Okrętowe kotły
parowe
Andrzej Perepeczko
621.18:629.12.
Wydawnictwo Morskie Gdańsk 1979
Spis treści
1.1. Kotły parowe na statkach morskich 5
1.WIADOMOŚCI WSTĘPNE
1.1. Kotły parowe na statkach morskich
Kocioł parowy jest naczyniem ciśnieniowym, którego zadaniem jest wytwarzanie z energetycznej cieczy pary o ciśnieniu wyższym od atmosferycznego, użytkowanej najczęściej na zewnątrz tego urządzenia. Cieczą energetyczną stosowaną w kotłach okrętowych jest wyłącznie woda.
W kotłach okrętowych instalowanych na statkach wytwarza się parę nasyconą lub przegrzaną w zależności od jej przeznaczenia.
Kotły parowe stanowią jeden z głównych elementów okrętowej siłowni parowej. W siłowniach tego typu wykorzystywanie energii, która zawarta jest w paliwie, do wykonania pracy mechanicznej napędu odbywa się za pośrednictwem pary wodnej, wyprodukowanej w kotle i rozprężającej się następnie w tłokowej maszynie parowej (w starych rozwiązaniach siłowni parowej) lub turbinie parowej (we wszystkich współcześnie produkowanych okrętowych siłowniach parowych).
Rys. 1.1. Schemat podstawowego obiegu parowo-wodnego siłowni parowej; l — kocioł; 2 — przegrzewacz pary; 3 — silnik parowy; 4 — skraplacz; 5 — pompa zasilająca
Kocioł stanowi jedno z ogniw podstawowego obiegu parowo-wodnego okrętowej siłowni parowej, który przedstawiono schematycznie na rys. 1.1.
Para nasycona wyprodukowana w kotle 1 przepływa następnie przez przegrzewacz pary 2, gdzie dostarczona jest jej dodatkowa energia w postaci ciepła. Para w tym stanie dostaje się do tłokowej maszyny parowej lub turbiny 3, gdzie następuje jej rozprężanie do ciśnienia
panującego w skraplaczu 4.
Rozprężana para wodna po wykonaniu pracy mechanicznej w silniku parowym skraplana jest następnie w skraplaczu, a skropliny wtłaczane z powrotem do kotła l za pomocą pompy zasilającej 5.
Aby w kotle parowym otrzymać parę wodną, należy doprowadzić do wody znajdującej się wewnątrz kotła energię cieplną uzyskiwaną ze spalania paliwa. W związku ze sposobem przekazywania tej energii rozróżnia się podział kotłów parowych, pod względem konstrukcyjnym, na:
kotły płomieniówkowe,
kotły wodnorurkowe lub opłomkowe.
Pierwsza grupa to kotły, w których wewnątrz, rurek zwanych płomieniówkami przepływają spaliny, na zewnątrz zaś znajduje się woda.
W drugiej grupie panuje odwrotna sytuacja w trakcie pracy kotła. Wewnątrz rurek — opłomek — przepływa woda, natomiast z zewnątrz obmywane są one spalinami.
Typowy kocioł płomieniówkowy (przedstawiono na rys. 1.2. W kotle tym spalanie następuje w płomienicy 2, którą stanowi stalowy, odpowiednio ukształtowany cylinder.
Rys. 1.2. Schemat kotła płomieniówkowego; l — płaszcz kotła; 2 — płomienica; 3 — komora zwrotna; 4— płomieniówki; 5 — komora dymowa; 6 — palnik
Następnie gorące spaliny zmieniają kierunek przepływu w komorze zwrotnej 3, zwanej też komorą ogniową, i dostają się do wnętrza płomieniówek 4, skąd przechodzą do komory dymowej 5 i dalej przez komin usuwane są na zewnątrz, do atmosfery. Woda znajduje się wewnątrz kotła wykonanego w kształcie dużego stalowego cylindra, zwanego płaszczem kotła. Wypełnia ona przestrzeń pomiędzy płomieniówkami oraz omywa ze wszystkich stron płomienice i komory zwrotne. Przekazywanie ciepła od gorących spalin do wody następuje na powierzchniach płomienie, komory zwrotnej oraz płomieniówek.
W kotłach typu opłomkowego, czyli w kotłach wodnorurkowych (rys. 1.3), woda znajduje się w walczaku wodnym 2, wypełnia do pewnej wysokości walczak parowo-wodny l oraz całkowicie szereg rurek 4 i komorę rozdzielczą 3 (niektóre typy kotłów wodnorurkowych nie imają komór rozdzielczych).
Paliwo dostarczane przez palnik 5 spala się w obszernej zazwyczaj komorze spalarnia 6, a spaliny na drodze przewodu dymowego 8 omywają rurki wypełnione wodą (opłomki), oddając tam część swej energii cieplnej. Również i w komorze spalarnia znajdują się rurki wodne. Rurki te, zwane ekranowymi, odbierają od spalin część ciepła, przekazując je znajdującej się w ich wnętrzu wodzie. Ze względu na całkiem inną budowę komory spalania kocioł wodnorurkowy jest obudowany stalowym rusztowaniem i obmurzem 7 oraz pokryty izolacją.
Na statkach kotły parowe pojawiły się w pierwszej połowie XIX wieku. Z początku były to kotły o bardzo niewielkich ciśnieniach roboczych rzędu 0,128—0,147 MN/m2 (1,3—1,5 kG/cm2), nieskomplikowanej budowie i łatwej obsłudze. W miarę postępu techniki zmieniała się konstrukcja kotłów, których ciśnienia robocze zaczęły stopniowo wzrastać, osiągając ok. 1,47—1,57 MN/m2 (15—16 kG/cm2).
Zastosowanie turbin parowych do napędu statków i okrętów to równocześnie dalszy wzrost wymagań stawianych kotłom parowym. Następuje zwiększenie ciśnienia roboczego pary, rośnie jej temperatura wynikająca ze zwiększenia stopnia przegrzania oraz zwiększa się wydajność kotłów.
Rys. 1.3. Schemat kotła opłomkowego l — walczak parowo-wodny; 2 — walczak wodny; 3 — komora rozdzielcza rurek ekranowych; 4 — opłomki; 5 — palnik; 6 — komora spalania; 7 — obumrze; 8 — przewód dymowy; 9 — rurki ekranowe; 10 — rura opadowa
Duże ilości pary, potrzebne na współcześnie budowanych jednostkach pełnomorskich oraz zróżnicowanie tego zapotrzebowania pod względem ciśnienia, stopnia suchości itp. stworzyły konieczność podziału kotłów instalowanych na statkach na kotły główne i kotły pomocnicze.
Pod nazwą kotły główne rozumie się kotły wytwarzające parę służącą albo wyłącznie, albo w przeważającej części i do zasilania głównego silnika napędowego. Są to więc kotły o wydajnościach i parametrach roboczych pary odpowiednich do danego rodzaju napędu. Kotły główne stanowią wraz z silnikiem napędowym i ewentualną przekładnią najważniejsze elementy siłowni okrętowej parowca. Kotły pomocnicze to — najogólniej — kotły, w których wytwarza się parę służącą do wszystkich innych celów poza zasilaniem silnika głównego. Odbiornikami pary wytwarzanej w kotłach pomocniczych mogą być pompy, podgrzewacze, wciągarki ładunkowe, maszyny sterowe, urządzenia kotwiczno-cumownicze i inne pomocnicze maszyny i urządzenia okrętowe. Para z kotłów pomocniczych może poza tym służyć do ogrzewania statku ewentualnie ładunku (np. na zbiornikowcach), czyszczenia (parowania) zbiorników, gaszenia pożaru itp. Kotły główne spotyka się jedynie na statkach z napędem parowym, natomiast kotły pomocnicze instalowane są zarówno na statkach z napędem parowym, jak i spalinowym. Poza tym na wielu jednostkach z napędem parowym kotły główne produkują również parę do celów pomocniczych i w takim wypadku statek ma jedynie kotły główne. Wydajności kotłów głównych, i pomocniczych zamontowanych na statku zależą od jego wielkości., rodzaju napędu, mocy silników głównych, przeznaczania statku (statek pasażerski, drobnicowiec, masowiec, zbiornikowiec, statek do przewozu ładunków specjalnych itp.), a także od rejonu pływania (np. strefa arktyczna, umiarkowana, tropikalna).
Liczba i rozmieszczenie głównych kotłów na statku zależy od bardzo wielu czynników, między innymi od:
bezpieczeństwa załogi i pasażerów oraz przewożonego ładunku (powinno być ono głównym motywem podejmowanych decyzji),
kosztu instalacji, który powinien — ze względów ekonomicznych— kształtować się jak najniżej,
rodzaju statku i jego charakterystyki {tonażu, kształtu kadłuba, przeznaczenia statku, mocy maszyn itp.).
W początkach zastosowania na statkach napęd parowy charakteryzował się nieznacznymi mocami i do zapewnienia odpowiedniej ilości pary wystarczały, jeden lub dwa kotły płomieniówkowo-płomienicowe. Wraz ze wzrostem mocy maszyn parowych, instalowanych na statkach, zaczęła wzrastać liczbą kotłów montowanych na jednym statku (np. statek „Titanic" miał aż 29 kotłów płomieniówkowych). Wzrost mocy nowo budowanych siłowni okrętowych (zwłaszcza na statkach pasażerskich) powodował dalsze zwiększenie zapotrzebowania pary. Powiększenie liczby kotłów stało się niemożliwe po prostu z braku miejsca na statku i trzeba było szukać innych rozwiązań. Zaczęto konstruować kotły wodnorurkowe o większych wydajnościach niż płomieniówkowe, a równocześnie o mniejszych wymiarach i masach. Wprowadzenie kotłów nowego typu o dużych mocach umożliwiało znaczne zmniejszenie liczby kotłów instalowanych na jednej jednostce (np. francuski statek pasażerski „Normandie" miał 29 kotłów wodnorurkowych, czyli taką samą ach liczbę co statek „Titanic", ale przy pięciokrotnie większej mocy maszyn)
Jednakże wyniki, jakie osiągnięto przez stosowanie kotłów o zwiększonych wydajnościach, nie zadowalały konstruktorów okrętowych. Przez zwiększenie parametrów [dla porównania na statku „Normandie” — rys. 1.4 — zbudowanym w roku 1935 parametry pary wynosiły: p = 2,75 MN/m2 (28 kG/cm2), t = 350°C.
Rys. 1.4. Rozmieszczenie siłowni na statku „Normandie”
l — kotłownia I (4 kotły główne); 2 — kotłownia II (9 kotłów głównych); 3 — kotłownia III (5 kotłów głównych i 4 kotły pomocnicze); 4 — kotłownia IV (11 kotłów głównych); 5 — turboprądnice pomocnicze (6X2200 kW); 6 — turboprądnice główne (4X40 000 KM); 7 — 4 główne silniki elektryczne (5500 V)
Natomiast na statku „France” — rok budowy 1962 — p = 5,29 MN/m2 (64 kG/cm2), t = 500°C] oraz wprowadzenie nowych konstrukcji kotłów nastąpiło dalsze zmniejszenie liczby kotłów parowych instalowanych na statku. Umożliwiało to lepsze rozplanowanie pomieszczeń na statku: kabin pasażerskich, pomieszczeń załogi itp. Dla przykładu wystarczy (porównać schemat rozmieszczenia siłowni na statku „Normandie”(rys. 1.4) i na statku „France” (rys. 1.5). Przy tych samych mocach liczba głównych kotłów parowych zmniejszyła się z 29 do 8, a łączna długość kotłowni z 92 m do 48 m.
Rys. 1.5. Rozmieszczenie siłowni na statku „France"
l — kotłownia dziobowa (4 kotły główne); 2 — maszynownia dziobowa (2 turbiny X40 000 KM); 3 — kotłownia rufowa (4 kotły główne); t — maszynownia rufowa (2 turbiny X40 000 KM)
Na statkach parowych z tłokową maszyną parową zazwyczaj siłownia i kotłownia znajdowały się w środku długości statku. Oba pomieszczenia tworzyły przeważnie jeden wspólny wodoszczelny przedział, a kotłownia była oddzielona od przedziału maszynowego jedynie ścianką mającą na celu ochronę maszynowni przed pyłem węglowym i sadzą.
W parowych siłowniach turbinowych z kotłami opalanymi paliwem płynnym kotły znajdowały się w jednym przedziale maszynowym.
Rozmieszczenie przedziału maszynowo-kotłowego na typowym statku handlowym przedstawiono na rys. 1.6.
Chęć skrócenia wału śrubowego, zlikwidowania tunelu (lub tuneli w przypadku statków wielośrubowych) wałowego oraz lepszego wykorzystania przestrzeni statku dla potrzeb ładunku spowodowała przesunięcie siłowni w stronę rufy statku. Siłownie rufowe są obecnie regułą na wszystkich masowcach i wszelkiego rodzaju zbiornikowcach oraz na większości statków do przewozu ładunków drobnicowych.
Rys. 1.6. Rozmieszczenie siłowni parowej typowego drobnicowca o nośności rzędu 10 000 t
l — pomieszczenie kotłowo-maszynowe; 2 — ładownie dziobowe; 3 — ładownie rufowe; 4 — tunel wałowy
W siłowniach parowych takich statków przedział kotłowy również stanowi jedną całość z przedziałem maszynowym, a kotły główne umieszczone są często w tyle, za turbiną główną lub ponad nią. Rozmieszczenia przedziału kotłowo-maszynowego na współczesnym (rok budowy 1976) zbiornikowcu turbinowym o nośności 137 000 t pokazano na rys. 1.7. Przedział kotłowo-maszynowy zajmuje tu tylko niewielką część statku i to w dodatku w części rufowej, zwężającej się. Dodatkowo w przestrzeni zajmowanej przez siłownię znajdują się zbiorniki paliwa każdy o pojemności przeszło 1000 t oraz zbiorniki oleju smarowego, wody kotłowej i wody sanitarnej. Porównując rys. 1.6 z rys. 1.7, widać, że wraz ze wzrostem wielkości statków pomieszczenia kotłowo-maszynowe zajmują procentowo coraz mniej przestrzeni statku.
Rys. 1.7. Rozmieszczenie siłowni na zbiornikowcu 137 000 t
1— siłownia (2 kotły po 36 t/h — l turbina dwukadłubowa 24 000 KM); 2— pompownia (4 pompy ład.x3000 rn3/h, l pompa balastowa — 2200 m3/h); 3— zbiorniki ładunkowe i balastowe.
Liczba kotłów głównych na statkach z siłowniami parowymi zmniejszyła się i wynosi obecnie najczęściej dwa. Jeden z przepisów Rejestru ZSRR mówi, że na statkach o nieograniczonym zasięgu żeglugi powinny być co najmniej dwa główne kotły parowe. Posiadanie jednego kotła głównego Rejestr ZSRR dopuszczał jedynie dla statków o ograniczonym zasięgu pływania lub dla jednostek redowych czy portowych
Przepisy te miały ma celu zapewnienie bezpieczeństwa i niezawodności urządzeń siłownianych.
Przepisy instytucji klasyfikacyjnych w innych krajach nie ustalały minimalnej liczby kotłów głównych na statkach pełnomorskich.
Stosowanie małej liczby kotłów daje następujące korzyści:
mniejszy jednostkowy koszt urządzeń kotłowych w stosunku do jednego kilograma produkowanej pary,
lepsze wykorzystanie miejsca na statku,
zmniejszenie jednostkowego ciężaru instalacji,
uproszczenie automatycznej regulacji opalania i zasilania,
zmniejszenie strat ciśnienia i temperatury w (systemie parowym i wody zasilającej wskutek skrócenia rurociągów i zmniejszenia liczby zaworów.
Dobór wielkości kotłów instalowanych na statku odbywa się najczęściej w ten sposób, że na przykład dwa kotły (jeśli decydujemy się na taką liczbę) muszą mieć taką łączną nominalną wydajność, aby zaspokajały całkowicie maksymalne zapotrzebowanie pary w nie awaryjnych, ale najniekorzystniejszych warunkach (np. niska temperatura otoczenia, gęsty ładunek płynny wymagający podgrzewania przed rozpoczęciem wyładunku itp.).
W wypadku stosowania takiego systemu obliczania wielkości instalowanych na statku kotłów, jeden z nich — w razie awarii drugiego — zapewnia (po wyłączeniu wszelkich odbiorników pary, oprócz koniecznych do ruchu statku) stosunkowo dużą prędkość statku potrzebną do dotarcia do najbliższego portu dla dokonania naprawy uszkodzonego kotła, jeśli wykonanie jej na statku przekracza z jakichkolwiek względów możliwości załogi.
W wyniku trwającej od początku lat sześćdziesiątych ostrej rywalizacji między silnikami spalinowymi a napędem statków za pomocą turbin parowych, konstruktorzy siłowni parowych zaczęli się zastanawiać nad dalszymi drogami usprawnienia tejże siłowni oraz obniżeniem kosztów jej instalacji i eksploatacji. Wśród proponowanych .sposobów znalazł się również projekt instalowania tylko jednego kotła głównego na jedną turbinę, co w praktyce prowadzi do stosowania jednego kotła głównego na statek. Na rys. 1.8 przedstawiono umieszczenie jednego kotła w siłowni. Kocioł ten — czego nie widać na pokazanym rzucie — znajduje się za turbiną główną w rufowej części statku.
Jednakże armatorzy zdają sobie sprawę z olbrzymich dobowych kosztów utrzymania i eksploatacji współczesnych dużych i przeważnie szybkich statków, które — przy poważniejszej awarii kotła na statku z siłownią jednokotłową — mogą narazić ich na znaczne straty finansowe z przestojów itp. Ewentualne ryzyko takich strat nie dałoby się w żadnym razie skompensować finansowymi oszczędnościami poczynionymi na inwestycjach oraz możliwymi obniżkami kosztów eksploatacji uzyskanymi z racji takiego właśnie rozwiązania technicznego, czyli z siłowni jednokotłowej.
Rys. 1.8. Umieszczenie kotła w siłowni zbiornikowca o nośności 90 000 t
Próbą pogodzenia wymagań dotyczących zapewnienia dostatecznego bezpieczeństwa statku i uniknięcia nadmiernego ryzyka eksploatacyjnego z chęcią obniżenia kosztów budowy i zmniejszenia objętości siłowni jest projekt układu napędowego z tzw. siłownią „półtora kotłową", w której znajduje się jeden kocioł główny i jeden pomocniczy.
Na rys. 1.9 przedstawiono przykład rozmieszczenia kotłów w parowej siłowni półtora
kotłowej.
Rys. 1.9. Rozmieszczenie kotłów w siłowni półtora kotłowej — projekt firmy Maskinyerken (Szwecja) l — kocioł główny; 2 — kocioł pomocniczy.
Liczba kotłów pomocniczych oraz ich wydajność zależą również od. rodzaju statku, jego wielkości, przeznaczenia i rodzaju napędu.
Na najbardziej typowych statkach (drobnicowce, masowce) z siłowniami spalinowymi spotyka się obecnie dwa kotły pomocnicze (por. rozdz. 4). Jeden z nich jest tzw. kotłem wolnostojącym lub niezależnym, opalanym paliwem płynnym, a drugi natomiast jest tzw. kotłem utylizacyjnym ogrzewanym spalinami odlotowymi z głównego silnika spalinowego. Kocioł ten jest umieszczony w kominie, w końcowej części rurociągów spalin odlotowych silnika głównego.
Na rys. 1.10 przedstawiono rozmieszczenie kotłów pomocniczych w siłowni typowego statku handlowego z głównym silnikiem spalinowym.
Na jednostkach specjalnego przeznaczenia (zbiornikowce, statki bazy rybackie itp.) liczba kotłów pomocniczych jest większa niż dwa, a ich wydajności bywają również dosyć znaczne.
Rys. 1.10. Rozmieszczenie kotłów pomocniczych na typowym statku z siłownią spalinową
l — kocioł pomocniczy niezależny; 2 — kocioł pomocniczy utylizacyjny; 3 —silnik główny
Szerzej temat ten został omówiony w rozdz. 4.
Jak widać na rys. 1.2 i rys. 1.3 kocioł parowy składa się z wielu zespołów. Do głównych zespołów można zaliczyć: komorę spalania (palenisko, płomienica w kotle płomieniówkowym), parownik, czyli kocioł właściwy produkujący parę nasyconą, oraz nie (przedstawione na tych rysunkach przegrzewacze pary, podgrzewacze wody zasilającej, podgrzewacze powietrza, armaturę, aparaturę kontrolno-pomiarową, układy automatyki, konstrukcję nośną wraz z fundamentami i izolacją.
Eksploatacja kotła nie może być rozpatrywana bez reszty urządzeń układu parowo-wodnego, jak na przykład bez pomp zasilających, wentylatorów, urządzeń do przygotowania paliwa podawanego do spalania itp. Woda zasilająca przed podaniem do kotła musi być odpowiednio przygotowana zarówno pod względem chemicznym (rozdz. 12.4.1), jak i termicznym.
Paliwa, spalane w okrętowych kotłach parowych, a w szczególności olej opałowy, przed podaniem do palnika muszą być też odpowiednio przygotowane (rozdz. 7).
Oprócz paliwa do spalania potrzebnie są też znaczne ilości powietrza. Istnieje kilka sposobów podawania go dmuchawami lub wentylatorami do kotła. Jeżeli paginie się nawiew naturalny, jako obecnie już przestarzały i nie stosowany, to można rozróżnić instalację;
nawiewową (rys. 1.11 a, rys. 1.11 b),
wyciągową (rys. 1.11 c),
nadciśnieniową (rys. 1.11 d).
Na rys. 1.1 la pokazano instalację nawiewową w połączeniu z kotłem płomieniówkowym. Na rys. 1.11 b widać podobne rozwiązanie tylko w odniesieniu do kotła wodnorurkowego. Instalacja nawiewowo-wyciągowa (rys. l.1c), stosowana w niektórych typach kotłów wodnorurkowych, polega na tym, że wentylator l podaje powietrze przez podgrzewacz powietrza 2 i kanał ciepłego powietrza 3 do komory spalania 4, natomiast umieszczony w przewodzie kominowym 5 drugi wentylator — wyciągowy 6 pomaga w usunięciu spalin z kotła, a tym .samym zwiększa prędkość przepływu spalin.
Rys. 1.11. Sposoby dostarczania .powietrza do .kotłów a) schemat nawiewu powietrza do kotła płomieniówkowego; b) schemat- nawiewu powietrza do kotła opłomkowego; c) schemat instalacji nawiewowo-wy ciągowej; d) schemat instalacji nadciśnieniowej; l — wentylator nawiewowy; 2 — podgrzewacz powietrza; 3 — kanał powietrzny; 4 — komora spalania; 5 — przewód kominowy; 6 — wentylator wyciągowy; 7 — komora wejściowa; 8 — drzwi gazoszczelne; 9 — Klapa regulacyjna;
Na rys. 1.1 d przedstawiono rozwiązanie stosowane najczęściej na okrętach wojennych. W takim rozwiązaniu kotłownia znajduje się pod ciśnieniem wytwarzanym przez wentylator nawiewowy l. Wejście do kotłowni (musi odbywać się przez komorę 7 zaopatrzoną w dwoje drzwi gazoszczelnych 8. W celu regulowania ciśnienia powietrza znajdującego się w kotłowni zainstalowane są automatyczne klapy regulacyjne 9.
1.2. Wielkości i pojęcia podstawowe
Okrętowe kotły parowe, podobnie jak główne silniki napędowe statku oraz wszystkie maszyny i urządzenia techniczne siłowni, mają pewne charakterystyczne wskaźniki, na których podstawie można je sklasyfikować i które dają pojęcie o własnościach kotła, jego możliwościach eksploatacyjnych, pewnych wymiarach itp.
Wskaźniki charakteryzujące okrętowe kotły parowe można podzielić na trzy podstawowe grupy. Pierwsza z nich, najbardziej istotna i podstawowa określa ilość i parametry pary produkowanej przez kocioł, druga określa wymiary kotła oraz niektóre z jego ważniejszych elementów, biorących w czasie eksploatacji kotła bezpośredni udział w produkcji pary, do trzeciej wreszcie grupy zalicza się wielkości obrazujące własności eksploatacyjne kotła.
Ilość parametrów pary produkowanej w okrętowym kotle parowym określają: wydajność kotła oraz ciśnienie i temperatura pary.
Wydajność kotła określana jest ilością pary produkowanej przez kocioł w jednostce czasu. Wielkości tę określa się symbolem D i mierzy w kg/h dla kotłów o małych wydajnościach do 1000 kg/h lub w t/h dla kotłów o wydajnościach powyżej 1000 kg/h. Niekiedy spotyka się również określenia wydajności w kg/s.
Rozróżnia się trzy rodzaje wydajności:
maksymalną trwałą wydajność kotła Dmax
wydajność ekonomiczną lub nominalną Dek lub Dnom,
wydajność minimalną Dmin.
Maksymalna trwała wydajność kotła Dmax jest to największa ilość pary, jaką kocioł może wytwarzać w jednostce czasu w sposób ciągły podczas ustalonego ruchu siłowni przy dopuszczalnych parametrach produkowanej pary.
Podczas eksploatacji okrętowego kotła parowego maksymalna trwała wydajność kotła może być niekiedy — w szczególnych warunkach — przekroczona o pewien określony procent przez określony czas. Takie chwilowe przekroczenie maksymalnej trwałej wydajności kotła określa się jako jego przeciążenie.
Ograniczeniem maksymalnej trwałej wydajności kotła jest najczęściej maksymalna dopuszczalna wilgotność produkowanej pary nasyconej lub maksymalna dopuszczalna temperatura pary przegrzanej, albo oba te czynniki równocześnie.
Kotły parowe, w tym również kotły okrętowe, projektowane są w ten sposób, że największą sprawność osiągają podczas eksploatacji z wydajnością mniejszą od maksymalnej trwałej wydajności. Wydajność kotła, przy której występuje maksymalna sprawność, określa się jako wydajność ekonomiczną Dek lub wydajność nominalną Dnom
Najczęściej spotyka się, że Dek = 0,8 Dmax, czyli Dmax = 1,25 Dek.
Najmniejszą wydajność kotła, przy której może on pracować "w sposób ciągły, określa isię jako wydajność minimalną Dmm.
Ograniczenie minimalnej wydajności kotła jest najczęściej podyktowane występowaniem pewnych nieprawidłowości w naturalnej cyrkulacji wody oraz mieszaniny parowo-wodnej. Przy bardzo małych wydajnościach i automatycznej regulacji spalania występują również zakłócenia w procesach spalania oraz w pracy palnika czy palników.
W stosunku do kotłów pomocniczych, które wytwarzają parę wyłącznie do celów grzewczych stosuje się niekiedy określanie wydajności w kJ/h(kcal/h) lub kW i oznacza symbolem Q)
Wydajności współczesnych kotłów okrętowych zawarte są w bardzo obszernych granicach. Dla kotłów pomocniczych wynosi ona od 200—300 kg/h (kotły polskiej produkcji, typu VX 10) do 30—35 t/h (np. kotły pomocnicze na polskich zbiornikowcach o nośności 140 000 t).
Wydajności współcześnie produkowanych okrętowych głównych kotłów parowych zawierają się w granicach od wartości rzędu 40— 50 t/h aż do 1130—150 t/h.
Rozróżnia się następujące ciśnienia kotłów parowych:
dopuszczalne,
obliczeniowe,
robocze.
Ciśnienia kotłów podawane są — w zależności od roku budowy — w at. kG/cm2, N/m2(Pa) oraz barach, przy czym l at.= l kG/cm2 = 9,81 x l 06 N/m2 Pa) = 0,981 bar.
Ciśnienie dopuszczalne kotła jest najwyższym ciśnieniem, przy jakim kocioł (lub jakiś z jego zespołów) został dopuszczony do eksploatacji przez, upoważnione do tego instytucje.
Na ciśnienie dopuszczalne, oznaczone jako pd, ustawione są zawory bezpieczeństwa kotła parowego (bardziej szczegółowe dane dotyczące ciśnień ustawiania kotłowych zaworów bezpieczeństwa przedstawione są w rozdz. 8.2).
Ciśnienie dopuszczalne nie jest wartością stałą dla całego kotła, ponieważ na przykład dopuszczalne ciśnienie pary za przegrzewaczem pary jest niższe niż przewidziane dla walczaka parowo-wodnego, na którym bezpośrednio umieszczone, są zawory bezpieczeństwa (por. rozdz. 8.2), natomiast dopuszczalne ciśnienie wody przed wewnątrz kotłowym podgrzewaczem wody zasilającej jest wyższe od ciśnienia dopuszczalnego przewidzianego dla walczaka parowo-wodnego.
Różnice wartości dopuszczalnego ciśnienia wewnątrz poszczególnych elementów kotła wynikają z koniecznych eksploatacyjnie spadków ciśnień w czasie przepływu wody i pary przez rurociągi i walczaki kotła.
Ciśnienie obliczeniowe (oznaczane jako po) elementu kotłowego jest najwyższym ciśnieniem wody lub pary, jakie może panować wewnątrz elementu podczas eksploatacji kotła. Ciśnienie obliczeniowe nie uwzględnia krótkotrwałego wzrostu ciśnienia w czasie otwarcia zaworów bezpieczeństwa kotła.
Ciśnienie obliczeniowe dla walczaka parowo-wodnego kotła wodno-rurkowego równe jest ciśnieniu dopuszczalnemu dla tego samego elementu, dla dolnego walczaka wodnego natomiast (por. rys. 1.3 —poz. 2) jest ono wyższe o wartość ciśnienia statycznego słupa wody znajdującej się w kotle nad dolną ścianką walczaka wodnego.
Ciśnienie robocze kotła pr jest średnim ciśnieniem mierzonym w walczaku parowo-wodnym kotła podczas jego ustalonej pracy. Aby uniknąć zbyt częstego otwierania się zaworów bezpieczeństwa kotła podczas nieuchronnych wahań ciśnienia roboczego kotła w czasie jego eksploatacji, ciśnienie robocze ustala się według zależności
pr=(0,95-0,97)po
Najbardziej interesuje eksploatatora wartość ciśnienia pary na wylocie z przegrzewacza pary (por. rys. 1.1 — poz. 2), to jest w miejscu poboru pary z kotła do celów energetycznych.
Ciśnienie pary przegrzanej opuszczającej kocioł jest niższe od ciśnienia roboczego kotła o 4—6% wskutek dużych oporów przepływu pary przez rurki przegrzewacza, które są długie i mają stosunkowo niewielkie średnice wewnętrzne (por. rozdz. 6.6.3).
Wartość oporów przepływu pary przez rurki przegrzewacza jest funkcją wydajności kotła, ponieważ przy wzroście ilości przepływającej pary rośnie szybkość przepływu, a więc i opory. Pociąga to za sobą wzrost spadku ciśnienia pary przegrzanej na odlocie z przegrzewacza.
Zależność tę przedstawiono graficznie na rys. 1.12. Można ją
również wyznaczyć następującym wzorem
Δpp =Δppmax 
gdzie:
Δpp — spadek ciśnienia pary podczas przepływu przez przegrzewacz dla częściowego
obciążenia (przy wydajności D),
D — wydajność chwilowa (obciążenie częściowe),
Δpmax — maksymalny spadek ciśnienia pary podczas przepływu przez przegrzewacz dla
maksymalnego obciążenia (przy wydajności Dmax).
Dmax — maksymalna wydajność.
Z podobnych powodów wzrasta też wraz ze wzrostem obciążenia ciśnienie wody zasilającej pz podawanej do podgrzewacza wewnątrzkotłowego. Graficzny obraz zmiany ciśnienia pz przedstawiony jest na rys. 1.12.
Ciśnienie wody zasilającej pz na wejściu do kotła zawiera się zazwyczaj w granicach
Pz =(1,1 ÷ 1,2) po
Rys. 1.12. Przebieg zależności ciśnienia pary przegrzanej na odlocie z przegrzewacza pp i ciśnienia, wody zasilającej pz na wlocie do wewnątrzkotłowego podgrzewacza w funkcji obciążenia kotła D
Wysokość stosowanych ciśnień pary w głównych kotłach okrętowych zależy przede wszystkim od rodzaju głównego silnika napędowego i rodzaju kotłów. W siłowniach okrętowych z parowymi silnikiem tłokowym instalowano najczęściej kotły typu płomieniówkowego oraz kotły kombinowane. Elementy ich budowy (m.in. płaskie dennice przednie i tylne) nie zezwalają na stosowanie ciśnień wyższych niż 1,57—1,77 MN/m2 (16—18 kG/cm2).
Wprowadzenie turbin parowych, jako głównych silników napędowych na okrętach wojennych i statkach handlowych, spowodowało konieczność zwiększenia ciśnienia produkowanej pary, a wraz z tym wprowadzenia odpowiednich zmian w konstrukcji kotłów. W tym czasie powstały początkowo kotły sekcyjne (por. rozdz. 3.3.2), w których wprowadzono ciśnienia pary rzędu 2,45—4,13 MN/m2 (25—42 kG/cm2). W kotłach stromo rurkowych, które stanowiły kolejny krok w unowocześnianiu konstrukcji kotłów okrętowych (por. rozdz. 3.3.3), stosuje się obecnie ciśnienie rzędu 5,89—6,88 MN/m2 (60—70 kG/cm2). Przewiduje się też w najbliższym czasie dalsze zwiększenie ciśnienia produkowanej w okrętowych kotłach parowych pary w granicach 7,86—13,87 MN/m2 (80—141 kG/cm2). Przykładowo radziecki kocioł okrętowy typu KWG-80, przewidziany dla zbiornikowców typu „Krym", produkuje parę o ciśnieniu 7,86 MN/m2 (80 kG/cm2), kocioł typu UFR japońskiej firmy Kawasaki — 10,3 MN/m2 (105 kG/cm2), a szwedzka firma Stal-Laval proponuje dla swych układów napędowych typu 50R z turbinami parowymi kotły o ciśnieniu roboczym zróżnicowanym w zależności od mocy siłowni. Tak więc dla siłowni o mocy do 20 000 KM — ciśnienie robocze pary ma wynosić 10,11 MN/m2 (103 kG/cm2), dla mocy 20 000—27 000 KM — ciśnienie 12,5 MN/m2 <127,4 kG/cm2) i dla mocy 27 000—80 000 KM — ciśnienie 13,87 MN/m2 (141,4 kG/cm2).
Na marginesie wypada przypomnieć, że produkowane w okresie międzywojennym okrętowe kotły przepływowe (por. rozdz. 3.3,5) pracowały przy ciśnieniu nadkrytycznym, a więc przekraczającym 22,1 MN/m2 (225,4 kG/cm2).
Ciśnienia pary produkowanej w okrętowych kotłach pomocniczych są znacznie niższe i zawierają się przeważnie w granicach 0,48—1,18 MN/m3 (5—12 kG/cm2).
Temperatura pary pobieranej z kotła do celów energetycznych (lub grzewczych) to kolejna charakterystyczna wielkość podstawowa.
W kotłach pomocniczych niewielkich wydajności i produkujących parę głównie do celów grzewczych para opuszczająca kocioł jest parą nasyconą. Jej temperatura zatem zależna jest jedynie od aktualnego ciśnienia roboczego w kotle i jest jej funkcją.
Kotły główne, produkujące parę do głównego silnika napędowego, opuszcza para przegrzana. Jej stopień przegrzania, a więc i temperatura końcowa zmieniały się w czasie wraz z unowocześnianiem siłowni parowych (por. rozdz. 2) i postępem w konstrukcji parowych kotłów okrętowych.
W czasie, gdy silnikami napędowymi statków parowych były (maszyny tłokowe, stosowano przeważnie kotły płomieniówkowe. Przy ciśnieniu roboczym rzędu 1,57 ÷ 1,77 MN/m2 (16 ÷ 18 kG/cm2) temperatura pary przegrzanej wynosiła 300° ÷ 320ºC. Przy stosowaniu kotłów sekcyjnych (do zasilania turbin parowych lub niekiedy maszyn tłokowych instalowanych w latach 40-tych, 50-tych) o ciśnieniu roboczym 2,95—3,54 MN/m2 (30——36 kG/cm2) temperatura przegrzania pary wynosiła ok. 400ºC
We współcześnie budowanych kotłach stromo rurkowych i wysokociśnieniowych dla okrętowych siłowni turbinowych stosowana temperatura przegrzania pary wynosi 510—525°C. Istnieją również tendencje do dalszego zwiększania temperatury pary przegrzanej w celu zwiększenia ogólnej sprawności siłowni i wraz z jednoczesnym zwiększaniem ciśnienia-roboczego, na przeszkodzie jednak stoją głównie trudności natury materiałowej oraz problemy związane z tzw. korozją wysokotemperaturową (por. rozdz. 2.4).
Zastosowanie komór spalania fluidalnego, wykorzystując zjawisko fluidyzacji, pozwala na zmniejszenie tych problemów. Przez obojętny chemicznie odpowiednio rozdrobniony (0,5—l mm) materiał przedmuchuje się od dołu ogrzane powietrze, dzięki czemu cząstki unoszą się tworząc tzw. pseudofazę wykazującą właściwości fizyczne zbliżone do cieczy. Podawanie .do rozgrzanej fazy fluidalnej paliwa (olej, pył węglowy itp.) powoduje jego zapłon i umożliwia utrzymanie stałej temperatury łoża rzędu 850°C. W rozgrzanym czynniku fluidalnym zanurzone są rury przegrzewaczy i możliwe jest osiągnięcie temperatury pary 600°C (nie występuje przy tym osadzanie się korozjo twórczych osadów wanadowo-sodowych na rurkach).
Do oznaczenia temperatury pary przegrzanej używa się symbolu tp. i określa się ją w °C oraz K.
Drugą grupą wielkości charakteryzujących kocioł są dane obrazujące wymiary kotła lub pewnych jego elementów biorących bezpośredni udział w produkcji pary. Rozróżnia się tu:
powierzchnię ogrzewalną,
pojemność wodną,
przestrzeń parową,
powierzchnię odparowania (powierzchnię zwierciadła wody),
przestrzeń zasilania,
najniższy poziom wody,
masę i objętość kotła.
Powierzchnia ogrzewalna jest to całkowita powierzchnia ścian omywanych z jednej strony bezpośrednio spalinami, z drugiej zaś czynnikiem, ogrzewanym. Jej pomiaru dokonuje się po stronie spalin i wyraża w m3. Jest to więc powierzchnia, na której odbywa się proces przekazywania ciepła od produktów spalania paliwa do ogrzewanego lub odparowywanego medium. W przypadku okrętowych kotłów parowych tym medium jest powietrze, woda, mieszanina parowo-wodna i para.
Powierzchnię ogrzewalną wyznacza się oddzielnie dla tzw. kotła właściwego, to jest dla całkowitej powierzchni odparowującej, oddzielnie dla podgrzewacza wody czy powietrza oraz oddzielnie dla przegrzewacza pary.
Dla oznaczania powierzchni ogrzewalnej kotłów używa się symbolu H i wyraża się ją w m2.
Powierzchnię ogrzewalną kotła właściwego oznacza się symbolem Hk. Jest ona sumą powierzchni odparowującej, na której energia cieplna przekazywana jest drogą promieniowania (por. rozdz. 2.5), a którą oznacza się symbolem Hopr oraz powierzchni odparowującej Hkonw na której energia cieplna przekazywana jest drogą konwekcji, a zatem
H k = Hopr + Hkonw
Dodatkowymi powierzchniami ogrzewalnymi kotła są:
Hpp — powierzchnia ogrzewalna podgrzewacza powietrza,
Hpw— powierzchnia ogrzewalna wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody zasilającej,
Hprz —powierzchnia ogrzewalna -przegrzewacza pary.
Pojemność wodna jest to zawartość wody w kotle przy wypełnieniu, go do najniższego poziomu wody. Wielkość tę oznacza się symbolem Vw i mierzy w m3, kg lub t. Pojemność wodna zależy od rodzaju oraz od wielkości kotła. Kotły płomieniówkowe i kombinowane oraz niektóre typy kotłów pomocniczych charakteryzują się dużą pojemnością wodną w stosunku do swych wymiarów, kotły wodnorurkowe zaś małą. Kotły o dużej pojemności wodnej łatwo znoszą zmienne obciążenia, natomiast kotły o małej pojemności wodnej nadają się do szybkiego uruchamiania i odstawiania.
Przestrzeń parowa jest objętością walczaka parowo-wodnego kotła, którą w czasie pracy, kotła wypełnia para. Oznacza się ją symbolem Vp i mierzy ,w m3.
Powierzchnia zwierciadła wodnego, zwana też niekiedy powierzchnią odparowania, jest polem płaszczyzny rozdzielającej przestrzeń parową i wodną w walczaku parowo-wodnym. Oznacza się ją symbolem Fw, i mierzy w m2.
Wartości zarówno powierzchni zwierciadła wody, jak i przestrzeni parowej mają wpływ — w połączeniu z wydajnością kotła — na stopień suchości produkowanej pary.
Przestrzeń zasilania V z jest to przestrzeń zawarta między płaszczyznami najwyższego i najniższego dopuszczalnego poziomu wody w walczaku parowo-wodnym podczas pracy kotła. Mierzy się ją w m3.
Najniższy poziom wody jest to poziom, przy którym pracujący kocioł nie ulegnie zniszczeniu (przepaleniu) wskutek braku chłodzenia przez wodę powierzchni omywanej gorącymi spalinami. Najniższy poziom wody w kotle powinien znajdować lisię w obrębie szkła wodowskazowego, tak aby mógł być obserwowany przez obsługę oraz powinien być wyraźnie zaznaczany.
Masa kotła obejmuje kocioł bez jego urządzeń pomocniczych, które nie są związane bezpośrednio z elementami konstrukcji kotła. Do takich urządzeń należą pompy zasilające, pompy paliwowe, zbiorniki rozchodowe paliwa oraz dmuchawy itp. Wielkość masy kotła oznacza się symbolem Mk i mierzy w kg lub t. Rozróżnia się masę kotła bez wody (do celów transportowych) oraz z wodą.
Objętością kotła, oznaczoną symbolem Vk , nazywa się objętość kotła bez jego urządzeń pomocniczych, a wynikającą z jego zewnętrznych gabarytów.
Trzecią grupą wielkości charakteryzujących kocioł parowy są wielkości i obrazujące jego własności eksploatacyjne i własności odniesione przeważnie do wydajności kotła.
Należą do nich:
natężenie powierzchni ogrzewalnej,
natężenie cieplne komory paleniskowej (spalania),
obciążenie przestrzeni parowej,
obciążenie powierzchni zwierciadła wodnego,
masa i objętość jednostkowa,
ilość spalonego paliwa,
wielokrotność odparowania.
Natężenie powierzchni ogrzewalnej jest jednym ze wskaźników określających warunki pracy kotła lub jego poszczególnych zespołów. Rozróżnia się natężenie masowe powierzchni ogrzewalnej kotła oraz natężenie cieplne powierzchni ogrzewalnej kotła.
Natężenie (obciążenie) masowe powierzchni ogrzewalnej kotła wyraża stosunek maksymalnej trwałej wydajności kotła do jego powierzchni ogrzewalnej. Wielkość tę wyznacza się z zależności
d = 
[kg/(m2 h)].
W celu umożliwienia porównania między sobą różnych typów kotłów produkujących parę o różnych parametrach wprowadzono pojęcie zredukowanego obciążenia powierzchni ogrzewalnej sprowadzające wydajności pary do pary normalnej (para nasycona przy ciśnieniu wynoszącym l kG/' /cm2)
dzred = 
[kg/(m2 h)].
gdzie:
ip — entalpia produkowanej pary przegrzanej [k J/kg].
iwz — entalpia wody zasilającej podawanej do kotła [k J/kg],
2681,6 kJ/kg — entalpia pary normalnej,
Natężenie cieplne powierzchni ogrzewalnej określa ilość ciepła przekazywaną przez l m2 powierzchni w ciągu l h. Zależność tę wyraża się wzorem
Qh = 
[kJ/(m2 h)].
Obciążenie masowe powierzchni ogrzewalnej zależy w bardzo dużym stopniu od konstrukcji kotła i jego maksymalnej trwałej wydajności Dmax.
Dla niewielkich kotłów pomocniczych wartość obciążenia masowego wynosi ok. 8—12 kg/(m2 h), dla głównych kotłów wodnorurkowych z częściowo opromieniowaną komorą spalania — 60—80 kg/(m2 h), a dla wysokociśnieniowych, stromo rurkowych kotłów z całkowicie opromieniowaną komorą spalania zawiera się w granicach 100—130 kg/(m2 h).
Wartości natężenia cieplnego powierzchni ogrzewalnych zależą również w znacznej mierze od rodzaju kotła, jego przeznaczenia, maksymalnej trwałej wydajności oraz od rodzaju powierzchni ogrzewalnej.
Przykładowo dla powierzchni ogrzewalnej podgrzewacza powietrza Qh wynosi ok. 4190÷8380 kJ/(m2 h), a dla powierzchni ogrzewalnej kotłów płomieniówkowych — 41900÷62850 kJ/(m2 h), dla powierzchni ogrzewalnej opromieniowanej komory spalania w nowoczesnym wysokociśnieniowym stromo rurkowym kotle dużej wydajności dochodzi do 628 500 kJ/ /(m2 h) [lokalne natężenia mogą dochodzić aż do l 643 600 kJ/(m2 h)].
Ilość spalanego paliwa w kotle w jednostce czasu oznacza się literą B i mierzy w kg/h. W zależności od aktualnej wydajności kotła określa się też ilość spalanego paliwa odpowiednimi indeksami. Tak więc:
ilość paliwa spalanego w jednostce czasu 'przy maksymalnej trwałej wydajności Dmax oznacza .się przez Bmax
ilość paliwa spalanego w jednostce czasu przy wydajności nominalnej (ekonomicznej) Dnom (Dek) oznacza się przez Bnom (Bek).
Wielokrotność odparowania jest stosunkiem ilości odparowanej w kotle wody do ilości zużytego w tym celu paliwa. Wielkość tę określa zależność
x = 
kg
Jest ona miernikiem wykorzystania paliwa, a zatem daje pewne pojęcie o sprawności kotła.
Wielokrotności odparowania różnych kotłów można jednak porównywać jedynie w tych przypadkach, gdy zachodzi zgodność parametrów pary w porównywanych kotłach i gdy spala się ten sam gatunek paliwa.
W tym celu wprowadza się pojęcie zredukowanej wielokrotności odparowania.
Obciążenie komory spalania, zwane też natężeniem spalania, jest to stosunek całkowitej ilości ciepła doprowadzonego do kotła w jednostce czasu do objętości komory spalania (komory paleniskowej).
Oblicza się je według wzoru:
qv = 
[kJ/(m3 h)]
gdzie:
Qkom= BW+Qpow — ciepło doprowadzone do komory spalania kotła w jednostce czasu [kJ/h],
W — wartość opałowa paliwa [k J/kg],
Qpow — ciepło podgrzania powietrza doprowadzonego do spalania[kJ/h],
Vkom — objętość komory spalania [m3]
Obciążenie komory spalania określa się również w watach/m3 [W/m3] przy
czym l kJ/(m3 h) = 0,277 [W/m3]
Obciążenie przestrzeni parowej Rv wyraża się stosunkiem objętości pary produkowanej przez kocioł w jednostce czasu do objętości przestrzeni parowej
Rυ = 
gdzie
v” — objętość właściwa produkowanej pary (przy założeniu, że jest to para nasycona
sucha) [m3/kg].
Z powyższej zależności wynika miano wielkości Rυ[m3/m3 h)], przy czym należy zwrócić uwagę, że miano [m3] w liczniku odnosi się do pary, natomiast miano [m3] w mianowniku dotyczy objętości przestrzeni parowej.
Stosuje się też wzór wyrażający zależność wydajności kotła od objętości przestrzeni parowej, czyli Rυ = D/Vp i wówczas miano wyrażone jest w [t/(m3 h)].
Obciążenie powierzchni zwierciadła wodnego Rf mierzy się stosunkiem objętości produkowanej pary do powierzchni zwierciadła wody w walczaku parowo-wodnym kotła
Rf = 
[m3/(m3 h)]
Niekiedy obciążenie powierzchni zwierciadła wodnego mierzone jest stosunkiem wydajności kotła do powierzchni zwierciadła wody i wówczas
Rf = 
[t/(m2 h)]
Od wielkości obciążeń powierzchni zwierciadła wody i przestrzeni parowej zależy stopień suchości otrzymywanej w walczaku pary. Im większa jest przestrzeń parowa oraz powierzchnia zwierciadła wodnego w stosunku do wydajności kotła, tym większa jest możliwość otrzymywania w kotle pary suchej bez konieczności stosowania dodatkowych urządzeń; (por. rozdz. 6.5.2).
Kotły płomieniówkowe mają duże przestrzenie parowe i obciążenie ich jest małe. Kotły wodnorurkowe natomiast — zwłaszcza o dużych wydajnościach — mają stosunkowo niewielkie przestrzenie parowe i duże jest\ ich obciążenie.
Obciążenie przestrzeni parowej głównych kotłów płomieniówkowych i kombinowanych zawiera się w granicach 0,4—0,8 t/(m3 h), natomiast kotłów wodnorurkowych 5—12 (t/m3 h). Obciążenie przestrzeni parowej kotłów pomocniczych jest stosunkowo duże i wynosi od l t/(m3 h) (dla kotłów pomocniczych produkcji polskiej typu VX3) do 14,5 t/('m3 h) (dla, kotła pomocniczego produkcji radzieckiej typu KWS).
Podobnie rzecz się ma z obciążeniem powierzchni zwierciadła wodnego. Dla kotłów płomieniówkowych starszego typu i kotłów kombinowanych wynosi ono ok. 0,3—0,6 t/(m2h), w kotłach wodnorurkowych zaś jest wielokrotnie większe i wynosi 4—6 t/(m2 h).
Jednostkowa masa kotła jest stosunkiem masy kotła bez jego urządzeń pomocniczych do maksymalnej trwałej wydajności kotła, a więc wyraża się wzorem
mj = 
Wartość m, zależna jest od typu kotła i waha się w dość obszernych granicach
0,8—18kg h/kg.
Jednostkowa objętość kotła jest stosunkiem objętości kotła bez jego urządzeń pomocniczych do maksymalnej trwałej wydajności kotła
υj = 
Wartość υj jest zależna od typu kotła i zawiera się w zakresie 0,2— 6,0 (m3 h/t)
2. TEORETYCZNE PODSTAWY PRACY KOTŁÓW PAROWYCH
2.1.Proces wytwarzania pary w kotle
Energia cieplna, dostarczana do kotła w celu wytwarzania pary z wody zasilającej, uzyskiwana jest w procesie spalania paliwa wewnątrz kotła (w płomienicy w przypadku kotłów płomieniówkowych i kombinowanych lub w komorze spalania albo komorze paleniskowej w kotłach wodnorurkowych) przez utlenienie się palnych składników paliwa.
Proces wytwarzania pary w kotle można podzielić na trzy oddzielne etapy:
podgrzewanie wody dostarczonej do kotła od temperatury zasilania do temperatury wrzenia odpowiadającej ciśnieniu panującemu w kotle,
odparowanie wody przy stałym, ciśnieniu i temperaturze, aż do uzyskania pary suchej nasyconej,
przegrzanie otrzymanej pary.
Wykres na rys. 2.1 obrazuje proces wytwarzania pary w kotle. Punkt l obrazuje stan wody zasilającej podawanej do kotła przez pompę zasilającą. Izobara l—2 przedstawia podgrzewanie wody zasilającej od temperatury zasilania do temperatury wrzenia. W czasie tego etapu pracy kotła wodzie dostarczana jest energia w postaci ciepła, która jest proporcjonalna do pola l—2—2'—l'—l.
W drugim etapie pracy kotła następuje odparowanie wody przy stałym x ciśnieniu i stałej temperaturze. Obrazuje to izobara 2—3, a ilość dostarczonego ciepła jest proporcjonalna do pola 2—3—3'—2'—2. Przy ciśnieniach poniżej punktu krytycznego K o parametrach:
ciśnienie 21,1 MN/m2 (225,4 kG/om2),
temperaturze 374°C.
Objętość ogrzewanego czynnika zwiększa się gwałtownie w .miarę zmiany stanu skupienia (700—1000 razy), a sam czynnik (w tym przypadku woda) występuje jednocześnie w postaci dwóch faz. W skutek tego konieczne jest stosowanie w kotle zbiornika parowo-wodnego, w którym może swobodnie następować zmiana objętości.
Trzeci etap pracy kotła to zwiększanie temperatury otrzymanej pary do odpowiedniej wysokości, czyli przegrzanie pary. Przegrzewanie odbywa się również Izobarycznie, a ciepło, jakie zostało doprowadzone w tym celu, jest proporcjonalne do pola 3—4—4'—3'—5.
Tak więc, aby wodę o parametrach odpowiadających punktowi 1 zamienić na parę przegrzaną o parametrach punktu 4, należy dostarczyć ilość ciepła proporcjonalną do pola 1—2—3—4—4'—l'—l.
Rys. 2.1. Proces wytwarzania pary w kotle przedstawiony w układzie T—s.
W praktyce para odprowadzana z parownika (odcinek 2—3 wykresu) nie jest parą nasyconą suchą, lecz parą nasyconą o pewnym stopniu wilgotności, który oznacza się symbolem (l—x) lub o pewnym stopniu suchości x < l. W takim przypadku w przegrzewaczu (odcinek 3—i wykresu) zachodzi nie tylko proces wyłącznie przegrzewania pary, lecz również odparowanie wilgoci zawartej w parze dopływającej do przegrzewacza.
Ilości ciepła przejmowane od spalin w poszczególnych rodzajach powierzchni ogrzewalnych dla wyprodukowania pary można najlepiej porównywać na wykresie zależności entalpii wody i pary od ciśnienia, a więc na wykresie i—p. Wykres taki przedstawiono na rys. 2.2.
Na wykresie tym widać wyraźnie, że entalpia wody wrzącej rośnie wraz z ciśnieniem, entalpia nasyconej pary suchej początkowo rośnie do wartości ciśnienia ok. 2,95 MN/m2 (30 kG/cm2), a następnie maleje, aby osiągnąć najniższą wartość przy ciśnieniu krytycznym [punkt K o parametrach: 22,1 MN/m2 (225,4 kG/om2) i 374°C].
Jeżeli pominie się spadki ciśnienia zachodzące w czasie przepływu wody, mieszaniny parowo-wodnej i pary przez rurki poszczególnych powierzchni ogrzewalnych, obrazem procesu produkowania pary w kotle przedstawionym na wykresie i—p jest izobara.
Na rys. 2.2 izobara 1—2—3—4 przedstawia produkcję pary o ciśnieniu 5,90 MN/'m2 (60 kG/cm2). Linia tz oznacza temperaturę podgrzania wody zasilającej na wlocie do wewnątrzkotłowego podgrzewacza (póz. l na rys. 2.6), punkt l zatem określa parametry wody zasilającej na wlocie do kotła. Odcinek l—2 obrazuje ilość ciepła, jaką trzeba doprowadzić do podgrzewacza wody, aby podwyższyć jej temperaturę do temperatury wrzenia przy danym ciśnieniu. Odcinek 2—3 jest proporcjonalny do ilości ciepła koniecznego do doprowadzenia w parowniku dla całkowitego odparowania wody przy danym ciśnieniu 5,90 MN/m2 (60 kG/cm2), odcinek 3—4 wreszcie obrazuje ilość doprowadzoną do przegrzewacza pary.
Rys. 2.2. Proces wytwarzania pary w kotle przedstawiony w układzie i—p
Odpowiednio odcinki lx—2x, 2x—3x oraz 33C—4x oznaczają ilaści ciepła doprowadzane do poszczególnych części powierzchni ogrzewalnych w kotle o ciśnieniu roboczym 19,62 MN/m2 (200 kG/cm2). Jak widać na wykresie, całkowita ilość ciepła zmniejszyła się, zmienił się też wzajemny stosunek poszczególnych odcinków prostej 1—4.
Z porównania odcinków 2—3 oraz 2x—3x widać, że ciepło parowania maleje wraz ze wzrostem ciśnienia. Przy ciśnieniu krytycznym (punkt K) ciepło parowania osiąga wartość równą zeru (punkty 2k i 3k znajdują się w tym samym punkcie K).
Wraz ze zmianą ciśnienia i zmienia się też procentowy udział przejmowanego ciepła przez poszczególne powierzchnie ogrzewalne. Graficzny obraz tego przedstawiono na rys. 2.3.
Przy powiększaniu ciśnienia roboczego kotła maleje udział parownika w doprowadzaniu ciepła do odparowywanej wody i ostatecznie przy ciśnieniu równym lub wyższym od krytycznego — parownik staje się zbędny. A zatem kocioł na ciśnienie nadkrytyczne składa się z podgrzewacza wody i przegrzewacza pary.
Tym samym w kotle pracującym na ciśnienie nadkrytyczne zbędny jest element spotykany we wszystkich pozostałych kotłach, to jest walczak parowo-wodny, gdyż nie następuje zwiększenie objętości pary w porównaniu do objętości wody (por. rozdz. 3.3.5).
Rys. 2.3. Udział przejmowania ciepła przez poszczególne powierzchnie ogrzewalne kotła w zależności od ciśnienia pary przy tej samej temperaturze pary przegrzanej = 400°C i wody zasilającej = 100°C
Rys. 2.4. Proces wytwarzania pary w kotle przedstawiony w układzie i—s
Obraz procesu wytwarzania pary w kotle na wykresie i—s przedstawiono ma rys. 2.4. Oznaczenia punktów jak na rys. 2.1 oraz rys. 2.2. Na rys. 2.5 przedstawiono bilans masowy kotła. Do kotła dostarczana jest woda zasilająca w ilości Gwz [kg/h], z której wytwarzana jest w kotle para w ilości D [kg/h] lub [t/h] będąca produktem wyjściowym z kotła. Do kotła dostarczane jest też paliwo, które oznacza się symbolem B i określa w kg/h oraz powietrze w ilości Vpow [m3 h].
Produktami wyjściowymi — oprócz pary będącej nośnikiem energii cieplnej — są również spaliny wylotowe w ilości Vsp [m3 h] oraz woda, upuszczana z kotła podczas procesu szumowania w ilości Gsz [kg/h] (por.rozdz. 12.4.2).
Rys. 2.5. Bilans masowy kotła parowe
Ponieważ do komory spalania dopływa B [kg/h] 'paliwa oraz Vpow [m3 h] powietrza, bilans masowy można ująć zależnością
B (1-a) + Vpow γpow = Vsp (2.1.)
gdzie:
a — część paliwa nie ulegająca spaleniu (w przypadku opalania olejowego są to popioły i
sadze osiadające na wewnętrznych powierzchniach kotła) [kg/kg],
γpow —masa właściwa powietrza [kg/m3].
We współczesnych typach kotłów parowych każdy z uprzednio wymienionych etapów pracy kotła — to jest podgrzewanie wody, odparowanie i przegrzewanie — odbywa się w innej jego części, w innym elemencie konstrukcyjnym. Dla przykładu rozpatrzmy schemat wodnorurkowego kotła parowego, na którym zaznaczone są te elementy. Podgrzewanie wody zasilającej odbywa się [głównie w specjalnym pęku rurek l (rys. 2.6) tworzących tzw. ekonomizer, czyli powierzchniowy wewnątrzkotłowy podgrzewacz wody zasilającej (por. rozdz. 6.6.2). Należy jednak przy tym pamiętać, że w podgrzewaczu wewnątrzkotłowym podgrzewa się wodę do temperatury nieco niższej od temperatury wrzenia przy danym ciśnieniu (najczęściej różnica temperatury wynosi 15—20°C), końcowe więc podgrzewanie odbywa się w rurkach parownika zwanego niekiedy „kotłem właściwym".
Ilość ciepła potrzebna do podgrzania wody w kotle wynosi
Qp=D (i' -iw) [kJ/h], (2.2)
gdzie:
D — wydajność kotła [kg/h],
i' — entalpia wody wrzącej przy ciśnieniu kotłowym [ikJ/kg],
iw — entalpia wody zasilającej [k J/kg].
Rys. 2.6. Powierzchnie ogrzewalne kotła opłomkowego 1 — wewnątrz kotłowy podgrzewacz wody (ekonomizer); 2a, b, c — pęki rurek ekranowych i konwekcyjnych, tworzące powierzchnię ogrzewalną kotła właściwego (parownika); 4 — przegrzewacz pary; 4 — podgrzewacz powietrza; 5 — palnik; 6 — rurociągi szumowania (odsalania)
Dostarczanie ciepła koniecznego do odparowania wody odbywa się przez ścianki rurek, tworzących powierzchnię ogrzewalną kotła właściwego. Są to rurki pęków 2a, 2b oraz 2c. Każdy pęk odbiera ciepło spalin w nieco inny sposób, jednakże we wszystkich tych rurkach ciepło dostarczane wodzie zużywane jest w zasadzie na odparowanie.
Ciepło parowania wyraża się wzorem
Qpar = D (i" -i') [kJ/h], (2.3)
gdzie:
i" — entalpia pary suchej nasyconej przy ciśnieniu kotłowym [kJ/kg]
Para nasycona przedostaje się specjalnym rurociągiem, przechodzącym najczęściej na zewnątrz kotła, do pęku rurek tworzących przegrzewacz pary 3. Ciepło dostarczane w tej części kotła służy w zasadzie wyłącznie do podwyższenia temperatury pary produkowanej przez kocioł, przy ogólniejszych bowiem i przybliżonych rozważaniach można pominąć fakt
ostatecznego osuszania pary podczas początkowej fazy przepływu pary przez rurki przegrzewacza.
Ilość ciepła konieczna do przegrzania wytworzonej w kotle pary wynosi:
Q=D(ipp-i") [kJ/h], (2.4)
gdzie:
ipp — entalpia pary przegrzanej [kJ/kg].
Całkowita ilość ciepła potrzebna do wyprodukowania D [kg/h] pary przegrzanej wynosi
Qcałk = Qp + Qpar +Qprz (2.5)
2.2. Spalanie
Ciepło dostarczane do kotła w celu wyprodukowania pary o żądanych parametrach wydziela się w czasie reakcji chemicznych spalania paliwa. We współczesnych kotłach okrętowych prawie wyłącznie stosowanym paliwem jest paliwo płynne, a nielicznie jeszcze statki, których kotły opalane są paliwem stałym, czyli węglem, są bądź przebudowywane, bądź też ulegają kasacji.
Najczęściej stosowanym paliwem kotłowym są na statkach różnego rodzaju oleje będące produktem destylacji ropy naftowej. Powstają one po oddzieleniu z ropy lżejszych frakcji i są cieczami o ciężarze właściwym ok. 0,90—0,99. Skład chemiczny typowego kotłowego oleju opałowego:
węgiel <85—90%),
Wodór (10—12%), .
siarka <0,6—2%), tlen i azot (w0,5%)
oraz inne domieszki.
W połowie lat 70-tych zaczęto wprowadzać na statki również paliwo gazowe dla tzw. kotłów dwupaliwowych (por. rozdz. 3.5 i rozdz. 7.1).
Obszerne wiadomości na temat rodzajów paliw ciekłych stosowanych na statkach i ich własności znajdują się w książce Przemysława Urbańskiego pt. „Paliwa, smary i woda dla statków morskich" wydanej przez Wydawnictwo Morskie W Gdańsku w 1976 roku.
Do ustalenia wartości paliwa używa się dwóch wielkości. W wypadku zagadnień czysto fizycznych stosuje się pojęcie ciepła spalania, w zagadnieniach technicznych zaś — pojęcie wartości opałowej.
Wartość opałowa W jest to ilość ciepła wydzielona przy spalaniu zupełnym l (kg paliwa, jeżeli spalmy wylotowe unoszą ze sobą nie skroploną parę wodną. Zjawisko takie zachodzi w kotłach okrętowych, gdzie temperatura spalin uchodzących z komina wynosi — w zależności od rozwiązania konstrukcyjnego kotła — od 115°C do ponad 200°C.
Proces spalania paliwa polega na utlenianiu części palnych zawartych w paliwie. Produktami spalania przy spalaniu zupełnym są:
dla węgla; CO2 (dwutlenek węgla);
dla wodoru; H2O (woda);
dla siarki; SO2 (dwutlenek siarki).
W procesie spalania zachodzą następujące reakcje egzotermiczne:
spalanie węgla:
C + O2 = CO2 + 33 939 kJ/kg, (2.6)
spalanie wodoru:
H2 + 
O2 = H2O + 142083 kJ/kg, (2.7)
spalanie siarki:
S + O2 = SO2 + (9070 - 12 360) kJ/kg. (2.8)
Obliczając zapotrzebowanie powietrza do spalania oraz ilość spalin powstających wskutek spalania, korzysta się ze stechiometrycznych równań spalania. W równaniach tych ilości poszczególnych składników palnych paliwa wyrażone są w jednostkach masowych, natomiast konieczną ilość tlenu i ilość zapotrzebowanego powietrza do spalania jak również ilości składników spalin wyraża się w jednostkach objętościowych. Jednostką objętości jest tzw. metr sześcienny [m3] w warunkach normalnych, czyli w temperaturze 0°C przy ciśnieniu 0,1 MN/m2 (l kG/cm3).
Równania stechiometryczne dla składników palnych paliwa przedstawiają się następująco:
l kg C + 1,867 m3 O2 = 1,867 m3 CO2 (2.8)
l kg H2 + 5,6 m3 O2 = 11,2 m3 H2O (2.9)
l kg S + 0,7 m3 O2 = 0,7 m3 SO2 (2.10)
objętości podano dla warunków normalnych.
Ze stosunków ciężarów cząsteczkowych poszczególnych składników paliwa można wyznaczyć masowe ilości tlenu, konieczne do spalania l kg danego składnika.
I tak:
l kg węgla wymaga 2,67 kg tlenu, aby spalić się na dwutlenek węgla,
l kg wodoru potrzebuje 8 kg tlenu dla zamiany na parę wodną,
l kg siarki zużywa l kg tlenu, aby spalić się na dwutlenek siarki.
Z równań (2.8)—(2.10) objętość teoretyczna tlenu, niezbędna do spalenia paliwa o znanym składzie chemicznym, wyraża się wzorem
O2teoret = (1,867 • C + 5,6 • H,+ 0,7 • S) 0,01 [m3/kg] (2.11)
Jeżeli w paliwie znajduje się tlen, to w nawiasie równania (2.11) należy sumę C, H i S pomniejszyć o wartość 0,7 • Ox , przy czym O2 wyrażone jest jako udział masowy tlenu w l kg paliwa.
Tlen do spalania uzyskuje się doprowadzając do paleniska kotłowego powietrze, które jest mieszaniną azotu i tlenu (ciężarowy udział tlenu w powietrzu wynosi ~23%, objętościowy ~21%).
Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania, w oparciu o wzór (2.11), wynosi
Vtpow = (8,89 • C + 26,7 • H + 3,33 • S) 0,01 [m3/kg] (2.12)
Do celów praktycznych teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania określa się za pomocą przybliżonych wzorów empirycznych.
Dla oleju opałowego ilość powietrza można wyznaczyć z wzoru:
Vtpow = 0,203 
+2 [m3/kg] (2.13)
gdzie:
W — wartość opałowa paliwa [k J/kg].
Wyznaczona w ten sposób ilość powietrza stanowi teoretycznie minimalną ilość potrzebną do tego, aby nastąpiło całkowite spalanie. Ponieważ w praktyce nie spotyka się warunków idealnych, wiec aby mieć pewność, że nastąpi spalenie całkowite całej ilości paliwa należy podawać do kotła nieco większą ilość powietrza niż to wynika z powyższych danych.
Stosunek ilości powietrza Vpow, która rzeczywiście jest doprowadzana do kotła, do ilości V(, potrzebnej teoretycznie do całkowitego spalania, nazywa się współczynnikiem nadmiaru powietrza i oznacza przez λ = Vpow/Vt Współczynnik ten zależy od rodzaju i konstrukcji palnika oraz paleniska i wynosi dla paliwa płynnego 1,05—1,25.
W skład spalin, które są gazowymi produktami spalania paliwa, wchodzą następujące czynniki:
dwutlenek węgla CO2
dwutlenek siarki SO2
para wodna H2O
azot N2
tlen O2
O ile dwutlenek węgla i siarki są wyłącznie produktami spalania węgla i siarki zawartych w paliwie, o tyle para wodna zawarta w spalinach pochodzi zarówno ze spalania wodoru z paliwa, jak i z wilgoci zawartej w paliwie oraz w powietrzu podawanym do spalania. Para wodna dostaje się dodatkowo do spalin w przypadku stosowania palników olejowych z rozpylaniem parowym (por. rozdz. 7.2.3).
Azot w spalinach pochodzi z powietrza podawanego do spalania, tlen natomiast z nadmiaru tegoż powietrza.
Objętość spalin powstających podczas spalania paliwa można wyznaczyć przy znajomości składu chemicznego paliwa, w oparciu o wzory stechiometryczne (2.8), (2.9) i (2.10).
Objętość dwutlenku węgla w spalinach:
VCO2 = 1,867 • C • 0,01 [m3/kg] (2.14)
Objętość dwutlenku siarki w spalinach:
VSO2 = 0,7 • S • 0,01 [m3/kg]. (2.15)
Uwaga: Niekiedy w analizatorach spalin wyznacza się udział objętościowy zawartości łącznej CO2 i SO2, stąd konieczność określenia objętości VRO2 = VCO2 + VSO2 wynikającej z sumy wzorów (2.14) i (2.15). Należy przy tym pamiętać, że udział ilościowy SO2 w spalinach jest bardzo mały i wynosi ok. 0,5-l%2RO2
Objętość azotu w spalinach
VNO2 = 0,79 • λ • Vt + VN• N • 0,01 [m3/kg] (2.16)
gdzie:
Vn — objętość właściwa azotu (Vn = 0,8 m3/kg),t
N — zawartość azotu w paliwie.
Objętość tlenu w spalinach
VO2 = 0,21 ( λ - 1) Vt [m3/kg] [(2.17)
Objętość pary wodnej w spalinach
VH2O = 0,01(11,2•H+1,24•w +1,24•d•λ•Vt)+1,24•Gp [m3/kg] (2.18)
gdzie:
w — zawartość wilgoci w paliwie [%],
d — zawartość wilgoci w powietrzu podawanym do spalania [%],
Gp — ilość pary zużywanej w palnikach do rozpylenia paliwa [kg/kg].
Przybliżoną wartość objętości teoretycznej spalin, to znaczy przy nadmiarze powietrza λ=1 można wyznaczyć wg wzorów:
dla paliw ciekłych
Vtsp = 0,265 
[m3/kg] (2.19)
dla paliw gazowych W > 12 500 J/m3)
Vtsp = 0,272 
- 0,25 [m3/kg] (2.20)
Rzeczywista objętość spalin jest większa z powodu nadmiaru doprowadzanego powietrza, a mianowicie
Vsp = Vtsp + (λ - 1) Wtpow [m3/kg], (2.21)
a po uwzględnieniu temperatury spalin i przejściu z normalnych metrów sześciennych na metry sześcienne
Vsprz = Vsp 
[m3/kg] (2.22)
Do prowadzenia obliczeń cieplnych i aerodynamicznych kotłów parowych konieczna jest również znajomość własności fizycznych powietrza podawanego do kotła oraz spalin. O ile własności fizyczne powietrza, takie jak gęstość i ciepło właściwe znaleźć można w szeroko dostępnej literaturze i są one prawie stałe dla określonych temperatur, o tyle własności fizyczne spalin zależą od składu chemicznego paliwa i nadmiaru podawanego powietrza, a zatem od składu spalin.
Ciepło właściwe spalin — przy znajomości ich składu — oblicza się według wzoru
Cpsp = 
νi Cpi [kJ/m3] (2.23)
gdzie:
νi — udziały objętościowe poszczególnych składników w spalinach,
Cpi — ciepło właściwe poszczególnych składników spalin.
W obliczeniach przybliżonych można korzystać z uproszczonej zależności
Cpsp = (0,33 + 0,00004 •tsp) 4,19 [kJ/m3 °C] (2.24)
gdzie:
tsp — temperatura spalin.
Entalpię powietrza wyznaczyć można wg zależności
Ipow = Vpow Cppow tpow [kJ/kg] (2.25)
natomiast entalpię objętości .spalin, odniesionej do l kg spalonego paliwa, wyraża wzór
Isp = 
νi Cpi tsp [kJ/kg] (2.26)
lub
Isp = Vsp Cpsp tsp [kJ/kg] (2.27)
Bardzo istotną własnością fizyczną dla obliczeń kotłów oraz dla celów eksploatacyjnych jest temperatura spalania tsp. Dla ułatwienia jej znalezienia sporządzone są wykresy w układzie I—tsp. Wykres taki pokazano na rys. 2.7. Służy on do wyznaczania temperatury lub entalpii i sporządzony jest dla określonego paliwa o znanym składzie chemicznym i znanej wartości opałowej. Poszczególne krzywe dotyczą odpowiednich wartości nadmiarów powietrza podawanego do spalania. Jak widać na rys. 2.7, zwiększenie nadmiaru powietrza powoduje — przy tej samej entalpii — obniżenie jego temperatury; Zwiększenie nadmiaru powietrza powoduje również zwiększenie entalpii spalin wylotowych z kotła poza ostatnią powierzchnię ogrzewalną przy stałej temperaturze spalin wylotowych, a zatem zwiększa się tym samym strata wylotowa i obniża sprawność kotła (por. rozdz. 2.6).
Rys. 2.7. Wykres I—t dla spalin uzyskanych z oleju opałowego o W = 41 062 kJ/kg (9800 kcal/kg)
Do korzystania z wykresu I—tsp konieczna jest znajomość entalpii spalin. Wyznaczenie jej bezpośredniego wzoru (2.26) jest niemożliwe, ponieważ nieznana jest również wartość tsp. W takim przypadku korzysta się z zależności
Isp = Vsp Cpsp tsp = W + qpal + I pow + qpary [kJ/kg], (2.28)
gdzie:
qpal — entalpia podgrzanego paliwa, przy czym qpal = Cpal tpal [kJ/kg],
Cpai — ciepło właściwe paliwa [kJ/kg°C],
Tpal — temperatura oleju opałowego przed palnikami kotła [°C],
qpary — ilość ciepła doprowadzana do komory spalania przez parę w przypadku parowego
rozpylania paliwa w palniku, .przy czym: qpary = Gp (ipary-2388,3) [kJ/kg],
Gp — ilość pary zużywanej do rozpylania l kg paliwa [kg/kg],
ipary — entalpia pary rozpylającej [kJ/kg].
Uwaga: We wzorze (2.28) pominięto wartość straty niezupełnego spalania, która wynosi zazwyczaj mniej niż 1%.
Po wyznaczeniu Isp wartość tsp można uzyskać z wykresu I—tsp lub można ją wyznaczyć z pierwszej części wzoru (2.28), a mianowicie:
Tsp = 
[°C] (2.29)
Obliczenie tsp w tym ostatnim przypadku odbywa się metodą kolejnych przybliżeń dla wartości Cpsp dla odpowiednich tps1, tsp2 itp., a następnie sprawdza się przez podstawienie Cp sp1, Cp sp2, itd. do wzoru (2.29).
Z innych własności fizycznych paliwa ważnym zagadnieniem w gospodarce eksploatacyjnej parowej siłowni okrętowej jest sprawa lepkości, podawanie bowiem oleju opałowego do kotła odbywa się w formie rozpylonej i spalanie następuje prawidłowo tylko w tym wypadku, gdy paliwo ma właściwy stopień rozpylenia.
2.3. Kontrola jakości spalania
W czasie spalania paliwa, przy niedostatecznej ilości podawanego powietrza, w gazach spalinowych znajdują się — oprócz CO2 — również i CO lub nie spalone węglowodory, czyli składniki, które mogłyby ulec dalszemu spalaniu. Jednakże spalanie to poza komorą spalania jest wysoce utrudnione ze względu choćby na niewysokie temperatury, zbyt małą ilość tlenu lub niedostateczne wymieszanie składników.
Niezupełne spalanie powoduje poważne straty cieplne oraz zwiększa rozchód paliwa. Jednym ze sposobów walki z tego rodzaju stratami jest zwiększenie ilości podawanego do kotła powietrza, jednakże wraz z jego zbytnim wzrostem rosną inne straty, na przykład z powodu przyrostu gazów spalinowych, przypadających na l kg spalanego paliwa. Najwłaściwszym zatem sposobem poprawienia spalania jest stworzenie w komorze spalania takich warunków, aby paliwo mogło dokładnie wymieszać się z ilością powietrza możliwie bliską ilości teoretycznie wymaganej. Metody te szerzej omówiono w rozdz. 7.1 i rozdz. 12.4.4.
Jakość spalania można oceniać na podstawie analizy spalin, obliczając na przykład rzeczywisty współczynnik nadmiaru powietrza według wzoru
λ = 
gdzie:
C02max dla oleju opałowego wynosi 15,5%.
C02max oznacza taką ilość dwutlenku węgla w spalinach, jaką można uzyskać przy
całkowitym spaleniu paliwa o znanym składzie chemicznym i przy nadmiarze
powietrza λ= l.
CO2 max wyznacza się z zależności
CO2max = 
[%] (2.30)
gdzie:
tsps — teoretyczna ilość spalin suchych, to jest takich, w których po ochłodzeniu do
temperatury otoczenia nastąpi wykroplenie się pary wodnej zawartej w spalinach
opuszczających kocioł (spaliny opuszczające kocioł mają temperaturę wyższą niż
temperatura punktu rosy — por. rozdz. 2.4) [m3/kg].
CO2 rzecz— jest to procentowy udział dwutlenku węgla w spalinach uzyskanych ze
spalenia paliwa przy nadmiarze powietrza λ > l.
Co prawda bezwzględna ilość dwutlenku węgla w spalinach nie jest zależna od współczynnika nadmiaru powietrza, jednakże udział procentowy CO2 maleje w spalinach wraz ze wzrostem całkowitej objętości spalin wynikającym z obecności w spalinach nadmiaru powietrza w ilości (λ -l)Vpow.
Zmniejszenie się procentowej zawartości CO2 w spalinach powoduje zmniejszenie sprawności kotła wskutek zwiększania się — jak uprzednio wspomniano — straty wylotowej.
Obniżenie zawartości CO2 o 1% w stosunku do wartości CO2 opt, przy którym λ = λ opt i warunki spalania są najkorzystniejsze, powoduje zmniejszenie się sprawności kotła aż o 2% (por. rozdz. 2.6).
W przypadkach gdy nieznana jest dokładna Wartość C02max współczynnik nadmiaru powietrza można wyznaczyć z jednej z dwóch następujących zależności
λ = 
(2.31)
lub
λ = 
(2.32)
Uwaga: Zależność (2.32) stosuje się w przypadku pojawienia się w spalinach tlenku
węgla CO,
We wzorach (2.31) i (2.32) N2, O2 i CO oznaczają udziały objętościowe azotu, tlenu i tlenku węgla w spalinach kotłowych wyrażone w procentach.
2.4.Podstawy teoretyczne korozji nisko-i wysokotemperaturowej w kotłach parowych
Spaliny, będące produktem spalania paliwa płynnego w kotłach, mają w swym składzie rozmaite związki chemiczne omówione w rozdz. 2.3. Niektóre z tych składników powodują w określonych warunkach niepożądane skutki podczas eksploatacji kotłów. Jednym z tych skutków jest przede wszystkim korozja tych elementów metalowych kotłów, które stykają się bezpośrednio z produktami spalania.
W zależności od zakresu temperatur, w których pojawia się korozja od strony spalin oraz składników spalin powodujących korozję mamy do czynienia z korozją niskotemperaturową, czyli z korozją siarkową oraz z korozją wysokotemperaturową, czyli wanadową lub sodowo wanadową.
Korozja niskotemperaturowa związana jest z punktem rosy spalin oraz z objętością siarki w spalanym paliwie. W uchodzących z kotła spalinach jednym ze składników jest również para wodna będąca efektem spalania wodoru zawartego w paliwie, pozostałością wody znajdującej się nieraz w paliwie, oraz wilgoci w dostarczanym do spalania powietrzu. Do tego dochodzi para z rozpylania paliwa w przypadku stosowania takiego systemu rozpylania w urządzeniu do opalania kotłów (por. rozdz. 7.2.2).
Punkt rosy spalin, a więc temperatura, przy której następuje skraplanie .się pary wodnej zawartej w paliwie, w przypadku paliwa nie zawierającego siarki odpowiada temperaturze nasycenia dla ciśnienia cząstkowego pary wodnej w spalinach, ponieważ ciśnienie całkowite spalin opuszczających kocioł bliskie jest ciśnieniu atmosferycznemu, a ciśnienie cząsteczkowe pary wodnej zależne jest od jej udziału objętościowego w spalinach. Ze względu na niewielką objętość pary (zmieniającą swą wartość w zależności od podanych uprzednio czynników) temperatura nasycenia pary wodnej, a więc i temperatura punktu rosy spalin wynosi 30—50°C.
Do tak niskich temperatur nie ochładza się spalin, nawet w warstwach przyściennych przewodów kominowych i w związku z tym — w przypadku spalania paliwa bez siarkowego — nie ma obaw do wytrącania się ze spalin kondensatu pary wodnej, który mógłby powodować jakąkolwiek korozję natury elektrochemicznej.
Jednakże w praktyce nie spotyka się paliw pozbawionych siarki. W takim przypadku temperatura punktu rosy spalin zmienia się radykalnie, co w połączeniu z obecnością produktów spalania siarki w spalinach może powodować korozję.
Produktem spalania jest dwutlenek siarki SO2 wchodzący w skład spalin. Część dwutlenku siarki w ilości kilku procent jej zawartości w spalinach zamienia się w czasie przepływu przez kocioł na trójtlenek siarki SO3 w obecności katalizatorów, takich jak tlenek żelazowy Fe2O3, pięciotlenek wanadu V2O5 i inne związki wchodzące w skład paliwa i spalin.
Lotny trójtlenek siarki łączy się z parą wodną zgodnie z reakcją
S02 + H2O = H2S04 (2.33)
dając w efekcie kwas siarkowy, który w odpowiednio wysokiej temperaturze wchodzi w skład spalin jako lotny ich składnik wraz z resztą wolnej pary wodnej, która nie związała się z trójtlenkiem siarki. W takiej sytuacji, przy obniżaniu się temperatury, w spalinach znajdują się dwa skraplające się czynniki, co w zdecydowany sposób zmienia temperaturę punktu rosy spalin.
Rys. 2.8. Krzywe skraplania i wrzenia mieszaniny pary wodnej i kwasu siarkowego pod ciśnieniem 0,015 MN/m2 <0,155 kG/cm')
Na rys. 2.8 pokazano krzywe skraplania i wrzenia mieszaniny kwasu siarkowego i wody w zależności od temperatury. Wykres został sporządzony dla ciśnienia 0,015 MN/m2 (0,155 kG/cm2) będącego sumą ciśnień cząstkowych pary wodnej i lotnego kwasu siarkowego w spalinach kotłowych. Na osi odciętych odłożono objętość kwasu siarkowego w mieszaninie. W przypadku gdy mamy do czynienia z czystą parą wodną, temperatura skraplania przy przyjętym ciśnieniu wynosi 55°C (punkt P), natomiast gdy skraplaniu podlega czysty lotny kwas siarkowy, temperatura skraplania wynosi 250°C (punkt K wykresu). Dla wszystkich pośrednich stanów mieszaniny początek skraplania następuje po ochłodzeniu mieszaniny do temperatury wyznaczanej przez krzywą skraplania (krzywa „x"). Koniec skraplania następuje po ochłodzeniu mieszaniny do temperatury wyznaczonej przez krzywą wrzenia (krzywa „y" na rys. 2.8).
Dla przykładu rozpatrzmy zachowanie się mieszaniny lotnego kwasu siarkowego i pary wodnej p zawartości 5% H2S04 podczas ochładzania. Przebieg ochładzania oznaczony jest na rys. 2.8 linią przerywaną.
Po osiągnięciu przy ochładzaniu krzywej .skraplania ,,x" (punkt A) rozpoczyna się wykraplanie mieszaniny H2SO4 i H2O, czyli rozcieńczonego kwasu siarkowego. W początkowej fazie (punkt A) stężenie H2S04 w wykraplającej się mieszaninie będzie wysokie i wynosi (punkt A) 62%. Stężenie H2S04 w skroplinach maleje wraz z obniżaniem się temperatury i np. przy temperaturze 100°C (punkt B) wynosi już tylko 35% H2S04. Po ochłodzeniu mieszaniny do temperatury odpowiadającej punktowi C (przecięcie się z krzywą wrzenia „y") skropleniu ulegnie cała mieszanina, poniżej krzywej „y" bowiem oba składniki znajdują się w fazie ciekłej.
Wraz z procentowym udziałem H2S04 w mieszaninie parowo-kwasowej zmienia się temperatura punktu rosy spalin. Przebiega ona wzdłuż krzywej „x" i dla rozpatrywanego przykładu wynosi 190°C.
Rys. 2.9. Wpływ zawartości trójtlenku siarki w spalinach na podniesienie temperatury punktu rosy spalin
Ponieważ ilość H2S04 w mieszaninie zależy od stopnia zawartości trójtlenku siarki w spalinach (już ślady SO2 w spalinach w ilości w 0,001% w stosunku do objętości spalin wpływają na podwyższenie temperatury punktu rosy), a to z kolei od zawartości siarki w paliwie, sporządzono wykresy zależności temperatury punktu rosy spalin od zawartości SO2 w spalinach (rys. 2.9) oraz od zawartości siarki w paliwie (rys. 2.10).
Rys. 2.10. Wpływ zawartości siarki w paliwie na temperaturę punktu rosy spalin.
Na ostatnim rysunku zakres temperatur punktu rosy spalin zawiera się w pewnych granicach, bowiem ilość dwutlenku siarki w spalinach, która zamienia się na trójtlenek siarki zależna jest od warunków panujących w kanałach spalinowych kotła i od ilości oraz rozmieszczenia katalizatorów reakcji.
Rys. 2.11. Intensywność korozji mieszaniny H2O i H2S04 w spalinach kotłowych w funkcji temperatury spalin
Rys. 2.12. Zależność głębokości ubytków korozyjnych rur wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody od temperatury ich ścianek
Jak wynika z uprzednio przytoczonego, opisu ochładzania spalin (opis rys. 2.8), wraz ze zmianą temperatury spalin w zakresie między krzywą skraplania „x" i krzywą wrzenia „y" zmienia się skład wykraplającej się mieszaniny (zmienia się stężenie H2SO4), a zatem zmienia się też intensywność korozyjnego jej działania.
Najintensywniejsze działanie korozyjne osiąga wykraplająca się ze spalin mieszanina H2S04 i H2O w punkcie Z o temperaturze 30—50° poniżej punktu rasy spalin, jak to pokazano na rys. 2.11. Gwałtowny wzrost intensywności korozji poniżej punktu C nie jest groźny dla wewnętrznych elementów kotła, ponieważ w czasie jego eksploatacji żaden z elementów nie podlega tak dużemu ochłodzeniu.
Innym obrazem stopnia intensywności korozji siarkowej jest wykres pokazany na rys. 2.12. Przedstawia on głębokość wżerów korozyjnych ścianek rur podgrzewaczy wewnątrzkotłowych wody zasilającej wyrażonych jako funkcja temperatury ścianek podgrzewaczy. Wykres ten został sporządzony dla paliwa o zawartości ~ 1% siarki.
