиндель;

7 - уплотнительная прокладка; 8 - ходовая гайка; 9 - корпус; 10 - затвор; 11 - седло.

Рис. 49. Вентиль запорный фланцевый:

1 - маховик; 2 - ходовая гайка; 3 - сальник; 4 - крышка; 5- шпиндель; 6 - тарелка; 7 - седло; 8 - корпус; 9 - стойка

Рис. 50. Клапан обратный поворотный:

1 - ось; 2 - рычаг; 3 - диск; 4 - корпус; 5 - седло

Питательные трубопроводы подсоединяются к верхнему барабану котла через запорный орган (он ближе к барабану) и обратный клапан. У отключаемого по воде экономайзера обратный клапан и запорный орган устанавливаютсядо и после экономайзера.

У водогрейных котлов запорные органы устанавливаются на входе и выходе воды из котла.

У котлов с давлением более 0,8 МПа на каждом трубопроводе, по которому котловая вода выводится из котла, устанавливается не менее двух запорных органов, либо один запорный и один регулирующий органы.