Судовые вспомогательные котельные установки

А. В. Локтев







            СУДОВЫЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ


Учебное пособие















Москва Вологда
« Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.181:629.12
ББК 31.361
     Л73




Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент А. В. Иванов; ведущий конструктор ОАО КБ «Вымпел» В. В. Красовский





     Локтев, А. В.
Л73        Судовые вспомогательные котельные установки : учебное пособие /
      А. В. Локтев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 148 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1421-0

           Рассматриваются вопросы проектирования судовых вспомогательных котельных установок. Приводятся характеристики и марки жидких топлив, даны особенности применения газообразных топлив для судовых котлов.
           Для студентов, обучающихся по направлению подготовки магистров 26.04.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры» и направлению подготовки бакалавров 26.03.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры», а также специалистов, занимающихся проектированием судовых энергетических установок. Может быть полезно специалистам, занимающимся проектированием стационарных котельных установок и энергоблоков.


                                                           УДК 621.181:629.12
                                                           ББК 31.361









ISBN 978-5-9729-1421-0

     © Локтев А. В., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ..........................................................................1
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ КОТЕЛЬНЫХ
УСТАНОВКАХ........................................................................6
1.1. Состав и назначение котельной установки......................................6
1.2. Типы применяемых котельных агрегатов.........................................7
ГЛАВА 2. ВИДЫ ТОПЛИВА И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ........................................20
2.1. Виды........................................................................20
2.2. Характеристики..............................................................20
2.3. Особенности применения газового топлива в судовых энергетических установках.29
ГЛАВА 3. СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА В СУДОВЫХ КОТЛАХ.......................................31
3.1. Реакции горения.............................................................31
3.2. Определение количества воздуха, необходимого для полного сгорания топлива...32
3.3. Состав и объем продуктов сгорания...........................................34
3.4. Вопросы безопасности при сжигании топлива...................................38
3.5. Энтальпия продуктов сгорания................................................40
ГЛАВА 4. ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА.....................................................41
4.1. Основные сведения о топочных процессах......................................41
4.2. Конструктивные схемы топочных устройств.....................................44
ГЛАВА 5. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОТЛОВ..................................................47
5.1. Тепловой баланс вспомогательного котла......................................47
5.2. Тепловой баланс утилизационного котла.......................................50
ГЛАВА 6. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОТЛОВ............................................53
6.1. Основные положения..........................................................53
6.2. Проектирование вспомогательных котлов.......................................53
6.3. Особенности проектирования утилизационных котлов............................57
ГЛАВА 7. ВОДНЫЕ РЕЖИМЫ КОТЛОВ....................................................59
ГЛАВА 8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ КОТЕЛЬНЫХ
УСТАНОВОК........................................................................70
8.1. Расчет тепловых нагрузок и выбор котлов.....................................70
8.2. Системы котельной установки.................................................71
8.3. Проектирование трубопроводов................................................78
8.4. Подбор расширительных баков.................................................90
8.5. Выбор теплообменных аппаратов...............................................91

3

8.6. Топливная система........................................97
8.7. Система газоотвода.......................................98
8.8. Выбор топочных устройств для котлов.....................102
ГЛАВА 9. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ, СИГНАЛИЗАЦИИ И ЗАЩИТЫ........................................107
ГЛАВА 10. ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ СУДОВЫХ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК....................................................117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................124
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.....................................125
ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................126

4

        ВВЕДЕНИЕ


    Для обеспечения нормальной эксплуатации большинство судов имеют в своём составе вспомогательную котельную установку. Она предназначена для обеспечения тепловой энергией общесудовых потребителей и для технологических нужд.
    В состав котельной установки входят котлы, а также системы, обеспечивающие их работу: топливоснабжения, водоподготовки, отвода продуктов сгорания, автоматизации и контроля и др.
    Повышение эффективности вспомогательных котельных установок связано не только с использованием более совершенных котлоагрегатов и вспомогательного оборудования, но и с тщательной проработкой проектных решений. Для этого могут применяться схемы с использованием утилизации теплоты от двигателей и другого оборудования. Важная роль в повышении устойчивости и надежности работы котельной установки принадлежит системам автоматизации.
    Имеющаяся техническая и учебная литература известных авторов Н. И. Денисенко, И. И. Костылева, А. С. Хряпченкова, В. А. Стенина, А. М. Султанова и др. посвящена вопросам теории котловых процессов, устройства и проектирования котлов, а также эксплуатации котлов и котельных установок.
    В предлагаемом учебном пособии данные вопросы рассматриваются с точки зрения проектирования котельных установок. Приводятся характеристики и марки жидких топлив в соответствии с ГОСТ Р 54299-2010, рассматриваются особенности применения газообразных топлив для судовых котлов. Автор выражает благодарность за помощь в подготовке учебного пособия инженеру С. С. Крышко и к. т. н. Ю. И. Рабазову.
    Учебное пособие написано в соответствии с курсом лекций по проектированию судовых котельных установок, читаемому в Нижегородском государственном техническом университете им. Р. Е. Алексеева.