Niebezpieczeństwo obniżania w przewodach spalinowych temperatury poniżej punktu rosy zachodzić może zatem głównie w rejonie ostatnich powierzchni ogrzewalnych w kotle na drodze spalin, a więc — w zależności od rodzaju rozwiązania konstrukcyjnego — na powierzchni wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody zasilającego lub podgrzewacza powietrza. Dla tych ostatnich na korozję szczególnie narażone są strefy w pobliżu dolotu zimnego powietrza z zewnątrz. W celu uniknięcia korozji siarkowej elementów konstrukcyjnych podgrzewaczy powietrza stosuje się częstokroć wstępne jego podgrzanie. Odbywa się ono na przykład w kanale między zewnętrznym i wewnętrznym poszyciem kotła, w przewodach przebiegających przez szczególnie nagrzane miejsca kotłowni itp.
W celu obniżenia temperatury spalin odlotowych bez obawy o występowanie korozji niskotemperaturowej, a więc w celu uzyskania wyższej sprawności kotła (obniżenie temperatury spalin odlotowych podnosi efektywność utylizacji — por. rozdz. 4.3), należy zahamować proces utleniania się SO2 ze spalin na SO3.
Rys. 2.13. Wpływ dawkowania amoniaku lub dolomitu do paliwa na punkt rosy spalin
Najlepsze rezultaty otrzymano przy dodawaniu węglanu wapniowo-magnezowego CaMg(C03)2, czyli dolomitu bądź bezpośrednio do paliwa, bądź też przez wdmuchiwanie go do komory spalania w postaci proszku oraz przy dawkowaniu do paliwa amoniaku. Wpływ tych dodatków na obniżenie temperatury punktu rosy spalin przedstawiono na rys. 2.13.
Z innej strony dodawanie dolomitu do paliwa kotłowego powoduje nieraz zatykanie rurociągów paliwowych i dysz palników powstałą zawiesiną, Zwiększa zużycie pomp paliwowych oraz pozostawia dodatkowe osady w komorach spalania kotłów i na sekcjach przegrzewaczy pary.
W praktyce eksploatacyjnej dawkowanie wymienionych składników jest kłopotliwe, kosztowne i z tego powodu prawie nie stosowane.
Zawartość siarki w paliwie, a więc i stopień szkodliwości spalin, w głównej mierze zależy od miejsca pochodzenia ropy naftowej, która jest surowcem wyjściowym dla oleju opałowego.
Przykładowo olej opałowy pochodzący z Bliskiego Wschodu zawiera w ~ 3% siarki, z Iranu ~ 1,9%, z ZSRR od 0,5—3,5%, z Meksyku w ~2,8%, olej opałowy pochodzący z destylacji ropy naftowej w rafinerii w Płocku — ok. 2,5—4% itd.
K o r o z j a w y s o k o t e m p e r a t u r o w a występuje głównie w kotłach o bardzo wysokich parametrach pary (temperatura pary przegrzanej powyżej 515—520°C), atakując przede wszystkim nagrzane do wysokich temperatur elementy konstrukcji kotłów.
Przyczyną powstawania tej korozji jest obecność w spalinach takich pierwiastków, jak przede wszystkim wanad i sód oraz potas i siarka. Z tego powodu korozję wysokotemperaturową określa się jako korozję wanadową lub sodowo-wanadową.
Związki wyżej wymienionych pierwiastków tworzą łatwotopliwe popioły, które osiadają na elementach kotłów rozgrzanych do temperatury zbliżonej do temperatury ich topnienia {temperatura tzw. przywierania jest o kilkanaście stopni niższa od temperatury topliwości związków wanadowych). Popioły te reagują następnie z żelazem będącym podstawowym składnikiem kotłowych stali konstrukcyjnych.
Przykładowo mechanizm reakcji powodujących korozję wysokotemperaturową przebiega następująco. W temperaturze przekraczającej 450°C trójtlenek wanadu V2O3 reaguje z tlenem pochodzącym z nadmiaru powietrza i tworzy pięciotlenek wanadu V2O5, którego temperatura topnienia wynosi 675°C. Przy mieszaninach eutektycznych V205 z solami niektórych pierwiastków, znajdujących się w morskim wilgotnym powietrzu podawanym do kotła lub wchodzących w skład paliwa płynnego, temperatura topnienia opada jeszcze niżej i dochodzi do 550°C.
V2O5 działa utleniająco na żelazo i jest również bardzo agresywny w stosunku do molibdenu będącego często jednym ze składników stali stopowych używanych niekiedy do produkcji rur przegrzewaczy pary.
Podczas utleniania żelaza zachodzi następująca reakcja
4Fe + 3V2O5 = 2Fe2O3 + 3V2O3. (2.34)
Powstały w wyniku tej reakcji trójtlenek wanadu ponownie utlenia się na pięciotlenek wanadu, a ten z kolei reaguje z tlenkiem żelazowym Fe2O3 — tworząc wanadan żelaza
Fe203 + V2O5 = 2FeV04. (2.35)
W dalszym ciągu wanadan żelaza w połączeniu z żelazem daje znowu tlenek żelazowy i trójtlenek wanadu, a mianowicie
6FeV04 + 4Fe = 5Fe203 + 3V203. (2.36)
Tym samym powstaje coraz więcej tlenku żelazowego i korozja postępuje coraz intensywniej.
W przypadkach gdy w paliwie (lub w dostarczanym do spalania powietrzu) znajduje się również sód, to powstające podczas procesu spalania związki, np. Na2O V2O5 powodują jeszcze intensywniejszą korozję niż sam V2O5.
Zawartość wanadu w płynnym paliwie przekraczająca 0,005% w stosunku masowym, czyli 50 ppm (50 części na milion), może już stać się przyczyną poważnych uszkodzeń powierzchni rurek przegrzewacza pary lub nie chłodzonych elementów konstrukcyjnych.
Paliwa płynne stosowane do opalania kotłów zawierają — w zależności od miejsca wydobycia ropy naftowej — od 0,005—0,3% wanadu w stosunku ciężarowym.
Największe ilości pięciotlenku wanadu w popiele pozostałego ze spalenia oleju opałowego zawierają paliwa pochodzące z Bliskiego Wschodu oraz Wenezueli. W popiele powstałym po spaleniu oleju opałowego destylowanego w płockiej rafinerii znajduje się ok. 4,5% V205, a zawartość popiołu w paliwie zawiera się w granicach od 0,01—0,5%.
Próby zabezpieczania rurek przegrzewaczy pary przed korozją wysokotemperaturową systemem stosowania osłon ze specjalnych materiałów nie dały pozytywnych rezultatów. Stosowano też wdmuchiwanie do spalin pyłu dolomitowego w ilości równej ilości wanadu w paliwie. Powoduje to podwyższenie temperatury topnienia eutektyki i granulowanie popiołu, a tym samym zmniejszenie niebezpieczeństwa występowania korozji.
W podobnym celu dodawano do paliwa tlenki magnezu lub siarczany magnezu. Dodatki te przeciwdziałały powstawaniu związków chemicznych o niższych temperaturach topnienia. Przesuwało to możliwość (przywierania i topnienia popiołów zawierających szkodliwe związki w zakres takich temperatur, do których nie zostają nagrzane żadne elementy konstrukcyjne kotłów parowych.
Wyżej opisane zjawiska zachodzą jedynie w wypadku stosowania bardzo wysokich temperatur przegrzania pary. Jeżeli temperatura przegrzania nie przekracza 500°C, nie zachodzi obawa powstawania korozji wanadowej, pod warunkiem że w obszarach wysokich temperatur spalin nie będą umieszczane nie ochładzane elementy konstrukcyjne (jak np. zamocowania rurek, zaczepy, wsporniki itp.).
2.5. Wymiana ciepła
Energia cieplna spalin, powstałych drogą utleniania paliwa w palenisku kotła, przekazywana jest następnie wodzie, która ma być odparowana, i parze w celu jej ewentualnego przegrzania.
Rozróżnia się trzy zasadnicze rodzaje przekazywania, czyli wymiany ciepła. Są to:
przewodzenie ciepła, czyli kondukcja,
unoszenie ciepła, czyli konwekcja,
promieniowanie ciepła, czyli radiacja.
Przewodzenie ciepła następuje wówczas, gdy energia przenosi się z jednej cząsteczki ciała przewodzącego na drugą, z tym że jednocześnie prawie nie zachodzą zmiany położenia cząstek względem siebie. Wymiana taka jest częściej spotykana w ciałach stałych, rzadziej natomiast w gazach i cieczach, chyba że w towarzystwie innych form wymiany ciepła. Ilość przewodzonego ciepła jest proporcjonalna do spadku temperatury, czasu i pola przekroju normalnego do kierunku rozchodzenia się ciepła.
Współczynnik proporcjonalności λ, zwany współczynnikiem przewodzenia lub przewodnością cieplną danego ciała, mierzony jest w W/m2 °C. Jest to wielkość fizyczna charakteryzująca dane ciało pod względem termicznym i należna od ciśnienia, temperatury, ciężaru właściwego i struktury danego materiału.
Przewodność cieplna niektórych materiałów:
miedź — 394,4 W/m°C (340 kcal/mh°C),
aluminium — 208,8 W/m°C ,(180 kcal/mh°C),
żeliwo — 46,4—58 W/m°C (40—50 kcal/mh°C),
stal stopowa — 17,4—34,8 W/m°C (15—30 kcal/mh°C).
Materiały, których przewodność cieplna wynosi poniżej wartości 0,232 W/m°C (0,2 kcal/mh°C) używane są jako izolatory cieplne [np. azbest — 0,151 W/m°C '(0,13 kcal/mh°C), masa okrzemkowa — 0,058 W/m°C <0,05 kcal/mh°C), wata żużlowa — 0,058 W/m°C (0,05 kcal/ /mh°C)].
W czasie eksploatacji kotłów parowych, oprócz zamierzonych przez konstruktora izolacji, mogą również wytworzyć się dodatkowe izolacje, wynikające z różnego rodzaju zanieczyszczeń. Tak więc kamień kotłowy, o dużej zawartości gipsu ma λ ~ 0,58— 2,32 W/m°C (0,5—2,0 kcal/mh°C), natomiast dla sadzy λ ~ 0,058— 0,116 W/m°C {0,05—0,1 kcal/mh°C).
Unoszenie ciepła jest zjawiskiem zachodzącym jedynie w gazach i cieczach. Transport energii cieplnej odbywa się tu drogą mieszania się cząstek na skutek prądów powstałych dzięki różnicy gęstości spowodowanej różnicą temperatur lub też prądów wymuszonych będących efektem pracy pompy czy też wentylatora. W technice nie obserwuje się unoszenia ciepła jako zjawiska samodzielnego, występuje ono zazwyczaj łącznie z przewodzeniem. W odniesieniu do kotłów parowych najbardziej interesujące jest właśnie takie złożone zjawisko, zwane przejmowaniem ciepła, czyli wymiana ciepła pomiędzy powierzchnią ciała stałego i stykającą się z nią cieczą lub gazem.
Przejmowanie ciepła jest funkcją wielu czynników, między innymi:
rodzaju ruchu (laminarny czy burzliwy),
własności fizycznych cieczy (przewodność cieplna, ciepło właściwe, masa właściwa, gęstość, lepkość),
kształtu nagrzewanej powierzchni.
Jednym z głównych czynników decydujących o intensywności przejmowania ciepła jest rodzaj ruchu. W ruchu laminarnym wymiana ciepła w kierunku prostopadłym do prędkości strumienia odbywa się jedynie wskutek przewodzenia, zaś przy ruchu burzliwym zachodzi wzajemne wymieszanie się cząstek w tym samym kierunku, a więc — unoszenie. Ponieważ w praktyce spotykamy się z się z ruchem burzliwym w warstwach środkowych cieczy przepływającej przez rurociąg i ruchem laminarnym w warstwie przyścienne, więc przejmowanie ciepła będzie tutaj zjawiskiem złożonym. W burzliwym rdzeniu nastąpi intensywna wymiana ciepła, warstwa graniczna zaś będzie stwarzała opór cieplny zmniejszający intensywność wymiany. Rozpatrując zagadnienie przejmowania ciepła, uwzględnia się jedynie jego transport od płynącej cieczy (gazu) do ścianki lub od ścianki do płynącej cieczy (gazu). W warunkach pracy w kotle występuje dodatkowo zjawisko przenikania ciepła (rys. 2.14). W czasie przenikania ciepło jest przenoszone z jednego ośrodka do drugiego przez oddzielającą te ośrodki ściankę. Zjawisko to można podzielić na trzy etapy:
przejmowanie ciepła przez ściankę z jednego ośrodka,
przewodzenie ciepła przez samą ściankę,
przejmowanie ciepła przez drugi ośrodek od ścianki.
Ilość ciepła jaka przeniknęła z czynnika A 'do B wynosi
Rys.2.14. Przenikanie ciepła przez ściankę płaską
Q = Fτ 
[Wh] (2.37)
a strumień cieplny
q = Fτ 
[W/m3] (2.38)
gdzie:
F — powierzchnia, na której odbywa się przenikanie [m2],
τ — czas trwania przenikania [h],
αA — współczynnik przejmowania ciepła od ośrodka A do ścianki [W/(m2 °C)
αB— współczynnik przejmowania ciepła od ścianki do ośrodka B [W/m2 °C)],
λ — przewodność cieplna ścianki [W/m °C],
Δt — średnia logarytmiczna różnica temperatur [°C],
δ — grubość ścianki [m]
[°C] (2.39)
gdzie:
Δtmax — różnica pomiędizy temperaturami czynników na początku wymiennika,
Δtmin — różnica pomiędzy temperaturami czynników na końcu wymiennika.
Jeżeli do wzoru (2.38) wprowadzi się oznaczenie
(2.40)
to otrzymamy nową postać tego wzoru
q = k(tA - tB) (2.41)
w którym k — współczynnik przenikania ciepła [W/m2 °C ], jego odwrotność zaś — opór cieplny. Jeżeli ścianka składa się z kilku warstw o różnych grubościach i różnych przewodnościach cieplnych, to
(2.42)
Wzory te odnoszą się do przenikania ciepła przez ściankę płaską. Z niewielkim przybliżenie stosuje się je też dla rur cienkościennych w kotłach. Promieniowanie ciepła. Energię promieniowania przenoszą fale elektromagnetyczne. W związku z wymianą ciepła na powierzchniach ogrzewalnych kotłów parowych interesujący jest zakres fal zwany promieniowaniem cieplnym. Obejmuje on długości fal od 0,8 μm do 400 μm). Promieniowanie odbywa się głownie w komorze spalania, a powierzchnie ogrzewalną przejmującą promieniowanie stanowią rurki ekranowe (rys. 2.6), które rozmieszczone są na ścianach komory spalania. Ilość wypromieniowanego ciepła z ciała o temperaturze T1 [K] i powierzchni promieniowania Fpr wynosi
Qpr = CFpr 
[W] (2.43)
gdzie:
C — stała promieniowania danego ciała [W/m2 K4], zależna od tzw. stopnia czarności S,
C=SCo
S — dla płomienia olejowego wynosi w 0,85, dla płomienia pochodzącego
z węgla kamiennego w 0,70,
Co — stała promieniowania ciała doskonale czarnego = 5,72 [W/m2 K4)].
Rys. 2.15. Rodzaje przekazywania ciepła przez promieniowanie: a—c) komora spalania (promieniowana jednym lub dwoma rzędami rurek oddalonych od ściany komory; d) komora spalania opromieniowana rurkami wpuszczonymi częściowo w obmurówkę; e) komora spalania z rzędami rurek konwekcyjnych; f) komora spalania z ekranem membranowym
l — ściana komory spalania; 2 — powierzchnia promieniowania (powierzchnia płomienia);
3 — rurki
Ilość ciepła przekazanego drogą promieniowania od płomienia o powierzchni Fpr do tzw. powierzchni efektywnej Fef wyraża się wzorem.
Q = CFpr 
[W] (2.44)
We wzorze (2.44), zwanym wzorem Stefana-Boltzmana, przyjęto, że Fpr~Fgf, co jest dopuszczalne przy współczesnych wykonaniach kotłów, gdzie płomień prawie całkowicie wypełnia objętość komory paleniskowej
C = 
[W/m2 K4] (2.45)
gdzie:
S1— stopień czarności ośrodka o wyższej temperaturze (płomień),
S2 — stopień czarności ośrodka o niższej temperaturze (ścianki rurek),
Tl — temperatura wyższa (płomieni) [K],
T2 — temperatura niższa (ścianek) [K].
Przy bardziej szczegółowym rozpatrywaniu zjawiska promieniowania należy zwrócić uwagę na fakt, że powierzchnia efektywna przejmowania promieniowania zależna jest od sposobu rozmieszczenia rurek ekranowych i od stosunku d/t. Parę takich sposobów pokazanych jest na rys. 2.15, gdzie przerywanymi strzałkami zaznaczono kierunek promieniowania.
2.6. Bilans cieplny i sprawność kotła
Przy sporządzaniu bilansu cieplnego kotła parowego, za 100% dostarczonego ciepła uważa się ilość ciepła doprowadzoną w paliwie o wartości opałowej Wu, powiększoną o ilość ciepła, jaką niesie ze sobą podgrzane powietrze konieczne do spalania. Godzinowa ilość tego ciepła wynosi
Qdost = BWu + Qpow [kJ/h], (2.46)
gdzie:
Qpow — ciepło dostarczone w ciągu godziny w celu podgrzania powietrza. Ilością użytecznego ciepła jest ciepło zawarte w parze opuszczające przegrzewacz. Godzinową ilość tego ciepła wyraża wzór
Qużyt = D (ipp - iw) [kJ/h], (2.47)
gdzie:
ipp — entalpia pary przegrzanej opuszczającej kocioł [kJ/kg],
iw — entalpia wody zasilającej dostarczonej do kotła (przed wewnątrzkotłowym
podgrzewaczem wody) [kJ/kg].
Wzór (2.47) ważny jest w przypadku, kiedy pobiera się z kotła jedynie parę przegrzaną. Natomiast przyjmuje on nieco inną postać, gdy oprócz tego pobiera się również parę oziębioną w oziębiaczu. Stosunek ciepła użytecznego do dostarczonego określa tzw. sprawność kotła
[%] (2.48)
Sprawność kotłów wodnorurkowych wynosi od 87 do ~ 95% w zależności od wydajności, parametrów i rodzaju rozwiązań konstrukcyjnych. Sprawność kotła wyrażona w inny sposób wynosi
% (2.49)
gdzie
ΣS— suma strat, jakie zachodzą w czasie spalania, podgrzewania i odparowania wody oraz
przegrzania pary [%].
Na sumę strat składają e'° głównie:
straty zachodzące w komorze w czasie spalania, spowodowane niezupełnym spaleniem paliwa; w wypadku stosowania paliw stałych występuje tzw. strata popielnikowa, spowodowana zawartością części palnych w popiele i, żużlu,
straty wylotowe spowodowane ciepłem zawartym w uchodzących do komina spalinach (stąd ich druga nazwa straty kominowe); wynikają one z trudności technicznych i termodynamicznych, jakie napotykamy chcąc wykorzystać tak dalece ciepło spalin, żeby obniżyć ich temperaturę aż do temperatury otoczenia; w praktyce osiągane temperatury wylotowe spalin w kotłach okrętowych wynoszą od w 115 do 200°C w zależności od konstrukcji i wykonania,
straty promieniowania ciepła przez izolację walczaków, rur, armatury itp.
Rys. 2.16. Bilans cieplny kotła wodnorurkowego wg Sankeya
Na rys. 2.16 ilość dostarczonego do kotła ciepła z paliwem i podgrzanym powietrzem obrazuje strumień l. Straty ciepła zachodzące w komorze paleniskowej przedstawia wąski strumień la. Szerokość każdego ze strumieni jest proporcjonalna do ilości ciepła, jaka jest zużywana na poszczególne cele. Strumień 2 — ilość ciepła przekazywana wodzie przez rurki ekranowe drogą promieniowania, 3 — ciepło pobierane przez wodę w rurkach, znajdujących się przed przegrzewaczem pary, 4 — ciepło pobierane przez parę w przegrzewaczu, 5 — przez wodę w rurkach konwekcyjnych, umieszczonych za przegrzewaczem, 6 — ilość ciepła przenikająca do wody w wewnątrzkotłowy podgrzewaczu wody. Strumień 7 — suma ciepła użytecznego (wzór 2.46), 8 zaś — ciepło zużyte do podgrzania powietrza. Ciepło to powraca do komory paleniskowej, tworząc wewnętrzny obieg zamknięty. Strumień 9, rozbity na 2a, 3a, 4a, 5a 6a i 8a według miejsc powstawania strat, obrazuje sumę strat na promieniowanie, a strumień 10 to strata kominowa
Rys. 2.17. Zależność strat wylotowych od temperatury spalin na wylocie z kotła i od współczynnika nadmiaru powietrza
Procentowe udziały poszczególnych strat w bilansie cieplnym współczesnych kotłów wynoszą:
straty [niezupełnego spalania 0,5—1,5%,
straty wylotowe zależą od temperatury spalin opuszczających kocioł i w kotłach nie powinny przekraczać 5—6% (rys. 2.17),
straty promieniowania ciepła do otoczenia dla kotłów wodnorurkowych o wydajności do 20 t/h wynoszą 1,0—1,2%, o wydajności do 60 t/h — 0,5—0,7%, o wydajności do 100 t/h — 0,3—0,5, a dla kotłów płomieniówkowych (w zależności od rodzaju izolacji) 2—4%.
Wartość strat gwałtownie rośnie wraz ze zmniejszaniem się wydajności kotła, w zakresach małych wydajności poniżej 25% D, przy czym praktycznie najszybciej rośnie procentowy udział promieniowania (rys. 2.18).
Sposoby zwiększania sprawności kotłów to eliminowanie do minimum strat, a więc:
obniżanie temperatury wylotu spalin do dopuszczalnie niskich ze względu na korozję siarkową,
zwiększenie jakości izolacji poszczególnych elementów konstrukcyjnych,
polepszanie jakości spalania i zmniejszanie do dopuszczalnego minimum nadmiaru powietrza podawanego do spalania.
Rys. 2.18. Zależność udziału procentowego strat od obciążenia pokazana na przykładzie kotła wodnorurkowego o wydajności 25 t/h
2.7. Zarys wiadomości dotyczących obliczeń kotłowych
Konieczne do wykonania obliczenia przy projektowaniu nowego kotła składają się z szeregu obliczeń składowych — podstawowych— a mianowicie:
obliczeń cieplnych,
obliczeń aerodynamicznych oporów w kanałach przepływu spalin,
obliczeń obiegu wodnego wewnątrz kotła,
obliczeń konstrukcji nośnej kotła (szkieletu kotła) oraz jego fundamentowania,
obliczeń wytrzymałościowych walczaków, kolektorów, parownika, przegrzewacza pary oraz podgrzewaczy wody i powietrza,
obliczeń osprzętu, armatury i urządzeń pomocniczych kotła.
Ze względu na charakter tej książki oraz stopień przygotowania przewidywanych jej użytkowników, wiadomości na temat obliczeń kotłowych sprowadzone zostaną do skrótowej informacji na temat metodyki obliczeń cieplnych kotła. Obszerniejsze wiadomości dotyczące toku i sposobu prowadzenia obliczeń cieplnych jak również informacje na temat obliczeń aerodynamicznych, obliczeń obiegu wodnego oraz wytrzymałościowych należy poszukiwać w książkach specjalistycznych, traktujących o .projektowaniu urządzeń kotłowych.
Obliczenia Cieplne dokonywane są w celu ustalenia podstawowych wymiarów części składowych kotła. Podczas obliczeń ustala się rozchód paliwa i powietrza, ciśnienie, rozkład temperatur oraz skład i rozkład prędkości spalin wzdłuż drogi ich przepływu przez kanały kotła, a otrzymane wartości są podstawą wszystkich dalszych obliczeń. Obliczenia cieplne kotła dzielą się na:
obliczenia wstępne dotyczące ilości i entalpii spalin oraz bilansu cieplnego,
obliczenia wymiarów komory spalania, temperatur panujących w tej komorze oraz wymiany ciepła przez promieniowanie, czyli obliczenia wymiarów powierzchni ekranowych w kotle,
obliczenia powierzchni konwekcyjnych na drodze spalin (parownika, podstawowego i ewentualnie międzystopniowego przegrzewacza pary oraz podgrzewacza wody i powietrza).
Na podstawie charakterystyki przyjętego rodzaju paliwa (wartość opałowa i skład chemiczny) oblicza się zapotrzebowanie powietrza do spalania Vtpow [wzory (2.12) i (2.13)], nadmiar powietrza λ, objętości poszczególnych składników spalin [ vRO2 = VCO2 + VSO2 — wzory (2.14) i (2.15); VN2 — wzór (2.16); VH2O— wzór (2.18); Vsp — wzór (2.21)] oraz ciśnienie cząstkowe
rCO2 = 
i rH2O = 
Aby określić entalpię spalin, korzysta się z wzoru (2.28). Przy prowadzeniu obliczeń uproszczonych można przy wyznaczaniu entalpii korzystać z gotowych wykresów I — tsp (rys. 2.7).
Następnie — w celu określenia sprawności kotła — zestawia się bilans cieplny (rozdz. 2.6), przyjmując temperaturę spalin opuszczających kocioł w granicach określonych występowaniem korozji niskotemperaturowej.
Obliczenia komory spalania
Obliczenia projektowe komory spalania polegają na wyznaczeniu wielkości powierzchni opromieniowanych ścian ekranowych potrzebnych do ochłodzenia spalin od temperatury spalania Ts do temperatury T", założone] na wlocie do kanału, w którym znajdują się konwekcyjne powierzchnie wymiany ciepła. Dodatkowymi sprawdzianami obliczeń są wskaźniki jednostkowego cieplnego obciążenia komory spalania (rozdz. 1.2).
Wielkość powierzchni opromieniowanej Hopr umieszczonej w komorze spalania, która zapewnia ochłodzenie spalin od temperatury Ts do temperatury T", wyznacza się według formuły A. M. Gurwicza
Hopr = 
(2.50)
gdzie:
B — ilość spalanego paliwa w jednostce czasu,
Qopr — ilość ciepła odniesiona do jednostki paliwa, przejęta drogą promieniowania przez powierzchnie ogrzewalne w komorze spalania,
M — wielkość charakteryzująca warunki spalania (dla kotłów typu U—M f~w 0,43),
ξ — współczynnik zanieczyszczenia ścianki ekranu,
ap — stopień czerni paleniska.
Obliczenia powierzchni konwekcyjnych
Przy obliczeniach powierzchni konwekcyjnych wymiany ciepła na drodze strumienia spalin korzysta się z podstawowej zależności
Q = 
(2.51)
gdzie:
Q — ilość ciepła przejętego od strumienia spalin,
k — współczynnik przenikania ciepła (2.40),
H — konwekcyjna powierzchnia ogrzewalna,
Δt — różnica temperatur.
Korzystając z wzorów (2.2) i (2.4), można wyznaczyć ilość ciepła konieczną do doprowadzenia do podgrzewacza wody zasilającej oraz do konwekcyjnego przegrzewacza pary i stąd wyznaczyć powierzchnię ogrzewalną odpowiednich elementów kotła. Podobnie postępuje się w przypadku, gdy część parownika stanowią powierzchnie konwekcyjne oraz, gdy podgrzewacz powietrza jest typu spalinowego (w kotłach najnowszych typów cała powierzchnia parownika jest powierzchnią opromieniowaną, natomiast podgrzewacze powietrza mogą być albo typu konwekcyjnego — najczęściej są to podgrzewacze regeneracyjne — albo też zasilane parą).
Elementy ciśnieniowe kotłów okrętowych przenoszą następujące obciążenia mechaniczne:
ciśnienie wewnętrzne (robocze),
obciążenie od masy własnej elementu,
obciążenie od masy wody i pary znajdujących się wewnątrz kotła,
obciążenie od masy obmurza, izolacji, armatury, poszycia itp.,
obciążenie dynamiczne występujące podczas kołysania statku na fali, uderzeń fal, drgań kadłuba itp.
Niezależnie od powyższych obciążeń, w elementach ciśnieniowych pracujących w zakresie wysokich temperatur występują znaczne naprężenia termiczne.
3.GŁÓWNE PAROWE KOTŁY OKRĘTOWE
3.1. Podział kotłów
Główne okrętowe kotły parowe dzielą się (jak wspomniano już w rozdz. 1.1) pod względem konstrukcji na:
kotły płomieniówkowe,
kotły wodnorurkowe, zwane inaczej opłomkowymi.
Kotły płomieniówkowe charakteryzują się dużą pojemnością wodną w stosunku do wydajności. Są bardzo proste w budowie i obsłudze, bowiem duża pojemność wodna zwiększa zakres bezpieczeństwa. Oznacza to, że nagłe zmniejszenie zasilania wodą czy zwiększenie poboru pary z kotła nie obniża gwałtownie poziomu wody wewnątrz walczaka (rys. 1.2), a tym samym górne krawędzie elementów ogrzewanych przez spaliny nie wynurzą się z wody, co mogłoby doprowadzić w konsekwencji do przepalenia tych elementów.
Z drugiej strony duża pojemność wodna stwarza dużą bezwładność cieplną kotła, która powoduje długotrwałe rozpalanie i odstawianie, a także utrudnia szybkie zmiany wydajności kotła.
Kotły wodnorurkowe, czyli opłomkowe, mają o wiele mniejszą pojemność wodną w stosunku do wydajności niż kotły płomieniówkowe. Powoduje to znaczną ich wrażliwość na wszelkie zmiany zapotrzebowania pobieranej pary lub zmiany zachodzące w zasilaniu, dlatego wymagają o wiele staranniejszej obsługi oraz stosowania odpowiednich zabezpieczeń przed wynurzeniem powierzchni ogrzewalnej z wody. Kotły tego typu charakteryzuje duża elastyczność, przejawiająca się między innymi tym, że czas przygotowania ich do pracy jest o wiele krótszy niż w wypadku kotłów płomieniówkowych.
Kotły wodnorurkowe dzielą się na następujące główne grupy:
kotły sekcyjne,
kotły stromorurkowe.
Osobną grupę stanowią kotły kombinowane płomieniówkowo-opłomkowe, w których powierzchnia ogrzewalna składa się zarówno z rurek, wewnątrz których przepływają spaliny, jak również i z rurek wypełnionych przepływającą wodą.
Inny podział kotłów można przeprowadzić ze względu na mechanizm obiegu wody wewnątrz kotła w czasie podgrzewania i odparowywania. Wyróżnia się wtedy kotły o:
naturalnej cyrkulacji wody,
wymuszonej cyrkulacji wody.
W wypadku cyrkulacji naturalnej ruch wody wewnątrz kotła odbywa się jedynie na zasadzie różnicy ciężarów właściwych wody wynikającej z różnicy temperatur. Jest to ruch stosunkowo powolny. Aby polepszyć naturalną cyrkulację wody, stosuje się liczne zabiegi konstrukcyjne, o których będzie mowa przy omawianiu poszczególnych typów kotłów.
Wzmożona intensywność cyrkulacji polepsza warunki wymiany ciepła (rozdz. 3.3.4) i dlatego istnieje szereg kotłów, w których stosuje się wymuszoną lub tak zwaną sztuczną cyrkulację wody wewnątrz kotła. W takich rozwiązaniach konieczne jest instalowanie pompy obiegowej, która nadaje odpowiednią prędkość podgrzewanej i odparowywanej wodzie. Wydajność pompy obiegowej przekracza zazwyczaj kilkakrotnie wydajność pompy zasilającej, co powoduje wzrost prędkości wody w rurkach.
Rys. 3.1. Rodzaje przepływów spalin przez kotły: a) kocioł jednoprzepływowy (wodnorurkowy); b) kocioł dwuprzepływowy (płomieniówkowy); c) kocioł dwuprzepływowy (wodnorurkowy z palnikami u góry); d) kocioł' trójprzepływowy (sekcyjny)
Inny rodzaj kotłów stanowią kotły przepływowe (rozdz. 3.3.5).Znany jest też podział kotłów ze względu na wielokrotność i rodzaj przepływu gazów spalinowych (rys. 3.1).
Osobną grupę kotłów, znajdującą się poza dotychczasowymi podziałami, stanowią kotły specjalne. Są to zazwyczaj kotły wodnorurkowe, a ich odrębność polega na wprowadzeniu dodatkowych czynników w procesie roboczym kotła.
Do kotłów specjalnych zalicza się na przykład: kotły dwuobiegowe (rozdz. 3.5), stosowane dość często jako kotły pomocnicze na zbiornikowcach z napędem spalinowym oraz kotły ze spalaniem paliwa w ciśnieniu wyższym niż atmosferyczne.
Do grupy tej można również zaliczyć kotły dwupaliwowe instalowane zazwyczaj na zbiornikowcach do przewozu skroplonych. gazów. Różnią się one dodatkowo od podobnych rozwiązań, przeznaczonych do opalania wyłącznie paliwem płynnym, nieznacznymi ale dość istotnymi zmianami konstrukcyjnymi, które opisano w rozdz. 3.5.
3.2. Kotły płomieniówkowe
Kotły płomieniówkowe są najstarszymi typami kotłów okrętowych i w zasadzie od momentu wprowadzenia ich na statki (w połowie XIX w.) do chwili obecnej główne ich cechy konstrukcyjne pozostały bez zmian. Zmienił się jedynie sposób ich wykonania oraz wprowadzono szereg dodatkowych urządzeń.
Kotły płomieniówkowe można spotkać obecnie na starszych jednostkach morskich różnego przeznaczenia jako kotły główne oraz niekiedy jako kotły pomocnicze, nawet na nowszych typach statków (por. rozdz. 4). Ze względu na trwałość tego typu urządzeń należy przewidywać, że będą one w użyciu jeszcze przez dość długi okres.
Typowy kocioł płomieniówkowy pokazano na rys. 3.2. Jest to kocioł trójpłomienicowy konstrukcji nitowanej. Korpus kotła składa się ze stalowego płaszcza l, tworzącego walec, oraz dennicy przedniej 3 i tylnej 4. W miejscu połączenia blach płaszcza znajduje się stalowa nakładka 2. Kocioł ma trzy płomienice 5. Płomienice oraz komora zwrotna 6 stanowią komorę spalania.
Komora zwrotna znitowana jest z płaskich, odpowiednio ukształtowanych blach. W jej przedniej ścianie 7 rozwalcowane są rurki ogniowe 15, czyli płomieniówki oraz płomieniówki wzmocnione, inaczej kotwiczne 16. Tylna ściana 9 komory zwrotnej jest zmocowana z dennicą tylną za pomocą zespórek 12. Podobne zespórki łączą też boczne ściany komór zwrotnych między sobą (część niewidoczna na rysunku — zespórki oznaczone krzyżykami).
Rys. 3.2. Kocioł płomieniówkowy konstrukcji nitowanej I — płaszcz Kotła; 2 — nakładka; 3 — dennica przednia; 4 — dennica tylna; 5 — płomiennica;
6 — komora zwrotna; 7 — ściana sitowa komory zwrotnej; 8 — sklepienie komory zwrotnej;
9 — tylna ściana komory zwrotnej; 10 — sworznie mocujące belki kotwiczne; 11 — ściegi kotwiczne; 12 — zespórki; 13 — właz; 14 — otwór kontrolny;. 15 — płomieniówki zwykłe; 16 — płomieniówki kotwiczne; 17 — podkładki wzmacniające; 18 — belka stropowa
Sklepienie komory zwrotnej tworzy płyta 8. Do jej wzmocnienia przewidziane są belki stropowe lub kotwiczne 18.
W górnej i dolnej części kotła znajdują się ściągi 11 mocujące przednią dennicę i tylną i usztywniające całą konstrukcję. Zadanie to spełniają również płomieniówki 15 (w szczególności płomieniówki kotwiczne 16), płomienice 5, zespórki 12, całość więc kotła stanowi sztywną konstrukcję.
W celu dostania się do wnętrza (części wodnej) kotła umieszczone są na jego przedniej dennicy włazy 13, których minimalne wymiary określane są przepisami (rozdz. 5.1). Otwór kontrolny 14 służy do sprawdzenia stanu wnętrza kotła w czasie przeglądu w miejscach trudno dostępnych.
Tylna ściana komory zwrotnej 9 jest nachylona do pionu pod niewielkim kątem (ok. 4°). Nachylenie to ma ułatwić unoszenie się wody ku górze i wydzielanie pęcherzyków pary z podgrzewanej wody w obszarze między tylną ścianą komory zwrotnej i tylną dennicą. Górne ściany bocznych komór zwrotnych nachylone są pod kątem 4- - 6° do poziomu. Stanowi to dodatkowe zabezpieczenie powierzchni ogrzewalnych przed wynurzaniem się z wody (np. przy przechyłach bocznych statku).
W nowszych konstrukcjach kotłów płomieniówkowych, zwanych popularnie kotłami szkockimi, spotyka się spawane połączenie blach płaszcza i obu dennic. Przykład takiej konstrukcji pokazano na rys. 3.3. Jest to kocioł jednopłomienicowy o niewielkiej wydajności (1500 kg/h) i nieznacznym ciśnieniu 0,981 MN/im21(10 kG/cm2). W kotle tym widać wszystkie omówione uprzednio główne elementy konstrukcyjne.
Rys. 3.3. Kocioł płomieniówkowy .konstrukcji spawanej 6 — komora zwrotna; 12 — zespórki; 18 — belki stropowe; 19 — zbiorniki produkowanej pary
W górnej części kotła znajduje się stalowy kołpak 19, który służy za zbiornik produkowanej pary. Kołpak taki ma za zadanie oddzielenie pary od powierzchni wody, a w konsekwencji możliwie najlepsze jej osuszenie (rozdz. 6.5.2).
Główna powierzchnia ogrzewalna kotłów płomieniówkowych składa się z płomienie, komory zwrotnej i płomieniówek. W nowszych rozwiązaniach konstrukcyjnych zamontowuje się dodatkowe powierzchnie ogrzewalne do produkcji pary przegrzanej i zwiększenia sprawności kotła. Są to przegrzewacze pary, podgrzewacze wody i podgrzewacze powietrza.
P r z e g r z e w a c z e p a r y. Istnieje kilka sposobów umieszczania i zamocowania przegrzewaczy pary w kotłach płomieniówkowych (rys. 3.4). Przegrzewacz pary umieszczony w komorze dymowej (rys. 3.4a) składa się ze specjalnie ukształtowanych rurek, przez które przepływa para nasycona. Z zewnątrz omywane są one spalinami uchodzącymi do przewodu kominowego.
Umieszczenie przegrzewacza pary w tym miejscu ułatwia dostęp od strony komory dymowej do płomieniówek, co umożliwia wygodne ich czyszczenie lub remont. Z innej jednak strony w komorze dymowej gazy
spalinowe mają już stosunkowo niewysoką temperaturę i w związku z tym stopień przegrzania pary nie może być wysoki i wynosi dla p = 1,57 MN/m2 (16 kG/cm2) zaledwie ok. 50°C ponad temperaturę 'nasycenia.
Chcąc, nieco podwyższyć temperaturę przegrzania pary, stosuje się konstrukcję przegrzewacza pokazanego na rys. 3.4b. Składa się on z dwóch kolektorów oraz szeregu pętlicowe ukształtowanych rurek. Każda pętla wchodzi do wnętrza jednej płomieniówki i para przepływająca przez pętlę pobiera od spalin ciepło konieczne do przegrzania
Rys. 3.4. Rozmieszczenie przegrzewaczy pary w kotłach płomieniówkowych: a) przegrzewacz pary umieszczony w komorze dymowej; b) przegrzewacz pary umieszczony w płomieniówkach; c) przegrzewacz pary umieszczony w komorze zwrotnej
Aby z jednej strony nie narażać końcówek pętli na zbytnie ogrzanie, z drugiej zaś udostępnić dojście do płomieniówek, zajmowanych przez pętle przegrzewacza, pętle te kończą się w odległości ok. 100— 150 mm od wylotu płomieniówki do komory zwrotnej. Temperatura przegrzania pary w przegrzewaczu dochodzi do 350°C, czyli 150°C powyżej temperatury nasycenia dla p = 1,57 MN/m2 (16 kG/cm2). Podwyższenie temperatury przegrzania pary może być realizowane przez umieszczenie przegrzewacza w komorze zwrotnej (rys. 3.4c). Rurki doprowadzające oraz odprowadzające parę przechodzą przez tylną ścianę komory zwrotnej, przestrzeń wodną między tylną ścianą komory i tylną dennicą kotła, i wreszcie przez dennicę tylną. Główna spirala przegrzewacza musi być do nich łączona wewnątrz komory zwrotnej. Rozwiązanie takie stwarza duże trudności w montażu przegrzewacza, a jeszcze większe w wypadku konieczności remontu czy demontażu.
Rys. 3.5. Umieszczenie podgrzewacza wody zasilającej w kotle płomieniówkowym
P o d g r z e w a c z e w o d y z a s i l a j ą c e j. W kotłach płomieniówkowych wewnątrzkotłowe podgrzewacze wody (tzw. „ekonomizery") umieszczane są z reguły wysoko w przewodzie kominowym. Powierzchnie ogrzewalną wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody zasilającej (rys. 3.5) tworzą pęki rurek najczęściej odpowiednio użebrowanych (rozdz. 6.6.2). Pęki te są zamocowane warstwami w przewodzie kominowym.
Temperatura podgrzania wody dochodzi w kotłach o p = 1,57 MN/m2 (16 kG/cm2) do 130—140°C.
P o d g r z e w a c z e p o w i e t r z a. W nowszych rozwiązaniach konstrukcyjnych kotłów płomieniówkowych spotyka się również umieszczone w przewodzie kominowym —najczęściej nad podgrzewaczem wody — podgrzewacze powietrza. W kotłach tych temperatura podgrzewania powietrza nie jest wysoka i wynosi ok. 90—I30°C, zależnie od rodzaju paliwa i wydajności kotła. Podawanie do komory paleniskowej ogrzanego powietrza zwiększa sprawność urządzenia kotłowego, polepsza proces spalania oraz chroni elementy komory spalania (płomienica, komora zwrotna) przed szkodliwym ochładzaniem.
Podgrzewacze powietrza stosowane w kotłach płomieniówkowych stanowią najczęściej pęki prostych rurek stalowych, przez które — podobnie jak w wodnej części kotła — przepływają spaliny, oddając swe ciepło powietrzu omywającemu je w poprzecznym przepływie. Schemat takiego rozwiązania pokazany jest na rys. 3.6.
Kotły płomieniówkowe nadają się do produkowania pary o niewielkich parametrach i dlatego były instalowane jako kotły główne w siłowniach z tłokową maszyną parową. Kotły płomieniówkowe mają słabą naturalną cyrkulację wody, co powoduje — szczególnie w okresie rozpalania i podnoszenia ciśnienia pary — niewielką intensywność ruchu wody wewnątrz kotła, a zatem i słabą wymianę ciepła.
Rys. 3.6. Podgrzewacz powietrza w trójplomienicowym kotle płomieniówkowym (bez podgrzewacza wody); 1 - wlot powietrza; 2- rurki podgrzewacza; 3 - płomienice; 4 - wylot płoieniówek;
Ciśnienie robocze pary w kotłach płomieniówkowych wynosi przeciętnie 1,47—1,57 MN/ m2 (15—16 kG/cm2) i rzadko bywa nieco wyższe. Średnica korpusu dochodzi do ok. 5 m.
Grubość blach — ze względu na wrażliwy na naprężenie kształt korpusu (duże płaskie powierzchnie dennic przedniej i tylnej) — dochodzi do 40 mm. Stwarza to dodatkowe trudności w produkcji kotłów tego typu.
Wielkość powierzchni ogrzewalnej zależna jest od żądanej wydajności kotła oraz wartości natężenia tej powierzchni i wynosi od 60 m2 do ok. 300 m2.
Ze względu na stosunkowo niewielką wydajność kotłów płomieniówkowych, wynoszącą odpowiednio 1,5—8 t/h, istniała w przeszłości konieczność montowania kilku, a nawet kilkunastu kotłów na jednym statku.
Sprawność kotłów płomieniówkowych w prostszych rozwiązaniach wynosi zaledwie 70—75%, jednakże przy zastosowaniu wszystkich trzech dodatkowych powierzchni ogrzewalnych (przegrzewacz pary, podgrzewacz wody zasilającej i podgrzewacz powietrza) sprawność zwiększa się , do 82—83%.
Natężenie powierzchni ogrzewalnej kotłów płomieniówkowych wynosi t ok. 20—25 fcg/i(im2 h) przy opalaniu węglem i 25—30 kg/Cm2 h) przy opalaniu olejem.
Masa tych kotłów jest bardzo duża i przy jednostkach o większych wydajnościach dochodzi do 100 t (masa z wodą). Jednostkowa masa kotła j odniesiona do l kg pary produkowanej w ciągu godziny wynosi 12—20 ; kg/(kg h). Duża pojemność wodna (30—40 t) powoduje, że kotły płomieniówkowe są mało elastyczne, trudno przystosowują się do zmian poboru pary i wymagają długiego czasu przygotowania kotła do pracy. Przeciętnie czas ten wynosi 24—36 h. Fakt znajdowania się takiej masy gorącej wody w korpusie kotła [200°C przy 1,57 MN/m2 (16 kG/cm2)] stwarza dodatkowe, bardzo poważne niebezpieczeństwo w wypadku uszkodzenia poszycia korpusu. Pęknięcie poszycia powoduje gwałtowny spadek; ciśnienia wewnątrz korpusu, co z kolei daje możliwość nagłego parowania olbrzymich mas gorącej wody, ogrzanej do temperatury o wiele wyższej niż temperatura parowania wody w ciśnieniu atmosferycznym. Zjawiska te mogą prowadzić do katastrofalnego w skutkach dla statku wybuchu kotła.
Zaletą kotłów płomieniówkowych jest wspomniana uprzednio jako wada mała elastyczność, ma ona bowiem i .swoje dobre strony, polegające na mniejszej wrażliwości na nierównomierność zasilania. Dla przykładu: w celu obniżenia poziomu wody w kotle o ok. 200 mm (wartość ta charakteryzuje przeciętny bezpieczny zapas różnicy poziomów w kotłach
płomieniówkowych) trzeba odparować ok. 2—2,5 t wody. Czas odparowanią takiej ilości wody, przy wydajności 5—6 t/h, wynosi 20—30 min, a więc przez ten czas kocioł może nawet mieć przerwę w zasilaniu bez, narażenie go na uszkodzenie. W kotłach wodnorurkowych analogiczny; czas wynosi zaledwie kilka minut.
Innymi ważnymi zaletami jest łatwość obsługi i mała wrażliwość kotła na zanieczyszczenia Wody zasilającej. Duża powierzchnia odparowania ułatwia proces wytwarzania pary, a proste płomieniówki i stosunkowo wygodny dostęp do nich z obu stron upraszcza zadanie okresowego czyszczenia kota, które można przeprowadzić bez używania skomplikowanych przyrządów i narzędzi.
3.3. Kotły wodnorurkowe (opłomkowe)
Prawie wszystkie produkowane obecnie na świecie główne parowe kotły okrętowe to kotły wodnorurkowe. Produkcja ich rozpoczęła się już w pierwszych latach XX wieku, początkowo dla jednostek wojennych, a następnie dla pasażerskich i handlowych. Do stosowania tego typu kotłów zmusił konstruktorów postępujący szybko rozwój głównych parowych silników napędowych, a w szczególności turbin parowych, gdzie parametry robocze, jak również zapotrzebowanie ilości pary w jednostce czasu znacznie przewyższały możliwości produkcyjne stosowalnych dotąd kotłów płomieniówkowych.
Kotły wodnorurkowe charakteryzuje niewielka pojemność wodna, co z kolei uelastycznia ich pracę (rozdz. 3.1), skracając między innymi wydatnie czas przygotowania kotła do pracy. Również masa całego urządzenia kotłowego w stosunku do wydajności jest znacznie mniejsza niż w kotłach płomieniówkowych i wynosi:
dla kotłów sekcyjnych — 4—10 kg/(kg/h) pary,
dla kotłów stromorurkowych z naturalną cyrkulacją — 3—8 kg/(kg/h) pary,
dla kotłów z przymusową cyrkulacją — 3—6 kg/(kg/h) pary.
Te zalety oraz inne, jak duża sprawność oraz możliwość uzyskiwania żądanych wysokich ciśnień przy stosunkowo małej masie, spowodowały, że światowa produkcja kotłów wodnorurkowych rozwinęła się bardzo szybko i obecnie na statkach znajdujemy wiele ich różnorodnych rozwiązań konstrukcyjnych. Wszystkie jednak kotły wodnorurkowe (poza kotłami specjalnymi, które również są przeważnie kotłami wodnorurkowymi) łączy wspólna zasada pracy.
3.3.1. Teoretyczne podstawy pracy kotłów wodnorurkowych
Typowy kocioł wodnorurkowy składa się co najmniej z dwóch walczaków, z których jeden jest walczakiem parowym, a ściślej — parowo-wodnym, inne zaś walczakami wodnymi (rys. 1.2). Istnieją też rozwiązania, gdzie oprócz walczaka parowo-wodnego znajduje się jeszcze walczak parowy. Jedynie kotły sekcyjne oraz niektóre rozwiązania kotłów stromorurkowych mają jeden walczak, ale rolę walczaków wodnych spełniają tam komory sekcyjne lub kolektory wodne.
Walczaki połączone są ze sobą za pomocą opłomek. Prowadzi się je w najróżniejszy sposób, ale we wszystkich wypadkach są albo bezpośrednio omywane przez spaliny, albo też wystawione na działanie promieniowania tychże. Stosowanie dużej liczby rurek zwiększa znacznie powierzchnię ogrzewalną, którą można zmieścić w objętości przeznaczonej ma kocioł. W części tych rurek woda pod wpływem różnicy mas, wynikłej wskutek ogrzewania, opada w dół, w innych znów wędruje ku górze, wytwarzając tym samym samoczynną cyrkulację.
Cyrkulacja wody w kotłach wodnorurkowych jest naczelnym zadaniem stojącym do rozwiązania przed konstruktorami. Unowocześnienie kotłów wodnorurkowych polega w znacznej mierze na polepszeniu jej intensywności, co decydująco wpływa na zwiększenie intensywności wymiany ciepła, a co za tym idzie na obciążenie i wykorzystanie powierzchni ogrzewalnej i zwiększenie sprawności ogólnej kotła.
W układzie przedstawionym na rys. 3.7 dwa walczaki 3 i 4 połączone są dwoma rurami l i 2, o jednakowym przekroju i jednakowym kącie nachylenia do poziomu, wynoszącym 90°. Urządzenie napełnione jest wodą do połowy górnego walczaka. Przy ogrzewaniu strumieniem ciepła q, rura l będzie bardziej ogrzewana niż rura 2, a więc woda wewnątrz rys. l będzie po pewnym czasie miała inną masę właściwą niż woda w rurze 2. Cieplejsza — a więc lżejsza woda z rury l będzie się unosić ku górze, a na jej miejsce zacznie napływać do (dolnego walczaka zimniejsza — a więc cięższa — woda z rury 2. W ustalonym procesie wymiany ciepła, rurą l będzie się unosić ku górze mieszanina parowo-wodna, natomiast rurą 2 woda będzie opadała ku dołowi. W związku z tym rurę l nazywamy rurą wznoszącą, a rurę l — rurą opadową.
Rys. 3.7. Zasada cyrkulacji wody w kotle wodnorurkowym; 1 — rura wznosząca; 2 — rura opadowa; 3 — walczak wodny
Nacisk wody ku górze, czyli ciśnienie hydrauliczne wody wynosi
Hw = h (γ1 - γ2 ) [N/m2], (3.1)
gdzie:
h — wysokość słupa wody [m],
γ1— średnia masa właściwa mieszaniny pary i wody w rurze wznoszącej l [N/m3],
γ2— średnia masa właściwa wody w rurze opadowej 2 [N/m8].
W praktycznych obliczeniach za Wysokość słupa cieczy przyjmuje się odległość od powierzchni wody w górnym walczaku do osi symetrii w walczaku dolnym (rys. 3.7).
Powstałe z różnicy mas właściwych ciśnienie hydrauliczne Hw musi pokonać wszelkie opory, jakie napotyka strumień opadającej cieczy w rurze 2 i unoszącej się ku górze mieszaniny parowo-wodnej w rurze l. Na sumę oporów Δpdyn składać się będą opory: tarcia, zmiany kierunku, zmiany przekroju swobodnego przepływu oraz zmiany prędkości ruchu.
Ilość wody, która dochodzi do rur opadowych kotła w jednostce czasu, jest znacznie większa od ilości pary, jaka zostaje wyprodukowana przez kocioł w tej samej jednostce czasu w rurach wznoszących. Stosunek ilości wody cyrkulującej w kotle do jego wydajności nazywa się wielokrotnością cyrkulacji i oznacza wzorem
K = 
(3.2)
gdzie:
Gw — ilość cyrkulującej wody [kg/h],
D — wydajność kotła [kg/h].
Współczynnik wielokrotności cyrkulacji jest jedną z podstawowych wielkości określających jakość pracy kotła wodnorurkowego z naturalną cyrkulacją wody.
Przy większej liczbie rur łączących walczak parowo wodny z walczakiem wodnym — co ma miejsce w produkowanych kotłach wodnorurkowych — prędkość opadania i wznoszenia się wody w każdej z rur może być różna i zależy głównie od stopnia nagrzania danej partii rur. W takim układzie liczba rur opadowych może być inna niż liczba rur wznoszących (rys. 3.8). W rozwiązaniach konstrukcyjnych kotłów wodnorurkowych spotyka się rury opadowe: n i e o g r z e w a n e — to jest prowadzone na zewnątrz kotłów, poza komorą spalania, w specjalnych izolacjach (rozdz. 3.3.3) o g r z e w a n e, czyli prowadzone wewnątrz komór spalania.
Przy połączeniu walczaka parowo-wodnego z walczakiem wodnym pękiem rur ogrzewanych, w części z nich ustali się w czasie pracy kotła ruch cieczy ku dołowi i będą to rurki opadowe, w części zaś — ruch ku górze i będą to rurki wznoszące.
Najczęściej jednak w środkowych partiach rurek panuje ruch nieustalony, to znaczy może występować na przykład zjawisko powstawania pęcherzyków pary w płynącym w dół strumieniu wody. Pęcherzyki te unoszą się ku górze, przeciwstawiając się ruchowi wody i hamują go. W obszarze rurek o nieustalonym kierunku przepływu, prędkość przepływu będzie bardzo nieznaczna, a kierunek-może zmieniać się w zależności od niewielkich nawet zmian wydajności kotła (rys. 3.9). Na rys. 3.9 strzałki wskazują kierunek przepływu wody, natomiast wykres obrazuje rozkład temperatur spalin i rozkład prędkości wody w rurkach.
Rys. 3.8. Schemat cyrkulacji w czasie naturalnej w kotle wodnorurkowym
Strefa środkowa rurek, znajdująca się w stosunkowo wysokiej temperaturze gazów, nie ma prawie żadnej cyrkulacji i warunki wymiany ciepła są tam znacznie gorsze niż w skrajnych rzędach rurek.
Aby polepszyć istniejącą sytuację, usuwa się częstokroć środkowe partie rurek i ustawia tam przegrzewacz pary. Konstrukcja taka (rys. 3.10), stwarza znacznie większe różnice temperatur wody i mieszaniny parowo-wodnej w rurach opadowych l i wznoszących 2, powodując żywszy obieg wody i polepszający tym samym warunki wymiany ciepła.
Rys. 3.9. Kocioł z naturalną cyrkulacją Rys. 3.10. Kocioł z naturalną cyrkula- wody i ogrzewanymi rurami opadowymi cją wody, ogrzewanymi rurami opado-
wymi i podgrzewaczem pary.
l— rurki opadowe; 2 — rurki wznoszące;
3 — przegrzewacz pary
Umieszczenie wewnątrz pęku rurek konwekcyjnych przegrzewacza pary 3 umożliwia lepsze wykorzystanie miejsca oraz obniżenie temperatury w skrajnych rurkach pęku rurek opadowych l.
P r z e p ł y w g a z ó w s p a l i n o w y c h. Duże znaczenie w procesie wymiany ciepła ma Sposób i prędkość przepływu gazów spalinowych. W kotle otrzymuje się dany rodzaj przepływu w zależności od wzajemnego układu osi palników oraz osi ogrzewanych rurek, rozmieszczenia palników i rurek wewnątrz komory paleniskowej i wreszcie od sposobu
przepływu gazów spalinowych przez kocioł. Jak wspomniano w rozdz. 3.1 (rys. 3.1), rozróżnia się kotły jedno-, dwu-, trzy- lub więcej przepływowe. Odpowiedni kierunek gazów grzewczych otrzymuje się przez wmontowanie ma drodze spalin specjalnych przegród sterujących.
Rys. 3.11. Sposoby zamontowania palników w kotle: a) poprzecznie do osi walczaków w dolnej części frontowej ściany komory spalania; b) poprzecznie do osi walczaków w górnej ścianie komory spalania; c) wzdłużnie do osi walczaków; d) skośnie do osi walczaków
Różnice w sposobach rozmieszczenia palników w kotle i wpływ tego rozmieszczenia na rodzaj przepływów gazów spalinowych przez kocioł pokazano na rys. 3.11.
Umieszczenie palników poprzecznie do osi walczaków, lecz pionowo, w górnej części komory spalania — przedstawiono na rys. 3.11 b. W tym przypadku umieszczenie palników wpływa zarówno na charakter i kierunek przepływu spalin, jak i na warunki przekazywania ciepła od spalin do wody, mieszaniny parowo-wodnej i pary wewnątrz kotła.
Oryginalny, choć zapożyczony z konstrukcji parowych kotłów lądowych sposób rozmieszczenia palników stasuje firma Combustion Engineering Marine Boilers. W celu lepszego wypełnienia komory spalania płomieniem i strumieniem gorących spalin, a więc wyrównania warunków cieplnych, w jakich znajdują się opromieniowane powierzchnie ogrzewalne w kamorze i jednocześnie w celu polepszenia warunków spalania, firma ta stosuje ustawienie palników w narożnikach komory, jak przedstawiono ma rys. 3.11d. Jest to schemat głównego okrętowego kotła parowego typu V2M-9, który ma specjalny kształt komory spalania i spalinowych kanałów wewnątrzkotłowych.
Cztery palniki ustawione są wzdłuż stycznych do wyobrażalnego w środku komory koła, którego średnica d zależna jest od wymiarów komory spalania i wynosi ok. 0,2—0,3 długości boku komory.
Rys. 3.12. Przegrody kierujące spaliny kotła wodnorurkowego trójprzepływowego:, a) szkic kotła; b) przegroda z rurek; c) przegroda z masy izolacyjnej; d) przegroda] z cegły ogniotrwałej l — rurki wznoszące; 2 — rurki opadowe; 3 — przegrzewacz pary
Przekrój komory jest najczęściej kwadratowy, niekiedy jednakże stasuje się również prostokątny o stosunku boków l : 1,15—1 : 1,3 (w 'takich przypadkach średnica koła środkowego zależna jest od wymiaru krótszego boku).
W kotle trójprzepływowym (rys. 3.12a) spalmy mają trzykrotny przepływ wskutek stosowania specjalnych przegród kierujących. W ten sposób uzyskuje się prawie dokładnie przeciwprądowy przepływ w części rurek wznoszących l, przepływ krzyżowy przy ogrzewaniu przegrzewacza pary 3 i przepływ prawie współprądowy w części rurek opadowych 2. Przegrody kierujące mogą być wykonane z rurek wodnych ściśle przylegających do siebie i tworzących ściankę nieprzepuszczalną dla strumieni spalin (rys. 3.12b). W innym wykonaniu (irys. 3.12c) rurki mają na swej powierzchni zamocowane czopy, między którymi znajduje się masa izolacyjna. Wreszcie wykonanie pokazane ma rys. 3.12d — to przegrody kierujące z cegieł ogniotrwałych. Przegroda taka znajduje się najczęściej między dwoma kolejnymi rzędami rurek.
Ostatnio stosuje się szczelne przegrody wykonane całkowicie ze stali bez stosowania jakichkolwiek materiałów dodatkowych, zarówno izolacyjnych jak i ognioodpornych. Są to przegrody typu membranowego.
Na rys. 3.13a przedstawiono szkic kotła membranowego z palnikami umieszczonymi w górnej części komory spalania. Dzięki temu otrzymuje się dwuprzepływowy przebieg spalin, jak przedstawiono na szkicu. Górna część przegrody, dzieląca kocioł na dwie części A i B, wykonana jest w sposób przedstawiony na rys. 3.13c. Rurki przegrody l są między sobą połączone stalowymi płaskownikami 3 tworzącymi membranę. Płaskowniki przyspawane są do rurek na całej długości przegrody.
Rys. 3.13. Przegroda kierująca strumień spalin w membranowym dwuprzepływowym kotle wodnorurkowym typu U: a) szkic kotła; b) rzut perspektywiczny dolnej części przegrody; c) przegroda membranowa, l — rurki; 2 — kolektor dolny; 3 — membrana
W dolnej części przegrody, w miejscu gdzie spaliny muszą przepłynąć z jednej komory do drugiej, rurki przegrody wygięte są w sposób przedstawiony na rys. 3.13b i oczywiście w tej części nie znajdują się już płaskowniki membranowe między poszczególnymi rurkami.
Dzięki opisanej konstrukcji woda wznosząca się w rurkach przegrody jest dobrze ogrzewana ciepłem promieniowania obu strumieni płynących przez kocioł spalin.
Prędkość przepływu spalin w kotłach wodnorurkowych zależy od konstrukcji kotła (rozstawienia rurek), od wielokrotności przepływu (ta sama ilość gazów musi przepłynąć w jednostce czasu znacznie większą drogę) oraz od swobodnego przekroju przepływu.
W obszarze rurek kotła, tworzących powierzchnię odparowania, prędkość przepływu spalin wynosi ok. 7 m/s. Większe prędkości stosowane są w kotłach o cyrkulacji wymuszanej (ok. 20 m/s) oraz w kotłach specjalnych, jak na przykład w kotle Bemsona (ok. 200 m/s).
Na przestrzeni kontaktu spalin z dodatkowymi powierzchniami grzewczymi, jak przegrzewacze pary, podgrzewacze wody i podgrzewacze powietrza stosuje się w zasadzie takie same prędkości przepływu spalin, jak w głównej części ogrzewalnej.
O s u s z a n i e p a r y n a s y c o n e j. W czasie produkcji pary w kotle zależy na otrzymaniu pary o możliwie największym stopniu suchości (o najmniejszej wilgotności). Ponieważ pęcherzyki pary wydostają się z rurek wznoszących razem z cyrkulującą wodą, w walczakach parowo-wodnych stosuje się częstokroć specjalne urządzenia pomagające oddzielaniu się kropelek wódy z pary. Są to tak zwane osuszacze pary.
Rys. 3.14. Schemat rozwiązań osuszaczy pary w walczaku parowo-wodnym: a) z przegrodami sterującymi; b) z osuszaczami cyklonowymi l — przegrody; 2 — urządzenie zawirowując (cyklonowe); 3 — pakiet blach żaluzjowych;4 — rurociąg odwadniający
Urządzenia tego typu składają się najczęściej z przegród sterujących, które powodują nawet kilkakrotną zmianę kierunku przepływającej mieszaniny parowo-wodnej (rys. 3.14a). Cząstki wody, jako cięższe, zostają wytrącone z mieszaniny i do rurociągów prowadzących do przegrzewacza dostaje się para o znacznie mniejszym stopniu wilgotności.
W kotłach nowszej produkcji o dużych ciśnieniach roboczych i dużej wydajności stosuje się najczęściej osuszanie dwustopniowe, jak przedstawiono na rys. 3.14b. Pierwszy stopień stanowią urządzenia zawirowujące 2 (cyklonowe), w których — dzięki stycznie ukształtowanemu wlotowi pary — doznaje ona silnego zawirowania w swej drodze do zawopru poboru pary nasyconej. Wskutek działania dość znacznej siły odśrodkowej ze strumienia pary wyrzucane są w kierunku pionowym krople wody jako cięższe od pary. Woda ta spływa w dół cyklonu i dostaje się z powrotem do walczaka parowo-wodnego.
Drugi stopień osuszacza stanowią pakiety blach tzw. żaluzyjnych (poz. szczegół B na rys. 3.14b), gdzie z pary zmieniającej kilkakrotnie kierunek przepływu wydostają się ostatnie krople wody i spływają W dół do rurociągu odwadniającego 4 (dokładniejszy opis osuszaczy pary znajduje się w rozdz. 6.5.2).
W kotłach o cyrkulacji naturalnej doprowadzenie rur wznoszących musi znajdować się poniżej poziomu wody w górnym walczaku i w związku z tym cząstki pary muszą przedrzeć się przez wodę, aby wydostać się ponad powierzchnię. W celu równomiernego obciążenia powierzchni wody wydobywającymi się pęcherzykami pary stosuje się często przegrody w postaci dziurkowanej blachy (rys. 3.15).
Duży wpływ na stopień suchości pary opuszczającej kocioł ma miejsce i sposób zamocowania oraz rodzaj obudowy rury zasilającej kocioł. Na ogół rury te znajdują się nad powierzchnią wody i istnieje obawa — w wypadku możliwości rozbryzgiwania się wody zasilającej po wnętrzu części parowej — zawilgacania produkowanej pary kropelkami wody zasilającej. Poza tym woda zasilająca ma niższą temperaturę niż para i może przy zetknięciu następować częściowe skroplenie tejże pary, a skropliny mogą być porywane przez strumień pary do rurociągów odbiorczych z kotłów.
W celu zapobieżenia takiej możliwości stosuje się specjalne osłony rurociągów zasilających (rys. 3.16) tak, aby strumień wody nie miał kontaktu ze strumieniem pary, albo żeby przynajmniej zlikwidować ten l kontakt do minimum. Równocześnie osłony te chronią ściany walczaka przed natryskiem wodą o niższej temperaturze, co mogłoby doprowadzić do powstania dodatkowych, szkodliwych naprężeń cieplnych w materiale walczaka.
Rys. 3.15. Urządzenie do równomiernego obciążenia powierzchni wody
l — blacha dziurkowana
D o d a t k o w e p o w i e r z c h n i e o g r z e w a l n e (podgrzewacz wody, podgrzewacz powietrza i przegrzewacz pary) są najczęściej umieszczone w ustalonych miejscach kotłów wodnorurkowych.
Rys. 3.16. Sposoby osłony rurociągów zasilających: a) rozwiązanie z osłoną półkolistą; b)
rozwiązanie z osłoną spiralną jednostronną 1— rurociąg zasilający; 2 — osłona
P o d g r z e w a c z e w o d y z a s i l a j ą składają się na ogół z rur, częstokroć mających powierzchnię żebrowaną (rozdz. 6.6.2) w celu lepszego przejmowania ciepła. Umieszczone są przeważnie w przewodzie kominowym.
W podgrzewaczach stosowany jest najczęściej przeciwprądowy, krzyżowy w stosunku do spalin, przepływ wody (rys. 3.17), lecz są też rozwiązania, w których część rurek podgrzewacza ustawiona jest dla przepływu krzyżowo - przeciwprądowego (rys. 3.17bII), druga część zaś dla przepływu krzyżowo-współprądowego (rys. 3.17b).
Rys. 3.17. Schemat układu rur i przebiegu wody w podgrzewaczu kotłowym wody zasilającej: a) układ krzyżowo-przeciwprądowy; b) układ mieszany I— krzyżowo-współprądowy; II — Krzyżowo-przeciwprądowy
Prędkość wody w podgrzewaczu wynosi zazwyczaj 0,3—1,5 m/s. Przy mniejszych wartościach następuje intensywne wydzielanie się powietrza z wody przy podgrzewaniu (w wypadku otwartego obiegu parowo wodnego), co powoduje korozję tlenową, przy wyższych prędkościach zaś nadmiernie rosną opory przepływu, co wpływa ma konieczność znacznego nieraz zwiększania mocy pompy zasilające j.
P o d g r z e w a c z e p o w i e t r z a w kotłach wodnorurkowych służą do nadania powietrzu podawanemu do palnika lub komory paleniskowej odpowiednio wysokiej temperatury. Jak wynika z wykresu Sankeya (rys. 2.16), ciepło użyte do podgrzewania powietrza (Q8) wraca z powrotem do obiegu.
Temperatura podgrzania powietrza dla kotłów starszych typów opalanych paliwem stałym wynosi 130—200°C, dla kotłów opalanych paliwem płynnym zaś dochodzi do 300°C. Spotyka się jednakże i w nowych konstrukcjach kotłów opalanych paliwem płynnym podgrzewanie powietrza do temperatury rzędu 130—150°C.
Powietrze podawane do kotłów może być ogrzewane:
gazami spalinowymi,
gorącą wodą obiegową,
parą odlotową.
Rys. 3.18. Rodzaje podgrzewaczy powietrza umieszczonych w przewodzie kominowym:
a) dwuprzepływowy z rurkami poziomymi, przez które przepływa powietrze; b) dwu-przepływowy z płomieniówkami; c) trójprzepływowy
l — wlot spalin; 2 — wylot spalin; 3 — wlot powietrza chłodnego; 4 — wylot powietrza ogrzanego
Rodzaje podgrzewaczy powietrza ogrzewanych gazami spalinowymi pokazano na rys. 3.18. Układ poziomy trójprzepływowy (rys. 3.18c) ma tę zaletę, że spaliny 2 opuszczające kocioł nie stykają się z najchłodniejszym powietrzem na wlocie 3 do podgrzewacza. Takie rozwiązanie zabezpiecza częściowo przed ochłodzeniem spalin poniżej punktu rosy.
Pobór świeżego powietrza odbywa się najczęściej w kotłowni z najcieplejszego jej miejsca tak, aby jego temperatura wynosiła 40—50°C, co również zmniejsza możliwość obniżenia temperatury spalin poniżej punktu rosy. Spotyka się też rozwiązania, w których zasysane przez wentylator powietrze przepływa uprzednio przez kanał, znajdujący się na ciepłej ścianie kotła (rys. 1.10).
W latach 70-tych coraz częściej w głównych kotłach parowych stosuje się podgrzewacze powietrza typu regeneracyjnego (por. rys. 6.52 i rozdz-6.6.1).
Rys. 3.19. Podgrzewanie powietrza podawanego do komory spalania: a) za pomocą wody obiegowej w kotle La Monta; b) za pomocą pary
Typowe umieszczenie podgrzewacza powietrza ogrzewanego spalinami pokazano na rys. 2.6, natomiast na rys. 3.19 pokazane jest rozwiązanie podgrzewania powietrza za pomocą wody obiegowej i pary (najczęściej odlotowej). To ostatnie rozwiązanie proponowane jest w wykonaniach siłowni turbinowych w układzie przeciwciśnieniowym.
Szczegółowsze omówienie rozwiązań konstrukcyjnych podgrzewaczy powietrza różnych rodzajów znajduje się w rozdz. 6.6.1.
P r z e g r z e w a c z e p a r y. Jak wspomniano uprzednio (rozdz. 2), jednym ze sposobów zwiększenia sprawności parowej siłowni turbinowej jest Zwiększenie parametrów pary produkowanej w kotle, a więc jej ciśnienia i temperatury przegrzania. Temperatura przegrzania jest w pewnym sensie zależna od stosowanego w kotle ciśnienia pary i tak na przykład w siłowniach starego typu przy ciśnieniu pary rzędu 1,57 MN/m2 (16 kG/cm2) temperatura przegrzania wynosiła ok. 325°C, przy ciśnieniu 4,13 MN/m2 (42 kG/cm2) — ok. 450—470°C,.natomiast w kotłach o ciśnieniu. roboczym rzędu 5,89—10,3 MN/m2 (60—105 kG/cm2) temperatura przegrzania wynosi 510—525°C (w konstrukcjach parowych kotłów lądowych parametry dochodzą do wartości 37,88 MN/m2 (385 kG/cm2) i 650°C). Wysokość temperatury przegrzania jest ograniczona głównie z powodu zmniejszenia się wytrzymałości materiału przy wysokich temperaturach, oraz osadzania się na rurkach zanieczyszczeń będących źródłem korozji wysokotemperaturowej. Trzeba bowiem wziąć pod uwagę fakt, że przy temperaturze pary przegrzanej rzędu 450—500°C temperatura powierzchni ścianek rurek przegrzewaczy może przekroczyć 700°C.
Stosowanie komór ze spalaniem fluidalnym umożliwia podniesienie temperatury przegrzania pary do wartości przekraczającej 600°C. W celu podniesienia sprawności siłowni i obniżenia jednostkowego zużycia paliwa stosuje się jednoczesne podnoszenie ciśnienia pary do wartości dochodzących do 13,84 MN/m2 i141 kG/cm2). Takie parametry proponuje np. dla swych siłowni wg układu 5CR firma szwedzka Stal-Laval.
W okrętowych wodnorurkowych wysokociśnieniowych kotłach parowych stosuje się rozmaite rodzaje przegrzewaczy pary w zależności od stosowanych parametrów i rozwiązań zarówno samego kotła, jak i układu napędowego siłowni.
Przegrzewacze pary można podzielić według następującego sposobu klasyfikacji:
według konstrukcji na: pętlowe (jedno- i dwukolektorowe ,z pętlami w kształcie litery „U” oraz litery „W”) i wężownicowe,
według sposobu zamocowania w kotle ma: pionowe i poziome (horyzontalne),
według sposobu przejmowania ciepła na: konwekcyjne, opromieniowane i opromieniowano-konwekcyjne,
według przeznaczenia na: przegrzewacze tzw. „pierwotne” („podstawowe) oraz przegrzewacze „wtórne", zwane również „międzystopniowymi".
Jak przedstawiono na rys. 3.10, przegrzewacz pary w stromorurkowych kotłach parowych typu D i podobnych umieszczony jest w strumieniu gorących jeszcze spalin między szeregami rurek konwekcyjnych tam, gdzie maturalna cyrkulacja wody jest słaba. W kotłach starszych rozwiązań można spotkać przegrzewacze konstrukcji pętlowej. Pętle rurociągów przegrzewacza (zarówno w kształcie litery „U", jak i w kształcie litery „W — por. rys. 3.20a,b,c,d) mają dużą zdolność kompensacji wydłużeń termicznych, co umożliwia uniknięcie naprężeń. Podobne własności cechują też sekcje wężowinicowe (rys. 3.20e) przegrzewaczy, które stosuje się obecnie prawie wyłącznie w kotłach typu U.
W starszych rozwiązaniach przegrzewaczy pętlowych para przepływa przez rurki w przepływie wielokrotnym. Schemat takich przepływów przedstawiają rys. 3,20a oraz 3.20b. W przegrzewaczach jednokolektorowych (rys. 3.20a) wymagało to stosowania w kolektorze przegród zarówno wzdłużnych, jak i poprzecznych, w dwukolektorowych natomiast jedynie poprzecznych lub też podziału na kilka kolektorów (rys. 3.20b).
W przegrzewaczach z rurkami w kształcie wężownic para przepływała jednokrotnie z jednego kolektora do drugiego szeregami równolegle zamocowanych w kolektorach rurek.
Rys. 3.20. Rodzaje przegrzewaczy pary: a) pętlowy z rurkami „U" jednokolektornwy; b) pętlowy z rurkami'„U" wielokolektorowy z kolektorami o przekroju kwadratowym; c) pętlowy z rurkami „U" z dwoma kolektorami o przekroju kołowym:
d) pętlowy z rurkami „W" z dwoma kolektorami o przekroju kołowym; e) wężownicowy
Przegrzewacze typu pętlowego z jednym kolektorem mocowane są w kotłach prawie wyłącznie w położeniu pianowym (rys. 3.21a). Wymaga te stosowania specjalnych uchwytów, które — jeżeli nie są ochładzane w jakikolwiek sposób — są bardzo narażone na korozję wysokotemperaturową (por. rozdz. 2.4).
Pętlowe przegrzewacze dwukolektorowe (rys. 3.20b,c,d) mogą być zamocowane między pękami rurek konwekcyjnych zarówno pionowo (rys. 3.21b), jak i poziomo (rys. 3.21c), natomiast przegrzewacze z rurkami w kształcie (wężownic instaluje się wyłącznie poziomo (rys. 3.21d). Te ostatnie bardzo często mocowane są bądź na rurkach wypełnionych wodą, bądź na specjalnych uchwytach wykonanych z rurek chłodzonych od strony wewnętrznej.
a) b)
Rys. 3.21. Rodzaje sposobów zamocowań przegrzewaczy pary w kotłach: a) pionowe jednokolektorowego przegrzewacza pętlowego; b) pionowe dwustopniowych przegrzewaczy pętlowych dwukolektorowych; c) poziome przegrzewacza pętlowego dwuko-lektorowego; d) poziome przegrzewacza wężownicowego l — przegrzewacz I°; 2 — przegrzewacz II°
W okrętowych kotłach parowych wszystkie przegrzewacze pary są typu konwekcyjnego. W konstrukcjach starszego typu (rys. 3.21a,c) oraz w kotłach typu D — przegrzewacze umieszcza się w głównym strumieniu między pękami rur konwekcyjnych parownika, natomiast w kotłach typu U przegrzewacze znajdują się w strumieniu wznoszących się spalin w wydzielonym (jednym lub dwóch — w zależności od rozwiązania) kanale, w którym zainstalowany jest również wawnątrzkotłowy podgrzewacz wody zasilającej. Należy przy tym pamiętać, że w kotłach typu U cała powierzchnia ogrzewalna parownika jest powierzchnią opromieniowaną.
Gazy spalinowe przepływające w dolnej części komory spalania między rurkami środkowego ekranu, ulegają silnemu zawirowaniu, a strumień spalin doznaje znacznych odkształceń. W czasie badań laboratoryjnych stwierdzono, że spaliny przepływają pomiędzy rurkami z mniej więcej stałą prędkością Wy-y (rys. 3.22a), następnie jednak zarówno prędkość poszczególnych strug, jak i ich kierunek zostają mocno zróżnicowane. Biorąc za podstawę przekrój x—x (rys. 3.22a) stwierdzono, że górne strugi spalin wpływają w rejon przekroju x—x pod kątem ok. 40—45° i z dużą prędkością, którą obrazuje odpowiedni wektor na przekroju x—x, rys. 3.22a. Kolejne strugi zmieniają kąt wejścia na coraz bardziej zbliżany do 90°, prędkości natomiast początkowo znacznie maleją, aby po drugiej, zewnętrznej ściance kanału nieco wzrosnąć.
Wskutek takiego rozkładu wektorów prędkości strug spalin w kanale powstaje pewien obszar, nie omywany gorącymi spalinami, jak przedstawiono na rys. 3.22a, zwany niekiedy strefą martwą.
Umieszczenie segmentów przegrzewacza powyżej strefy zawirowania tak, aby cała jego powierzchnia wymiany ciepła znajdowała się w strudze gorących spalin pociąga za sobą niewykorzystanie znacznej nieraz objętości kanału, a więc prowadzi do zwiększenia gabarytów i masy kotła.
Obniżenie przegrzewacza (rys. 3.22b oraz c) powoduje zmniejszenie wielkości obszaru nie omywanego przez spaliny, jak widać na rysunkach. Powodem tego jest działanie rurek przegrzewacza jak swego rodzaju łopatek prostujących strugę spalin. Co prawda w obu tych wypadkach część przegrzewacza znajduje się w strefie bardzo słabej wymiany ciepła, jednakże w połączeniu ze zmniejszeniem strefy martwej pozwala to na zmniejszenie wymiarów kotła typu U.
Pewne znaczenie dla uporządkowania strug zawracających spalin ma ułożenie dolnych części rurek środkowego ekranu, jak na rys. 3.22d lub umieszczenie pierwszych pętlic przegrzewacza pod kątem ok. 45°, jak pokazano na rys. 3.22e.
Rys. 3.22. Przepływy spalin w dolnej części kotłów typu U jako funkcja umieszczenia przegrzewacza: a) przepływ spalin i rozkład ich prędkości przy umieszczeniu przegrzewacza poza strefą martwą; b) przepływ spalin przy umieszczeniu przegrzewacza w górnej części strefy martwej; c) przepływ spalin przy umieszczeniu przegrzewacza w dolnej części strefy martwej; d) przepływ spalin przy ułożeniu dolnych części rurek ekranu środkowego pod kątem 45°; e) przepływ spalin przy prowadzeniu pierwszych pętlic przegrzewacza pod kątem 45°
Na rys. 3.23 przedstawione są schematy kotłów z przegrzewaczem podstawowym, czyli pierwotnym (rys. 3.23a oraz b), oraz pierwotnym (podstawowym) i wtórnym, czyli międzystopniowym (rys. 3.23c).
Rys. 3.23. Przegrzewacze podstawowe (pierwotne) i międzystopniowe (wtórne) w okrętowych kotłach parowych: a) kocioł z jednostopniowym przegrzewaczem podstawowym; b) kocioł z dwustopniowym przegrzewaczem podstawowym; c) kocioł z przegrzewaczem podstawowym i międzystopniowym
l — przegrzewacz podstawowy; l' — pierwszy stopień przegrzewacza; l" — drugi stopień przegrzewacza; 2 — przegrzewacz międzystopniowy
W przypadku, gdy w kotle znajduje się tylko przegrzewacz podstawowy, to znaczy, gdy para przegrzana opuszczająca kocioł płynie do turbiny i nie powraca już do kotła, nie stosuje się żadnego specjalnego określenia dla przegrzewacza (np. przegrzewacz pierwotny czy podstawowy), a jedynie poszczególne sekcje (rys. 3.23b) nazywa się przegrzewaczem I°, przegrzewaczem II° itd. i ma się do czynienia z przegrzewaczem wielostopniowym, przy czym poszczególne stopnie służą najczęściej do regulacji temperatury pary przegrzanej (rozdz. 6.7 oraz opis ochładzacza pary w tym rozdziale).
W celu dalszego zwiększenia sprawności siłowni parowej zaczęto stosować (od 1941 roku na amerykańskim statku „Examiner") międzystopniowe, czyli wtórne przegrzewanie pary. Zasada przegrzewu wtórnego polega na tym, że para przegrzana odprowadzana jest z kotła na pierwsze stopnie turbiny, a po przejściu kilku (3—5) stopni para o obniżonym ciśnieniu i temperaturze wraca do kotła w celu ponownego przegrzania (rys. 3.23c). Temperatura wtórnego przegrzania równa jest zazwyczaj temperaturze przegrzania pierwotnego, choć początkowo stosowano również przegrzanie wtórne do temperatury niższej niż przy przegrzewie pierwotnym.
Ogrzewanie przegrzewaczy międzystopniowych odbywa się bądź spalinami z tzw. głównych palników kotła (por. rys. 3.24c), bądź instaluje się w kotłach dodatkowe palniki (są to wówczas tzw. kotły dwupaleniskowe — por. rys. 3.33. W początkowej fazie stosowania omawianego rodzaju rozwiązań wprowadzono również ogrzewanie pary w przegrzewaczu międzystopniowym parą przegrzaną z przegrzewacza międzystopniowego. Rozwiązanie takie było jednak kłopotliwe zarówno ze względów technologicznych, jak i konstrukcyjnych oraz energetycznych (temperatura pary po wtórnym przegrzaniu była znacznie niższa niż po przegrzewie pierwotnym, np. 297°C i 450°C w rozwiązaniu na statku „Venore" z 1945 roku) i zostało ostatecznie zarzucone.
Ponieważ para podlega wtórnemu przegrzaniu jedynie w czasie normalnej pracy turbiny głównej, natomiast przy pracy ze zmniejszoną mocą oraz przy manewrach, jak również w czasie postoju silnika głównego para jest przegrzewana jedynie w podgrzewaczu podstawowym, przegrzewacz międzystopniowy należy tak umieścić w strumieniu spalin, aby można go było wyłączyć z ruchu bez obawy przepalenia rurek przegrzewacza nie chłodzonego w tym momencie przepływającą w czasie normalnej pracy parą.
Kilka przykładów umieszczenia przegrzewaczy międzystopniowych przedstawiono na rys. 3.24. W rozwiązaniu jak na rysunku 3.24a (główny okrętowy kocioł parowy typu V2M-8 firmy Cdmbustion Bngineering Inc. USA) komora spalania przedzieli ona jest gazoszczelnym ekranem 12 wykonanym z opromieniowanych rurek na dwie nierówne części, pracujące równolegle na jeden wspólny przewód kominowy. W większej części komory znajduje się dwustopniowy pętlowy przegrzewacz podstawowy pary l, natomiast w mniejszej części komory również dwustopniowy pętlowy międzystopniowy przegrzewacz pary 2. W większej części znajdują się cztery sufitowe umieszczone palniki, tzw. główne 10, w mniejszej — dwa dodatkowe palniki 11.
Przy częściowym obciążeniu kotła wyłącza się palniki dodatkowe i do wnętrza komory spalania podawane jest tylko podgrzane powietrze, które powoduje powstawanie w mniejszej komorze niewielkiego nadciśnienia wstrzymującego napływ na rurki przegrzewacza międzystopniowego 2 gorących spalin z sąsiedniej komory spalania.
Kocioł V2M-8 można zaliczyć do kotłów dwupaleniskowych, choć jego zasada działania odbiega nieco od typowego kotła dwupaleniskowego. Klasycznym przedstawicielem tego rodzaju kotłów jest przedstawiony na rys. 3.24b kocioł typu DSRD. Ma on dwie komory spalania główna z trzema palnikami 10 umieszczonymi na frontowej ścianie kotła oraz pomocniczą z dwoma podobnie umieszczonymi palnikami 11.
Rys. 3.24. Sposoby rozmieszczenia przegrzewaczy podstawowych (pierwotnych) i międzystopniowych (wtórnych): a) w kotle typu V2M-8 (Coimibustion Engineering, Inc. USA); b) w kotle dwupaleniakowym typu DSRD; c) w kotle typu UFR (Kawasaki —
Japonia) l—sekcja przegrzewacza podstawowego; 2—sekcja przegrzewacza międzystopniowego; 3—podgrzewacz wody zasilającej; 4—podgrzewacz wody zasilającej w przewodzie omijąjącyrn, 5, 6—klapy regulacyjne; 7—klapy ochronne; 8—klapa powietrza uszczelniającego; 9—klapa przewodu omijającego; 10—palniki główne; 11— palniki dodatkowe; 12—ekran
Przegrzewacz międzystopniowy 2 umieszczony jest w strumieniu spalin płynących z palników dodatkowych 11 między rurkami konwekcyjnymi dodatkowej powierzchni odparowania. Regulację temperatury pary przegrzanej na wylocie z przegrzewacza międzystopniowego uzyskuje się przez zmianę ilości paliwa spalanego w palnikach 11. Przy zmniejszonym obciążeniu kotła (podczas manewrów, przy jeździe ze zmniejszoną prędkością i w czasie postoju) wyłącza się palniki dodatkowe, a do drugiej komory spalania podawane jest powietrze ochraniające w tym czasie rurki przegrzewacza międzystopniowego.
Kocioł typu UFR .japońskiej firmy Kawasaki (rys. 3.24c) ma trzy wznoszące kanały spalinowe (por. rys. 3.3). W jednym z nich umieszczony jest przegrzewacz międzystopniowy 2. Temperatura pary przegrzanej wtórnie regulowana jest za pomocą położenia (stopnia otwarcia) klap regulacyjnych 6. W czasie zmniejszonego obciążenia kotła w przypadkach opisanych uprzednio zamyka się całkowicie klapy regulacyjne 6 jak również klapy ochronne 7 i dodatkowo, przez otwarcie klapy 8, doprowadza się do przestrzeni między klapami 6 i 7 powietrze uszczelniające.
Dodatkowo rurki przegrzewacza międzystopniowego 2 ochraniają w tym czasie dolne pęki rurek przegrzewacza podstawowego l.
Jak przedstawiono w rozdz. 2.1, wraz ze wzrostem ciśnienia roboczego pary w kotle zmienia się stosunek ilości ciepła, które ma być dostarczone do poszczególnych procesów roboczych zachodzących w kotle, a mianowicie do podgrzania wody, jej odparowania i wreszcie przegrzania pary. Jak widać na wykresie I-p (rys. 2.2), ilość ciepła konieczna do przegrzania rośnie w stosunku do wartości ciepła przekazywanego w kotle do odparowania i podgrzania wody wraz ze wzrostem ciśnienia. Stosunek ten zmienia się jeszcze bardziej przy wzroście temperatury pary przegrzanej, zwykle towarzyszącym wzrostowi ciśnienia roboczego. Na rys. 3.25 przedstawiono bilans cieplny kotłów wodnorurkowych różnych typów i o różnych parametrach. Tak np. dla kotła o ciśnieniu pary 1,57 MN/m2 (16 kG/om2) i temperaturze przegrzania 325°C ilość J ciepła pobierana w przegrzewaczu wynosi 10,6% całej ilości ciepła dostarczonego do kotła (rys. 3.25a). Na przedstawionym schemacie widać, że. przegrzewacz pary (wycinek C) umieszczony jest między rurkami konwekcyjnymi (wycinek B) parownika.
W przypadku kotła o wyższych parametrach [p = 4,13 MN/m2 (42 kG/ /cm2) i t = 470°C] ilość ciepła pobieranego przez przegrzewacz wzrasta już do 22%. I tu przegrzewacz umieszczony jest między pękami rurek konwekcyjnych parownika.
Rys. 3.25. Bilans cieplny kotłów wodnorurkowych: a) kocioł sekcyjny o parametrach pary: p = 1,57 MM/m2 (16 kG/em2) i t=325°C; b) kocioł stromorurkowy o parametrach pary: p = 4,13 MN/m2 (42 kG/em2) i t = 470°C; c) kocioł typu U o parametrach pary: p = 7,86 MN/m2 (80 kg/cm2) i t = 515/515°C A — ciepło pobierane w opromieniowanej części parownika; B — ciepło pobierane w konwekcyjnej części parownika; C — ciepło pobierane w przegrzewaczu podstawowym; D — ciepło pobierane w podgrzewaczu wody zasilającej; E — ciepło pobierane w podgrzewaczu powietrza; F — ciepło pobierane w przegrzewacz międzystopniowym;
W kotle typu U o wysokich parametrach [p == 7,86 MN/m2 (80 kG/cm2) i t = 515/515°C], gdzie pierwsza wartość określa temperaturę pary w przegrzewaczu podstawowym, druga — temperaturę w przegrzewaczu międzystopniowym] z przegrzewaczem podstawowym (wycinek C) i międzystopniowym (wycinek F) ilość pobieranego ciepła wynosi odpowiednio 20% i 23,3%. Większa ilość ciepła pobierana podczas przegrzania między-stopniowego spowodowana jest tym, że na wejściu do podgrzewacza międzystopniowego para ma nieco niższą temperaturę niż przy wejściu do przegrzewacza podstawowego, a temperatura końcowa w obu przegrzewaczach jest jednakowa.
Jak wynika z powyższego, powierzchnia ogrzewalna przegrzewaczy wzrasta wraz z parametrami pary i w (kotłach wysokociśnieniowych stanowi jedną z głównych części powierzchni ogrzewalnej kotła. Rozwiązania konstrukcyjne niektórych przegrzewaczy pary opisane są szerzej w rozdz. 6.6.3.
Jednym z dodatkowych urządzeń spotykanych dosyć często w kotłach wodnorurkowych jest tak zwany ochładzać z pary (rozdz. 6.7). Ochładzanie pary ma na celu regulowanie temperatury pary przegrzanej, szczególnie przy zmianie obciążenia kotła, ponieważ ma ono między innymi wpływ na wysokość temperatury przegrzania. W kotłach okrętowych regulacja temperatury pary przegrzanej odbywać się może według jednego z następujących sposobów:
podawanie pary nasyconej do pary przegrzanej,
natrysk pary przegrzanej wodą zasilającą w wymienniku mieszankowym,
przymykanie lub otwieranie kanałów przelotowych dla gazów spalinowych,
stosowanie specjalnych ochładzaczy pary chłodzonych strumieniem powietrza podawanego do kotła,
stosowanie ochładzaczy pary w postaci wężownicy zanurzonej w części wodnej walczaka parowo-wodnego,
stosowanie oddzielnych palników do przegrzania pary z możliwością ich częściowego wyłączania.
Rys. 3.26. Schemat zainstalowania ochładzacza pary jako regulatora temperatury przegrzania.
Pary l — walczak parowo-wodny kotła; 2 — przegrzewasz pary pierwszego stopnia; 3 — ochładzacz; 4 — przegrzewacz pary drugiego stopnia; 5 — przepustowy zawór regulacyjny
Schemat jednego ze sposobów ochładzania pary przegrzanej pokazany jest na rys. 3.26. W obieg przegrzewaczy 2 i 4 włączona jest szeregowo spirala rur ochładzacza 3, przechodząca przez objętość wodną walczaka parowo-wodnego l. Ochłodzona para wraca następnie do przegrzewacza i miesza się w drugim stopniu przegrzewacza 4 z parą przegrzaną do pływającą z pierwszego stopnia przegrzewacza. Temperatura pary przepływającej przez ochładzacz zostaje obniżona, ponieważ temperatura wody omywającej rurki ochładzacza jest znacznie niższa od temperatury pary wychodzącej z przegrzewacza pierwszego stopnia. Za
pomocą zaworu regulacyjnego 5 można ustalić ilość pary przepływającej przez ochładzacz, a zatem w następstwie tego i temperaturę końcową pary przegrzanej opuszczającej kocioł.
W niektórych rozwiązaniach potrzebne jest ochłodzenie tylko części produkowanej pary i wówczas stosuje się inne rozwiązanie konstrukcyjne ochładzaczy (rozdz. 6.7).
3.3.2. Kotły sekcyjne
Potrzeba zwiększenia natężenia powierzchni ogrzewalnej, a głównie zmniejszenia masy i wymiarów w stosunku do kotłów płomieniówkowych, stała się przyczyną skonstruowania kotłów sekcyjnych. Cała masa wody zawartej w kotle zostaje w tym wypadku rozbita niejako na szereg niewielkich objętości, płynących przez poszczególne rurki. Fakt ten, oraz zwiększenie intensywności cyrkulacji przez zastosowanie specjalnej konstrukcji, zwiększa sprawność kotła i na przełomie XIX i XX wieku, kiedy ten typ kotła został wprowadzony do użytku, stanowił on poważny krok naprzód w dziedzinie techniki otrzymywania pary na statkach.
Schemat typowego kotła sekcyjnego przedstawiono na rys. 3.27. Kocioł składa się z walczaka parowo wodnego l, nachylonych pod pewnym kątem komór sekcyjnych 2 (przednich) i 3 (tylnych), opłomek, czyli rurek wodnych 4 i 5 oraz rur powrotnych 9. Między opłomkami znajduje się przegrzewacz pary 6. Liczba komór sekcyjnych (rozdz. 6.2) wynosi od 10 do 22,w zależności od wydajności kotła, kąt nachylenia opłomek — 15—20°.
Rys. 3.27. Kocioł sekcyjny l— walczak parowo-wodny; 2—przednie komory sekcyjne; 3— tylne komory sekcyjne; 4 — opłomki dolne; 5 — opłomki górne; 6 — przegrzewacz pary; 7 — rury łączące walczak parowo-wodny z przednimi komorami sekcyjnymi; 8 — komora szlamowa; 9 — rury powrotne; 10 — podgrzewacz powietrza
Woda znajdująca ,się w walczaku parowo-wodnym l dostaje się przez rury 7 do przednich komór sekcyjnych 2. Są one nie ogrzewane i stosunkowo chłodna woda opada nimi w dół, dostając się do opłomek 4 i 5. Wewnątrz opłomek woda zostaje podgrzana przez spaliny omywające je w ruchu poprzecznym. Gorąca woda, jako lżejsza, unosi się w opłomkach ku górze i wraz z powstającymi w czasie ogrzewania pęcherzykami pary wchodzi do tylnych komór sekcyjnych 3. Z górnej części tych komór mieszanina parowo-wodna dostaje się do walczaka rurami powrotnymi 9. Mają one zazwyczaj większą średnicę niż rurki konwekcyjne 4 i 5 i są tak zamontowane, że górnym rzędem tych rur płynie do walczaka para nasycona, dolnym zaś gorąca woda z nieznacznymi już ilościowo pęcherzykami pary. W ten sposób następuje pierwsze oddzielenie pary od wody, (niezależnie od urządzeń zamontowanych w niektórych typach kotłów wewnątrz walczaków parowych (rozdz. 6.5.2). Przegrzewacz pary, który stanowią pęki rurek wygiętych w kształcie litery „U", jest zamontowany równolegle do osi wzdłużnej walczaka l. Umieszczony jest w strefie gorących spalin za dwoma lub trzema rzędami rurek konwekcyjnych. Taki układ pozwala na uzyskiwanie stosunkowo wysokich temperatur przegrzania. Komora szlamowa 8 służy do osadzania się ewentualnych zanieczyszczeń, znajdujących się w wodzie kotłowej, które jako cięższe opadają w dół i są okresowo usuwane. Powietrze podawane do kotła przechodzi przez rurowy podgrzewacz 10. W nowszych rozwiązaniach kotły sekcyjne mogą mieć dodatkowo opromieniowaną komorę spalania.
W okresie II wojny światowej kotły sekcyjne były montowane na wielu amerykańskich statkach seryjnych typu „Liberty", „Viotory", zbiornikowcach C2 i innych. Po wojnie nie ustaje produkcja kotłów sekcyjnych głównie firmy Babcock-Wilcox w RFN i Anglii oraz firmy amerykańskiej Colmbustion Engineering Inc. Parametry pary rosną od w 3 MN/m2 (w 30 kG/m2) i 400°C do w 4 MN/m2 ( 40 kG/cm2) i 450°C, zwiększa się też współczynnik sprawności do 91—92%, a wydajność kotłów dochodzi do 30 t/h.
Kotły .sekcyjne charakteryzuje stosunkowo prosta i nieskomplikowana budowa, o wiele lepsza cyrkulacja wody niż w kotłach płomieniówkowych, łatwość dostępu do rurek od strony ogniowej, ze względu na duże wymiary komory spalania, oraz łatwość czyszczenia prostych opłomek od strony wodnej, dzięki specjalnym wyczystkom zamontowanym na komorach sekcyjnych (rys. 6.11). Z drugiej .strony duża liczba tych właśnie wyczystek stanowi wadę, ponieważ w wypadku ujawnionego przecieku, chociażby jednej z nich (a jest ich w kotle sekcyjnym kilkaset), należy odstawić kocioł dla usunięcia uszkodzenia.
W nowszych rozwiązaniach konstrukcyjnych kotłów sekcyjnych wprowadzono ekranowanie trzech ścian komory paleniskowej. Schemat takiego kotła przedstawiono na rys. 3.28.
Ekrany trzech ścian komory paleniskowej stanowią tu rurki opromieniowane 14 dla ściany tylnej i rurki 15 dla obu ścianek bocznych. Cyrkulacja w bocznych ekranach opromieniowanych odbywa się następująco. Z walczaka parowo-wodnego l chłodna woda spływa nie ogrzewaną rurą opadową 11 do dolnej komody rozdzielczej 12, następnie wznosi się pękiem ukośnie ułożonych rurek opromieniowanych 15 do górnej komory zbiorczej 12, skąd rurą powrotną 13 mieszanina parowo-wodna wraca do walczaka parowo-wodnego. Do ekranu rurek opromieniowanych 14 tylnej ściany komory woda dopływa rurą opadową 11 i dolną poprzeczną komorą rozdzielczą 12, skąd rurkami opromieniowanymi 14 mieszanina parowo-wodna wraca do tylnych komór sekcyjnych 3.
Ekranowanie komory paleniskowej umożliwia bądź zwiększenie wydajności kotła przy tych samych jego wymiarach, bądź zmniejszenie wymiarów przy tej samej wydajności. Zwiększa się też wydatnie obciążenie powierzchni ogrzewalnej kotła.
Wydajności kotłów sekcyjnych wynoszą od 4—30 t/h, ciśnienia robocze w nowszych rozwiązaniach dochodzą do 3,54—4,91 MN/m2 (36—50 kG/ /cm2). Obciążenie powierzchni ogrzewalnej dla kotłów sekcyjnych starszego typu waha się w granicach 20—35 kg/(m2 h), a dla kotłów sekcyjnych z opromieniowanymi komorami paleniskowymi — 30—50 kg/(m2 h). Masa jednostkowa kotłów omawianego typu jest stosunkowo duża z powodu licznych i masywnych (ze względu na kształty) komór sekcyjnych i wynosi 3—8 kg/(kg h).
Czas przygotowania kotła sekcyjnego starszego typu do pracy (od stanu zimnego do roboczego) wynosi 4—6 h. Ten stosunkowo długi czas jest spowodowany dużą sztywnością konstrukcji, jaką tworzą przednie i tylne komory sekcyjne połączone prostymi opłomkami konwekcyjnymi, nie mającymi kompensatorów cieplnych, oraz stosunkowo słabą cyrkulacją wody.
W kotłach sekcyjnych opromieniowanych czas rozpalania jest nieco krótszy i trwa 2—3 h.
Rys. 3.28. Kocioł sekcyjny opromieniowany l — walczak parowo-wodny; 2 — przednie komory sekcyjne; 3 — tylne komory sekcyjne; 4 — opłomki dolne; 5 — opłomki górne; 6 — przegrzewacz pary; 7 — rury łączące walczak parowo-wodny z przednimi komorami sekcyjnymi; 8 — komora szlamowa; 9 — rury powrotne; 19 — podgrzewacz powietrza; 11 — zewnętrzne rury opadowe; 12 — komory rozdzielcze i zbiorcze rurek powierzchni opromieniowanej;13 — rury powrotne bocznych powierzchni opromieniowanych; 14 — rurki opromieniowane tylnej powierzchni opromieniowanej; 15- rurki opromieniowane bocznych powierzchni opromieniowanych;
3.3.3. Kotły stromorurkowe
Kotły stromorurkowe weszły do użytku na jednostkach pełnomorskich w okresie poprzedzającym I wojnę światową. Początkowo — ze względu na swe zalety — wprowadzone zostały na okrętach wojennych. Zalety te to przede wszystkim: lekka konstrukcja przy jednocześnie dość prostej budowie i znacznym natężeniu powierzchni ogrzewalnej, przekraczającej 50 kg/(m2 h). Zastąpienie imało odpornych na ciśnienie komór sekcyjnych walczakami o przekrojach okrągłych lub spłaszczanych, nieco zbliżonych do eliptycznych, umożliwiło zwiększenie ciśnienia roboczego w kotłach stromo rurkowych do 6,87—7,86 MN/m2 (70—80 kG/cm2), a nawet w ich specjalnych wykonaniach powyżej 9,81 MN/m2 (100 kG/cm2).
Pierwszymi typami kotłów stromo rurkowych instalowanymi na jednostkach morskich były kotły trój walczakowe (symetryczne i niesymetryczne) (rys. 3.29). Mają one jeden walczak parowo-wodny oraz dwa umieszczone pod nim walczaki wodne 2. Walczak górny połączony jest z walczakami dolnymi pękami rurek konwekcyjnych 3. Między nimi umieszczone są pęki rurek przegrzewaczy pary 4.
Schemat trój-walczakowego stromo rurkowego kotła symetrycznego przedstawiono na rys. 3.29. Istotną cechą eksploatacyjną kotłów stromo rurkowych jest ułatwienie cyrkulacji wody dzięki znacznemu kątowi nachylenia rurek konwekcyjnych do poziomu. Kąt ten wynosi 60—70°.
Rys. 3.29. Szkic trój walczakowego kotła stromo rurkowego symetrycznego
I — walczak parowo-wodny; 2 — walczaki wodne; 3 — rurki konwekcyjne; 4 -rurki przegrzewacza; 5 — palniki
W starszych rozwiązaniach tego typu kotłów chłodniejsza woda wpływa z walczaka parowo-wodnego do walczaków wodnych zewnętrznymi rzędami rurek konwekcyjnych, a wznosi się rurkami wewnętrznymi, w nowszych — woda chłodna spływa mię ogrzewanymi rurami opadowymi 4 pokazanymi na rys. 3.30.
Schemat trój walczakowego kotła stromo rurkowego w wykonaniu asymetrycznym przedstawiono na rys. 3.30. W kotle tego typu znajduje się walczak parowo-wodny l oraz dwa walczaki wodne 2. Są one połączone rurkami konwekcyjnymi 3 odpowiednio wygiętymi, co uelastycznia całość konstrukcji kotła, dając jej możliwość kompensacji wydłużeń cieplnych, a
poza tym umożliwia stosowanie okrągłych przekrojów dolnych walczaków, co jest korzystnie zarówno ze względów wytrzymałościowych, jak i technologicznych. Walczak górny połączony jest z dolnymi za pomocą nie ogrzewanych rur opadowych 4, polepszających naturalną cyrkulację wody wewnątrz kotła.
Strumień spalin skierowany jest głównie w stronę tych rurek konwekcyjnych, między którymi ustawiony jest przegrzewacz pary 5. Składa się on z pakietów rurek umieszczonych wzdłużnie do osi walczaków, a prostopadle do osi rurek konwekcyjnych. Przegrzewacz pary montuje się zwykle za pierwszymi dwoma lub trzema rzędami rurek konwekcyjnych, które zazwyczaj są nieco większej średnicy, ponieważ są intensywnie ogrzewane gorącymi spalinami w związku z tym wewnątrz nich panuje większa prędkość unoszenia mieszaniny parowo-wodnej.
Dla zwiększenia sprawności kotła ustawia się w przewodach kominowych wewnątrzkotłowe podgrzewacze wody 6 i podgrzewacze powietrza 7.
Kotły trój-walczakowe stromorurkowe w konstrukcjach przedstawionych na rys. 3.29 i rys.3.30 są kotłami dwustrumieniowymi, bowiem spaliny przepływają dwoma strumieniami od palników z komory paleniskowej do przewodu kominowego, omywając na swej drodze z obu stron walczak parowo-wodny.
Rys. 3.30. Kocioł trój walczakowy asymetryczny
l — walczak parowo-wodny; 2 — walczaki wodne; 3 — rurki konwekcyjne; 4 — nie ogrzewane rury opadowe; 5 — przegrzewacz pary; 6 — podgrzewacz wody; 7 — podgrzewacz powietrza
Kolejny krok w historii postępu w budownictwie okrętowych kotłów parowych to — po kotłach asymetrycznych — jednostrumieniowe kotły stromorurkowe. Pęk rurek konwekcyjnych w kotle asymetrycznym — znajdujący się po przeciwne stronie niż przegrzewacz pary (rys. 3.30) — nie znajduje się w głównym strumieniu spalin, a niejako w bocznym ich nurcie, i wymiana ciepła jest tu znacznie gorsza z powodu mniejszej prędkości gazów spalinowych. Jeżeli zastąpi się ten pęk rurek rurkami opromieniowanymi, to znaczy zbuduje się ekranowaną komorę spalania, a cały strumień spalin skieruje się na pozostałe rurki konwekcyjne i umieszczony między nimi przegrzewacz pary, to zyska się w ten sposób
na intensywności wymiany ciepła w tych rurkach.
Jednocześnie wymiary kotła zmienią się w tym sensie, że łatwiej go będzie wkomponować w kadłub statku przy instalowaniu dwóch kotłów w siłowni okrętowej.
Rys. 3.31 obrazuje rozmieszczenie dwóch kotłów jednostrumieniowych na statku w jego części rufowej, gdzie odległość między obu burtami jest znacznie ograniczona. Zastosowanie kotłów jednoprzepływowych (jednego w wykonaniu prawym, drugiego w lewym jako lustrzane odbicie) pozwala na znaczne oszczędności miejsca zajmowanego zazwyczaj przez przewody kominowe. Poza tym spaliny mają tu stosunkowo prostą drogę i opór ich przepływu jest nieznaczny (kierunek przepływu spalin zaznaczono na rysunku strzałkami na kotle lewym).
W omawianym kotle woda dostaje się z walczaka parowo-wodnego 1 do górnego walczaka wodnego 2 przez ostatnie, słabiej ogrzewane szeregi rurek pęku 6. Stąd część wody przechodzi nie ogrzewaną rurą opadową 12 do dolnego walczaka wodnego 3, a pozostała część unosi się ku górze przez bliższe komorze paleniskowej, a więc intensywniej ogrzewane szeregi rurek pęku 6, aby jako mieszanina parowo-wodna wrócić do walczaka l. Pęk rurek konwekcyjnych 5 to rurki wznoszące, intensywnie ogrzewane gorącymi spalinami. Ruch wody jest tu bardzo intensywny i dlatego zazwyczaj rurki te mają większą średnicę od pozostałych rurek konwekcyjnych.
Rys. 3.31. Rozmieszczenie dwóch kotłów trói-walczakowych stromo rurkowych jednostrumieniowych i jednoprzepływowych na statku l — walczak parowo wodny, 2 — górny walczak wodny; 3 — dolny walczak wodny; 4 — rurki opromieniowane; 5, 6 — rurki konwekcyjne; 7 — przegrzewacz pary; 8 — podgrzewacz wody zasilającej; 9 — podgrzewacz powietrza; 10, 11, 12 rury opadowe; 13 — kolektor rozdzielczy; 14 — ekrany z pionowych rurek; 15 przewód kominowy
Z dolnego walczaka wodnego część wody opada nie ogrzewaną rurą 11 do kolektora rozdzielczego 13, gdzie z drugiej strony również dochodzi chłodniejsza woda przez idącą poza izolacją kotła rurę opadową 10. Z kolektora 13 wody dostaje się do rurek opromieniowanych 4, tworzących ekran jedynie na tylnej ścianie komory paleniskowej. Rurkami tymi mieszanina parowo-wodna unosi się do walczaka 1.
Między rurkami konwekcyjnymi 5 i 6 znajduje się przegrzewacz pary 7, a w przewodzie kominowym podgrzewacz wewnątrzkotłowy wody zasilającej 8 i podgrzewacz powietrza 9. Boczne ściany komory spalania mają również ekrany utworzone z pionowych rurek 14 oraz kolektorów dolnych i górnych.
Kolejnym typem kotłów jednostrumieniowych stromo-rurkowych są kotły typu D, mają one rurki konwekcyjne nachylone jeszcze bardziej stromo do poziomu, na przykład 70—80° w kotłach produkcji firmy Babcock-Wilcox i amerykańskiej Combustion Engineering Inc. oraz 90° w kotłach firmy angielskiej Foster-Wheeler.
Kotły te charakteryzują się dobrą naturalną cyrkulacją wody, dużymi sprawnościami i stosunkowo łatwo jest rozmieścić w nich wszystkie dodatkowe powierzchnie ogrzewalne, jak przegrzewacz pary, wewnątrz-kotłowy podgrzewacz wody zasilającej i podgrzewacz powietrza. Również. kształt kotła typu D i jego gabaryty umożliwiają dobre wykorzystanie miejsca w kotłowni statku.
W kotłach typu D (nazywanych tak dla kształtu przekroju przypominającego literę D, por. rys. 3.32) woda przechodzi z walczaka parowo-wodnego l do walczaka wodnego 2 przez rurki opadowe 4 pęku rurek konwekcyjnych, a unosi się ku górze rurkami pęku 3 i rurkami wznoszącymi 5, tak jak pokazują strzałki. Komora spalania jest całkowicie ekranowana. Woda dochodzi do kolektora rozdzielczego 7 przez nie ogrzewaną rurę 6, a następnie płynie do góry pionowymi rurkami ekranowymi 8.
Przegrzewacz pary 9 umieszczony jest między pękiem rurek konwekcyjnych 3 i 5. Aby przedłużyć drogę spalin przez kocioł, a tym samym zwiększyć zarówno czas kontaktu spalin z rurkami, jak i prędkość gazów, wykonane są dwie przegrody 12, zmuszające strumień spalin, pokazany strzałkami, do dwukrotnej zmiany kierunku o prawie 1800. Za ostatnią przegrodą umieszczone są: podgrzewacz wody (tu składający się z trzech kolejnych pęków rurek 10) i podgrzewacz powietrza 11.
Rys. 3.32. Kocioł typu D l — walczak parowo-wodny; 2 — walczak wodny; 3, 4, 5 — rurki konwekcyjne; 6 — nie ogrzewana rura dolotowa; 7 — kolektor rozdzielczy; 8 ~-opromieniowane rurki ekranowe; 9 — przegrzewacz pary; 10 — podgrzewacz wody; 11 — podgrzewacz powietrza; 12 — przegrody dla spalin; 13 — zdmuchiwacz sadzy
Oprócz opisanych typów jednostrumieniowych kotłów stromo-rurkowych istnieje jeszcze wiele różnych podobnych rozwiązań konstrukcyjnych.
Odmiennym nieco rozwiązaniem kotłów typu D są tzw. kotły dwupaleniskowe. Cechą charakterystyczną tego rodzaju kotłów są dwie oddzielane od siebie komory spalania. Zazwyczaj komora bliższa przewodu kominowego ma większe rozmiary, dalsza natomiast jest przeważnie mniejsza. Obie komory rozdzielone są pękami rurek konwekcyjnych parownika, między którymi znajdują się pętle przegrzewaczy (zarówno przegrzewacza podstawowego, jak i międzystopniowego) w zależności od. rozwiązania konstrukcyjnego kotła.
Stosowanie rozwiązań dwupaleniskowych podyktowane było najczęściej chęcią przeprowadzenia regulacji temperatury pary przegrzanej (przeważnie wtórnej — rzadziej pierwotnej) na drodze spalinowej, przez regulację ilości paliwa spalanego w palnikach komory dalszej, dodatkowej.
Rys. 3.33. Okrętowe kotły dwupaleniskowe: a) kocioł Babco'ck-Wilox; b) kocioł DSRD
l — walczak parowo-wodny; 2 — walczak pomocniczy; 3 — walczak wodny; 4 — przegrzewacz podstawowy; 5 — przegrzewacz międzystopniowy; 6 — pęki rurek konwekcyjnych parownika; 7 — pęki rurek opromieniowanych parownika; 8 — palniki główny; 9 — palniki dodatkowe; A — główna komora spalania; B — dodatkowa komora spalania
Na rys. 3.33 przedstawiono przykładowo dwa rozwiązania kotłów dwupaleniskowych. Pierwszy z nich (rys. 3.33a) jest kotłem firmy Babcock--Wilcox zainstalowanym na statku ,,Examiner". Ponieważ część stopni przegrzewacza podstawowego umieszczono między pękami rurek konwekcyjnych parownika, oddzielającymi główną komorę spalania od dodatkowej, istnieje możliwość regulacji temperatury przegrzania pary wypływającej z przegrzewacza podstawowego na drodze spalinowej. Również regulacja temperatury przegrzania wtórnego pary odbywa się na tej samej zasadzie. Jak łatwo zauważyć, przy mniejszych obciążeniach kotła i wyłączonym przegrzewaczu międzystopniowym obniża się również jednocześnie temperatura pary przegrzanej w przegrzewaczu podstawowym.
Na rys. 3.33b przedstawiono dwupaleniskowy kocioł typu DSRD zainstalowany na japońskim super zbiornikowcu „Idemitsu Maru". W tym przypadku palniki dodatkowe służą głównie do ogrzewania przegrzewacza międzystopniowego. Umieszczenie palników — zarówno głównych jak i dodatkowych — w pionowym rzędzie polepsza równomierność omywania powierzchni ogrzewalnych kotła.
Inne jeszcze rozwiązanie konstrukcyjne kotła dwupaleniskowego przedstawia rys. 3.24a.
W przedstawionych dotychczas typach kotłów stromo-rurkowych palniki umieszczone były na frontowych ścianach kotłów tworzących w stosunku do komory spalania ścianę boczną. Ściany te są ścianami nie opromieniowanymi przez rurki i pokryte są w całości wymurówką z cegły lub masy ogniotrwałej.
Wskutek tego w komorze spalania można było opromieniować jedynie pięć ścian na sześć, ponieważ kierunek strumienia spalin i promieniowania ciepła przy takim ustawieniu palników nie sprzyjał przekazywaniu ciepła w kierunku ściany, w której umieszczone zostały palniki.
Rys. 3.34. Stromo-rurkowy jednostrumieniowy dwuprzepływowy kocioł membranowy z palnikami umieszczonymi w górnej ścianie komory spalania (kocioł typu U) l — walczak parowo-wodny; 2 — rura opadowa; 3 — dolne kolektory poprzeczne; 4 — dolne kolektory podłużne; 5 — środkowa przegroda membranowa; 6 — rury opromieniowane komory spalania; 7 — rury opromieniowane komory zwrotnej; S — rurociąg pary nasyconej; 9 — rurki mocujące przegrzewacza; 10 — górny kolektor przegrzewacza I°; 11 — sekcje rurek przegrzewacza I°; 12 — dolny kolektor przegrzewacza I°; 13 — ochładzacz regulacyjny temperatury pary przegrzanej; 14 — kolektor dolotowy pary do przegrzewacza II°; 15 — kolektor odlotowy pary przegrzewacza II°; 16 — sekcje rurek przegrzewacza II°; 17 — rurociąg poboru pary; 18 — rurociąg wody zasilającej; 19 a, b. c, — sekcje podgrzewacza wody zasilającej; 20 — zdmuchiwacz sadzy; 21 — palnik; 22 — podgrzewacz parowy powietrza
W konsekwencji w kotłach tych nie jest całkowicie wykorzystana ich objętość.
Jeżeli palniki kotłowe zostaną umieszczone w górnej ścianie komory spalania, to ruch ciepła panujący przy przepływie strumienia spalin w dół sprzyja ogrzewaniu rurek tworzących ekran opromieniowany na górnej ścianie komory spalania, to jest na tej ścianie, w której zamocowywane są palniki. Dzięki zatem takiemu ustawieniu palników można opromieniować wszystkie sześć ścian komory spalania, a zatem można zmieścić o ok. 15—17% większą powierzchnię ogrzewalną, przy takiej samej objętości komory spalania i przy tych samych średnicach rurek opromieniowanych.
Strumień spalin skierowany jest w takich kotłach w pierwszej fazie pionowo w dół. Aby zatem odprowadzić go ostatecznie do komina, należy zastosować system dwuprzepływowy spalin. Stąd kotły tego typu zaczęto nazywać kotłami typu U. Schemat takiego kotła przedstawiono na rys. 3.34.
Kocioł ma jeden walczak parowo-wodny l, w dolnej części kotła znajdują się kolektory wodne poprzeczne 5 oraz podłużne 4, które wspólnie tworzą swego rodzaju ramę nośną kotła. Walczak górny l połączony jest z dolnym kolektorem rurami opadowymi 2 o znacznej średnicy. Rury te przebiegają poza komorę spalania, są zatem nie ogrzewane, co wpływa korzystnie na cyrkulację wody w kotle.
Woda zasilająca podawana jest do kotła z pompy zasilającej rurociągiem 18 przez jednostopniowy, trójsekcyjny wewnątrzkotłowy podgrzewacz wody 19a, b, c, skąd następnie przepływa do walczaka l.
Kocioł podzielony jest na dwie komory. Obie są całkowicie opromieniowane. Prawa, zgodnie z rys. 3.34, rurkami opromieniowanymi 6 biegnącymi wzdłuż ściany górnej bocznej zewnętrznej i dolnej, następnie rurkami biegnącymi wzdłuż ściany przedniej i tylnej (nie przedstawionymi na rys. 3.34) i wreszcie rurkami 5 od strony ściany wewnętrznej komory.
Wszystkie ściany są typu membranowego (por. rys. 3.13), co dodatkowo zwiększa intensywność wymiany ciepła w skutek dodatkowych nośników ciepła, jakimi są płytki membrany (poz. 3, rys. 3.13).
Przegroda membranowa 5 stanowi jednocześnie przegrodę dzielącą kocioł. W jej dolnej części rurki są tak ukształtowane (por. rys. 3.13b), że pozostaje swobodny przepływ dla strumienia spalin. Lewa komora opromieniowana jest boczną i dolną ścianą membranową złożoną z rurek 7. rurkami przegrody środkowej 5 od strony wewnętrznej i od góry oraz nie przedstawionymi na rysunku rurkami membranowych ścian — tylnej i przedniej.
Na drodze strumienia spalin, płynącego teraz ku górze, znajdują się sekcje przegrzewacza pierwszego i drugiego stopnia. Para nasycona przepływa z kotła rurociągiem 8 do kolektora dolotowego przegrzewacza pary. Z kolektora para przepływa rurkami 9 ku górze. Rurki te, zawieszone w górnej części komory na specjalnych ochładzanych rurach podtrzymujących (por. rozdz. 2.4), służą jednocześnie za zamocowania rurek sekcji przegrzewacza pary.
Z przegrzewacza pierwszego stopnia para dopływa do kolektora 12, skąd może płynąć bądź do rurek ochładzacza 13, bądź do kolektora dolotowego przegrzewacza pary drugiego stopnia 14 i dalej do sekcji przegrzewacza pary drugiego stopnia 16.
W czasie pracy kotła część pary przepływa zazwyczaj przez ochładzacz regulacyjny, a część płynie bezpośrednio do przegrzewacza drugiego stopnia. Od regulowanego automatycznie stosunku ilościowego tych dwóch przepływów zależy końcowa temperatura pary przegrzanej opuszczającej kocioł rurociągiem 17.
Palniki 21 umieszczone są w górnej, opromieniowanej całkowicie ścianie komory spalania. Do komory tej doprowadzane jest też ogrzewane parą w podgrzewaczu 22 powietrze.
W celu okresowego oczyszczania rurek przegrzewacza oraz wewnątrz-kotłowego podgrzewacza wody od sadzy lub innych zanieczyszczeń zainstalowane są cztery rzędy zdmuchiwaczy sadzy 20.
Rys. 3.35. Kocioł typu UFR z przegrzewaczem międzystopniowym i dodatkowym podgrzewaczem wody zasilającej
l - walczak parowo-wodny; 2 - walczak wodny; 3 - komora spalania; 4 - podgrzewacz wody zasilającej; 5 — dodatkowe sekcje podgrzewacza wody zasilającej; 6 - boczna ściana opromieniowana;
7,8 — przegrody membranowe; 9 — boczne ściany opromieniowane kanałów spalinowych; 10 — membranowa ścianka działowa kanału spalinowego; 11 — przegrzewacz podstawowy I°; 12 — przegrzewacz podstawowy II°; 13 — przegrzewacz międzystopniowy; 14 — palniki; 15—19 — klapy regulacyjne i uszczelniające; 20 — zdmuchiwacze sadzy
Z rurek 9 osuszona i wstępnie przegrzana para dostaje się do kolektora 10, stąd rozdzielana jest na rurki 11 sekcji przegrzewacza pary pierwszego stopnia.
Wprowadzenie międzystopniowego przegrzewacza pary w nowoczesnych siłowniach oraz dalsze podwyższanie zarówno parametrów pary, jak i wydajności głównych kotłów parowych zmusiło konstruktorów do przystosowania kotłów typu U do czekających je zadań, zwłaszcza w zakresie możliwości płynnej regulacji temperatur wody zasilającej na wlocie do kotła, pary przegrzanej pierwotnej i wtórnej we wszystkich stanach eksploatacyjnych obciążeń kotła.
Schemat takiego kotła, przedstawiono na rys. 3.35. Jest to kocioł typu UFR produkcji japońskiej, firmy Kawasaki. Parametry robocze tego kotła są bardzo wysokie i wynoszą: p = 10,3 MN/m2 (105 kG/cm2), a temperatura pary przegrzanej na wylocie zarówno z przegrzewacza podstawowego, jak i międzystopniowego wynosi 525°p. Wydajności sięgają do 140 t/h.
Prezentowane kotły przystosowane są do pracy w siłowniach turbinowych w tak zwanych układach „półtora-kotłowych" (por. rozdz. 4.1), musi je zatem cechować duża niezawodność działania i duża elastyczność przy zmianach obciążeń.
Wnętrze kotła podzielone jest na cztery części. Pierwszą z nich stanowi całkowicie opromieniowaną komora spalania A, w górnej części której umieszczone są palniki 14. Spaliny, po przejściu między rurkami dolnej części membranowej przegrody 7 i 8, wpływają do dwóch wznoszących się kanałów B i C również całkowicie opromieniowanych ekranowymi ścianami membranowymi 9 oraz membranową ścianką działową 20. W kanałach tych umieszczone są przegrzewacze dwustopniowy 11 i 12, podstawowy i międzystopniowy 13, a powyżej przegrzewaczy podgrzewacz wewnątrzkotłowy wody zasilającej 4. Kanały mają w swych górnych wylotach klapy regulacyjne 15 i 16. Przez odpowiednie ich ustawienie następuje swobodny lub częściowo zdławiony przepływ spalin przez kanały B i C, a w zależności od tego zmieniła się temperatura przegrzania pary pierwotnej i wtórnej. Należy przy tym zwrócić uwagę, że nie przymknięcie klapy 16 w celu obnażenia temperatury pary opuszczającej, przegrzewacz międzystopniowy pociąga za sobą dodatkowo zmianę temperatury pary przegrzanej w przegrzewaczu podstawowym, bowiem część powierzchni ogrzewalnej przegrzewacza podstawowego znajduje się również w kanale C. Co prawda równocześnie zmieniają się warunki wymiany ciepła w kanale B ze względu ma zwiększoną ilość przepływających tym kanałem spalin i na zwiększoną zarazem prędkość przepływu tych spalin, niemniej niekiedy konieczna jest równoczesna zmiana położenia klapy regulacyjnej 15.
W przypadku zmniejszenia obciążenia klapy 16 i 17 zostają całkowicie zamknięte, co zostało zaznaczone przy opisie rys. 3.24c.
Ponieważ przy odcięciu przepływu spalin woda zasilająca dopływająca do kotła zostaje znacznie mniej podgrzana (w strumieniu spalin znajduje się tylko połowa podgrzewacza wewnątrzkotłowego 4), otwiera się klapa regulacyjna 19, umożliwiając przepływ spalin również kanałem D, w którym umieszczone są trzy sekcje 5 podgrzewacza wody (por. rys. 3.24c).
W kotłach tego typu zastosowany jest podgrzewacz regeneracyjny powietrza, którego powierzchnie wymiany ciepła pokryte są masą ceramiczną w celu ochrony przed korozją siarkową. Umożliwia to dość znaczne obniżenie temperatury gazów spalinowych na wylocie z kotła, a tym samym zwiększenie jego sprawności ogólnej.
Kotły stromorurkowe są najczęściej produkowane jako kotły o dużych wydajnościach i znacznych ciśnieniach. Umożliwiają to odporne na ciśnienie kształty walczaków i innych elementów konstrukcyjnych. Zajmują one stosunkowo mało miejsca na statku, szczególnie jeżeli chodzi o powierzchnię podstawy, bowiem konstrukcja ich jest, raczę j rozbudowana wzwyż. Masy jednostkowe, zależnie od wykonania, wynoszą 0,6—8,0 kg/(kg/h) pary.
Sprawność tych kotłów jest wysoka (rzędu 95—96%) dzięki rozbudowanej powierzchni ogrzewalnej, ekranowanym komorom spalania i dużym prędkościom gazów spalinowych. Wydajności tych kotłów wynoszą przeciętnie 40—50 t/h, lecz mogą być w miarę potrzeby znacznie podwyższone (np. 90—150 t/h). Stosowane parametry pary zależą głównie od rodzaju produkowanych w danym kraju turbin i dochodzą do 5,29—10,3 MN/m2 64—105 kG/cm2) i 480—515°C.
Konstrukcja kotłów o pionowych rurkach umożliwia teoretyczne zwiększenie parametrów pary aż do 15,7—17,66 MN/m2 (160—180 kG/cm2) i 550°C, a nawet wyżej, jednakże produkowanie pary o tak wysokim ciśnieniu i temperaturze wysmaga stosowania bardzo drogich, wysokogatunkowych stali zarówno w kotłach, jak ii w turbinach.
Dalsze zwiększanie sprawności produkowanych kotłów okrętowych powinno odbywać się kosztem obniżania temperatury gazów uchodzących z kotła (pamiętać jednak należy o niebezpieczeństwie przekroczenia punktu rosy), polepszenia izolacji kotła, które zmniejsza straty na promieniowanie, oraz polepszenia, spalania dla uniknięcia strat powstających przy spalaniu niezupełnym.
Kotły stromorurkowe dużych wydajności produkuje się najczęściej jako urządzenie zautomatyzowane, co umożliwia zmniejszenie liczebności obsługi, ale równocześnie wymaga od załogi znacznie wyższych kwalifikacji zawodowych. Kotły te są bardzo elastyczne w eksploatacji, a czas ich przygotowania do pracy jest krótki i wynosi — w zależności od konstrukcji — ok. 2—2,5 h.
3.3.4. Kotły z przymusową cyrkulacją wody
Wszystkie dotychczas opisywane kotły mają naturalną cyrkulację wody (rozdz. 3.3.1). Zmniejszenie masy i rozmiarów kotłów z naturalną cyrkulacją jest ograniczone stosunkowo małą prędkością wody przepływającej przez rurki. Prędkość ta, zwana prędkością cyrkulacji, zależy od różnicy ciężarów właściwych wody w pękach rurek opadowych i wznoszących, i wynosi ok. 0,3—1,5 m/s. Zwiększenie tej prędkości umożliwiłoby zwiększenie intensywności wymiany ciepła między gazami spalinowymi i wodą, a tym samym umożliwiłoby zwiększenie natężenia powierzchni ogrzewalnej.
Uzyskanie większych prędkości przepływu wody przy naturalnej cyrkulacji jest niestety niemożliwe, szczególnie dla wyższych parametrów pary, różnice bowiem ciężarów właściwych wody i mieszaniny parowo-wodnej w wyższych zakresach ciśnień są nieznaczne, a co za tym idzie, nacisk wody ku górze, czyli ciśnienie hydrauliczne Hw (wzór 3.1) będzie również niewielkie.
Korzyści wynikające ze zwiększenia prędkości przepływu cieczy przez opłomki ilustruje poniższe zestawienie. Ukazuje ono zależności współczynnika przejmowania ciepła od prędkości cieczy, jak również od średnicy opłomek
ŚRRDNICA OPOŁOMEK |
ν[m/s] |
α[W/m2 C°] |
80 mm
30 mm |
6 10 6 10 |
35,3 50,0 47,8 68,0 |
Jak wynika z powyższego zestawienia, współczynnik α rośnie zarówno w wypadku zwiększenia prędkości przepływu, jak też i w wypadku zmniejszenia średnicy opłomek. Zmniejszenie jednakże średnicy opłomek, mimo że daje jeszcze dodatkowe korzyści w postaci zwiększenia powierzchni ogrzewalnej, jaką możemy zmieścić w tych samych gabarytach, powoduje znaczne zwiększenie oporów przepływu. Zjawisko to prowadzi do zmniejszenia prędkości cyrkulacji, a więc ii do zmniejszenia współczynnika przejmowania ciepła.
Jedynym sposobem zmniejszenia gabarytów kotła lub ich zmiany, jak również polepszenia warunków wymiany ciepła, jest zastosowanie cyrkulacji przymusowej przez wprowadzenie dodatkowej pompy, tak zwanej pompy c y r k u l a c y j n e j. Za jej pomocą zwiększamy prędkość przepływającej przez rurki wody jak również pokonujemy dodatkowe opory powstałe wskutek na przykład zmniejszenia średnicy rurek czy też innego, niż w kotłach z naturalną cyrkulacją, ich ułożenia wewnątrz kotła.
Typowym przykładem kotła o przymusowej cyrkulacji jest kocioł La Monta (rys. 3.36). Walczak parowo-wodny l jest umieszczony na zewnątrz, poza przewodem kominowym. Woda z tego walczaka zasysana jest przez jedną z dwóch pomp obiegowych 2. Strumień tłoczonej cieczy rozdziela się na dwie części. W jednej, przez kolektor rozdzielczy , płynie woda na sekcję I rurek opromieniowanych tworzących ekran w komorze spalania, skąd przez kolektor zbiorczy 5 wraca do walczaka l w postaci mieszaniny parowo-wodnej.
Rys. 3.36. Schemat kozła La Monta l — walczak parowo-wodny; 2 — pompy obiegowe;
3 — pompa zasilająca; 4 — kolektor rozdzielczy; 5 — kolektor zbiorczy; 6 — zawór zasilający; 7,8 — kolektory rozdzielczy i zbiorczy II sekcji rurek konwekcyjnych; 9, 10 — kolektory zbiorczy i rozdzielczy przegrzewacza pary III; 11,12 — kolektory rozdzielczy i zbiorczy podgrzewacza wody; .13 — odlot pary z kotła; 14, 15, 16 — zawory; 11 — rurociąg omijający przegrzewacz pary; I — sekcja rurek opromieniowanych; II — sekcja rurek konwekcyjnych; III —przegrzewacz pary; IV — podgrzewacz wody zasilającej
W drugiej natomiast — przez kolektor rozdzielczy 7 do sekcji II rurek konwekcyjnych, a następnie przez kolektor zbiorczy 8 mieszanina parowo-wodna dostaje się do walczaka l.
Woda zasilająca podawana jest pompą zasilającą 3, która tłoczy wodę przez rurki wewnątrzkotłowego podgrzewacza (ekonomizera) IV. Przed i za podgrzewaczem ustawione
są kolektory rozdzielczy i zbiorczy 11 i 12. Para wytworzona w kotle może być odprowadzona na zewnątrz jako para nasycona przewodem 17 i 13 lub też do przegrzewacza III przez kolektory: rozdzielczy l 0 i zbiorczy 9 i dopiero potem na zewnątrz, rurociągiem 13.
Zawory przelotowe 14 i 15 służą do ochrony rurek podgrzewacza wody IV i przegrzewacza III w trakcie rozpalania kotła, ponieważ wówczas jeszcze rurki te są wewnątrz puste i mogłyby łatwo — jako nie chłodzone — ulec przepaleniu. W tym celu w trakcie, rozpalania kotła otwiera się zawory 15 i 14 i puszcza przez rurki przegrzewacza i podgrzewacza wodę obiegową, która wraca do walczaka l.
Rys. 3.37. Rozwinięcie wnętrza kotła La Monta l — ściana czołowa komory spalania; 2 — ściana tylna komory; 3 — ściana prawa komory; 4 — ściana lewa komory; 5 — ściana dolna komory spalania; 6 — dolne rurki konwekcyjne; 7 — górne rurki konwekcyjne; 8 — walczak parowo-wodny; 9 — kolektor rozdzielczy; 10 — kolektor zbiorczy; 11 — pompa cyrkulacyjna
Na rys. 3.37 pokazano schemat cyrkulacyjny kotła La Monta, firmy angielskiej John Thompson Water Tube Boilers Ltd. Jest to kocioł produkujący 19 t/h pary o parametrach 3,25 MN/m2 (33 kG/om2) i 420°C. Wnętrze kotła przedstawione jest w rozwinięciu (w rozłożeniu na boki) ścian komory spalania. Woda cyrkulacyjna dostarczana z walczaka parowo-wodnego 8 przez pompę cyrkulacyjna 11 do kolektora rozdzielczego 9 rozdziela się na trzy strumienie. Jeden z nich tworzy ekran na podłodze 5 komory spalania, następnie na prawej ścianie 3, by z kolei przejść w pęk dolnych rurek konwekcyjnych 6 i ostatecznie w pęk górnych rurek konwekcyjnych 7, skąd mieszanina parowo-wodna powraca do walczaka 8. Drugi strumień wody przechodzą, przez pionowe rurki ekranowe lewej ściany 4 komory spalania i, podobnie jak poprzednio, przez dwa pęki rurek konwekcyjnych 6 i 7. Trzeci strumień omywa ścianę tylną 2 komory, przy czym (pięciokrotnie zmienia swój kierunek i po opuszczeniu rurek ekranowych dochodzi do kolektora zbiorczego 10, skąd w postaci mieszaniny parowo-wodnej powraca do walczaka 8.
W kotłach La Monta za każdym przepływem wody przez wszystkie rurki wytwarzane jest zaledwie ok. 12—17% ilości pary produkowanej w kotle w czasie l h. Stąd wniosek, że wydajność pompy cyrkulacyjnej Qc w kotle omawianego typu powinna być 6—8 razy większa niż wydajność pompy zasilającej kocioł Qz, która równa się wydajności kotła D. Kotły o cyrkulacji przymusowej, w których zachodzi taka zależność, nazywamy kotłami o cyrkulacji w i e l o k r o t n e j. Ciśnienie wytwarzane przez pompę cyrkulacyjną powinno dość znacznie przekraczać ciśnienie panujące wewnątrz walczaka kotła La Monta, aby pokonać wszelkie opory, jakie może napotkać woda i mieszanina parowo-wodna W czasie przepływu przez rurki opromieniowane i konwekcyjne. Ponieważ pompa cyrkulacyjną pracuje w bardzo niekorzystnych warunkach, gdyż temperatura zasysanej wody jest zbliżona do temperatury wrzenia w danym ciśnieniu, aby więc ułatwić pompie cyrkulacyjnej pracę zasysania, ustawia się ją zwykle kilka metrów (4—6 m) niżej od powierzchni wody w walczaku parowo-wodnym. Pompa pracuje wówczas z napływem cieczy. Zużycie pary na napęd pompy cyrkulacyjnej nie powinno przekraczać 1% ilości produkowanej pary w kotle.
Współcześnie produkuje się kotły La Monta o wydajności do 65—80 t/h i parametrach pary wynoszących 0,59 MN/m2 (60 kG/cm2) i 5100 Znajdują one zastosowanie jako główne kotły na turbinowych statkach pasażerskich (np. cztery takie kotły ustawione są na statku pasażerskim „Flan-dre") lub dużych zbiornikowcach. Poza tym są one również stosowane w mniejszym wykonaniu — jako kotły pomocnicze na statkach z napędem zarówno parowym, jak i spalinowym (rozdz. 4).
Zaletami kotłów La Monta są:
nieduża masa i gabaryty w stosunku do wydajności [4—2 kg/(kg/h) pary],
krotki czas przygotowania do pracy '(15—20 min),
duża elastyczność,
łatwość wbudowania w kadłub statku, ze względu na dużą swobodę rozplanowania przebiegu rurek wewnątrz kotła oraz kształtu komory spalania i przewodu kominowego.
Do wad kotłów La Monta należy zaliczyć bardzo wysokie wymagania odnośnie do wody zasilającej i konieczność stosowania dodatkowych mechanizmów, jakimi są przede wszystkim pompy cyrkulacyjne o stosunkowo dużej wydajności (np. przy kotle o D = 64 t/h pompa cyrkulacyjna ma Qc = 360—480 t/h). Również rozpalanie kotła nie może odbyć się bez podania z zewnątrz energii do napędu pompy w czasie, gdy kocioł nie zaczął jeszcze produkować pary.
3.3.5. Kotły przepływowe
Kotły przepływowe, są kotłami wodnorurkowymi o wymuszonej cyrkulacji, z tym że rolę pompy obiegowej spełniła tu pompa zasilająca. W kotłach przepływowych powierzchnie ogrzewalne podgrzewacza wody, parownika i przegrzewacza pary są połączone szeregowo woda zasilająca, podawana przez pompę zasilającą, przepływa kolejno przez te powierzchnie przechodząc ze stanu ciekłego w parę nasyconą, która następnie, podlega przegrzaniu.
Schemat ideowy kotła przepływowego przedstawiono na rys. 3.38. Jak wynika ze schematu, ilość pary przegrzanej pobieranej z kotła w jednostce czasu musi być równa ilości wody zasilającej podawanej pompą 1, w takiejże jednostce czasu, a zatem wielokrotność cyrkulacji wynosi l. W kotle przepływowym brak jest takiego podstawowego elementu każdego kotła wodnorurkowego, jakim jest walczak parowo-wodny, który; oddziela część podgrzewającą i część odparowania kotła od części przegrzewania pary. O ile zatem w innych typach kotłów wodnorurkowych — zarówno z naturalną jak i wymuszoną cyrkulacją — wiadomo jest, w którym miejscu urządzenia kotłowego kończy się proces parowania, o tyle w kotle przepływowym zajmuje ono zmienne położenie. Miejsce, w którym kończy się proces parowania, jest przekrojem rury powierzchni ogrzewalnej, od którego począwszy płynie dalej sama para nasycona bez domieszek wody. Przekrój ten oznaczono na rys. 3.38 jako KP.
Rys. 3.38. Schemat kotła przepływowego 1 — pompa zasilająca; 2 — podgrzewacz wody I°; 3 — podgrzewacz wody II°; 4 — rury parownika; 5 — przegrzewacz pary I°; 6 — przegrzewacz pary II°; 7 — palnik; 8 — termostat; 9 — zawór wtrysku wody do pary przegrzanej
Położenie przekroju KP zależy od stosunku podawanej do kotła wody zasilającej do ilości doprowadzonego ciepła w postaci spalin spalonego w kotle paliwa. Zmiana stosunku tych dwóch wielkości pociąga za sobą zmianę położenia przekroju PP (początek parowania), przekroju KP oraz zmianę końcowej temperatury przegrzania pary.
Tak więc zmniejszenie ilości wody zasilającej podawanej do kotła przepływowego przy stałym obciążeniu cieplnym powierzchni ogrzewalnych „skraca” niejako długość wężownicy, wewnątrz której odbywa się parowanie (odcinek PP—KP jest wtedy krótszy, bo do odparowania mniejszej ilości wody trzeba mniejszej ilości ciepła). Dodatkowo przekrój PP przesuwa się bliżej pompy zasilającej, ponieważ do ogrzania mniejszej ilości wody od temperatury zasilania do temperatury wrzenia potrzeba również mniejszej ilości ciepła. Tym samym jednocześnie ,,wydłuża” się odcinek. wężownicy, w którym następuje przegrzanie pary i temperatura przegrzania produkowanej pary wzrasta. Odwrotna sytuacja zachodzi przy zwiększeniu ilości podawanej do kotła wody zasilającej przy stałym obciążeniu cieplnym.
Podobne konsekwencje pociąga za sobą zmiana temperatury wody zasilającej przed podaniem jej do kotła oraz zmiana obciążenia cieplnego powierzchni ogrzewalnych, czyli zmiana intensywności opalania kotła.
Regulację zgrubną temperatury pary przegrzanej w kotłach przepływowych przeprowadza się zatem zmianą stosunku ilości wody zasilającej do ilości doprowadzonego ciepła. Dokładniejszą regulację uzyskuje się |przez dozowany automatycznie wtrysk wody do pary przegrzanej. Schemat takiego urządzenia sterowanego termostatem 8 przedstawiono na rys. 3.38.
Przebieg pracy kotła przepływowego na wykresie I—p przedstawiono na rys. 3.39. Teoretycznie — bez uwzględnienia spadków ciśnienia — obraz pracy kotła przedstawia izobara A—B—C—D o ciśnieniu p < pkr = 17,17 MN/m2 (175 kG/cm2). Punkt A obrazuje stan wody zasilającej na wlocie do podgrzewacza wody o temperaturze t2, która jest zazwyczaj funkcją ciśnienia roboczego (prosta oznaczona symbolem tz). W punkcie B rozpoczyna się proces parowania i punkt ten odpowiada punktowi PP s na schemacie 3.38. Koniec parowania ma miejsce w punkcie C, gdy stopień suchości pary osiąga wartość x = l. Odpowiada to punktowi KP na rys. 3.38. Na wylocie z kotła para osiąga parametry określone punktem D odpowiadające temperaturze pary przegrzanej tpp = 510°C.
W rzeczywistości przepływająca przez kocioł woda, mieszanina parowo-wodna i para napotykają na opór w rurkach i dlatego w czasie przepływu następuje spadek ciśnienia Δp = pA - pD . Przebieg pracy kotła przedstawia na wykresie prosta A'—B'—C'—D', w przypadku gdy stopień nachylenia prostej obrazującej pracę kotła na wykresie l—p jest zmienny.
Rys. 3.39. Obraz pracy kotła przepływowego o ciśnieniu 'podkrytycznym na wykresie I-p.
Kotły przepływowe buduje się dla bardzo wysokich ciśnień pary, oscylujących wokół ciśnienia krytycznego wynoszącego 22,1 MN/m2 (225 kG/cm2).
Przy stosowaniu ciśnień krytycznych lub nadkrytycznych, przy których objętość właściwa wytwarzanej pary równa jest objętości ogrzewanej wody kotłowej można stosować stały przekrój rurek tworzących powierzchnię ogrzewalną. W takim przypadku powierzchnia ogrzewalna kotła składa się tylko z podgrzewacza wody ii przegrzewacza pary. Nie ma natomiast parownika, w którym przepływałaby mieszanina parowo-wodna (woda oraz pęcherzyki tworzącej się pary) o zmieniającym się wzdłuż parownika stosunku objętościowym obu tych faz. Uproszczony schemat kotła przepływowego pracującego przy ciśnieniu krytycznym lub nadkrytycznym pokazano na rys. 3.40.
Teoretyczny obraz pracy kotła przepływowego o ciśnieniu krytycznym przedstawia izobara E—F {rys. 3.41). Ze względu na opory przepływu, obraz pracy kotła przedstawia prosta E'—F', która powinna przebiegać przez punkt krytyczny K, gdzie woda zmienia stan skupienia.
W przypadku kotła przepływowego pracującego przy ciśnieniu nadkrytycznym obraz pracy przedstawiają odpowiednio proste G—H oraz G' —H'.
Ponieważ stosowanie ciśnień krytycznych i nadkrytycznych w przypadku okrętowych kotłów parowych napotyka rozmaite trudności, buduje się kotły przepływowe o ciśnieniach niższych niż krytyczne.
Rys. 3.40. Schemat kotła przepływowego o ciśnieniu roboczym 22,1 MN/m2 (225 kG/cm2)
l — pompa zasilająca; 2 — podgrzewacz wody I°; 3 — podgrzewacz wody II°; 4 — przegrzewacz pary I°; 5 — przegrzewacz pary II°; 6 — palnik
W takim układzie należy uwzględnić zmieniającą się objętość właściwą mieszaniny parowo-wodnej podczas tworzenia się pęcherzyków pary. Aby zmniejszyć opory przepływu tej mieszaniny oraz wytworzonej pary, zwiększa się przekroje przepływu w kolejnych rurkach tworzących powierzchnie ogrzewalną parownika. Uzyskuje się to bądź przez zwiększenie średnicy opłomek, bądź przez równoległe włączanie większej liczby wężownic w obieg przepływu w kotle.
W kotłach przepływowych w przekroju, w którym kończy się proces odparowania (przekrój PK ma rys. 3.38), zachodzi odkładanie zanieczyszczeń wody zasilającej pozostałych po odparowaniu. Jeżeli przekrój PK przesuwa się wzdłuż rurociągu przepływowego wraz ze zmianą obciążenia, jak wspomniano uprzednio, osady te rozkładają się bardziej lub mniej równomiernie na pewnej długości rurek parownika, a gdy wydajność kotła i stosunek zasilania do obciążenia cieplnego powierzchni ogrzewalnej są wielkościami stałymi, osady skupiają się w jednym miejscu. Wymaga to kłopotliwego płukania kotła połączonego z jego wyłączeniem (odstawieniem) z pracy. Z tego powodu stosuje się nieraz w kotłach przepływowych oddzielacze wody, zwane separatorami wilgoci, albo niewielkie walczaki, które zwiększają pojemność wodną (kotła i jego zdolności akumulacyjne. Przy zastosowaniu oddzielacza wody lub walczaka, w kotle przepływowym następuje wyraźne oddzielenie powierzchni ogrzewalnej parownika od powierzchni ogrzewalnej przegrzewacza pary.
Rys. 3.41. Obraz pracy kotłów przepływowych o ciśnieniu >22,1 M.N/m2 (225 kG/cm2) na wykresie I—p
Rys. 3.42. Kocioł przepływowy typu Sulzer.
l — pompa zasilająca; 2 — podgrzewacz wody; 3 — powierzchnia opromieniowana parownika; 4 — powierzchnia konwekcyjna parownika za przegrzewaczem; 5 — powierzchnia konwekcyjna parownika przed przegrzewaczem; 6 — oddzielacz wody (separator wilgoci); 7 — przegrzewacz pary; S — spust wody z oddzielacza; 9— palnik; 10 — podgrzewacz powietrza
Na rys. 3.42 przedstawiony jest kocioł przepływowy typu Sulzer. Jest to kocioł pracujący na ciśnienie niższe od krytycznego, a do jego przepływu wstawiony jest oddzielacz wody. Pompa zasilająca 1 podaje wodę do wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody 2 umieszczonego w strefie ochłodzonych już spalin. Podgrzana woda przepływa następnie do kolektorów rozdzielczych, gdzie rozdzielona jest ma szereg równolegle po-
łączonych w obieg wężownic tworzących opromieniowane ekrany 3 komory paleniskowej. Ekrany stanowią pierwszy stopień parownika.
Mieszanina parowo-wodna przetłaczana jest następnie do wężownic 4 parownika umieszczonych ponad przegrzewaczem, w strumieniu chłodniejszych spalin, a następnie do wężownic 5 w strumieniu spalin gorących. Tu kończy się proces odparowania i para zawierająca już tylko nieliczne krople wody (stopień suchości x = 0,95—0,98) doprowadzona jest do oddzielacza wody 6. Wewnątrz oddzielacza następuje osuszanie pary,. a oddzielona woda zawiera wszelkie zanieczyszczenia wody zasalającej. Niewielka ilość wody pozostała w oddzielaczu, o znacznej procentowo zawartości zanieczyszczeń, zostaje odprowadzona rurociągiem 8.
Ostatnim wymiennikiem ciepła na drodze spalin opuszczających kocioł jest podgrzewacz powietrza 10.
Klasycznym przykładem okrętowego parowego kotła przepływowego typu Bensona jest kocioł przedstawiony na rys. 3.43. Jest to kocioł zbudowany przez stocznię Blohim & Voss w Hamburgu w 1930 roku z przeznaczeniem ma statek handlowy „Uckermark". Ciśnienie robocze w kotle wynosi 24,53—22,1 MN/m2 (250—225 kG/cm2), czyli kocioł pracuje w obszarze ciśnień nadkrytycznych. Jest to trójprzepływowy kocioł z palnikami umieszczanymi |w ścianie frontowej i spalinowym — również trójprzepływowym — podgrzewaczem powietrza. Powierzchnia ogrzewalna kotła składa się z pięciu oddzielnych części. Trzy z nich — konwekcyjne — tworzą podgrzewacz I° — (poz. l) i II° — (poz. 2) oraz przegrzewacz pary 6. Pozostałe dwie to opromieniowane ekrany 2 i 4 komory spalania.
Podczas przepływu czynnika przez rurki tworzące powierzchnie ogrzewalną ciśnienie spada wskutek oporów od 24,53 MN/m2 (250 kG/om2) na wlocie do podgrzewacza I° do 22,1 MN/lm2 (225 kG/cm2) na wylocie z powierzchni opromieniowanej II°, czyli z końcowego fragmentu parownika. Para o ciśnieniu krytycznym 22,1 MN/m2 (225 kG/cm2) oraz temperaturze 410°C podlega następnie zdławieniu w zaworze 5 do ciśnienia 8.84 MN/m2 (90 kG/cm2). Temperatura spada przy tym do 310°C. Para o lekkich parametrach podlega w przegrzewaczu 6 przegrzaniu do temperatury końcowej 360°C, a podczas jej przepływu przez rurki przegrzewacza ciśnienie spada wskutek oporów do 6,88 MN/m2 (70 kG/cm2).
Kotły podobnego typu zainstalowano ma statkach pasażerskich: „Potsdam", „Windhuk" i „Pretoria" i na kilku jednostkach niemieckiej marynarki wojennej. Mimo niewątpliwych korzyści, takich jak bardzo zwarta budowa przy dużej wydajności i niewielkie — jak na owe czasy — jednostkowe zużycie paliwa w siłowni (256 g/KMh), okrętowe kotły Ben-sona nie przyjęły się głównie ze względu na trudności związane z utrzymaniem wody zasilającej odpowiedniej jakości jak i na regulację kotłów. Być może w przyszłości znajdą one jeszcze zastosowanie w parowych siłowniach okrętowych.
Rys. 3.43. Kocioł przepływowy Bensona ze statku „Uckermark": a) perspektywiczny schemat kotła; b) rozwinięcie powierzchni ogrzewalnych oraz wykres ciśnienia i temperatury
l — podgrzewacz konwekcyjny wody zasilającej I°; 2 — powierzchnia opromieniowana I°; 3 — podgrzewacz konwekcyjny II°; 4 — powierzchnia opromieniowana II°; S — zawór redukcyjny; 6 — przegrzewacz pary; 7 — podgrzewacz powietrza; 8 — palniki
Na rys. 3.44 pokazano kocioł przepływowy typu Bensona z walczakiem. Kocioł ten pracuje również przy ciśnieniu podkrytycznym. Pompa zasilająca l podaje wodę przez wymiennik ciepła 7, w którym następuje wstępne podgrzanie wody, do wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody 2, gdzie zachodzi dalsze jej ogrzanie. Kolejne powierzchnie ogrzewalne przepływu wody to opromieniowane rurki ekranowe parownika 3 i konwekcyjne rurki parownika 4, które opuszcza para o stopniu suchości x = 0,9.
Rys. 3.44. Kocioł przepływowy typu Bensona z walczakiem. l — pompa zasilająca; 2 — podgrzewacz wody; 3 — powierzchnia opromieniowana parownika; 4 — powierzchnia konwekcyjna parownika; 5 — walczak; 6 — przegrzewacz; 7 — wymiennik ciepła; 8 — podgrzewacz powietrza
Mieszanka parowo-wodna podlega w walczaku 5 separacji (możliwe to jest tylko dla ciśnień niższych od ciśnienia krytycznego). W celu zachowania stałego poziomu w walczaku 5 oddzielona tam woda w ilości ok. 10% wydajności pompy zasilającej l) zostaje odprowadzania do przewodu ssawnego pompy zasilającej, oddając po drodze swe ciepło podgrzania w wymienniku 7.
Ponieważ wskutek takiego obiegu wody w kotle Bensona wydajność pompy zasilającej musi być większa od wydajności kotła, mamy do czynienia z kotłem przepływowym z wymuszonym obiegiem o niewielkiej wielokrotności cyrkulacji. Wielokrotność ta wynosi ok. 1,1—1,2, w zależności od stopnia suchości pary dopływającej do walczaka, a więc pośrednio od obciążenia cieplnego powierzchni ogrzewalnej kotła.
Oddawanie ciepła przez wodę usuwaną z walczaka ima na celu — oprócz korzyści natury ekonomicznej — również zabezpieczenie pampy zasilającej l przed kawitacją. Niebezpieczeństwo powstawania kawitacji zachodzi szczególnie w wypadku, kiedy wskutek nagłego zwiększenia ilości pary pobieranej z kotła nastąpi chwilowy spadek ciśnienia w walczaku 5.
Ze względu na charakterystykę eksploatacyjną uruchamianie kotłów przepływowych jest znacznie bardziej skomplikowane niż innych kotłów wodnorurkowych zarówno z naturalną, jak i wymuszoną cyrkulacją. Główna trudność polega na tym, ze gdy w zimnym kotle zostanie uruchomiona pompa zasilająca, a jednocześnie rozpalone palniki kotła, to od razu musi być uruchomiony odbiór pary. W pierwszej fazie uruchamiania kotła woda w obiegu jest jedynie podgrzewana i nie ma możliwości ani jej magazynowania w obiegu, ani oczekiwania aż zostanie utworzona para. Odstawienie pompy zasilającej w okresie rozpalania jest niemożliwe, ponieważ wewnątrz rurek tworzących powierzchnie ogrzewalne kotła przepływowego nie zachodzi zjawisko cyrkulacji naturalnej.
Rys. 3.45. Schemat instalacji rozruchowej kotła przepływowego
l — pompa zasilająca; 2 — podgrzewacz wody zasilającej; 3 — powierzchnia opromieniowana parownika; 4 — powierzchnia konwekcyjna parownika; 5 — przegrzewacz pary; 6 — turbina główna; 7 — skraplacz; 8 — zawór redukcyjny; 9 — ochładzacz wtryskowy; 10 — zawór regulacyjny wody wtryskowej
Na rys. 3.45 pokazano schemat instalacji rozruchowej kotła przepływowego. Jest ona wyposażona w obieg bocznikowy odprowadzający parę do skraplacza 7 w okresie rozruchu. W obiegu bocznikowym znajduje się ochładzacz wtryskowy pary 9 i zawory redukcyjny 8 oraz regulacyjny wody wtryskowej 10.
Przy rozruchu kotła woda zasilająca, w ilości około połowy maksymalnej wydajności kotła, przetłaczana jest przez rurki powierzchni ogrzewalnej kotła i przewodem bocznikowym — z ominięciem turbiny — do skraplacza. W pierwszej fazie uruchamiania kotła woda jest tylko podgrzewana, a następnie otrzymuje się parę o niewielkim stopniu przegrzania. W tym okresie w obiegu bocznikowym obniża się ciśnienie pary w zaworze redukcyjnym 8, a w ochładzaczu obniżana jest jej temperatura. Para ta zostaje w dalszym ciągu odprowadzona do skraplacza. Dopiero gdy parametry produkowanej w kotle pary osiągną wartości robocze, skierować ją można do turbiny głównej 6, zamykając zawór 8.
Układ rozruchowy może być również wykorzystany przy manewrach i związanych z tym silnych wahaniach w zapotrzebowaniu pary przez turbinę napędową. Przy okresowo nadmiernej wydajności kotła w stosunku do aktualnego zapotrzebowania otwiera się częściowo zawór 8 i nadmiar pary po obniżeniu ciśnienia i ochłodzeniu kieruje się bezpośrednio do skraplacza.
Zaletą kotłów przepływowych jest możliwość budowy kotłów na ciśnienie wyższe od krytycznego, duża swoboda konstrukcyjna w kształtowaniu powierzchni ogrzewalnej kotła. Mają one bardzo małą masę jednostkową wynoszącą 0,6—2,5 kg/(kg h). Ich dużą zaletą eksploatacyjną jest bardzo krótki czas uruchamiania ze stanu zimnego wynoszący 15—30 min.
Wadą kotłów przepływowych jest kłopotliwy rozruch wymagający dodatkowych urządzeń, duże wahania temperatury przegrzanej pary przy zmianach wydajności cieplnej urządzenia opalania kotła oraz duże wahania ciśnienia przy braku natychmiastowej synchronizacji dopływu wody zasilającej z natężeniem poboru pary.
3.4. Kotły kombinowane płomieniówkowo-opłomkowe
Kotły kombinowane łączą niektóre zalety kotłów płomieniówkowych i wodnorurkowych. Składają się one niejako z dwóch części. Przednia część to kocioł walczakowy — płomieniówkowy, tylna zaś — to część wodnorurkowa.
Kotły kombinowane używane są jako kotły główne na mniejszych statkach starszej konstrukcji (np. polskich B-32) przy niewysokich parametrach pary [ok. 1,57 MN/m2 (16 ,kG/cm2) i 325°C]. Sprawność kotłów tego typu jest niezbyt duża (80—84%) ze względu na stosunkowo wysoką temperaturę uchodzących gazów spalinowych, jak również nieznaczne prędkości wody cyrkulującej.
Do zalet kotłów kombinowanych należy zaliczyć ich zdolność do akumulowania ciepła dzięki dużej objętości wodnej (ok. 20 m3 wody przy D = 5 t/h), co powoduje wolne ostyganie d powolny spadek ciśnienia w odstawionym kotle.
Innymi korzystnymi cechami kotłów kombinowanych są: lepsza — w stosunku do kotłów płomieniówkowych — cyrkulacja maturalna wody,. krótszy czas przygotowania kotła do pracy (ok. 6—8 h) oraz większa elastyczność konstrukcji kotła dzięki wygiętym opłomkom kompensującym powstające naprężenia cieplne.
Z innej strony kotły kombinowane wymagają znacznie staranniejszego przygotowania wody kotłowej niż kotły płomieniówkowe ze względu na możliwość zatkania opłomek przez szlam czy osad kamienia kotłowego, co w efekcie może doprowadzić do przepalenia rurek. Czyszczenie kotła od strony wodnej jest trudniejsze, a tym samym załoga obsługująca kotły kombinowane powinna posiadać wyższe kwalifikacje niż w wypadku kotłów płomieniówkowych.
Kocioł kombinowany płomieniówkowo-opłomkowy typu Capus lub CapusPrudhon (rys. 3.46) w tylnej dennicy nad ostatnim rzędem płomieniówek ma zamocowane walczaki 6 o niewielkiej średnicy. W dolnej części tylnej dennicy — między płomienicami — znajdują się dwa dolne walczaki wodne 7. Walczaka 6 i 7 połączone są szeregiem wygiętych rurek 8, tworzących opromieniowane komory zwrotnej. Poszczególne komory są izolowane od siebie za pomocą ścian z cegły ogniotrwałej 5, umieszczonych między pękami rurek 8. Walczaki 6 a 7 oraz pęki rurek 8 tworzą część wodnorurkowa kotła kombinowanego. W płomieniówkach 3 lub między opłomkami 8 umieszczone są przegrzewacze pary. W komorze dymowej znajdują się wewnątrzkotłowy podgrzewacz wody zasilającej i podgrzewacz powietrza.
Część płomieniówkowa kotła jest izolowana, podobnie jak w kotłach walczakowych, część wodnorurkowa — obudowana cegłą szamotową i z zewnątrz izolowana.
W kotle typu Howden-Johnson (rys. 3.47) część wodnorurkowa tworzą wygięte w kształcie litery ,,C" rurki 6, zamocowane w tylnej dennicy walczaka nad górnym rzędem płomieniówek swą górną częścią, dolna zaś — wzdłuż łuku dolnej krawędzi dennicy.
Opłomki tworzą w ten sposób jedną wspólną dla trzech płomienie ekranową komorę zwrotną. Przebieg spalin pokazany jest strzałkami.
Rys. 3.46. Kocioł typu Capus-Prudhon
1 — korpus kotła; 2 — płomienica; 3 — płomieniówki; 4 — ściąg; 5 — przegroda z cegły ogniotrwałej; 6 — górne walczaki wodne; 7 — dolne walczaki wodne; S — pęki rur wodnych
Rys. 3.47. Kocioł typu Howden-Johnson
l — korpus kotła; 2 — płomienice; 3 — płomieniówki; 4 — ściąg wzmacniający; 5 — przegrzewacz pary; 6 — opłomki; 7 — podgrzewacz powietrza.
3.5. Kotły specjalne
Kotły d w u o b i e g o w e. W kotłach tego typu znajdują się dwa obiegi. Jeden z nich służy jedynie do transportu ciepła koniecznego do odparowania czynnika w drugim obiegu.
Jednym z kotłów dwuobiegowych jest kocioł typu Schmidta-Hartmanna. Składa się on z dwóch obiegów: jednego wysokociśnieniowego zamkniętego i drugiego — najczęściej średniociśnieniowego — roboczego.
Zasada działania i schemat połączeń kotła pokazano na rys. 3.48. Obieg pierwszy stanowią dwa walczaki: l — parowo-wodny i 2 — wodny, połączone stromymi rurkami opromieniowano-konwekcyjnymi. W obiega woda, najczęściej destylowania, cyrkuluje pod wpływem różnicy ciężarów właściwych (cyrkulacja naturalna). Para nasycona wytworzona w obiegu pierwszym przechodzi do rury grzewczej 3 i oddaje swe ciepło wodzie znajdującej się w walczaku parowo-wodnym obiegu drugiego 4. W obiegu drugim pompa zasilająca 5 tłoczy wodę przez wewnątrzkotłowy podgrzewacz wody 6 do wnętrza walczaka 4. W walczaku pobierane jest ciepło parowania pary obiegu pierwszego i wskutek tego następuje odparowanie wody w obiegu drugim. Skroplona para obiegu pierwszego wraca rurą opadową 3a do dolnego walczaka 2, a para robocza wytworzona w walczaku 4 przechodzi do przegrzewacza 7 i dalej do odbiornika. Do zachowania różnicy temperatur umożliwiającej wymianę ciepła między dwoma obiegami konieczna jest różnica ciśnień obu obiegów.
Rys. 3.48. Kocioł dwu obiegowy Schmidta-Hartmanna l — walczak parowo-wodny; 2 — walczak wodny; 3 — rura grzewcza; 3a — rura opadowa; 4 — walczak parowo-wodny obiegu drugiego; 5 — pompa zasilająca; 6 — podgrzewacz wody; 7 — podgrzewacz; 8 — palnik
Zalety kotła to bezpieczeństwo pracy i duży stopień bezawaryjności. W obiegu pierwszym, którego rurki opromieniowane i konwekcyjne omywane są gorącymi spalinami, krąży w ustalonej ilości woda destylowania, pozbawiona wszelkich szkodliwych domieszek, a więc nie może nastąpić przepalenie tych rurek. W obiegu .drugim, gdzie woda wracająca jako skropliny może mieć zanieczyszczenia, osadzanie się na rurkach grzewczych 3 kamienia lub osadu nie spowoduje również przepalenia materiału z powodu stosunkowo mię wielkie temperatury czynnika grzewczego.
Wady kotła większa masa kotła i większe gabaryty oraz większa bezwładność przy zmianie obciążenia.
Kotły o spalaniu p o d c i ś n i e n i e m. Spalanie paliwa w ciśnieniach wyższych niż atmosferyczne zwiększa intensyfikację procesu przejmowania ciepła wskutek umożliwienia wzrostu obciążenia komory spalania oraz znacznego zwiększenia prędkości przepływu gazów spalinowych. Ciśnienie spalania wynosi 0,197—0,295 MN/m2 (2—3 kG/cm2).
W kotle o spalaniu pod ciśnieniem (rys. 3.49) woda zasilająca podawana na jest przez podgrzewacz l umieszczony w przewodzie kominowym na drodze gazów spalinowych.
Rys. 3.49. Kocioł typu Vetox l — podgrzewacz wody; 2 — oddzielacz; 3 — pompa cyrkulacyjna; 4 — komora spalania; 5 — rurki konwekcyjne; 6 — przegrzewacz; 7 — turbina gazowa; 8 — sprężarka osiowa; 9 — elektryczny silnik rozruchowy; 10 — przepustnica spalin; 11 — palnik
Z podgrzewacza woda wtłaczana jest do oddzielacza 2, skąd pobiera ją pompa cyrkulacyjna 3 i tłoczy do rurek ekranowych znajdujących się w komorze paleniskowej 4. Do regulowania odparowywania służy pęk rurek konwekcyjnych 5, którego intensywność ogrzewalnia zależy od ustawienia klapy przepustnicy spalin 10. Mieszanina parowo-wodna dostaje się do oddzielacza 2. Para nasycona przechodzi do przegrzewacza 6, a woda ponownie do obiegu. Spaliny uchodzące z kotła napędzają turbinę gazową 7, która sprzęgnięta jest ze sprężarką osiową 8, podającą sprężone powietrze do komory paleniskowej. Do rozruchu urządzenia oraz dodatkowej regulacji służy silnik elektryczny 9.
Prędkość gazów spalinowych w kotłach typu Velox dochodzi od 200—300 m/s w części odparowanej kotła, do 200 m/s w komorze przegrzewacza i ok. 100—120 m/s na podgrzewaczu wody zasilającej. Przy takich prędkościach współczynnik przenikania ciepła dochodzi do 290 W/(m2 °C), obciążenie komory paleniskowej do 11,6 106 W/m3 a sprawność 91—93%. Czas uruchomienia kotła jest bardzo krótki i wynosi zaledwie 5—8 min.
Potrzeba przewozu drogą morską zasobów gazu ziemnego i — w związku z tym — budowa specjalistycznych jednostek, czyli zbiornikowców do przewozu skroplonych gazów ziemnych stworzyły konieczność przystosowania kotłów okrętowych do spalania nowego rodzaju paliwa. W tym wypadku paliwem tym jest gaz ziemny w fazie lotnej. Opalanie kotłów paliwem gazowym wymaga odpowiedniego przystosowania kotłów do tego celu.
Płomień gazowy cechuje niższy stopień promieniowania cieplnego aniżeli płomień paliwa płynnego. Wpływa to w efekcie na temperaturę gazów spalinowych opuszczających komorę spalania. Zatem komory spalania w kotłach dwupaliwowych muszą być większe i mieć większą liczbę rurek opromieniowanych, czyli większa (powierzchnia ogrzewalna powinna mieścić się w komorze spalania dla przekazania tej samej ilości ciepła drogą promieniowania. Rurki przegrzewacza pary, tworzącego powierzchnię konwekcyjną wymiany ciepła, powinny bowiem znajdować się w strumieniu częściowo już ochłodzonych spalin.
Ponieważ gaz ziemny tworzy w pewnych warunkach mieszaninę wybuchową z powietrzem (5,3—14% objętości par gazu ziemnego w powietrzu) wnętrze kotła dwupaliwowego powinno być tak zaprojektowane, aby uniknąć wszelkich kieszeni, w których mogłoby zachodzić gromadzenie się nie spalonego gazu.
W celu zapobieżenia przedostawaniu się paliwa gazowego do pomieszczenia siłowni okrętowej stosuje się następujące zabiegi. Rurociągi zasilania palników kotłowych sprężonymi i odpowiednio podgrzanymi parami gazu ziemnego prowadzone są wewnątrz rurociągów osłonowych. Przestrzeń między dwoma rurociągami wypełniona jest gazem obojętnym o ciśnieniu wyższym niż ciśnienie gazu opałowego. W tym samym celu na zaworach rurociągów doprowadzających gaz umocowane są dobrze wentylowane kołpaki.
Korpus kotła jest typu dwuściennego. Część wewnętrzną stanowią komora spalania i kanał przepływu spalin. Tam też mogą znajdować się jakieś nie spalone pozostałości gazu ziemnego. Część gazowo-spalinową otacza obudowa zewnętrzna. Między dwiema obudowami znajduje się kanał powietrzny. Przepływa nim cała ilość powietrza podawana następnie do kotła w celu spalania paliwa. Powietrze to jest podgrzewane umieszczonym w kanale parowym podgrzewaczem. Zapobiega ono jednocześnie ewentualnemu wydzielaniu się nie spalonego gazu ziemnego na zewnątrz w przypadku uszkodzenia obudowy wewnętrznej tzw. gazowej części kotła.
Pierwsze kotły dwupaliwowe na zbiornikowcach do przewozu skroplonego gazu ziemnego weszły do eksploatacji w 1964 roku ma statkach „Methane Princess" i „Methane Progress". Były to odpowiednio przystosowane kotły typu ESD firmy brytyjskiej Foster Wheeler — John Brown. Następnie zastąpiły je kotły ulepszanego typu ESD III.
Stosowanie paliwa gazowego wynika głównie z konieczności wykorzystania par przewożonego ładunku. Dodatkową korzyścią natury eksploatacyjnej jest utrzymywanie w czystości przez dłuższy czas powierzchni ogrzewalnych kotłów opalanych gazem, co wynika z braku w gazie ziemnym szkodliwych dodatków. Ważnym czynnikiem jest też brak korozyjnego oddziaływania produktów spalania, co wynika z braku zanieczyszczeń gazu metalami wywołującymi wysokotemperaturową korozję elementów kotła.
Na rys. 3.50 przedstawiono schematycznie przekrój kotła typu ESD III firmy Foster Wheeler —John Brown. Na rysunku tym wyraźnie widać uszczelniający kanał powietrzny 6 znajdujący się między zewnętrznym i wewnętrznym poszyciem kotła, w którym umieszczony jest najczęściej parowy podgrzewacz powietrza.
Rys. 3.50. Kocioł dwupaliwowy typu ESD III firmy Foster Wheeler — John Brown l — walczak parowo-wodny; 2 — całkowicie opromieniowana komora spalania; 3 — bandaż usztywniający szkielet kotła; t — palnik dwupaliwowy; 5 — regulatory powietrza; 6 — kanał powietrzny; 7 — izolacja termiczna l obudowa zewnętrzna kotła; 8 — przegrzewacz pary I°; 9 — przegrzewacz pary II°.
4. KOTŁY POMOCNICZE
Jak już uprzednio wspomniano, kotłami pomocniczymi na statkach nazywa się takie kotły, które produkują parę do innych celów niż zasilanie głównego silnika napędowego. Z tak ujętej definicji wynika, że kotły obu rodzajów, to jest kotły główne i pomocnicze, można spotkać jedynie na statkach z siłowniami parowymi (obecnie w praktyce znajdują się prawie wyłącznie na statkach z napędem parowym turbinowym), natomiast na statkach z napędem spalinowym każdy zainstalowany kocioł jest kotłem pomocniczym.
4.1. Podział kotłów pomocniczych
Jednym z podziałów kotłów pomocniczych jest (podział ze względu na rodzą j' siłowni statku, a mianowicie na:
kotły pomocnicze siłowni parowych,
kotły pomocnicze siłowni spalinowych.
Taki podział ma znaczenie jedynie umowne, bowiem w obu rodzajach siłowni można spotkać jako kotły pomocnicze kotły o identycznej konstrukcji i wielkościach charakterystycznych. Różnice istnieją głównie w celu stosowania i w rodzajach zapotrzebowania pary.
Inny podział to podział na kotły pomocnicze tzw. wolnostojące z niezależnym opalaniem paliwem płynnym oraz kotły utylizacyjne wykorzystujące ciepło odpadowe spalin głównych silników napędowych.
Ze względu na konstrukcję kotły pomocnicze dzielą się — podobnie jak główne kotły parowe na kotły:
płomieniówkowe,
wodnorurkowe z cyrkulacją naturalną,
wodnorurkowe z cyrkulacją wymuszoną,
kombinowane,
specjalne (głównie kotły dwuobiegowe).
4.1.1. Kotły pomocnicze na statkach z siłowniami parowymi
Na statkach z parowym głównym silnikiem napędowym (obecnie w praktyce wyłącznie z turbiną parową) produkuje się duże ilości pary. Do celów pomocniczych zatem może być użyta para produkowana w kotle głównym (lub w kotłach głównych przy ich większej liczbie na statku). Do pomocniczych odbiorników pary w siłowniach parowych zaliczamy — między innymi — następujące odbiorniki:
podgrzewacze paliwa przed podaniem do palników,
podgrzewacze deju smarowego przed wirowaniem,
podgrzewacze wody sanitarnej,
podgrzewacze paliwa w zbiornikach,
podgrzewacze ładunku płynnego (w przypadku zbiornikowców),
napędy zespołów prądotwórczych,
napędy pomp rozmaitego przeznaczenia, wentylatorów i dmuchaw siłowni,
napędy mechanizmów pomocniczych na pokładzie (wciągarek kotwicznych, cumowniczych i ładunkowych),
wyparowniki,
instalacja ogrzewania pomieszczeń itp.