5

Глава 1


        ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ


        1.1. Состав и назначение котельной установки


    Вспомогательная котельная установка предназначена для обеспечения санитарно-бытовых нужд судна (отопление, душевая, камбуз и пр.) а также для работы подогревателей различного назначения. В состав котельной установки входят паровые или водогрейные котлы.
    Для обеспечения их работы предназначены системы топливоснабжения, водоподготовки, отвода продуктов сгорания топлива, автоматизации и контроля. Одна из распространенных схем судовой котельной установки приведена на рис. 1.1.


Рис. 1.1. Принципиальная схема вспомогательной котельной установки:
1 - утилизационный котел; 2 - трубопроводы пара; 3 - вспомогательный котел;
4 - топливный насос; 5 - регулирующий топливный клапан; 6 - дутьевой вентилятор подачи воздуха к топочному устройству; 7 - форсунка топочного устройства; 8 - регулирующий питательный клапан; 9, 12 - питательные насосы; 10 - теплый ящик; 11 - подвод конденсата от потребителей;
13 - выхлопные газы от главного двигателя

    Котельная установка состоит из вспомогательного котла 3 и утилизационного котла 1. Утилизационный котел использует тепло уходящих выпускных газов судовых дизелей и поэтому работает на ходу судна. Вспомогательный котел


6

предназначен для обеспечения паром на стоянке и на ходу судна. Подача пара потребителям производится по трубопроводам 2. Конденсат от потребителей поступает в цистерну 10 (теплый ящик) по трубопроводам 11. Питательная вода поступает в утилизационный и вспомогательный котлы с помощью питательных насосов 9, 12 посредством регулирующих клапанов 8. Топливо для сжигания во вспомогательном котле поступает по топливному трубопроводу, в состав которого входит насос 4 и регулирующий топливный клапан 5. Для обеспечения горения к топочному устройству подается дутьевым вентилятором 6 воздух. Продукты сгорания от вспомогательного котла отводятся в дымовую трубу (дымоход).

        1.2. Типы применяемых котельных агрегатов

    Основным из оборудования котельной установки является котельный агрегат. Котельный агрегат состоит из собственно котла, горелки и комплекта автоматики безопасности и управления. При этом современные конструкции предусматривают возможность применения горелок, поставляемыми различными производителями.
    Но применимость конкретных моделей горелок должна быть отражена в документации на котел. Котлы и горелки, применяемые на судах, должны быть сертифицированы и иметь разрешение Регистра на применение.
    Вспомогательные паровые котлы вырабатывают пар, избыточное давление которого составляет 0,18-0,2 МПа, а водогрейные - горячую воду с температурой 85-115 °C и избыточным давлением 0,18-0,2 МПа [1].
    По типу омывания поверхности нагрева газами труб или иных элементов судовые котлы подразделяются на две основные группы: газотрубные (огнетрубные) и водотрубные. В газотрубном котле горячие газы как основной теплоноситель движутся внутри труб, а вода окружает их снаружи, в водотрубном котле -наоборот: вода и пароводяная смесь находятся внутри труб, а горячие газы омывают их снаружи. При наличии двух групп котлов всегда имеется промежуточная группа, обладающая свойствами газотрубных, и водотрубных котлов.
    В первых газы перемещаются в трубках, омываемых снаружи водой. У водотрубных котлов, наоборот, вода движется в трубках, а газы обогревают последние снаружи.
    По положению корпуса котлы могут быть вертикальными и горизонтальными, а в зависимости от способа циркуляции воды и пароводяной смеси в замкнутом контуре - с естественной или принудительной циркуляцией. В котлах с принудительной циркуляцией перемещение пароводяной смеси в контуре установки обеспечивает насос.
    К основным характеристикам установок относят номинальную паропроиз-водительность, номинальную мощность (теплопроизводительность), рабочее давление пара (температуру воды) и площадь поверхности нагрева. Номинальную паропроизводительность определяют массой воды, преобразуемой котлом в пар за 1 ч. У эксплуатируемых на судах котлов она составляет 120-2000 кг/ч.
    На рис. 1.2 приведена схема вертикального газотрубного котла.