Odbiorniki pomocnicze mogą być w części zasilane parą z kotłów głównych o parametrach roboczych odpowiadających parze do zasilania głównego silnika napędowego (np. turbozespoły prądotwórcze, turbo-pompy ładunkowe na zbiornikowcach, turbodmuchawy kotłowe, turbo-pompy zasilające itp.), w części zaś parą o zredukowanych parametrach, a więc parą o obniżonym ciśnieniu w zaworze redukcyjnym i obniżonej temperaturze, np. w ochładzaczu natryskowym lub wreszcie tzw. parą zaczepową, to znaczy parą, która już częściowo oddała swą energię cieplną w głównym silniku napędowym (turbinie parowej).
W takim układzie wszystkie odbiorniki pary na statku — zarówno główne jak i pomocnicze — zasilane są z jednego źródła, a przepracowana para w postaci skroplin wraca przez skraplacz główny, skraplacz pomocniczy czy garnki kondensacyjne z powrotem do głównego obiegu parowo-wodnego siłowni.
Podczas pracy głównego silnika napędowego para do celów pomocniczych pobierana jest z głównej magistrali parowej, a jej parametry ulegają zredukowaniu. W czasie postoju głównego silnika napędowego parę do celów pomocniczych może produkować jeden z kotłów głównych.
Wysokie wymagania stawiane wodzie zasilającej we współczesnych głównych okrętowych kotłach parowych pozostają jednakże w pewnej sprzeczności z opisanym powyżej układem. Przy niektórych bowiem odbiornikach pomocniczych, a w szczególności przy ogrzewaniu zbiorników paliwa, płynnych ładunków ropopochodnych itp., istnieje potencjalna możliwość zanieczyszczenia pary grzewczej, a więc i skroplin. Zanieczyszczenia takie — mimo stosowania pewnych zabezpieczeń (np. w postaci dużych odolejaczy, przez które muszą przepłynąć wszystkie skropliny z pomocniczych odbiorników pary) — mogą przedostać się do kotła głównego, co z kolei może stać się przyczyną bardzo nawet poważnej w skutkach awarii.
W takiej sytuacji instaluje się niekiedy w siłowniach parowych kotły pomocnicze. Są to najczęściej kotły wodnorurkowe o stosunkowo niewielkich parametrach produkowanej pary rzędu 0,98—1,47 MN/m2 (10 —15 kG/m2). Może to być para zarówno przegrzana, jak i nasycona.
W niektórych rozwiązaniach nowoczesnych siłowni parowych stosuje się — jak wspomniano w rozdz. l — tzw. system „półtora-kotłowy''. W tym rozwiązaniu — obok jednego kotła głównego o wysokich parametrach produkowanej pary — instaluje się też jeden kocioł pomocniczy, produkujący parę o znacznie niższych parametrach.
Na przykład w rozwiązaniu według projektu radzieckiego kocioł główny produkuje parę o ciśnieniu 7,86 MN/m2 (80 kG/cm2) i temperaturze 515°C, kocioł pomocniczy parę nasyconą o ciśnieniu 2,45 MN/m2 (25 kG/cm2).
W czasie normalnej eksploatacji siłowni do zadań kotła pomocniczego należy zaopatrywanie w parę takich jej odbiorników, jak ogrzewanie ładunku w zbiornikach, podgrzewanie wody do mycia zbiorników ładunków i napęd niektórych pomp. W przypadku awarii kotła głównego kocioł pomocniczy w tym rozwiązaniu służy do awaryjnego zasilania turbiny głównej, tak aby umożliwić uzyskanie pewnej, niewielkiej (7—8 węzłów) prędkości statku lub wystarczającej manewrowóści w przypadku konieczności sztormowania.
Szkic perspektywiczny siłowni „półtora-kotłowej" przedstawiono na rys. 4.1. Zazwyczaj oba kotły — główny i pomocniczy — znajdują się obok siebie w jednym pomieszczeniu. Siłownie „półtora-kotłowe" lansuje również japońska stocznia Kawasaki. W siłowniach turbinowych proponuje ona jako kocioł główny kocioł typu UFR (por. rys. 3.35) lub UFG (o konstrukcji podobnej do UFR, lecz bez przegrzewacza międzystopniowego), a współpracujący z nimi kocioł pomocniczy typu BDS, który jest kotłem wodnorurkowym podobnym do kotła typu D z rurkami konwekcyjnymi nachylonymi pod kątem ok. 70°.
Przy dużym ciśnieniu roboczym pary produkowanej przez kocioł główny — 10,3 MN/m2 (105 kG/cm2) dla kotła typu UFR i 6,09—8,36 MN/m2 (62—85 kG/cm2) dla kotła UFG — i wysokiej temperaturze przegrzania 525°C, kocioł pomocniczy produkuje parę nasyconą o ciśnieniu rzędu 1,96—2,95 MN/m2 (20—30 kG/cm2).
Producent przewiduje np. dla siłowni z turbiną główną o mocy 28000 KM dwa kotły UFG 60 o łącznej wydajności pary 120 t/h, podczas gdy dla siłowni typu „półtora-kotłowego" jeden kocioł główny UFG 100 jeden kocioł pomocniczy DD 40-S o łącznej wydajności pary 100+36 = 136 t/h.
Rys. 4.1. Kocioł główny i pomocniczy w siłowni parowej typu „półtora-kotłowego" l — kocioł główny; 2 — kocioł pomocniczy
Różne warianty współpracy kotła głównego i pomocniczego w siłowni „półtora-kotłowej" przedstawiono na rys. 4.2. W czasie normalnej jazdy w morzu (rys. 4.2a) pracuje kocioł główny l, a para z niego zasila zarówno turbinę główną 3 jak i turboprądnicę (co mię jest pokazane ma rys. 4.2a, jako że w przedstawionych układach napędowych prądnica jest podwieszona do turbiny wysokiego ciśnienia w czasie jazdy w morzu, natomiast w czasie manewrów i postoju zasilana jest ochłodzoną parą z kotła głównego o zredukowanym ciśnieniu).Para upustowa z głównej turbany napędowej zasila wężownicę grzewczą 9 umieszczoną w walczaku parowo-wodnym kotła pomocniczego 2. Wytwarzana w ten sposób para służy wyłącznie do podgrzewania paliwa spalanego w kotle i do innych celów gospodarczych na statku.
W przypadku, gdy na statku i(w tym wypadku zbiornikowcu) stosuje się wyładunek połączony z grzaniem ładunku pochłaniającym znaczne ilości pary, para z kotła głównego — po obniżeniu ciśnienia w zaworze 7 i schłodzeniu w ochładzaczu 6 — napędza turbiny pomp ładunkowych (rys. 4.2b). W kotle pomocniczym 2 ogrzewanym własnymi palnikami produkowana jest para służąca dodatkowo do grzania ładunku w zbiornikach.
Rys. 4.2. Współpraca kotła głównego z kotłem pomocniczym w turbinowej siłowni „półtora-kotłowej" l — kocioł główny; 2 — kocioł pomocniczy; i — turbina napędu głównego; 4 — turbina pomocnicza napędu prądnicy; 5 — turbina pomocnicza napędu pompy ładunkowej; 6 — ochładzacz natryskowy pary; 7, 8 — zawory redukcyjne; 9 — wężownica grzewcza w walczaku parowo-wodnym kotła pomocniczego
Wyeliminowanie grzania zbiorników ładunkowych parą z kotła głównego ma dodatkowo na celu ochronę kotła głównego przed ewentualnymi zanieczyszczeniami olejem.
W przypadku awarii kotła głównego (rys. 4.2c) pana z kotła pomocniczego służy do zasilania turbiny napędu głównego 3, grzania paliwa i do celów gospodarczych oraz do zasilania turboprądnicy 4 zapewniającej konieczną energię elektryczną. Umożliwia to dojście statku z uszkodzonym kotłem głównym do najbliższego lub do macierzystego portu w celu przeprowadzenia remontu, a także zapewnia konieczną manewrowość w niebezpiecznych sytuacjach ma morzu.
Osiągana prędkość statku przy napędzie awaryjnym przekracza 50% prędkości minimalnej.
Kocioł pomocniczy umożliwia również przeprowadzenie awaryjnego wyładunku w przypadku, gdy kocioł główny jest uszkodzony, bowiem parą z kotła pomocniczego można napędzać pompy ładunkowe, jak przedstawiono na rys. 4.2d.
Niemożliwe jest jednakże równoczesne prowadzenie intensywnego wyładunku i grzania ładunku. Jednakże jeżeli zachodzi taka konieczność, może pracować jednocześnie z grzaniem tylko jedna lub dwie pompy ładunkowe (w zależności od ich wielkości) oraz prowadzone tylko częściowe ogrzewanie ładunku, co wprawdzie znacznie przedłuża proces wyładunku, ale go umożliwia mimo uszkodzenia kotła głównego.
4.1.2. Kotły pomocnicze na statkach z siłowniami spalinowymi
Zapotrzebowanie ma parę na statkach z siłowniami spalinowymi zależy od rodzaju statku i jego wielkości. Głównymi odbiornikami pary są wszelkiego rodzaju podgrzewacze (np. ciężkiego oleju napędowego, wody sanitarnej, oleju smarowego i oleju napędowego przed wirowaniem, ogrzewanie odolejaczy itp.), urządzenia klimatyzacyjno-ogrzewcze pomieszczeń, niekiedy również napędy pomp, parowa instalacja przeciwpożarowa itp.
Zapotrzebowanie ma parę jest znacznie większe na niektórych rodzajach statków specjalnych. Tak więc na statkach pasażerskich duże ilości pary służą do ogrzewania licznych pomieszczeń, do podgrzewania znacznych ilości wody do celów sanitarnych, do pralni bielizny itp.
Na statkach floty rybackiej, a w szczególności ma jednostkach typu przemysłowego, jak np. trawlerach-przetwórniach, statkach-bazach rybackich czy bazach wielorybniczych również istnieje duże zapotrzebowanie na parę, która służy głównie do celów przemysłowych, przy produkcji mączki rybnej, w tranowniach, przy produkcji. konserw itp.
Ilościowe zapotrzebowanie na parę ma jednostkach floty rybackiej zależy od rodzaju i przeznaczenia statku.
Wydajność względną kotłów pomocniczych na statkach rybackich określa stosunek nominalnej wydajności kotłów do nominalnej efektywnej mocy głównego silnika napędowego. Oznacza się go jako zależność
d =
[kg/(h-KM)], (4.1)
gdzie:
Dn — nominalna wydajność kotłów pomocniczych [kg/h],
Ne — nominalna efektywna moc głównego silnika napędowego [KM].
Wartość d dla jednostek łowczych wynosi od 1,0—2,0, dla jednostek transportowych floty rybackiej od 0,4—1,0, dla statków — przetwórni 1,5—3,5, a dla dużych przemysłowych dalekomorskich baz rybackich dochodzi aż do 10.
Szczególnie duże zapotrzebowanie na parę notuje się ma zbiornikowcach do przewozu płynnych ładunków ropopochodnych. Jak już uprzednio wspomniano, para służy głównie do ogrzewania płynnego ładunku w zbiornikach oraz do ogrzewalnia wody podczas mycia zbiorników ładunkowych po wyładunku. Na zbiornikowcach z napędem spalinowym stosuje się również parowy napęd pomp ładunkowych. Prowadzi to do stosowania ma zbiornikowcach kotłów pomocniczych o dużych wydajnościach. Tak więc np. na zbiornikowcu o nośności 140 000 t i mocy silnika głównego rzędu 25 000 KM zainstalowano 2 kotły pomocnicze wolnostojące o ciśnieniu roboczym 1,57 MN/m2 (16 kG/cm2) i wydajności 35 t/h pary każdy oraz jeden kocioł utylizacyjny ogrzewany spalinami odlotowymi silnika głównego produkujący parę o ciśnieniu 0,69 MN/m2 (7 kG/cm2) w ilości około 2 t/h.
Pokrywanie zapotrzebowania na parę na statkach z siłowniami spalinowymi realizowane jest parą zarówno z kotłów pomocniczych, tzw. wolnostojących, opalanych paliwem płynnym, jak i z kotłów utylizacyjnych. Najczęściej te oba rodzaje kotłów połączone są na statkach z siłowniami spalinowymi we wspólne układy. Opisane są one szerzej w rozdz. 4.4.
Oprócz wytwarzania pary w kotłach pomocniczych przedstawionych w tym rozdziale przeprowadzano też próby produkowania pary do celów pomocniczych w spalarkach odpadów olejowych i śmieci ma statkach.
4.2. Kotły pomocnicze wolnostojące
Kotły pomocnicze, tzw. wolnostojące, wchodzą obecnie w skład wyposażenia każdej siłowni spalinowej. Kotły wolnostojące stanowią najczęściej jeden z elementów układu kotłów pomocniczych wraz z kotłem utylizacyjnym. W czasie postoju silników głównych w porcie lub na redzie kotły pomocnicze wolnostojące są jedynym urządzeniem do wytwarzania pary na statkach z napędem spalinowym; w czasie pracy silnika głównego mogą — w zależności od potrzeby — współpracować z kotłami utylizacyjnymi w produkowaniu pary lub też mogą być wyłączone z pracy.
Zależnie od zastosowanego układu (rozdz. 4.3 i 4.4) pomocnicze kotły wolnostojące stanowią bądź zupełnie oddzielną, całkowicie samodzielną część układu i mogą być w czasie pracy kotła utylizacyjnego odłączone i np. remontowane, bądź też spełniają rolę zbiorników parowo-wodnych kotła utylizacyjnego i wówczas — mimo że nie są opalane i nie produkują pary — muszą być bez przerwy włączone w obieg wodny układu kotłów pomocniczych siłowni spalinowych. Prosty wariant takiego układu przedstawiono na rys. 4.34.
4.2.1. Wolnostojące kotły pomocnicze typu płomieniówkowego
Jednym z najprostszych i najstarszych typów kotłów pomocniczych (produkowanych jednakże również współcześnie) ,są kotły ,płomieniówkowe pionowe. Do tej grupy kotłów pomocniczych należy również kocioł typu Cochran (rys. 4.3). Kocioł taki wyposażony jest w następujące powierzchnie ogrzewalne:
górną część kopulastej komory spalania 2,
dwie ściany sitowe i płomieniówki 3 rozwalcowane między nimi.
Paliwo dostarczane jest palnikiem 1. Spaliny przechodzą drogę jak pokazano strzałkami i po oddaniu swego ciepła w płomieniówkach 3 wchodzą do komory dymowej 4 i dalej do komina. Dolna część komory spalania wymurowania jest ogniotrwałą cegłą szamotową 6, podobnie jak ściany komory zwrotnej 7. Korpus kotła 5 zbudowany jest z blach stalowych ukształtowanych w formie kołpaka.
Jest to kocioł łatwy w obsłudze i konserwacji. Jego wadą jest mała sprawność w stosunku do masy i objętości oraz niewielka objętość paleniska a także krótkie płomieniówki, a więc niewielka powierzchnia ogrzewalna. Dodatkową trudność matury technologicznej stanowi konieczność wykonywania kopulastego paleniska i górnej części kotła.
Rys. 4.3. Kocioł pomocniczy Cochran. l — palnik; 2 — komora spalania; 3 — płomieniówki; 4 — komora dymowa; 5— korpus kotła; 6 — wykładzina z cegły szamotowej; 7 — komora zwrotna
Kotły typu Cochran są również produkowane jako kotły kombinowane, tzn. są przystosowane do ogrzewania palnikiem i gazami spalinowymi głównego silnika napędowego na statkach z napędem silnikiem spalinowym (por. rozdz. 4.2.3).
4.2.2. Wolnostojące kotły pomocnicze typu opłomkowego
Na rys. 4.4a pokazano inne rozwiązanie kotła pomocniczego. W kotle tym powierzchnię ogrzewalną stanowią niewielkiej długości zaślepione z jednej strony rurki wodne 5 rozwalcowane w przewodzie spalinowym 3, umieszczone współśrodkowo w kotle. Zamontowana wewnątrz przewodu spalinowego rura 4 zapewnia dokładne omywanie rurek 5 przez spaliny płynące z dołu, z komory spalania 2. Zewnętrzny korpus l wykonany jest z blach stalowych. Wskutek dużej prędkości spalin wymiana ciepła jest intensywna, a gęsta zabudowa rurkami 5 daje dużą powierzchnię ogrzewalną przy stosunkowo małej masie i gabarycie kotła. Kotły tego typu znane są pod nazwą kotłów pomocniczych typu Ciarksona.
Kocioł przedstawiony na rys. 4.4a stanowi rozwiązanie proste starego typu. Współcześnie produkowane kotły pomocnicze typu Ciarksona (w tym również w Polsce, w Stoczni Gdańskiej im. Lenina) stanowią rozwinięcie podstawowego typu przedstawionego na rys.
4.4a
Rys. 4.4a. Kocioł pomocniczy Clarksona: a) szkic kotła starszego typu; 1 — korpus kotła; 2 — komora spalania; 3 — przewód spalinowy; 4 — rura rozdzielcza spalin; 5 — opłomki zaślepione z jednej strony;
Kocioł taki pokazano na rys. 4.4b. Pionowo umieszczony palnik z parowo-mechanicznym rozpylaniem paliwa 7 umożliwia również pionowy kierunek strumienia spalin pierwszego przepływu. Komora spalania 2 jest tu całkowicie opromieniowana opłomkami 9 pobierającymi ciepło od strumienia gorących spalin.
Rys. 4.4. Kocioł pomocniczy Clarksona: b) kocioł produkcji polskiej 1 — korpus kotła; 2 — komora spalania; 3 — przewód spalinowy; 4 — rura rozdzielcza spalin; 5 — opłomki zaślepione z jednej strony; 6 — okno przelotowe spalin; 7 — palnik; 8 — wziernik; 9 — rurki opłomkowe; 10 — urządzenie osuszające parę nasyconą; 11 — rurociąg poboru pary; 12 — przepustnica regulacyjna; 13 — regulator doboru powietrza; 14 — zdmuchiwacz sadzy.
W górnej części komory spalania opłomki rozchylają się jak przedstawiono na szkicu, co umożliwia .swobodny przepływ spalin do koncentrycznie umieszczonego wewnętrznego przewodu spalinowego 3. W przewodzie tym umieszczone są zaślepione z jednej strony opłomki — króćce 5. Spalmy z wewnętrznego przewodu spalinowego 3 przedostają się przez okna przelotowe 6 do zewnętrznego przewodu spalinowego, gdzie również znajdują się zaślepione opłomki —króćce 5. Rozmieszczone w kilku miejscach parowe zdmuchiwacze sadzy 14 umożliwiają utrzymywanie odpowiedniej czystości rurek podczas pracy kotła. Sprawność tego typu kotłów jest stosunkowo niewielka. Przy wydajnościach pary rzędu l— —2 t/h i ciśnieniu ok. 0,69 MN/m2 (7 kG/cm2) sprawność ta wynosi ok. 67%.
Bardzo popularnym na statkach polskiej produkcji typem kotła pomocniczego jest kocioł typu VX pokazany na rys. 4.5. Jest to kocioł pionowy z dużą komorą spalania i pękami opłomek. Powierzchnię ogrzewalną tworzą: powierzchnia komory spalania 5 i powierzchnia opłomek l. Kocioł ma konstrukcję dość elastyczną i odporną na termiczne naprężenie dzięki temu, że górna część pionowego walczaka zamocowana jest na pionowym pęku opłomek l, które mogą stosunkowo swobodnie wydłużać się w czasie pracy.
Opalanie kotłów typu VX najczęściej realizowane jest za pomocą automatycznego urządzenia palnikowego, w którego skład wchodzą: palnik, pompa paliwa, wentylator podający powietrze oraz urządzenie zapalające. Kotły te pracują przy ciśnieniach pary rzędu 0,49—0,69 MN/m2 (7 kG/ /cm2). Ich wydajności wynoszą — w zależności od wielkości kotła — od 400—5000 kg pary na godzinę. Sprawność kotłów — w zależności od obciążenia powierzchni ogrzewalnej — wynosi 82—84%.
W zasadzie nie mają one żadnych dodatkowych powierzchni ogrzewalnych, jednakże niekiedy stasuje się — w celu podniesienia ekonomiczności układu — zarówno podgrzewacze wody i powietrza, jak też podgrzewacze pary.
Tendencje do polepszenia warunków ekonomicznych pracy kotłów pomocniczych oraz zwiększenia powierzchni ogrzewalnej przypadającej na jednostkę objętości kotła znalazły wyraz w rozwiązaniach stosowanych dla kotłów pomocniczych typu Sunrod, produkowanych przez firmę AB Svenska Maskmverken.
W celu zintensyfikowania wymiany ciepła na powierzchni ogrzewalnej wspomniana firma zastosowała dodatkowe urządzenie przedstawione na rys. 4.6c. Do zewnętrznej powierzchni rury 4 wymiennika ciepła przyspawany jest szereg króćców miedzianych 14 w osłonie stalowej 15. W ten sposób na drodze spalin przepływających przez kocioł znajdują się dodatkowe elementy tworzące mostki cieplne. Miedziany rdzeń przewodzi intensywniej pobierane od spalin ciepło i dzięki temu współczynnik wymiany ciepła między czynnikiem grzewczym a ogrzewanym zwiększa się 7—8 razy w stosunku do gładkich rur stalowych. Takie rozwiązanie zmniejsza znacznie wymiary wymiennika ciepła, w tym wypadku kotła, oraz skraca czas uruchomiania kotła.
Warunkiem dobrej wymiany ciepła jest dokładne połączenie miedzianych rdzeni 14 z powierzchnią rury. Połączenia te wykonywane są na specjalnych automatach spawalniczych.
W kotle pomocniczym typu Sunrod, przedstawionym na rys. 4.6a, powierzchnię ogrzewalną kotła stanowią przede wszystkim rury 4 wyposażone w .miedziane króćce, polepszające współczynnik wymiany ciepła. Cyrkulacja wody wewnątrz rur jest następująca. Woda dostaje się dolnym przewodem do rury 4, a następnie ogrzewając się intensywnie, opuszcza ją w postaci pary przez górny przewód. Rura 4 znajduje się wewnątrz jedne] z dwunastu płomieniówek 3. Dodatkową powierzchnię ogrzewalną stanowią ścianki płomieniówek 3 i ściany komory paleniskowej 2.
Czyszczenie kotła od strony ogniowej odbywa się strumieniem wody słodkiej przez właz górny 5. Woda płucząca odprowadzana jest przewodem 13.
Kotły o wydajności ponad 4 t/h firma AB Svenska Maskinverken wyposaża w ekranową komorę paleniskową (rys. 4.6b). Woda spływa na dół do kolektora 20 rurami opadowymi 9, a wraca do góry rurami ekranowymi 11.
Rys. 4.5. Kocioł pomocniczy wodnorurkowy VX l— opłomki; 2 — przestrzeń parowo-wodna; 3 — komora dymowa; 4 — przestrzeń wodna; 5 — komora spalania; 6 — agregat palnikowy.
Duże zapotrzebowanie na parę na statkach specjalnych — jak wspomniano w rozdz. 4.1:2 — spowodowało, że jako kotły pomocnicze stosuje się kotły opłomkowe stromorurkowe. Najczęściej są to kotły dwu-walczakowe o naturalnej cyrkulacji i przeważnie dość znacznych wydajnościach. Przykładowo wodnorurkowe kotły pomocnicze polskiej produkcji typu KW produkowane są w 12 wielkościach o wydajnościach od 5 aż do 63 ,t/h dla ciśnień 0,69; 0,98; 1,23; 1,57; 2,45 i 3,15 MN/m2 (7; 10; 12,5;16; 25 i 32 kG/cm2).
Na rys. 4.7 przedstawiono schematy produkowanych współcześnie opłomkowych stromo-rurkowych kotłów pomocniczych.
Rys. 4.6. Kocioł pomocniczy Sunrod: a) dla wydajności D < 4 t/h; b) dla wydajności D >4 t/h; c) rozmieszczenie króćców miedzianych
l — korpus kotła; 2 — Komora ogniowa; 3 — płomieniówki; 4 — rury konwekcyjne; 5 — właz górny; 6 — właz boczny; 7 — Izolacja kotła; 8 — obmurze; 9 — rura opadowa; 10 — kolektor dolny; 11 — rury ekranowe; 12 — wodowskaz; 13 — rurociąg odpływowy wody; 14 — króciec miedziany; 15 — koszulka stalowa
Rys. 4.7. Schemat pomocniczych kotłów wodnorurkowych: a) pomocniczy kocioł wodnorurkowy KW produkcji polskiej z podgrzewaczem powietrza i wewnątrzkotłowym podgrzewaczem wody zasilającej; b) pomocniczy kocioł wodnorurkowy typu D firmy Ansaldo l — walczak wodny; 2 — ekran rurek opromieniowanych; 3— pęk rurek konwekcyjnych; 4 — walczak parowo-wodny; 5 — podgrzewacz wody zasilającej; 6 — podgrzewacz powietrza
Stosowane głównie dwa typy tych kotłów. Jeden z nich to kocioł dwuwalczakowy z osiami walczaków nie leżącymi na jednej linii pionowej, jak na rys. 4.7a. Jeden rząd opłomek tworzy ekran opromieniowany komory spalania, reszta opłomek (zazwyczaj kilkanaście rzędów) tworzy pęk rurek konwekcyjnych. Poza rurkami opromieniowanymi przechodzą nie ogrzewane rurka opadowe. Do kotłów tych zalicza się m.in. radzieckie kotły pomocnicze typu KBBA oraz wspomniane już uprzednio polskie kotły pomocnicze typu KW.
Kotły te budowane są przeważnie bez żadnych dodatkowych powierzchni ogrzewalnych, niekiedy jednak spotyka się zarówno podgrzewacze powietrza jak i wody zasilającej, a także przegrzewacze pary.
Innym rodzajem wodnorurkowych kotłów pomocniczych są kotły typu D (rys. 4.7b). W kotłach tych komory spalania mają bądź tylko jedne ściany ekranowane rurkami opromieniowanymi, jak na szkicu, bądź też ekranowane są trzy ściany jak w kotle pomocniczym typu MAC produkcji japońskiej, opisanym w rozdz. 10.
4.2.3. Dwuobiegowe wolnostojące kotły pomocnicze.
Jako kotły pomocnicze, zwłaszcza na zbiornikowcach z siłowniami spalinowymi, stosuje się nieraz kotły dwuobiegowe, których zasadę działania i szkic przedstawiono w rozdz. 3.5.
Rys. 4.8. Szkic pomocniczego kotła dwuobiegowego. l — rurociąg pary nasyconej wysokiego ciśnienia; 2 — pęk rur grzewczych; 3 — wytwornica pary niskiego ciśnienia; 4 — rura opadowa.
Kotły tego typu nadają się szczególnie do wytwarzania pary do celów pomocniczych na zbiornikowcach, gdzie para powracająca na przykład po ogrzaniu zbiorników ładunkowych może być zanieczyszczona przewożonym olejem. Konstrukcja kotła dwu-obiegowego umożliwia wyeliminowanie powstawania uszkodzeń (przegrzewów rurek, pęknięć itp.) spowodowanych osadzaniem się ewentualnych zanieczyszczeń olejowych po stronie wodnej powierzchni ogrzewalnej. Jednakże z innej strony kotły dwuobiegowe są bardzo czułe na jakość wody zasilającej w pierwszym obiegu i wszystkie odchyłki od przewidzianych przepisami norm prowadzą do szybkiego powstawania awarii trudno dostępnych rurek obiegu wysokociśnieniowego.
Pomocnicze kotły dwuobiegowe produkowane są przez wiele firm, jak np. Foster Wheeler — John Brown, Babcock Marine Boilers i inne.
Perspektywiczny schemat takiego kotła pokazano na rys. 4.8. Nasycona para wysokiego ciśnienia wyprodukowana w kotle typu D przepływa rurociągiem l do pęku rur grzewczych 2 wytwornicy pary niskiego ciśnienia 3, skąd jako kondensat wraca do walczaka wodnego rurą opadową 4.
Pomocnicze kotły dwuobiegowe na statkach stanowią bądź oddzielne, niezależne urządzenia, bądź też wchodzą w skład układów kotłów pomocniczych razem z kotłami utylizacyjnymi, jak przedstawiono w rozdz. 4.4 (rys. 4.33).
4.2.4. Wolnostojące kombinowane kotły pomocnicze.
Pomocnicze kotły tzw. kombinowane łączą w sobie cechy eksploatacyjne kotłów pomocniczych wolnostojących opalanych paliwem płynnym z kotłami pomocniczymi utylizacyjnymi, które wykorzystują ciepło odpadowe spalin silników głównych (rozdz. 4.3). Konstrukcja taka zapewnia nieprzerwaną produkcję pary do celów pomocniczych w siłowni okrętowej — zarówno podczas pracy silników głównych, czyli w czasie jazdy, jak i w czasie postoju statków w porcie czy na redzie oraz podczas manewrów.
Przykład pomocniczego kotła kombinowanego przedstawiono na rys. 4.9. Jest to kocioł typu Cochran produkowany przez firmę Thompson Cochran Division w Wielkiej Brytanii. Powierzchnię ogrzewalną w przypadku ogrzewania palnikiem olejowym stanowi górna powierzchnia komory spalania 2 oraz dolne szeregi poziomych płomieniówek 3. Podczas ogrzewania kotła gazami spalinowymi silnika powierzchnię ogrzewalną tworzą górne szeregi poziomych płomieniówek 4.
Przepływ gazów spalinowych może być jednokrotny, jak na rys. 4.9a, lub dwukrotny, jak na rys. 4.9b. W obu przypadkach powierzchnia ogrzewalnia płomieniówek, przez które przepływają spalany odlotowe z silnika, jest znacznie większa niż płomieniówek, przez które przepływają spaliny z palnika olejowego l. Powierzchnie te dla kotłów mniejszych wydajności mają się do siebie jak 2:1, dla kotłów większych wydajności natomiast jak 2,5:1 do 3,5:1. Dla mniejszych kotłów ilości pary produkowanej przy utylizacji są równe ilościom pary produkowanej przy opalaniu wyłącznie palnikiem olejowym; dla większych kotłów stosunki wydajności wyniosą ok. 1,5:1. Ciśnienie produkowanej pary wynosi — 0,69 MN/m2 (7 kG/cm2).
Rys. 4.9. Pomocniczy kocioł kombinowany płomieniówkowy Cochran: a) z jednokrotnym przepływem gazów spalinowych z silnika; b) z dwukrotnym przepływem gazów spalinowych z silnika 1 — palnik; 2 — komora spalania; 3 — płomieniówki dolne; 4 — płomieniówki górne
Kotły przedstawionego rodzaju mogą być ogrzewane w dwojaki sposób, co oczywiście pociąga za sobą zwiększenie wydajności do sumy obu wydajności.
Szkic pomocniczego kotła kombinowanego wodnorurkowego (opłomkowego) przedstawiono na rys. 4.10. Jest to kocioł typu VL produkcji polskiej wytwarzający 4 t/h pary nasyconej o ciśnieniu 0,69 MN/m2 (7 kG/ /cm2) przy opalaniu olejem z palnika olejowego lub 3 t/h pary o tym samym ciśnieniu przy działaniu wyłącznie utylizacyjnym.
Kocioł typu VL składa się z trzech walczaków 5, 6 i 7 połączonych dwoma grupami pionowych opłomek — dolnych 3 i górnych 4. Opłomki tworzą dwie oddzielne powierzchnie ogrzewalne. Dolne — przy opalaniu za pomocą palnika, górne — przy ogrzewaniu kotła spalinami odlotowymi.
Rys. 4.10. Pomocniczy kocioł kombinowany wodnorurkowy VL, wytwarzany w Stoczni im. Lenina w Gdańsku. l — palnik olejowy; 2 — komora spalania; 3 — opłomki części dolnej; 4 — opłomki części utylizacyjnej; 5, 6 — walczaki wodne; 7 — walczak parowo-wodny
Podobnie jak w przypadku pomocniczych płomieniówkowych kotłów kombinowanych typu Cochran, kocioł typu VL może być ogrzewany równocześnie spalinami odlotowymi i za pomocą palnika olejowego, co zwiększa jego wydajność do 7 t/h.
4.3. Pomocnicze kotły utylizacyjne.
W związku z gwałtownym wzrostem światowych cen paliw i olejów począwszy od roku 1973 głównym składnikiem kosztów eksploatacyjnych stały się koszty paliw i olejów. Przekroczyły one 60% ogólnych kosztów. W związku z powyższym niezwykle ważnym i istotnym czynnikiem eksploatacyjnym stała się maksymalna oszczędność paliwa.
Ze względu na bardzo już wysokie sprawności samych silników spalinowych, sprawność energetyczną okrętowych siłowni spalinowych można zwiększyć jedynie przez racjonalne wykorzystanie ciepła traconego przez silnik.
Ponieważ sprawność energetyczną siłowni określa się wzorem
ηg = 
(4.2.)
gdzie:
Nw — użyteczna moc silnika na wale [KM],
Nel — moc na zaciskach prądnic [kW],
Qs — energia cieplna wykorzystywana przez urządzenia grzewcze siłowni [kW],
Qco — energia cieplna wykorzystywana przez ogólno-okrętowe urządzenia grzewcze [kW],
ΣQd — całkowita energia uzyskana ze spalenia paliwa [kW].
Z analizy wzoru (4.2) widać, że zwiększając Nel, Qs, Qco przy stałej wartości ΣQd sprawność energetyczną siłowni można zwiększyć, zwiększając wartości Nel, Qs i Qco
Jedną z głównych metod zwiększania Qs i Qco oraz pośrednio Nel; (przez stosowanie prądnic napędzanych turbinami parowymi) jest utylizacja ciepła odpadowego z silników głównych.
Straty energii cieplnej uzyskiwanej przez spalanie paliwa w silniku spalinowym dzielą się na:
Qsp — ciepło tracone w spalinach wylotowych (strata spalin),
Qw — ciepło tracone z wodą chłodzącą (strata chłodzenia),
Qk, Qpr — ciepło tracone na skutek konwekcji i promieniowania.
Względne straty spalin wynoszą, w zależności od rodzaju silnika napędowego 31—38%, względne straty chłodzenia 21—27%, względne straty konwekcji i promieniowania — 0,5—2%.
4.3.1. Ciepło odpadowe spalin odlotowych i problem utylizacji.
Największe procentowo straty we wszystkich typach okrętowych silników głównych ponoszone są przy wydalaniu spalin. Dla poszczególnych rodzajów silników wynoszą one przykładowo:
dwusuwowe silniki wolnoobrotowe firmy Sulzer — 34%,
dwusuwowe silniki wolnoobrotowe firmy Burmeister and Wain — 38%,
czterosuwowe silniki średnio-obrotowe firmy Burmeister and Wain — 31%.
Rys. 4.11. Bilans cieplny silnika firmy Sulzer, typu RND bez utylizacji ciepła odpadowego
Na rys. 4.11 przedstawiono bilans cieplny okrętowego silnika spalinowego firmy Sulzer, typu RND. Za podstawę 100% przyjęto tu ciepło uzyskane ze spalania paliwa z wyłączeniem energii zapotrzebowanej przez maszyny i urządzenia pomocnicze bezpośredniej obsługi silnika głównego, jak np. pompy instalacji chłodzenia, pompy oleju smarowego oraz napędowego itp. Prawie wyłącznie stosowanym sposobem pozyskiwania energii odpadowej spalin odlotowych silnika głównego jest produkcja pary wodnej w pomocniczych kotłach utylizacyjnych ogrzewanych ciepłem odpadowym spalin wylotowych. Utylizacja ciepła spalin wylotowych z silnika polega na maksymalnym, uzasadnionym technicznie i ekonomicznie wykorzystaniu energii cieplnej w nich zawartej. W okrętowych układach utylizacyjnych nie zachodzi pełne wykorzystanie energii cieplnej spalin odlotowych równoważne obniżeniu ich temperatury do poziomu temperatury otoczenia, co oznaczałoby całkowite wykorzystanie tzw. energii, bowiem temperatura spalin wylotowych opuszczających kocioł utylizacyjny nie powinna być niższa od temperatury punktu rosy niektórych składników tych spalin.
Rys. 4.12. Bilans cieplny silnika firmy Sulzer, typu RND z ukazaniem ciepła odlotowego spalin możliwego do utylizacji.
Obniżenie temperatury spalin poniżej tej wartości pociąga za sobą powstanie zjawiska korozji niskotemperaturowej, czyli korozji siarkowe], Zjawisko to zostało szerzej opisane w rozdz. 2.4. Graficzny obraz ilości energii cieplnej, możliwy do odzyskania ze spalin wylotowych w urządzeniu utylizacyjnym, przedstawiono na rys. (4,12)
Ilość pary możliwej do wyprodukowania w kotle utylizacyjnym zależna jest od następujących czynników:
obciążenia silnika w stosunku do jego mocy nominalnej,
różnicy temperatur oraz ich wartości na dolocie i odlocie z kotła,
parametrów wytwarzanej pary,
sprawności kotła utylizacyjnego.
Ilość pary możliwej do wyprodukowania można wyznaczyć z następującego bilansu energetycznego
Ne ms Cs Δts ηk = mpn (i-i1) + mpp (i"-i1), (4.3)
gdzie:
Ne — moc efektywna silnika [KM],
ms — masa gazów wydechowych [kg/KMh],
Cs — ciepło właściwe gazów wydechowych [kJ/(kg °C)],
Δts— różnica temperatur na dolocie i odlocie z kotła [°C],
ηk — sprawność kotła,
mpn — wydajność pary nasyconej [kg/h],
i — entalpia pary nasyconej [k J/kg],
i1 — entalpia wody zasilającej [k J/kg],
i" — entalpia pary przegrzanej [kJ/kg],
mpp — wydajność pary przegrzanej [kg/h].
Stosunek mas pary przegrzanej do pary nasyconej zależy od aktualnego zapotrzebowania poszczególnych rodzajów pary na statku oraz od doboru odpowiedniego rodzaju kotła utylizacyjnego. Ilość spalin uzyskiwana ze .spalania l kg paliwa wynosi
Gs =1+L [kg/kg],
L = λ Lt [kg/kg],
gdzie:
L — ilość powietrza potrzebna do spalania l kg paliwa,
λ — współczynnik nadmiaru powietrza
dla silników niedoładowanych = 1,8—2,2,
dla silników z doładowaniem = 2,5—3,0,
Gs = 26—31 kg/kg — dla silników niedoładowanych,
Gs = 46—53 kg/kg — dla silników doładowanych.
Ilość spalin w odniesieniu do l KMh, przy jednostkowym zużyciu paliwa be [kg/KMh], wynosi
ms = Gs be
dla przeciętnych wartości Gs oraz be
ms = 5 kg/KMh — dla silników niedoładowanych,
ms = 7 kg/KMh — dla silników doładowanych.
Temperaturę spalin na dolocie do kotła utylizacyjnego ts można określić z następującej zależności
ts = ts - c l
gdzie:
ts — temperatura spalin za turbodoładowarką [°C],
c = 1,5—2,0 °C/m,
l — długość rurociągu spalinowego od silnika do kotła utylizacyjnego [m].
Temperatury spalin ts za turbodoładowarką, są znacznie zróżnicowane. Wśród eksploatowanych w polskiej flocie handlowej silników głównych można rozróżnić dwie grupy silników:
silniki wysokotemperaturowe firmy Burmeister and Wain ts ~ 360°C,
silniki niskotemperaturowe firmy Sulzer ts ~ 285°C.
Podane temperatury odnoszą się do obciążenia znamionowego.
Do eksploatacji wchodzą obecnie coraz częściej główne silniki średnio-obrotowe o temperaturze spalin ts ~ 470°C przy obciążeniu znamionowym.
Temperatura spalin za kotłem utylizacyjnym z podlanych uprzednio względów (korozja niskotemperaturowa) nie powinna być niższa niż 160°C.
Dla współcześnie budowanych kotłów utylizacyjnych stosuje się najczęściej następujące ciśnienia pary:
pn = 0,196—0,393 MN/m2 (2—4 kG/cm2) - para nasycona do celów grzewczych i ogólno-okrętowych,
ppn = 0,491—1,18 MN/m2 (5—12 kG/cm2) - para przegrzana do zasilania turbin napędzających prądnice.
Przekształcając odpowiednio wzór (4.3), można wyznaczyć ilość pary możliwej do wyprodukowania za pomocą spalin odlotowych z silnika.
Ilość pary przegrzanej wynosi
mpp = 
[kg/h] (4.4.)
Przy założeniu. dla silnika Sulzer typu RND 90 następujących wartości:
ms = 7 kg/KMh,
Cs = 1,09 kJ/(kg °C),
Δts = 280°—180° = 100°C,
ηk = 0,9,
i" = 2890 kJ/kg,
i1 = 105 kJ/kg,
i po podstawieniu ich do wzoru (4.4) otrzymuje się zależność przedstawioną na wykresie (rys. 4.13).
Rys. 4.13. Wykres ilości pary możliwej do wyprodukowania przy wykorzystaniu spalin odlotowych silnika Sulzer typu RND.
Urządzenia mogące pobierać parę wytworzoną w kotłach utylizacyjnych dzielą się na trzy grupy:
I. Siłowniane (zapewniające pracę silnika głównego) wymienniki ciepła:
podgrzewacze zbiorników paliwa,
podgrzewacze paliwa przed wirówkami i wtryskiwaczami,
podgrzewacze oleju smarowego przed wirówkami.
II. 0gólnookrętowe odbiorniki ciepła:
do ogrzewania pomieszczeń,
do podgrzewania ładunku,
do podgrzewania odolejacza zęzowego,
wymienniki ciepła do celów gospodarczych (podgrzewacze wody
konsumpcyjnej, sanitarnej itp.).
III. Urządzenia służące do wytwarzania energii elektrycznej.
Ze względu na to, że obecnie buduje się statki o coraz większych mocach, a jednocześnie bardzo nielicznych załogach ze względu na wprowadzoną kompleksową automatyzację, zapotrzebowanie na parę do celów gospodarczych i socjalno-bytowych jest niewielkie w stosunku do ilości pary możliwej do wyprodukowania.
W poszukiwaniu dalszych możliwości wykorzystania pary produkowanej w kotle utylizacyjnym na wielu statkach zainstalowano układy do wytwarzania energii elektrycznej za pomocą prądnic napędzanych turbinami zasilanymi parą. Ze względu na coraz większe moce instalowanych silników głównych, stosowanie parowych turbinowych zespołów prądotwórczych stało się dość powszechne przy projektowaniu nowych siłowni spalinowych. Ekonomiczność finansowa stosowania tych rozwiązań zależy w dużej mierze od stosunku czasu spędzanego przez statek w porcie do czasu spędzanego w morzu, który w miarę stosowania nowych technologia przeładunków (pojemnikowce, statki typu ro-ro) znacznie polepsza się na korzyść czasu spędzanego przez statek w morzu. Tym bardziej umacnia to tendencję instalowania parowych turbinowych zespołów prądotwórczych wraz z niezbędnymi — w takim wypadku — rozbudowanymi układami utylizacyjnymi. Zwiększają się też w takich przypadkach parametry pary i produkuje się prawie wyłącznie parę przegrzaną.
Rys. 4.14. Bilans produkcji i zapotrzebowania pary siłowni spalinowej z niskotemperaturowym wolnoobrotowym silnikiem dwusuwowym firmy Sulzer typu RND.
Na rys. 4.14 prosta a przedstawia możliwości produkcji pary w układach utylizacyjnych siłowni spalinowej z silnikiem Sulzer typu RND w zależności od mocy silnika, natomiast prosta b przedstawia ilość pary zużywanej na statku do potrzeb eksploatacyjnych i gospodarczych.
Odcinek rzędnej między prostymi a i b obrazuje ilość pary pozostającej do zasilania turbin zespołów prądotwórczych.
Jak uprzednio wspomniano, powierzchnie ogrzewalne kotłów utylizacyjnych znajdują się w strumieniu gazów odlotowych z silnika spalinowego. Ponieważ temperatura spalin maleje wraz z odbiorem ciepła przez kolejne segmenty powierzchni ogrzewalnych w kotle utylizacyjnym, gazy odlotowe omywają kolejno:
przegrzewacz pary (jeśli produkowana jest para przegrzana),
powierzchnię części odparowanej,
podgrzewacz wody zasilającej.
Współczesne rozwiązania układów kotłów utylizacyjnych na statkach z napędem spalinowym konstruowane są według jednego z typowych wzorów. Jeden z często spotykanych wzorów przedstawiony jest na rys. 4.15. Na rysunku tym przedstawiono też przykładowy rozkład temperatur gazów odlotowych z silnika spalinowego w czasie przepływu przez kocioł utylizacyjny oraz temperatur wody, mieszaniny parowo-wodnej i pary w przepływie przez wężownice kotła.
Na większości statków — poza zbiornikowcami o napędzie spalinowym, na których zapotrzebowanie na parę jest zazwyczaj większe niż możliwości produkcyjne kotłów utylizacyjnych (zwłaszcza, gdy zachodzi konieczność podgrzewania ładunku płynnego w zbiornikach ładunkowych) — jeśli me zastosowano parowych zespołów prądotwórczych przy normalnym obciążeniu siłowni, może być wykorzystywana tylko część ciepła odpadowego spalin odlotowych, czyli że możliwa do uzyskania wydajność kotła utylizacyjnego jest zazwyczaj większa niż zapotrzebowanie pary na statku. W takiej sytuacji jedynym rozsądnym ekonomicznie działaniem jest zmniejszenie wydajności kotła utylizacyjnego.
Rys. 4.15. Rozkład temperatur gazów odlotowych z silnika i wody oraz pary w kotle utylizacyjnym: a) podgrzewacz wody; b) przestrzeń parowania; c) przegrzewacz pary
1 — pompa zasilająca; 2 — podgrzewacz wody; 3 — zbiornik parowo-wodny; 4 — powierzchnia odparowania; 5 — pompa obiegowa; 6 — przegrzewacz pary;
temperatura gazów odlotowych z silnika
----------temperatura wody i pary
Jednym ze sposobów, zmniejszenia wydajności kotła utylizacyjnego przy nie zmienionej produkowanej aktualnie ilości gazów odlotowych jest wyłączenie części wężownic kotła utylizacyjnego z pracy (por. opis rys. 4.18).
Rys. 4.16. Rodzaje regulacji wydajności kotłów utylizacyjnych: a) z klapą odcinającą;
b) z dodatkowym palnikiem; l — pompa zasilająca; 2 — spalinowy podgrzewacz wody; 2a — sekcja regulacyjna; 3 — walczak parowo-wodny; 4 — powierzchnia odparowania; 4a — sekcja regulacyjna; 5 — pompa obiegowa; f — przegrzewacz pary; 6a — sekcja regulacyjna; 7 — podgrzewacz wody zasilającej; S — klapa odcinająca; 9 — palnik
Jest to najczęściej stosowany w praktyce na statkach sposób regulacji wydajności kotłów wykorzystujących ciepło odpadowe siłowni spalinowej.
Innym sposobem jest puszczanie części gazów odlotowych z silnika przewodem omijającym tek, aby tylko część gazów oddawała swe ciepło odpadowe w kotle utylizacyjnym. Sposób ten łączy się z automatycznym zmniejszeniem wydajności pompy zasilającej kocioł oraz pompy obiegowej.
Odmiennie przedstawia się zagadnienie pracy kotła utylizacyjnego w przypadku, gdy zmienia się ilość produkowanych gazów odlotowych. W tej sytuacji stosuje się regulację wydajności pomp zasilających przez zmianę ich prędkości obrotowej lub przez stosowanie rurociągu przelewowego, łączącego część tłoczną pompy z ssawną oraz regulację (najczęściej zmianę prędkości obrotowej) pampy obiegowej. Spotyka się też stosowanie wyłączania części wężownic kotła utylizacyjnego.
W celu utrzymania stałego współczynnika przekazywania ciepła, którego wartość zależy — między innymi — również od prędkości przepływu czynnika grzewczego, stosuje się niekiedy (przy jednoczesnym wyłączeniu części wężownic z pracy) odcięcie części kanału dla przepływu gazów odlotowych z silnika. Przy zmniejszonej ilości płynących gazów i równocześnie zmniejszonym przekroju kanału spalin szybkość ich przepływu utrzymuje się na żądanym poziomie zapewniającym właściwą wartość współczynnika przekazywania ciepła. Rozwiązanie takie przedstawione jest na rys. 4.16a.
Jeśli zależy nam na utrzymaniu wydajności kotła na poziomie odpowiadającym nominalnej ilości gazów odlotowych, w niektórych rozwiązaniach stosuje się — po uprzednim odcięciu przepływu gazów odlotowych przez część sekcji wężownic kotła utylizacyjnego — ogrzewanie tej części przez spaliny produkowane dodatkowym palnikiem spalającym paliwo płynne (rys. 4.16b).
4.3.2. Rodzaje kotłów utylizacyjnych.
Kotły utylizacyjne stosowane na statkach z napędem spalinowym można podzielić na kotły płomieniówkowe i opłomkowe, z tym że te pierwsze instalowane są na statkach starszych -typów. Obecnie na nowo budowanych stosuje się prawie wyłącznie kotły wodnorurkowe z wymuszoną cyrkulacją wody.
Płomieniówkowe kotły utylizacyjne mają bardzo prostą budowę. Powierzchnię ogrzewalną stanowią wyłącznie gładkie rurki — płomieniówki. Na rys. 4.17 przedstawiono kilka rozwiązań konstrukcyjnych utylizacyjnych kotłów płomieniówkowych. Na rys. 4.17a pokazano szkic jednego z wcześniejszych rozwiązań. Jest to kocioł typu Cochran o budowie bardzo podobnej do wolnostojącego kotła pomocniczego tej .samej firmy (por. rys. 4.2 oraz rys. 4.9), Jest to kocioł z naturalną cyrkulacją, dzięki przestrzeni parowej, bardzo prosty w budowie i eksploatacji. Przepływ spalin grzewczych jest poziomy.
Kocioł utylizacyjny przedstawiony na rys. 4.17b ma znacznie prostszą budowę. Jego korpus 2 stanowi cylinder wykonany z blachy stalowej z dwoma ścianami sitowymi 3, w których osadzone są płomieniówki l. Kocioł ten, współcześnie produkowany w Danii, ma również przestrzeń parową i nie wymaga stosowania w układach z pomocniczym kotłem wolnostojącym pompy obiegowej. Przepływ spalin. — podobnie jak w kotle Cochran (rys. 4.17a) jest poziomy. Tego rodzaju przepływ spalin utrudnia w niektórych przypadkach rozwiązanie siłowni okrętowej. Aby uniknąć tej niedogodności, firma Aalborg Yaerft A/S produkuje również płomieniówkowe kotły utylizacyjne o pionowym przepływie spalin. Dwa takie kotły przedstawiono na rys. 4.17c oraz rys. 4.17d. Pierwszy z nich ma konstrukcję przystosowaną do przestrzeni parowej, druga natomiast służy jedynie za wymiennik ciepła i nie może pracować samodzielnie bez połączenia bądź z pomocniczym kotłem wolnostojącym, bądź ze specjalnym zbiornikiem parowo-wodnym (por. rozdz. 4.4).
Rys 4.17. Płomieniówkowe kotły utylizacyjne: a) kocioł Cochran z poziomym przepływem spalin: b) kocioł AQ-7 produkcji Aalborg Vaerft A/S (Dania) z poziomym przepływem spalin; c) kocioł AQ-2 produkcji Aalborg Vaerft A/S (Dania) z pionowym przepływem spalin i przestrzenią parową; d) kocioł AQ-7 produkcji Aalborg Vaerit A/S (Dania) z pionowym przepływem spalin bez przestrzeni parowej l — płomieniówki; 2 — korpus; 3 — ściana sitowa; 4 — komora dymowa.
Rys. 4.18. Kocioł utylizacyjny La Monta l — kolektor dolotowy; 2 — kolektor odlotowy;
3 — rurki spiralne
Typowym, bardzo często stosowanym wodnorurkowym kotłem utylizacyjnym, jest kocioł typu La Monta. Tego rodzaju kotły są podobne pod względem działania do omawianych już w rozdz. 3.3.4. kotłów z przymusową cyrkulacją. Kocioł ten — przedstawiony na rys. 4.18 — składa się z dwóch kolektorów 1 i 2 oraz z szeregu spiralnie ukształtowanych rurek 3, którymi przepływa podgrzewana woda. Spaliny przechodzą wewnątrz (korpusu między spiralami. W kotle tym brak jest przestrzeni parowej i dlatego musi on mieć albo dodatkowy zbiornik, albo powinien być połączony z innym kotłem pomocniczym mającym przestrzeń parową.
W przypadku zbyt dużej wydajności kotła w stosunku do aktualnych potrzeb istniejących na statku można odciąć jedną lub więcej ze spiral wężownicy (jak widać na szczególe rys. 4.18). Zmniejsza się tym samym powierzchnię ogrzewalną kotła utylizacyjnego, a więc zmniejsza jego wydajność.
Rurki tworzące spirale w kotłach La Monta są tak rozmieszczone, aby między nimi pozostawał niewielki prześwit. Przy małych bowiem różnicach temperatur, jakie występują w kotłach utylizacyjnych ogrzewanych spalinami odlotowymi silników spalinowych (zwłaszcza przy tzw. silnikach typu „zimnego"), należy dążyć do zwiększenia szybkości przepływu spalin, aby możliwie jak najbardziej zwiększyć intensywność wymiany ciepła między spalinami i wodą w rurkach kotła utylizacyjnego.
W celu dalszego zwiększenia intensywności wymiany ciepła w kotłach utylizacyjnych firma Sunrod stosowała dodatkowe króćce, podobne do opisanych w rozdz. 4.2.1. W kotłach utylizacyjnych króćce te są bardziej rozbudowane, a ich kształt przedstawiono na rys. 4.19.
Rys. 4.19. Element grzewczy kotłów utylizacyjnych Sunrod l — rura; 2 — króciec miedziany; 3 — koszulka stalowa
Dwa rodzaje kotłów utylizacyjnych Sunrod pokazano na rys. 4.20 i rys. 4.21. Różnią się one między sobą kątem nachylenia rurek konwekcyjnych uzależnionym od kierunku przepływu spalin odlotowych.
Dla pionowego przepływu spalin odlotowych (rys. 4.20b) kąt nachylenia rurek konwekcyjnych jest niewielki i wynosi 10—150; dla poziomego przepływu spalin odlotowych (rys. 4.21 b) rurki konwekcyjne nachylone są pod kątem 90°.
Rys. 4.20. Kocioł utylizacyjny Sunrod, z pionowym przepływem spalin: a) przekrój kotła;
b) schemat zamocowania kotła w siłowni; l — Kolektor dolotowy wody; 2 — kolektor odlotowy mieszaniny parowo-wodnej; 3 — rury konwekcyjne; 5,6 — rury wznoszące; 9 — wyczystka; 10 — ściana izolowana.
Pierwsze rozwiązanie pokazane jest na rys. 4.20a. Woda podawana jest do kolektora l, a następnie przechodzi pionowymi rurami wznoszącymi 5 i ukośnymi rurami konwekcyjnymi 3 oraz rurami 6 do kolektora zbiorczego mieszaniny parowo-wodnej 2. W ścianie izolowanej l0 korpusu kotła znajdują się klapy 9 umożliwiające wygodny dostęp do połączeń kołnierzowych w celu ,na przykład demontażu kotła.
Kocioł składa się z kilku segmentów (3, 5, 6) i przy odpowiednim wykonaniu kolektorów l oraz 2 może być podzielony na kilka (3—5) oddzielnych sekcji. Umożliwia to regulowanie wydajności kotła przez wyłączanie lub włączanie odpowiednich sekcji. Elastyczna i podatna na odkształcenia termiczne konstrukcja sekcji oraz stosunkowo niewysoka temperatura gazów spalinowych umożliwia pozostawienie odstawionej sekcji w strumieniu spalin bez chłodzącego działania wody i mieszaniny parowo-wodnej przepływającej wewnątrz rur uzbrojonych w miedziane króćce, jak na rys. 4.19.
Kocioł do poziomego przepływu spalin (prostopadłego do płaszczyzny rysunku) pokazano na rys. 4.21a. Woda zasilająca podawana jest do kolektora l.
Rys. 4.21. Kocioł utylizacyjny Sunrod z poziomym .przepływem spalin: a) przekrój kotła;
b) .schemat zamocowania kotła w siłowni; l — kolektor dolotowy wody; 2 — kolektor odlotowy mieszaniny parowo-wodnej; 3 — rury konwekcyjne; 4 — rura opadowa; 7 — kolektor rozdzielczy dolny; 8 — kolektor rozdzielczy górny; 9 — wyczystka; 10 — izolacja; 11 — rurka teleskopowa
Rys. 4.22. Sekcja grzewcza rurek kotła utylizacyjnego Sunrod.
Segment rur konwekcyjnych składa się z dwóch kolektorów poziomych: dolnego 7 i górnego 8 oraz z pionowych rur 3 i 4 uzbrojonych w miedziane króćce polepszające wymianę ciepła. Do pierwszej rury pionowej 4 wprowadzona jest teleskopowo rurka 11 połączona z kolektorem wody zasilającej l. Chłodna woda dostaje się tą rurką do segmentu konwekcyjnego i spływa w dół do kolektora 7. Rura 4 jest więc tym samym rurą opadową. Pozostałe rury pionowe 3 segmentu są rurami wznoszącymi i tam odbywa się dalsze podgrzewanie a częściowo odparowanie wody. Prędkość przepływu w rurach wznoszących jest tyle razy mniejsza od prędkości opadania wody w rurze 4, ile jest rur wznoszących w jednej sekcji. Mieszanina parowo-wodna dostaje się do kolektora odlotowego 2.
Liczba segmentów konwekcyjnych w kotle waha się, w zależności od wielkości kotła, od kilku do kilkunastu.
Rys. 4.23. Kocioł utylizacyjny Sunrod ze spiralnymi sekcjami rurek l — sekcja rurek; 2 — kolektor dolotowy wody; 3 — kolektor zbiorczy parowo-wodny; 4 — klapa; 5 — kołnierz;
6 — łapa zamocowania.
W celu umożliwienia regulacji wydajności kotła stosuje się włączanie połowy segmentów do jednego kolektora zasilającego i jednego kolektora zbiorczego, reszty zaś do drugiego (na rysunku te ostatnie pokazane są cienką linią, a sekcje podłączane do tych kolektorów mają rurę opadową umieszczoną z prawej strony).
Opisane wyżej kotły utylizacyjne nie są nigdy instalowane samodzielnie na statkach i muszą mieć połączenie ze zbiornikiem parowo-wodnym. Kotły utylizacyjne Sunrod współpracują najczęściej z kotłami pomocniczymi wolnostojącymi, również typu Sunrod. Czyszczenie kotła utylizacyjnego odbywa się przez spłukiwanie silnym strumieniem wody słodkiej. Woda płucząca odprowadzana jest z przewodu spalinowego zaworem spustowym (por. rys. 4.24).
Dążność do zwiększenia standaryzacji elementów grzewczych kotłów utylizacyjnych oraz chęć maksymalnego wykorzystania przestrzeni .zajmowanej przez kocioł i polepszenia stopnia przejmowania ciepła skłoniły producentów kotłów utylizacyjnych Sunrod do zastosowania jako elementów grzewczych sekcji złożonych ze spiralnie ustawionych rur bardzo bogato uzbrojonych w króćce typu przedstawionego na rys. 4.19. Sekcję taką pokazano na rys. 4.22.
Rys. 4.24. Schemat połączeń kotła utylizacyjnego Sunrod ze spiralnymi segmentami rurek
l — kolektor dolotowy wody; 2 — kolektor zbiorczy parowo-wodny; 3 — komora odwodnienia; 4 — grupa pięciosegmentowa; 5 — grupa trójsegmentowa; 6 — dysza spłukiwacza sadzy
W rozwiązaniu przedstawionym na rys. 4.23 powierzchnię ogrzewalną kotła utylizacyjnego tworzą sekcje złożone z poziomo ułożonych w dwóch
rzędach rur uzbrojonych w króćce miedziane, jak na rys. 4.19. Usytuowanie rurek (jak na rysunku) zwiększa drogę przepływu wody, umożliwia dłuższy jej kontakt ze spalinami omywającymi powierzchnię ogrzewalną, a tym samym polepsza warunki wymiany ciepła. Dzięki umieszczeniu po jednej stronie kotła kolektorów dolotowych wody 2 i zbiorczych mieszaniny parowo-wodnej 3 znacznie ułatwiona jest zarówno inspekcja kotła, jak i demontaż jakiegokolwiek z elementów (rys. 4.23).
W celu uelastycznienia wydajności kotła segmenty rurek mogą być wyłączane każdy oddzielnie bądź też łączone w grupy. Przykład łączenia w grupy przedstawiono szkicowo na rys. 4.24. Przy takim rozwiązaniu możliwa jest produkcja pary z:
wydajnością maksymalną = D (włączone do pracy wszystkie sekcje w liczbie 7),
wydajnością 4/7 D (4 sekcje włączone do pracy),
wydajnością 3/7 D (3 sekcje włączone do pracy).
Rys. 4.25. Segment płytowy kotła utylizacyjnego Sunrod: a) szkic segmentu płytowego;
b) widok segmentu płytowego (bez króćców: dolotowego i odlotowego) l — kolki miedziane; 2 — króciec dolotowy wody zasilającej; 3 — króciec odlotowy mieszaniny parowo-wodnej; 4 — korpus segmentu płytowego.
W opisywanym kotle zamontowane są dysze wodne służące do spłukiwania powierzchni ogrzewalnych ze szkodliwych osadów korozjo-twórczych zawartych w sadzy. Spłukiwanie odbywa się strumieniem słodkiej wody wypływającej pod dużym ciśnieniem z dyszy 6 umieszczonej w górnej części kotła. Brudna woda jest usuwana z przewodu spalinowego komory odwodnienia 3.
W połowie lat 70-tych rozpoczęto produkcję kotłów utylizacyjnych, w których powierzchnię ogrzewalną zamiast rurek tworzą płyty. Konstrukcja taka nawiązuje do szeroko współcześnie stosowanych, szczególnie przez skandynawskich producentów, płytowych wymienników ciepła w siłowniach okrętowych.
Szkic segmentu płytowego tworzącego powierzchnię ogrzewalną kotła pokazano na rys. 4.25.
Zaletami tego typu powierzchni ogrzewalnej są:
duża powierzchnia ogrzewalna w stosunku do gabarytów kotła,
lepsza wymiana ciepła niż w segmentach rurowych,
łatwiejsza cyrkulacja podgrzewanej wody i mieszaniny parowo-wodnej.
Dzięki tej ostatniej zalecie segmenty płytowe mogą być stosowane w kotłach utylizacyjnych o naturalnej cyrkulacji wody. Stosuje się je — jak na razie — głównie w kotłach pomocniczych o niewielkiej wydajności dochodzącej do 2 t/h.
4.4.Układy kotłów pomocniczych na statkach z siłowniami spalinowymi.
Na obecnie eksploatowanych statkach z napędem silnikiem spalinowym spotyka się bardzo różne układy kotłów pomocniczych. Rodzaj układów zależny jest głównie od mocy i rodzaju silnika głównego. W siłowniach małych mocy układa kotłów pomocniczych są bardzo proste, gdyż z jednej strony zapotrzebowanie aa parę jest niewielkie, z drugiej zaś krótki zazwyczaj czas przebywania statku w morzu, a dość długi w porcie nie sprzyja eksploatacji kotłów utylizacyjnych. Poza tym przy silniku małej, mocy wartość bezwzględna ewentualnie zaoszczędzonego paliwa przy stosowaniu kotła utylizacyjnego jest również niewielka amortyzacja skomplikowanego i drogiego urządzenia utylizacyjnego stałaby pod znakiem zapytania. Dodatkowym problemem jest sprawa miejsca, którego brak w siłowni małego statku.
Zupełnie inaczej wygląda omawiane zagadnienie na statkach dużych, z silnikami dużej mocy i przestronnymi siłowniami.
Jako kotły utylizacyjne w siłowniach spalinowych najczęściej stosowane są kotły wodnorurkowe z przymusowym obiegiem wody typu wzorowanego na kotłach La Monta (por. rys. 4.18, rys. 4.23 itp.). Ponieważ kotły tego typu nie mają w .swej konstrukcji zbiornika parowo-wodnego, mogą pracować bądź w połączeniu z wolnostojącym kotłem pomocniczym, jak pokazano między innymi na rys. 4.35, bądź w układ kotła utylizacyjnego musi wchodzić oddzielny zbiornik parowo-wodny (poz. S na rys. 4.26).
Rys. 4.26. Układ jednociśnieniowy produkujący parę nasyconą l — pompa zasilającą;
3 — zbiornik parowo-wodny lub kocioł pomocniczy opalany olejeni; 4 — powierzchnia odparowania; 5 — pompa obiegowa
Najprostszy układ kotłów pomocniczych przedstawiono na rys. 4.26. Zbiornik parowo-wodny 3 może tu obrazować również oddzielny kocioł pomocniczy opalany olejem (schemat układu w takim przypadku nie ulegnie zmianie). Układ ten jest układem jednociśnieniowym produkującym wyłącznie parę nasyconą. Zasilanie układu odbywa się do zbiornika (kotła pomocniczego) 3. Woda ze zbiornika pobierana jest pompą obiegowa 5 i przetłaczana przez rurki 4 kotła utylizacyjnego. Mieszanina parowo-wodna powraca do zbiornika (kotła pomocniczego) 3, gdzie następuje jej rozdzielenie na parę nasyconą i wodę powracającą do obiegu. W czasie manewrów silnika głównego lub podczas postoju statku w porcie uruchamiany jest kocioł pomocniczy 3 opalany olejem, produkujący potrzebną ilość pary. W tym czasie kocioł utylizacyjny wraz z pompą obiegowa musi być całkowicie odcięty od układu.
W przypadku stosowania pary z obiegu utylizacyjnego do napędu turbin zespołów prądotwórczych, co jest stosowane obecnie bardzo często; zwłaszcza na masowcach i zbiornikowcach z silnikami dużej mocy o długich przebiegach morskich i krótkich postojach w portach, produkuje się, parę przegrzaną. Najczęściej łączy się to ze zwiększeniem ciśnienia pary, zwiększenie parametrów produkowanej pary prowadzi do zmniejszenia stopnia wykorzystania ciepła odpadowego spalin z powodu podniesienia temperatury nasycenia pary, co pociąga za sobą mniejszą różnicę temperatur pomiędzy spalinami a odparowującą wodą, polepsza jednak warunki pracy turbiny (przegrzanie pary powoduje wzrost stopnia suchości pary na ostatnich stopniach turbiny i zmniejsza straty wilgotności).
Układ jednociśnieniowy z przegrzewaczem pary przedstawiono na rys. 4.27. Powierzchnię ogrzewalną przegrzewacza stanowią spiralne rurki 6 kotła utylizacyjnego umieszczone w dolnej części kotła w strumieniu najgorętszych spalin. W niektórych rozwiązaniach przedstawionego na rys. 4.27 układu (np. rozwiązanie proponowane przez firmę Foster Wheeler — John Brown) parę nasyconą produkowaną w pomocniczym kotle opalanym olejem można przegrzewać w przewodzie spalinowym kotła pomocniczego opalanego olejem. Umożliwia to szeroki zakres współpracy kotła utylizacyjnego z kotłem pomocniczym przy różnych obciążeniach silnika głównego oraz pozwala na pracę turbiny zespołu prądotwórczego zarówno w morzu, jak i w porcie.
Rys. 4.27. Układ jednociśnieniowy z przegrzewaczem pary; l — pompa zasilająca;
3 — zbiornik parowo--wodny lub kocioł pomocniczy opalany olejem; 4 — powierzchnia odparowania; 5 — pompa obiegowa; 6 — przegrzewacz pary
W celu zwiększenia sprawności układu kotłów pomocniczych stosuje się — podobnie jak w obiegach parowo-wodnych kotłów głównych — podgrzewanie wody zasilającej przed podaniem do zbiornika parowo-wodnego. Układ taki z rozbudowaną instalacją wody zasilającej przedstawiono na rys. 4.28, gdzie zastosowano wstępne podgrzanie wody zasilającej w wymienniku ciepła 7 typu „woda-woda". Woda zasilająca jest tam wstępnie podgrzewana wodą obiegową układu. Dalszy ciąg podgrzewania wody zasilającej odbywa się w spalinowym podgrzewaczu, który stanowią spiralne rurki 2 kotła utylizacyjnego umieszczone w górnej części kotła, w strumieniu najchłodniejszych spalin.
Dodatkową korzyścią wynikającą z omawianego układu jest obniżenie temperatury wody obiegowej podawanej do rurek powierzchni odparowania 4 kotła utylizacyjnego, co powoduje lepsze wykorzystanie ciepła spalin odlotowych silnika głównego.
Temperatura wody obiegowej na dolocie do rurek powierzchni odparowania 4 nie powinna być jednak za niska, ponieważ mogłoby to stać się przyczyną lokalnych zbytnich przechłodzeń spalin i w efekcie przyczyną korozji niskotemperaturowej. Przy takich rozwiązaniach stosuje się automatyczną regulację temperatury podgrzewania wody zasilającej
oraz temperatury wody obiegowej na dolocie do wężownic powierzchni odparowania.
Rys. 4.28. Układ jednociśnieniowy 2- przegrzewaczem pary i podgrzewaczem wody zasilającej typu „woda —woda"; l — pompa zasilająca; 2 — spalinowy podgrzewacz wody zasilającej; 3 — zbiornik parowo-wodny; 4 — powierzchnia odparowania; 5 — pompa obiegowa; 6 — przegrzewacz pary; 7 — podgrzewacz wody zasilającej.
Realizuje się ją najczęściej za pomocą 'automatycznych zaworów na przewodach wody zasilającej oraz obiegowej tak, aby ominąć częściowo lub całkowicie podgrzewacz wody 7.
Rys. 4.29. Układ jednociśnieniowy z przegrzewaczern pary i podgrzewaczem wody zasilającej typu „para—woda"; l — pompa zasilająca; 2 — spalinowy podgrzewacz wody zasilającej; 3 — zbiornik parowo-wodny; 4 — powierzchnia odparowania; 5 — pompa obiegowa; 6 — przegrzewacz pary; 7 — podgrzewacz wody zasilającej.
Odmianą układu z podgrzewaczem wody zasilającej jest układ przedstawiony na rys. 4.29. Woda zasilająca podgrzewana jest tu wstępnie parą nasyconą ze zbiornika parowo-wodnego 3. Wyższa temperatura podgrzania wody przed podaniem jej do rurek spalinowego podgrzewacza wody zasilającej 2 wynosząca 100—105°C, zmniejsza w sposób wydatny możliwość powstawania korozji niskotemperaturowej wężownic tego podgrzewacza, znajdującego się w strumieniu najchłodniejszych już spalin.
Układ ten stosowany jest — między innymi — na radzieckich zbiornikowcach typu „Leonardo da Vinci".
W instalacjach parowych układów kotłów pomocniczych na statkach z napędem spalinowym, w których wykorzystuje się produkowaną parę do napędu turbin zespołów prądotwórczych, jednym z kłopotów natury eksploatacyjnej jest wpływ wahań obciążenia odbiorników pary instalacji siłownianej i ogólno-okrętowej (podgrzewaczy różnego rodzaju) na pracę obiegu zasilania turbiny zespołu prądotwórczego. Aby wyeliminować to szkodliwe działanie, zastosowano dwuciśnieniowy układ kotłów pomocniczych. W układzie takim para niskiego ciśnienia służy do zasilania odbiorników siłownianych i ogólno-okrętowych, natomiast para obiegu wysokociśnieniowego służy wyłącznie do zasilania turbiny zespołu prądotwórczego.
Rys. 4.30. Układ dwuciśnieniowy z przegrzewaczem pary wysokiego ciśnienia oraz podgrzewaczem wody zasilającej obiegu wysokociśnieniowego typu „para—woda" l — pompa zasilająca; 2 — powierzchnia odparowania obiegu niskiego ciśnienia; 3 — zbiornik parowo-wodny obiegu niskiego ciśnienia; 4 — powierzchnia odparowania obiegu wysokiego ciśnienia; 5 —pompa obiegowa obiegu niskiego ciśnienia; 6 — przegrzewacz pary obiegu wysokiego ciśnienia; 7 — podgrzewacz wody zasilającej; 8 — zbiornik parowo-wodny obiegu wysokiego ciśnienia; 9 — pompa obiegowa obiegu wysokiego ciśnienia; 10 — zawór redukcyjny.
Układ dwuciśnieniowy z przegrzewaczem pary wysokiego ciśnienia oraz podgrzewaczem wody zasilającej obiegu wysokiego ciśnienia przedstawiono na rys. 4.30.
Cechą szczególną tego obiegu jest zasilanie obu układów tą samą pompą zasilającą l. Wymaga to redukcji ciśnienia zaworem 10 przy zasilaniu obiegu niskociśnieniowego.
W obiegu niskociśnieniowym produkuje się wyłącznie parę nasyconą, w obiegu wysokociśnieniowym wyłączenie parę przegrzaną do zasilania turbiny zespołu prądotwórczego.
W układzie przedstawionym na rys. 4.31, a stosowanym na zbiornikowcach typu „British Castrol" w kotle utylizacyjnym produkowana jest wyłącznie para przegrzana wysokiego ciśnienia, zasilająca turbinę zespołu prądotwórczego. Parę nasyconą obiegu niskociśnieniowego produkuje się wyłącznie w wytwornicy 3 ogrzewanej wężownicą, przez którą przepływa gorąca woda obiegu wysokiego ciśnienia. Woda obiegowa oddaje swoje ciepło kolejno: w podgrzewaczu 7 wody zasilającej II°, wężownicy 9, wytwornicy pary niskiego ciśnienia 3 oraz w podgrzewaczu 11 wody zasilającej 1°. Zasilanie obu obiegów odbywa się za pomocą wspólnej pompy zasilającej l.
Rys 4.31. Układ dwuciśnieniowy z wytwornicą pary niskiego ciśnienia i dwuciśnieniowym podgrzewaczem wody zasilającej typu „woda—woda" l — pompa zasilająca; 2 — spalinowy podgrzewacz wody obiegowej; 3 — zbiornik parowo-wodny obiegu niskiego ciśnienia; 4 — powierzchnia odparowania niskiego ciśnienia; 5 — pompa obiegowa; 6 — przegrzewacz pary wysokiego ciśnienia; 7 — podgrzewacz II° wody zasilającej; 8 — zbiornik parowo-wodny obiegu wysokiego ciśnienia; 9 — wężownicą grzejna wytwornicy pary niskiego ciśnienia; -10 — zawór redukcyjny; 11 — podgrzewacz wody zasilającej; 12 — zawór omijająco-regulacyjny; 13 — zawór regulacyjny zasilania; 14 — zawór redukcyjno-regulacyjny
W obiegu wysokociśnieniowym produkuje się parę przegrzaną o ciśnieniu 0,981 MN/m2 (10 kG/cm2), w obiegu niskociśnieniowym zaś parę nasyconą o ciśnieniu 0,245—0,344 MN/m3 (2,5—3,5 kG/cm2).
Regulację wydajności układu przeprowadza się za pomocą automatycznych zaworów 12, 13 i 14. W razie potrzeby, para w układzie niskociśnieniowym może być uzupełniana parą z obiegu wysokociśnieniowego po zdławieniu w zaworze redukcyjno-regulacyjnym 14.
W układzie dwuciśnieniowym przedstawionym na rys. 4.32 oba obiegi są od siebie prawie całkowicie oddzielone. Każdy z nich ma oddzielne sekcje odparowania w kotle utylizacyjnym (póz. 2 i 4 dla obiegu nisko-ciśnieniowego i poz. 6 oraz 11 dla obiegu wysokociśnieniowego). W układzie tym w obieg wysokiego ciśnienia wchodzi kocioł pomocniczy opalany olejem. Kocioł ten w czasie pracy silnika głównego stanowi zbiornik 8 parowo-wodny utylizacyjny części wysokociśnieniowej układu. W czasie manewrów lub postoju w porcie para wysokiego ciśnienia produkowana jest w kotle pomocniczym 8 opalanym olejem. Jej przegrzewanie następuje w przegrzewaczu 13 ogrzewanym spalinami kotła 8. Równocześnie zapotrzebowanie na parę nasyconą niskiego ciśnienia pokrywane jest też z tego samego kotła przez zawór redukcyjny 10.
Rys. 4.32. Układ dwuciśnieniowy z sekcjami odparowania wysokiego i niskiego ciśnienia w kotle utylizacyjnym l — pompa zasilająca obiegu niskiego ciśnienia; 2 — spalinowy podgrzewacz wody obiegowej; 3 — zbiornik parowo-wodny obiegu niskiego ciśnienia; 4 — powierzchnia odparowania obiegu niskiego ciśnienia; 5 — pompa obiegowa obiegu niskiego ciśnienia; 6 — powierzchnia odparowania obiegu wysokiego ciśnienia; 7 — podgrzewacz wody zasilającej; 8 — zbiornik parowo-wodny obiegu wysokiego ciśnienia (kocioł pomocniczy); 9 — pompa obiegowa obiegu wysokiego ciśnienia; 10 — parowy zawór redukcyjny; 11 — utylizacyjny przegrzewacz pary wysokiego ciśnienia; 12 — pompa zasilająca obiegu wysokiego ciśnienia; 1.3 — przegrzewacz pary wysokiego ciśnienia.
W układzie zaproponowanym przez firmę Foster-Wheeler (rys. 4.33) mamy połączenie kotła utylizacyjnego z typowym kotłem dwuciśnieniowym. W układzie tym produkowana jest wyłącznie para niskiego ciśnienia. Jej część używana jest jako para nasycona, część natomiast podlega przegrzaniu.
Woda zasilająca podawana jest do zbiornika parowo-wodnego 3 obiegu wysokociśnieniowego. Woda w tym zbiorniku może być podgrzewana parą nasyconą wysokiego ciśnienia produkowaną w kotle pomocniczym opalanym olejem. Kocioł ten może być jednakże całkowicie wyłączony z układu w czasie pracy silnika głównego i pokrywania całkowitego zapotrzebowania na parę przez kocioł utylizacyjny. Woda jest pobierana z walczaka 3 pompą obiegową 5 i tłoczona do wężownic 2 i 4. W przypadku, gdy woda ta jest zbyt gorąca, jest ona ochładzana — w celu polepszenia wymiany ciepła w kotle utylizacyjnym — wodą zasilającą w zaworze mieszalnikowym 14.
Para nasycona produkowana w obiegu niskociśnieniowym odprowadzana jest częściowo bezpośrednio do odbiorników siłownianych i ogólno-okrętowych. Reszta pary odprowadzana jest do wężownic 6 i przegrzewacza utylizacyjnego oraz do wężownic 10 podgrzewacza wody w walczaku wodnym 9 dwuciśnieniowego kotła pomocniczego (por. kocioł przedstawiony na rys. 4.8).
Rys. 4.33. Układ z wolnostojącym pomocniczym kotłem dwuciśnieniowym i podgrzewaczem wody typu „para—woda" 1 — pompa zasilająca; 2 — spalinowy podgrzewacz wody obiegowej niskiego ciśnienia; 3 — zbiornik parowo-wodny obiegu niskiego ciśnienia; 4 — powierzchnia odparowania obiegu niskiego ciśnienia; 5 — pompa obiegowa; 6 — przegrzewacz utylizacyjny obiegu niskiego ciśnienia; 7 — wężownica grzejna wytwornicy pary niskiego ciśnienia; 8 — walczak parowo-wodny wolnostojącego pomocniczego kotła dwuobiegowego; 9 — walczak wodny kotła pomocniczego; 10 — wężownica grzewcza; 11, 12 — zawory; 13 — przegrzewacz pary obiegu niskiego ciśnienia; 14 — zawór mieszalnikowy.
Kocioł pomocniczy opalany olejem pracuje bądź przy niskich parametrach spalin odlotowych silnika głównego (jazda przy zmniejszonej mocy), bądź w czasie postoju w porcie czy na redzie. W takim przypadku ostateczne (lub całkowite) przegrzewanie pary niskiego ciśnienia odbywa się w przegrzewaczu 23 umieszczonym w przewodzie paliwowym kotła pomocniczego.
Typowy układ jednociśnieniowy, spotykany bardzo często na statkach polskiej bandery, przedstawiono na rys. 4.34. Wolnostojący kocioł pomocniczy 2 opalany olejem jest najczęściej kotłem typu VX, kocioł utylizacyjny zaś jest najczęściej typu LA (podobny do przedstawionego na rys. 4.18). W układzie tym kocioł utylizacyjny może pracować tylko wspólnie z kotłem pomocniczym, który stanowi zbiornik parowo-wodny układu. Zasilanie odbywa się w takim przypadku wyłącznie kotła VX.
Podczas postoju w porcie lub manewrów silnika kocioł utylizacyjny zostaje wyłączony z układu i pracuje wówczas wyłącznie kocioł pomocniczy VX. Możliwa jest też równoległa współpraca obu kotłów, która może być stosowana w przypadkach zwiększonego zapotrzebowania na parę, co jednak nie występuje najczęściej w praktyce ze względu na niedociążenie instalacji utylizacyjnej (por. rys. 4.11 i rys. 4.12).
Rys. 4.34. Układ jednociśnieniowy z kotłem pomocniczym opalanym olejem i wodno-rurkowym kotłem utylizacyjnym o wymuszonej cyrkulacji; l — kocioł utylizacyjny; 2 — kocioł pomocniczy opalany olejem; 3—skrzynia cieplna; 4—skraplacz; 5, 6 — pompy obiegowe; 7,8— pompy zasilające; 9 — zbiornik wody zasilającej
———— woda i mieszanina parowo-wodna
— ----- — para
— . — . — rurociąg szumowania
Problemy związane z ochroną środowiska morskiego spowodowały, że podjęto próbę przystosowania okrętowych kotłów pomocniczych do spalania śmieci stałych, spalania pozostałości zużytych olejów, a nawet ścieków sanitarnych statku. Tym samym unika się konieczności zakupu i umieszczania na statku oddzielnej spalarki śmieci, jednocześnie wykorzystując dodatkowo energię cieplną pochodzącą ze spalania śmieci lub odpadów olejowych.
Na rys. 4.35 przedstawiono kocioł pomocniczy przystosowany do spalania płynnych odpadów olejowych i śmieci stałych. Dostosowany do tego kocioł pomocniczy typu AQ-10 jest produkcji Aalborg Vaerft A/S (Dania). Ma on palnik obrotowy 2 przystosowany do spalania najcięższych i zanieczyszczonych olejów zmieszanych z wodą (o objętości do 50% wody słodkiej). W celu podgrzania komory spalania l do odpowiedniej temperatury wspomagającej proces spalania odpadów olejowych i odparowania zanieczyszczonej wody stosuje się w kotle kilkuminutowe opalanie lekkim paliwem podawanym do tego samego palnika. Obok komory spalania l zainstalowana jest komora spalania stałych śmieci 3. Jest ona oddzielona od komory l przegrodą 6, w której u dołu i u góry znajdują się otwory. Śmieci i odpady stałe wrzucane są do komory 3 przez zasuwę obrotową 5. W komorze 3 śmieci w wysokiej temperaturze, rzędu 500—600°C, ulegają całkowitemu wysuszeniu i zgazowaniu. Gazy te następnie spalają się w komorze spalania l. Proces całkowitego spalania śmieci wynosi 5—6 h.
Rys. 4.35. Kocioł pomocniczy przystosowany do spalania płynnych odpadów olejowych oraz śmieci stałych; l — komora spalania kotła pomocniczego; 2 — palnik; 3 — komora spalania śmieci; 4 — otwór wrzutowy śmieci; 5 — zasuwa obrotowa; 6 — przegroda
Na rys. 4.36 przedstawiono instalację obsługi kotła pomocniczego przystosowanego do spalania odpadów olejowych, śmieci stałych i ścieków sanitarnych. Kocioł typu wodnorurkowego ma, oprócz komory, w której następuje spalanie płynnego paliwa, również komorę do spalania śmieci stałych 2.
Kocioł wyposażony jest albo w palnik obrotowy, albo w palnik z rozpylaniem paliwa za pomocą powietrza, przystosowany do spalania zarówno lekkiego, jak i ciężkiego oleju oraz odpadów olejowych. Palnik nie jest wrażliwy nawet na zanieczyszczenia spalanego paliwa ciałami stałymi o wymiarach do 3 mm.
Odpady olejowe pompowane są ze zbiornika 5 pompą 6. Ponieważ kosz ssawny umieszczony jest na dnie zbiornika, w pierwszej kolejności pompa 6 zasysa wodę, która odstała się w zbiorniku. Przyrząd pomiarowy 21 dokonuje ciągłego pomiaru stopnia zaolejenia pompowanej cieczy i w przypadku, gdy jest on bardzo niewielki, woda kierowana jest do odolejacza zęzowego i dalej — po ostatecznym oczyszczeniu — usuwana za burtę.
Zarówno woda zaolejona, jak i w dalszej kolejności odpady olejowe podawane są do zbiornika 7 po automatycznym przestawieniu trójdzielnego zaworu 22.
W zbiorniku roboczym odpady olejowe i woda (zawartość wody w granicach 20—25%podlegają ciągłemu mieszaniu pompą 9. Uprzednio mieszaninę rozdrabnia się w specjalnym urządzeniu 8. W czujniku 12 następuje pomiar składu mieszaniny, a sygnały przetworzone w przekaźniku 13 sterują wielkością otwarcia zaworów 14 i 15, ustalając ilości ciężkiego oleju i wody dopływającej do zbiornika roboczego 7.
Rys. 4.36. Instalacja obsługi kotła pomocniczego przystosowanego do spalania odpadów olejowych, śmieci stałych i ścieków sanitarnych
1 — kocioł; 2 — komora spalania śmieci stałych; 3 — palnik; 4 — pompa oleju lekkiego; 5 — zbiornik płynnych odpadów olejowych; 6 — pompa odpadów olejowych; 7 — zbiornik roboczy; 8 —— rozdrabniacz; 9 — pompa obiegowa; 10 — pompa podająca; 11 — podgrzewacz; 12 — czujnik; 13 — przekaźnik sygnału; 14, 15 — zawory regulacyjne; 16 — zbiornik ścieków sanitarnych; 17 — rozdrabniacz; 18 — pompa rozdrabniająco-mieszająca; 19 — regulator podawania ścieków do spalania ; 20 — zawór regulacyjny; 21 — przyrząd pomiarowy; 22 — zawór trójdzielny
Pompa l0 podaje mieszaninę złożoną z odpadów olejowych, oleju ciężkiego i wody do podgrzewacza 11, a następnie do palnika 3. Przy rozpalaniu kotła palnik zasilany jest paliwem lekkim za pomocą pompy 4. Ścieki sanitarne doprowadzone do zbiornika 16 ulegają rozdrabnianiu w rozdrabniaczu 17, a następnie mieszaniu za pomocą pompy 18. Część ścieków w stanie płynnym podawana jest przez regulowany zawór 20 wprost do dolnej części komory spalania. Części płynne ścieków zostają w niej odparowane, stałe nieczystości zaś odwodnione i spalone w wysokiej temperaturze dochodzącej do ok. 1000°.
Rury te połączone są ze sobą spawanymi płaskownikami stalowymi, co tworzy szczelną i wytrzymałą konstrukcję ściany komory paleniskowej, a jednocześnie zwiększa współczynnik wymiany ciepła przez promieniowanie w komorze.
Kocioł pomocniczy Sunrod wyposażony jest w automatyczną regulację zasilania, opalania oraz awaryjne odcinanie palnika w wypadku obniżenia się poziomu wody poniżej poziomu dopuszczalnego.
5. MATERIAŁY STOSOWANE W BUDOWIE KOTŁÓW.
Warunki pracy kotłów okrętowych zmuszają do stawiania wysokich wymagań materiałom konstrukcyjnym stosowanym do ich budowy. Materiały te powinna cechować między innymi duża przewodność cieplna, duża wytrzymałość na rozciąganie i zginanie, znaczna plastyczność i sprężystość oraz odporność na starzenie. Poza tym powinny mieć jednorodną strukturę oraz dobrą spawalność. Ważną cechą materiałów stosowanych do budowy kotłów jest również znaczna odporność na korozję (tlenową, siarkową, wanadową itp.).
Duże wymagania stawiane materiałom stosowanym do budowy kotłów okrętowych stwarzają konieczność rozbudowania systemu kontroli i prób materiałowych. Świadectwa kontroli, czyli atesty materiałowe, wystawiają inspektorzy okrętowych instytucji klasyfikacyjnych. Głównymi materiałami stosowanymi w budowie kotłów są stale pracujące w różnych stanach cieplnych, przeważnie w wysokich temperaturach. Wraz ze wzrostem temperatury zmieniają się własności mechaniczne stali. Wartości granicy plastyczności Re i wytrzymałości doraźnej Rm rosną najczęściej do pewnych zakresów temperatur, a następnie gwałtownie maleją. Dla jednej ze stosowanych węglowych stali kotłowych zależność wartości Re i Rm od temperatury pracy przedstawiono na wykresie rys. 5.1. Jak wynika z wykresu, dla temperatury rzędu 500°C wartości Re i Rm zmniejszają się prawie dwukrotnie. Ponieważ — jak podano w poprzednich rozdziałach — temperatury niektórych elementów pracującego kotła są jeszcze wyższe, zjawisko zmiany własności mechanicznych stali występuje jeszcze gwałtowniej. W czasie eksploatacji kotłów parowych wskutek nierównomiernego nagrzewania współpracujących ze sobą części kotła mogą powstawać dodatkowe, niekiedy bardzo znaczne naprężenia. Szczególnie niekorzystne pod tym względem są okresy uruchamiania oraz odstawiania kotłów z pracy.
W stanach nieustalonych pracy kotła naprężenia termiczne ulegają bardzo częstym zmianom, co pociąga za sobą powstawanie w materiale; zjawiska zmęczenia stali. W konsekwencji mogą nastąpić rozmaite uszkodzenia, jak np. pęknięcia materiału, przecieki rurek, pęknięcia szwów spawanych itp.
Przy działaniu długotrwałych, znacznych i zmiennych naprężeń w warunkach wysokich temperatur występują zmiany strukturalne oraz zmiany mechanicznych i chemicznych własności materiałów. Do zmian strukturalnych należą głównie: starzenie materiału, odwęglanie stali oraz rozkład perlitu.
Rys. 5.1. Zależność granicy plastyczności R„ oraz wytrzymałości doraźnej Rui węglowej stali kotłowej od temperatury
Blachy kotłowe. Wymagany skład chemiczny blach kotłowych zależny jest od parametrów roboczych kotła (ciśnienia i temperatury) oraz od rodzaju elementu konstrukcji, na który przeznaczony jest dany materiał. Blachy na walczaki kotłów są blachami węglowymi (dla niższych ciśnień i temperatur roboczych) lub stalami stopowymi (dla wysokich ciśnień i temperatur). Ze względu na to, że walczaki wykonuje się obecnie wyłącznie jako spawane, zawartość węgla w tych blachach jest ograniczona i zawiera się w ilościach 0,18—0,24%, ponieważ zwiększona zawartość węgla w stali czyni ją trudno-spawalną i choć powoduje wzrost jej wytrzymałości, zmniejsza jednocześnie plastyczność.
Najbardziej szkodliwymi składnikami stali kotłowych są siarka i fosfor. Siarka powoduje dużą kruchość stali podczas pracy w wysokiej temperaturze oraz pogarsza jej spawalność wskutek możliwości powstania pęknięć. Fosfor zmniejsza plastyczność stali i zwiększa jej kruchość przy niższych temperaturach roboczych. Graniczne dopuszczalne zawartości obu tych składników w stalach kotłowych przedstawione są w tab. 5.1.
Tabela 5.1. Skład chemiczny i własności mechaniczne, stali do budowy kotłów (wg wymagań PRS)
Stal na blachy o grubości powyżej 25 mm powinna być wytapiana z domieszką Al, Ti lub innych pierwiastków zwiększających odporność na starzenie. Zawartość Al i Ti w stali powinna wynosić co najmniej 0,02% Al oraz 0,01% Ti. Na elementy pracujące w temperaturze 450°C i wyższej nie należy stosować stali odtlenionej za pomocą aluminium. Zawartość arsenu w stalach wszystkich kategorii nie powinna przekraczać 0,15%. Grubość blach ze stali kategorii 1—3 nie powinna przekraczać 60 mm. .
W celu polepszenia jakości węglowych stali kotłowych stosuje się niewielkie dodatki różnych metali, jak: mangan, krzem, nikiel, chrom itp. Zawartość manganu w stalach kategorii 1—3 nie powinna być większa od określonej zależnością
C + 
≤ 0,40;
zawartość pozostałych metali w stalach węglowych może dochodzić do 0,3%.
Granica plastyczności Qr dla kotłowej stali węglowej maleje znacznie wraz ze wzrostem temperatury t według zależności
Qrt = CQr [MN/m2], (5.1)
gdzie:
Qrt — granica plastyczności stali w temperaturze t[°C],
C — współczynnik wyznaczony .z zależności:
C = 1,019 - 0,09 - 
-0,018 
2
Z powyższych względów elementy konstrukcji nowoczesnych kotłów pracujących przy bardzo wysokich ciśnieniach i temperaturach używa się blach ze stali o znacznie podwyższonych własnościach wytrzymałościowych w wysokich temperaturach. Umożliwia to przede wszystkim zmniejszenie grubości elementów roboczych kotła, a więc zmniejsza ich masę i ułatwia technologię wykonania. Stale o podwyższonych własnościach wytrzymałościowych to stale stopowe, a ich skład chemiczny i własności mechaniczne należy uzgadniać z instytucją klasyfikacyjną.
Dodatkami kotłowych stali stopowych są: mangan w ilościach większych od 08%, nikiel (1—1,2%), miedź (l—1,2%), molibden (0,25—0,35%) oraz w niewielkiej ilości tytan (0,03—0,05%).
Znormalizowane pod względem grubości i rozmiarów partie blachy wykonawca przedkłada wraz z analizami chemicznymi danego wytopu stali inspektorowi technicznemu instytucji klasyfikacyjnej. Po oględzinach zewnętrznych blach, na których powierzchni nie powinno być pęknięć, zawalcowań, wtrąceń piasku czy żużla, pobiera się komplety próbek. Zakres badań przedstawiono przykładowo w tab. 5.2.
Tabela 5.2. Grupy badań stali do budowy kotłów (wg wymagań PRS)
Podobnie jak blachy, inspektor instytucji klasyfikacyjnej bada stalowe profile kątowe, ceowe lub inne, które mają być użyte w budowie kotłów. Materiały na rury. Rury powierzchni ogrzewalnych współczesnych kotłów pracują również w trudnych warunkach. Dotyczy to szczególnie rur parownika (zarówno opromieniowanych jak i konwekcyjnych), rur przegrzewaczy pary i w nieco mniejszym stopniu rur podgrzewaczy wody ze względu na niższą temperaturę zarówno wewnętrzna, jak i zewnętrzną panującą w tej części elementów powierzchni ogrzewalnej kotła. Materiał na rury wymienionych powierzchni ogrzewalnych ma podobny skład do materiału na blachy kotłowe oraz podobne własności wytrzymałościowe (tab. 5.3). Dla szczególnie obciążonych termicznie elementów pracujących w temperaturze powyżej 500° stosuje się wysokogatunkowe stale stopowe o zawartości chromu dochodzącej do 2—2,5% oraz molibdenu do 0,9—1,1%.
Tabela 5.3. Skład chemiczny i własności mechaniczne rur stalowych (wg wymagań PRS)
Stale stopowe o jeszcze większych zawartościach szlachetnych składników, zupełnie pozbawione siarki i fosforu, są stalami austenitycznymi. Są one bardzo trudno spawalne, wymagają specjalnych elektrod oraz cechuje je mniejszy niż dla stali węglowych lub niskostopowych współczynnik przewodzenia ciepła, a także stosunkowo duży współczynnik
wydłużalności termicznej. Z tego powodu wewnętrzna ich budowa musi zapewniać możliwość swobodnego odkształcania w zakresach wysokich temperatur.
Rodzaj i zakres prób rur kotłów okrętowych przedstawiono w tab. 5.4. Sposób przeprowadzania prób określają szczegółowo przepisy odpowiedniej instytucji klasyfikacyjnej, przy czym próbie wywijania kołnierzy należy poddawać tylko rury przeznaczone do rozwalcowywania, o średnicy zewnętrznej nie większej niż 150 mm i o grubości ścianki nie przekraczającej 9 mm.
Oprócz prób podanych w tab. 5.4, rury należy poddawać w wytwórni próbie szczelności i wytrzymałości za pomocą ciśnienia hydraulicznego lub inną metodą uznaną przez instytucję klasyfikacyjną. W uzasadnionych przypadkach instytucja ta może zażądać przeprowadzenia prób do określenia wad wewnętrznych za pomocą jednej z metod nie niszczących.
Tabela 5.4. Grupy badań rur stalowych (wg wymagań PRS)
Szczególnie narażone na korozję wysokotemperaturową są wszelkiego rodzaju zamocowania i uchwyty znajdujące się w obszarach wysokich temperatur spalin, a nie chłodzone od środka jakimkolwiek czynnikiem (para, woda). Elementy te muszą być wykonywane ze stali żaroodpornych. Są to najczęściej austenityczne stale stopowe o bardzo małej zawartości węgla (w0,12%) z dużymi ilościowo dodatkami uszlachetniającymi, jak: krzem (do 2%), chrom (do 25%) oraz nikiel (do 20%).
Odkuwki stalowe powinny być wykonywane ze stali węglowej lub stopowej, wytapianej w piecach martenowskich lub elektrycznych. Wykonuje się je z wlewków odciętych w ten sposób w wytwórni, aby zabezpieczyć przed pozostałościami jamy usadowej, pęcherzy, rozwarstwień, pęknięć, wtrąceń niemetalicznych i innych wad.
Stal węglowa kategorii I, II, III, IV (tab. 5.5) może być zwykłej lub wyższej jakości w zależności od jej przeznaczenia. Zawartość siarki i fosforu w stali zwykłej jakości nie powinna przekraczać 0,05% każdej z tych domieszek. Stal wyższej jakości może zawierać siarkę i fosfor w ilości nie przekraczającej 0,045% dla każdej z tych domieszek, chromu i niklu zaś nie więcej niż po 0,3%.
Tabela 5.5. Klasyfikacja stali na odkuwki.
Dla odkuwek walczaków bez szwu obowiązują nieco inne warunki wytrzymałościowe materiałów (tab. 5.6).
Tabela 5.6. Stal odkuwek walczaków bez szwu
Odlewy. Niektóre elementy konstrukcyjne kotłów parowych wykonywane są jako odlewy i to zarówno odlewy stalowe, jak i żeliwne (rozdz. 8).
Odlewy stalowe (tab. 5.7) na elementy okrętowych kotłów parowych powinny być wykonywane ze stali węglowej lub stopowej, otrzymywanej w piecach martenowskich lub elektrycznych o wyprawie kwaśnej lub zasadowej.
Stali węglowej używa się na odlewy pracujące w temperaturze nie przekraczającej 400°C.
Na odlewy pracujące w temperaturze od 400— —450°C stosuje się stal niskostopową — molibdenową — a dla temperatur wyższych od 450°C, lecz nie wyższych od 500°C — stal chromowo-molibdenową. Odlewy z żeliwa szarego również są stosowane w budowie okrętowych kotłów parowych. Armatura kotłowa pracująca w przestrzeni parowej dla ciśnienia pary nie wyższego niż 1,962 MN/m2 (20 kG/cm2), temperatury pary do 300°C i średnicy przelotowej rurociągu do 80 mm, może być wykonana z żeliwa sferoidalnego, przy czym gatunek żeliwa powinien być uzgodniony z przedstawicielami instytucji klasyfikacyjnej.
Oprócz wyżej wymienionych, w budowie okrętowych kotłów parowych używane są jeszcze inne materiały. Są to na przykład blachy, odlewy i odkuwki z metali kolorowych (części armatury, uszczelnienia itp.), materiały ogniotrwałe (cegły szamotowe, masy azbestowe itp.) oraz materiały izolacyjne
Odlewy kategorii VI—IX (tab. 5.8) należą do wysokojakościowych, otrzymywanych przy stosowaniu specjalnych metod (modyfikowanie żeliwa, obróbka cieplna i inne sposoby).
Tabela 5.8. Mechaniczne właściwości materiałów odlewów żeliwnych.
Stale stopowe konstrukcyjne kategorii V—XIII mogą być wyższej albo najwyższej jakości. Zawartość siarki i fosforu w stalach stopowych wyższej jakości nie powinna przekraczać po 0,04%. W stalach najwyższej jakości zawartość siarki nie może przekraczać 0,03%, fosforu zaś — 0,035%. Dopuszczalna zawartość miedzi w stalach wyższej jakości powinna być nie większa od 0,3%, w stalach najwyższej jakości zaś nie większa od 0,25%.
W stalach nierdzewnych kategorii XI i XII powinno być chromu od 12,5 do 14,5%, siarki i fosforu zaś nie więcej niż po 0,03%. Stal kwasoodporna (kategoria XIII) powinna zawierać: chromu 17—19%, niklu 8—9,5%, siarki i fosforu w ilości nie przekraczającej po 0,03%.
Normy własności wytrzymałościowych stali kategorii I, II, III, IV podane są dla stanu wyżarzonego lub znormalizowanego (z następującym po nim odpuszczeniem). Normy dla stali stopowych kategorii od V do XIII odnoszą się do stanu ulepszonego (hartowanie i odpuszczanie)
6. ELEMENTY KONSTRUKCYJNE OKRĘTOWYCH KOTŁÓW PAROWYCH
6.1. Korpusy i główne powierzchnie ogrzewalne kotłów płomieniówkowych.
Korpusy kotłów płomieniówkowych wykonane są z płyt stalowych i tworzą walce o średnicy 4—5 m i długości 3—4 m. Średnica i długość korpusu zależą od wydajności, a grubość blach — od średnicy i ciśnienia roboczego. Na przykład dla ciśnienia rzędu 1,471—1,570 MN/m2 (15—16 kG/cm2) przy średnicy do 5 m grubości blach dochodzą do 42 mm.
Korpus kotła płomieniówkowego składa się z dennicy przedniej, dennicy tylnej i płaszcza kotła (rys. 6.1). Dennicę przednią 2 i tylną 3 kotła płomieniówkowego wykonuje się jako tłoczoną. W dennicy przedniej umieszczone są płomienice 4 będące komorami spalania kotłów płomieniówkowych. Są to rury stalowe o stosunkowo znacznej średnicy (rzędu 900—1200 mm), mające ukształtowane ściany tak, aby mogły one kompensować naprężenia cieplne materiału znajdującego się w wysokiej temperaturze.
Rys. 6.1. Przekrój poprzeczny kotła płomieniówkowego; l — płaszcz korpusu; 2 — dennica przednia; 3 — dennica tylna; 4 — płomienica; 5 — komora zwrotna; 6 — belki kotwiczne(stropowe); 7 — ściąg; 8 — zespórki; 9 — płomieniówki;
Istnieje kilka opatentowanych kształtów ścian płomienie. Trzy z nich pokazano na rys. 6.2. Komory zwrotne (albo komory ogniowe) składają się z przedniej ścianki sitowej, w której umieszczone są płomieniówki, .ściany tylnej połączonej z dennicą tylną za pomocą zespórek 8 (rys. 6.1) oraz ścian bocznych i stropu, czyli ściany górnej. Kształt komór zwrotnych zależny jest od liczby płomienie. Dwie boczne komory mają zazwyczaj stropy nieco obniżone od strony ścian zewnętrznych, co zabezpiecza przed wynurzeniem z wody blach stropowych.
W celu wzmocnienia sklepienia (stropu) komory zwrotnej stosuje się belki stropowe lub kotwiczne. Są to płaskowniki 6 (rys. 6.1) przyspawa-me do ściany stropowej w ten sposób, że przenoszą ewentualne naciski z tej ściany na ściany pionowe: przednią i tylną.
W obrębie części parowej kotła, nad komorą zwrotną, znajdują się ściągi. Są one wspawane w przednią i tylną dennicę. W celu wzmocnienia dennicy w obszarze wspawania ściągu stosuje się często stalowe, przyspawane nakładki.
Płomieniówki, będące główną co do wielkości powierzchnią ogrzewalną kotła, są spawane lub walcowane jednym końcem w dennicę przednią, a drugim w ścianę sitową odpowiedniej komory zwrotnej (ogniowej). Oprócz stworzenia przelotu dla gazów spalinowych i przekazywania ich ciepła wodzie, płomieniówki spełniają jeszcze rolę usztywnienia konstrukcji kotła.
Rys. 6.2. Kształty płomienie według: a) Foxa; b) Morrisona; c) Deightona
Tylną ścianę komory ogniowej usztywniają zespórki. Są one z jednego końca zaspawane w tej ścianie, natomiast z drugiego w tylnej dennicy kotła. Od obu stron zespórki są nawiercane na głębokość ok. 30—40 mm, zależnie od konstrukcji. Otwory te umożliwiają łatwe wykrycie pękniętej w kotle zespórki, w razie bowiem zajścia takiej awarii woda z wnętrza kotła będzie się przedostawała wywierconym otworem bądź do wnętrza komory zwrotnej, bądź też na zewnątrz kotła (zależnie od miejsca pęknięcia zespórki).
W celu dostania się do wnętrza kotła na jego płaszczu oraz na dennicach umieszcza się włazy. Minimalne rozmiary włazu są określone przepisami instytucji klasyfikacyjnej.
Wszelkie otwory na kotle pod armaturę czy aparaturę kontrolno-pomiarową muszą mieć wzmocnienia. W tym celu najczęściej stosuje się nadspawanie kołnierzy wzmacniających lub specjalnych króćców.
6.2.Walczaki i główne powierzchnie ogrzewalne kotłów wodnorurkowych (opłomkowych).
Głównymi elementami konstrukcyjnymi kotłów wodnorurkowych są walczaki — zarówno parowo-wodne, jak i wodne — oraz kolektory, w których zamocowane są końcówki rurek opromieniowanych tworzących ekrany komór spalania itp.
Walczaki wykonuje się najczęściej jako spawane, płaszcze — ze zwijanej blachy stalowej, oba dna — tłoczone z blachy; w jednym lub obu dnach znajduje się odpowiednio ukształtowany otwór na właz.
Typowy walczak parowo-wodny wysokociśnieniowego kotła wodnorurkowego przedstawiono na rys. 6.3. Walczak właściwy l składa się z części walcowej, wykonanej z dwóch blach różnej grubości oraz z dwóch den. Dolna część walczaka wykonana jest z blachy znacznie grubszej niż część górna, ponieważ jest ona osłabiona znaczną liczbą otworów zarówno na rurki konwekcyjne czy opromieniowane, jak i na rury opadowe czy rury doprowadzające wodę do kolektorów wodnych.
Na przykład w kotle membranowym o ciśnieniu roboczym 6,092 MN/m2 (62 kG/cm2) i wydajności nominalnej 36 t/h średnica rur walczaka wynosi 1600 mm, jego długość — 7800 mm, a grubości blach korpusu: górna cieńsza — 50 mm i dolna grubsza — 64 mm, grubość blachy dna — 58 mm.
Walczak parowo-wodny stanowi integralną część kotła parowego i musi być wyposażony w liczne zawory oraz połączone z nim rozmaite rurociągi. W tym celu walczak ma — jak przedstawiono na rys. 6.3 — wspawane króćce 3—12, do których mocowane są (przyspawane lub przykręcane na połączeniach kołnierzowych) zawory, wodowskazy lub rury. Króćce najczęściej są wspawywane bezpośrednio do walczaka, jak to przedstawiają póz. 3, 5, 6, 7 na rys. 6.3, lub są mocowane do tulei (póz. 13 — podobnie dla króćca 9 dolotu pary do ochładzacza i króćca 10 — odlotu pary z ochładzacza) kompensującej wydłużenia termiczne podczas pracy kotła. W zwalcowanej na końcu tulei umieszczona jest w takim przypadku rura zakończona wewnątrz kotła kołnierzem. Centralne położenie rury wewnątrz tulei kompensacyjnej utrzymują trzy przyspawane do rury kołki ustalające 14.
Rys. 6.3. Walczak parowo-wodny kotła membranowego [prob = 6,092 MN/m2 (62 kG/cm2)]
1 — walczak; 2 — kołnierz włazu; 3 — króciec rury opadowej; 4 — króciec poboru pary; 5 — króciec rury do kolektora wodnego; 6 — króciec zaworu bezpieczeństwa; 7 — króciec rury wodnej; 8 — króciec zasilania; 9 — króciec dolotu pary do ochładzacza; 10 — króciec odlotu pary z ochładzacza; 11 — króciec regulatora poziomu wody; 12 — króciec wodowskazu; 13 — tuleja; 14 — kołek ustalający;
W celu umożliwienia montażu, konserwacji, kontroli i czyszczenia wnętrza walczaka w obu jego dnach wspawane są owalne kołnierze dla włazów o wymiarach 320x425 mm.
Rys. 6.4. Sposoby .mocowania rurek w walczaku parowo-wodnym kotła: a) metodą rozwalcowywania; b) metodą bezpośredniego wspawywania; c) metodą spawania do króćca
l — walczak; 2 — opłomka; 3 — króciec
Przedstawiony na rys. 6.3 walczak parowo-wodny jest jeszcze w dalszych fazach produkcji wyposażany wewnątrz w wiele dodatkowych uchwytów do rur, blach osłaniających itp., które montowane są i spawane do korpusu już w trakcie montażu kotła.
Opłomki zamocowane są w walczakach za pomocą rozwalcowywania albo spawania (rys. 6.4). W wypadku rozwalcowywania istnieje możliwość naprawy w razie zaistnienia przecieku opłomki, konstrukcje te są bardziej elastyczne, lecz równocześnie trudniejsze do wykonania pod względem technologicznym. W nowszych konstrukcjach stosuje się spawania opłomek bądź bezpośrednio do płaszcza walczaka (rys. 6.4b), bądź też na styk do specjalnych króćców (rys. 6.4c oraz rys. 6.3 — poz. 7).
Otwory włazów zabezpieczone są pokrywami zakładanymi od wnętrza walczaków (rys. 6.5a,b) lub na gwint przy wysokich ciśnieniach wewnątrz-kotłowych (rys. 6.5c). Uszczelki zakłada się w specjalnych wgłębieniach umieszczonych bądź w pokrywach (rys. 6.5a), bądź też w korpusie walczaka (rys. 6.5b). W ten sposób zabezpiecza się uszczelkę przed wyciśnięciem jej na zewnątrz przez ciśnienie kotłowe. Śruby służące do mocowania pokryw najczęściej są wkręcane na gwint w pokrywy, a następnie roznitowywane od wewnętrznej strony kotła.
Dla wysokich ciśnień kotłowych [wyższych od 4,327 MN/m2 (44 kG/cm2)] stosuje się nieraz specjalne zamknięcia włazów, pokazane na rys. 6.5c. W tym rozwiązaniu uszczelka 4 jest wykonana jako pierścień podcięty stożkowe z obu stron, z miękkiej stali niskowęglowej.
Rys. 6.5. Rodzaje zamknięć włazów: a) dla p <2,453 MN/m2 (25 kG/cm2); b) dla p > 2,453 MN/m2 (25 kG/cm2); c, d) dla p > 2,453 MN/m2 (25 kG/cm2) l — nagwintowana część włazu; 2 — śruba; 3 —dolna część wiązu; 4 —uszczelka wykonana z pierścienia stalowego; 5 — uszczelka; 6 — ramię mocujące; 7— śruba dociskowa; 8 — ramię zawiasu; 9 — kołnierz włazu;
Zamknięcie włazu razem z uszczelką wkłada się z góry, wkręcając najpierw górną nagwintowaną część włazu l, następnie dociąga się za pomocą śrub 2 dolną część włazu 3, a ściskany w ten sposób obustronnie pierścień stalowy 4 uszczelnia swym obwodem otwór włazu wzdłuż obrobionej jego powierzchni bocznej.
Inne, powszechnie stosowane rozwiązania zamocowania włazu pokazano na rys. 6.5d. Pokrywa płaska 3 włazu dociskana jest tu śrubami 7 przez ramiona mocujące 6 do kołnierza włazu 9 wspawanego w korpus walczaka (por. rys. 6.3 — poz. 2). Właz — podobnie jak w przypadkach przedstawionych na rys. 6.5a i 6.5b — zawieszony jest wewnątrz kotła na zawiasie (poz. 8).
W kotłach mających ekranowane komory paleniskowe woda cyrkulująca dopływa rurami odpadowymi do kolektorów rozdzielczych, skąd rozdzielana jest na poszczególne rurki wznoszące.
Rys. 6.6. Kolektor wodny kotła membranowego [prob = 6,092MN/m2 (62kG/m2 )]
1 - walczak; 2,3 - króciec; 4 - zaczep mocujący; 5 - króciec dolotu wody; 6 - króciec szumowania dolnego; 7 - pierścień; 8 - zespórka; 9 - płaskownik;
Przed powrotem do walczaka górnego mieszanina parowo-wodna jest doprowadzona do kolektorów zbiorczych. Kolektory te dla ciśnień niższych od 3,934 MN/m2 (40 kG/m2) mają przekroje prostokątne, kwadratowe lub okrągłe, a dla ciśnień wyższych — wyłącznie okrągłe. Dla niższych ciśnień kolektory odlewa się ze staliwa, dla wyższych są kute.
Na rys. 6.6 pokazano kolektor wodny wysokociśnieniowego kotła membranowego. Jest to kolektor dolny, do którego włączone są rurki opromieniowane komory spalania. Kolektor wykonany jest z blachy stalowej jako konstrukcja spawana. Z jednej strony jest przyspawane dno pełne, z drugiej zaś w przyspawanym dnie znajduje się jeszcze króciec z rury stalowej 2. Podczas produkcji pary w kotle służy on do napełniania kotła środkami czyszczącymi i konserwacyjnymi wnętrze powierzchni. Drugi taki króciec 3 przyspawany jest do pobocznicy walczaka. Po konserwacji wnętrza kotła, a przed napełnieniem go wodą, wszystkie tego typu króćce zaślepione są przyspawanym denkiem.
Woda dopływa do kolektora grubym rurociągiem przyspawanym do króćca 5. Króciec 6 służy do dolnego szumowania kotła oraz do upuszczania wody z kolektora przy całkowitym odstawieniu kotła do przeglądu, remontu itp.
W górnej części kolektora nawiercone są otwory, w które wspawane są w czasie montażu
rurki opromieniowane.
Rys. 6.7. Różne sposoby mocowania zakończenia kolektorów: a) zawalcowane i zaspawane; b) z przy spawanym kołnierzem; c) zakończenie kolektora w formie pokrywy włazu w wykonaniu firmy La Mont
Ponieważ kolektor przedstawiony na rys. 6.6 jest dolnym kolektorem kotła, jest do niego przyspawany zaczep nośny 4 fundamentu wykonany z blach stalowych. Pierścienie 7, zespórka 8 i płaskownik 9 służą do mocowania kotła i izolacji.
Istnieje wiele sposobów mocowania zakończeń (zamknięć) kolektorów. Jeden z nich — najczęściej stosowany — pokazany jest na rys. 6.6. Inne przedstawiono na rys. 6.7. Rozwiązanie z przyspawanym kołnierzem (rys. 6.7b) umożliwia ewentualne otwarcie kolektora i oczyszczenie go lub skontrolowanie. Podobne możliwości daje również, stosowane przez niektóre firmy, zakończenie w formie niewielkich pokryw identycznych z pokrywami do włazów (rys. 6.7c).
Mocowanie rurek w kolektorze może być walcowane lub spawane. W wypadku walcowania konieczne jest stosowanie w kolektorach niewielkich zamykanych otworów ustawionych naprzeciw rurek i służących do ich rozwalcowywania. Rozwiązanie kolektorów z rurkami rozwalcowanymi wraz z zamknięciami otworów pokazane jest na rys. 6.8.
Rys. 6.8. Kolektory z rozwalcowanymi rurkami
Przykład kolektora z przyspawanymi króćcami oraz z wewnętrzną przegrodą kierującą przedstawiony jest na rys. 6.9. Najczęściej bezpośrednio do kolektora przyspawane są króćce, a dopiero do nich rurki, choć istnieją również rozwiązania, w których rurki wspawane są bezpośrednio do kolektora (rys. 6.6).
W niektórych rozwiązaniach konstrukcyjnych połączenia kolektorów z pękami rurek wykonane są jako kołnierzowe, mocowane bezpośrednio do korpusu kolektora lub dociskane za pomocą specjalnego jarzma (rys. 6.10).
Kotły sekcyjne (rozdz. 3.3.2) mają, oprócz walczaka parowo-wodnego, komory sekcyjne: przednią i tylną. Komory te najczęściej są kształtu falistego (rys. 6.11). Kształt ten przede wszystkim zwiększa wytrzymałość konstrukcji, czyni ją bardziej elastyczną, a poza tym ułatwia właściwe — ze względu na przejmowanie ciepła — rozmieszczenie rurek. W wewnętrznych ścianach komór sekcyjnych rozwalcowane są opłomki.
Rys. 6.9. Kolektor rozdzielczy z przyspawanymi króćcami
Aby umożliwić montaż, demontaż, konserwację, kontrolę czy wreszcie oczyszczenie opłomek i komór, naprzeciw każdej grupy rurek, liczącej 4 do 9 rurek w zależności od średnicy, umieszczona jest kwadratowa lub owalna wy czystka, zamykana za pomocą specjalnej pokrywy. W przypadku większej liczby rurek wypadających na jedną wyczystkę stosuje się specjalne urządzenie, umożliwiające walcowanie opłomek pod pewnym, niewielkim kątem (rys. 6.12).
Wszelka armatura i aparatura kontrolno-pomiarowa umieszczona jest na specjalnych króćcach, wspawanych w kadłub kotła i zaopatrzonych w odpowiednie dla danego ciśnienia kołnierze.
Rys. 6.10. Rodzaje połączeń kołnierzowych kolektorów z pękami rurek 1 — kolektor; 2 — kołnierz rury; 3 — Jarzmo dociskające
Rys. 6.11. Komory sekcyjne Rys. 6.12. Walcowanie opłomek pod kątem
kotła typu Babcock-WUcox Komora sekcyjna; 1 - korpus; 2 — opłomka;
3 — przegub; 4 — walcówka;
6.3. Obudowa i izolacja kotłów okrętowych
W rozdz. 2.6 opisane zostały straty cieplne kotła. Wśród nich znajduje się też strata ciepła na rzecz otoczenia, oznaczona symbolem So [%].
Wartość tych strat można wydatnie zmniejszyć, stosując izolację termiczną zarówno samego kotła, jak i innych elementów urządzenia kotłowego lub instalacji kotłowych czy obiegu parowo-wodnego siłowni, takich jak rurociągi, zawory, podgrzewacze wody czy powietrza itp.
Izolowanie kotłów okrętowych — oprócz zapobiegania przenikania strat do otoczenia — ma jeszcze eksploatacyjne znaczenie na statkach. Obniża bowiem w wydatny sposób temperaturę pomieszczenia kotłowego i zabezpiecza obsługę siłowni przed możliwością oparzeń w bezpośrednim kontakcie z rozgrzanymi elementami urządzenia kotłowego.
W parowych kotłach okrętowych mamy do czynienia zarówno z izolacją, jak i obmurzem (wymurówką) kotła. Obmurze służy zarówno celom izolacyjnym, jak i ochronie elementów kotła przed zbytnim nagrzaniem i ewentualnymi uszkodzeniami stąd wynikającymi.
Na o b m u r z a stosuje się cegły lub kształtki ognioodporne lub masy ognioodporne. Cegły ognioodporne stosowane do obmurowywania kotłów parowych wyrabia się najczęściej z mieszaniny glinki ogniotrwałej z wypalonymi już uprzednio czerepami z tej samej glinki odpowiednio pokruszonymi tak, aby grubość ziaren wynosiła 0,5—4 mm. W ten sposób otrzymuje się cegły szamotowe zasadowe (ognioodporne do temperatury 1750°C). Przez dodanie kwarcytu lub mielonego piasku kwarcowego otrzymuje się cegłę szamotową półkwaśną (ognioodporną do temperatury ok. 1700°C).
Przy wyższych temperaturach panujących w komorach stosuje się wykładziny chromo-magnezytowe (ognioodporność do temperatury 1900°C), magnezytowe (do temperatury 2000°C) lub korundowe (powyżej temperatury 2000°C).
Izolacja dotyczy wielu elementów kotła, jak np. poszycie, przewody spalinowe, górna część walczaka parowo-wodnego, armatura, rurociągi itp. Materiały izolacyjne mogą być używane w formie gotowych kształtek, masy lub tkaniny i w zależności od tego opracowany jest sposób wykonania izolacji oraz technologia izolowania.
Materiały izolacyjne musi cechować mały współczynnik przewodności ciepła [współczynnik a mniejszy od 0,232 W/(m °C)], odporność na wysoką temperaturę (choć ta ostatnia może być niższa niż przy materiałach stosowanych do obmurza) i wreszcie wystarczająca wytrzymałość.
Izolację pokrywa się zazwyczaj bądź mocnym płótnem, a następnie maluje (w wypadku niektórych rurociągów), bądź też cienką (0,5—1,5 mm) ocynkowaną blachą stalową. Jako materiał izolacyjny stosuje się porowate cegły z materiałów ogniotrwałych lub ziemi okrzemkowej oraz mineralne materiały izolacyjne, jak na przykład wełna żużlowa, azbest lub wata szklana, używane w formie płyt, mat, sznurów lub używane luzem.
Poniżej podane są wartości współczynników przewodności ciepła dla najczęściej stosowanych materiałów izolacyjnych
Rodzaj izolacji [W/(m °C)] dla 100°C
azbest w matach 0,081
wełna żużlowa 0,046—0,070
wata szklana 0,047
cegła magnezytowa 0,070
Wraz ze wzrostem temperatury pogarszają się własności ciepłochłonne materiałów izolacyjnych, tj. rośnie wartość współczynnika α. W zależności od rodzaju kotła izolację termiczną kładzie się i mocuje w rozmaity sposób.
Kotły główne typu płomieniówkowego mają zwartą konstrukcję i praktycznie całość kotła zamknięta jest w walczaku wykonanym z grubościennej blachy stalowej. Ułatwia to zarówno izolowanie, jak i mocowanie kotła (rozdz. 6.4).
Płaszcz walczaka kotła płomieniówkowego izoluje się (przeważnie po zamontowaniu kotła na statku) specjalnymi otulinami. Składają się na nie masy azbestowe, krzemionkowe, magnezowe itp. Dla wzmocnienia otuliny te mają szkielety z siatki metalowej lub prętów, a z wierzchu przykrywają je — dla ochrony przed uszkodzeniami mechanicznymi — cienkie ok. 1,5 mm, ocynkowane blachy ściągane obręczami z płaskowników.
Dennice przednie, w których znajdują się drzwiczki paleniskowe, nie są zazwyczaj izolowane. Komora dymowa ma najczęściej osłonę termiczną złożoną z materaców, wykonanych z materiałów izolacyjnych. Materace mocowane są do ram z kątowników, które z kolei przykręca się lub spawa do konstrukcji kotła.
Izolację cieplną mają również wszelkie zawory, włazy i rurociągi instalowane na kotle.
Kotły główne typu wodnorurkowego w przeciwieństwie do kotłów płomieniówkowych — z racji swej konstrukcji — nie stanowią zwartej całości. Komora spalania takich kotłów to przestrzeń dość luźno obudowana rurkami (w przypadku stosowania ekranów), a zupełnie nie obudowana, jeżeli konstrukcja kotłów starszych typów nie przewiduje rurek ekranowych (np. starsze rozwiązania kotłów sekcyjnych). W przypadkach kotłów stromorurkowych górny walczak parowo-wodny jest dość sztywno związany z dolnymi walczakami wodnymi lub kolektorami rozdzielczymi czy zbiorczymi grubościennymi rurami opadowymi o dużych średnicach albo dużą liczbą rurek wznoszących (opromieniowanych lub konwekcyjnych) o nieznacznych średnicach (por. rys. 3.26 —3.28 oraz rys. 3.42). W przypadku kotłów sekcyjnych (rys. 3.22—3.23) połączenia te — w sensie sztywności konstrukcji — są całkowicie odmienne.
Kotły wodnorurkowe mają zatem dodatkowo następujące elementy konstrukcyjne:
konstrukcję nośną, czyli szkielet, albo obudowę kotła,
poszycie kotła,
obmurze,
izolację.
Kolejność wykonania prac związanych z zamontowaniem kotła wodno-rurkowego na statku związana jest z jego konstrukcją oraz warunkami produkcyjnymi stoczni. Całkowicie zaizolowany kocioł wraz z gotowym poszyciem i obmurzem może być przetransportowany na statek i tam przymocowany do uprzednio przygotowanych fundamentów. Również spotykane są takie rozwiązania technologii budowy kotłów, że na jednostkę transportuje się jedynie kocioł z konstrukcją nośną, następnie mocuje go do fundamentów, a dopiero potem wykonuje obmurze, izolację i przytwierdza poszycie. Konstrukcja nośna kotła wodnorurkowego zapewnia całej instalacji odpowiednią sztywność, tworzy szkielet obudowy komory spalania i umożliwia zamocowanie obmurza, poszycia i izolacji kotła.
Na rys. 6.13 przedstawiono konstrukcję nośną trójwalczakowego kotła firmy A.G. Weser (RFN). Konstrukcja ta składa się z kształtowników i blach spawanych ze sobą. Do wiązań konstrukcji nośnej mocowane są niektóre elementy powierzchni ogrzewalnych (przegrzewacz pary, podgrzewacz wody oraz powietrza) i obudowy palników, rozdzielacze powietrza podawanego do spalania itp. Zadaniem konstrukcji nośnej jest przeniesienie nacisków wynikających z zamocowanych na niej mas elementów kotła na fundamenty i konstrukcję statku.
Połączenia konstrukcji nośnej z walczakami kotła powinny umożliwiać wzajemne przesuwanie elementów wynikające z wydłużeń cieplnych.
Rys. 6.13. Konstrukcja nośna trójwalczakowego kotła firmy A. G. Weser (RFN)
Na rys. 6.14 pokazano szkielet nośny kotła wodnorurkowego typu D. Ma on bardzo sztywną konstrukcję, wykonaną ze stalowych kształtowników. W górnej części szkieletu znajduje się kołyska do zamocowania walczaka parowo-wodnego, w dolnej konstrukcja obejmująca walczak wodny. Palniki montowane są na płycie czołowej, tworzącej nieekrano-waną ścianę komory paleniskowej.
Rys. 6.14. Szkielet nośny kotła wodnorurkowego.
Na rys. 6.15 przedstawiono szkic perspektywiczny szkieletu kotła membranowego wysokociśnieniowego o wydajności rzędu 30—40 t/h. Konstrukcję nośną tworzą tu walczak l z rurami opadowymi 2 z jednej strony oraz kolektory dolne 3, 4, 5 połączone z kolektorami górnymi 6 rurkami membranowymi. Dla jasności rysunku nie pokazano na nim ścian ekranowych łączących kolektory 5 z walczakiem parowo-wodnym l oraz trzech ścian ekranowych ustawionych poprzecznie do osi wzdłużnej walczaka parowo-wodnego i dzielących wnętrze kotła na dwie komory (por. widok w płaszczyźnie A—A).
Dzięki takiemu układowi rurek oraz dzięki konstrukcji ekranowych ścian membranowych (por. rys. 3.15), szkielet kotła tworzy zwartą i sztywną konstrukcję w formie zbliżonej do prostopadłościanu, co umożliwia niestosowanie dodatkowej konstrukcji nośnej (jak np. przedstawiona na rys. 6.14).
Fundamenty kotła membranowego zamocowane są do dwóch skrajnych rur opadowych z jednej strony i do dwóch walczaków dolnych 3 z drugiej strony (por. rys. 6.6 — poz. 4).
Rys. 6.15. Szkielet kotła membranowego typu U firmy HDW Kiel (RFN) l — walczak parowo-wodny; 2 — rury opadowe; 3,4, 5 — kolektory dolne; 6 — kolektory górne; 7 — bandaż usztywniający; 8 — wsporniki mocujące kotły do fundamentów;
Do konstrukcji szkieletu kotła przymocowana jest izolacja termiczna kotła oraz poszycie wykonane z cynkowanej blachy. Izolacja i poszycie ściągnięte są dodatkowo bandażem 7 wykonanym ze stalowych dwu-teowników, jak przedstawiono na przekroju A—A rys. 6.15; nie przenosi on jednak w zasadzie żadnych poważniejszych naprężeń wynikających zarówno z charakteru pracy kotła (naprężenia termiczne itp.), jak i z przechyłów statku na fali.
Poszycie zabezpiecza szczelność kotła i zapobiega dostawaniu się zimnego powietrza do przewodów spalinowych lub komory spalania albo wydostawaniu się spalin na zewnątrz. Z zadań tych wynika konieczność takiego zaprojektowania i zamocowania poszycia, aby zapewniło z jednej strony szczelność, a z drugiej umożliwiło swobodne przemieszczanie się elementów kotła i poszycia pod wpływem różnicy temperatur.
Poszycie ma na celu również przykrycie izolacji kotła i wykonuje się je najczęściej z cienkich blach ocynkowanych. Zapewnia ono również estetyczny wygląd kotła.
Poszycie kotła mocowane jest do jego konstrukcji nośnej i może być pojedyncze lub podwójne. W tym drugim wypadku między ścianami poszycia — wewnętrzną i zewnętrzną — tworzy się kanał, przez który przepływa powietrze służące spalaniu. Ogrzewa się tam ono wstępnie przed wejściem do podgrzewacza powietrza (por. rys. 3.22, rys. 3.23).
Nieco inne rozwiązanie poszycia obserwuje się w nowoczesnych konstrukcjach kotłów dwupaliwowych (por. rys. 3.42), gdzie poszycie kotła — mimo że jest pojedyncze — umożliwia przepływ podgrzanego uprzednio powietrza kanałem, którego wewnętrzną ściankę stanowią rury membranowe. Poszycie kotłów dwupaliwowych musi być szczególnie szczelne, ponieważ do jego zadań należy — między innymi — zabezpieczenie przed ewentualnym wydobywaniem się gazu opałowego do pomieszczenia siłowni.
W miejscach, gdzie konieczny jest dostęp do wnętrza kotła w celu na przykład sprawdzenia stanu obmurza, zamocowania różnych elementów konstrukcyjnych itp., w poszyciu kotła mocuje się zdejmowane klapy.
Zarówno wewnętrzne, jak i zewnętrzne poszycie oraz klapy mają najczęściej izolację cieplną, która zostanie opisana nieco dalej.
Sposób mocowania klapy 2, pokazany na rys. 6.16, jest uzasadniony tym, że ciśnienie powietrza, przepływającego wewnątrz kanału, naciska na obie klapy, uszczelniając tym samym połączenie (w celu wyjęcia prostokątnej klapy 2 należy ją obrócić o 90° i następnie przechylić.
Rys. 6.16. Część podwójnego poszycia kotła z otwierana klapa; 1 - poszycie wewnętrzne;
2 - poszycie zewnętrzne
O b m u r z e (rys. 6.17), którego celem jest ochrona elementów konstrukcyjnych kotła przed zbytnim nagrzaniem, mogącym doprowadzić nawet do ich zniszczenia, wykonuje się bądź przez wykładanie na przykład komory spalania specjalnymi cegłami kształtowymi z materiałów ognioodpornych, bądź też przez nakładanie masy ognioodpornej na specjalne zaczepy.
Rys. 6.17. Obmurze i izolacja kotła sekcyjnego Babcock-Wilcox l — obmurze ścian komory spalania; 2 — obmurze ścian przegrody kierującej gazy spalinowe; 3 — izolacja kotła;
Przykłady mocowania cegieł ognioodpornych podwójnego poszycia pokazano na rys. 6.18. W rozwiązaniu 6.18a cegły kształtowe 2 nasuwane są na zaczepy 3. Zaczepy mają kształt teowy i przyspawane są do konstrukcji nośnej. Między cegłami a poszyciem znajduje się przekładnia azbestowa 6.
Rys. 6.18. Mocowanie cegieł obmurza l — konstrukcja nośna; 2 — cegły obmurza; 3 — kątownik mocujący; 4 — śruba mocująca; 5 — zaślepka z masy ognioodpornej;
6 — przekładka azbestowa;
W rozwiązaniu 6.18b każda cegła 2 mocowana jest osobną śrubą 4 do poszycia l. Łeb śruby zabezpieczony jest przed działaniem wysokiej temperatury zaślepką 5 z masy ognioodpornej.
Inny rodzaj obmurza, pokazany na rys. 6.19, stosowany jest najczęściej przy wymurowywaniu ekranowych ścian komory paleniskowej. Rury ekranowe 1 mają przyspawane zaczepy 2, przestrzeń między rurami wypełniona jest izolacyjną masą ognioodporną 3, która przytwierdzona jest do zaczepów. Od ich rozmieszczenia oraz sposobu położenia masy zależy stopień opromieniowania ścian ekranowych.
Rys. 6.19. Obmurze rur ekranowych l — rura ekranowa; 2 — zaczep; 3 — masa izolacyjna
W starszych rozwiązaniach kotłów ściany, w których zamocowane są palniki, nie mają ekranów z rur opromieniowanych. W komorach paleniskowych takich kotłów szczególnie ważne jest obmurze tej właśnie ściany, narażone na działanie bardzo wysokiej temperatury, nie chroni jej bowiem ekran rur z wodą płynącą w ich wnętrzu.
Wymurówka wewnątrz kotłów spełnia nieraz jeszcze dodatkowe zadanie, a mianowicie służy za osłonę pewnych elementów wyposażenia kotła przed zbytnim nagrzewaniem, co polepsza naturalną cyrkulację wody w kotle oraz służy do skierowania strumienia spalin w odpowiednią stronę.
Przykład takiego rozwiązania pokazano na rys. 6.20. Dolny walczak wodny 3 ma grubą osłonę termiczną złożoną z warstw luźnego materiału izolacyjnego 4. Pod spodem umocowane są do poszycia płyty izolacyjne 5, natomiast dolna powierzchnia (podłoga) komory paleniskowej wyłożona jest cegłą ogniotrwałą l. Masa ogniotrwała 6 jest tak ukształtowana, aby kierowała strumień spalin głównie na pęki rur przegrzewacza pary 7 zamocowane wewnątrz pęków rur konwekcyjnych.
Rys. 6.20. Wymurówka komory paleniskowej w rejonie dolnego walczaka wodnego
l — cegła ogniotrwała; 2— blacha poszycia; 3 — dolny walczak wodny; 4 — luźny materiał izolacyjny; 5 — płyty izolacyjne; 6 — masa ogniotrwała; 7 — przegrzewacz pary;
W rozwiązaniu przedstawionym na rys. 6.21 kolektor dolny 3 jest osłonięty i odizolowany od gorącej komory paleniskowej, co ułatwia cyrkulację wody w rurach ekranowych 9. Tylną ścianę ekranu stanowią płyty ceramiczne 6, wykonane z materiałów ogniotrwałych, mocowane na króćcach 7 stanowiących uchwyty tych płyt. Zadaniem płyt jest zarówno izolowanie kotła, jak i odbijanie promieni cieplnych na część powierzchni rur ekranowych. Pod płytami znajdują się płyty izolacyjne. Króćce 7 mocowane są do blach poszycia 5, które z kolei mocowane są na elementach konstrukcji nośnej kotła. Powietrze przepływające przez kanał 8, odbiera ciepło przenikające przez izolację, podgrzewając się jednocześnie przed wejściem do komory spalania,
Rys. 6.21. Wymurówka komory paleniskowej w rejonie dolnego kolektora l— cegła ogniotrwała; 2 — masa ogniotrwała; 3 — kolektor dolny; 4 — płyty Izolacyjne; 5 — blachy poszycia; 6 — płyty ceramiczne ogniotrwałe; 7 — uchwyty płyt ceramicznych; 8 — kanał powietrza; 9 — rurki ekranowe; 10 — rura dopływowa do kolektora
Kotły pomocnicze również są izolowane, mimo że stopień promieniowania ciepła jest tu znacznie mniejszy niż przy kotłach głównych. Mieszczą się one w korpusie w kształcie pionowego walca z grubej blachy stalowej. W kotłach tych wymurówka 3 (rys. 6.22) znajduje się w dolnej części komory paleniskowej na płytach izolacji 2 dna kotła. Cały walczak izolowany jest podobnie jak płaszcz kotła płomieniówkowego. Warstwę izolacji pokrywa się cienką stalową blachą ocynkowaną i mocuje wkrętami samogwintującymi lub w inny sposób.
Izolację i wymurówkę okrętowego kotła pomocniczego wodnorurkowego przedstawiono na rys. 6.23. Izolacja umieszczona jest na szkielecie obudowy kotła, który jest mocowany do rur ekranowych. Warstwa izolacyjna pokryta jest — podobnie jak w innych kotłach — cienką stalową blachą ocynkowaną. Dolna powierzchnia komory paleniskowej, czyli jej ,, podłoga”, wymurowana jest masą ogniotrwałą.
Rys. 6.22. Izolacją i wymurówka kotła pomocniczego VX; l — Izolacja walczaka;
2 — izolacja dna; 3 — wymurówka
Rys. 6.23. Izolacja i wymurówka kotła pomocniczego MAC (Japonia) l — Izolacja zewnętrzna; 2 — wymurówka podłogi komory paleniskowej; 3 — wymurówka uszczelniająca;
Rys. 6.24. Izolacja kotła utylizacyjnego LA, produkcji Stoczni Gdańskiej im. Lenina
Kotły utylizacyjne — ze względu na charakter pracy i sposób ogrzewania spalinami odlotowymi z głównego silnika spalinowego — mają zwartą i szczelną konstrukcję. Rury konwekcyjne powierzchni ogrzewalnej są umieszczone w stalowym korpusie bądź to kształtu walca, bądź prostopadłościanu, jak przedstawiono na rys. 6.24. Izolację kotła stanowią płyty materiału izolacyjnego (waty żużlowej, waty szklanej itp.) przymocowane do blachy korpusu. Zewnątrz izolacja pokryta jest ocynkowaną cienką blachą stalową. Obudowane i izolowane są również kolektory dolotowe wody i odlotowe mieszaniny parowo-wodnej.
6.4. Rozmieszczenie i zamocowanie kotłów na statku.
W starszych rozwiązaniach siłowni parowych kotły znajdowały się zazwyczaj na śródokręciu. Kotłownia stanowiła oddzielne pomieszczenie przed maszynownią, a kotły (wówczas wyłącznie płomieniówkowe) ustawiane były od burty do burty statku, to znaczy oś kotła była równoległa do osi wzdłużnej statku. Typowe przykłady rozmieszczenia kotłów płomieniówkowych przedstawiono na rys. 6.25.
Rys. 6.25. Rozmieszczenie kotłów płomieniówkowych na statkach.
Kotły płomieniówkowe, w których kształt powierzchni swobodnej wody w walczaku jest zbliżony do kwadratu, mogą być ustawione zarówno wzdłuż, jak i w poprzek osi wzdłużnej statku. Przy kotłach tego typu bowiem przechyły boczne statku, które są zazwyczaj znacznie intensywniejsze od wzdłużnych, mają w obu wypadkach prawie taki sam wpływ na wahania poziomu wody.
W kotłach wodnorurkowych sytuacja wygląda odmiennie. Powierzchnią swobodna wody w walczaku parowo-wodnym tworzy tu wydłużony prostokąt. Ustawienie kotła w ten sposób, by oś wzdłużna walczaka była ustawiona poprzecznie do długości statku, spowodowałoby zbytnie wahania poziomu wody przy przechyłach bocznych, a więc wprowadzałoby dezorganizację w działaniach wielu urządzeń, otrzymujących impulsy od poziomu wody w kotle (rozdz.. 9). Zamontowanie kotłów wodnorurkowych w sposób przedstawiony na rys. 6.26 znacznie zmniejsza wahania stanu wody w kotle w czasie przechyłów bocznych statku.
Przeniesienie na siłowni rufę zmieniło znacznie tradycyjne rozplanowanie siłowni, a więc i rozmieszczenie kotłów. Siłownia w takim rozwiązaniu znajduje się w zwężającej się części statku, gdzie, jest stosunkowo mało miejsca na ustawienie wielu mechanizmów pomocniczych. Z drugiej strony statki tego typu mają przeważnie — z racji swej dużej pojemności — znaczną wysokość od dna do pokładu w obrębie siłowni. Warunki te stworzyły możliwość ustawiania kotłów na platformie usytuowanej kilka metrów nad dnem podwójnym. Pod platformą znalazło pomieszczenie wiele mechanizmów pomocniczych (najczęściej różnego rodzaju i przeznaczenie kotłów pompy, wirówki, podgrzewacze itp.).
Rozwiązanie takie umożliwia lepsze wykorzystanie przestrzeni przeznaczonej na siłownię, jednakże wadą jego jest wyniesienie znacznej masy — jaką stanowią kotły — o kilka metrów w górę, co może ujemnie wpływać na stateczność statku, zwłaszcza gdy płynie on bez ładunku.
Rys. 6.26. Rozmieszczenie kotłów wodnorurkowych na statkach: a) stanowiska robocze palaczy (palniki — l) ustawione równolegle do osi wzdłużnej statku; b) stanowiska robocze palaczy (palniki — l) ustawione poprzecznie od osi wzdłużnej statku
Na rys. 6.27. pokazano ustawienie kotłów na platformie znajdującej się przed turbiną główną. Stanowiska robocze w kotłowni znajdują się tu na jednym poziomie ze stanowiskiem manewrowym w maszynowni.
Rys. 6.27. Ustawienie kotłów na platformie przed turbiną; 1 — kocioł; 2 — turbina;
3 — skraplacz; 4 — wał śrubowy; 5 — pompy; 8 — stanowisko manewrowe;
7 — stanowisko przygotowywania paliwa; 8 — grodź między maszynownią i kotłownią
W wypadku rozwiązania pokazanego na rys. 6.28 kocioł znajduje się z tyłu za turbiną i nieco ponad nią.
Na rys. 6.28a przedstawiono siłownię turbinową ze skraplaczem i przekładnią w tzw. wykonaniu klasycznym, to znaczy skraplacz znajduje się pod turbiną. W tej sytuacji główna turbina napędowa znajduje się stosunkowo wysoko, a bardzo ciężkie kotły ustawione są na podeście ponad turbiną i przekładnią.
W celu obniżenia środka ciężkości i umożliwienia stosowania nieco lżejszej konstrukcji mocującej kotły, zaczęto stosować turbinę z osiowym wylotem pary przepracowanej z kadłuba niskiego ciśnienia, co umożliwia ustawienie skraplacza głównego specjalnej konstrukcji za, a nie pod turbiną napędową. W tej sytuacji — przy dodatkowym stosowaniu przekładni obiegowej, jak przedstawiono na rys. 6.28b — kotły można ustawić znacznie niżej w siłowni okrętowej.
Rys. 6.28. Ustawienie kotłów na platformie za turbiną w części rufowej zbiornikowca; a) ze skraplaczem pod turbiną i przekładnią zębatą; b) z turbiną w układzie tzw. łańcuchowym o osiowym odlocie pary do skraplacza i z przekładnią obiegową l — kocioł; 2 — turbina; 3 — skraplacz; 4 — przekładnia; 5 — łożysko oporowe; 6 — wał śrubowy
Rys. 6.29. Fundamenty kotłów płomieniówkowych; l — fundament i kołyska nośna; 1a,1b,1c,1d — blachy kołyski; 2 — uchwyt dolny; 2a — ucho; 3 — uchwyt górny; 3a — ucho; 4 — uchwyt boczny; 4a — ucho; 5 — stopery; 6 — podkładka izolacyjna
Ważnym problemem do rozwiązania przy umieszczaniu kotłów jest przeprowadzenie przewodów spalinowych zarówno ze względu na ich kształt, jak też i odpowiednią izolację termiczną. Szczególnie jaskrawo występuje to zagadnienie w wypadku statku z klimatyzacją pomieszczeń mieszkalnych załogi i pasażerów. Dodatkowo należy zwrócić uwagę na fakt, że przewody kominowe nie powinny mieć zbyt skomplikowanych kształtów (załamań, kolanek itp.) ze względu na zwiększające się w takich wypadkach opory przepływu spalin, co może niekorzystnie wpłynąć na spalanie paliwa.
Sposób mocowania kotłów do elementów konstrukcji statku zależy przede wszystkim od rodzaju kotła. Kotły płomieniówkowe ustawia się na statku na fundamentach wykonywanych z blachy (w wypadku konstrukcji nitowanej również i z kątowników). Fundament ten tworzy rodzaj łoża (kołyski), w którym spoczywa kocioł. Kształt górnej części 1a (rys. 6.29) jest dostosowany do kształtu walczaka, natomiast blachy 1b oraz 1c stanowią spawaną konstrukcję fundamentu.
Przy spawane do blach fundamentu uszy 1d służą do mocowania kotła z fundamentem za pomocą uchwytów 2. Podobne uchwyty 3 mocują. górną część walczaka do konstrukcji nośnych statku oraz kotły między sobą (poz. 4).
Aby umożliwić dobre osadzenie kotła w kołysce fundamentu oraz odizolować cieplnie kocioł od blach fundamentowych, między blachę la oraz kocioł wkłada się podkładkę 6 z tkaniny azbestowej. Swobodne ułożenie kotła w kołysce fundamentu umożliwia rozszerzenie konstrukcji kotła pod wpływem temperatury. Dlatego też między stoperami 5, zabezpieczającymi kocioł przed zbytnimi przesunięciami po osi wzdłużnej statku a dennicami (przednią i tylną) kotła pozostawia się niewielki luz ó, rzędu 3—5 mm na stronę (zależnie od długości walczaka). Luz tego samego typu, czyli cieplny, przy mocujących ściągaczach 2, 3 i 4 zapewniają owalne otwory w uchach 3a oraz 2a i 4a.
Zamocowanie kotłów wodnorurkowych na statkach jest o wiele bardziej złożonym problemem aniżeli mocowanie kotła płomieniówkowego.
Walczaki kotłów wodnorurkowych nie są mocowane bezpośrednio do fundamentów, lecz za pośrednictwem specjalnych uchwytów. Składają się one z łapy fundamentu l, wspornika 2 i kołyski 3 ukształtowanej według promienia mocowanego walczaka (rys. 6.30). Kołyska jest zamocowana za pomocą śrub 4, łapa fundamentu zaś może być przymocowana do płyty 8 albo na stałe (uchwyt I), albo z możliwością przesuwania (uchwyty II, III, IV).
Rys. 6.30. Zamocowanie kotła wodnorurkowego
l — dolna łapa fundamentu; 2 — wspornik fundamentu; 3 — Kołyska; 4 — śruba mocująca walczak; 5 — śruba mocująca fundament lub prowadnicę; 6 — prowadnica; 7 — podkładka; 8 — płyta konstrukcji statku; l. II, III, IV — uchwyty mocujące kocioł
W wypadku pokazanym na rys. 6.30 mocuje się na stałe uchwyt I za pomocą śrub 5. Wskutek wydłużeń cieplnych pozostałe uchwyty mogą przesunąć się w kierunkach wskazanych przez strzałki. Aby to umożliwić, płyty podstawy 2 są umieszczone w prowadnicach 6, przymocowanych śrubami 5 do fundamentu 8. Pozostawione luzy w prowadnicach umożliwiają każdemu z uchwytów przesuwanie się w pożądanym kierunku. Aby ułatwić to przesuwanie i zmniejszyć tarcie, w uchwytach II, III i IV stosuje się mosiężne podkładki 7 o grubości 8—10 mm (dla wyrównania wysokości podkładkę o takiej samej grubości wkłada się również pod uchwyt I).
Rys. 6.31. Mocowanie kotła membranowego na statku l — fundament pod rurą opadową;
2 — fundament pod kolektorem wodnym; 3,4 — fundamenty związane z konstrukcją statku; 5,6 — zaczepy mocowane do walczaka parowo-wodnego; 7,8 — ściągacze górne; 9 — dwuteownik; 10 — podkładka; 11 — czop mocujący; 12 — zawleczka;
Inny rodzaj fundamentów i mocowania kotła wodnorurkowego pokazano na rys. 6.31. Konstrukcja fundamentowa jest tu przymocowana na stałe zarówno do rur opadowych (por. rys. 6.15 — poz. 9), jak i do dolnych kolektorów wodnych (por. rys. 6.15 — poz. 8). Mocowanie uchwytów fundamentowych (rys. 6.31 — póz. l i 2) do fundamentów 3 i 4, związanych z konstrukcją nośną statku, odbywa się w sposób identyczny z opisanym uprzednio (por. opis dot. rys. 5.20), bowiem i w tym przypadku musi istnieć możliwość wzajemnego przesuwania się konstrukcji kotła względem konstrukcji statku wskutek istniejących wydłużeń termicznych. Górny walczak parowo-wodny mocowany jest za pomocą ściągaczy górnych 7, 8 (rys. 6.31) wykonanych z dwóch połączonych ze sobą stalowych dwuteowników. Ściągacze łączą się z zaczepami 5 i 6 przyspawanymi do walczaka oraz z uchwytami, związanymi z konstrukcją nośną kadłuba statku za pomocą stalowych czopów mocujących 12 (rys. 6.31), zabezpieczonych podkładkami 10 i zawleczkami 12.
Uchwyty fundamentowe kotła membranowego o wydajności rzędu 40 t/h wykonane są z blach o grubości 28—36 mm. Średnica czopu mocującego wynosi 120 mm.
Pokład, na którym ustawione są dwa kotły membranowe (w przypadku zbiornikowców typu „Kasprowy Wierch"), ma szczególnie silne wzmocnienia, wiążące go na całej szerokości z burtą części rufowej statku, w której umieszczona jest siłownia.
Przemieszczanie się korpusu i konstrukcji nośnej kotła w czasie jego pracy zmusza do stosowania elastycznych połączeń z przewodem kominowym (rys. 6.32).
Rys. 6.32. Połączenie kotła z przewodem kominowym: a, b) połączenie za pomocą elastycznego kompensatora z blachy; c) połączenie przesuwne metodą teleskopową
Pomocnicze okrętowe kotły wolnostojące, jak na przykład typu VX, mocuje się na fundamencie przyspawanym do blach konstrukcji statku (najczęściej dna podwójnego w obrębie siłowni okrętowej).Dolny kołnierz kotła l (rys. 6.33) przymocowany jest śrubami do kołnierza fundamentu kotła. W celu pewniejszego zamocowania kotła typu VX i przeciwdziałania siłom powstającym przy przechyłach statku, mocuje się go do uchwytów 2 znajdujących się w górnej części kotła.
Rys. 6.33. Mocowanie kotła pomocniczego VX na statku; 1— dolny Kołnierz mocujący;
2 — uchwyt górny; 3 — fundament kotła;
Rys. 6.34. Fundament kotła utylizacyjnego LA, produkcji Stoczni Gdańskiej im. Lenina
l, 2 — uchwyty boczne; 3, 4 — uchwyty dolne; 5 — dolny kołnierz mocujący; 6 — górny kołnierz mocujący
Kotły utylizacyjne instalowane są na statkach najczęściej w kominie. Muszą one być połączone z rurociągami odlotowymi głównych silników spalinowych. Stąd każdy okrętowy kocioł pomocniczy typu utylizacyjnego ma z obu stron kołnierze mocujące go do przewodu spalin odlotowych. Na rys. 6.34 dolny kołnierz mocujący 5 jest okrągły, górny 6 natomiast — prostokątny.
Ponieważ mocowanie masywnego (najmniejszy z produkowanych kotłów pomocniczych typu LA ma masę 12 310 kg) kotła jedynie na rurociągach spalinowych byłoby niewystarczające — zwłaszcza że w czasie przechyłów statku mocowanie kotła, umieszczonego wysoko, podlega znacznym obciążeniom dynamicznym — kocioł ma jeszcze szereg uchwytów (l, 2, 3, 4) umożliwiających pewne jego zamocowanie.
6.5.Wyposażenie wewnętrzne walczaków okrętowych kotłów parowych.
Wewnątrz walczaka kotłowego — bez względu na to, czy jest to walczak kotła płomieniówkowego czy też kotła wodnorurkowego —znajduje się szereg urządzeń różnego -rodzaju, jak rurociągi osuszacza i ochładzacza pary, osłony itp. Występowanie takich czy innych elementów wyposażenia walczaków zależne jest od rodzaju kotła, jego wielkości, parametrów roboczych pary, przeznaczenia kotła itp. Jednakże w dalszym ciągu będą kolejno omówione prawie wszystkie urządzenia spotykane w kotłach różnego typu bez względu na to, czy są one instalowane we wszystkich kotłach czy tylko w niektórych, specjalnych rozwiązaniach.
6.5.1.Rurociągi zasilające.
Rurociągi zasilające w kotłach płomieniówkowych (rys. 6.35) umieszczane są zazwyczaj w górnej części kotła poniżej roboczego poziomu wody. Rura zasilająca 2 jest na końcu zaślepiona, a woda przedostaje się do wnętrza kotła przez szereg małych otworków 1, wywierconych na obwodzie. Daje to równomierny rozdział wody zasilającej na dużą powierzchnię swobodną, jaka znajduje się w kotle płomieniówkowym, co korzystnie wpływa na charakter naturalnej cyrkulacji wody. Dla lepszego rozdziału napływającej wody zasilającej stosuje się często rozwiązanie konstrukcyjne, w którym znajdują się dwie rury zasilające wprowadzone do kotła z dwóch przeciwległych boków. Rury podwieszone są do ściąg, łączących tylną i przednią dennicę kotła, za pomocą specjalnych uchwytów 4 z płaskowników.
Rys. 6.35. Umieszczenie rury zasilającej w kotle płomieniówkowym; l — perforowany odcinek rury zasilającej; 2 — rura zasilająca; 3 — zawór zasilający; 4 — uchwyty
Rys. 6.36. Rura zasilająca w .kotle wodnorurkowym l — rura zasilająca; 2 — ekran z blachy; 3 — zamocowanie ekranu
W kotłach opłomkowych rura zasilająca l bywa często umieszczona nad powierzchnią wody (rys. 6.36), choć spotyka się też inne rozwiązania. Rurociągi te są najczęściej osłonięte od góry specjalnym ekranem 2 z blachy, a rura zasilająca, zaślepiona na końcu, ma na swej górnej powierzchni nawiercone otworki, którymi woda zasilająca dostaje się do kotła.
6.5.2. Osuszacze pary.
W celu otrzymania z kotła pary o możliwie najwyższym stopniu suchości stosuje się specjalne urządzenia wytrącające z mieszaniny parowo-wodnej resztki kropel wilgoci. Na rys. 3.14 pokazano schematycznie urządzenia do osuszania pary w walczakach parowo-wodnych kotłów wodnorurkowych. Główną zasadą osuszania pary jest takie kierowanie strumienia pary wilgotnej, ażeby na drodze od powierzchni odparowania do rurociągu poboru pary zmienił on parokrotnie kierunek i to możliwie pod dużym kątem. Następuje wówczas oddzielenie kropel wody — jako cięższych — od cząstek pary i wytrącona woda spływa z powrotem do walczaka.
Jedno z takich urządzeń pokazano na rys. 6.37. Para wydostająca się z powierzchni odparowania trafia do pionowo zamocowanych w górnej części płaszcza rurek 2. Po przejściu przez nie dostaje się do kolektora l, gdzie następuje gwałtowna zmiana kierunku pary pod kątem 90°. Wydzielająca się w tej części woda spływa następnie przez rurki 3 do dolnej części walczaka parowo-wodnego.
Rys. 6.37. Walczak parowo-wodny z kolektorem osuszacza pary l — kolektor zbiorczy pary; 2 — rurki pionowe; 3 — rurki ściekowe
Innym sposobem osuszania pary jest umieszczenie w górnej części walczaka parowo-wodnego rury zbiorczej pary, zaopatrzonej w górnej części w wąskie szczeliny (rys. 6.38). Para zawierająca krople wody, aby dostać się do rury zbiorczej l musi wykonać drogę pokazaną strzałkami na przekroju A-A. Druga, gwałtowna zmiana kierunku strumienia pary odbywa się wewnątrz rury 1 przy wejściu do króćca 2. Oddzielona w tym miejscu woda spływa rurką 3 do wodnej części walczaka parowo-wodnego.
Na rys. 6.39 pokazano osuszacz pary w kotle La Monta o przymusowej cyrkulacji wody. Powracająca z rurek konwekcyjnych 2 i ekranowych 3 mieszanina parowo-wodna dostaje się do przestrzeni walczaka zawartej między osłoną 7 i 8. Następnie para płynie wzdłuż osłony 7 i tu — wskutek gwałtownej zmiany kierunku — następuje pierwsze jej osuszenie, po czym zostaje dodatkowo osuszona w osuszaczu żaluzyjnym 5 i wchodzi do wnętrza rury zbiorczej 4 mającej w swej górnej części szczeliny (rys. 6.38).
Rys. 6.38. Walczak kotła z osuszaczem pary l — rura zbiorcza; 2 — króciec; 3 — rurka ściekowa
Rys. 6.39. Osuszacz pary w walczaku parowo Rys. 6.40. Osuszacz typu żaluzyjnego wodnym kotła La Monta l — walczak;
2 — rurki konwekcyjne doprowadzające
mieszaninę parowo-wodną; 3— kolektor
zbiorczy rurek ekranowych; 4 — rura
biorcza pary; 5 — osuszacz żaluzyjny;
6 — rurociąg zasilający; 7 — osłona
prowadząca górna; 8 — osłona prowadząca
dolna; 9 — obudowa rury zasilającej;
Zasilanie kotła odbywa się przez rurociąg 6 do specjalnego korytka obudowy 9, skąd dopiero woda przelewając się przez próg dostaje się do części wodnej walczaka.
W osuszaczach żaluzyjnych (rys. 6.40) para dostaje się pomiędzy wąskie kanały z blachy, gdzie następuje kilkakrotna zmiana kierunku przepływu.
Zmiana ta, w połączeniu z rozbiciem strumienia pary na kilka lub kilkanaście niewielkich strug, daje dobre efekty oddzielenia wody od pary. Prędkość przepływu pary wynosi 1,5—2,5 m/s.
W kotłach o dużym poborze pary i znacznym natężeniu parowania (wartość wyrażająca się stosunkiem ilości pary produkowanej w kotle w ciągu godziny do powierzchni odparowania) istnieje zwiększone niebezpieczeństwo porywania wody z walczaka przez pobieraną parę i dlatego stosuje się tam wielostopniowe jej osuszanie.
Rys. 6.41. Rurociąg szumowania górnego w kotle wodnorurkowym l — rurociąg szumowania górnego; 2 — rurociąg do podawania chemikaliów do kotła
Rys. 6.42. Rurociągi szumowania dolnego: a) — kocioł trójwalczakowy symetryczny b) kocioł dwuwalczakowy z opromieniowana, komorą spalania l — rurociąg szumowania dolnego; 2 — nasadki
Przykład takiego trójstopniowego osuszacza [kocioł membranowy o wydajności 36—50 t/h, ciśnieniu roboczym 6,092 MN/m2 (62 kG/cm2) i natężeniu powierzchni parowania wynoszącym 3,2—4,4 t/(m2 h)] pokazano na rys. 3.14 b.
Osuszacz ten umożliwia prawie całkowite jej osuszenie przed skierowaniem do przegrzewacza. Polepsza to ogólny bilans cieplny kotła i stanowi dodatkowe zabezpieczenie przed możliwością uszkodzeń głównych i pomocniczych turbin siłowni okrętowej, które mogłyby wystąpić przy obecności kropel wody w strumieniu pary roboczej uderzającej z bardzo dużą prędkością w łopatki.
6.5.3. Urządzenia do szumowania kotłów.
Każdy kocioł wyposażony jest w urządzenia służące do tak zwanego szumowania dolnego i górnego. Szumowanie jest to usuwanie części wody z kotła z miejsc, gdzie może być ona najbardziej zanieczyszczona czy to szlamem, czy rozpuszczonymi solami, czy wreszcie olejem smarowym, który dostał się do kotła z pracującego silnika parowego wraz z powracającymi do obiegu skroplinami pary roboczej.
Szumowanie dolne polega na usuwaniu wody z dolnej części walczaka — w wypadku kotłów płomieniówkowych — lub z dolnego walczaka — w wypadku kotłów wodnorurkowych. Razem z wodą usuwany jest szlam oraz ewentualnie rozpuszczone sole. Natomiast szumowanie górne usuwa wodę wraz ze zbierającymi się w górnej części (na powierzchni odparowania) zanieczyszczeniami olejowymi.
Szumowanie może być okresowe lub — w specjalnych rozwiązaniach — ciągłe.
W wypadku kotłów płomieniówkowych, gdzie spotykamy się ze stosunkowo znacznymi zanieczyszczeniami, woda w czasie szumowania usuwana jest za burtę. Przy szumowaniu kotłów wodnorurkowych, kiedy mamy najczęściej do czynienia z wodą w znacznie mniejszym stopniu zanieczyszczoną, celowe jest podawanie usuwanej z kotła wody do wyparowniki.
Rurociąg szumowania górnego umieszczony jest w górnym walczaku parowo-wodnym lub w górnej części walczaka (w kotłach płomieniówkowych). W wypadku kotłów wodnorurkowych jest to rura (rys. 6.41) mająca zamontowane w regularnych odstępach blaszane lejki, których górna krawędź znajduje się nieco poniżej normalnego poziomu wody w walczaku.
Jeżeli walczak wodny jest najniższym punktem kotła, rurociąg szumowania dolnego l wygląda jak. na rys. 6.42a. Jest to rura identyczna z rurą szumowania górnego 1 (rys. 6.41), lecz zamocowana jest w dolnej części walczaka i odwrócona lejkami do dołu.
Jeżeli natomiast do walczaka wodnego dochodzą od dołu rurki ekranowe (rys. 6.42b), to w czasie szumowania dolnego zostałaby usuwana z kotła przede wszystkim mieszanina parowo-wodna wychodząca z tych rurek. Aby tego uniknąć, stosuje się specjalne nasadki 2, które podwyższają poziom odlotów rurek ekranowych do wysokości h oznaczonej przez X—X. Poniżej tego poziomu zbiera się woda nie biorąca w zasadzie udziału w cyrkulacji, a więc zbierają się tam zanieczyszczenia opadające w dół jako cięższe, które usuwane są następnie przez rurociąg l.
W kotłach stromorurkowych typu D, zwłaszcza w kotłach membranowych charakteryzujących się dużą liczbą dolnych kolektorów wodnych (por rys. 6.15 — poz. 3, 4, 5), szumowanie dolne odbywa się przez króćce 6 (rys. 6.6) umieszczone w dolnej części korpusu kolektora. Do króćców tych przyspawane są rury, a na nich osadzone — jeden za drugim — po dwa zawory „szumowania dolnego w celu zapewnienia odpowiedniej szczelności odcięcia kotła.
6.5.4. Inne urządzenia znajdujące się wewnątrz walczaków i kolektorów kotłów.
W celu równomiernego rozdziału ilości wody na rurki wychodzące równolegle z kolektora, na wlotach do tych rurek stosuje się niekiedy — głównie w utylizacyjnych kotłach pomocniczych. —— specjalne dysze. Opór przepływu przez dyszę — odpowiedni dla każdej rurki — wyrównuje opory hydrauliczne przepływu (np. przez kolektor rozdzielczy) tak, że suma oporów mierzona od wlotu do kolektora do wlotu każdej rurki jest stała. Przy takim układzie do każdej rurki wychodzącej z kolektora dostaje się taka sama ilość wody, co jest podstawą właściwej cyrkulacji i rozdziału ciepła pobieranego od spalin.
Na rys. 6.43 przedstawione są różnego rodzaju dysze wyrównujące opory. Na rys. 6.43a dysza 1 jest wspawana pomiędzy króciec 5 zamocowany na kolektorze i rurkę 6. Dysza l łączy się z filtrem 2, co uwidoczniono na rys. 6.43b. Filtr zabezpiecza rurki przed dostaniem się do ich wnętrza zanieczyszczeń mechanicznych, mogących dopłynąć razem z wodą (np. odłupane kawałki kamienia kotłowego itp.).
Dyszę z możliwością regulowania oporu przepływu aż do całkowitego odcięcia rurki (lub pęku rurek) przedstawiono na rys. 6.43c. Iglica zaworu 3 osadzona jest w gnieździe, które stanowi dysza l. I w tym wykonaniu znajduje się filtr 2. Urządzenia tego typu są często stosowane w kotłach utylizacyjnych (np. La Monta) i służą do regulowania wielkości powierzchni ogrzewalnej przez odcięcie odpowiedniej rurki lub rurek wychodzących równolegle z kolektora rozdzielczego 4.
Rys. 6.43. Rodzaje dysz wyrównujących opory na wlotach do rurek l — dysza; z — filtr; 3 — zawór regulacyjny; 4 — kolektor; 5 — króciec; 6 — rurka
Wewnątrz walczaków — zarówno parowo-wodnych, jak i wodnych — mogą znaleźć się, w zależności od typu kotła, jeszcze i inne, nie wymienione dotychczas urządzenia. Mogą to być na przykład specjalne rurociągi do podawania do wnętrza kotła odpowiednich chemikaliów w czasie pracy kotła (rys. 6.41).
Rys. 6.44. Siatki ochronne nad przewodem ssącym pompy cyrkulacyjnej
W kotłach o przymusowej cyrkulacji, w celu ochrony pompy cyrkulacyjnej przed możliwościami ewentualnego uszkodzenia, instalowane są siatki ochronne nad króćcem poboru wody cyrkulacyjnej (rys. 6.44).
Niekiedy w walczakach parowo-wodnych kotłów z naturalną cyrkulacją o dużych wydajnościach oraz rozbudowanym systemie rur opadowych, kolektorów i rurek opromieniowanych oraz konwekcyjnych (np. kotła opisanego w rozdz. 8.7) spotyka się przegrody lub osłony, których zadaniem jest np. skierowanie do rury opadowej strumienia wody o właściwej temperaturze oraz do odpowiedniego miejsca w walczaku.
Wewnątrz walczaków mogą także znajdować się takie elementy konstrukcyjne, jak przegrody poprzeczne ustalające równomierność parowania, rurociągi ochładzacza pary (rozdz. 6.7), rurociągi regulatora temperatury pary przegrzanej (rozdz. 3.3.1), elementy służące do automatycznej regulacji zasilania kotłów itp.
W niskociśnieniowym walczaku parowo-wodnym kotła dwuobiegowego (rys. 3.40) znajdują się spirale grzewcze, przez które przepływa para nasycona obiegu wysokociśnieniowego.
6.6. Dodatkowe powierzchnie ogrzewalne.
W celu zwiększenia sprawności kotła przez większe wykorzystanie ciepła zawartego w uchodzących do komina spalinach oraz w celu zwiększenia temperatury pary stosuje się dodatkowe powierzchnie ogrzewalne. Są nimi (kolejno od najniższej temperatury spalin przez nie przepływających do najwyższej):
podgrzewacze powietrza podawanego do komory spalania,
wewnątrzkotłowe podgrzewacze wody zasilającej, czyli tzw. ekonomizery,
przegrzewacze pary.
Teoretyczne zasady umieszczania tych powierzchni ogrzewalnych w kotle zostały opisane w rozdz. 3.3.1.
Niżej podane są przykłady niektórych rozwiązań konstrukcyjnych tych urządzeń.
6.6.1. Podgrzewacze powietrza.
Podgrzewanie powietrza podawanego do komory paleniskowej, w celu umożliwienia i podtrzymywania procesu spalania paliwa, stosowane jest z kilku powodów.
W parowych instalacjach siłownianych, w których ma się do czynienia z wysokim stopniem podgrzania wody zasilającej w podgrzewaczach ustawionych poza kotłem właściwym, woda zasilająca, dopływająca do wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody (tzw. ekonomizera), ma wysoką temperaturę. Ilość ciepła, którą woda w podgrzewaczu zdolna jest odebrać uchodzącym z komory paleniskowej spalinom, jest niewielka i w wyniku tego temperatura spalin na wylocie z kotła może być stosunkowo wysoka. W takim przypadku umieszczenie w przewodzie spalinowym ostatniego wewnątrzkotłowego wymiennika ciepła, jakim jest podgrzewacz powietrza, powoduje schładzanie strumienia spalin do dopuszczalnie niskiej temperatury (rozdz. 2.4), a w konsekwencji zwiększenie sprawności kotła.
Stosowanie wewnątrzkotłowego podgrzewacza powietrza ogrzewanego spalinami wywiera również dodatni wpływ na proces spalania paliwa w kotle, a tym samym na wymianę ciepła na powierzchniach ogrzewalnych kotła.
Podgrzewane powietrze wnosi do komory paleniskowej dodatkowe ilości ciepła odebrane spalinom (lub parze odlotowej czy wodzie zasilającej w przypadku parowych lub wodnych podgrzewaczy powietrza — por. rys. 3.19), powodując tym samym pewien wzrost teoretycznej temperatury spalania. Dodatkowo proces spalania paliwa ulega polepszeniu i przebiega znacznie szybciej, gdyż w takiej sytuacji rozpalone cząsteczki podawanego przez palniki oleju opałowego szybciej odgazowują i szybciej ulegają spalaniu.
Wskutek wzrostu temperatury spalania wymiana ciepła na powierzchniach opromieniowanych i konwekcyjnych kotła jest intensywniejsza, co umożliwia albo zwiększenie wydajności kotła przy tych samych gabarytach, albo zmniejszenie gabarytów przy zachowaniu tej samej wydajności.
Jednakże, jeśli woda zasilająca podawana do wnętrza kotłowego podgrzewacza ma niską temperaturę, jej zdolność ochłodzenia spalin wylotowych jest znaczna. Stosuje się wtedy dwu- lub trzystopniowe podgrzewanie wody zasilającej, a podgrzewanie powietrza realizowane jest na zewnątrz kotła, w podgrzewaczach parowych (rys. 3.19b) lub rzadziej wodnych (rys. 3.19a).
Spalinowe podgrzewacze powietrza umieszczone są w najwyższej części przewodu dymowego. W rozwiązaniach typu rurowego (rys. 3.18) mamy do czynienia najczęściej z przepływem spalin wewnątrz rurek, choć spotykane są też rozwiązania, w których spaliny omywają rurki z zewnątrz.. Przepływ spalin wewnątrz rurek uzasadniony jest tym, że spaliny niosą zanieczyszczenia, które osadzają się na powierzchniach ogrzewalnych również i podgrzewacza powietrza. Zanieczyszczenia takie i osady łatwiej jest usunąć z wnętrza prostych i dobrze dostępnych rurek aniżeli z zewnętrznych ich powierzchni, trudno dostępnych ze względu na ukształtowanie rurek w pakiety.
Przepływ powietrza w stosunku do gazów spalinowych jest krzyżowy i zazwyczaj wielokrotny (dwu- lub trzykrotny), jak przedstawiono na rys. 3.18 i rys. 3.47.
Wielokrotny przepływ spalin jest rzadziej stosowany ze względu na dość znaczne opory przepływu, jakie napotyka strumień spalin przy kilkukrotnej zmianie kierunku przepływu. Opory te przy spalaniu przy normalnym ciśnieniu mogą powodować niewielkie obniżenie sprawności procesu spalania. Niemniej rozwiązania takie są niekiedy stosowane. Na rys. 6.46 przedstawiony jest trzykrotny przepływ spalin (strzałki zaczernione) przy jednokrotnym przepływie powietrza (strzałki nie zaczernione).
Jest to rozwiązanie stosowane w nowoczesnym kotle produkcji radzieckiej, typu KWG-80, o wydajności pary 90 t/h i wysokich parametrach: ciśnieniu 7,858 MN/m2 (80 kG/cm2) oraz temperaturze 515°C.
Bardzo istotnym problemem występującym podczas eksploatacji spalinowych podgrzewaczy powietrza kotłowego jest sprawa końcowej temperatury spalin uchodzących z kotła i związanymi z tym możliwościami przekroczenia punktu rosy korozjotwórczych składników spalin (rozdz. 2.4).
Na rys. 6.45 pokazany jest przykład rozkładu temperatury ogrzewanego powietrza, uchodzących z kotła gazów spalinowych oraz temperatury ścianek rurek w podgrzewaczu powietrza umieszczonym na jednym ze zbiornikowców zbudowanych w latach 60-tych. Jest to podgrzewacz czteroprzepływowy (jeżeli chodzi o przepływ powietrza). W dwóch obszarach, zaznaczonych na rysunku zakreskowanymi elipsami, może występować korozja siarkowa wskutek obniżenia temperatury.
Rys. 6.45. Schemat czteroprzepływowego podgrzewacza powietrza i rozkłady temperatur spalin, powietrza i ścianek podgrzewacza.
Aby uniknąć szkodliwego działania chłodzonego powietrza dolotowego, często stosuje się wstępne jego ogrzewanie. Chłodne powietrze omywa na drodze do podgrzewacza obudowę kotła, ogrzewając się w ten sposób, i wchodzi na rurki podgrzewacza już znacznie cieplejsze, co zabezpiecza przed zbytnim obniżeniem temperatury gazów spalinowych.
Innym sposobem antykorozyjnej ochrony podgrzewacza powietrza jest wstępne podgrzewanie powietrza w podgrzewaczu wodnym oraz stosowanie wewnątrz ostatnich partii rurek (w trzecim przepływie spalin) wykładzin antykorozyjnych z tworzyw sztucznych.
Rozwiązanie takie stosowane jest między innymi w siłowni zbiornikowca radzieckiego typu „Krym" w urządzeniu kotłowym KWG-80 (rys. 6.46). Wstępne podgrzanie powietrza odbywa się w podgrzewaczu 4 ogrzewanym wodą zasilającą, która przed wejściem do wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody 8 ma temperaturę 223°C. Ilość wody podawane do podgrzewacza 4, a tym samym ilość ciepła dostarczonego powietrzu we wstępnym podgrzaniu regulowana jest automatycznie sterowanymi zaworami l, 2 i 3 w zależności od aktualnego obciążenia kotła.
Rys. 6.46. Podgrzewanie powietrza w kotle KWG-80, produkowanego w ZSRR 1,2,3 — sterowane zawory regulacyjne; 4 — wodny wstępny podgrzewacz powietrza; 5 — spalinowy podgrzewacz powietrza; 6 — walczak parowo wodny; 7 — palniki; 8 — wewnątrzkotłowy podgrzewacz wody zasilające
Wstępne podgrzanie powietrza oraz wspomniane uprzednio wykładziny antykorozyjne umożliwiają obniżenie temperatury spalin odlotowych do 110°C, dzięki czemu współczynnik sprawności kotła dochodzi do 97%. Temperatura powietrza podawanego do komory paleniskowej wynosi 217°C.
Powierzchnia ogrzewalna spalinowego podgrzewacza powietrza jest przeważnie bardzo duża w porównaniu z innymi powierzchniami ogrzewalnymi kotła. Wynika to — między innymi — z niskiej już temperatury spalin w tym rejonie, a więc z niewielkiej różnicy temperatur obu czynników i z pogorszonej w związku z tym wymiany ciepła.