7

Рис. 1.2. Газотрубный вертикальный котел:
1 - дымовая камера; 2 - патрубок отвода продуктов сгорания;
3 - корпус котла; 4 - топка; 5 - патрубок; 6 - топливно-форсуночный агрегат; 7 - трубки

    В цилиндрическом корпусе 3 котла размещены топка 4 и дымовая 1 камеры, соединенные прямыми трубами 7. Топливо и воздух в топку подаются от топливно-форсуночного агрегата (на рис. 1.2 не показан) через патрубок 5, а продукты сгорания отводятся через патрубок 2. Схема водотрубного котла приведена на рис. 1.3.
    Знакомясь с классификацией различных типов рассмотренных котлов, можно отметить основные достоинства и недостатки водотрубных и газотрубных котлов.
    Водотрубные котлы имеют значительно большую паропроизводительность при меньших массовых показателях, чем газотрубные. Вспомогательные, особенно газотрубные котлы обычно ограничены давлением до 1,8 МПа и температурой 300-320 °С.
    В зависимости от конструкции котла и эксплуатационных условий минимальное время на подъем пара до рабочего давления составляет 1,5 ^ 3,0 т/ч для водотрубных котлов и 4-24 т/ч для газотрубных. Все это объясняется меньшим количеством воды в водотрубном котле, хорошей ее циркуляцией, эластичностью труб, соединяющих коллекторы котла.

8

Рис. 1.3. Водотрубный котел:
1 - экономайзер; 2 - верхний паровой коллектор; 3 - кирпичная кладка;
4 - пучок труб бокового экрана; 5, 7, 11 - опускные трубы; 6 - форсунка;
8 - под; 9 - нижний коллектор; 10 - пароперегреватель; 12 - парообразующие трубы; 13 - обшивка котла; 14 - воздухоподогреватель

    Рассматривая дополнительно взаимные достоинства и недостатки газотрубных и водотрубных котлов, можно также отметить, что в водотрубном котле воды меньше его часовой паропроизводительности, поэтому изменение уровня воды от наивысшего до наинизшего допустимых может произойти очень быстро. Во избежание аварийных ситуаций и четкого поддержания уровня приходится применять более сложные автоматические системы регулирования и питания котла, связанные с автоматическим регулированием горения топлива. Необходимо использовать и сложную систему автоматического регулирования давления пара. На газотрубные котлы относительно мало влияет качество питательной воды. У более теплонапряженных водотрубных котлов при отложениях накипи на поверхности нагрева может создаться опасность перегрева металла труб и их разрыва.
    Газотрубный котел имеет сравнительно небольшую паропроизводитель-ность, но зато более высокую степень сухости пара вследствие невысокой интенсивности парообразования. Газотрубный котел имеет меньшую чувствительность к колебаниям нагрузки, что объясняется его большой аккумулирующей способностью.
    При всех достоинствах водотрубных утилизационных котлов с многократной принудительной циркуляцией они обладают меньшей надежностью из-за

9

необходимости установки циркуляционных насосов, работающих в сравнительно тяжелых условиях перекачки горячей воды и пароводяной смеси.
    Схемы вспомогательных котлов, наиболее распространенных на морских судах, показаны на рис. 1.4.


Рис. 1.4. Схемы основных конструктивных разновидностей водотрубных котлов с естественной циркуляцией

    Утилизационный горизонтальный котел (рис. 1.4, а). У водотрубных котлов секционного типа классификационным признаком, относящим их к горизонтальному или вертикальному типу, служит наклон труб. У горизонтальных котлов наклон труб менее 30°, а у вертикальных более 30° (обычно 45-90°). Котлы имеют паровой коллектор 3 и прямые парообразующие трубы 6, объединенные камерами 1 и 5 в секции. Каждая секция соединяется с паровым коллектором короткими патрубками 4 и пароотводящей трубой 2.
    Секционные котлы были широко распространены в недавнем прошлом как главные; в настоящее время они применяются в качестве вспомогательных на отдельных серийных дизельных танкерах.
    Коллекторный двухпроточный котел (рис. 1.4, 6). У этого котла паровой коллектор 1 соединяется с двумя водяными коллекторами 4 и 7 пучками труб. Газы, образующиеся в топке 6 при работе форсунок 5, проходят между трубами. Внутри пучков парообразующих труб может располагаться пароперегреватель 3. Когда у каждого хода газа обогреваемые элементы разные, и пароперегреватель установлен на одной стороне движения газа, то котел будет ассиметричный, а когда по обе стороны хода газа стоят два одинаковых элемента, то котел будет симметричным. В настоящее время трехколлекторные котлы могут встретиться как главные и вспомогательные лишь на старых судах. Котлы такого типа часто называют котлами шатрового или треугольного типов. У котлов треугольного типа коллекторы и парообразующие трубы могут располагаться вертикально и горизонтально.
    Коллекторный однопроточный котел (рис. 1.4, в). Котел конструктивно похож на серийные главные котлы отечественных паротурбинных установок. Котел однопроточный с естественной циркуляцией имеет четыре коллектора - паровой 1, два водяных 5, 6 и один пароперегревателя 7. Газы, образующиеся в топке 3 при работе форсунок 4, проходят между трубами 2. Пароперегреватель 7