Na przykład we wspomnianym uprzednio kotle KWG-80 powierzchnia ogrzewalna podgrzewacza powietrza wynosi 3570 m2, powierzchnia ogrzewalna parownika w kotle 658 m2, podgrzewacza pary — 662 m2, a podgrzewacza wody zasilającej 1010 m2. Masa podgrzewacza powietrza w tym kotle wynosi prawie 65 t przy 205 t masy pozostałych elementów kotła bez wody.
Rozmieszczenie i kształt rurek rurowego podgrzewacza powietrza zależy głównie od technologii producenta kotła. Kilka stosowanych rozwiązań przedstawiono na rys. 6.47.
Prędkość gazów spalinowych w rurkach (lub między rurkami) podgrzewacza powietrza nie powinna być mniejsza niż 4—5 m/s. Mniejsza prędkość powoduje zbytnie zanieczyszczenie wewnętrznych lub — w wypadku przepływu gazów między rurkami podgrzewacza — zewnętrznych ścianek rurek. Poza tym obniża się znacznie współczynnik przejmowania ciepła od gazów do ścianek.
Z innej strony, zbytnia prędkość spalin powoduje nadmierny wzrost oporów przepływu i górna jej granica w rejonie podgrzewacza powietrza wynosi 16—20 m/s.
Prędkość przepływu ogrzewanego powietrza na zewnątrz rurek wynosi dla pionowo ustawionych rurek około połowy prędkości spalin. Przy poziomo ustawionych rurkach i przepływie powietrza wewnątrz rurek jego prędkość równa się 18—25 m/s, a w pewnych rozwiązaniach dochodzi nawet do 20 m/s. Zwiększenie prędkości przepływu powietrza zwiększa współczynnik przejmowania ciepła od ścianek rurek do powietrza, jednakże rośnie też opór przepływu przez podgrzewacz, a co za tym idzie — musi wzrastać moc wentylatora nadmuchowego.
Rys. 6.47. Schematy rozmieszczenia i kształty przekroju rurek podgrzewacza powietrza
W obecnie budowanych kotłach wodnorurkowych spotyka się najczęściej spalinowe podgrzewacze powietrza, których powierzchnię ogrzewalną stanowią gładkie rurki stalowe o średnicach rzędu 32—51 mm, lub podgrzewacze typu regeneracyjnego. Ścianki rurek podgrzewaczy nie przenoszą w zasadzie żadnych poważniejszych naprężeń i mogą być stosunkowo cienkie, jednakże ze względu na możliwość występowania korozji grubości ścianek rurek podgrzewaczy powietrza wynoszą 1,5 —2,5 mm w zależności od średnicy.
Konstrukcje rozmaitych rodzajów rurowych podgrzewaczy powietrza pokazano schematycznie na rys. 3.18 i rys. 6.46. Rurki mocowane są spoinami w dwóch ścianach sitowych na stałe, jak przedstawiono na rys. 6.48. Jednakże, aby uniknąć szkodliwych naprężeń termicznych i wydłużeń cieplnych dość długich rurek, stosuje się albo przesuwne zamocowania jednej ze ścian sitowych z urządzeniem dławicowym, albo też z kompensatorem 3 przejmującym wszystkie naprężenia i wydłużenia.
W latach 70-tych dość często stosowano płytowe podgrzewacze powietrza w okrętowych kotłach parowych. Płyty — wykonywane zarówno jako odlewy żeliwne, jak i odlewy ze specjalnych lekkich stopów antykorozyjnych — mają ożebrowania powiększające w znaczny sposób powierzchnię wymiany ciepła w podgrzewaczu. Ożebrowania znajdują się zarówno na drodze gazów spalinowych, jak i drodze ogrzewanego powietrza.
Rys. 6.48. Szczegół mocowania ściany sitowej rurowego podgrzewacza powietrza;
l — rurka; 2 — ściana sitowa; 3 — kompensator;
Konstrukcję stosowanych w budownictwie okrętowym płytowych podgrzewaczy powietrza przedstawiono na rys. 6.49. Ich wadą jest trudność w oczyszczaniu powierzchni żeber od strony przepływu spalin. Stwarza to konieczność okresowego rozbierania podgrzewaczy i czyszczenia płyt po wymontowaniu z kotła. Ich zaletą jest intensywna wymiana ciepła wskutek dużej powierzchni ogrzewalnej oraz wskutek zaburzonych przepływów obu czynników podczas omywania żeber znajdujących się na płytach podgrzewacza.
Powierzchnie spalinowe podgrzewacza powietrza — zarówno rurowe, jak i płytowe, narażone są — mimo stosowanych zabezpieczeń — na korozję niskotemperaturową, zwłaszcza że stosowanie różnych rodzajów olejów opałowych o różnym stopniu zawartości siarki powoduje zmienne warunki panujące w strumieniu spalin podczas eksploatacji kotłów.
Rys. 6.49. Płytowy podgrzewacz powietrza: a) schemat podgrzewacza; b) szczegół podgrzewacza; l, 2 — płyty żebrowane
Przy korozyjnych uszkodzeniach powierzchni ogrzewalnych wskutek możliwości powstawania szkodliwych związków chemicznych (rozdz. 2.4) i przeciekach gorącego powietrza do strumienia spalin przy jednoczesnej obecności gorących, żarzących się cząstek sadzy osadzonej na powierzchniach podgrzewacza mogą w tej części kotła powstawać groźne nieraz w skutkach pożary.
Innym typem spalinowego podgrzewacza powietrza jest podgrzewacz regeneracyjny. Podgrzewacz taki przedstawiony jest na rys. 6.50. Składa się on z obudowy l i bębna obrotowego 2 wprawianego w ruch silnikiem elektrycznym 3 przez przekładnię. Gazy spalinowe oraz ogrzewane powietrze przepływają przez podgrzewacz regeneracyjny w równoległych strumieniach, lecz w przeciwnych kierunkach. Spaliny płyną z dołu do góry, powietrze zaś odwrotnie. Ponieważ bęben podgrzewacza w czasie pracy się obraca, jego powierzchnię ogrzewalną omywają na przemian spaliny i ogrzewane powietrze, które pobiera ciepło zakumulowane we wnętrzu bębna (wirnika) 2 w czasie przepływu gorących spalin.
Wirnik wypełniony jest pakietami złożonymi z cienkich stalowych karbowanych blach o grubości 0,5 mm. Szczeliny między blachami w pakietach wynoszą 3—5 mm.
Konstrukcja taka w połączeniu z niewielką prędkością obrotową bębna wynoszącą
2 obr/min umożliwia osiąganie prędkości spalin rzędu 5 —10 m/s. W czasie obrotu część powierzchni pakietów blach znajduje się pod działaniem gorących spalin, które nagrzewają je do temperatury 280—300°C. Wskutek obrotu ogrzana część podgrzewacza przesuwa się stopniowo w strefę przepływu powietrza, dzięki czemu podnosi się jego temperatura od ok. 25—30°C do 250—260°C.
Na temperaturę blach podgrzewacza regeneracyjnego można wpływać przez odpowiedni dobór prędkości spalin i powietrza. Przy dużej prędkości spalin i małej prędkości powietrza temperatura blach podgrzewacza będzie stosunkowo wysoka, co zmniejsza korozyjne działanie strumienia spalin. Przy każdym przepływie spalin pakiety blach nagrzewają się bowiem do temperatury znacznie wyższej od temperatury punktu rosy składników spalin, o których pisano w rozdz. 2.4.
Rys. 6.50. Regeneracyjny podgrzewacz powietrza typu Ljungstroma; l — obudowa;
2 — bęben obrotowy; 3 — silnik elektryczny napędzający; 4 — przekładnia mechaniczna
Dodatkową zaletą podgrzewaczy regeneracyjnych jest omywanie powierzchni wymiany ciepła na przemian strumieniem spalin i powietrza, co utrudnia osadzanie się na tych powierzchniach wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń.
Podgrzewacze regeneracyjne stosowane są obecnie bardzo często w dużych kotłach głównych (np. kotłach typów UFR i UFG japońskiej firmy Kawasaki, kotłach produkowanych w Stanach Zjednoczonych, Szwecji itp.). Powierzchnie wymiany ciepła pokrywane są w nich specjalnymi powłokami ceramicznymi lub są wykonywane z płyt ceramicznych. Polepsza to proces regeneracji i pozwala znacznie obniżyć temperaturę spalin odlotowych z kotła, a tym samym zwiększyć jego sprawność.
Eksploatacja tak wykonanych regeneracyjnych podgrzewaczy powietrza, znanych pod nazwą podgrzewaczy Ljungstroma, przy spalaniu w kotłach paliwa o dużej nawet zawartości siarki (3—3,5%) wykazała, że praktycznie nie ulegają one korozji. Wadą podgrzewaczy tego typu jest konieczność stosowania napędu, który — choć niewielkiej mocy (ok. 2—3 kW przy D = 50 t/h), może powodować kłopoty w eksploatacji kotła z powodu niekorzystnych warunków, w jakich musi pracować silnik elektryczny (utrudnione smarowanie i chłodzenie). Inną wadą jest możliwość przecieków podawanego do spalania powietrza na stronę strumienia spalin. W dobrych wykonaniach są one jednak nieznaczne i dochodzą do 10% ilości powietrza, co nie wpływa w jakiś decydujący sposób na eksploatację kotła i jego sprawność. W przypadku stosowania w urządzeniach kotłowych podgrzewacza parowego (lub rzadziej wodnego) składa się on z szeregu rurek, na które naciągnięte są prostokątne kołnierze, jak na rys. 6.51. Para o ciśnieniu ok. 0,295—0,393 MN/m2 (3—4 kG/cm2) [wyjątkowo ciśnienie pary może być wyższe i dochodzić do 0,688—0,786 MN/m2 (7—8 kG/cm2)] przechodzi wewnątrz pęków rurek.
Rys. 6.51. Element parowego podgrzewacza powietrza
Ogrzewane powietrze omywa rurki z zewnątrz. Dzięki licznym kołnierzom powierzchnia wymiany ciepła jest duża w stosunku do objętości zajmowanej przez podgrzewacz.
6.6.2. Wewnątrzkotłowe podgrzewacze wody zasilającej.
Wewnątrzkotłowe podgrzewacze wady zasilającej (zwane też ekonomizerami) mogą składać się z pęków spiralnie ułożonych rur wspawanych swymi końcami w kolektory.
Przykład takiego rozwiązania podgrzewacza z gładkimi rurami pokazano na rys. 6.52. W podgrzewaczu tym woda dostaje się do skrajnej lewej sekcji górnego kolektora przez króciec dolotowy l, skąd pękiem spiralnie ułożonych rur spływa w dół. Po dostaniu się do skrajnej lewej sekcji kolektora dolnego woda unosi się ku górze rurą wzniosową 5. Proces ten powtarza się trzykrotnie i podgrzana do odpowiedniej temperatury woda wydostaje się na zewnątrz przez króciec 2. Przegrody 3 służą do oddzielania poszczególnych sekcji w kolektorach, kurki 4 — do odpowietrzenia, a kurki 6 — do spuszczenia wody z podgrzewacza w czasie remontów lub przeglądów.
W celu powiększenia powierzchni wymiany ciepła stosowane są nakładki na rury podgrzewaczy wody (rys. 6.53). W rozwiązaniu tym na rury stalowe nasuwane są kołnierze wykonane najczęściej jako odlewy żeliwne lub stalowe.
Rys. 6.52. Wewnątrzkotłowy podgrzewacz wody zasilającej; l — króciec dolotowy; 2 — króciec odlotowy; 3 — przegrody; 4 — kurki odpowietrzające; 5 — rury wzniosowe; 6 — kurki spustowe
Przedstawiony szkicowo, na rys. 8.17 podgrzewacz (poz. 7, 8, 9) pracuje przy ciśnieniu roboczym wody wynoszącym 7,858 MN/m2 (80 kG/cm2). Maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze wynosi 9,429 MN/m2 (96 kG/ /cm2), a próbne ciśnienie hydrauliczne — 18,934 MN/m2 (193 kG/cm2). Podgrzewacz umieszczony jest w kotle o ciśnieniu roboczym wynoszącym 6,092 MN/m2 (62 kG/cm2), wydajności nominalnej 36 t/h i maksymalnej 50 t/h. Prędkości wody w podgrzewaczu pierwszej sekcji wynoszą: dla wydajności nominalnej — l m/s i dla maksymalnej 1,3 m/s, dla sekcji dalszych odpowiednio: 1,56 -m/s i 2,2 m/s.
Przy niższych ciśnieniach pary roboczej [ < 3,934 MN/m2 (40 kG/cm2)] rury podgrzewaczy wykonuje się jako odlewy żeliwne, jednak rury tego typu są znacznie cięższe od wyżej omówionych.
Rys. 6.53. Wewnątrzkotłowy podgrzewacz wody zasilającej l — rura; 2 — nakładka; 3 — pierścienie usztywniające; 4 — kolanko
Prędkość przepływu wody w rurach podgrzewacza wynosi od 0,3 do 1,5 m/s. Prędkość mniejsza od dolnej granicy podanej wartości sprzyja powstawaniu korozji tlenowej wewnątrz podgrzewacza, przy jednoczesnym utrudnieniu odpowietrzenia wody wskutek zwolnienia odpływu wydzielanego przy podgrzewaniu powietrza. Natomiast przy prędkościach większych od 1,5 m/s wzrastają znacznie opory przepływu przez rury podgrzewacza wody wskutek zmiany kierunku tego przepływu.
6.6.3. Przegrzewacze pary.
W kotłach płomieniówkowych, gdzie temperatura przegrzania pary dochodzi do 300—320°C, stosowane są najczęściej przegrzewacze typu Schmidta. Składają się one z minimum dwóch kolektorów zbiorczych pary nasyconej i przegrzanej oraz z szeregu rurek włączonych równolegle do tych kolektorów.
Rys. 6.54. Przegrzewacz pary typu Schmidta; 1 — kolektor pary nasyconej; 2 — kolektor pary przegrzane]; 3 — ściana sitowa komory zwrotnej; 4 — dennica przednia; 5 — płomieniówka; 6 — rurka przegrzewacza; 7 — końcówka pętli przegrzewacza
Rurki przegrzewacza wkładane są do wnętrza płomieniówek, gdzie następuje wymiana ciepła między gorącymi spalinami a parą płynącą przez rurki przegrzewacza (częściowo w przeciwprądzie, a częściowo we współprądzie z gazami).
Na rys. 6.54 przedstawiono przegrzewacz pary typu Schmidta. Kolektory — dolotowy pary nasyconej l i odlotowy pary przegrzanej 2 — umieszczone są na przedniej dennicy kotła 4. W płomieniówkach 5 znajdują się odpowiednio ukształtowane segmenty przegrzewacza 6. Segment składa się z rurek i odkutych lub lanych staliwnych końcówek 7, przy-spawanych do rurek przegrzewacza.
Aby zwiększyć temperaturę pary przegrzanej, umieszcza się w niektórych rozwiązaniach konstrukcyjnych kotłów płomieniówkowych przegrzewacze pary w komorach zwrotnych (rys. 6.55). Kolektory zbiorcze pary nasyconej 5 i przegrzanej 6 umieszczone są poziomo, a jeden segment rurek ukształtowany jest, jak pokazano na rys. 6.55.
Rys. 6.55. Przegrzewacz pary w komorze zwrotnej l — rurki przegrzewacza; 2 — płomieniówki; 3 — uchwyty wykonane z wygiętych rurek przegrzewacza; i — rura mocująca; 5 — kolektory pary nasyconej; 6 — kolektor pary przegrzanej
Segmenty przegrzewacza zawieszone są za pomocą wygiętych w kształcie haka rurek 3 na rurze mocującej 4. Rura ta jest chłodzona przepływającą wewnątrz wodą i dzięki temu nie nagrzewa się i nie odkształca pod ciężarem zawieszonych na niej sekcji przegrzewacza.
W kotłach kombinowanych (typu Howden-Johnson lub Capus-Prud-hon) przegrzewacze zawieszane są z reguły w komorze zwrotnej, przy czym w kotłach Howden-Johnson mogą być one umieszczone bądź między tylną dennicą walczaka a opłomkami (rys. 6.56), bądź też na zewnątrz opłomek.
W kotłach wodnorurkowych starszych rozwiązań przegrzewacze pary umieszczone były między rurkami konwekcyjnymi lub za nimi. Najczęściej przegrzewacze składały się z dwóch kolektorów z wewnętrznymi przegrodami oraz pętlic rurek zamocowanych (zaspawanych lub zawalcowanych) w kolektorach. Dzięki przegrodom przepływ pary przez rurki był wielokrotny, co podnosiło efektywność wymiany ciepła.
Rys. 6.56. Przegrzewacz pary w kotłach kombinowanych: a) kocioł Capus; b) kocioł Howden-Johnson
Typowe rozmieszczenie rurek przegrzewaczy pary w kotłach wodnorurkowych przedstawione jest na rys. 3.22 i rys. 3.23 (kotły sekcyjne) oraz rys. 3.24—3.27(kotły stromorurkowe).
W nowoczesnych, wysokociśnieniowych najczęściej dwuprzepływowych kotłach wodnorurkowych spotyka się najczęściej rozwiązania przegrzewacza pary podobne do przedstawionych na rys. 3.21d, 3.24c, 3.34 i 3.35.
Przegrzewacz taki składa się z wielu pęków rur wypełniających całą komorę spalania umieszczoną najczęściej na drodze drugiego przepływu spalin.
Prędkość przepływu pary przez rurki przegrzewaczy nie powinna być mniejsza od 10 m/s i na ogół wynosi od 15 m/s do 25 m/s.
6.7. Ochładzacze pary.
Ochładzaczami pary nazywają się urządzenia, które służą do obniżenia temperatury pary przegrzanej pobieranej z kotła. Obniżenie temperatury pary może być połączone z obniżeniem ciśnienia pary lub może przebiegać bez zmiany tego ciśnienia.
W okrętowych siłowniach parowych obniżenie temperatury pary przegrzanej stosuje się głównie w jednym z następujących celów:
do regulacji temperatury pary przegrzanej pobieranej z kotła, np. do napędu turbiny głównej itp.,
przy zasilaniu odbiorników pomocniczych, których temperatura pary nie może być zbyt wysoka.
Pierwsze z podanych zastosowań, tj. regulacja temperatury pary przegrzanej, tzw. świeżej, jest szczególnie istotne w warunkach nieustalonej pracy siłowni (np. podczas manewrów, przy jeździe z ograniczoną prędkością, jeździe we mgle itp.).
W drugim zastosowaniu do odbiorników pomocniczych należy zaliczyć:
urządzenia bezpośredniej obsługi kotła (np. palniki, podgrzewacze paliwa kotłowego przed palnikami itp.),
maszyny i urządzenia pomocnicze nie związane bezpośrednio z obsługą kotłów (np. mechanizmy pokładowe, wyparowniki, uszczelnienia parą turbin głównych i pomocniczych itp.).
Zasadniczo w skład wyposażenia kotła wchodzą najczęściej jedynie ochładzacze, tzw. wewnątrzkotłowe, służące do regulacji temperatury pary przegrzanej („świeżej”) oraz do obniżenia temperatury pary zasilającej urządzenia bezpośredniej obsługi kotła. Oba rodzaje ochładzaczy są to prawie wyłącznie ochładzacze wewnątrzkotłowe.
Rys. 6.57. Zawór ochładzający firmy Siemens; 1 — trzon zaworu z grzybkiem; 2 — kanał doprowadzający wodę;
Ochładzanie pary do zasilania maszyn i urządzeń pomocniczych odbywa się zasadniczo poza kotłem i wchodzi w zakres działania instalacji parowej siłowni, jednakże urządzenia ochładzające umieszczone są często bezpośrednio przy kotle parowym i dlatego w tym opracowaniu umieszczono ich szkice i krótkie opisy informacyjne.
Ochładzacze omawianego typu są to głównie ochładzacze z wtryskiem wody bezpośrednio do pary przegrzanej. Może to być zarówno woda zasilająca, jak i kondensat.
Istnieją rozmaite rozwiązania konstrukcyjne ochładzaczy wtryskowych. Jednym z nich — dość powszechnie spotykanym — jest tzw. zawór ochładzający (rys. 6.57). Zawór ten ma wokół wprasowanego w korpus gniazda kanał 2, do którego doprowadzona jest woda zasilająca (lub kondensat) przewodem prostopadłym do płaszczyzny opisywanego rysunku. Z kanału 2 woda przedostaje się do przepływającego pod grzybkiem 1 strumienia pary przez niewielkie otworki umieszczone na obwodzie gniazda. Siatka 3 wstawiana nad zaworem służy do dokładnego wymieszania pary z wodą ochładzającą, a tym samym do szybszej i lepszej wymiany ciepła.
W kotłach płomieniówkowych o dużej objętości wodnej ochładzacze pary zawieszone są w postaci wężownic pomiędzy płomieniówkami. Są one całkowicie zanurzone w wodzie kotłowej, której temperatura (zwłaszcza w dolnych warstwach) jest znacznie niższa niż temperatura pary przegrzanej podawanej do kolektora dolotowego ochładzacza.
Wężownice ochładzacza mocowane są do płomieniówek oraz do ściągów kotwicznych (rys. 6.58). W kotłach wodnorurkowych, zwłaszcza nowszego typu, wysokociśnieniowych i o dużej wydajności, służących za kotły główne w siłowniach turbinowych można spotkać dwa rodzaje wewnątrzkotłowych ochładzaczy pary przegrzanej. Oba — podobnie jak przedstawiono na rys. 6.58 — zanurzone są całkowicie w wodzie wewnątrz walczaka i dzięki temu ciepło oddawane z ochładzanej pary nie jest tracone w cieplnym bilansie kotła, gdyż podgrzewa ono wodę w walczaku parowo-wodnym.
Ochładzacz przedstawiony na rys. 6.59 służy za regulator temperatury pary przegrzanej. Para przegrzana z pierwszego stopnia przegrzewacza (por. rys. 3.34) dostaje się do zamocowanego wewnątrz walczaka parowo-wodnego ochładzacza rurami l i 2, a następnie przepływa przez kolektor zwrotny 3 i dostaje się do głowicy dolotowej 4. W głowicy znajdują się 73 rurki 5. Są one z jednej strony rozwalcowane wstępnie w ścianie sitowej głowicy i zaspawane z drugiej strony, jak przedstawiono na przekroju głowicy.
Podczas przepływu przez rurki 5 para przegrzana ochładza się, a następnie zbiera w komorze głowicy wylotowej, skąd odprowadzana jest na zewnątrz walczaka.
Rys. 6.58. Ochładzacz pary w kotle płomieniówkowym
Rys.6.59. Ochładzacz pary przegrzanej wysokociśnieniowego kotła membranowego produkcji HWD Kiel (RFN) 1,2,6 - rury; 4 - głowica; 5 - rurki ochładzacza; 7 - tarcze mocujące;
Rys. 6.60. Ochładzacz pary umieszczony w górnym walczaku kotła firmy Kieler-Howałdtswerke A. G. a) przekrój; b) schemat poprzeczny ochładzacza l — kolektor dolotowy pary przegrzanej; 2 — kolektor odlotowy pary ochłodzonej; 3 — rurki ochładzacza; 4 — przegrody podtrzymujące
Przy średnicy wewnętrznej walczaka wynoszącej 1500 mm i jego długości równej 7500 mm oraz wydajności kotła 36 t/h i parametrach: ciśnienie 6,092 MN/m2 (62 kG/cm2) i temperatura 515°C, średnica zewnętrzna rurek ochładzacza wynosi 21,3 mm, grubość ścianek 2,9 mm, a długość rurek między dwiema ścianami sitowymi 3990 mm.
Wymiary poszczególnych części ochładzacza są tak dobrane, aby można je było swobodnie wkładać do walczaka przez włazy, a następnie wewnątrz zamontować.
Ochładzacz wykonany jest z rur stalowych i zamocowany wewnątrz walczaka dwoma uchwytami nie przedstawionymi na rys. 6.59. Rurki na swej długości są dwukrotnie uchwycone tarczami z blachy z wywierconymi otworami w celu usztywnienia konstrukcji. Podczas montażu tarcze te 7 mocowane są do konstrukcji walczaka parowo-wodnego.
Dolot i odlot pary z zewnątrz odbywa się przez odpowiednie króćce wspawane w korpus walczaka.
Inne rozwiązanie konstrukcyjne wewnątrzkotłowego ochładzacza pary przedstawiono na rys. 6.60. Ochładzacz składa się z dwóch kolektorów l i 2 połączonych trzema wężownicami z rurek ochładzacza 3. Spotyka się również rozwiązania z jedną lub dwoma wężownicami.
Ochładzacze tego typu stosowane są najczęściej w celu obniżenia temperatury pary, która następnie — po obniżeniu ciśnienia w zaworze redukcyjnym — służy do zasilania palników kotłowych lub podgrzewania paliwa przed podawaniem do palników.
7. URZĄDZENIA DO OPALANIA KOTŁÓW.
Przez pojęcie „urządzenia do opalania kotłów" rozumie się zespół maszyn, urządzeń oraz instalacji rurociągów służących do przyjmowania na statek paliwa, jego przechowywania, przygotowania do spalania i wreszcie podawania do komory paleniskowej, w której następuje spalenie w celu uzyskania energii cieplnej.
7.1. Paliwa stosowane do opalania kotłów oraz sposoby przygotowania paliw do spalania na statkach.
Do opalania kotłów okrętowych można stosować:
paliwa stałe,
paliwa płynne,
paliwa lotne, czyli gazowe.
Węgiel, czyli paliwo stałe, spalany był w kotłach okrętowych na paleniskach rusztowych z ręcznym zarzucaniem. Próby zmechanizowania obsługi opalania kotłów okrętowych na paliwo stałe były sporadyczne i w praktyce się nie przyjęły. Podobnie nie przyjęły się próby opalania kotłów okrętowych pyłem węglowym głównie z powodu dużej masy młynów mielących węgiel na pył o wymiarach ziaren rzędu 100 μm.
Stosowanie węgla pociągało za sobą konieczność posiadania dużych objętościowo zasobni węglowych na statkach, zatrudnienia dużej liczby palaczy i trymerów oraz instalowania urządzeń do usuwania popiołów i szlaki z kotłowni (masa węgla spalanego na dobę przez jeden kocioł płomieniówkowy o wydajności ok. 10 t/h pary wynosiła 10—15 t).
Obecnie prawie wyłącznie stosuje się na statkach do opalania kotłów parowych, zarówno głównych jak i pomocniczych, paliwo płynne. Są to
różnego rodzaju oleje opałowe będące destylatami lub mieszaninami pozostałości z frakcji olejowych otrzymywanych z rop naftowych lub innych surowców węglowodorowych (np. smoły, łupki bitumiczne). Według Polskich Norm rozróżnia się trzy rodzaje olejów opałowych, oznaczonych cyframi l, 2, 3.
Inne podziały opierają się na pochodzeniu oleju (np. ze smoły węgla brunatnego, ze smoły węgla kamiennego, z ropy naftowej).
Podział według wielkości cząsteczek:
oleje destylacyjne — cząsteczki ok. 10-6 mm,
oleje pozostałościowe — cząsteczki ok. 100—500x10-6 mm,
Podział według gęstości lub zawartości siarki:
olej bunkrowy A — lekki ≤ 1,8% S,
olej bunkrowy B — średni ≤ 2,0% S,
olej bunkrowy C — ciężki ≤ 3,0% S,
olej bunkrowy D — bardzo ciężki ≤ 4,0% S.
Wymagania szczegółowe dotyczące olejów opałowych objęte są normą PN-58/C-96024 Pozostałości po koksowaniu określa się jak dla paliw stałych według testu Conradsona, a temperaturę zapłonu w aparacie Marcussona.
Bardzo ważne dla paliw płynnych jest badanie lepkości w zależności od temperatury; krzywa lepkości służy do charakteryzowania danego oleju opałowego. Próbki paliw ciekłych pobiera się zgodnie z PN-61/C-04000.
Oleje opałowe stosowane do opalania głównych okrętowych kotłów parowych w czasie normalnej pracy są olejami ciężkimi. Do rozpalania kotłów głównych oraz do opalania kotłów pomocniczych wolnostojących stosuje się oleje opałowe lekkie.
Na statkach z głównym silnikiem spalinowym i spalinowymi zespołami prądotwórczymi do opalania kotłów pomocniczych stosuje się nieraz, dla wygody, te same gatunki paliwa co dla silników, a więc odpowiednio oleje ciężkie i oleje napędowe.
W olejach opałowych znajdują się głównie następujące pierwiastki chemiczne: węgiel, wodór, tlen, azot, siarka. Skład chemiczny oleju opałowego typu Bunkier C przedstawia się następująco:
węgiel — 87,75% udziału masowego;
wodór — 10,50% udziału masowego;
siarka — 1,20% udziału masowego;
tlen — 0,40% udziału masowego;
azot — 0,15% udziału masowego;
Wartość opałowa tego paliwa wynosi 40727 k J/kg (9720 kcal/kg). Cechami charakterystycznymi paliw ciekłych są: ciepło spalania i wartość opałowa, liczba cetanowa, wskaźnik zapłonności i lotności oraz zawartość siarki.
Bardziej szczegółowe omówienie tych wartości w odniesieniu do paliw stosowanych na statkach znajduje się w książce P. Urbańskiego pt. Paliwa, smary i woda dla statków morskich wydanej nakładem Wydawnictwa Morskiego w Gdańsku w 1976 roku.
Zadaniem okrętowej instalacji paliwowej jest przyjmowanie paliwa (jednego lub więcej rodzajów w zależności od potrzeb techniczno-eksploatacyjnych siłowni) na statek, jego przechowywanie, a następnie dostarczanie do spalania z jednoczesnym przygotowaniem, qo w praktyce oznacza usunięcie zanieczyszczeń szkodliwie wpływających bądź na elementy urządzenia do spalania, bądź na sam proces spalania, oraz podawanie do spalania paliwa o najkorzystniejszej lepkości.
Rys. 7.1. Schemat okrętowej instalacji paliwa kotłowego l — zbiorniki główne oleju opałowego ciężkiego; 2 — zbiorniki rozchodowe; 3 — zbiornik oleju opałowego lekkiego; 4 — kotły główne; 5 — Końcówka pokładowa przyjmowania paliwa na statek; 6 — filtr wstępny oleju ciężkiego; 7 — wstępna pompa transportowa oleju ciężkiego; 8 — skrzynka zaworowa; 9 — pompa transportowa oleju ciężkiego; 10 — podwójne filtry na przewodzie ssawnym; 11 — pompy paliwowe; 12 — podgrzewacz oleju ciężkiego; 13 — podwójne filtry na przewodzie tłocznym; 14 — wiskozymetr; 15 — zawór regulacyjny; 16 — końcówka pokładowa przyjmowania oleju lekkiego; 17 — filtr wstępny oleju lekkiego; 18 — pompa transportowa oleju lekkiego; 19 — filtr oleju lekkiego; 20 — pompa oleju lekkiego; 21 — rurociąg przelewowy oleju ciężkiego; 22 — rurociąg przelewowy oleju lekkiego; 23 — rurociąg dodatkowy; 24 — rurociąg grzewczy zbiorników głównych; 25 — rurociąg grzewczy zbiorników rozchodowych; 26 — element grzewczy podgrzewaczy oleju ciężkiego; 27 — główny rurociąg pary grzewczej; 28 — palniki kotłowe;
Uproszczony schemat okrętowej instalacji paliwowej przedstawiono na rys. 7.1. Ciężki olej opałowy pobierany jest przez końcówkę 5 umieszczoną na pokładzie statku. Olej musi być podawany do głównych zbiorników paliwowych statku bądź za pomocą pomp zewnętrznych, bądź za pomocą własnej pompy 7 przez wstępny filtr 6, gdzie następuje wstępne oczyszczenie dostarczanego oleju.
Przed przepompowaniem oleju ciężkiego pompą transportową 9 olej jest podgrzewany wstępnie w zbiornikach głównych parą przepływającą przez spirale grzewcze rurociągu 24. Temperatura podgrzania oleju w zbiornikach głównych (zwłaszcza w okolicy króćca ssawnego pompy transportowej) dochodzi do 30°C.
Pompa transportowa ciężkiego oleju opałowego to najczęściej pompa śrubowa napędzana silnikiem elektrycznym. Niekiedy stosowane są również pompy zębate.
Zbiorniki rozchodowe 2 powinny mieć taką pojemność, aby paliwa wystarczyło co najmniej na 12 h pracy kotłów przy maksymalnej wydajności.
Paliwo płynne podawane do wnętrza komory paleniskowej musi być rozpylone na bardzo drobne kropelki, a dobre rozpylenie ciężkiego oleju opałowego możliwe jest tylko po podgrzaniu go do temperatury, przy której lepkość oleju zawiera się w granicach 2—4°E. Szerzej zagadnienie to jest opisane w rozdz. 12.4.4 (por. również rys. 12.10, rys. 12.11 i rys. 12.12).
Spalanie nie oczyszczonego paliwa płynnego w kotłach nie powoduje aż tak szkodliwych następstw, jak spalanie w okrętowych silnikach spalinowych, jednakże jest kłopotliwe ze względu na konieczność częstej wymiany i czyszczenia dysz palników. Zanieczyszczenia typu mechanicznego powodują bowiem zatykanie się otworów w dyszach palników, które objawia się przerywaną pracą, pulsacją itp. Natomiast zbyt duża zawartość wody w paliwie prowadzi do powstawania koksu na końcówkach dysz i pogorszenie rozpylania paliwa, pojawienie się syczenia, trzasków i okresowego gaśnięcia płomienia.
Biorąc pod uwagę powyższe fakty, paliwo płynne przed podaniem do palników kotłowych należy wstępnie obrobić. Obróbka ta polega na podgrzaniu oleju ciężkiego do odpowiedniej temperatury umożliwiającej drobne rozpylenie oraz na dokładnym filtrowaniu.
Podgrzewanie paliwa realizowane jest zarówno w zbiornikach rozchodowych 2 (do temperatury 40—60°C), jak i następnie w specjalnych podgrzewaczach 12 parą o ciśnieniu rzędu 0,2—0,3 MN/m2 (2—3 kG/cm3). Najczęściej w siłowni okrętowej jest to para odlotowa z maszyn i urządzeń pomocniczych.
Oczyszczanie paliwa następuje w dwóch podwójnych filtrach siatkowych: w jednym 10 na ssaniu pompy paliwowej H, w drugim 12 na przewodzie tłoczącym już poza podgrzewaczem oleju. Zarówno pompy, jak i podgrzewacze oraz filtry są zdwojone i istnieje możliwość swobodnego i dowolnego ich przełączania w czasie pracy.
O ile filtr wstępny 6, przez który przepływa stosunkowo chłodny i gęsty olej ciężki jest filtrem zgrubnym i ma siatkę drucianą o liczbie otworów ok. 16 na l cm2, o tyle filtry dokładne 10 i 13, oczyszczające olej znacznie podgrzany, mają tych oczek 100—150 / cm2.
Stopień podgrzania oleju ciężkiego jest zazwyczaj regulowany automatycznie. Pomiar lepkości podgrzanego oleju odbywa się w wiskozymetrze 14. Z wiskoz umetru impuls sterowniczy ustala stopień otwarcia zaworu regulacyjnego 15. Zmiana ilości przepływającej przez podgrzewacz pary grzewczej decyduje o końcowej temperaturze ciężkiego oleju opałowego.
Dla rozpalania kotłów stosuje się olej opałowy lekki nie wymagający podgrzewania. Na instalację oleju lekkiego składają się: filtr 17, pompa 18, zbiornik 3 oraz filtr 19 i pompa oleju lekkiego 20.
W latach 70-tych zostało wprowadzone nowe paliwo do opalania kotłów okrętowych. Paliwem tym jest gaz ziemny.
Gaz ziemny — podobnie jak ropa naftowa — jest paliwem naturalnym powstałym z rozkładu szczątków organicznych w wodach morskich. Najczęściej występuje on wspólnie ze złożami ropy naftowej, może jednak występować również oddzielnie.
Gaz ziemny składa się głównie z węglowodorów parafinowych z dużą przewagą metanu (CH4). Jednakże skład gazów ziemnych jest bardzo zróżnicowany w zależności od miejsca jego występowania. Oprócz metanu występuje jeszcze etan, propan, butan, pentan, heksan i heptan.
Gazy ziemne zawierające cięższe węglowodory (od pentanu w dół) nazywają się gazami „mokrymi", natomiast te, które tych węglowodorów nie zawierają wcale lub bardzo tylko niewielkie ilości, określa się jako gazy „suche".
Ponieważ gaz ziemny składa się głównie z metanu (od 70 do 99,5%), jego własności chemiczne i techniczne decydują o własnościach gazu ziemnego.
Metan jest gazem bezbarwnym, bezwonnym i nietoksycznym. Wdychany w dużych ilościach działa dusząco, natomiast przy małych stężeniach działa znieczulająco. Pali się błękitnym płomieniem i daje się mieszać we wszystkich proporcjach z olejami mineralnymi. Jest chemicznie obojętny w stosunku do okrętowych materiałów konstrukcyjnych.
Wartość opałowa czystego metanu wynosi 49 861 kJ/kg (11 900 kcal/kg) [35824 kJ/m3 (8550 kcal/m3)]. Wartości opałowe gazów ziemnych zależą od ich składu chemicznego. Tak więc zazwyczaj gazy „mokre" mają wartość opałową wyższą od czystego metanu, gazy ziemne „suche" — wartości opałowe niższe od czystego metanu.
Spaliny powstające ze spalania gazu ziemnego zawierają dość duże ilości pary wodnej i są praktycznie pozbawione składników szkodliwych dla naturalnego środowiska ludzkiego. Wpływa na to głównie brak w gazie ziemnym takich składników jak siarka.
Ważną własnością techniczną gazu ziemnego są jego granice wybuchowości. Przykładowo dla czystego metanu granicami tymi jest mieszanina metanu z powietrzem o stężeniu objętościowym metanu od 5,3% do 14%. Granice wybuchowości ulegają zmniejszeniu, jeżeli do powietrza dodany jest gaz obojętny (dwutlenek węgla CO2 lub azot N2). W normalnych warunkach przed wybuchem zabezpiecza udział w powietrzu 24% objętości CO2 lub 38% N2.
Rys. 7.2. Granice wybuchowości metanu w mieszaninie dwutlenku i azotu z powietrzem; ///////// - obszar wybuchowy metanu w mieszaninie dwutlenku węgla z powietrzem.
Na rys. 7.2 pokazano granice wybuchowości metanu w mieszaninach dwutlenku węgla i azotu z powietrzem. Przy mieszaninie czystego powietrza z metanem zakres wybuchowości mieszaniny zawiera się od punktu A (5,3% metanu) do punktu B (14% metanu).
Przy zawartości 10% CO2 w powietrzu zakres wybuchowości zawarty jest w granicach od punktu C (6% metanu) do punktu D (11,2% metanu), natomiast przy zawartości CO2 w powietrzu 24% żaden stosunek objętościowy metanu w mieszaninie nie przekracza obszaru wybuchowości (prosta E—F), co zachodzi również przy zwiększającej się zawartości azotu w powietrzu. Zastosowanie gazu ziemnego jako paliwa dla kotłów okrętowych (oraz dla głównych okrętowych silników spalinowych) zostało spowodowane specyficznymi warunkami technicznymi towarzyszącymi transportowaniu skroplonych gazów ziemnych morzem. Skroplony gaz ziemny należy do ładunków morskich o najbardziej skomplikowanym technicznie sposobie transportu. Ze względu na niską temperaturę krytyczną nie może on być transportowany w zbiornikach ciśnieniowych w temperaturze otoczenia; przewozi się go w postaci skroplonej w bardzo niskich temperaturach. Temperatury te zależą od stosowanego w zbiornikach statków ciśnienia i dochodzą w przypadku zbiorników bezciśnieniowych do wartości —165°C. Podczas przewozu gazu do zbiorników — mimo stosowanej izolacji — przedostają się pewne ilości ciepła, co powoduje częściowe odparowywanie ciekłego gazu ziemnego, czyli LNG (Liquefied Natural Gas). Ilość powstających par LNG jest zmienna w czasie i zależna od temperatury otoczenia oraz waha się przy stosowanych obecnie rodzajach instalacji zbiornikowców w granicach 0,20—0,25% całkowitej objętości ładunku w ciąga doby.
Pary przewożonego LNG mogą być:
usuwane do otaczającej atmosfery,
skraplane i ponownie włączane do ładunku,
skraplane w silnikach napędowych statku jako paliwo.
Ciągłe usuwanie par do atmosfery nie wchodzi w grę zarówno ze względów ekonomicznych (wysoki koszt gazu), jak i ze względu na bezpieczeństwo (możliwość tworzenia mieszanki wybuchowej).
Usuwanie par do atmosfery — po uprzednim spalaniu w specjalnych palnikach — stosuje się jedynie w pewnych, szczególnych okresach eksploatacji statku. Skraplanie par i ponowne ich włączenie do ładunku wymaga skomplikowanych i drogich zarówno w budowie, jak i eksploatacji urządzeń i wskutek tego — mimo znacznie wyższej ceny gazu ziemnego niż płynnego paliwa — najczęściej stosuje się spalanie par przewożonego ładunku LNG w silnikach napędowych statku.
Pary gazu ziemnego spala się obecnie zarówno w wysokoprężnych silnikach spalinowych, jak i w kotłach głównych siłowni turbinowych (ewentualnie kotłach pomocniczych siłowni spalinowych). Mogą być one spalane również w komorach spalania turbin gazowych.
Parujący w zbiornikach skroplony gaz ziemny jest przed podaniem do kotła sprężany do ciśnienia ok. 0,3 MN/m2 (w 3 kG/cm2) i podgrzewany do temperatury otoczenia.
Na zbiornikowcach do przewozu płynnego gazu ziemnego ilość odparowywanego gazu pokrywa 50—90% istniejącego zapotrzebowania na paliwo potrzebne do spalania w kotłach głównych statku. Stopień zaspokajania zapotrzebowania jest zmienny i zależy zarówno od warunków zewnętrznych (temperatura otoczenia itp.), jak i od sytuacji eksploatacyjnej siłowni (jazda pełną mocą, jazda ze zmniejszoną mocą przy ograniczeniu prędkości itp.).
Ponieważ gaz należy spalać w kotle zawsze w takiej ilości, jaka aktualnie odparowuje, a ilość ta jest zmienna, kotły okrętowe przystosowane do spalania par gazu ziemnego muszą być wyposażone w palniki przystosowane do jednoczesnego spalania paliwa gazowego i płynnego, czyli palniki dwupaliwowe (por. rozdz. 7.2.4). Wspólnego spalania w kotłach okrętowych paliwa gazowego z ciekłym wymagają również przepisy instytucji klasyfikacyjnych. Ciągłe zasilanie palnika dwupaliwowego podczas pracy paliwem płynnym zapewnia właściwą równomierność procesu spalania oraz zwiększa intensywność promieniowania cieplnego.
Wzajemny stosunek procentowy spalonego w kotle paliwa gazowego i płynnego jest zmienny w czasie procesu roboczego kotła. Ilość spalonego paliwa gazowego zależy od ilości aktualnie tworzących się par gazu ziemnego, natomiast ilość spalanego paliwa płynnego jest automatycznie regulowana w zależności od wydajności kotła.
Szczególna sytuacja występuje podczas manewrów statku oraz podczas postoju w portach czy na redach. Wtedy najczęściej — ze względu głównie na wymagania instytucji klasyfikacyjnych — stosuje się spalanie wyłącznie paliwa płynnego.
Ponieważ parowanie ładunku odbywa się w sposób ciągły, niezależnie od zapotrzebowania na dostarczaną do kotłów energię cieplną często może zaistnieć sytuacja, że aktualne zapotrzebowanie na paliwo gazowe (nie tylko podczas manewrów i postoju, ale również przy zmniejszonej prędkości statku) jest mniejsze od równocześnie parującego. W takim wypadku jedynym wyjściem jest powrotne skroplenie gazu lub — po spaleniu we wspomnianym uprzednio specjalnym palniku — usunięcie go do wolnej atmosfery.
7.2.Palniki okrętowych kotłów parowych.
Urządzenia do spalania płynnego paliwa składają się z dwóch głównych części:
palnika, którego zasadniczym celem jest doprowadzenie paliwa do miejsca, gdzie ulega ono spaleniu, oraz możliwie dokładne rozpylenie tegoż paliwa;
urządzenia podającego w odpowiedni sposób i w odpowiedniej ilości powietrze, konieczne do spalenia danej ilości paliwa; powietrze musi mieć możliwość jak najdokładniejszego wymieszania się z rozpylonym uprzednio paliwem.
Rys. 7.3. Schemat urządzenia do spalania płynnego paliwa l — łopatki kierujące powietrzem; 2 — obudowa; 3 — głowica rozpylająca; 4 — dyfuzor
W urządzeniu do spalania płynnego paliwa (rys. 7.3) potrzebne do spalania powietrze doprowadzone jest do łopatek l, które (ustawione pod odpowiednim kątem) wprawiają powietrze w ruch wirowy. Specjalnie ukształtowany kanał zmienia kierunek zawirowanego uprzednio powietrza tak, że wchodzi ono do obszaru spalania wstępującym ruchem śrubowym, będącym wypadkową dwóch ruchów obrotowego — nadanego przez łopatki — oraz wynikającego z kształtu kanału (droga powietrza
oznaczona liniami ciągłymi, droga paliwa — liniami przerywanymi). W tym czasie paliwo podane przez pompę do palnika zostaje rozpylone przez głowicę 3 i tworzy stożek. Obudowa 2, wykonana z ogniotrwałego materiału, powinna być tak ukształtowana, aby obejmowała możliwie dokładnie stożek rozpylonego paliwa.
Jeżeli palnik ma w dość dużym zakresie możliwości regulacji ilości spalanego paliwa, powstają trudności z takim ukształtowaniem obudowy, aby jej kąt zgadzał się z kątem stożka utworzonego przez rozpylone paliwo, bowiem w czasie regulacji następuje zmiana tego kąta. Promieniowo usytuowane podłużne otwory chronią przed szkodliwą pulsacją powietrza przy dużych prędkościach oraz zabezpieczają przed odrywaniem się płomienia od palnika.
Urządzenia do spalania paliw płynnych — ze względu na ich cechy konstrukcyjno-eksploatacyjne — dzielą się na:
palniki z rozpylaniem mechanicznym,
palniki obrotowe,
palniki z rozpylaniem parowym,
palniki z rozpylaniem powietrznym.
7.2.1. Palniki z rozpylaniem mechanicznym.
Palniki z rozpylaniem mechanicznym paliwa są najbardziej rozpowszechnione w okrętowych instalacjach kotłowych. Szerokie zastosowanie zawdzięczają przede wszystkim swojej prostej budowie i dużej niezawodności pracy. Wydajność palników z rozpylaniem mechanicznym dochodzi do 2000 kg/h.
Zasada działania palnika tego typu polega na tym, że paliwo, uprzednio podgrzane do takiej temperatury, aby jego lepkość wynosiła 2—3°E, podawane jest pod ciśnieniem do komory zawirowania. Ciśnienie paliwa waha się w granicach od w 0,6—3 MN/m2 (6 do 30 kG/cm2), w zależności od wydajności i od rodzaju konstrukcji palnika. W niektórych rozwiązaniach, na razie jednak jeszcze niezbyt rozpowszechnionych, ciśnienie podawanego paliwa dochodzi do 3,934 MN/m2 (40 kG/cm2), a nawet do 5,896 MN/m2 (60 kG/cm2).
Rys. 7.4. Palnik z rozpylaniem .mechanicznym; 1 — głowica rozpylająca; 2 — komora zawirowania; 3 — kanały dolotowe do komory zawirowania; 4 -dysza; 5 — korpus palnika; 6 kanały doprowadzające paliwo;
W palniku z rozpylaniem mechanicznym (rys. 7.4) paliwo, które dostaje się do głowicy l kanałami doprowadzającymi 6, wchodzi do komory zawirowania 2 przez kanały 3, umieszczone stycznie do wewnętrznych ścian tej komory. Takie ukształtowanie powoduje nadanie paliwu intensywnego ruchu wirowego. Następnie przez otwór w dyszy 4 zostaje rozpylone w kształcie stożka do komory spalania, gdzie miesza się z dopływającym z boku powietrzem. Kąt stożka rozpylonego paliwa wynosi od 60° do 100° w zależności od konstrukcji palnika.
Ze względu na rodzaj regulacji paliwa podawanego do paleniska rozróżnia się:
palniki bez regulacji,
palniki z regulacją mechaniczną,
palniki z regulacją przelewową.
Rys. 7.5. Charakterystyka robocza palnika Blohm-Voss (liczby na krzywych oznaczają średnicę otworu w dyszy)
Schemat palnika bez regulacji ilości paliwa przedstawiono na rys. 7.4. Ewentualną zmianę wydajności palnika uzyskuje się tu przez zmianę dyszy. Dysze różnią się między sobą liczbą kanałów (2, 3, 4 lub 6) oraz średnicą otworu. Zależność wydajności palnika od średnicy otworu w dyszy i od ciśnienia podawanego paliwa obrazuje wykres na rys. 7.5.
Rys. 7.6. Palnik z mechanicznym rozpylaniem paliwa firmy Blohm-Voss l — łopatki kierujące powietrze; 2 — dźwignia regulacyjna; 3 — pierścień ruchomy; 4 — zewnętrzna tuleja ochronna; 5 — przegroda; 6 — pierścień zgarniający; 7 — palnik właściwy; 8 — klapa zamykająca; 9 — tuleja wewnętrzna; 10 — rączka do przesuwania pierścienia zgarniającego
Palnik firmy niemieckiej Blohm-Voss (rys. 7.6) składa się z właściwego palnika 7 osadzonego w obudowie. Doprowadzenie paliwa-do palnika odbywa się od dołu. Po wyjęciu palnika (np. w celu wymiany dyszy, oczyszczenia itp.) otwór w obudowie zostaje automatycznie zamknięty opadającą klapą 8, aby odciąć w ten sposób wnętrze paleniska od kotłowni. Końcówka palnika znajduje się stosunkowo daleko od wylotu do paleniska, co powoduje w czasie pracy dość znaczne osadzanie się nagaru wewnątrz tulei 9. W celu zgarniania nagaru zamontowany jest wewnątrz pierścień 6, przesuwany wystającą na zewnątrz rączką 10. Powietrze doprowadzane jest do paleniska pomiędzy ustawionymi dokoła palnika 7 łopatkami l. Ustawienie łopatek (kąt nachylenia,. wielkość przelotu itp.) regulowane jest za pomocą dźwigni 2 sprężonej z pierścieniem ruchomym 3, z którym połączone są dźwignie łopatek l, jak pokazano na szczególe A. W ten sposób regulować można zarówno ilość podawanego powietrza, jak i stopień jego zawirowania.
Wirujące powietrze dostaje się do paleniska dwiema drogami. Część wchodzi do wnętrza tulei 9, gdzie następnie miesza się z wirującym również paliwem, część zaś wchodzi między tuleję 9 i tuleję 4, gdzie znajdują się przegrody 5. Powietrze dostaje się między te przegrody, traci ruch wirowy i wchodzi do paleniska cylindrycznie, osłaniając płomień jakby „tuleją powietrzną”. W ten sposób chroni się obmurze ściany, w której umieszczone są palniki, od uszkodzeń, jakie może wywołać wysoka temperatura panująca w tym rejonie.
Końcówka palnika właściwego (rys. 7.7) składa się z króćca pośredniego 2, osadzonego za pomocą gwintu na korpusie palnika l. Po zamocowaniu króciec tworzy komorę, z której prowadzi na zewnątrz szereg okrągłych kanalików, przez które przeciska się w czasie pracy paliwo pod ciśnieniem roboczym i wchodzi do pierścieniowego rowka a wytoczonego w dyszy wymiennej 3. Rowek a łączy się z małą komorą b za pomocą wy-frezowanych kanalików c. Kształt ich warunkuje zawirowanie paliwa, które wirując przedostaje się przez kalibrowany otwór dyszy i wytryska na zewnątrz w postaci rozpylonego stożka. Mocowanie wymiennej dyszy 3 odbywa się za pomocą specjalnej nakrętki półprzelotowej 4.
Rys. 7.7. Końcówka palnika o rozpylaniu mechanicznym firmy Blohm-Voss: a) rowek; b) komora; c) kanaliki; l — korpus palnika; 2— króciec pośredni; 3 — dysza wymienna; ( — nakrętka półprzelotowa; 5 — uszczelka
Wymiana dyszy polega na wymontowaniu palnika 7 (rys. 7.6) z obudowy, następnie na odkręceniu nakrętki 4 (rys. 7.7) i zastąpieniu znajdującej się wewnątrz dyszy inną dyszą.
Drugą grupę palników stanowią palniki z mechaniczną regulacją paliwa podawanego do paleniska. Regulacja taka może odbywać się albo za pomocą przesuwanego osiowo tłoka (rys. 7.8a) lub tulei (rys. 7.8b), albo za pomocą obracanej o niewielki kąt tulei (rys. 7.8c).
Regulacja za pomocą przesuwnego tłoka odbywa się następująco (rys. 7.8a). Paliwo dochodzi bocznymi kanałami 5 do stycznie ukształtowanych kanalików 2, powodujących zawirowanie paliwa w komorze zawirowania l. Kanaliki te, jak pokazano na rysunku, usytuowane są w kilku rzędach, niejako „piętrowo”. Komora zawirowania ma zmienną objętość, ponieważ jej lewą skrajną ścianę stanowi górna powierzchnia tłoka 4. Tłok przesuwając się na przykład w prawo powoduje zasłonięcie jednego lub więcej otworów, przez co do komory zawirowania zostaje podana mniejsza ilość paliwa w jednostce czasu. Inny rodzaj regulacji, opartej na tej samej zasadzie, przedstawiony jest na rys. 7.8b. W tym wypadku poosiowy ruch tulei będzie odkrywał lub przykrywał częściowo kanały 2, którymi paliwo dostaje się do komory zawirowania.
Zasada działania regulacji przedstawionej na rys. 7.8c polega na tym, że zewnętrzna ściana komory zawirowania l ma dwie tuleje: nieruchomą z kanałami 2 i obrotową 3. Niewielkie przesunięcie tulei obrotowej powoduje zmniejszenie się czynnego przekroju kanału, a zatem i ilością paliwa podawanego, do komory w jednostce czasu.
Rys. 7.8. Palniki z mechaniczną regulacją ilości paliwa: a) regulacja z przesuwnym tłokiem; b) regulacja :z tuleją przesuwną; c) regulacja z tuleją obrotową l — komora zawirowania; 2 — kanały; 3 — tuleja regulacyjna; 4 — tłok regulacyjny; 5 — kanały boczne
Przykładem zastosowania jednego z opisanych sposobów regulacji jest palnik z rozpyleniem mechanicznym firmy Babcock-Wilcox (rys. 7.9). Palnik ten osadzony jest w obudowie 9 i zamocowany za pomocą śruby dociskowej 7.
Dociśnięcie powoduje przesunięcie w lewo zaworu zwrotnego 6 wskutek wepchnięcia jego skrzydełek prowadzących w głąb korpusu. W ten sposób otwarty zostaje przepływ paliwa do palnika. W wypadku wymontowania palnika zawór 6, pod wpływem ciśnienia panującego w przewodzie doprowadzającym paliwo, zostaje przesunięty w prawo i odcina ewentualny wyciek paliwa na zewnątrz (w wypadku np. nie odcięcia paliwa na zaworze) lub jego resztek, pozostałych w ostatnim odcinku rurociągu. Otwór, w którym osadzony jest palnik, zostaje również samoczynnie odcięty za pomocą klapy 8. W końcowej części palnika znajduje się głowica rozpylająca l, tworząca jednocześnie tuleję komory zawirowania ze stycznie ukształtowanymi kanałami dolotowymi 2, ustawionymi w trzech rzędach.
Rys. 7.9. Palnik firmy Babcock-Wilcox; l — głowica rozpylająca; 2 - Kanały dolotowe; 3 — tłok regulacyjny; 4 — mieszek; S — sprężyna odciążająca; e — zawór zwrotny; 7 - śruba dociskowa; 8 — klapa odcinająca; 9 - obudowa
Wewnątrz tulei porusza się przesuwnie tłok regulacyjny 3, który swą powierzchnią boczną przysłania lub odsłania kanały dolotowe. Ruch tłoka jest samoczynny i zależny od ciśnienia paliwa dochodzącego do palnika. Działa ono przez stożkową nasadkę na mieszek 4, wewnątrz którego znajduje się sprężyna odciążająca 5.
Palniki z regulacją przelewową pracują według następującej zasady. Paliwo podawane jest do palnika za pomocą pompy 7 (rys. 7.10) i rurociągu doprowadzającego 9. Wewnątrz palnika znajduje się — podobnie jak w rozwiązaniach palników z rozpylaniem mechanicznym — cylindrycznie usytuowany kanał oraz styczne kanały 3, prowadzące do komory zawirowania 2. Z komory zawirowania paliwo może wychodzić przez otwór 4. w głowicy rozpylającej l, bądź też kanałami 5 wracać do przewodu 10 doprowadzonego do zbiornika paliwa 8. Ilość podawanego do spalania paliwa jest w takim urządzeniu regulowana za pomocą przymykania lub otwierania zaworu przelewowego 6 zamontowanego na rurociągu 10. Manipulowanie zaworem odbywa się bądź ręcznie, bądź automatycznie w układzie regulacyjnym roboczego procesu kotła.
Rys. 7.10. Schemat palnika z rozpylaniem Rys. 7.11. Zależność wydajności
mechanicznym i regulacją przelewową palnika z regulacją przelewową od ciśnienia
1 — głowica rozpylająca; 2 — komora od ciśnienia panującego w przewodzie
zawirowania; 3 - kanały; 4 - otwór; przelewowym;
5 — kanały przelewów; 6 - zaw6r
przelewowy; 7 - pompa; 8 - zbiornik
9 — rurociąg doprowadzający;
10 — rurociąg przelewowy;
Wydajność palnika jest proporcjonalna do ciśnienia panującego w kanałach przelewowych 5 (rys. 7.10). Im bardziej jest otwarty zawór 6, tym niższe ciśnienie panuje w nich i odwrotnie.
Na przykład, jeżeli ciśnienie paliwa wynosi 2,06 MN/m2 (21 kG/cm2)— to przy ciśnieniu w kanale przelewowym równym 0,49 MN/m2 (5 kG/cm2) wydajność palnika wynosi 200 kg/h. Jeżeli wskutek przymknięcia zaworu przelewowego 6 ciśnienie w przewodzie przelewowym wzrośnie do 1,17 MN/m2 (12 kG/cm2), to wydajność palnika wzrośnie do 900 kg/h. Zależność tę obrazuje wykres na rys. 7.11.
W konkretnych rozwiązaniach konstrukcyjnych stosuje się na ogół dwa typy palników z regulacją przelewową:
palniki z przelewem paliwa z komory zawirowania,
palniki z przelewem paliwa z dyszy wylotowej.
Pierwsze z tych rozwiązań zastosowane jest między innymi w palnikach firmy Blohm-Yoss (rys. 7.12): Paliwo kanałami 5 dochodzi do głowicy rozpylającej l, wewnątrz której znajdują się styczne kanały, powodujące zawirowanie paliwa, komora zawirowania oraz dysza rozpylająca.
Rys. 7.12. Palnik z przelewem według firmy Blehm-Voss; 1 — głowica rozpylająca; 2 — głowica rozdzielcza; 3 — korpus palnika; 4 — nakrętka; 5, 6 — kanały dolotowe; 7, 8 — kanały przelotowe; 9 — uszczelka
Część paliwa przelewa się z komory zawirowania kanałami 7 do przewodu 8. Głowica rozpylająca l jest osadzona w głowicy rozdzielczej 2 oraz zabezpieczona nakrętką 4. Natomiast głowica rozdzielcza 2 nakręcona jest na występującą nagwintowaną końcówkę korpusu palnika 3. Połączenie to uszczelnione jest za pomocą uszczelki 9 odpornej na działanie produktów ropy naftowej.
Rys. 7.13. Palnik z przelewem firmy Todd l — głowica rozdzielcza; 2 — głowica rozpylająca; 3 — nasadka; 4 — nakrętka mocująca; 5 — komora zawirowania; 6 — kanał dolotowy; 7 —kanał przelewowy
Inne rozwiązanie palnika z przelewem proponuje firma Todd (rys. 7.13). Końcówka palnika składa się z głowicy rozdzielczej l, głowicy rozpylającej 2, nasadki 3 i nakrętki mocującej 4. Paliwo tłoczone jest kanałem 6 pod ciśnieniem 1,96—2,06 MN/m2 (20—21 kG/cm2), następnie przez kanały w głowicy rozdzielczej l, kanały do komory zawirowania 5, a dalej przez dyszę w głowicy rozpylającej 2 i otwór w nasadce 3 dostaje się do komory spalania. Z przestrzeni pomiędzy wylotem z dyszy i wlotem do otworu w nasadce 3 paliwo może być częściowo odprowadzone bocznymi kanałami (jak pokazują strzałki) do kanału przelewowego 7. I tu — podobnie jak w poprzednim rozwiązaniu — ilość przelewającego się paliwa zależy od ciśnienia panującego w rurociągu przelewowym.
Palniki typu Todda mają lepszą charakterystykę regulacji, jednakże budowa ich jest bardziej skomplikowana.
7.2.2. Palniki obrotowe.
Zasadę działania palnika obrotowego wyjaśnia rys. 7.14. Paliwo podawane jest pod niewielkim ciśnieniem [nieco ponad 0,1 MN/m2 (l kG/cm2)] nieruchomym rurociągiem l. Na końcu tego rurociągu znajduje się głowica z otworami, przez które dostarczone paliwo rozlewa się po ściankach wirującego z dużą prędkością stożkowego kielicha wylotowego 2.
Rys. 7.14. Schemat palnika obrotowego; 1 — rurociąg dolotowy paliwa; 2 — kielich wylotowy; 3— Kanał powietrza pierwotnego; 4 — kanał powietrza wtórnego; 5 — silnik napędzający; 6 — przekładnia klinowa
Jest on napędzany silnikiem elektrycznym 5 przez przekładnię 6. Prędkość obwodowa na krawędziach wirującego kielicha 2 przekracza 10 m/s. Wskutek siły odśrodkowej paliwo zostaje wyrzucane poza kielich w postaci stożka złożonego z drobnych kropelek, których średnica wynosi około 100 μm.
Podawanie powietrza w palnikach obrotowych odbywa się przeważnie w dwojaki sposób. Część powietrza (ok. 10% całości), tak zwane powietrze pierwotne, zostaje podawana przez kanał 3 tuż poza ścianką kielicha wirującego 2. Powietrze to miesza się z wychodzącym z kielicha paliwem i pomaga w jego dodatkowym rozpyleniu. Ma ono zazwyczaj wyższe ciśnienie niż reszta powietrza (tzw. powietrze wtórne), wchodząca zewnętrznymi kanałami 4. Zarówno wewnątrz kanałów 3 jak i 4 znajdują się specjalnie ukształtowane żebra służące do nadania powietrzu ruchu wirowego.
Palniki obrotowe mogą być napędzane silnikami elektrycznymi, turbinami parowymi lub turbinami powietrznymi.
Charakterystycznym przedstawicielem pierwszej z wymienionych grup jest obrotowy palnik typu SKV firmy H. Saacke KG. Bremen (rys. 7.15).
Paliwo doprowadzane jest przez nieruchomy rurociąg l, biegnący wewnątrz obracającej się tulei zakończonej głowicą 2, mającą na obwodzie szereg otworów. Razem z głowicą wiruje też kielich stożkowy 3, na którego krawędzi następuje rozbicie paliwa na drobne kropelki oraz uformowanie stożka wylotowego. Przewodem 4 dostaje się do wnętrza powietrze pierwotne, którego ilość regulowana jest za pomocą przepustnicy 5. Powietrze to wchodzi następnie do dmuchawy odśrodkowej powietrza 6, osadzonej na tym samym wirującym wale co kielich 3 i głowica 2. Sprężone w dmuchawie 6 powietrze pierwotne przechodzi kanałem, jak pokazują strzałki, i na wylocie z wirującego kielicha rozpyla ostatecznie paliwo i miesza się z nim. Reszta powietrza wchodzi kanałem 7. Ilość jego regulowana jest przepustnica 8. Część wirująca palnika napędzana jest silnikiem elektrycznym 9 przez przekładnię 10 osłoniętą osłoną 11.
Rys. 7.15. Palnik obrotowy typu SKV firmy H. Saacke KG. Bremen l — rurociąg doprowadzający; 2 — głowica; 3 — kielich stożkowy; 4 — dolot powietrza pierwotnego; 5 — przepustnica powietrza pierwotnego; 6 — dmuchawa; 7 — dolot powietrza wtórnego; S — przepustnica powietrza wtórnego; 9 — silnik napędzający; 10 — przekładnia; 11 — osłona
Moc silnika napędowego zależy od wielkości palnika. Na przykład dla palników typu SKV moc ta wynosi od 0,13 kW (dla palnika o wydajności 100. kg/h) do 7 kW (dla palnika o wydajności do 1000 kg/h).
Zakres regulacji w tego rodzaju palnikach jest bardzo szeroki i dla przykładu wynosi dla palnika typu SKV 10 od 15 kg/h do 100 kg/h i dla SKV 200 od 120 kg/h do 1000 kg/h.
Palniki obrotowe mają wiele zalet; stosowane są dla wydajności od bardzo małych (od 1kg/h) w kotłach pomocniczych do bardzo dużych (dochodzących do 3500 kg/h) w kotłach głównych. Zaletami tego typu palników jest duży zakres regulacji oraz brak wąskich kanalików łatwo ulegających zapychaniu się. Dzięki możliwości stosowania niewysokich ciśnień paliwa odpada konieczność instalowania pomp paliwowych i mogą wystarczyć zbiorniki grawitacyjne. Wadą jest skomplikowana budowa, trudności w uszczelnieniu wirujących części oraz problemy związane z zapewnieniem właściwego smarowania łożysk pracujących w znacznej temperaturze.
7.2.3. Palniki z rozpylaniem za pomocą pary lub powietrza.
Palniki z rozpylaniem za pomocą pary lub powietrza stosuje się w wypadku, gdy zachodzi konieczność spalania bardzo ciężkich i niezbyt czystych, ale za to tanich odmian płynnego paliwa. Para lub powietrze doprowadzane są w takim rozwiązaniu jednym przewodem, paliwo zaś innym. Oba czynniki spotykają się w komorze zmieszania i następnie — przez szereg kanałów rozstawionych zazwyczaj stożkowe na końcówce palnika — mieszanina parowo-paliwowa zostaje wyrzucona do przestrzeni spalania. W czasie opuszczania palnika paliwo zostaje rozbite na kropelki, których średnica wynosi 25 μm. Ze względu na możliwość koksowania się paliwa w zbyt wysokich temperaturach para lub powietrze doprowadzane do palnika nie powinno być nagrzane do temperatury powyżej 150°C.
Ciśnienie paliwa na wejściu do palnika wynosi — w zależności od obciążenia kotła (por. rys. 7.17) — w produkowanych współcześnie palnikach do kotłów wysokociśnieniowych 0,345—2,06 MN/m2 (3,5—21 kG/cm2), natomiast ciśnienie pary lub powietrza rozpylającego w granicach 0,49— —1,18 MN/m2 (5—12 kG/cm2). Lepkość paliwa — ze względu na wąskie kanały — należy zmniejszyć do 2—4°E.
Rozchód pary roboczej zawiera się w granicach 0,75—1% D, czyli ilości pary wytwarzanej w kotle w ciągu l h. Według źródeł radzieckich wynosi on 0,25—0,40 kg pary na l kg paliwa dla starszych i prostszych rozwiązań konstrukcyjnych i 0,05—0,15 kg pary na l kg paliwa dla nowszych konstrukcji, czyli dla palników z rozpylaniem parowo-mechanicznym. Zaletę palników z rozpylaniem paliwa parą jest dobre rozpylanie w szerokich granicach .obciążenia.
W latach 70-tych palniki z rozpylaniem za pomocą pary stosowane są coraz częściej, okazało się bowiem, że korzyści wynikające podczas spalania dobrze rozpylonego oleju ciężkiego są większe niż straty z racji
ubytków pary z obiegu. Ubytki pary, a zatem i wody zasilającej w siłownianym obiegu parowo-wodnym, nie stanowią obecnie specjalnego problemu technicznego ze względu na powszechnie stosowaną na statkach produkcję wody słodkiej z wody morskiej w wyparownikach.
Dodatkową zaletą stosowania pary do rozpylania paliwa są znacznie mniejsze zanieczyszczenia konwekcyjnych powierzchni ogrzewalnych, sadzą i niespalonymi pozostałościami paliwa.
Na rys. 7.16 przedstawiono palnik z rozpylaniem za pomocą pary. Jest to palnik typu Y stosowany w kotłach wysokociśnieniowych o znacznej wydajności. Palnik składa się z dwóch zasadniczych części. Jedna z nich (rura prowadząca l oraz korpus dolotu oleju i pary 5) jest osadzona na stałe w ścianie kotła w specjalnej obudowie (por. rys. 7.19). Druga część jest częścią wymienną. Część wymienna to obudowa zewnętrzna 2 z rury stalowej z prowadzącymi żeberkami, które ustalają środkowe położenie palnika wewnątrz rury prowadzącej.
W obudowie przebiega koncentrycznie rura wewnętrzna 3. Obie rury (poz. 2 i 3) osadzone są w głowicy 4, w której znajdują się dwa oddzielne kanały dla doprowadzenia pary i oleju do palnika. Kanały te są tak połączone, że para przepływa rurą wewnętrzną, natomiast olej opałowy (lub napędowy podczas rozpalania kotła) przepływa między rurą wewnętrzną 5 i obudową zewnętrzną 2.
Jeśli palnik jest zamontowany na kotle, głowica 4 jest (za pomocą śruby dociskowej z kółkiem ręcznym) dociśnięta do korpusu dolotu oleju i pary (między głowicą a korpusem znajdują się uszczelki wymieniane przy każdej wymianie palnika) i po otwarciu odpowiednich zaworów para i olej dostają się do końcówki palnika.
Palnik przedstawiony na rys. 7.16 przystosowany jest zarówno do spalania lekkiego oleju opałowego przy rozpalaniu kotła, jak i głównie ciężkiego oleju opałowego. W pierwszym przypadku na końcówkę rury wewnętrznej 3 nakręca się króciec paliwa lekkiego 7, a następnie dyszę 8 i zabezpiecza całość nakrętką mocującą 9. Tym samym odcina się wypływ pary na zewnątrz, a paliwo cienkimi kanalikami w króćcu dolotowym dopływa do komory zawirowania dyszy 8. Zawirowanie paliwa uzyskuje się podobnie jak w palnikach z rozpylaniem mechanicznym (rys. 7.4 7.7 i 7.12) dzięki stycznie ustawionym kanałom dolotowym.
Zawirowane paliwo wydostaje się następnie przez kalibrowaną dyszę, ulegając dobremu rozpyleniu.
Podczas normalnej pracy kotła palniki zasilane są paliwem ciężkim, które musi być uprzednio podgrzane do takiej temperatury, która umożliwia otrzymanie pożądanej lepkości. Na końcu rury wewnętrznej 3 mocuje się w takim przypadku dyszę mieszającą 10. Ma ona tak wywiercone kanaliki, ze następuje w nich dalsze wymieszanie oleju opałowego z parą rozpylającą. Dysza mieszająca 10 zamocowana jest nakrętką 11.
Z dyszy mieszającej paliwo z parą wypływa w postaci dobrze rozpylonej i złożonej z bardzo drobnych kropelek mgły olejowej łatwo mieszającej się z dopływającym przez dyfuzor 14 {rys. 7.16) oraz dyfuzor 2 (rys. 7.19) powietrzem tzw. pierwotnym.
W korpusie dolotu oleju i pary osadzone są zwrotne zawory 6 (rys. 7.16) zabezpieczające przed przypadkowym wydostaniem się na zewnątrz oleju opałowego (oleju napędowego) lub pary, w przypadku gdy wyjmuje się palnik z obudowy, a zawory dolotu pary i oleju są omyłkowo otwarte.
Zawór bezpieczeństwa tworzy przesuwna tuleja 6, której końcówka uformowana jest w postaci grzybka, a dolot oleju lub pary odbywa się przez otworki rozmieszczone na pobocznicy tulei. W położeniu zamkniętym tuleja jest wciśnięta w głąb korpusu 5, jak przedstawiono na rys. 7.16. Jeśli palnik jest wyjęty, a w rurociągu dolotowym oleju lub pary znajduje się czynnik pod ciśnieniem, końcówka 6 wysuwa się pod naciskiem czynnika z korpusu tak, że otworki dolotowe chowają się w tulei obudowy zaworu zwrotnego. Dodatkowe uszczelnienie i zabezpieczenie powstaje przy zetknięciu się powierzchni stożkowej końcówki tulei 6 z odpowiednią płaszczyzną obudowy zaworu zwrotnego, jak przedstawiono na szczególe C (rys. 7.16).
Wydajność czyli przepustowość palnika zależy od ciśnienia dostarczanego paliwa. Wykres na rys. 7.17 przedstawia tę zależność dla paliwa lekkiego (oleju napędowego).
Rys.7.17. Wykres przepustowości dyszy palnika typu Y — Babcock 14 — w funkcji ciśnienia paliwa lekkiego (oleju napędowego)
Ponieważ oleju napędowego używa się tylko przy rozpalaniu kotła, wydajność palnika jest niewielka i zawiera się w granicach 100—200 kg/h. Charakterystyka przepustowości jest bardzo płaska, a nawet znaczna zmiana ciśnienia powoduje jedynie nieznaczny wzrost przepustowości.
Omawiany wykres ukazuje zależność wydajności od ciśnienia paliwa jedynie dla ściśle określonego rodzaju dyszy (w danym przypadku dla dyszy P 4715, gdzie 47 oznacza wartość średnicy otworu wylotowego z dyszy). Przy dyszach o innych rozmiarach wydajności są większe, a charakterystyka bardziej stroma.
Właściwa praca palnika odbywa się przy podawaniu ciężkiego oleju opałowego, podgrzanego do takiej temperatury, aby uzyskana lepkość wynosiła 2—4°E. Charakterystykę palnika dla dyszy 6Y-43-52-850 przedstawiono na rys. 7.18.
Rys. 7.18. Wykres przepustowości dyszy typu 6Y-43-52-85° dla palnika Babcock 14 w
funkcji ciśnienia ciężkiego oleju opałowego
Regulacja wydajności możliwa jest w tym przypadku w szerszym zakresie od 200—2200 kg/h oleju opałowego i w zakresie ciśnień oleju od 0,345—2,06^ MN/m2 (3,5—21 kG/cm2). Pozwala to na dobre dostosowanie się wydajności palników do chwilowej wydajności kotła i dzięki temu palnik może pracować bez potrzeby zmiany dyszy — w bardzo dużych zakresach wydajności kotła.
W opisywanym palniku można stosować również przy rozpalaniu kotła zasilanie olejem napędowym z rozpylaniem za pomocą sprężonego powietrza, które płynie wówczas przewodem parowym, wewnątrz palnika. W takim przypadku zakłada się dyszę o mniejszej liczbie kanałów mieszających (np. dyszę 4Y, w której znajdują się cztery kanaliki).
Palnik osadzony jest w kotle w specjalnej obudowie, służącej do. doprowadzenia powietrza do wnętrza komory spalania. Schemat obudowy wraz z zamontowanym palnikiem pokazano, na rys. 7.19.
Płyta zewnętrzna 12 przymocowana jest do obudowy kotła śrubami. Płyta od strony kanału powietrznego wewnątrz kotła ma izolację. Do płyty tej przymocowana jest konstrukcja obudowy z wewnętrzną dyszą Venturiego (poz. 3), tworzącą kanał dolotowy powietrza.
Między dwoma stożkami z blachy, tworzącymi łącznie dyszę Venturiego, znajduje się obwodowa szczelina łącząca dyszę z komorą powietrzna C, w której spada ciśnienie z powodu ssącego działania zwężającej się strugi przepływającego powietrza. Wartość ciśnienia panującego w komorze C zależna jest od prędkości przepływu, a więc od ilości przepływającego przez dyszę powietrza. Różnica ciśnień między dolotem powietrza do obudowy a komorą C umożliwia pomiar ilości powietrza i daje impuls do regulatora ilości powietrza podawanego do spalania w kotle.
Opisana konstrukcja służy jednocześnie do zwiększenia oporów przepływającego powietrza i do zmniejszenia strat przepływu.
Obudowa ma taką długość, że otwarta jej część górna (przy pionowo wstawionym w kocioł palniku) znajduje się w przestrzeni kotła służącej za kolektor powietrza nadmuchowego. Powietrze znajdujące się w kolektorze ma swobodny dostęp do kotła dzięki ażurowej konstrukcji tej części obudowy.
W czasie odstawienia palnika dolot powietrza do kotła jest odcięty wskutek ustawienia cylindrycznej przesłony powietrza 4 w górnym położeniu. Przesłona jest sterowana prowadnicą 5, której trzon połączony jest do tłoka siłownika pneumatycznego 6.
Podczas przedmuchiwania i pracy palnika siłownik przesuwa przesłonę w głąb kotła (jak pokazano na przekroju A-A), otwierając tym samym dolot powietrza (jak pokazują strzałki na przekroju A-A). Na przekroju B-B przesłona znajduje się w położeniu zamkniętym.
Powietrze wpływające przez dolot przy otwartej przesłonie 4 rozdziela się na dwa strumienie. Jeden płynie przez dyfuzor 2 z łopatkami kierującymi i tworzy tzw. powietrze pierwotne mieszające się z mgłą olejowo-parową wypływającą z dyszy palnika bezpośrednio po wypływie, natomiast tzw. powietrze wtórne płynie na zewnątrz dyfuzora 2, tworząc cylindryczną osłonę wokół płomienia. Miesza się ono z mgłą olejową dopiero w dalszej fazie spalania i dodatkowo tworzy osłonę elementów obudowy palnika i kotła przed zbytnim nagrzaniem mogącym prowadzić do uszkodzeń i awarii.
Zawór trójdrożny 15 służy do zabezpieczenia przed podaniem paliwa do palnika w przypadku, gdy zamknięta jest przesłona powietrza 4 i kiedy nie ma dolotu powietrza do obudowy. Zawór 15 jest włączany do pracy przez śrubę zamocowaną na prowadnicy 5 przesłony (przekrój A-A).
7.2.4. Palniki dwupaliwowe.
Jak wspomniano w rozdz. 7.1, na niektórych typach statków specjalnych (na razie wyłącznie na zbiornikowcach do przewozu ciekłych gazów ziemnych) jako paliwo stosuje się gaz ziemny. Jednak zalety gazu ziemnego jako paliwa mogą spowodować, że w przyszłości stanie się on paliwem o większej popularności.
Rys. 7.16. Palnik kotłowy typu Y z rozpylaniem za pomocą pary, produkowany przez firmę Babcock Oberhausen (RFN)
l — rura prowadząca; 2 — obudowa zewnętrzna; 3 — rura wewnętrzna; 4 — głowica; 5 — korpus dolotu oleju i pary; 6 — końcówka dolotowa ze zwrotnym zaworem bezpieczeństwa; 7 — króciec dolotu paliwa lekkiego, 8 — dysza lekkiego paliwa; 9 — nakrętka mocująca; 10 — dysza mieszająca paliwo ciężkie z parą; 11 — nakrętka mocująca; 12 — uszczelka; 13 — uszczelka; 14 — dyfuzor
Rys. 7.19. Patoik Baboook 14 z obudową w kotle membranowym typu U; l - palnik; 2- dyfuzor; 3 — kanał dolotowy powietrza z dyszą Venturiego; 4 - cylindryczna przesłona powietrza; 5 - prowadnica przesłony; 6- cylinder sterownika regulacji powietrza; 7 - zapalarka; 8 - cylinder siłownika przesuwu zapalarki; 9 — fotokomórka; 10 -wzierniku; 11 - płyta wewnętrzna mocowania palnika z izolacją;12 - płyta zewnętrzna mocowania palnika z izolacją; 13 - rurociąg niskiego ciśnienia; 14 -rurociąg wysokiego ciśnienia; 15 -zawór trójdrożny ; 16 - rama zamocowania siłownika przesłony;
W kotłach przystosowanych do spalania par gazu ziemnego (por. rozdz. 3.5) stosuje się tzw. palniki dwupaliwowe. Przy spalaniu gazu ziemnego w kotle okrętowym przepisy instytucji klasyfikacyjnych wymagają ciągłego równoczesnego podawania również paliwa płynnego.
Palniki dwupaliwowe kotłów okrętowych muszą zatem zapewniać:
dostarczanie do przestrzeni spalania paliwa płynnego, gazu ziemnego i powietrza w odpowiednich wzajemnych proporcjach,
dokładne wymieszanie wymienionych wyżej czynników,
dobre odparowanie paliwa płynnego,
dobrą regulację płomienia.
Spalanie obu rodzajów paliw powinno odbywać się przy zachowaniu maksymalnego stopnia bezpieczeństwa, a w spalinach opuszczających kocioł nie powinny znajdować się takie składniki, jak CO, H2, O2 czy nie spalone węglowodory. Instalacja obsługi palników musi poza tym zapewniać właściwą regulację wzajemnego stosunku ilościowego: paliwo--powietrze.
W dużych instalacjach siłownianych, gdzie spalaniu ulegają znaczne ilości paliwa — zarówno gazowego jak i płynnego — i gdzie wszelkie niedokładności w regulacji procesu spalania mogą powodować kosztowne straty, stosuje się obecnie dokładne, choć kosztowne, i wymagające wysoko kwalifikowanej obsługi elektroniczne urządzenia automatyczne.
Współcześnie produkowane palniki dwupaliwowe różnią się między sobą głównie sposobami rozpylania paliwa płynnego i sposobem regulacji ilościowej podawanego do palnika paliwa ciekłego i gazowego.
Rozróżnia się następujące sposoby rozpylania oleju w palnikach dwupaliwowych:
rozpylanie mechaniczne (por. rozdz. 7.2.1),
rozpylanie odśrodkowe (por. rozdz. 7.2.2),
rozpylanie za pomocą pary, lub powietrza (por. rozdz. 7.2.3),
rozpylanie za pomocą energii drgań dźwiękowych lub ultradźwiękowych.
Najczęściej stosuje się rozpylanie mechaniczne oraz za pomocą pary (rzadziej powietrza). Palnik dwupaliwowy wyprodukowany przez firmę Hamworthy-Wallsend pokazano na rys. 7.20.
Lanca paliwa płynnego osadzona jest w osi obudowy wykonanej z blach odpornych na działanie wysokich temperatur. Na końcu lancy osadzona jest końcówka rozpylania oleju 3 oraz zawirowywacz żaluzyjny powietrza 5, którego celem jest nadanie strumieniowi powietrza takiego kierunku, aby możliwe było dobre zmieszanie zarówno ze strumieniem paliwa płynnego jak i gazowego.
Przesuwana osłona 10 umożliwia płynną regulację dostarczanego do wnętrza palnika powietrza potrzebnego do spalania.
Rys. 7.20. Dwupaliwowy palnik olejowo-gazowy HXG produkowany przez firmę Hamworthy-Wallsend l — doprowadzenie gazu; 2 — kolektor gazu; 3 — końcówka rozpylacza oleju; 4 — lanca gazowa; 5 — zawirowywacz powietrza; 6 — izolacja termiczna; 7 — doprowadzenie pary; 8 — doprowadzenie paliwa; 9 — główny zawór odcinający; 10 — osłona doprowadzenia powietrza; 11 — urządzenie ustalające położenie lancy paliwa płynnego;
Paliwo płynne rozpylane jest za pomocą pary doprowadzanej do lancy paliwa płynnego rurociągiem 7.
Położenie końcówki lancy paliwa płynnego może być regulowane urządzeniem 11. Regulacja ta najczęściej jest automatyczna.
Paliwo gazowe, odpowiednio podgrzane i sprężone, do odpowiedniego ciśnienia, doprowadzone jest króćcem l do kolektora gazu 2 w kształcie torusa otaczającego obudowę palnika poniżej pierścieniowego otworu dolotu powietrza.
Z kolektora gazowego, w którym paliwo doznaje końcowego podgrzania, gaz dopływa do lanc gazowych 4. Są one rozmieszczone równomiernie w dolnej tulei obudowy palnika i ich zadaniem jest doprowadzenie paliwa gazowego w postaci pierścienia otaczającego płomień powstający ze spalania paliwa płynnego.
Rys. 7.21. Rodzaje rozwiązań konstrukcyjnych palników dwupaliwowych l — elektroda zapłonowa; 2 — dysza gazowa typu skośnego; 3 — zawirowywacz powietrza; 4 — końcówka rozpylania oleju; 5 — dysza gazowa z otworami bocznymi; 6 — dysza gazowa z otworem czołowym; 7 — lanca olejowa z zawirowywaczem powietrza; 8 — lanca gazowa;
9 — osłona ograniczająca strefę mieszania; 10 — komora zmieszania; 11 — otwory wylotu mieszaniny gazowo-powietrznej;
Palnik przedstawiony na rys.7.20 przystosowany jest do kotłów z całkowicie opromieniowaną komorą spalania, w których palniki są umieszczone w górnej, sufitowej ścianie komory.
Końcówki dysz gazowych mają różne konstrukcje. Ich celem jest jak najlepsze zawirowanie paliwa gazowego, dokładne zmieszanie paliwa z powietrzem oraz odpowiednie ukształtowanie stożka mieszaniny powietrzno-gazowej.
Kilka rodzajów końcówek dysz palników dwupalnikowych przedstawiono na rys. 7.21. Końcówki na rys. 7.21a mają po kilkanaście otworów o niewielkiej średnicy rzędu kilku milimetrów (w zależności od wydajności palnika). Otwory te umieszczone są na płaszczyźnie skośnej w stosunku do osi wzdłużnej lancy gazowej. Kąt nachylenia płaszczyzny jest tak dobrany, aby wypływający z otworów dysz gaz tworzył rodzaj wirującego stożka wokół i nad płomieniem paliwa ciężkiego, zwanego niekiedy paliwem pilotowym.
W rozwiązaniu przedstawionym na rys. 7.21 b w trzech lancach końcówki 5 mają otwory boczne, a w pozostałych sześciu (poz. 6) otwory wylotowe gazu (po jednym w każdej dyszy) znajdują się na powierzchni skośnej (podobnie jak w dyszach 2). Takie rozwiązanie końcówek dysz wylotowych gazu daje dobre zawirowanie stożka paliwa gazowego i dobre wymieszanie gazu z powietrzem.
Rys. 7.22. Schemat palnika olejowo-gazowego z dyszą Venturiego l — palnik olejowy; 2 — palnik gazowy; 3 — doprowadzenie oleju; 4 — doprowadzenie gazu; 5 — dysza Venturiego; 6 — przestrzeń powietrzna; 7 — osłona regulacyjna powietrza; 8 — dźwignia osłony powietrza; 9 — izolacja termiczna; 10 — obmurze kotła;
W niektórych rozwiązaniach (np. firmy Associated Britisch Combustion Ltd.) ogranicza się strefę mieszania paliwa gazowego z powietrzem (rys. 7.21c), Ograniczenie takie uzyskuje się przez nałożenie na końcową część obudowy palnika osłony 9. Mieszanina gazowo-powietrzna z komory zmieszania 10 wydostaje się do komory spalania przez otwory 11 rozmieszczone pierścieniowo w osłonie. Liczba tych otworów jest zazwyczaj większa niż liczba dysz gazowych danego palnika.
Palnik o wewnętrznym mieszaniu zapewnia między innymi:
mniejsze zużycie pary wynoszące maksymalnie 0,02 kg pary na l kg oleju opałowego,
małą powierzchnię komory spalania wystawianą 'na działanie bardzo intensywnego promieniowania cieplnego mogącego prowadzić do uszkodzeń,
pracę palnika przy stosunku gazu do oleju jak 20:1.
W palnikach o mniejszych wydajnościach dysze gazowe rozmieszczone pierścieniowo na obwodzie (jak na rys. 7.20) zastąpione są bądź jedną centralną dyszą gazową doprowadzoną w pobliże wylotu dyszy olejowej, bądź też palnik składa się z kilku współśrodkowych rur. Takie rozwiązanie konstrukcyjne przedstawione jest na rys. 7.22. Palnik olejowy l stanowi tu oddzielną, całość i może być demontowany w razie potrzeby (np. dla wymiany dyszy, jej oczyszczenia itp.). Palnik olejowy osadzony jest w rurze o podwójnych ściankach stanowiącej palnik gazowy 2. Przelotem wewnętrznym tej rury doprowadzane jest z przestrzeni powietrznej tzw. powietrze pierwotne mieszające się przy wylocie z dyszy z olejem. Do przestrzeni zewnętrznej doprowadzony jest gaz, który następnie wypływa przez dysze rozmieszczone symetrycznie na końcówce palnika gazowego, obejmując strumienie paliwa płynnego i płomień pilotowy stożkiem gazowym o stosunkowo niewielkiej średnicy.
Ilość podawanego powietrza regulowana jest automatycznie dźwignią 8. Palnik ma dyszę Venturiego, której zadanie i cel stosowania opisano w rozdz. 7.2.3.
7.2.5. Dodatkowe wyposażenia urządzeń do spalania paliwa płynnego.
Jednym z głównych urządzeń należących do wyposażenia każdego kotła są przyrządy lub urządzenia do zapalania; na statkach stosuje się kilka typów takich urządzeń, a mianowicie:
kwacz nasycony naftą i zapalony na zewnątrz kotła, a następnie wsunięty do paleniska przez specjalny otwór do zapalania; urządzenie takie, choć często stosowane w praktyce, jest dość niebezpieczne w obsłudze, ponieważ wymaga operowania otwartym ogniem w kotłowni;
urządzenie elektryczne powodujące zapłon paliwa płynnego za pomocą rozżarzonej spirali;
urządzenie elektryczne powodujące zapłon paliwa płynnego za pomocą żarzącej się elektrody węglowej;
urządzenie z wymiennymi ładunkami magnezowymi zapalanymi elektrycznie; w efekcie powstaje bardzo wysoka temperatura, powodująca szybkie zapalenie właściwego palnika; ładunki magnezowe są jednorazowego użytku i konieczna jest ich wymiana po każdym zapaleniu palnika.
Przykładem elektrycznego urządzenia do zapłonu paliwa jest zapalarka z elektrodą węglową przedstawiona na rys. 7.23. Urządzenie składa się z rur osłonowych z blachy stalowej (poz. 2, 3, 4) w zamocowanymi na końcach nagwintowanymi końcówkami, dzięki czemu możliwy jest demontaż zapalarki. Na końcu rury osłonowej 2 zamocowana jest stalowa końcówka zapalarki l mająca boczne okna przelotowe.
Wewnątrz rur osłonowych zamocowany jest uchwyt elektrody 8, który przez cały czas dociskany jest w kierunku końcówki sprężyną 9 opierającą się o tulejkę 12.
W uchwycie osadzona jest elektroda węglowa 7 w otulinie metalowej. Współśrodkowe położenie elektrody 7 oraz uchwytu 8 w zapalarce utrzymywane jest za pomocą pierścieni ceramicznych 10 zamocowanych pomiędzy końcówką rury osłonowej 2, 3 lub 4 z jednej strony a podkładką 11 z drugiej. Podczas przepływu prądu elektroda węglowa rozżarza się, powodując zapalenie rozpylonego paliwa wydostającego się z palnika. W miarę upływu czasu elektroda upala się i wówczas sprężyna 9 dociska ją do końcówki, a uchwyt przesuwa się w lewo. Po upaleniu elektrody o określoną wielkość zapalarkę demontuje się z obudowy na kotle, rozkręca i wymienia elektrodę na nową.
Zapalarka osadzona jest w uchwycie na obudowie (por. rys. 7.19), a uchwyt z kolei podłączony jest do trzonu siłownika pneumatycznego, który w odpowiednim momencie (podczas zapalania palnika) wsuwa zapalarkę w głąb komory spalania, a następnie — po zapaleniu palnika — wysuwa w takie położenie, aby końcówka i elektroda nie były narażone na działanie wysokiej temperatury panującej w komorze spalania.
W celu kontroli procesu spalania na obudowie palnika znajdują się otwory kontrolne, uzbrojone w szybki ze szkła odpornego na wysokie temperatury. Aby zabezpieczyć kotłownię przed możliwością pożaru, na obudowie palników powinny znajdować się urządzenia blokujące dolot paliwa w chwili, gdy palnik jest wyjęty z gniazda.
Dla uniknięcia niebezpieczeństwa wybuchu gazów w komorze spalania kotłów lub uszkodzenia kotła na rurociągu zasilania palników paliwem
ustawia się samoczynnie działający zawór szybkozamykający, odcinający dopływ oleju opałowego w przypadku zaistnienia jednej z następujących sytuacji:
za niski poziom wody w kotle,
za niskie ciśnienie pary rozpylającej podawanej do palnika,
za niskie ciśnienie oleju opałowego na rurociągu tłoczącym pompy paliwowej,
za niskie ciśnienie powietrza nadmuchowego do kotła,
za niskie ciśnienie powietrza sterującego automatyką kotłową,
za wysokie ciśnienie pary w kotle.
Niezależnie od tych zabezpieczeń na rurociągach doprowadzających paliwo montuje się zawory szybkoodcinające, najczęściej sterowane zarówno bezpośrednio, jak i odległościowe. Są one używane przy awarii samego kotła lub zasadniczych urządzeń jego obsługi.
8. ARMATURA l OSPRZĘT KOTŁOWY.
W celu umożliwienia właściwej obsługi kotła, kontroli jakości jego pracy oraz zabezpieczenia go przed uszkodzeniami, a nawet całkowitym zniszczeniem, każdy kocioł wyposażony jest w zawory (zasilające, odcinające główne i pomocnicze, wreszcie bezpieczeństwa) i kurki, przyrządy kontrolno-pomiarowe (wodowskazy, manometry, termometry, analizatory składu spalin) oraz urządzenia pomocnicze, takie jak zdmuchiwacze sadzy, urządzenia do dawkowania chemikaliów do wody kotłowej itp.
Przykłady rozmieszczenia armatury i aparatury kontrolno-pomiarowej na kotle płomieniówkowym i wodnorurkowym przedstawiono na rys. 8.1 i rys. 8.2.
8.1. Kotłowe zawory odcinające.
Okrętowe kotły parowe mają wiele zaworów o różnym przeznaczeniu i w różnym wykonaniu. Służą one — wraz z rurociągami bezpośrednio z nimi związanymi — do:
zasilania kotła wodą podczas jego napełniania oraz podczas pracy kotła,
odpowietrzania kotła przy napełnianiu jego wnętrza wodą oraz przy wstępnym podgrzewaniu wody podczas rozpalania kotła,
odmulania i odsalania kotła w czasie pracy, czyli do tzw. szumowania dolnego i górnego,
pobierania próbek wody w czasie pracy kotła w celu przeprowadzania jej badania,
zalewania wodą przegrzewacza pary podczas uruchamiania kotła,
podawania do wnętrza kotła koniecznych chemikaliów,
odprowadzania produkowanej pary w kotle do odbiorników,
kierowania części pary przegrzanej do ochładzacza w celu regulacji temperatury (jeśli stosuje się taki rodzaj regulacji itp.).
Zawory zasilające służą do regulacji dopływu wody zasilającej do kotła. Bardzo często regulacja ta realizowana jest przez zmianę czynnego przekroju zaworu (regulacja dławieniowa). Poza tym zawory zasilające mają za zadanie odcięcie — w razie potrzeby — wnętrza kotła od rurociągu zasilającego, a tym samym i pompy zasilającej. W tym celu stosuje się instalowanie zaworu zwrotnego między pompą zasilającą a zaworem odcinającym bezpośrednio na kotle.
Przed i za zaworem regulacyjnym zasilającym umieszcza się zazwyczaj zawory odcinające oraz przewód obejściowy. Umożliwia to — w razie awarii — naprawę regulacyjnego zaworu zasilającego podczas nieprzerwanej pracy kotła.
Stosowane jest też obejście podgrzewacza wody zasilającej, co umożliwia awaryjne zasilanie kotła chłodną wodą w przypadku uszkodzenia podgrzewacza.
Uproszczony schemat połączeń rurociągów zasilających w wysokociśnieniowym kotle membranowym przedstawiono na rys. 8.3.
W przypadku awarii automatyzacji procesu zasilania takiego kotła, a tym samym wyłączenia z pracy zaworu regulacyjnego 4, można przejść na ręczną regulację zasilania, zamykając zawory odcinające 5 i 6, a otwierając zawór 7. W przypadku uszkodzenia wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody zasilającej 5 można go odciąć zaworami 10 oraz 11 i rozpocząć bezpośrednie zasilanie kotła przez zawór 8 i dalej przewodem obejściowym — przez zawór 7 (regulacja automatyczna zasilania przy awarii podgrzewacza jest niemożliwa). Przy zasilaniu bezpośrednim należy się jednak liczyć ze znacznym wzrostem temperatury w rejonach wylotu spalin kotłowych oraz ze znacznym zmniejszeniem wydajności kotła.
Rys. 8.1. Rozmieszczenie armatury na kotle płomieniówkowym; l — główny zawór parowy do przegrzewacza; 2 — pomocniczy zawór pary nasyconej; 3 — szkło wodowskazowe; 4 — wodny zawór wodowskazu; 5 — parowy zawór wodowskazu; 6 — zawory probiercze do sprawdzania poziomu wody w kotle i kontroli wodowskazu; 7 — zawór zasilający; 8 — zawór szumowania dolnego; 9 — zawór szumowania górnego; 10 — rurociąg zasilający; 11 — zawór spustowy; 12 — zawór do pobierania próbek wody kotłowej; 13 — rurociąg szumowania górnego; 14 — lejek do pobierania wody przy szumowaniu górnym; 15 — zawór odpowietrzający; 16 — zawór do podłączenia manometrów; 17 — zawór bezpieczeństwa;
Rys. 8.2. Rozmieszczenie armatury na kotle wodnorurkowym; l — zawór pary do przegrzewacza; 2 — główny zawór pary przegrzanej; 3 - pomocniczy zawór pary nasyconej; 4 - zawór zasilający; 5 - zawór pomocniczy pary nasyconej; 6 - podwójny zawór bezpieczeństwa; 7 - wodowskazy; 8 - zawór do napełniania kotła wodą przed rozpaleniem; oraz do podawania do wnętrza kotła chemikaliów; 9 - zawór szumowania górnego; 10 - zawór szumowania dolnego; 11 - zawór spustowy; 12 - zawór odpowietrzający; 13 - zawór do manometru; 14 - zawór do pobierania próbek wody kotłowej; 15 - manometry; 16 - rura zasilająca;
Rys. 8.3. Uproszczony schemat połączeń rurociągów zasilających w wysokociśnieniowym
kotle membranowym; l — pompa zasilająca; 2 — walczak parowo-wodny; 3 — podgrzewacz wody; 4 — zawór regulacyjny; 5—11 — zawory odcinające
Na rys. 8.4 przedstawiony jest zawór zasilający z regulowanym skokiem. Woda zasilająca dochodzi do zaworu przez kanał l, a następnie pomiędzy gniazdem 3 i grzybkami 4 przedostaje się do przewodu 2, skąd odprowadzana jest do wnętrza kotła. Piętrowe ustawienie grzybków powoduje bardziej równomierny i mniej zakłócony przepływ wody, a równocześnie konstrukcja taka niweluje siły poosiowe działające na powierzchnię grzybka. Obustronnie prowadzony w tulejach trzon zaworu 5, uszczelniony za pomocą górnej i dolnej dławicy 6, jest połączony z dźwignią regulacyjną 7, której położenie ustala wielkość otwarcia zaworu.
Dźwignia dwuramienna 7 jest w punkcie o połączona z siłownikiem automatycznego systemu zasilania, zamocowanym na bocznym kołnierzu 9. Średnice kanałów przelotowych zaworu są tak dobrane, aby prędkość przepływu wody zasilającej' była stosunkowo niewielka (ok. l m/s).
Rys. 8.4. Regulacyjny zawór zasilający firmy Blohm-Voss l — dolot wody zasilającej; 2 — odlot wody zasilającej; 3 — gniazda; 4 — tuleja z grzybkami; 5 — trzon zaworu; 6 — dławice; 7 — dźwignia regulacyjna; 8 — miejsce zamocowania drążka siłownika; 9 — kołnierz do mocowania siłownika;
Główne i pomocnicze zawory parowe są umieszczone bądź bezpośrednio na korpusach walczaków parowo-wodnych (przy pobieraniu pary nasyconej), bądź na kolektorach zbiorczych przegrzewa-czy pary. Zawory te musi cechować niezawodność działania, powinny otwierać się lekko oraz zamykać szybko (np. w wypadku awarii i konieczności natychmiastowego odcięcia pary z kotła). Z reguły są one wyposażone w urządzenia umożliwiające ich otwieranie i zamykanie bezpośrednio z kotłowni i (niezależnie) zdalnie z pokładu lub z przedziału poza kotłownia.
Jeżeli kilka kotłów na statku pracuje na jeden wspólny rurociąg zbiorczy pary, to każdy kocioł powinien być zaopatrzony w oddzielny główny parowy zawór odcinający.
Jeden z zaworów stosowanych w kotłach wysokoprężnych o dużych wydajnościach przedstawiono na rys. 8.5. Ciśnienie pary działa na dolną powierzchnię grzybka 7 osadzonego w gnieździe 8. Unoszeniu się grzybka ku górze przeciwstawia się jednak tuleja nagwintowana 4, która jest nasadzona na górną część trzona zaworu 6, a z drugiej strony wkręcona w nakrętkę specjalną 3. Jeżeli za pomocą pokrętła 15 i przekładni zębatej 1 obrócimy zaklinowaną nakrętkę specjalną 3, to wciągnięta zostanie do góry tuleja nagwintowana 4, która zabezpieczona jest przed obrotem nakrętką oporową 5 prowadzoną w dwóch żebrach. Z chwilą, gdy tuleja 4 uniesie się ku górze, nacisk pary pod grzybkiem 7 podnosi go również do góry. W celu umożliwienia usunięcia powietrza lub pary z przestrzeni nad grzybkiem w czasie jego ruchu ku górze, w obudowie wywiercony jest otwór łączący tę przestrzeń z kanałem odlotowym pary. Zamknięcie zaworu może nastąpić przez obracanie pokrętłem 15 w przeciwnym niż poprzednio kierunku i wówczas tuleja 4 będzie naciskała na wytłoczenie na trzonie 6, co spowoduje osadzenie grzybka 7 w gnieździe 8. Czas zamykania ręcznego (ze względu na przekładnię zębatą) trwa co najmniej l min.
Rys. 8.5. Szybkozamykający odcinający zawór parowy; l — przekładnia zębata; 2 — kulkowe łożysko oporowe; 3 — nakrętka specjalna; 4 — tuleja nagwintowana; 5 — nakrętka oporowa; 6 — trzon zaworu; 7 — grzybek; 8 — gniazdo grzybka; 9 — dolot sprężonego powietrza do siłownika; 10 — tłok siłownika; 11 — trzon tłoka siłownika; 12 — sworznie; 13 — dźwignia; 14 — sworznie; 15 — pokrętło ręcznego zamykania; 16 — otwór pomocniczy
W celu natychmiastowego odcięcia pary, przewodem 9 doprowadzane jest sprężone powietrze (lub para) z systemu instalacji automatycznej siłownika, co powoduje przesunięcie tłoka l 0 w dół. Tłok pociąga przez trzon 11 i sworznie 12 dźwignię 13, której ruch w dół zamyka zawór parowy.
Główne parowe zawory odcinające powinny być albo otwarte całkowicie (w czasie pracy) tak, aby nie zachodziło dławienie pary, albo też powinny być całkowicie zamknięte w czasie odstawienia kotła z pracy. Prędkość pary w przelocie przez zawór nie powinna przekraczać 30—40 m/s.
Zawory odmulania i odsalania, czyli zawory szumowania, to najczęściej zwykłe, dostosowane do ciśnienia panującego w kotle, zawory odcinające. W nowoczesnych kotłach wysokociśnieniowych z zasady ustawia się szeregowo dwa zawory szumowania ze względów bezpieczeństwa i niezawodności zamknięcia wnętrza kotła przy ewentualnym uszkodzeniu jednego z zaworów.
Przykład dość typowego rozwiązania zaworu szumowania pokazano na rys. 8.6. Na jego pokrętle znajduje się podziałka l informująca, jaka część przekroju została otwarta dla przelotu. Jak wynika z rysunku skok gwintu trzona zaworowego jest tak duży, iż wystarczy jeden obrót pokrętła dla całkowitego otwarcia przekroju.
Podziałka ułatwia regulację procesu szumowania kotła. Boczny zawór 2 służy do pobierania próbek szumowanej (lub znajdującej się w walczaku) wody.
W kotłach płomieniówkowych (zarówno głównych, jak i pomocniczych) o ciśnieniu roboczym p ≤1,57 MN/m2 (16 kG/cm2) ustawiane są zawory probiercze o prostej konstrukcji, jak np. przedstawiony na rys. 8.7. Ustawia się je najczęściej w ten sposób, że oś kanału jednego z nich znajduje się na wysokości znaku najniższego dopuszczalnego poziomu wody w kotle, oś kanału drugiego — na wysokości znaku najwyższego poziomu wody.
Rys. 8.6. Zawór górnego szumowania l — podziałka; 2 — zawór probierczy
Zawory te (lub kurki) służą do sprawdzania prawidłowości działania wodowskazu oraz do pobierania próbek wody do badania.
Zawór odpowietrzający kotła umieszczony jest w najwyższym punkcie przestrzeni parowe w walczaku parowo-wodnym. W rozwiązaniu przedstawionym na rys. 8.2 jest on umieszczony (poz. 12) na kolanku zaworu poboru pary nasyconej z walczaka.
Również rurociągi przegrzewacza pary muszą być dokładnie odpowietrzone, np. przy wypełnianiu go wodą podczas rozpalania kotła i dlatego w najwyżej położonym punkcie przegrzewacza musi znajdować się zawór odpowietrzający.
Rys. 8.7. Zawór probierczy l — otwór do czyszczenia; 2 — podłączenie do kotła
Zawory odpowietrzające się to zazwyczaj zwykłe zawory odcinające przystosowane do pracy przy ciśnieniu kotłowym.
Zawory spustowe służące do opróżniania kotła z wody muszą być zainstalowane w najniższych punktach wszystkich walczaków i kolektorów (np. rys. 6.6 — poz. 6).
8.2.Kotłowe zawory bezpieczeństwa.
Zawory bezpieczeństwa na kotłach parowych stanowią bardzo ważną część armatury ze względu na bezpieczeństwo pracy i dlatego powinna je cechować duża niezawodność działania, a jednocześnie prostota wykonania, wtedy bowiem istnieje mniejsza możliwość uszkodzenia, zacięcia itp.
Na każdym kotle parowym o powierzchni ogrzewalnej H > 12 m2 muszą być zainstalowane po dwa zawory bezpieczeństwa (jeden zawór może być tylko na kotłach mniejszych, o H < 12 m2).
Zawory bezpieczeństwa na kotłach płomieniówkowych o ciśnieniu pary < 1,18 MN/m2 (12 kG/cm2) ustawione są tak, aby ich otwarcie nastąpiło przy ciśnieniu pz = p+0,029 MN/m2 (0,3 kG/cm2), a na kotłach o ciśnieniu pary > 1,18 MN/m2 (12 kG/cm2) przy ciśnieniu pz = 1,03 p. Na przegrzewaczach ustawia się zawory na pz = 1,02 p.
Dla kotłów wodnorurkowych ciśnienie, przy którym powinny otworzyć się zawory bezpieczeństwa, wynosi 1,05 p.
Proste w konstrukcji i działaniu podwójne sprężynowe zawory bezpieczeństwa pokazano na rys. 8.8. Zawory tego typu stosowane są najczęściej na kotłach płomieniówkowych, kotłach pomocniczych i utylizacyjnych dla niższych ciśnień kotłowych [do 1,96 MN/m2 (20 kG/cm2)].
Odpowiedni docisk talerza 3 otrzymuje się dzięki sprężynie 5 tak dobranej, aby przy przekroczeniu dopuszczalnego ciśnienia pary wewnątrz kotła działające od spodu talerza ciśnienie uniosło go do góry.
Rys. 8.8. Sprężynowy podwójny zawór bezpieczeństwa l — korpus; 2 — gniazdo zaworowe; 3 — talerz zaworu; 4 — kulka; 5 — sprężyna; 6 — trzon zaworu; 7 — tuleja regulująca naciąg sprężynowy; 8 — kołpak; 9 — króciec dolotowy; 10 — króciec odlotowy; 11 — płaskownik zabezpieczający; 12 — plomba; 13 — ramię podrywające; 14 — oś ramion podrywających;
Po ustawieniu odpowiedniego naciągu sprężyny 5 za pomocą gwintowanej tulei 7 zakłada się kołpak 8, przesuwa płaskownik 11 przez owalny otwór w górnej części trzona 6 i plombuje plombą 12. Obrót osi 14 o niewielki kąt w prawo (widok z boku) powoduje uniesienie ramion 13 dźwigni, a tym samym podniesienie kołpaka 8 i poderwanie ku górze przez płaskownik 11 trzona 6. W ten sposób umożliwia się podniesienie grzybka
ciśnieniem pary znajdującej się w kotle, mimo że nie przekracza ono wartości dopuszczalnej. Takie otwieranie zaworów bezpieczeństwa stosuje się w czasie awarii kotła, ewentualnie przy przeglądach, próbach czy regulacji.
Inną zasadę działania ma zawór bezpieczeństwa typu Cocburn (rys. 8.9). Składa się on z głównego podwójnego zaworu A i z dwóch zaworów sterujących B. Przestrzeń parowa kotła połączona jest z wnętrzem zaworu A przez kanał l, a z wnętrzem zaworu B przez kanał 8.
Jeżeli ciśnienie w kotle przekroczy ciśnienie dopuszczalne o odpowiednią wartość, nacisk pary na grzybek zaworu B okaże się silniejszy od nacisku sprężyny 9 i zawór otworzy dolot pary do przewodu 10. W ten sposób para o ciśnieniu kotłowym dostanie się nad tłok 5 osadzony na trzonie 3 zaworu A. Ponieważ powierzchnia tłoka 5, znajdującego się w cylindrze 6, jest większa od powierzchni grzybka 3, a na obie powierzchnie działa para o jednakowym ciśnieniu, więc zawór A zostanie otwarty.
Z chwilą kiedy ciśnienie w kotle spadnie, zawór B zamknie się, dolot pary nad tłok 5 ustanie, a sprężyna 7 i siła nacisku pary na grzybek 3 spowodują zamknięcie zaworu A.
Stosowanie tego typu zaworów bezpieczeństwa zostało spowodowane tym, że w wysokich temperaturach sprężyny zaworów tracą częściowo swe właściwości, a ponieważ para ciśnie pod grzybek, więc następują nieszczelności i związane z tym przecieki pary, co przy małej jej objętości właściwej, przy wysokim ciśnieniu, powoduje znaczne straty ilościowe.
Rys. 8.9. Podwójny zawór bezpieczeństwa typu Cocburn A — główny zawór podwójny; B — zawór sterujący; l — kanał dolotowy; 2 — kanał odlotowy; 3 — grzybek zaworu; 4 — gniazdo grzybka; 5 — tłok; 6 — cylinder; 7 — sprężyna; 8 — kanał dolotowy do zaworu sterującego; 9 — sprężyna zaworu sterującego; 10 — przewód łączący zawór sterujący z zaworem głównym;
W układzie pokazanym na rys. 8.8 ciśnienie pary z kotła dociska talerz zaworu 3, a pod grzybek ciśnie jedynie para w zaworze B. Ponieważ zawór ten ma mały przekrój, więc powstałe w nim ewentualne straty nieszczelności są o wiele mniejsze.
W celu dalszego zabezpieczenia kotłów o wysokim ciśnieniu i dużych wydajnościach na walczaku parowo-wodnym kotła ustawia się więcej niż dwa zawory bezpieczeństwa. Na przykład w kotle o ciśnieniu roboczym 6,092 MN/m2 (62 kG/cm2) i wydajności 36—50 t/h zainstalowane są na walczaku parowo-wodnym trzy zawory bezpieczeństwa oraz jeden na rurociągu poboru pary przegrzanej z przegrzewacza drugiego stopnia. Ten ostatni zawór sterowany jest jednym z zaworów bezpieczeństwa na walczaku, będących zaworami pilotowymi dla zaworu bezpieczeństwa pary przegrzanej.
Stosowanie w tym przypadku zaworu pilotowego dla otwarcia zaworu bezpieczeństwa na rurociągu pary przegrzanej podyktowane jest następującymi względami. Ciśnienie pary na wylocie z przegrzewacza jest nieco niższe niż w walczaku parowo-wodnym ze względu na istniejące opory przepływu pary przez rurki przegrzewacza. Wartość spadku ciśnienia uwarunkowana jest wydajnością kotła (wydatkiem pary), od której zależna jest prędkość przepływu pary przez rurki przegrzewacza, a więc i wielkość pokonywanych przez strumień pary oporów. W związku z powyższym jednoczesne otwarcie zaworów bezpieczeństwa na walczaku parowo-wodnym i na rurociągu pary przegrzanej jest niemożliwe do uzyskania drogą oddzielnego nastawiania każdego z zaworów.
W momencie gdy w walczaku parowo-wodnym powstanie ciśnienie powodujące otwarcie zaworów bezpieczeństwa, w kotle tym w następstwie otwarcia zaworów i gwałtownej ucieczki pary zacznie spadać ciśnienie. Przy dwóch (lub więcej) kotłach pracujących wspólnie powstanie zatem różnica ciśnień pary między kotłami, co pociągnie za sobą zamknięcie zaworu zwrotnego łączącego kotły i tym samym pobór pary z kotła, na którym otworzyły się zawory bezpieczeństwa, zostanie odcięty. W tej sytuacji ustanie przepływ pary przez rurki przegrzewacza, a tym samym zostanie wstrzymane odprowadzenie ciepła z rurek przegrzewacza ogrzewanego strumieniem gorących spalin, co w konsekwencji może doprowadzić do uszkodzenia przegrzewacza. Aby zawór bezpieczeństwa ustawiony poza walczakiem na przewodzie poboru pary przegrzanej spełniał właściwie swoje zadanie, zawór pilotowy musi otworzyć się jako pierwszy z zaworów bezpieczeństwa ustawionych na kotle. Dlatego zawór pilotowy nastawia się na ciśnienie otwarcia najniższe z ciśnień trzech (czy dwóch) zaworów bezpieczeństwa umieszczonych na kotle. W konkretnym przypadku dla kotła o ciśnieniu roboczym 6,29 MN/m2 (64 kG/cm2) zawór pilotowy otwiera się przy 7,417 MN/m2 (75,5 kG/cm2), dalsze zawory bezpieczeństwa natomiast przy i 7,565 MN/m2 (77 kG/cm2) i 7,614 MN/m2 (77,5 kG/cm2).
Zawór bezpieczeństwa, ustawiony na przewodzie pary przegrzanej, sterowany zaworem pilotowym ustawionym na walczaku parowo-wodnym, pokazano na rys. 8.10.
Zawór A spełnia podwójną rolę, jest bowiem zarówno zaworem bezpieczeństwa dla przestrzeni parowej walczaka parowo-wodnego, jak i zaworem pilotowym dla zaworu B. Pod wpływem wzrostu ciśnienia w walczaku ponad wartość ustawioną za pomocą naciągu sprężyny 4 grzybek S i podniesiony jest w górę wraz z trzonem 2 oraz tłokiem 24 prowadzenia zaworu. W celu usunięcia oporów, jakie mogłyby wystąpić podczas sflaczania powietrza znajdującego się w komorze nad tłokiem 24 podczas jego ruchu ku górze, komora ta ma odpowietrzenie 27.
Wydostająca się spod grzybka 3 para przedostaje się do wnętrza zaworu, skąd odpływa dwoma kanałami. Jeden z nich prowadzi do rurociągu odlotu pary z zaworów bezpieczeństwa i dalej obok komina do wolnej atmosfery, drugi natomiast (poz. 19) łączy wnętrze zaworu A z komorą mieszka sprężystego 20 zaworu B.
Aby odlot pary do atmosfery z zaworu A nie następował zbyt gwałtownie, co mogłoby spowodować zbyt małe ciśnienie pary w przewodzie 19, w rurociągu odlotu do atmosfery ustawiony jest dławik przepływu pary 9. Jeśli para z zaworu A wypełni wnętrze mieszka 20 zaworu B, nacisk panującego ciśnienia na górną pokrywę mieszka pociągnie za sobą pokonanie oporu sprężyny talerzowej 15 i uniesienie trzona 13 wraz z grzybkiem 14. Naciąg sprężyny 15 uzyskuje się przez odpowiednie ustawienie talerza górnego 17, zabezpieczonego po ustawieniu wkrętem ustalającym 18 przed obrotem, a tym samym przed zmianą naciągu.
Manometr 22 służy do kontroli szczelności zaworu pilotowego A. Przy montażu obu zaworów na różnym poziomie, jak przedstawiono przykładowo na rys. 8.10, należy wziąć pod uwagę podczas regulacji i ustawiania naciągu dodatkowy nacisk na mieszek, jaki może powstać ze słupa skroplin, które mogą znajdować się w rurociągu 19.
Dźwignia 8 służy do ręcznego podrywania zaworu pilotowego A, a tym samym zaworu B i połączona jest linką ze stacją zrywania zaworów bezpieczeństwa na statku.
8.3. Wodowskazy.
Zgodnie z przepisami instytucji klasyfikacyjnych każdy kocioł powinien mieć co najmniej dwa urządzenia do wskazywania poziomu wody. Wodowskazy powinny być dobrze oświetlone i widoczne z miejsca obsługi kotła.
Każde urządzenie wodowskazowe, tak zwane bezpośrednie, składa się co najmniej z dwóch zaworów odcinających [lub kurków przy p ≤ 1,18 MN/m2 (12 kG/cm2)] oraz ze szkła, w którym widoczny jest poziom wody.
Przy ciśnieniach roboczych kotła nie przekraczających 1,57 MN/m2 (16 kG/cm2) mogą być stosowane wodowskazy wykonane z grubościennych rurek szklanych, które z zewnątrz otoczone są osłoną ze szkła zbrojonego. Jednakże — w celu ochrony przed uszkodzeniami oraz ze względu na znacznie korzystniejszą widoczność — ogólnie używa się do ciśnień roboczych rzędu 3,149—3,934 MN/m2 (32—40 kG/cm2) wodowskazów z grubościennych szkieł płaskich.
Przykład takiego wodowskazu przedstawiono na rys. 8.11. Przestrzeń parowo-wodna wodowskazu otacza ramkę 27, którą z obu boków zamykają płaskie grubościenne szkła 19. Całość utrzymywana jest dwiema oprawami 20, które ściągnięte są śrubami 1—18 (numery poszczególnych śrub na rys. 8.11b oznaczają kolejność dokręcania śrub przy montażu wodowskazu lub przy wymianie szkła). Płytki szklane uszczelnione są podkładkami uszczelniającymi 21.
W celu polepszenia widoczności i ułatwienia obserwacji poziomu wody w szkle wodowskazu pod wodowskazem umieszcza się częstokroć lustro paraboliczne 22, a wewnątrz niego żarówkę 23. Wewnętrzne powierzchnie płytek są dodatkowo nacięte w równoległe kanaliki o przekroju najczęściej trójkątnym. Wskutek innego współczynnika załamania światła w wodzie i parze woda wydaje się w takim układzie ciemną cieczą, para natomiast otrzymuje srebrzyste zabarwienie.
Często w tym samym celu pod szkła wodowskazu wstawia się podkładki malowane w ukośne biało-czerwone lub biało-czarne pasy. Wszystkie te sposoby opierają się na zjawisku innego załamywania się promieni świetlnych przechodzących przez parę i wodę.
Zamocowanie wodowskazu pod odpowiednim kątem, jak przedstawiono na rys. 8.11, ma na celu ułatwienie obsłudze siłowni dokonywania odczytów.
Przy stosowaniu ciśnień roboczych wyższych niż 3,149—3,934 MN/m2 (32—40 kG/cm2), a więc we współczesnych głównych kotłach parowych, stosuje się wodowskazy o specjalnej wzmocnionej konstrukcji, którą przedstawiono na rys. 8.12. Zamiast płaskich płytek szklanych stosuje się płytki z miki 2. Na płytkę nałożone są obustronnie osłony z wyciętymi, jak na rysunki ukośnie ukształtowanymi otworami.
Niekiedy na płytki z miki nakłada się jeszcze dodatkowo płytki szklane Do kotłów wysokich, gdzie kontrola poziomu wody może być utrudniona, stosowane są wodo w skazy odległościowe (rys. 8.13). Składa się on z U-rurki, której jedno ramię stanowi przewód l, drugie zaś przewód 2 i 11. Dolną część U-rurki zajmuje odległościowy wskaźnik 3
Rys. 8.11. Wodowskaz kotłowy z płaskimi szkłami: a) widok wodowskazu; b) kolejność dokręcania nakrętek śrub mocujących 1—18 — śruby mocujące; 19 — płaskie szkło wodowskazu; 20 — oprawa szkła; 21 — podkładka uszczelniająca; 22 — lustro paraboliczne; 23 — źródło światła; 24 — zawór podłączenia do przestrzeni parowej walczaka; 25 — zawór podłączenia do przestrzeni wodnej walczaka; 26 — przestrzeń parowo--wodna wodowskazu; 27 — ramka poziomu wody w kotle;
Jest on napełniony zabarwionym, cięższym od wody płynem. Zbiornik 4 o większym niż wskaźnik 3 przekroju służy do kompensacji rozszerzającej się cieczy pomiarowej. Urządzenia 12 i 13 służą do wychwytywania ewentualnego mułu lub osadu dostającego się do rurek wodowskazu.
Zasada działania: poziom wody w rurce 11 jest równy w przybliżeniu poziomowi wody w kotle (niewielkie różnice mogą być spowodowane inna gęstością wody w rurce i mieszaniny parowo-wodnej w kotle).
Rys. 8.12. Wodowskaz kotłowy wysokociśnieniowy: a) przekrój poprzeczny przez wodowskaz; b) widok osłony wodowskazu l — przestrzeń parowo-wodna wodowskazu; 2 — płytka z miki; 3 — osłona wodowskazu; 4 — śruby ściągające; 5 — ramka; 6 — uchwyty
Rys. 8.13. Wodowskaz odległościowy l — przewód zewnętrzny; 2 — przewód wewnętrzny;3 — wskaźnik odległościowy; 4 — zbiornik kompensacyjny; 5, 6 — zawory odcinające wskaźnik 3; 7, 8 — zawory odcinające wodowskaz; 9 — zbiornik kondensacyjny; 10 — przegroda; 11 — rurka przelewowa; 12, 13 — osadnik; 14 — wlew cieczy pomiarowej; 15 — odpowietrzenie; 16 — wlew wody destylowanej; 17 — zawór spustowy; 18 — wodowskaz bezpośredni
Poziom wody w rurce l jest znacznie wyższy i zależny od umieszczenia przegrody 10 w zbiorniku kondensacyjnym 9, gdzie skrapla się dochodząca tam para. Nadmiar skroplin przelewa się przez przegrodę 10 do rurki 11. Ta różnica poziomów powoduje również różnicę poziomów cieczy pomiarowej we wskaźniku 3 i zbiorniku 4. Obniżenie poziomu w rurce 11 zmniejsza słup wody cisnący się na ciecz pomiarową w zbiorniku 4, podczas gdy w rurce l utrzymuje się stale ten sam poziom. W związku z tym również obniża się poziom cieczy pomiarowej w szkle wskaźnika 3. Zawory 5 i 6 służą do odcinania wskaźnika 3 (w razie np. pęknięcia szkła). Zawór 17 służy do spuszczania cieczy pomiarowej w wypadku regulacji lub czyszczenia urządzenia. Na głównym walczaku parowo-wodnym umieszcza się, niezależnie od urządzenia odległościowego, wodowskaz bezpośredni 18.
Jako cieczy pomiarowej używa się czterochlorku węgla o ciężarze właściwym 1,594, z dodatkiem jednego z barwników azotowych nadających mieszaninie kolor czerwony, lub mieszaniny czterobromku węgla o ciężarze właściwym 2,966 z naftą lub czterochlorkiem węgla.
Innym rodzajem wodowskazów odległościowych są wodowskazy elektryczne. W tym przypadku ruch urządzenia pływakowego lub zmiany ciśnienia słupa wody w kotle zamienione są na wielkość elektryczną, a następnie wskaźnik zmian wielkości elektrycznych wyskalowany jest tak, aby wskazywał zmianę poziomu wody w walczaku parowo-wodnym kotła.
Produkuje się kilka rozwiązań elektrycznych wodowskazów odległościowych, np. wodowskazy kontaktowe, elektrodowe, pojemnościowe.
W przypadku stosowania elektrycznych wodowskazów odległościowych możliwe jest instalowanie na statku kilku repetytorów — wskaźników poziomu wody w kotle. Repetytory mogą być umieszczone np. w kabinie manewrowej, przy ręcznym stanowisku manewrowym turbiny, przy stacji obsługi i regulacji pomp zasilających w siłowni, w kabinie starszego mechanika itp.
Na rys. 8.14 przedstawiono odległościowy wodowskaz kontaktowy. Jest on stosowany głównie w celu sygnalizowania przekroczenia ściśle określonych granicznych poziomów cieczy np. górnego i dolnego, przez zapalenie się sygnału świetlnego lub włączenie sygnału dźwiękowego.
Między górnym i dolnym poziomem granicznym umieszcza się w równych odstępach od siebie pięć kontaktów pływakowych lub elektrodowych. Każdemu z nich podporządkowana jest jedna żarówka umieszczona na tabliczce wodowskazu odległościowego. Podnoszeniu lub obniżaniu się poziomu wody w walczaku l powoduje zapalanie się lub zgaśniecie poszczególnych żarówek oraz włączenie ewentualnych sygnałów dźwiękowych.
Innym rodzajem odległościowego wodowskazu elektrycznego jest wodowskaz typu elektrodowego, którego schemat przedstawiono na rys. 8.15.
W tym przypadku poziom wody przekazywany jest w sposób ciągły na elektryczny wskaźnik poziomu 6. W pomocniczym zbiorniku pomiarowym 2 umieszczone są trzy elektrody 3, 4 i 5. Ukształtowanie elektrod (przedstawione na rysunku w sposób nieco przesadny) sprawia, że w przypadku zmian poziomu wody w walczaku zmieniają się także mierzone po powierzchni wody odległości między elektrodami 3 i 4 oraz 4 i 5.
Rys. 8.14. Odległościowy wodowskaz Rys. 8.15. Wodowskaz odległościowy typu
kontaktowy elektrodowego l — walczak parowo-wodny;
l — walczak parowo-wodny 2 — pomocniczy zbiornik pomiarowy 2 — rurka pomiarowa wodowskazu 3,4,5 - elektrody; 6 - elektryczny wskaźnik
3 — kontakty; 4 — żarówki; poziomu wody;
Pomiar poziomu wody sprowadza się zatem do pomiaru oporu, a ściślej biorąc — do pomiaru stosunku dwóch oporów między wymienionymi elektrodami. Przedstawiony przyrząd pomiarowy zasilany jest napięciem roboczym rzędu 24 V.
Umieszczenie kontaktów lub elektrod bezpośrednio w walczaku (lub w pomocniczym zbiorniku pomiarowym) jest rozwiązaniem, które nastręcza wiele problemów natury techniczno-eksploatacyjnej.
Rozwiązanie odległościowego wodowskazu, które eliminuje te problemy, zachowując jednocześnie zalety elektrycznego przekaźnika poziomu wody, przedstawiono na rys. 8.16. Jest to odległościowy wodowskaz elektrohydrauliczny.
Ponad walczakiem parowo-wodnym l umieszczony jest niewielki zbiornik pomiarowy 2. Do zbiornika tego (nieizolowanego i oddającego łatwo ciepło na zewnątrz) dopływa w sposób ciągły para z walczaka parowo-wodnego. Skraplająca się w zbiorniku 2 para wypełnia przewód B aż do poziomu rurki wprowadzonej do zbiornika 2. Nadmiar wody spływa do rurki, a poziom w niej równy jest poziomowi wody w walczaku parowo-wodnym. Zatem na membranę 4 w mieszku pomiarowym 3 działają ciśnienia: na górną część mieszka ciśnienie słupa wody do aktualnego poziomu wody w walczaku, na dolną część mieszka natomiast ciśnienie słupa wody do stałego poziomu wody w zbiorniku pomiarowym.
Rys. 8.16. Schemat odległościowego elektrohydraulicznego wodowskazu; l — walczak parowo-wodny; 2 — zbiornik pomiarowy; 3 — mieszek pomiarowy; 4 — membrana; 5 — dźwignia; 6 - wzmacniacz strumieniowy; 7 — dolot cieczy sterującej; 8 — odlot cieczy sterującej; 9, 10 — przewody; 11 — siłownik tłokowy; 12 — przekaźnik; 13 — wskaźnik poziomu wody; 14, 15 — sprężyny; 16 — śruba regulacyjna;
Przy stałym poziomie wody w zbiorniku pomiarowym, zmiana poziomu wody w walczaku l powoduje zmianę położenia membrany 4, a ta z kolei wychylenie dokoła swej osi dźwigni 5. Dźwignia ta połączona jest z wychyloną dyszą wzmacniacza strumieniowego 6, który jest zasilany w sposób ciągły cieczą sterującą (np. olejem). Jeżeli dysza znajduje się na środku, naprzeciw dwóch kanałów wiodących do przewodów 9 i 10, to w przewodach tych panuje stałe ciśnienie. Przy wychyleniu dyszy zmieniają się ciśnienia w przewodach 9 i 10, wskutek czego przesuwa się tłok siłownika 11. Jego trzon włącza odpowiednie mikrowyłączniki w przekaźniku 12, skąd impulsy elektryczne mogą być przesyłane w dowolne miejsce siłowni lub statku.
Skok tłoka siłownika 11 musi być tak dobrany, aby jego skrajne położenia odpowiadały dolnemu i górnemu dopuszczalnemu poziomowi wody w walczaku.
Regulację wskazań uzyskuje się przez naciąg sprężyny 15 śrubą regulacyjną 16.
8.4. Zdmuchiwacze sadzy.
Na powierzchniach ogrzewalnych kotłów, w rejonach omywanych przez spaliny o wysokich temperaturach osadzają się w czasie pracy zanieczyszczenia składające się ze spieków stałych cząstek zawartych w spalinach. Natomiast w rejonach niskich temperatur, to znaczy w obszarach powierzchni ogrzewalnych podgrzewaczy wody czy powietrza, na rurkach osiadają sadze jak również inne zanieczyszczenia. Ponieważ w kotłach okrętowych stosuje się ciężkie i bardzo ciężkie paliwa, więc dokładne ich oczyszczenie trafia nieraz na znaczne trudności i stąd wynika duża ilość osadów na powierzchniach służących do wymiany ciepła.
Osady te zmniejszają intensywność wymiany ciepła, ponieważ tworzą izolację. I tak na przykład osad sadzy o grubości 0,5 mm podwyższa zużycie paliwa o ok. 2—2,5%, a każde dalsze 0,5 mm osadu powiększa je kolejno o ok. 1,5%. Osiadające na rurkach zanieczyszczenia mogą być przyczyną korozji, zwłaszcza w wypadku, gdy paliwo zawiera znaczny procent siarki lub wanadu.
Aby zmniejszyć, lub całkowicie usunąć w czasie pracy kotła różnego rodzaju osady, stosuje się zdmuchiwacze sadzy. Są to urządzenia, które omywają — po ich włączeniu — sektory rurek kotła silnym strumieniem pary lub sprężonego powietrza. Para do zdmuchiwaczy sadzy powinna być całkowicie sucha (ewentualnie nieznacznie przegrzana), aby nie zachodziła możliwość padania kropel wody na zanieczyszczone .sadzą rurki, ponieważ wówczas gwałtownie wzrasta niebezpieczeństwo występowania korozji.
Rozchód pary w zdmuchiwaczu sadzy zależy od wielkości zdmuchiwacza oraz od czasu zdmuchiwania. W czasie pracy< kotła zdmuchiwacze sadzy włącza się raz na 8—12 h. Przykładowo zużycie pary przez zdmuchiwacz firmy Babock-Wilcox o przekroju 5 cm2 przy ciśnieniu pary 1,77 MN/m2 (18 kG/cm2) wynosi ok. 80 kg pary na każdą minutę pracy urządzenia.
W zależności od wielkości i rodzaju kotła może znajdować się w nim od kilku do kilkunastu zdmuchiwaczy sadzy. Zdmuchiwacze te są najczęściej tak usytuowane, ażeby strumień wychodzącej z nich pary był zgodny ze strumieniem przepływających przez kocioł gazów spalinowych.
Rozmieszczenie zdmuchiwaczy sadzy, typowe dla wysokosprawnych, znacznie obciążonych kotłów wodnorurkowych przedstawiono na rys. 8.17. W kotle tym umieszczono łącznie sześć zdmuchiwaczy dwóch rodzajów.
Rys. 8.17. Rozmieszczenie zdmuchiwaczy sadzy w kotle wodno-rurkowym l, 2-zdmuchiwacze wysuwno-obrotowe; 3;4;5;6 — zdmuchiwacze obrotowe; 7 — pierwsza sekcja podgrzewacza wewnątrzkotłowego wody; 8 — druga sekcja podgrzewacza wewnątrz-kotłowego wody; 9 — trzecia sekcja podgrzewacza wewnątrzkotłowego wody; 10 — walczak parowo-wodny; 11 — przegrzewacz pary I°; 13 — przegrzewacze pary II°
Zdmuchiwacze l i 2 służą do zdmuchiwania sadzy i innych osadów z rurek przegrzewaczy pary 11, 12 obu stopni, znajdujących się w kanale spalinowym drugiego — wstępującego — przepływu spalin przedstawionego na rysunku strzałkami.
Zdmuchiwacz l umieszczony jest między rurkami pierwszego i drugiego stopnia przegrzewacza, zdmuchiwacz 2 natomiast nad rurkami przegrzewacza pierwszego stopnia.
Oba zdmuchiwacze są typu wysuwanego (por. rys. 8.19). W czasie pracy kotła rury robocze zdmuchiwacza znajdują się poza strumieniem spalin na zewnątrz kotła. Przy włączeniu zdmuchiwacza do pracy przesuwa się on w głąb kanału spalinowego. Z chwilą gdy końcówka z dyszami dla wylotu pary znajdzie się wewnątrz kanału, rozpoczyna się dolot pary zdmuchującej. Podczas wsuwania się w głąb kanału i podczas powrotu rura robocza wykonuje przez cały czas ruch obrotowy, a para dopływa w sposób ciągły.
Nieco inaczej przebiega praca zdmuchiwaczy górnych, zainstalowanych w rejonie wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody zasilającej. Dwa zdmuchiwacze sadzy 3, 4 osadzone są między drugą 8 i trzecią 9 sekcją rurek podgrzewacza wody, natomiast dwa pozostałe 5, 6 między pierwszą 7 i drugą 8 sekcją.
Rys. 8.18. Parowy zdmuchiwacz sadzy firmy Ciyde
l — główka rozpylająca; 2 — złącze rurowe; 3 — izolacja kotła; 4 — poszycie kotła; 5 — dolot powietrza; 6 — dolot pary; 7 — okna dolotowe pary; 8— korpus zdmuchiwacza; 9— śruba pociągowa; 10 — śruba zabezpieczająca przed włączeniem, 11 — łożysko oporowe; 12 — ślimacznica; 13 — nakrętka; 14 — śruba operowa; 15 — koło; 16 — uszczelka; 17 — tuleja
Zdmuchiwacze te osadzone są równolegle do osi walczaka parowo-wodnego 10 (w przeciwieństwie do zdmuchiwaczy l i 2) i znajdują się przez cały czas wewnątrz kanału spalinowego. Ze względu na to, że w rejonie podgrzewacza wody spaliny mają stosunkowo niską temperaturę (ok. 200°C), nie zachodzi niebezpieczeństwo uszkodzeń termicznych rury zdmuchiwacza.
W czasie pracy zdmuchiwaczy omawianego typu silnik elektryczny obraca rurę zdmuchiwacza, a jednocześnie odpowiednie krzywki włączają dopływ pary do zdmuchiwacza dwukrotnie w czasie każdego obrotu. Kąt zdmuchiwania zaznaczony jest na przekroju B—B linią osiową ze strzałkami i wynosi po 80° zarówno w sektorze górnym, jak i dolnym.
Rury zdmuchiwaczy osadzone są w uchwytach z otworami, których średnica jest o kilka milimetrów większa od- zewnętrznej średnicy rury zdmuchiwacza.
Na rys. 8.18 przedstawiony jest parowy zdmuchiwacz sadzy angielskiej firmy Clyde. Jest on umocowany w tulei osadzonej na zewnętrznej ścianie ochronnej kotła 4 i przechodzącej przez warstwę izolacyjną 3.
Zdmuchiwacz sadzy przedstawiony jest na rysunku w położeniu wyłączonym. Włączenie jego do pracy odbywa się następująco: przez obrót koła .15 uruchamiany jest ślimak osadzony na jego trzonie oraz ślimacznica 12 osadzona na trzonie śruby 9. Obracająca się w łożysku 11 śruba pociągowa 9 powoduje przesuwanie się korpusu zdmuchiwacza 8 w prawo. Gdy śruba oporowa 14 oprze się o kraniec wycięcia w tulei 17, okno 7 ustawi się naprzeciw rurociągu 6, doprowadzającego parę do zdmuchiwacza. Głowica rozpylająca l znajduje się wówczas wewnątrz kotła w położeniu roboczym. W tym momencie należy doprowadzić parę przewodem 6. Dalszy obrót kołem 15 powoduje obracanie się zdmuchiwacza dokoła własnej osi w sektorze, na jaki pozwala wycięcie w tulei 17, w którym przesuwa się śruba oporowa 14.
Po skończonym zdmuchiwaniu sadzy korpus zdmuchiwacza cofa się w położenie pierwotne, a końcówkę ochładza się powietrzem płynącym przez kanał 5. Uszczelnienia 16 służą do zabezpieczenia przed uchodzeniem pary i spalin na zewnątrz kotła.
Zdmuchiwacz sadzy przedstawiony na rys. 8.19 ma napęd elektryczny i przystosowany jest do pracy w układzie automatycznym zdmuchiwania sadzy. Jest to zdmuchiwacz firmy Babcock-Wilcox typu LKS 68E. Stosuje się go najczęściej do czyszczenia rurek przegrzewaczy pary (por. rys. 8.17 — poz. l i 2).
Rura robocza l zdmuchiwacza osadzona jest teleskopowo na rurze do-lotu pary 5. Jeden koniec rury l wchodzi do otworu w obudowie kotła, drugi zaś połączony jest z obudową napędu 16. Rura robocza jest ułożyskowana wewnątrz obudowy i może wykonywać względem niej ruch obrotowy.
Silnik elektryczny 5 osadzony jest na stałe na osłonie zdmuchiwacza i połączony przekładnią łańcuchową z kołem osadzonym na wspólnym wałku z kołem łańcuchowym 20. Łańcuch napędu zdmuchiwacza zaczepiony jest obustronnie do obudowy napędu 16, a następnie opasuje koła łańcucha 20 i 21 oraz koło 9 mechanizmu obrotu rury roboczej.
Po uruchomieniu silnika elektrycznego zostaje wprawione w ruch przez przekładnię łańcuchową koło 20, a tym samym łańcuch 7. Wskutek tego rura robocza 1 zaczyna zesuwać się z rury dolotu pary 3, a jej koniec wchodzi do komory przepływu spalin wewnątrz kotła. Jednocześnie rura robocza zaczyna się obracać wskutek obrotu koła 9, sprzęgniętego z nią przekładnią mechaniczną koła łańcuchowego 10 oraz koła łańcuchowego 11 osadzonego na rurze roboczej.
Z chwilą gdy obracająca się rura robocza wsunie się do komory przepływu spalin połączony z obudową napędu sworzeń 15 napędu krzywki przesunie się o odległość h1, (rys. 8.19) i krzywka 12 zacznie się wychylać wokół swej osi obrotu, pociągając przez drążek 13 dźwignię 14 napędu zaworu dolotowego pary 4. Grzybek zaworu 4 rozpocznie ruch ku dołowi, otwierając stopniowo dolot pary i w tym momencie rozpoczyna się proces zdmuchiwania sadzy z rurek przegrzewacza.
W miarę dalszego wsuwania się rury roboczej w głąb, dźwignia 14 naciska coraz bardziej trzon zaworu parowego 4 i zwiększa się odlot pary do zdmuchiwacza. Pełne otwarcie zaworu parowego nastąpi w momencie, gdy sworzeń 15 przebędzie drogę h2 i ustawi krzywkę 12 w położeniu jak na rys. 8.19c.
Przez cały okres, kiedy rura robocza wsuwa się w głąb komory spalania, przez dysze parowe 2 umieszczone na końcu rury przepływa para zdmuchująca i usuwa z rurek przegrzewacza wszelkiego rodzaju naloty i zanieczyszczenia, które częściowo wydmuchiwane są przez komin razem z parą i spalinami, częściowo zaś opadają w głąb komory spalinowej, w której znajdują się przegrzewacze i opisywane uprzednio zdmuchiwacze sadzy (por. rys. 8.17).
Jeśli zdmuchiwacz wysunie się na maksymalną długość w głąb komory przepływu spalin, odpowiedni kontakt przestawia kierunek obrotów silnika napędu zdmuchiwacza i rozpoczyna się proces odwrotny. Końcówka rury roboczej l z dyszami parowymi 2 cofa się na zewnątrz kotła ruchem złożonym z przesuwnego i obrotowego, a ponieważ zawór dolotu pary jest wciąż otwarty całkowicie, w dalszym ciągu trwa proces zdmuchiwania. Gdy końcówka rury l dochodzi do końca komory i zaczyna się chować w tulei dolotowej przechodzącej przez izolację i obudowę kotła, sworzeń 15 wchodzi z drugiej strony w kontakt z krzywką 12, powodując zwolnienie nacisku dźwigni 14 na trzon zaworu 4. Sprężyna podnosi zawór 4 ku górze, zamykając tym samym dolot pary.
Para robocza zdmuchiwacza sadzy typu przedstawionego na rys. 8.19 ma na dolocie do zaworu 4 ciśnienie równe ciśnieniu roboczemu kotła.
W przypadku kotła, którego szkic wraz ze zdmuchiwaczami sadzy pokazano na rys. 8.17, ciśnienie pary przed zaworem 4 wynosi 6,29 MN/m2 (64 kG/cm2). Wewnątrz zaworu ciśnienie to jest redukowane do wartości rzędu 1,8—1,57 MN/m2 (12—16 kG/cm2). Redukcja odbywa się przez odpowiednie ustawienie przesuwanego grzybka dławiącego 17 (rys. 8.19). Położenie grzybka dławiącego zabezpieczone jest śrubą 18. Temperatura pary roboczej powinna być nieco niższa od temperatury pary przegrzanej pobieranej z kotła. W danym przypadku wynosi ona 460°C przy temperaturze pary przegrzanej wynoszącej 515°C.
Para ta pobierana jest ze specjalnego ochładzacza pary (por. rozdz. 6.7). Prędkość przesuwu rury zdmuchiwacza wynosi 26 mm/s. Czas zdmuchiwania — 200 s. Rozchód pary w zdmuchiwaczu wynosi 145 kg/s. Moc silnika napędzającego wynosi 0,55 kW.
Rys. 8.20. Dławice uszczelniające przejścia zdmuchiwaczy sadzy przez obudowę i izolację kotła: a) dławica bezciśnieniowa; b) dławica z uszczelnieniem powietrznym; c) dławica labiryntowa z uszczelnieniem powietrznym; 1 — rura robocza zdmuchiwacza; 2 — rura osłony przejścia; 3 — dławica; 4 — komora powietrza uszczelniającego; 5 — pierścienie uszczelniające; 6 — pokrywa; 7 — uszczelnienie labiryntowe; 8 — obudowa;
W czasie, gdy zdmuchiwacz pary nie pracuje, jego wnętrze jest chłodzone powietrzem o niewielkim ciśnieniu doprowadzonym z rurociągu tłocznego dmuchawy kotłowej. Powietrze do wnętrza rury zdmuchiwacza dopływa przez zawór 19 (rys. 8.19).
Przy włączeniu pary roboczej jej ciśnienie (znacznie wyższe niż ciśnienie powietrza chłodzącego) zamyka zawór 19 i odcina dolot powietrza chłodzącego.
To samo powietrze jest czynnikiem uszczelniającym dla dławicy przelotu pary do zdmuchiwacza sadzy (w przypadku stosowania rozwiązania wg rys. 8.20b).
Uszczelnienie dławicowe 8 nie pozwala na wypływ pary na zewnątrz pomieszczenia siłowni podczas pracy zdmuchiwacza. Wnętrze komory spalinowej jest uszczelnione przeciw wydostawaniu się spalin z kotła lub pary podczas procesu zdmuchiwania.
Kilka rodzajów stosowanych dławic uszczelniających przejścia zdmuchiwaczy sadzy przez obudowę przedstawiono na rys. 8.20.
Rozwiązanie według rys. 8.20a z jednym pierścieniem 3 z elastycznego materiału stosuje się wówczas, gdy w przedziale kotłowym panuje nadciśnienie (por. rozdz. 1.2 oraz rys. 1.3d) lub gdy wewnątrz komory spalinowej panuje ciśnienie niższe od ciśnienia otoczenia (por. rozdz. 1.2 oraz rys. 1.3c).
W przypadku gdy w komorze spalania i komorach przepływu spalin panuje ciśnienie wyższe od ciśnienia w przedziale kotłowym — jak jest w olbrzymiej większości okrętowych siłowni parowych — stosuje się rozwiązanie pokazane na rys. 8.20b lub 8.20c.
W obu przypadkach do dławicy doprowadzone jest powietrze uszczelniające o ciśnieniu równym ciśnieniu powietrza nadmuchowego z dmuchaw kotłowych. Powietrze to, doprowadzone do komory 4, przepływa przez uszczelnienie 5 (lub labirynty 7) zarówno w stronę komory spalin, jak i na zewnątrz kotła. Strumień powietrza płynącego do komory spalin uniemożliwia przedostanie się spalin z wnętrza kotła do kotłowni.
W rozwiązaniu przedstawionym na rys. 8.20b w położeniu nieroboczym rura zdmuchiwacza jest tak ustawiona, że dysze parowe znajdują się wewnątrz komory 4. Powietrze uszczelniające wypełnia wówczas rurę zdmuchiwacza i nie pozwala ani na przedostanie się spalin na zewnątrz kotła, ani na ewentualne zanieczyszczenie dysz parowych.
W przypadku gdy położenie nierobocze zdmuchiwacza przedstawia się tak, jak na rys. 8.20c, istnieje możliwość zanieczyszczania dysz parowych rozmaitymi wtrąceniami, jak sadza, nie spalone lub niepalne cząstki znajdujące się w paliwie, popiół itp. Aby temu przeciwdziałać stosuje się podawanie powietrza uszczelniającego również do zaworu parowego zdmuchiwacza tak, aby przez dysze parowe przez cały czas, gdy zdmuchiwacz jest wyłączony z pracy, wydostawało się powietrze.
Podawanie powietrza do wnętrza rury zdmuchiwacza stosuje się również w przypadku rozwiązania, jak na rys. 8.20b, gdy dysze parowe w położeniu nieroboczym znajdują się poza komorą 4 wewnątrz rury 2 osłony przejścia.
W zasadzie każdy parowy zdmuchiwacz może pracować również na sprężone powietrze. Decyzja co do wyboru czynnika zależy od ogólnego bilansu cieplnego kotła i siłowni, jak również od skutków, jakie może za sobą pociągać kontakt chłodnego powietrza z gorącymi rurkami, które podlegają czyszczeniu. Aby ograniczyć zużycie powietrza, stosuje się urządzenie, powodujące włączenie zdmuchiwacza tylko w pewnych okresach i na bardzo krótki czas.
8.5. Kotłowe przyrządy kontrolno-pomiarowe.
Do dobrej kontroli pracy instalacji kotłowej konieczne jest stałe lub okresowe dokonywanie licznych pomiarów, w tym celu na kotle zainstalowane są przyrządy kontrolno-pomiarowe (rys. 8.21). Mierzą one:
ciśnienie wody zasilającej i pary,
temperaturę wody zasilającej i pary,
natężenie przepływu pary,
skład chemiczny (gęstość, zasolenie) wody zasilającej,
poziom wody w kotle,
skład chemiczny spalin,
stopień zadymienia itp.
Na pokazanym przykładowo, uproszczonym schemacie (rys. 8.21) mierzeniu podlegają następujące wielkości: paliwo (temperatura za podgrzewaczem, ciśnienie, natężenie przepływu), powietrze (temperatura za podgrzewaczem, ciśnienie), woda zasilająca (temperatura przed podgrzewaczem, skład chemiczny, natężenie przepływu, poziom w kotle), para (ciśnienie pary nasyconej, ciśnienie za przegrzewaczem, temperatura za przegrzewaczem, natężenie przepływu za przegrzewaczem) i spaliny (temperatura przed przegrzewaczem pary, temperatura za podgrzewaczem powietrza, skład chemiczny na wylocie).
W schemacie tym nie wzięto pod uwagę innych przyrządów pomiarowych służących do obserwacji prawidłowości procesu przygotowywania na przykład paliwa, wody itp. (temperatura paliwa przed podgrzewaczem, ciśnienie przed i za filtrem paliwa, ciśnienie i temperatura wody przed i za każdym stopniem podgrzewacza w siłowni itp.).
Rys. 8.21. Schemat instalacji przyrządów kontrolno-pomiarowych kotła okrętowego
W przypadku zainstalowania innych kotłów nowszej konstrukcji, zastosowania na kotle kompleksowej automatyki, siłowni bezwachtowej itp. schemat instalacji przyrządów kontrolno-pomiarowych kotła lub kotłów jest bardziej rozbudowany niż przedstawiony na rys. 8.21.
Aparatura kontrolno-pomiarowa jest najczęściej w takich przypadkach połączona z automatycznym systemem regulacji i zabezpieczeń rozmaitego rodzaju.
Do pomiaru ciśnienia używa się manometrów typu ogólnie stosowanego w przemyśle, do oznaczania temperatur — zarówno, termometrów rtęciowych (bezpośrednich), jak i elektrycznych (odległościowych).
Badanie jakości wychodzących z kotła spalin przeprowadzano w starszych typach kotłów za pomocą przyrządu optycznego, obserwując jedynie kolor spalin, na podstawie czego można było wnioskować o przebiegu procesu spalania w kotle. W nowszych, współcześnie budowanych kotłach instaluje się specjalne, samopiszące urządzenia pomiarowe, które notują w sposób ciągły zawartość CO2 w spalinach. Dokonuje się również okresowo chemicznych analiz próbek wody kotłowej i analiz próbek gazów spalinowych w aparatach Orsata lub innych.
Zasada pracy jednego z przyrządów do ciągłego badania zawartości CO2 w spalinach, czyli analizatora rejestrującego, oparta jest na właściwości różnej przewodności cieplnej powietrza i CO2. Jeden odcinek platynowego kalibrowanego drutu znajduje się w otoczeniu czystego podgrzanego powietrza, drugi — w strumieniu gazów spalinowych. Występująca wskutek różnicy przewodności cieplnej obu czynników różna temperatura dwóch odcinków drutu, a zatem i odmienna oporność elektryczna, jest podstawą do wyznaczenia zawartości Co2 w strumieniu spalin.
Rys. 8.22. Schemat analizatora spalin l — dozownik; 2 — przewód tłoczenia spalin; 3 — zbiornik z absorberem CO2; 4 — przewód spalin pozbawionych CO2; 5 — naczynie; 6 — dzwon pomiarowy; 7 — popychacz; 8 — pisak; 9 — zawór odlotu spalin
Innym — dość często stosowanym —:przyrządem do pomiaru zawartości CO2 w spalinach jest analizator, którego schemat przedstawiono na rys. 8.22.
Jest to analizator MONO firmy H. Maihak A.G. z Hamburga (RFN), zainstalowany — między innymi — w siłowniach polskich turbinowych zbiornikowców typu „Kasprowy Wierch".
Spaliny zasysane z przewodu kominowego dostają się do dozownika 1 o ściśle określonej objętości. Następnie przewodem 2 dawka spalin o znanej objętości przetłaczana jest do zbiornika 3 wypełnionego czynnikiem absorbującym znajdujący się w spalinach dwutlenek węgla. Podczas przepływu spalin przez czynnik dwutlenek węgla zostaje przezeń wchłonięty, a spaliny pozbawione dwutlenku węgla zostają wtłoczone do dozownika l, i następnie do wnętrza dzwonu pomiarowego 6 zanurzone w cieczy w naczyniu 5.
Objętość spalin, która dociera do dzwonu pomiarowego 6 jest mniejsza od objętości w dozowniku l o wartość równą objętości zaabsorbowanego dwutlenku węgla. Popychacz 7, zamocowany do dzwonu pomiarowego, przesuwa się w górę podczas procesu wypełniania dzwonu spalinami na wysokość, która jest proporcjonalna do objętości spalin pozbawionych dwutlenku węgla. Popychacz przesuwa w związku z tym ramię pisaka 8 o odpowiednią wartość, a pisak zakreśla kreskę (linia przerywana na rysunku), której długość jest proporcjonalna do wartości x = l—%CO2.
Po skończonym cyklu pomiaru, który trwa ok. 2 min., otwiera się zawór 9, spaliny wydostają się z wnętrza dzwonu pomiarowego 6 na zewnątrz wypychane ciężarem dzwonu 6 i cały cykl pomiaru powtarza się.
9. WYBRANE ZAGADNIENIA AUTOMATYZACJI OKRĘTOWYCH KOTŁÓW PAROWYCH.
Problem automatyzacji okrętowych kotłów parowych łączy się w ścisły sposób z automatyzacją systemu napędowego statku. Główne kotły parowe stanowią integralną część siłowni okrętowej i automatyzacji kotłów nie można traktować oddzielnie, w oderwaniu od zagadnień związanych z automatyzacją obsługi głównego silnika napędowego, którym jest turbina parowa, oraz w oderwaniu od automatyzacji różnorakich instalacji pomocniczych związanych funkcyjnie zarówno z turbiną, jak i kotłami.
Automatyzację głównych okrętowych kotłów parowych można zatem traktować jako automatyzację podsystemu w systemie napędowym, a ten z kolei jako podsystem w systemie nadrzędnym, jakim jest statek i jego eksploatacja.
Do zadań automatyzacji głównych okrętowych kotłów parowych (w zależności od stopnia zautomatyzowania siłowni) należą:
sterowanie zdalne procesami pracy kotła,
samoczynne utrzymywanie zadanych parametrów,
automatyczna kontrola instalacji obsługi,
sygnalizacja zakłóceń,
wybór i wykonanie odpowiednich przeciwdziałań w przypadku bądź wystąpienia zakłóceń, bądź zmiany zewnętrznych warunków wpływających na pracę obiektu automatyzacji,
prowadzenie automatycznej dokumentacji przebiegu eksploatacji (prowadzenie dziennika kotłowego, prowadzenie dziennika zakłóceń i dziennika manewrowego).
Przy eksploatacji okrętowych parowych kotłów pomocniczych zarówno stopień automatyzacji, jak i liczba zadań są z; reguły zdecydowanie różne od spotykanych w przypadku automatyzacji kotłów głównych i są zazwyczaj od nich znacznie prostsze.
9.1. Wytwarzanie pary na statku jako proces automatyzacji.
Obiektem automatyzacji okrętowych kotłów parowych jest bardzo szeroko pojęty proces wytwarzania pary. Proces ten — jako obiekt sterowania — dzieli się na dwa systemy główne i szereg systemów pomocniczych. Systemami głównymi są (rys. 9.1):
system spalania,
system parowo-wodny,
Rys. 9.1. Wytwarzanie pary w i kotle.
systemami pomocniczymi natomiast są:
system przygotowania paliwa (oczyszczanie, podgrzewanie itp.),
system przygotowania wody (podgrzewanie, odgazowanie, korygowanie składu chemicznego itp.),
system przygotowania powietrza (podgrzewanie, filtrowanie itp.),
system oczyszczania powierzchni kotła stykających się ze spalinami (zdmuchiwanie sadzy, spłukiwanie wodą w kotłach utylizacyjnych
itp.),
system kontroli jakości spalania itd.
Na zadania stawiane automatyzacji procesu wytwarzania pary w kotle wpływają zarówno czynniki zewnętrzne i wewnętrzne.
Czynniki zewnętrzne pochodzą od systemu nadrzędnego w stosunku do kotła. W przypadku okrętowych kotłów parowych systemem nadrzędnym jest statek. Czynnikiem zewnętrznym jest na przykład wymaganie produkowania pary w sposób ciągły i o określonych ściśle parametrach, takich jak ilość pary produkowanej w jednostce czasu oraz jej ciśnienie i temperatura.
Jednym z czynników wewnętrznych, wpływających na zadania stawiane automatyzacji procesu wytwarzania pary, jest na przykład wymaganie utrzymywania poziomu wody w pracującym kotle w pewnym zakresie poziomów, wymaganie dostarczania ściśle określonej ilości powietrza do spalania w celu uzyskania jak najbardziej ekonomicznej pracy kotła, wymaganie utrzymywania najkorzystniejszej i stałej lepkości podawanego do kotła paliwa itp.
Do zadań automatyzacji wynikających z rozszerzenia czynników nadrzędnych może należeć również wykonanie samodzielnego, bez udziału personelu obsługującego siłownię, uruchomienia kotła, zwiększanie ciśnienia pary w kotle i włączanie go do ruchu jak również zatrzymywanie i odstawianie kotła z pracy — zarówno w przypadkach naturalnej eksploatacji, jak i w przypadkach wystąpienia zagrożeń awaryjnych.
Automatyzacja poszczególnych procesów roboczych okrętowych kotłów parowych jest ze sobą ściśle powiązana, gdyż na przykład wielkości wyjściowe niektórych systemów są wielkościami wejściowymi innych systemów regulacji. Powiązania występują zarówno w układach pionowych, jak i poziomych — równoległych, tak że najczęściej mamy do czynienia z tzw. kompleksową automatyzacją pracy siłowni parowej z włączeniem automatyzacji pracy kotłów i turbin. Do kompleksowej automatyzacji włączone są niekiedy również procesy pomocnicze siłowni, takie jak np. praca wyparowników zasilanych np. parą zaczepową turbiny głównej, praca wirówek i podgrzewaczy paliwa itp.
Zautomatyzowanie regulacji procesów pracy kotłów okrętowych może w znaczny sposób polepszyć wyniki eksploatacyjne statku. Automatyzacja częściowa, a tym bardziej kompleksowa, umożliwia zmniejszenie liczebności załogi koniecznej do obsługi, a więc zmniejsza zarówno wydatki na utrzymanie i pensje, jak i koszt statku już w czasie budowy przez zmniejszenie liczby kabin. Poza tym automaty działają pewniej i niezawodniej od człowieka, na szybkość ich reakcji nie wpływa wysoka temperatura w przedziale maszynowym, kołysanie statku, hałas itp. Zapewnienie wreszcie stałości i poprawności parametrów pracy zwiększa sprawność kotłów, a więc zmniejsza zużycie i koszty paliwa.
W tym rozdziale omówione zostaną zasady automatycznej regulacji poszczególnych procesów pracy kotłów.
9.2. Podstawowe systemy regulacji automatycznej.
Automatyczna regulacja składa się z kilku kolejno po sobie następujących podstawowych czynności. W każdym układzie musi się znajdować urządzenie pomiarowe, które będzie mierzyło wartość parametru podlegającego regulacji, na przykład temperaturę, ciśnienie, natężenie przepływu, poziom itp. W wypadku odchyłki mierzonego parametru od pożądanej, ustalonej wartości, wychylenie przyrządu pomiarowego jest przetwarzane na impuls uruchamiający urządzenie regulujące dany parametr.
Regulacja automatyczna może być bezpośrednia lub pośrednia. Regulacja bezpośrednia polega na tym, że przyrząd pomiarowy uruchamia bezpośrednio urządzenie regulacyjne, a wartość odchyłki pomiarowej jest proporcjonalna do ruchu członu regulacyjnego. Stosowanie regulacji bezpośredniej jest bardzo proste w konstrukcji i obsłudze, często jednak okazuje się, że jest ona zbyt mało dokładna lub, że impulsy wysyłane przez przyrząd pomiarowy są zbyt słabe, aby w dostateczny sposób zapewnić prawidłowe ruchy członu regulacyjnego.
W wypadku regulacji pośredniej wskazania przyrządu pomiarowego powodują odpowiednie ustawienie członu wzmacniającego. Człon ten za pomocą dodatkowego źródła energii (sprężone powietrze, płyn pod ciśnieniem, prąd elektryczny) uruchamia siłownik, który steruje członem regulacyjnym.
Rozróżnia się trzy podstawowe grupy siłowników w zależności od stosowania czynnika roboczego. Są więc siłowniki o napędzie:
pneumatycznym,
hydraulicznym,
elektrycznym.
W siłownikach o napędzie pneumatycznym ciśnienie powietrza roboczego wynosi ok. 0,295—0,393 MN/m2 (3—4 kG/cm2). Do zalet tego rodzaju czynnika należy taniość, niepalność oraz prostota urządzeń i mechanizmów napędzanych, do wad — ściśliwość, która może spowodować zniekształcenia impulsów w wypadku powstawania dużych oporów (np. mechanicznych).
W siłownikach o napędzie hydraulicznym używa się oleju smarowego o lepkości 2—3°E przy temperaturze 50°C i ciśnieniu roboczym ok. 0,491—0,590 MN/m2 (5—6 kG/cm2).
Zaletą napędu hydraulicznego siłowników jest nieściśliwość dodatnio wpływająca na przekazywanie impulsów bez większych zniekształceń.
W urządzeniach automatycznej regulacji kotłów okrętowych do niedawna stosunkowo rzadko stosowane były siłowniki z napędem elektrycznym, ponieważ wszelkie urządzenia elektryczne są o wiele wrażliwsze i łatwiej ulegają uszkodzeniom (izolacja traci swe właściwości pod wpływem wysokich temperatur lub wilgoci) niż urządzenia pneumatyczne lub hydrauliczne.
W zależności od sposobu działania regulatory dzielą się na:
proporcjonalne P,
całkujące I,
proporcjonalno-całkujące PI,
proporcjonalno-różniczkujące PD,
uniwersalne PID wprowadzające działanie zarówno proporcjonalne, jak i całkujące i różniczkujące.
Regulatory proporcjonalne charakteryzują się tym, że ustawienie członu regulacyjnego zależy jedynie od wartości odchyłki regulowanego parametru i jest do niej proporcjonalne.
Regulatory całkujące cechuje zależność przesunięcia członu regulacyjnego nie tylko od wartości odchyłki regulowanego parametru, lecz również — i to w głównej mierze — od czasu trwania tej odchyłki.
Regulatory proporcjonalno-całkujące służą do wyeliminowania wad układu całkującego przez zapobieżenie możliwości zbyt daleko idącego przeregulowania, powodującego wahania. Urządzenia te charakteryzuje podatne sprzężenie zwrotne.
Regulatory proporcjonalno-różniczkujące przyspieszają działanie układów wprowadzających opóźnienia, natomiast w regulatorach uniwersalnych PID działanie różniczkujące przyspiesza odpowiedź układu.
9.3. Przykłady rozwiązań automatycznej regulacji pracy kotłów parowych.
Jak już wspomniano w rozdz. 9.1, w procesie wytwarzania pary na statku rozróżnia się system główny i systemy pomocnicze. W systemie głównym — mimo że stanowi on powiązaną wzajemnie całość eksploatacyjną —można rozróżnić następujące procesy składowe będące obiektem automatyzacji:
regulację ciśnienia pary w kotle,
regulację temperatury wytwarzanej pary,
regulację poziomu wody w walczaku parowo-wodnym (zwaną też regulacją zasilania kotła wodą),
regulację procesu spalania.
W dalszej kolejności zostaną opisane — z konieczności w sposób skrótowy — problemy automatyzacji poszczególnych procesów pracy kotła (rozdz. 9.3.1—9.3.4). Oddzielnego potraktowania wymagają zagadnienia związane z automatyzacją procesów pomocniczych kotła (rozdz. 9.3.5) oraz zagadnienia związane z kompleksową automatyzacją pracy głównych-okrętowych kotłów parowych (rozdz. 9.3.6).
Budowa tej książki uniemożliwia szersze omówienie poszczególnych rozwiązań automatycznej regulacji, dodatkowych zatem informacji na tematy poruszone w tym rozdziale należy szukać w publikacjach poświęconych automatyzacji okrętowych układów napędowych.
9.3.1. Automatyczna regulacja ciśnienia wytwarzanej w kotle pary.
Para wyprodukowana w walczaku parowo-wodnym kotła przepływa najczęściej przez rurociąg zbiorczy w walczaku i przez zawory odcinające dostaje się do rurek stanowiących powierzchnię ogrzewalną przegrzewacza, skąd pobierana jest przez odbiorniki. W zależności od rodzaju kotła para może przepływać kolejno przez przegrzewacz pierwszego stopnia, część z niej przez ochładzacz pary, a część przez drugi stopień przegrzewacza i następnie całość przez rurociąg poboru pary przegrzanej (rys. 9.2); możliwe są też inne rodzaje rozwiązań i przepływów pary. W czasie przepływu pary przez wymienione elementy powierzchni ogrzewalnej jej ciśnienie obniża się, a wartość spadku ciśnienia jest funkcją wartości przepływu pary (rys. 9.2b), a zatem chwilowej wydajności kotła. Ze względu na regulację ciśnienia pary w kotle istotne jest miejsce, w którym należy utrzymywać podczas pracy kotła stałe ciśnienie.
Przy automatycznej regulacji ciśnienia można założyć stałość ciśnienia pary bądź na wylocie z walczaka parowo-wodnego (pomiar ppn na rys.9.2a), bądź na wylocie z przegrzewacza (pomiar ppp na rys. 9.2a). Przy założeniu, że ciśnienie w walczaku parowo-wodnym ppn = const, wraz ze zmianą wartości przepływu pary, a więc i wydajności kotła, mamy do czynienia ze zmianą ciśnienia pary na wylocie z przegrzewacza (por. wykres na rys. 9.2c). W takim przypadku odbiornik pary (np. turbina napędu głównego) otrzymuje wraz ze zmianą obciążenia parę o zmiennym ciśnieniu, co nie jest korzystne dla jego pracy.
Rys. 9.2. Zależność ciśnienia pary od natężenia jej przepływu: a) schemat kotła z punktami pomiaru ciśnienia; b) zależność ciśnienia pary w kotle od natężenia przepływu; c) zależność ciśnienia pary przy regulacji z założeniem ppn = const; d) zależność ciśnienia pary przy regulacji z założeniem ppp = const.
Przy założeniu stałego ciśnienia na wylocie z przegrzewacza (ppp = const) odbiornik otrzymuje parę o stałym ciśnieniu niezależnie od obciążenia, jednakże wówczas w walczaku parowo-wodnym produkcja pary odbywa się przy wyższym ciśnieniu, którego wartość zależna jest od stopnia obciążenia kotła rys. 9.2d).
Schemat prostej automatycznej regulacji ciśnienia pary pokazano na rys. 9.3. Jest to jednoparametrowy układ regulacyjny, a sygnałem sterującym układem jest temperatura pary za przegrzewaczem, czyli w miejscu poboru pary z kotła. ,
Rys. 9.3. Schemat automatycznej jednoparametrowej regulacji ciśnienia w kotle; l — przyrząd pomiarowy i nadajnik sygnału sterującego; 2 — palnik; 3 — siłownik z urządzeniem sprzężenia zwrotnego; 4 — siłownik z urządzeniem sprzężenia zwrotnego; 5 — wzmacniacz sygnału z urządzeniem sumującym; 6 — nadajnik wartości zadanego ciśnienia;
Obiektem regulacji jest w tym przypadku ilość paliwa podawanego do palnika w jednostce czasu. Obniżenie ciśnienia na wylocie z kotła powoduje zwiększenie stopnia otwarcia zaworu 3, a więc zwiększenie intensywności opalania kotła.
Regulacja intensywności opalania kotła nie prowadzi jedynie do utrzymania stałego ciśnienia pary na wylocie z kotła, lecz również do utrzymania odpowiedniej do zmian obciążenia wydajności. Zwiększenie wydajności pociąga za sobą konieczność dostarczania do palników większej ilości paliwa, zmniejszenie natomiast powoduje zjawisko odwrotne. Również zmiana wydajności kotła wpływa na zakłócenia stałości ciśnienia.
Z powyższych powodów automatyczną regulację ciśnienia pary w kotle stanowi układ wieloparametrowy, w którym sygnałami sterującymi są zarówno wydajność chwilowa kotła D [kg/h], jak i ciśnienie pary przegrzanej ppp [MN/m2].
Uproszczony schemat dwuparametrowej regulacji ciśnienia (obciążenia) kotła pokazano na rys. 9.4. Sygnały sterujące, przekazane przez czujniki 5, 6 pomiaru natężenia przepływu pary oraz przyrząd pomiaru ciśnienia 4, przetwarzane są w przetwornikach 8 i 9 na sygnały elektryczne, które wprowadzane są do tzw. mieszacza 10 z urządzeniem sumującym otrzymywane sygnały. Do mieszacza 10 dopływa jeszcze sygnał sprzężenia zwrotnego pochodzący od położenia segmentu 13 sterującego już bezpośrednio stopniem otwarcia obrotowo-suwakowego zaworu paliwowego 2.
Rys. 9.4. Schemat automatycznej dwuparametrowej regulacji ciśnienia w kotle na turbinowcach typu „Kasprowy Wierch" l — palnik; 2 — obrotowo-suwakowy zawór paliwowy; 3 — zwężka pomiarowa; 4 — przyrząd pomiaru ciśnienia; 5, 6 — czujniki; 7 — zawór; s — przetwornik natężenia przepływu pary; 9 — przetwornik ciśnienia pary; 10 — mieszacz z urządzeniem sumującym; 11 — wzmacniacz; 12 — siłownik z urządzeniem sprzężenia zwrotnego; 13 — segment; 14 — dźwignia; 35 — krzywka do regulatora powietrza nadmuchowego
Sygnał wyjściowy z mieszacza 10 wzmocniony we wzmacniaczu -I-?, uruchamia siłownik IZ, który w tym przypadku jest dwufazowym silnikiem elektrycznym prądu przemiennego.
Zmiana położenia segmentu 13 pociąga za sobą również zmianę położenia krzywki 35, przesyłającej impuls do układu sterowania ilością powietrza nadmuchowego (por. rozdz. 9.3.4).
9.3.2. Automatyczna regulacja temperatury pary produkowanej w kotle.
Ze względów eksploatacyjnych istotna jest regulacja temperatury pary przegrzanej w miejscu jej poboru do zasilania głównego silnika napędowego (turbiny parowej), a więc na wylocie z ostatniego stopnia przegrzewacza. Automatyczną regulację temperatury pary przegrzanej stosuje się najczęściej w kotłach produkujących parę o wysokich parametrach (w granicach 470—525°C). Zastosowanie automatycznej regulacji zwiększa ekonomiczność pracy urządzenia kotłowego oraz głównej turbiny napędowej. Regulacja temperatury pary przegrzanej może odbywać się w dwojaki sposób. Jeden z nich nazywany jest potocznie gazowym, natomiast drugi — parowym.
Gazowa regulacja temperatury pary przegrzanej polega na tym, że przedmiotem regulacji jest ilość gazów spalinowych przepływająca w jednostce czasu przez obszar zajmowany przez rurki konwekcyjne przegrzewacza. Zmniejszenie ilości spalin opływających przegrzewacz powoduje zmniejszenie ilości ciepła przekazywanego w jednostce czasu, a więc prowadzi do obniżenia temperatury przegrzania.
Parowa regulacja temperatury pary przegrzanej polega na obniżeniu temperatury przegrzania uzyskanej w przegrzewaczu.
Rys. 9.5. Schemat automatycznej regulacji temperatury pary w kotle z działaniem po stronie spalin; l — podgrzewacz wody; 2 — przegrzewacz I°; 3 — przegrzewacz II°; 4 — międzystopniowy przegrzewacz pary; 5 — dodatkowy podgrzewacz wody; 6 — przyrząd pomiarowy pary przegrzanej i nadajnik sygnału sterującego; 7, 10 — wzmacniacz sygnału z urządzeniem sumującym; 8, 11 — siłownik z urządzeniem sprzężenia zwrotnego; 9 — przyrząd pomiarowy temperatury pary w przegrzewaczu międzystopniowym z urządzeniem sygnału sterującego; 12 — klapy sterujące regulacją temperatury pary przegrzanej; 13 — klapy sterująca regulacją temperatury pary w przegrzewaczu wtórnym; 14 — klapy osłonowe przegrzewacza wtórnego w czasie manewrów; 15 — klapa sterująca przepływem dodatkowym spalin; 16 — sygnał wartości zadanej temperatury pary przegrzanej i pary w przegrzewaczu międzystopniowym;
Obniżenie to osiąga się za pomocą:
natryskiwania pary podczas jej przegrzewania wodą zasilającą,
mieszania pary podczas jej przegrzewania (lub po zakończeniu przegrzewania) z parą nasyconą pobieraną bezpośrednio z walczaka parowo-wodnego,
ochładzania w ochładzaczu części pary przegrzanej, a następnie mieszania pary ochłodzonej z parą przegrzaną.
Schemat automatycznej regulacji temperatury pary po stronie spalin a więc sposobem gazowym przedstawiono na rys. 9.5. System ten zastosowano — między innymi — w kotle japońskiej firmy Kawasaki o ciśnieniu roboczym 10,30 MN/m2 (105 kG/cm2) i bardzo wysokiej temperaturze przegrzania 525°C. Wydajności tej serii kotłów wynoszą — w zależności od wielkości kotła — od 70 aż do 140 t/h.