10

вырабатывает пар с температурой 470 °C при давлении в котле 4,4 МПа. Агрегат оборудован четырьмя паромеханическими форсунками 4, размещенными на переднем фронте котла.
    Двухколлекторный, однопроточный по газу котел с естественной циркуляцией (рис. 1.4, г). Наиболее распространенный на морских судах вспомогательный двухколлекторный, с односторонним ходом газа и естественной циркуляцией котел преимущественно отечественного производства. Котел состоит из двух коллекторов 1 и 3, соединенных изогнутыми подъемными парообразующими трубами 4, экранными трубами 2, опускными трубами и трубами второго и третьего рядов экрана.
    Котел шахтного типа (рис. 1.4, д). Это сравнительно новый тип главных котлов с развитой радиационной поверхностью нагрева в топке. Отличительной особенностью котлов следует отметить потолочное расположение форсунок 1 и установку двух пароперегревателей: основного 3 и промежуточного 2. Такие котлы устанавливаются на крупнотоннажных судах с мощными пароэнергетическими установками.
    Горизонтальный газотрубный котел (рис. 1.5, а). Это газотрубный котел одной из старейших конструкций, именуемый ранее оборотным котлом шотландского типа, или оборотным котлом. Конструкция просуществовала на флоте более 80 лет благодаря надежности, неприхотливости к питательной воде, большой аккумулирующей способности, прочности и простоте. Котел горизонтальный, цилиндрической формы, хорошо крепится на судовом фундаменте. Котел имеет цилиндрический корпус 3, топку (жаровую трубу) 6, огневую камеру 5, горизонтальные прямые трубы 4, дымовую коробку 2 и выпускной дымоход 1. Топка оборудована ротационной форсункой. Для внутреннего осмотра, вальцовки и очистки труб предусмотрены лазы и горловины. Существенными недостатками котла являются невысокое давление пара, неорганизованная циркуляции воды, жесткость конструкции, большая металлоемкость и высокая трудоемкость изготовления и ремонта.


Рис. 1.5. Схемы газотрубных котлов

11

    Вертикальный газотрубный котел с вертикальными трубами (рис. 1.5, б). Это котел обычного типа, широко распространенный на судах зарубежной и отечественной постройки. Котел имеет цилиндрический корпус 1 и вертикальные прямые трубы 4, соединенные с дымовой камерой 2. Паровое пространство расположено выше зеркала испарения 3. Котел имеет автоматизированный топливно-форсуночный агрегат с безвахтовым обслуживанием.
    Вертикальный газотрубный котел с горизонтальными трубами (рис. 1.5, в). Котел имеет цилиндрический вертикальный корпус 1, прямые горизонтальные трубы 3 камеры для прохода газа, выпускной дымоход 2. Котел работает от топливно-форсуночного агрегата 4 с безвахтовым обслуживанием. Для поворота газа в камерах предусмотрены съемные щитки, одновременно упрощающие и очистку котла.
    Одна из конструкций газотрубного водогрейного котла утилизатора с площадью поверхности нагрева 4,5 м² показана на рис. 1.6.


Рис. 1.6. Газотрубный водогрейный утилизационный котел КАУ 4,5

    Автоматизированный котел-утилизатор КАУ 4,5 является составной частью системы отопления и горячего водоснабжения судов. Он может работать в режимах естественной и принудительной циркуляции. Котел представляет собой цилиндрический корпус 2 с двумя трубными решетками 6, 8 и трубками 7. Внутри корпуса смонтирована труба 11, соединенная с выпускным коллектором дизеля. Газы от дизеля поступают в трубку 11 и в зависимости от положения заслонки 9 проходят в кольцевую коробку 5 и далее в дымовую трубу 4, или, как показано на рис. 1.6, в кольцевую коробку 10, трубки 7, в кольцевую коробку 5 и дымовую трубу 4.
    Газы от дизеля, проходя по трубкам 7, нагревают воду, находящуюся в пространстве между трубными решетками. Вода в корпус котла нагнетается по патрубку 3 и выходит из него через патрубок 1.


12