Przedstawiony kocioł typu UFR ma trzy kanały przepływowe spalin. W pierwszym znajdują się: połowa podgrzewacza wody zasilającej, większość powierzchni ogrzewalnej przegrzewacza pary pierwszego stopnia i połowa przegrzewacza drugiego stopnia. W drugim kanale znajdują się: połowa podgrzewacza wody zasilającej, niewielka część przegrzewacza pierwszego stopnia, połowa przegrzewacza drugiego stopnia i wreszcie cała powierzchnia ogrzewalna międzystopniowego przegrzewacza pary po częściowym jej odpracowaniu w turbinie wysokiego ciśnienia.
W bocznym kanale spalin znajduje się drugi stopień podgrzewacza wody zasilającej 5.
Rys. 9.6. Schemat automatycznej regulacji temperatury pary drogą schładzania wtryskowego; 1 — podgrzewacz wody zasilającej; 2 — przegrzewacz I°; 3 — przegrzewacz II°; 4 — przyrząd pomiarowy temperatury pary przegrzanej z nadajnikiem sygnału sterującego; 5 — wzmacniacz sygnału z urządzeniem sumującym; 6 — siłownik z urządzeniem sprzężenia zwrotnego, 7 — zawór regulacyjny dopływu wody zasilającej; 8 — schładzasz wtryskowy; 9 — sygnał wartości zadanej temperatury pary przegrzanej na wylocie pary z kotła;
Wartość temperatury pary przegrzanej jest regulowana ustawieniem klap sterujących, natomiast klapy sterujące 13 sterują regulacją temperatury pary w przegrzewaczu międzystopniowym. Sygnałami sterującymi są impulsy pochodzące od przyrządów pomiaru temperatury 6 na wylocie pary z kotła oraz 9 na wylocie pary wtórnego przegrzewacza.
Klapy osłonowe 14 i klapa sterująca 15 służą do ustawienia przepływu spalin podczas manewrów turbiną, przy jeździe ze zmniejszoną mocą itp. Kocioł ten opisany jest szczegółowiej w rozdz. 10. Na rys. 9.6 przedstawiono schemat automatycznej regulacji temperatury pary przegrzanej przez schładzanie wtryskowe. Podobnie jak we wszystkich jednoparametrowych układach regulacji temperatury pary, sygnał sterujący pochodzi od temperatury pary opuszczającej ostatni stopień przegrzewacza. Obiektem regulowanym jest tu zawór 7 dopływu wody zasilającej do schładzacza wtryskowego 8.
Opisane urządzenia są raczej rzadko stosowane we współczesnych urządzeniach kotłów okrętowych. Częściej spotyka się układy regulacyjne polegające na mieszaniu pary przegrzanej opuszczającej pierwszy stopień przegrzewacza z parą nasyconą (rys. 9.7).
Rys. 9.7. Schemat automatycznej regulacji temperatury pary przez mieszanie pary przegrzanej z parą nasyconą; l — przegrzewacz I°; 2 — przegrzewacz II°; 3 — przyrząd pomiarowy temperatury pary przegrzanej w nadajniku sygnału sterującego; 4 — wzmacniacz sygnału z urządzeniem sumującym; 5 — siłownik z urządzeniem sprzężenia zwrotnego; 6 — zawór mieszankowy; 7 — sygnał wartości zadanej temperatury pary przegrzanej na wylocie pary z kotła;
Jednoparametrowy układ regulacji temperatury pary obarczony jest .znacznymi błędami wynikającymi ze zmian temperatury powodowanych zmianami obciążenia kotła, bowiem przy gwałtownym zwiększeniu poboru ilości pary z kotła następuje obniżenie temperatury pary za przegrzewaczem wskutek znacznego zwiększenia prędkości jej przepływu przez rurki przegrzewacza.
Sygnał sterujący, pochodzący od temperatury pary na wylocie z przegrzewacza, nadchodzi w takim przypadku z opóźnieniem i przez pewien okres turbina zasilana jest parą o obniżonym parametrze.
W układzie dwuparametrowym (rys. 9.8) do urządzenia sumującego wzmacniacza 11 dopływają sygnały z czujnika temperaturowego 5, czujnika natężenia przepływu 8, nadajnika wartości temperatury zadanej 10 oraz sygnał sprzężenia zwrotnego pochodzący od położenia zaworu regulacyjnego 4. Jeszcze większe dokładności regulacji można osiągnąć przy stosowaniu układów złożonych. Do takich należy między innymi układ kaskadowej regulacji przedstawiony schematycznie ha rys. 9.9. W rozwiązaniu tym właściwą wielkością regulowaną jest temperatura pary na wylocie z przegrzewacza tpp2, jednakże dodatkowo zmieniana jest wartość temperatury bezpośrednio na wlocie do przegrzewacza tpp1. Dzięki temu znacznie wcześniej ujmowane są zakłócenia dynamiczne (już w momencie wchodzenia do regulowanego obiektu), które można Wyregulować zanim wpłyną na wielkość regulowaną, czyli na temperaturę pary przegrzanej opuszczającej kocioł.
Rys. 9.8. Schemat automatycznej dwuparametrowej regulacji temperatury pary przegrzanej ochładzacza pary w układzie stosowanym w siłowni turbinowców typu „Kasprowy Wierch" l - przegrzewacz pary I°; 2 - ochładzacz pary; 3 - przegrzewacz pary II°- 4 - zawór regulacyjny temperatury pary przegrzanej z nadajnikiem sygnału sterującego; 6 - przetwornik sygnału temperatury; 7 - zwężka pomiarowa; 8 - czujniki pomiarowe; 9 - przetwornik natężenia przepływu pary; 10 - nadajnik wart temperatury zadanej; 11 - wzmacniacz z urządzeniem sumującym; 12 - siłownik z urządzeniem sprzężenia zwrotnego;
Rys. 9.9. schemat automatycznej kaskadowej jednoparametrowej regulacji temperatury pary przegrzanej; 1 - przegrzewacz pary I°; 2 - ochładzacz pary; 3 - przegrzewacz pary II°; 4 - przyrząd pomiarowy temperatury pary przegrzanej na wlocie do przegrzewach pary II°- 5 - przyrząd pomiarowy temperatury pary przegrzanej na wylocie z przegrzewacza pary II°. 6 -wzmacniacz z głównym urządzeniem sumującym; 7 - nadajnik wartości temperatury zadanej-8 - wzmacniacz z pomocniczym urządzeniem sumującym; 9 - siłownik z urządzeniem sprzężenia zwrotnego; 10 — zawór regulacyjny;
9.3.3. Regulacja poziomu wody w walczaku parowo-wodnym kotła.
Ze względów bezpieczeństwa poziom wody w walczaku parowo-wodnym pracującego kotła parowego powinien być możliwie stały, a jego wahania mogą być dopuszczalne jedynie w niewielkich granicach. Poziom wody w pracującym kotle określa bilans natężenia przepływu wyznaczonego natężeniami dopływu wody zasilającej do kotła Qzas i poboru produkowanej w kotle pary D (do ilości pary przy sporządzeniu szczegółowego bilansu przepływu należy dodać ilość wody usuwanej z kotła podczas procesu szumowania). Przy braku równowagi między Qzas oraz D parametr stanu, czyli poziom wody h, ulega zmianie. Prędkości zmiany poziomu wody są wprost proporcjonalne do różnicy natężeń przepływu i odwrotnie proporcjonalne do wartości akumulacyjnej kotła.
Regulacja poziomu wody w walczaku sprowadza się najczęściej do automatycznej regulacji zasilania. Powinna ona zapewniać w czasie pracy kotła podawanie odpowiedniej ilości wody zasilającej zależnej od wartości aktualnego poboru pary z kotła.
Dla ustabilizowanych obciążeń kotła masa podawanej do kotła wody zasilającej w jednostce czasu odpowiada masie pary pobieranej w tym samym czasie. Przy zmianach obciążenia zależność ta jest bardziej złożona, a zagadnienie to jest omówione szerzej w dalszej części tego rozdziału.
Od mechanizmów i urządzeń regulacji automatycznej wymaga się dużej niezawodności oraz odpowiedniej szybkości reagowania na impulsy, bowiem w nowoczesnych wysokociśnieniowych kotłach wodnorurkowych, których pojemność wodna jest stosunkowo niewielka, gwałtowne zwiększenie poboru pary oraz równoczesne opóźnienie na przykład zwiększenia zasilania może doprowadzić do katastrofalnego w skutkach obniżenia poziomu wody w górnym walczaku parowo-wodnym. Regulacja zasilania w zależności od poziomu wody w walczaku. Bezpośrednim skutkiem zakłócenia równowagi między ilością wody zasilającej Qzas dopływającej do walczaka w jednostce czasu a poborem pary D w takiejże samej jednostce czasu jest zmiana poziomu wody w walczaku. Przyjęcie wahań tego poziomu jako impulsu uruchamiającego działanie automatycznej regulacji zasilania sprowadza zagadnienie do prostej regulacji jednoparametrowej.
Schemat jednoparametrowego układu regulacji poziomu wody w walczaku przedstawiono na rys. 9.10. Zmiana poziomu wody powoduje powstanie sygnału sterującego w nadajniku l. Sygnał ten odbierany jest we wzmacniaczu 3 i po wzmocnieniu przekazywany jest do siłownika 4 ustalającego stopień dławienia zaworu zasilającego 2.
Rys. 9.10. Jednoparametrowy układ regulacji poziomu wody w walczaku parowo-wodnym pracującego kotła l — przyrząd pomiarowy i nadajnik sygnału sterującego; 2 — zawór regulacyjny; 3 — siłownik; 4 — wzmacniacz sygnału z urządzeniem sumującym;
Podniesienie poziomu wody w kotle pociąga za sobą zdławienie przepływu wody zasilającej przez zawór, obniżenie poziomu natomiast — nasilenie przepływu. Osiągana w ten sposób jakość regulacji jest niedoskonała i odpowiada jedynie dość ograniczonym wymaganiom.
Charakterystykę jednoparametrowej regulacji zasilania przedstawiono na rys. 9.11. W chwilę po nagłym zwiększeniu ilości pobieranej z kotła pary obserwuje się podwyższenie się poziomu wody.
Rys. 9.11. Charakterystyka jednoparametrowej regulacji zasilania: a) wydajność kotła D; b) intensywność .zasilania w kotle h; c) intensywność zasilania Qzas;
Zjawisko to polega na tym, że wzrost obciążenia kotła (a wobec tego niejednokrotnie równoczesny wzrost intensywności opalania) powoduje wzrost parowania, czyli wzrost ilości pęcherzyków pary w wodzie kotłowej. Ponieważ objętość właściwa pęcherzyków pary jest znacznie większa od objętości właściwej wody, następuje wzrost objętości właściwej mieszaniny wody z pęcherzykami pary. Zjawisko to połączone jest również z chwilowym spadkiem ciśnienia w kotle.
Podniesienie poziomu wody w kotle powoduje zmniejszenie zasilania. wskutek uruchomienia urządzenia wysyłającego impuls sterujący (np. urządzenia pływakowego). W tym momencie następuje więc znaczna dysproporcja między ilością pobieranej z kotła pary i podawanej do kotła wody. Pogłębia się ona dodatkowo wskutek zmniejszenia zasilania. Ta dysproporcja powoduje z kolei obniżenie poziomu wody w kotle, ponieważ jej część musi pójść, na uzupełnienie różnicy między zasilaniem i pobieraniem pary. Spadek poziomu wody uruchamia urządzenie pływakowe w odwrotnym kierunku i obserwujemy odtąd wzrost zasilania wskutek większego otwarcia zaworu zasilającego. Wzrost ten obrazuje wznoszenie się krzywej c (rys. 9.11).
Aby utrzymać wartość zasilania na poziomie odpowiadającym zwiększonej wydajności kotła, poziom wody musi się odpowiednio obniżyć, aby pływak znajdował się w niższym niż uprzednio położeniu. Z tego powodu przy regulacji zasilania systemem pływakowym mamy do czynienia z najwyższym, to jest maksymalnym poziomem wody w kotle, odpowiadającym minimalnej wydajności kotła i odwrotnie — minimalnym poziomem wody przy maksymalnej wydajności.
Powierzchnia zakreskowana na wykresie obrazuje ilość wody, jaka musi być pobrana z objętości znajdującej się w kotle w celu wyrównania różnic zachodzących między rozchodem pary i doprowadzeniem wody w pierwszym okresie następującym po nagłym wzroście obciążenia kotła. Przy spadku obciążenia występuje zjawisko odwrotne.
Praktyczna różnica między dolnym i górnym poziomem wody, wynikająca ze zmian wydajności pary, wynosi ok. l00 - 200 mm.
Nadajnikami impulsu sterującego pochodzącego od poziomu wody w kotle mogą być regulatory pływakowe, regulatory termo-hydrauliczne (por. rys. 9.12), urządzenia ze zbiornikiem kondensacyjnym (por. poz. 5— rys. 9.14) itp.
Regulatory pływakowe, będące regulatorami typu P, stosowane były przeważnie w kotłach o dużej objętości wodnej, gdzie nawet stosunkowo poważne zmiany ilości wody znajdującej się wewnątrz walczaka nie wpływają tak gwałtownie na zmianę poziomu wody, jak to występuje w kotłach o mniejszej objętości wodnej. Znajdowały więc one zastosowanie zarówno w głównych, jak i pomocniczych kotłach płomieniówkowych dawniejszych rozwiązań konstrukcyjnych; w obecnie produkowanych kotłach nie są stosowane.
W termo-hydraulicznej regulacji zasilania (rys. 9.12) jako źródło impulsu wykorzystywana jest energia cieplna pary oraz różnice między współczynnikiem przejmowania ciepła dla wody i pary. Przyrząd pomiarowy poziomu wody w kotle, nadający impulsy powodujące regulację zasilania kotła, składa się z dwóch rurek umieszczonych jedna wewnątrz drugiej. Rurka wewnętrzna 2 jest połączona przez zawory odcinające 3 i 4 z częścią parową i wodną walczaka l.
Rys. 9.12. .Schemat termo-hydraulicznej regulacji zasilania; l — walczak parowo-wodny; 2 — rurka wskaźnika poziomu; 3, 4 — zawory odcinające; 5 — obudowa wskaźnika; 6 — przewód do siłownika; 7 — króciec do uzupełnienia cieczy; 8 — siłownik; 9 — sprężyna; 10 —zawór regulacyjny; 11 — rurociąg zasilający;
W rurce tej znajduje się para i woda, której poziom równy jest poziomowi wody w walczaku. W szczelnej rurce zewnętrznej obudowy wskaźnika 5 znajduje się woda destylowana, której poziom jest nieco wyższy niż poziom w rurce 2 przy normalnej pracy kotła. Wnętrze rurki 5 jest połączone za pomocą przewodu 6 z siłownikiem 8, w którym znajduje się elastyczny metalowy mieszek falisty obciążony sprężyną 9.
Ponieważ w górnej części rurki 2 znajduje się para, przez metalową ściankę tej rurki przekazuje ona swe ciepło wodzie destylowanej zajmującej wnętrze rurki 5. Część tej wody paruje, a woda w przewodzie 6 pod wpływem wytworzonego ciśnienia naciska na mieszek w siłowniku 8. Mieszek połączony jest z trzonem, na którym osadzone są podwójne grzybki zaworu regulacyjnego 10 na rurociągu zasilającym 21.
Zmiany poziomu wody w rurce 2 powodują zmianę powierzchni, na której następuje przekazywanie ciepła od pary do wody destylowanej.
Powoduje to zmianę ciśnienia w rurce 5, a więc i zmianę nacisku wody w przewodzie 6 na mieszek siłownika 8, co z kolei zmienia wielkość przelotu w zaworze 10 w odpowiedni sposób (przy spadku poziomu wody w kotle następuje wzrost ciśnienia w rurce 5 i odwrotnie).
Ażeby uniknąć wpływu kołysania statku na zmiany poziomu wody w rurce 5, stosuje się dławienie przelotu pary w zaworze 3. Izolacja rurociągu doprowadzającego parę do przyrządu pomiarowego zapobiega stratom jej ciepła oraz ewentualnemu wykraplaniu.
Regulacja zasilania w zależności od poboru pary z kotła i poziomu wody w walczaku.
Regulacja zasilania, która jest zależna jedynie od poziomu wody w kotle (rys. 9.10 i 9.12), powoduje opóźnianie początku zwiększenia intensywności zasilania w stosunku do momentu zwiększenia wydajności kotła (rys. 9.11). Wskutek tego zachodzą zmiany poziomu wody w kotłach w zależności od wydajności kotła. Aby tego uniknąć, w kotłach o małej pojemności wodnej i dużych wydajnościach (wysokociśnieniowe współczesne kotły wodnorurkowe) stosuje się regulację zasilania zależną od wydajności kotła. W regulatorach tego typu główny impuls sterujący jest zależny od masowego natężenia przepływu pary, a jedynie dodatkowy impuls — korygujący — wynika z wysokości poziomu wody w kotle.
Regulacja taka jest typowym przykładem regulacji wieloparametrowej. Różnica natężenia poboru pary i natężenia zasilania podawana jest na regulator i umożliwia podporządkowanie ilości wody zasilającej aktualnie pobieranej ilości pary z kotła. Poziom wody musi być jednakże wprowadzony jako wielkość korekcyjna regulacji, zabezpieczająca kocioł przed nadmiernym, niebezpiecznym obniżeniem się tego poziomu i odsłonięciem elementów parownika narażonych na działanie gorącego strumienia spalin.,
Schemat wieloparametrowej regulacji zasilania kotła (poziomu wody w walczaku) przedstawiono na rys. 9.13. Taki rodzaj automatycznej regulacji wpływa decydująco na zmianę charakterystyki regulacji zasilania, usuwając nieprawidłowości tworzące regulacji jednoparametrowej (rys. 9.11). Charakterystykę regulacji wieloparametrowej (w tym przypadku dwuparametrowej) przedstawiono na rys. 9.15.
System regulacji dwuparametrowej przedstawiony jest na rys. 9.14. Do przestrzeni górnej nad membranę 2 dochodzi para o ciśnieniu panującym w rurociągu za przegrzewaczem 4, natomiast do przestrzeni środkowej, czyli pod membraną 2, dochodzi para o ciśnieniu panującym w kotle. Na membranę działa więc różnica ciśnień pary przed i za przegrzewaczem. Różnica ta jest zależna od kwadratu ilości przepływającej pary.
Rys. 9.13. Wieloparametrowy układ regulacji poziomu wody w walczaku parowo--wodnym pracującego kotła; l — Przyrząd pomiarowy i nadajnik sygnału sterującego; 2 — zawór regulacyjny; 3 — siłownik; 4 — wzmacniacz sygnału z urządzeniem sumującym;
Dolna membrana 3 służy do pomiaru zmian poziomu wody w kotle. Pomiar ten odbywa się następująco: Nad poziomem wody w walczaku parowo-wodnym umieszczone jest naczynie 5, służące do kondensacji pary dopływającej rurociągiem 7 połączonym z częścią parową walczaka 9. W naczyniu 5 utrzymuje się stale jeden poziom skroplin (zależny od wysokości rurociągu 8), ponieważ ich nadmiar przelewa się rurociągiem 8.
W połączeniach pokazanych na rys. 9.14 membrana 3 znajduje się pod wpływem różnicy poziomów wody H między naczyniem 5 i walczakiem 9. Zmiana poziomu wody w walczaku 9 (przy stałym poziomie wody w naczyniu 5) powoduje odpowiednie odkształcenie membrany 3.
Należy zaznaczyć, że początkowy wzrost poziomu wody w walczaku 9, spowodowany nagłym wzrostem wydajności kotła, a w związku z tym. wzrostem ilości pęcherzyków pary w wodzie (rys. 9.11), nie wpływa prawie w ogóle na zmianę położenia membrany 3, ponieważ w takim wypadku maleje gęstość wody w rurociągu 8. Zmniejszenie ciężaru właściwego wody w walczaku jest spowodowane większą ilością znacznie lżejszych pęcherzyków pary w wodzie kotłowej. Ciężarek 10 podwieszony pod membraną 3 służy do kompensacji nacisków między słupami wody w przewodach 6 i 8 przy normalnym poziomie wody w walczaku 9. Powiększa to czułość przyrządu pomiarowego. Membrany 2 i 3 połączone są ze sobą za pomocą sprężyny 12.
Rys. 9.14. Schemat regulacji zasilania sterowanej wydajnością kotła z poprawką. uwzględniającą poziom wody w kotle; l — przyrząd pomiarowy; 2, 3 — membrany; 4 — przegrzewacz pary; 5 — naczynie kondensacyjne; 6, 7, 8 — rurociągi; 9 — walczak parowo-wodny; 10 — ciężarek kompensacyjny; 11, 12 — sprężyna; 13 — cięgło; 14 — dysza uchylna; 15 — hydrauliczny człon wzmacniający; 16, 17 — przewody olejowe; 18 — tłok siłownika; 19 — siłownik; 20 — dźwignia; 21 — zawór regulacyjny; 22 — rurociąg zasilający; 23 — sprężyna regulacyjna;
Przez zastosowanie sprężyny 11 o specjalnej charakterystyce zmienia się zależność różnicy ciśnień pary przed i za przegrzewaczem od kwadratu ilości przepływającej pary na prostą zależność liniową, czyli odchylenie górnej membrany 2 staje się wówczas wprost proporcjonalne do wydajności kotła. Wychylenia membrany 2 przez sprężynę 12 i membrany 3 bezpośrednio przekazywane są za pomocą cięgła 13 na rurkę z dyszą 14 członu wzmacniającego 15, przez którą wypływa w sposób ciągły olej pod ciśnieniem. W zależności od wychylenia dyszy 14, w przewodzie 16 lub 17 wzrasta ciśnienie oleju, co powoduje przesunięcie się tłoka 18 siłownika 19 w górę lub w dół. Przez dźwignię 20 trzon siłownika uruchamia trzon zaworu regulacyjnego zasilania 21, umieszczonego na rurociągu zasilającym 22. Dźwignia wraz ze sprężyną 23 służy do podatnego sprzężenia zwrotnego siłownika i członu wzmacniającego impulsy przekazywane przez membrany 2 i 3. Naciągiem sprężyny 23 można regulować utrzymywany poziom wody w kotle.
W opisanym systemie regulacyjnym początkowy impuls zależy od zmiany wydajności kotła. Impuls ten zapewnia podawanie do kotła ilości wody masowo równej masowemu natężeniu przepływu pary. Poziom wody przekazuje impuls poprawkowy. Ten system regulacji utrzymuje stały poziom wody przy różnych wydajnościach kotła i reaguje w bardzo krótkim czasie na niewielkie nawet zmiany zachodzące w poborze pary. W przeciwieństwie do systemów opisanych uprzednio, gdzie następują znaczne opóźnienia w działaniu regulatora w stosunku do zmiany natężenia przepływu pary i gdzie zachodzi w początkowym okresie znaczna różnica między ilością pobieranej pary oraz dostarczanej do kotła wody, mamy tu do czynienia niemal z natychmiastowym nadążaniem zasilania za wartością poboru. Zakreskowane pole między krzywymi l i 3 (rys. 9.15), obrazujące różnice między dwoma tymi wielkościami, ma bardzo małą powierzchnię i zależy tylko od bezwładności mechanizmów wchodzących w skład urządzenia regulacyjnego (por. opis rys. 9.11).
Rys. 9.15. Charakterystyka wieloparametrowej regulacji zasilania l — wydajność kotła D[kg/h]; 2 — poziom wody w kotle h [mm.]; 3 — wielkość zasilania Q[kg/h]
Jak wynika z wykresu, poziom wody w walczaku parowo-wodnym jest stały i nie zależy od wydajności kotła. Wartość zasilania nadąża prawie natychmiast ze zmianą wydajności.
Przedstawiona na rys. 9.16 regulacja poziomu wody w kotle jest również regulacją dwuparametrową. Parametrem głównym jest tu wydajność kotła D [kg/h] mierzona w miejscu poboru pary na zwężce pomiarowej 5, natomiast parametrem pomocniczym, korekcyjnym — poziom wody w walczaku parowo-wodnym kotła.
Oba sygnały sterujące przetwarzane są w przetwornikach 10 i 11 na sygnały elektryczne, które dopływają do tzw. mieszacza 13, do którego dopływa również sygnał sprzężenia zwrotnego pochodzący od położenia siłownika ustalającego położenie zaworu regulacyjnego 20. W przypadku awarii układu automatycznej regulacji można przejść na sterowanie ręczne, przestawiając przełącznik 18. Poszczególne elementy automatyki zasilane są energią elektryczną o napięciach: 220 V, 165 V oraz 20 V.
Rys. 9.16. Automatyczna dwuparametrowa regulacja poziomu wody w kotle na turbinowcach typu „Kasprowy Wierch"; l — walczak parowo-wodny kotła; 2 — zbiornik kondensacyjny; 3, 4 — przewody; 5 — zwężka pomiarowa; 6, 7 — czujniki; 8, 9 — zawory; 10 — przetwornik natężenia przepływu pary; 11 — przetwornik poziomu wody; 12 — transformator zasilania; 13 — mieszacz; 14 — zasilacz; 15 — wzmacniacz; 16 — wskaźnik położenia; 17 — przełącznik „mniej—więcej"; 18 — przełącznik „praca automatyczna — sterowanie ręczne"; 19 — siłownik; 20 — zawór regulacyjny zasilania;
9.3.4. Automatyczna regulacja spalania.
Głównym zadaniem układów regulacji spalania jest przyporządkowanie odpowiedniej ilości powietrza podawanej do spalania ilości paliwa w celu uzyskania jak najkorzystniejszych warunków spalania przy danym obciążeniu kotła.
Zagadnienie określenia jakości spalania nie jest proste. Najlepszym kryterium wyznaczającym optymalny przebieg procesu spalania jest aktualna Sprawność kotła. Jednakże ponieważ sprawność zależy od obciążenia kotła, a poza tym niemożliwy jest bezpośredni jego pomiar podczas pracy kotła dla określenia jakości spalania, stosuje się metody pomiarów pośrednich. Do nich należy pomiar procentowego udziału O2 lub CO2 w spalinach i wyznaczenie aktualnej wartości nadmiaru powietrza λ.
Najczęściej w automatycznej regulacji spalania stosuje się — jako sygnały wejściowe — takie wartości, jak natężenie przepływu paliwa podawanego do palnika lub natężenie przepływu pary. Za miarę natężenia przepływu paliwa można w pewnym przybliżeniu stosować stopień otwarcia zaworu paliwowego przy założeniu, że ciśnienie podawanego paliwa jest wartością stałą.
Wartościom sygnałów wejściowych w regulacji spalania podporządkowane jest natężenie przepływu powietrza podawanego do paleniska.
Schemat prostej automatycznej regulacji spalania pokazano na rys. 9.17. W układzie tym mierzone są dwie wartości: ilość podawanego paliwa Qpal [kg/h] oraz ilość dopływającego powietrza wynikająca z pomiaru różnicy ciśnień w kanale nadmuchowym ppow i komorze paleniskowej pkp. Zazwyczaj w systemach automatycznej regulacji spalania stosowanych na współcześnie budowanych statkach mamy do czynienia .ze znacznie bardziej rozbudowanym wieloparametrowym układem.
Rys. 9.17. Schemat automatycznej regulacji spalania (regulacja stosunku paliwa i powietrza) l — palnik; 2 — zawór paliwowy; 3 — przyrząd pomiarowy natężenia przepływu paliwa; t — przyrząd pomiarowy ciśnienia powietrza; 5 — przyrząd pomiarowy ciśnienia w komorze paleniskowej; 6 — wzmacniacz z urządzeniem sumującym; 7 — siłownik z urządzeniem sprzężenia zwrotnego; 8 — przepustnica regulacyjna;
Jeden z takich układów, podobny do stosowanego na turbinowcach typu „Kasprowy Wierch", pokazano na schemacie rys. 9.18. Sygnał sterujący ilością podawanego paliwa pochodzi od natężenia przepływu pary (przyrząd pomiarowy 7) i ciśnienia pary przegrzanej (przyrząd pomiarowy 8). Oba sygnały ulegają przetworzeniu na wielkości elektryczne w przetwornikach 28 oraz 19 i po wzmocnieniu uruchamiają siłownik 17. Siłownik nastawia obrotowo-suwakowy zawór paliwowy 2 i jednocześnie krzywkę 20 w położenie, które jest obrazem wielkości otwarcia zaworu 2. Czujniki 9 i 10 mierzą różnicę ciśnienia paliwa przed i za zaworem 2, a odbierane przez nie impulsy ustawiają zawór paliwowy 3 tak, aby w zaworze 2 był utrzymywany stały spadek ciśnienia. Dzięki temu stopień otwarcia zaworu 2 jest miarą natężenia dopływu paliwa.
Rys. 9.18. Schemat wieloparametrowej automatycznej regulacji spalania l — palnik; 2 — zawór obrotowo-suwakowy; 3 — zawór paliwowy; 4 — podgrzewacz paliwa; 5 — zawór przelewowy; 6 — pompa paliwowa; 7 — przyrząd pomiarowy natężenie przepływu pary; 8 — przyrząd pomiarowy ciśnienia pary przegrzanej; 9 — przyrząd pomiarowy ciśnienia paliwa przed zaworem; 10 — przyrząd pomiarowy ciśnienia paliwa za zaworem; 11 — przyrząd pomiarowy natężenia przepływu powietrza; 12 — przyrząd pomiarowy zawartości tlenu w spalinach; 13 — przyrząd pomiarowy ciśnienia paliwa za podgrzewaczem; 14 — przyrząd pomiarowy stopnia otwarcia zaworu obrotowo-suwakowego; 15 — przepustnica regulacyjna; 16 — wzmacniacz sygnału z urządzeniem sumującym; 17 — siłownik; 18 — przetwornik sygnału wydajności kotła; 19 — przetwornik sygnału ciśnienia kotła; 20 — mechanizm krzywkowy; 21 — nadajnik zadanego stosunku powietrza do paliwa;
Rys. 9.19. Schemat działania automatycznej hydraulicznej regulacji opalania kotła l — kocioł; 2 — przegrzewacz; 3 — główny rurociąg parowy; 4 — rurociąg pomiarowy; 5 — mieszek falisty; 6 — przyrząd pomiarowy; 7 — dźwignia; 8 — sprężyna; 9 — dźwignia; 10 — cięgło; 11 — dysza; 12 — człon wzmacniający; 13, 14 — przewody olejowe; 15 — sprężyna; 16 — siłownik; 17 — tłok siłownika; 18 — sektor zębaty; 19 — wałek z zębatką; 20 — dźwignia; 21— zawór regulacji paliwa; 22 — rurociąg paliwowy; 23,24 — krzywki; 25 — rolka z cięgłem; 26 — dysza wychylna; 27, 29 — przewód olejowy; 28 — tłok; 30 — zawór dławiący; 31 — tłok siłownika; 32 — dźwignia; 33 — zawór regulacyjny dolotu pary do turbiny napędzającej dmuchawę; 34 — przewód parowy; 35 — turbina dmuchawy; 36 — dmuchawa; 37 — cięgło; 38 — membrana; 39 — regulator membranowy; 40, 41 — rurociągi dolotowe powietrza do regulatora membranowego; 42 — przewód powietrza do kotła; 43 — sprężyna; 44 — rurka pomiarowa;
Sygnał z przyrządu 14 przekazywany jest do urządzenia sumującego układu napędowego przepustnicy regulacyjnej 15 wstawionej w kanał powietrza nadmuchowego. Urządzenie sumujące otrzymuje również sygnały z nadajnika założonej wartości nadmiaru powietrza 21 przyrządu 11 mierzącego natężenie przepływu powietrza oraz sygnał kontrolny pomiaru ilości tlenu w spalinach opuszczających kocioł.
W zależności od dochodzących do urządzenia sumującego sygnałów, przepustnica 15 ustawia się w odpowiednim położeniu, regulując ilość podawanego do kotła powietrza.
W niektórych rozwiązaniach regulowana jest jeszcze dodatkowo wydajność wentylatorów podających powietrze (por. opis rys. 9.19).
Na rys. 9.19 przedstawiony jest schemat działania automatycznej hydraulicznej regulacji ilości podawanego paliwa oraz powietrza do palników. Jest to konstrukcja firmy Askania (RFN).
Para wyprodukowana w kotle l — po przejściu przez przegrzewacz 2 — dostaje się do rurociągu dolotowego 3 silnika głównego (turbiny parowej). Przez rurociąg 4 ciśnienie pary działa na mieszek falisty 5 przyrządu pomiarowego 6. Mieszek jest utrzymywany w położeniu zerowym przy normalnym ciśnieniu pary w przewodzie S za pomocą sprężyny 8 i dźwigni dwuramiennej 7. Na przykład, jeśli w rurociągu 3 spadnie ciśnienie pary, dno mieszka uniesie się do góry i dźwignia 7 dokona niewielkiego obrotu dokoła środkowego punktu zamocowania. Wówczas uruchomiona zostanie dźwignia 9 i cięgło 10 przesunie rurkę z dyszą 11 wewnątrz członu wzmacniającego 12 w lewo. Doprowadzony do wnętrza rurki olej dostanie się przewodem 13 nad tłok 17 siłownika 16, natomiast olej spod tłoka zostanie wypchnięty przewodem 14. Tłok 17 przesunie się w dół i dźwignia 20 spowoduje większe otwarcie zaworu 21 umieszczonego na rurociągu dolotowym 22 paliwa do palników, a tym samym zwiększy się intensywność palenia i wzrośnie ciśnienie pary.
W trakcie tych czynności sektor zębaty 18 przesunie w górę wałek 19, na którym zamocowane są dwie krzywki. Krzywka 23 — przez rolkę i cięgło ze sprężyną 15 — powoduje powrót rurki z dyszą 11 do zerowego położenia, a tym samym przerywa proces regulacji i pozostawia nowy stopień otwarcia zaworu 21.
Krzywka 24 na wałku 19 wprawia w ruch (przez rolkę z cięgłem 25 i sprężyną) rurkę z dyszą 26. Przy ruchu rurki w prawo przewodem 27 dostaje się olej nad lewą stronę tłoka 28. Wówczas zaczyna się on poruszać w prawo i wytłacza olej z prawej strony do cylindra siłownika przez przewód 29. Wskutek tego tłok siłownika 31 przemieszcza się w lewo i dźwignia 32 powoduje większe otwarcie zaworu 33 regulującego dopływ pary rurociągiem 34 do turbiny 35 napędzającej dmuchawę 33. Dmuchawa zaczyna się szybciej obracać, podając większą ilość powietrza wobec zwiększonej ilości paliwa.
Ponieważ od chwili nadania impulsu do regulatora do momentu zwiększenia ilości podawanego powietrza musi upłynąć pewien czas wskutek znacznej bezwładności dmuchawy, i mogłoby nastąpić przeregulowanie pociągające za sobą stopniowo zanikające wahania ciśnienia pary w kotle przez dłuższy okres, więc przez cięgło, 37 i regulator membranowy 39 rurka z dyszą 26 zostaje cofnięta w swoje położenie zerowe tak, że ustaje proces dalszego otwierania zaworu 33 dolotowego pary do turbiny dmuchawy,
Wskutek wzrostu prędkości obrotowej dmuchawy wzrasta prędkość i ciśnienie powietrza w przewodzie 42 i rośnie też różnica ciśnień po obu stronach membrany 38. Sprężyna 43 powoduje wówczas cofnięcie tłoka 28 w jego średnie położenie, co ułatwione jest przez zastosowanie zaworu dławiącego 30, łączącego przestrzenie nad i pod tłokiem 28. Przy wzroście ciśnienia w rurociągu 3 opisane zjawiska zachodzą w odwrotnym kierunku.
9.3.5. Automatyczna regulacja pomocniczych procesów obsługi kotłów.
W nowych siłowniach okrętowych automatyzacji podlegają nie tylko główne, lecz również pomocnicze procesy pracy kotła, do których można na przykład zaliczyć automatyzację:
pomiarów i kontroli jakości wody zasilającej oraz jej oczyszczania,
regulacji temperatury wody zasilającej na poszczególnych stopniach podgrzewania,
dokonywania pomiarów i analiz produktów spalania,
przebiegu oczyszczania rurek kotłowych z sadzy itp.
Ze względu na ograniczoną objętość tej książki nie jest możliwe opisanie wszystkich automatycznych systemów regulacyjnych stosowanych przy obsłudze kotłów okrętowych. Niżej podano przykłady jedynie dwóch takich systemów,
Regulacja temperatury paliwa. Schemat automatycznej regulacji temperatury paliwa pokazano na rys. 9.20. Paliwo przez zawór trójdrożny l o przelocie L przechodzi przez jeden z dwóch filtrów 2, następnie przez drugi zawór 3 do podgrzewacza 4. Na rurociągu odlotowym z podgrzewacza umieszczony jest przyrząd pomiarowy temperatury 8, który przekazuje impulsy otrzymywane wskutek zmian temperatury do siłownika pneumatycznego z zaworem 5. Zawór ten reguluje ilość podawanej do podgrzewacza pary, a zatem i wysokość temperatury. Zawory 7 służą do wyłączenia automatycznej regulacji podgrzewania paliwa.
We współczesnych rozwiązaniach sygnałem sterującym temperaturą paliwa jest najczęściej lepkość paliwa. Oczywiście, w skład takiej instalacji wchodzi również wiskozymetr.
Rys. 9.20. Schemat automatycznej regulacji temperatury paliwa
l, 3 — zawór; 2 — filtr; 4 — podgrzewacz; 5 — zawór regulacyjny z siłownikiem pneumatycznym; 6 — rurociąg pary grzewczej; 7 — zawory omijające; 8 — przyrząd pomiarowy;
Regulacja urządzenia zdmuchującego s a d z e. Zdmuchiwanie sadzy jest bardzo ważną czynnością w obsłudze kotłów parowych. Dokładność i poprawność wykonania tej czynności wpływa na jakość wymiany ciepła oraz na wartość strat pary, a więc i strat wody zasilającej w wypadku stosowania zdmuchiwaczy parowych.
Na rys. 9.21 przedstawiony jest schemat instalacji automatycznej regulacji pneumatycznych zdmuchiwaczy sadzy. Przez zawór 2, a następnie filtr 3 powietrze z butli dostaje się do niewielkiego zbiornika l oraz do rurociągu 12, oczekując w nim przed automatycznie sterowanymi zaworami dolotowymi do poszczególnych zdmuchiwaczy sadzy w kotle (np. a, b, c itp.).
Ciśnienie sprężonego powietrza działa również na falisty mieszek urządzenia 6 sterującego położeniem zaworu 5, powodując jego otwarcie. Wobec tego powietrze dostaje się do dolnej komory siłownika 4, naciska na membranę i odcina dolnym grzybkiem środkową komorę od atmosfery, górnym zaś otwiera przelot z górnej komory do środkowej.
Rys. 9.21. Schemat urządzenia regulacyjnego zdmuchiwacza sadzy: a), b), c) — zdmuchiwacze sadzy; l — zbiornik powietrza; 2 — zawór; 3 — filtr powietrza; 4 — siłownik; 5 — zawór regulacyjny; 6 — urządzenie sterujące; 7 — rozdzielacz; 8, 10 — obrotowy mechanizm tłokowy; 9 — przewód powietrzny; 10 — mechanizm tłokowy otwarcia zdmuchiwacza; 12 — rurociąg powietrza roboczego; 13, 14 — koło zapadkowe; 15 — zawór gwizdka; 16 — zbiornik oleju; 17 — rezerwowy zbiornik oleju; 18 — gwizdek;
Dzięki temu powietrze dochodzi nad tłok mechanizmu tłokowego 8 oraz do zbiornika oleju 16. Tłok 8 przesuwa się w dół, a związana z jego trzonem zapadka obraca koło zapadkowe 13 o część obwodu równą ilości zębów naciętych na kole. Obrót koła 13 i związanego z nim rozdzielacza 7 powoduje włączenie do pracy odpowiedniego zdmuchiwacza sadzy (w tym wypadku zdmuchiwacza a). Olej ze zbiornika 16 pod wpływem ciśnienia sprężonego powietrza przechodzi przez rozdzielacz 7 i naciska na tłoki 10 i 11 zdmuchiwacza sadzy a. Tłok 10 powoduje obrót roboczy dyszy zdmuchiwacza sadzy, a tłok 11 otwiera w tym samym czasie dolot sprężonego powietrza z rurociągu 12 do dyszy zdmuchiwacza.
W, ten sposób rozpoczyna się właściwa praca zdmuchiwacza. Trwa ona ok. l s. Wraz z ucieczką pewnej ilości powietrza spada ciśnienie w rurociągach, co powoduje powrót zaworu 5 w położenie początkowe, połączenie przewodu 9 z atmosferą i powrót tłoków 10 i 11 pod wpływem działania sprężyn w ich górne położenie. W takim momencie działa presostat uruchamiający sprężarkę i ciśnienie obiegu podnosi się. Kiedy osiągnie ono odpowiednią wysokość, cały cykl pracy rozpoczyna się od nowa, z tym że włączony zostaje tym razem zdmuchiwacz b, potem c itd. Okres między cyklami pracy trwa ok. l min i obejmuje kolejno wszystkie zdmuchiwacze sadzy. Po pełnym obrocie koła 13 zaczynają się od początku włączać zdmuchiwacze a, b itd. i operacja ta będzie powtarzać się dopóty, dopóki będzie otwarty zawór 2.
Dla kontroli pracy urządzenia w czasie każdego kolejnego włączenia poszczególnego zdmuchiwacza otwiera się zawór 15 i włącza się gwizdek umieszczony nad nim. Zbiornik 17 służy do uzupełnienia ubytków oleju.
Ciśnienie powietrza w opisanym przykładzie wynosi 0,884 MN/m2 (9 kG/cm2), a wydajność sprężarki — ok. 3 m3/min.
Powietrze jako czynnik podawany do zdmuchiwaczy sadzy jest rzadko stosowany ze względu na trudności związane z jego sprężaniem i magazynowaniem (duże butle) oraz na niekorzystne ochładzanie materiału wewnątrz kotła w czasie zdmuchiwania sadzy. Obecnie stosuje się w tym celu prawie wyłącznie parę, której ubytki łatwo są kompensowane dzięki produkowaniu wody destylowanej w wyparownikach okrętowych.
Proces zdmuchiwania sadzy jest najczęściej realizowany przez elektroniczny układ sterowania, który kieruje kolejnością i czasem włączania poszczególnych zdmuchiwaczy. Siłowniki otwierania zaworów są najczęściej typu elektrycznego, rzadziej pneumatyczne lub hydrauliczne.
9.3.6. Kompleksowa automatyzacja okrętowych kotłów parowych.
Jak już wspomniano na początku rozdz. 9, współczesne okrętowe siłownie parowe objęte są najczęściej kompleksową automatyzacją kotłów parowych. Praca głównych kotłów (najczęściej dwóch w siłowni — rzadziej jednego — por. rozdz. l) jest w tych systemach całkowicie zautomatyzowana i powiązana z aktualnym obciążeniem całej siłowni. Wszystkie procesy obsługi kotłów są wzajemnie współzależne i powiązane.
Rys. 9.22. Uproszczony schemat kompleksowej automatycznej regulacji pracy kotła wg układu na statkach z napędem turbinowym typu „Kasprowy Wierch"
Przykładem takiej automatyzacji może być uproszczony schemat przedstawiony na rys. 9.22, gdzie automatyzacji podlegają:
instalacja paliwowa,
instalacja powietrza,
instalacja zasilania,
instalacja utrzymywania odpowiednich parametrów produkowanej pary (ciśnienia i temperatury).
W nowych, całkowicie zautomatyzowanych siłowniach parowych w zakres automatyzacji kotłów wchodzą również procesy uruchamiania kotłów, włączania ich do pracy, zatrzymywania awaryjnego i normalnego oraz wyłączania z eksploatacji, czyli tak zwanego odstawiania kotłów.
Wskutek złożoności tych procesów jak również przepisów instytucji klasyfikacyjnych oraz ze względów bezpieczeństwa automatyzacja wyżej wymienionych procesów jest bardzo skomplikowana i wymaga stosowania układów sterowań uwarunkowanych. Pełne programy każdego procesu podzielone są zazwyczaj na dużą liczbę podporządkowanych naczelnemu systemowi podprogramów.
Przykładem złożoności tych problemów może być uproszczony schemat operacyjny podprogramu uruchamiania palnika kotłowego w czasie rozpalania kotła (rys. 9.23).
Rys. 9.23. Uproszczony schemat operacyjnego podprogramu uruchamiania palnika kotłowego
10. PRZEGLĄD KOTŁÓW OKRĘTOWYCH PRODUKOWANYCH W POLSCE.
Po zapoznaniu się z teoretycznymi wiadomościami dotyczącymi okrętowych kotłów parowych należy 2aznajomić się z niektórymi współcześnie konstruowanymi kotłami używanymi w budownictwie okrętowym.
Omawiane w tym rozdziale kotły produkowane są w Polsce i instalowane na statkach wykonanych w stoczniach polskich dla krajowych i zagranicznych armatorów.
10.1. Kocioł pomocniczy wodnorurkowy typu VX.
Kocioł pomocniczy wodnorurkowy VX3 (rys. 10.1) z opłomkami pionowymi opalany paliwem płynnym, wytwarzający parę nasyconą, produkuje Stocznia im. Lenina w Gdańsku.
Charakterystyka kotła: wydajność (nominalna/maksymalna) — 1,8 t/h (2,4 t/h), ciśnienie pary 0,688 MN/m2 (7 kG/cm2), powierzchnia ogrzewalna — 62,68 m2, natężenie powierzchni ogrzewalnej — 29 kg/(m2 h)/38 kg/ /(m2 h), pojemność wodna kotła — 3,9 m3, masa kotła (bez wody z wodą) — 10,8 t/14,7 t. Kocioł składa się z dwóch części cylindrycznych: dolnej oraz górnej. Dolna ma płaszcz l wykonany z blachy o grubości. 12 mm oraz ścianę sitową 2 z blachy o grubości 22 mm. Górna część kotła ma ścianę boczną z blachy o grubości 12 mm, natomiast zarówno ściana sitowa 4, jak i tłoczone górne dno 3 są z blachy 22 mm.
Część górna połączona jest z dolną za pomocą 416 opłomek 5 oraz 120 opłomek wzmocnionych (tzw. kotwicznych) 6. Komora spalania 7 wykonana jest w kształcie dzwonu z blachy o grubości 15 mm i zamocowana w dolnej części kotła. Dolna jej część ma obmurze 8 z cegły ogniotrwałej. Spaliny przepływają przez komorę paleniskową, następnie przez rurę 9 łączącą komorę paleniskową z częścią wodnorurkową kotła. Tam omywają one opłomki w czterokrotnym przepływie uzyskiwanym dzięki specjalnym przegrodom kierującym 25 (przekrój D—D). W części dolnej wmontowany jest rurociąg szumowania dolnego 15 mający cztery końcówki. Do obu części kotła można dostać się przez włazy 17 o średnicy 305X405 mm. Kocioł wyposażony jest w typową armaturę, jak zawory bezpieczeństwa 18, wodowskazy 20, manometr itp. Regulacja zasilania oraz awaryjne wyłączenie palnika odbywa się za pomocą regulatora Mobrey. Kotły VX używane są jako kotły pomocnicze na statkach o napędzie spalinowym. Stanowią one albo samodzielne wytwornice pary, albo też połączone są z kotłami utylizacyjnymi w jeden system pary pomocniczej (rozdz. 4.4).
Tabela 10.1. Wielkości charakterystyczne wolnostojących kotłów pomocniczych VX produkowanych przez Zakład Budowy Kotłów Okrętowych Stoczni Gdańskiej im. Lenina
W tab. 10.1 przedstawiono niektóre wielkości charakterystyczne rodzajów kotłów pomocniczych VX produkowanych w stoczni im. Lenina w Gdańsku.
10.2. Kocioł utylizacyjny LA.
Kocioł pomocniczy wodnorurkowy LA o przymusowej cyrkulacji wody ogrzewany spalinami odlotowymi silnika głównego (producent — Stocznia Gdańska im. Lenina) pokazano na rys. 10.2. Kotły tego typu produkowane są w trzech różnych wielkościach dla ciśnień od 5—8 kG/cm2 (najczęściej 5 lub 7 kG/cm2). Powierzchnie ogrzewalne zawarte są w granicach 248—1058 m2. Kocioł LA musi współpracować bądź z kotłem pomocniczym wolnostojącym, bądź też ze specjalnym walczakiem stanowiącym zbiornik parowo-wodny kotła (rys. 10.4). Ciśnienie robocze walczaka równe jest ciśnieniu roboczemu panującemu w rurkach konwekcyjnych kotła LA.
Powierzchnię ogrzewalną kotła LA stanowią cztery pakiety wężownic (rys. 10.2 — poz. 9—12). Wężownice podłączone są na dolocie do komory zbiorczej dolotowej 16 i na wylocie do komory zbiorczej wylotowej 17. Doloty wody do poszczególnych sekcji odcinane są zaworami odcinającymi l. Każda komora może być odpowietrzona odpowiednim zaworem 5 umieszczonym w górnej jej części. Pomiędzy komorą zbiorczą wylotową i kolektorem zbiorczym mieszaniny parowo-wodnej 3 umieszczone są zawory zwrotne płytkowe typu Gestra 2.
Rys. 10.1. Kocioł pomocniczy wodnorurkowy VX3; l — płaszcz; 2 — ściana sitowa dolnej części, kotła; 3 — sklepienie; 4 — ściana sitowa górnej części kotła; 5 — opłomki; 6 — opłomki wzmocnione (kotwiczne); 7 — komora spalania; 8 — obmurze; 9 — rura; 10 — rurociąg górnego szumowania; 11 — rurociąg zasilania; 12 — główny zawór zasilający Φ = 40; 13 — pomocniczy zawór zasilający Φ = 40; 14 — zawór szumowania górnego Φ= 20; 15 — rurociąg szumowania dolnego; 16 — zawór szumowania dolnego Gestra Φ= 20;
17 - właz 305x405 mm; 18 — podwójny zawór bezpieczeństwa Φ= 50x50/70; 19 — zawór do manometru Φ=15; 20 — wodowskaz; 21 — główny zawór parowy Φ = 80; 22 — regulator Mobreya; 23 — otwory dla zdmuchiwacza sadzy; 24 — wyczystka 110x160 mm; 25 — przegrody kierujące
Zawór taki (rys. 10.3) składa się z płytki l prowadzonej na czterech żeberkach i utrzymywanych w pozycji zamkniętej za pomocą sprężyny 2 (rys. 10.3).
Kolektor zbiorczy 3 (rys. 10.2) ma połączenie z zaworem bezpieczeństwa 6 oraz z manometrem 8 przez zawór 7. Między sekcjami węzownic znajdują się zdmuchiwacze sadzy 14 wykonane jako dziurkowane rurki. Zasilane są sprężonym powietrzem.
Rys. 10.3. Zawór zwrotny Gestra; i — płytka; 2 — sprężyna;
Sekcje rurek utylizacyjnych (rys. 10.2 — poz. 9—12) wykonane są jako wężownice wypełniające cały przekrój poprzeczny kotła o kształcie prostokąta. Dzięki swemu kształtowi są one niewrażliwe na naprężenia termiczne występujące szczególnie w sytuacji, gdy część sekcji jest wyłączona z pracy. W celu utrzymania stałego odstępu między wężownica-mi zastosowano odpowiednie przekładki dystansowe i pręty mocujące.
Rys. 10.4. Schemat połączeń kotła LA z walczakiem parowo-wodnym
Podział na cztery — nierówne co do powierzchni — sekcje wężownic umożliwia regulację wydajności kotła przez odpowiednie włączanie lub wyłączanie sekcji zaworami l. Izolację kotła stanowi 200 mm warstwa wełny żużlowej. Od zewnątrz kocioł opancerzony jest stalową blachą ocynkowaną.
Na rys. 10.4 przedstawiono schemat połączeń kotła LA z walczakiem parowo-wodnym.
Tabela 10.2. Wielkości charakterystyczne utylizacyjnych kotłów pomocniczych LA produkowanych przez Zakład Budowy Kotłów Okrętowych Stoczni Gdańskiej im. Lenina
10.3. Kombinowany kocioł pomocniczy VL 813/13-01.
Kocioł pomocniczy VL 813/13-01 (producent — Stocznia Gdańska im. Lenina) jest kotłem opłomkowym przystosowanym zarówno do ogrzewania palnikiem olejowym, jak i spalinami odlotowymi z silnika spalinowego. Do regulacji ilości pary otrzymanej z części utylizacyjnej kotła służy przepustnica spalin zainstalowana na dolocie do kotła pomocniczego.
Kocioł VL służy do produkcji pary nasyconej o ciśnieniu 0,786 MN/m2 (8 kG/cm2) do celów grzewczych i gospodarczych na statkach oraz do zasilania niektórych maszyn i urządzeń pomocniczych zarówno siłownianych, jak i ogólno-okrętowych. Ciśnienie próbne kotła wynosi 1,177 MN/m2 (12 kG/cm2).
Rys. 10.5. Kocioł pomocniczy kombinowany VL; 1 — walczak dolny; 2 — walczak środkowy; 3 — walczak górny; 4 — opłomki części opalanej; 5 — opłomki części utylizacyjnej; 6 — komora ogniowa; 7 — obmurze; 8 — króciec palnikowy; 9 — izolacja; 10 — rurociągi szumowania dolnego (odmulania); 11 — lejek szumowania górnego; 12 — króciec odwadniający dymnicy; 13 — wodowskaz;14— zawór bezpieczeństwa; 15 — osuszacz pary; 16 — zawór parowy
Kocioł VL (rys. 10.5) składa się z trzech walczaków l, 2 i 3. Walczaki: dolny l i środkowy 2 zawierają wyłącznie wodę, natomiast walczak górny 3 stanowi zbiornik parowo-wodny. Walczaki połączone są między sobą opłomkami. (póz. 4 i 5). Dolne opłomki 4 omywane są wyłącznie spalinami z palnika olejowego natomiast opłomki górne 5 tworzą główną powierzchnię ogrzewalną utylizacyjnej części kotła; ciepło spalin odlotowych silnika przekazywane jest, oprócz rurkom 5, wodzie w kotle również przez powierzchnię dolnej i górnej ściany sitowej walczaka 2 i 3 nie zajętą przez opłomki 5.
Powierzchnia ogrzewalna części opalanej wynosi łącznie 45,1 m2, a wydajność kotła przy opalaniu tylko paliwem płynnym — 1300 kg/h. Powierzchnia ogrzewalna części utylizacyjnej kotła jest kilkakrotnie większa (dłuższe opłomki zajmują całą powierzchnię przekroju kanału przelotowego spalin) i wynosi 119,1 m2, natomiast wydajność jest identyczna, czyli wynosi 1300 kg/h. Zużycie oleju opałowego nie przekracza 110 kg/h.
Pojemność wodna do średniego roboczego poziomu wody wynosi 6,12 m3, natomiast objętość przestrzeni parowej — 4,66 m3.
Wymurówka kotła, czyli obmurze składa się z warstwy termalitu i warstwy szamotu. W celu lepszego wykorzystania spalin z palnika olejowego, między opłomkami 4 umieszczone są przegrody wykonane z blachy żaroodpornej nadające spalinom odpowiedni kierunek przepływu. Dzięki temu droga przepływu spalin zostaje wydłużona, a więc następuje lepsze wykorzystanie spalin.
Cały kocioł jest izolowany wełną żużlową na grubość 80 mm i pokryty blachą ocynkowaną.
Kocioł VL przystosowany jest do pracy automatycznej oraz do urabiania wody zasilającej zarówno metodami chemicznymi, jak i magnetycznymi. Ponieważ przy magnetycznym urabianiu wody wydziela się delikatny muł, kocioł ma rozbudowany system odmulania (szumowania dolnego).
10.4.Kocioł pomocniczy wodnorurkowy, dwuwalczakowy KW
Na rys. 10.6 przedstawiono wodnorurkowy, pomocniczy dwuwalczakowy kocioł KW produkowany przez Stocznię Gdańską im. Lenina. Kotły te mogą wytwarzać zarówno parę nasyconą do celów grzewczych oraz zasilania maszyn i urządzeń pomocniczych statku, jak też — po wmontowaniu przegrzewacza — parę przegrzaną.
Produkuje się je w dwunastu różnych wielkościach i dwóch wykonaniach (typy A i B są swymi lustrzanymi odbiciami), a wydajności poszczególnych rodzajów kotłów, ciśnienia robocze, pojemności wodne oraz masy bez wody przedstawione są w tab. 10.3.
Ciśnienie robocze kotła pokazanego na rys. 10.6 wynosi 1,668 MN/m2 (17 kG/cm2), powierzchnia ogrzewalna — 580 m2,, wydajność kotła — 30 t/h, pojemność wodna — 14,7 m3, masa kotła pustego — 48 790 kg, powierzchnia ogrzewalna osuszacza pary — 12,7 m2.
Kocioł KW 16 300 — 110 jest kotłem wodnorurkowym typu D, dwu-przepływowym składającym się z dwóch walczaków: górnego parowo-wodnego l i dolnego wodnego 2, połączonych konwekcyjnymi pękami rur 6 i 7 parownika.
Bezpośrednio do pęczków konwekcyjnych przylega komora paleniskowa, która powstała przez odgięcie i wydłużenie dwóch skrajnych rzędów rur pęczka konwekcyjnego. Rury te tworzą ekrany komory paleniskowej: górny, boczny i dolny (póz. 3 i 4).
Dwa następne rzędy rur tworzą ścianę 5 oddzielającą komorę paleniskową od pęczka konwekcyjnego. Dwa boczne, zewnętrzne rzędy pęków konwekcyjnych tworzą boczną ścianę zewnętrzną ciągu spalin. Pęczek konwekcyjny wzdłuż drogi spalin podzielony jest na dwie części I i II (poz. 6 i 7) przestrzenią, do której można wejść przez otwór w ścianie bocznej, powstały przez rozgięcie rur ściany.
Tablica 10.3. Wielkości charakterystyczne wodnorurkowych dwu-walczakowych kotłów pomocniczych KW produkowanych przez Zakład Budowy Kotłów Okrętowych Stoczni Gdańskiej im. Lenina
Druga część pęczka konwekcyjnego 7 od strony wylotu spalin, które przepływają strumieniem dwuprzepływowym jak pokazują strzałki na przekroju A—A rys. 10.6, jest wyposażona w specjalne blachy 8, tworzące z jednej strony pęczka uszczelnienie ściany działowej komory paleniskowej, a z drugiej osłonę rur opadowych ściany zewnętrznej kotła.
Przednią i tylną ścianę komory paleniskowej tworzą szeregi tzw. dwójek rurowych (szczegół na rys. 10.6) składających się z dwóch rur zespawanych ze sobą za pośrednictwem płetwy.
W górnym walczaku kotła znajdują się urządzenia służące do osuszania pary, rozprowadzania wody zasilającej oraz do szumowania. Pod zwierciadłem wody w walczaku znajdują się blachy sitowe 12 do uspokojenia burzenia się parującej wody w kotle i zapobiegania porywania wody do przestrzeni parowej.
Para zbierająca się w górnej przestrzeni walczaka przechodzi przez otwory w blachach oddzielacza 11, a następnie przez szczeliny w osuszaczu 10. Przed odprowadzeniem do maszyn i urządzeń siłowni jest jeszcze dodatkowo osuszana w osuszaczu spalinowym 15.
Kocioł KW 16 300 — 110 ma wewnętrzne gazoszczelne opancerzenie, wykonane ze stalowej blachy, na którą nałożona jest warstwa izolacyjna z wełny żużlowej o grubości 150 mm, pokrytej blachą ocynkowaną.
Kocioł nie ma obmurza szamotowego, dzięki czemu jest stosunkowo lekki i trwalszy w eksploatacji, gdyż nie wymaga częstych napraw obmurza lub wymiany cegieł szamotowych. W celu uszczelnienia niektórych miejsc w komorze paleniskowej, jak również dla ochrony odsłoniętej części dolnego walczaka, zastosowano plastyczną masę ogniotrwałą, odpowiednio zabezpieczoną przed odpadaniem. Powierzchnie ogrzewalne pęczka konwekcyjnego czyści się za pomocą czterech zdmuchiwaczy sadzy 18. Zanieczyszczenia zdmuchane przez zdmuchiwacze usuwa się przez wyczystki 19 umieszczone na całej bocznej ścianie kotła w jej dolnej części. W najniższych punktach kanału spalinowego i komory paleniskowej umieszczone są króćce odwadniające 20.
Rys. 10.6. Wodnorurkowy dwuwalczakowy kocioł pomocniczy KW 16 300-110; l — walczak parowo-wodny; 2 — walczak wodny; 3 — opłomki bocznego ekranu; 4 — opłomki bocznego i tylnego ekranu tzw. „dwójki rurowe"; 5 — opłomki ściany działowej; 6 — opłomki pęczka konwekcyjnego I; 7 — opłomki pęczka konwekcyjnego II; 8 — blacha osłonowa; 9 — rury opadowe; 10 — osuszacz pary; 11 — blacha oddzielacza; l2 — blacha sitowa; 13 -właz; 14 — palnik; 15 — osuszacz spalinowy pary; 16 — rura zasilająca; 17 — izolacja; 18 — zdmuchiwacz sadzy; 19 — wyczystka; 20 — króciec odwadniający
11. WYBRANE ZAGADNIENIA NADZORU MONTAŻU l PRÓB OKRĘTOWYCH KOTŁÓW PAROWYCH.
Każdy kocioł parowy instalowany na statku pełnomorskim musi mieć świadectwo klasyfikacyjne wystawione przez inspektora odpowiedniej instytucji klasyfikacyjnej.
Jeżeli kocioł ma być budowany pod technicznym nadzorem danej instytucji klasyfikacyjnej, to zainteresowane zakłady produkcyjne powinny zawiadomić o tym jej zarząd, podając zakład budowy oraz zakłady dostarczające materiały.
11.1. Nadzór instytucji klasyfikacyjnej i próby w zakładzie produkującym kotły.
Nadzór instytucji klasyfikacyjnej rozpoczyna się już w fazie sporządzania projektu technicznego kotła i przepisy (PRS, Rejestru ZSRR i inne) przewidują, że należy przedłożyć w trzech egzemplarzach następujące dokumenty projektu technicznego do zatwierdzenia:
rysunek konstrukcyjny z przekrojem podłużnym i poprzecznym w skali nie mniejszej od l : 10 oraz rysunek elementów połączenia w skali nie mniejszej od l : 2;
obliczenia wytrzymałościowe według przepisów (łącznie ze sprawdzeniem zapasu wytrzymałości przy próbach hydraulicznych ciśnieniem próbnym oraz z obliczeniem zaworów bezpieczeństwa);
opis procesu technologicznego montażu i spawania (dla kotłów spawanych);
wykaz części zapasowych.
Oprócz wymienionych dokumentów dotyczących bezpośrednio kotła należy dostarczyć dodatkowo w ramach dokumentacji dotyczącej całego statku:
plany ogólnego rozmieszczenia mechanizmów, kotłów parowych i urządzeń w przedziałach maszynowych i kotłowych (plan ogólny, przekrój podłużny i poprzeczny);
zasadnicze schematy rurociągów ze specyfikacjami: pary świeżej i odlotowej w przedziałach maszynowo-kotłowych, wody zasilającej i szumowania kotłów parowych (głównych i pomocniczych); dla urządzeń pracujących na paliwie wymagającym podgrzewania wyjaśnienie do instalacji podgrzewania oraz charakterystykę paliwa i zasadniczy schemat urządzenia podgrzewania, rysunki podgrzewaczy paliwa oraz ich rozmieszczenie.
W czasie budowy kotła inspektor instytucji klasyfikacyjnej powinien sprawdzać, czy kocioł wykonany jest według uzgodnionych uprzednio rysunków i czy materiały stosowane do wykonania wyrobów odpowiadają gatunkom ustalonym odpowiednimi przepisami.
Poza tym do zadań inspektora należy sprawdzanie pewności zamocowania kotłów na statku. Dodatkowo w procesie nadzoru technicznego nad budową danego urządzenia inspektor rozpatruje i uzgadnia rysunki robocze oraz elementy konstrukcyjne według spisu uzgodnionego z odpowiednią instytucją klasyfikacyjną.
Niezależnie od prób przeprowadzanych w obecności inspektora instytucji klasyfikacyjnej zakład produkcyjny, a ściślej jego pracownicy kontroli obowiązani są przeprowadzić szereg prób tzw. międzyoperacyjnych. Tak więc na przykład każdą płomieniówkę przygotowaną do zamontowania w kotle płomieniówkowo-płomienicowym należy poddać próbie hydraulicznej przy ciśnieniu równym 7,368 MN/m2 (75 kG/cm2).
Walczaki kotłów wodnorurkowych i komory pracujące przy ciśnieniu wewnętrznym (spawane elektrycznie, kute lub z rur walcowanych bez szwu), zanim zostaną zamontowane do kotła, należy poddać przed i po zaspawaniu lub założeniu dennic próbie hydraulicznej ciśnieniem próbnym (ppr) według tab. 11.1.
Tabela 11.1. Normy ciśnień próbnych dla walczaków i komór
Przygotowane do montażu rury proste lub gięte kotłów wodnorurkowych (opłomki, rury przegrzewaczy pary, rury wewnątrz-kotłowych podgrzewaczy wody), które poddane są w pracy ciśnieniu wewnętrznemu, należy sprawdzić w próbie hydraulicznej ciśnieniem próbnym zgodnie z wartościami podanymi w tab. 11.2.
Tabela 11.2. Normy ciśnień próbnych dla rur
Próbom hydraulicznym w warsztacie poddaje się również wszelką armaturę kotłową, jak zawory, kurki itp. Próby te mają na celu sprawdzenie:
wytrzymałości i szczelności materiału,
szczelności zamknięć, uszczelnień i pakunków.
Aby zbadać wytrzymałość i szczelność materiału, armaturę dla pary nasyconej i wody bada się przy 2-krotnym ciśnieniu roboczym, a przy 2,5-krotnym armaturę dla pary przegrzanej i zasilania kotła.
W celu zbadania szczelności zamknięć i uszczelnień armaturę poddaje się próbie hydraulicznej o ciśnieniu równym temu, któremu poddaje się kocioł przy jego próbie hydraulicznej na statku (rozdz. 11.3).
Wzór I
POLSKI REJESTR STATKÓW
POLISH REGISTER OF SHIPPING
METRYKA KOTŁA GodtoPRS BOILER
CERTIFICATE
Nr .......... No
PLACÓWKA NR REJESTRU
BRANCH OFFICE ................................. REGISTER No ....................................
GŁÓWNY/POMOCNICZY KOCIOŁ TYP............ NR FABRYCZNY
PAROWY
MAIN/AUXILIARY STEAM
BOILER TYPE ......... WORKSHOP No ...............
DOKUMENTACJA ZATWIERDZONA PRZEZ CENTRALĘ PRS DN.
DRAWINGS APPROYED BY HEAD OFFICE OF PRS ON ..........................................
WYTWÓRNIA
ROK BUDOWY PRODUCER.....................................WHEN BUILT ....................................
CHARAKTERYSTYKA KOTŁA
BOILER CHARACTERISTIC
RODZAJ KOTŁA
KIND OF BOILER ...................................................................................................
CIŚNIENIE ROBOCZE POWIERZCHNIA OGRZEWALNA OD
STRONY OGNIA
WORKING PRESSURE ............ MN/m2 HEATING SURFACE — FIRE SIDE ......m2
CHARAKTERYSTYKA PRZEGRZEWACZA
SUPERHEATER CHARACTERISTIC
RODZAJ PRZEGRZEWACZA
KIND OF SUPERHEATER .......................................................................................
CIŚNIENIE ROBOCZE TEMPERATURA PRZEGRZANIA
WORKING PRESSURE ............ MN/m2 SUPERHEATING TEMPERATURĘ ... °C
POWIERZCHNIA PRZEGRZEWACZA
SUPERHEATER SURFACE ............ m2
BADANIE PRZEPROWADZONO W NASTĘPUJĄCYM ZAKRESIE:
THE EXAMINATION WAS CARRIED OUT AS FOLLOWS:
1. PRZEGLĄD ZEWNĘTRZNY, WEWNĘTRZNY I POMIARY
EXTERNAL AND INTERNAL
REYISION AND MEASURING
2. PRÓBA WODNA KOTŁA NA
CIŚNIENIE PRZEGRZEWACZA NA CIŚNIENIE
HYDRAULIC TEST OF
BOILER .................................MN/m2 OP SUPERHEATER ..................MN/m2
3. SPRAWDZENIE SPOIN
WELDS EXAMINATION ........................................................................................
4. ..............................................................................................................................
DANE O MATERIAŁACH UŻYTYCH DATA CONCERNING MATERIALS USED NA CZĘŚCI WAŻNE PODANE SĄ FOR IMPORTANT PARTS ARĘ GIVEN W ZAŁĄCZNIKU STANOWIĄCYM INTE- IN THE ATTACHED SUPPLEMENT BE-GRALNĄ CZĘŚĆ METRYKI ING PART OF THIS CERTIFICATE.
NINIEJSZYM STWIERDZA SIĘ, ŻE THIS IS TO CERT1FY THAT THE
KOCIOŁ ZOSTAŁ WYKONANY ZGOD- BOILER IS CONSTRUCTED IN ACCOR-NIE Z WYMAGANIAMI PRS. NA TEJ DANCE WITH THE REOUIREMENTS OF PODSTAWIE NITY Z LEWEJ STRONY PRS. THEREFORE THE LEFT SIDE RI-GODŁA ORAZ VET HEADS OF THE NAME PLATE AND
.................................................................... .........................................................................
OCECHOWANO ZNAKAMI: ARĘ STAMPED THUS:
............................................................ DNIA
............................................................ THE .............................................
ZAMAWIAJĄCY
ORDERED BY ..............................................................................
ŻAL:
ENCL:
Komory zbiorcze, kolektory i rurki elementów sekcji przegrzewaczy pary po zakończeniu ich obróbki w warsztacie należy poddać próbie hydraulicznej.
Po zakończeniu budowy w warsztacie produkcyjnym zaślepia się wszystkie króćce i kołnierze oraz poddaje próbie hydraulicznej pod ciśnieniem równym:
podwójnemu ciśnieniu roboczemu, jeżeli ciśnienie robocze nie przekracza 0,786 MN/m2 (8 kG/cm2);
półtora-krotnemu ciśnieniu roboczemu plus 0,343 MN/m2 (3,5 kG/cm2), jeżeli ciśnienie robocze przekracza 0,786 MN/m2 (8 kG/cm2).
Kocioł poddaje się ciśnieniu próbnemu nie dłużej niż przez 5 min, po czym zmniejsza się ciśnienie do ciśnienia roboczego i inspektor dokonuje szczegółowych oględzin kotła. W celu wykrycia ewentualnych pęknięć, szczelin lub nieszczelności spoin należy przed rozpoczęciem prób wytrzeć do sucha okolice wszystkich spoin, a przed sprawdzeniem ostukać spoiny młotkiem.
Ażeby w czasie przeprowadzania prób mieć pewność, że przeprowadza się je pod właściwym ciśnieniem, na kotle i przewodzie łączącym pompę wytwarzającą ciśnienie z kotłem powinny być dwa manometry o sprawdzonych wskazaniach.
Po przeprowadzonej próbie i oględzinach inspektor ocechowuje kocioł na specjalnej tabliczce swoimi znakami zawierającymi godło instytucji i pierwsze litery imienia i nazwiska inspektora dokonującego przeglądu.
Po przeprowadzeniu prób odpowiednia placówka instytucji klasyfikacyjnej wystawia tzw. metrykę kotła (wzór I). Załącznikiem do metryki kotła jest tzw. wykaz części ważnych, w którym podaje się cechy materiału, numer świadectwa atestowego oraz własności mechaniczne materiału (wzór II).
Częściami ważnymi na przykład dla kotła kombinowanego Howden-Johnson są: płaszcz kotła, dennica przednia i tylna, płomienice, ściągi, wzmocnienie włazu, kołnierze przykotłowe, pokrywa włazu, opłomki, kolektory wlotowe przegrzewacza, denka kolektorów przegrzewacza; dla j kotła pomocniczego typu VX: rury kotłowe, dno, płaszcz (górny, dolny, rury ogniowej, komory ogniowej), belka stropowa, segment pierścienia stropowego, żebro, właz kotłowy, króciec palnikowy, rury na króćce, kołnierze króćcowe.
ZAŁĄCZNIK NR l Wzór II
DO METRYKI
NR ............ POLSKI REJESTR STATKÓW
WYKAZ CZĘŚCI WAŻNYCH
Godło PRS
Dla ......................... Nr ..........
Części wykonane w liczbie większej niż jedna (wg tego samego rysunku, lecz z różnych wytopów) należy podawać oddzielnie.
.................................. dnia ................... Inspektor
11.2. Montaż kotłów na statku.
Proces budowy kotła w zakładzie produkcyjnym kończy się przeprowadzeniem prób hydraulicznych. Po próbach należy zamontować wszelkie wewnętrzne elementy konstrukcyjne kotła, znajdujące się w walczakach: parowo-wodnym i wodnym (np. rurociągi zasilania, ochładzacz pary, osuszacze, rurociągi szumowania itp.) oraz uzbroić kocioł we wszelkiego rodzaju armaturę (zawory, wodowskazy itp.).
W wypadku produkcji kotłów pomocniczych, o stosunkowo niewielkich wymiarach i masach, prace montażowe na ogół wykonuje się w zakładzie produkcyjnym. Również w wypadku głównych kotłów płomieniówkowych stosuje się montowanie armatury i szeregu innych elementów jeszcze przed przetransportowaniem kotła na statek.
W zasadzie zarówno kotły pomocnicze, jak i główne kotły płomieniówkowe dostarczane są na statek gotowe, a po osadzeniu na fundamentach i przymocowaniu kotła, montuje się jedynie izolację i zewnętrzną powłokę walczaka z arkuszy cienkiej blachy. Taką technologię wykonania dyktuje również zwarty i odporny na warunki transportu kształt kotła płomieniówkowego.
W wypadku kotła wodnorurkowego technologia prac wykańczających jest odmienna i w zasadzie większość armatury, wyposażenie, jak również konstrukcję szkieletu kotła, jego chmurze i izolację wykonuje się na statku. Po ukończeniu produkcji kotła w wytwórni, a przed jego uruchomieniem, należy zabezpieczyć go przed ewentualną korozją, na którą jest narażony wskutek stykania się powierzchni metalowych z wilgotnym powietrzem atmosferycznym.
W tym celu zewnętrzne powierzchnie kotła pokrywa się lakierem asfaltowym, powierzchnie wewnętrzne zaś — pokostem przygotowanym z oleju lnianego poddanego przedmuchaniu powietrzem z dodatkiem sykatywy i zmieszanego z benzyną lakierniczą. Wnętrza walczaków pokrywa się środkiem konserwacyjnym za pomocą pędzla, natomiast wnętrza rurek — podając pokost za pomocą węża, a następnie przedmuchując rurkę sprężonym powietrzem.
Konserwacja tego typu zabezpiecza kocioł przed korozją na okres dwóch, trzech lat. Inne sposoby, tak zwanej konserwacji suchej (rozdz. 12.3), zabezpieczają kocioł na okres znacznie krótszy i wymagają jej odnawiania.
W czasie transportu kotła z zakładu produkcyjnego na statek mocuje się na jego zewnętrznych powierzchniach specjalne uchwyty, do których zaczepia się haki dźwigów lub ściągi śrubowe pozwalające unieruchomić przewożony kocioł na platformie kolejowej, barce czy innym środku transportu.
Kotły płomieniówkowe podnosi się opasując walczak stalowymi stropami, a następnie opuszcza się w głąb statku, stawiając bezpośrednio na fundamentach.
Kotły wodnorurkowe mniejszych rozmiarów można podnosić, opasując stropami stalowymi dokoła cały korpus lub też jedynie dokoła górnego walczaka. W obu wypadkach należy między walczaki wodne wstawić stalowe rozporki, a pod liny stalowe podkładki z drewna lub mat. Przy opuszczeniu kotła na statek ustawia się go początkowo na specjalnych drewnianych podkładach — rusztowaniu, a dopiero później osadza się na fundamencie.
Przy instalowaniu kotła wodnorurkowego na statku należy zwrócić i uwagę na to, ażeby odchyłki od położenia poziomego walczaka parowo-wodnego, czyli przechył (odchyłka w osi poprzecznej walczaka) oraz przegłębienie (odchyłka w osi wzdłużnej walczaka) nie przekraczały pewnych wartości określonych przepisami lub fabrycznymi instrukcjami.
Rys. 11.1. Odchyłki położenia walczaka w kierunku poprzecznym i wzdłużnym;
Wartości maksymalnych dopuszczalnych odchyłek podawane są w mm/m» a sposób ich mierzenia pokazany na rys. 11.1. Maksymalne wartości odchyłek wynoszą:
± 8 mm/m, (11.1)
± 2 mm/m, (11.2)
gdzie:
y oraz z — odległości między konstrukcyjną a rzeczywistą osią poziomą lub
poprzeczną, mierzone na zewnętrznej ściance walczaka [mm],
Dk — średnica zewnętrzna kotła [m],
L — długość cylindrycznej części walczaka [m].
Wartość dopuszczalnych odchyłek zależy od rodzaju kotła i statku. Tak więc przy jednostkach bardzo szybkich (np. okrętach wojennych) należy brać pod uwagę fakt, że w czasie rozwijania dużej prędkości dziób jednostki wynurza się, co powoduje powstanie stałego przegłębienia na rufę. Zjawisko to wpływa na zwiększenie wartości z odpowiednim znakiem.
Rys. 11.2. .Mocowanie blach dolnej części komory paleniskowej kotła wodnorurkowego;
l — węzłówka; 2 — ceownik ramy nośnej; 3 — blacha dolnego poszycia; 4 — blacha górnego poszycia; 5 — kątownik mocujący; 6 — blacha łącząca; 7 — śruba
Kocioł powinien być dostarczony na statek w stanie możliwie gotowym, niekiedy jednakże konieczne jest wykonywanie szeregu prac wykończeniowych właśnie na statku. Na rys. 11.2 podany jest przykład konstrukcji dolnej części komory paleniskowej kotła starszego typu, której montaż możliwy jest dopiero na jednostce ze względu na to, że niektóre elementy mocowane są bezpośrednio do fundamentów kotła.
Elementami takimi są węzłówki l (rys. 11.2), do których mocowane są ceowniki 2 tworzące ramę nośną konstrukcji. Do górnych półek ceownika mocowane są bezpośrednio blachy górnego poszycia 4, od dołu zaś — za pomocą kątowników 5 — blachy dolnego poszycia 3.
W celu odizolowania komory paleniskowej od pomieszczenia kotłowni blachy 4 połączone są z walczakami wodnymi za pomocą blach 6, mocowanych do ścian walczaka śrubami 7.
Wszystkie otwory pod śruby łączące są eliptyczne, co umożliwia odkształcanie termiczne blach dolnej części komory paleniskowej w czasie zmian obciążeń kotła.
Przy montażu palników i rozdzielaczy powietrza otaczających palniki należy zwrócić uwagę na to, aby oś palnika wypadała dokładnie w osi otworu w obudowie kotła.
Podobnie przedstawia się rzecz z instalowaniem urządzeń do zdmuchiwania sadzy, niewłaściwe bowiem ustawienie rur zdmuchiwacza może być powodem odkładania się zanieczyszczeń w pewnych miejscach powierzchni ogrzewalnej, nie objętej strumieniem zdmuchującej pary. Miejsca te mogą stać się źródłem powstawania wżerów, przegrzewów materiału, a w efekcie uszkodzeń i awarii kotła.
W wypadku, jeżeli armaturę kotłową montuje się na statku, należy zwrócić uwagę na rodzaj stosowanych uszczelnień, który powinien być zgodny z podanym w dokumentacji. Ważną też rzeczą jest sposób wykonywania uszczelek, które nie powinny mieć na swojej powierzchni żadnych uszkodzeń. Wszystkie gwinty śrub mocujących armaturę należy zabezpieczyć przed zapiekaniem się, ażeby ułatwić późniejszy ewentualny demontaż. Nie wolno dociągać śrub do końca jedna po drugiej po obwodzie, ale jedynie częściowo w kilku etapach śruby leżące naprzeciw siebie — tzw. metodą na krzyż.
Uszczelki metalowe przed założeniem między kołnierze należy posmarować mieszaniną następujących składników:
45% tlenku ołowiowego,
21% drobniutkich stalowych opiłków,
17% ochry,
5% grafitu i
12% łącznika.
Również na statku montuje się przewód dymowy, który składa się przeważnie z kilku gotowych części wykonanych uprzednio w zakładzie produkcyjnym. Między kołnierz 7 i ramę szkieletu kotła (rys. 11.3) wkłada się przekładkę azbestową o grubości 5—10 mm. Otwory pod śruby przy połączeniach przewodu dymowego z ramą szkieletu kotła wykonuje się jako owalne, ażeby umożliwić wszelkie boczne przesunięcia szkieletu kotła i przewodu l.
Włazy 3 służą do przeprowadzania kontroli przewodów dymowych od wewnątrz. Do tego samego celu służą drabinki 6, prowadzące w każdym przewodzie aż do wylotu rury w kominie. Kontrole wewnętrznej części przewodu kominowego konieczne są ze względu na możliwość występowania tam korozji siarkowej.
Cały przewód kominowy jest izolowany matami azbestowymi o grubości do 10 mm. Stosowanie izolacji ma na celu z jednej strony niedopuszczenie do takiego oziębienia wychodzących z kotła spalin, ażeby zachodziła możliwość przekroczenia temperatury odpowiadającej punktowi rosy, z drugiej zaś — ochronę pomieszczeń sąsiadujących z przegrodą, za którą przechodzi przewód dymowy, od nadmiernego nagrzewania się.
Po ustawieniu przewodów dymowych pozostaje do założenia obmurze i wykładzina ognioodporna komory paleniskowej. Przy wykładaniu obmurza temperatura cegieł szamotowych nie powinna być niższa od +5°C. Po wymurowaniu paleniska i wyłożeniu go szamotową masą ognioodporna lub innymi rodzajami wykładzin przez 3—4 dni prowadzi się suszenie. Powinno ono przebiegać łagodnie i w tym celu temperatura wnętrza komory nie może w zasadzie być wyższa od 10—15°C.
Rys. 11.3. Rurociąg .dymowy dwóch kotłów wodnorurkowych; l — dolny przewód dymowy; 2 — segment górny; 3 — właz kontrolny; 4 — usztywnienia; 5 -segment kompensujący naprężenia termiczne; 6 — drabinka; 7 — dolny kołnierz;
Ostatnią czynnością montażową przed końcowymi próbami jest instalowanie na kotle wszelkiego rodzaju urządzeń regulacji automatycznej.
Ponieważ większość wymienionych prac montażowych odbywa się na statku wówczas, kiedy już zamustrowana jest załoga oficerska na nadzór armatorski, dlatego zaleca się uczestnictwo mechaników odpowiedzialnych za kotły oraz starszych mechaników we wszystkich próbach i odbiorach oraz kontroli poszczególnych fragmentów montażu. Swoje uwagi powinni oni wpisywać do prowadzonej książki nadzoru.
11.3. Przygotowanie do prób i próby kotła na statku.
Po zakończeniu montażu kotła na statku, a jeszcze przed założeniem izolacji uniemożliwiającej dostęp do zewnętrznych ścian kotła lub powierzchni jego obudowy, należy przeprowadzić ostateczne próby w obecności inspektora instytucji klasyfikacyjnej. Próby te mają na celu stwierdzenie, czy kocioł w czasie transportu z zakładu produkcyjnego na statek nie został uszkodzony oraz czy wszystkie fazy montażu zostały wykonane w należyty sposób.
Przed przeprowadzeniem prób na statku należy sprawdzić (w kotłach wodnorurkowych lub kombinowanych) drożność opłomek i rurek przegrzewacza pary lub wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody zasilającej. W tym celu przepuszcza się przez rurki kulki metalowe o średnicy o 2—3 mm mniejszej od średnicy wewnętrznej opłomek. Jeżeli kulka wrzucona do rurki w górnym kolektorze parowo-wodnym nie wypadnie z rurki w dolnym wodnym kolektorze (lub walczaku), to oznacza to, że wewnątrz rurki znajduje się jakaś przeszkoda. Mogą to być na przykład pakuły, grudy farby, kawałki drutów od spawania, elektrod itp.
Wszelkie niedrożności rurek należy natychmiast usunąć, gdyż mogą się stać przyczyną powstawania awarii.
Drożność rurek przegrzewacza pary czy podgrzewacza wewnątrzkotłowego wody zasilającej bada, się również kulkami, które przedmuchuje się przez każdą pętlę za pomocą sprężonego powietrza.
Do prób hydraulicznych przystąpić można dopiero po zakonserwowaniu kotła, czyli po usunięciu warstwy ochronnej położonej w zakładzie produkcyjnym (rozdz. 11.2).
Jednym ze sposobów rozkonserwowania kotłów jest jego ługowanie. Przykładowo dla kotła pomocniczego KW przebiega ono w następujący sposób (uwaga: dla kotłów innych typów producent może każdorazowo przewidzieć inny sposób rozkonserwowywania).
Szmatą zamoczoną w nafcie należy usunąć ze wszystkich wewnętrznych ścianek kotła (wnętrza walczaków parowo-wodnych, wodnych, ewentualnie większych, dostępnych z zewnątrz kolektorów zbiorczych itp.) wszystkie plamy smaru czy oleju, które mogły pozostać w trakcie jego budowy lub podczas zakonserwowywania. Następnie należy rozpuścić w gorącej wodzie sodę kaustyczną i fosforan trój-sodowy w ilości po 7,5 kg każdego z tych składników na l m3 wody podawanej do kotła i napełnić kocioł tym roztworem do poziomu roboczego. Kolejną czynnością ługowania jest rozpalenie niewielkiego ognia w komorze spalania (może to być ogień z ułożonego w komorze drewna lub z koksu w ustawionych stalowych koszach) i podniesienie ciśnienia pary do wartości zależnej od rodzaju kotła [dla kotła KW o ciśnieniu roboczym 1,668 MN/m2 (17 kG/cm2) ciśnienie pary przy ługowaniu wynosi 0,196 MN/m2 (2 kG/cm2)] i utrzymywać to ciśnienie przez okres 48 h.
Po czasie ługowania wynoszącym 24 h kocioł należy przeszumować górą i odmulić (szumować dołem) oraz przedmuchać wodowskazy. Następnie przez 24 h należy kocioł odmulać co 4 h, zasilając kocioł po każdym odmulaniu czystą wodą do poprzedniego poziomu, czyli do poziomu roboczego.
Po upływie 48 h należy zakończyć opalanie i zasilić kocioł do połowy szkieł wodowskazowych, a gdy ciśnienie w kotle spadnie do atmosferycznego, spuścić gorący jeszcze roztwór i przepłukać kocioł czystą, gorącą wodą.
Po ostygnięciu kotła należy otworzyć włazy i sprawdzić wnętrze kotła. W przypadku zauważenia jakichś śladów oleju, smaru, zendry lub innych pozostałości po konserwacji kotła, konieczne jest powtórzenie ługowania.
Przed rozpoczęciem prób należy zamknąć wszystkie zawory zainstalowane na kotle, z wyjątkiem zaworu odpowietrzającego oraz zaworu prowadzącego do manometru kontrolnego. Kocioł napełnia się wodą aż do ukazania się jej w zaworze odpowietrzającym, który następnie zamyka się.
Temperatura wody przy próbach hydraulicznych, w celu zabezpieczenia przed poceniem się ścian kotła, nie powinna być niższa od +7°C, temperatura powietrza w kotłowni nie niższa od +5°C. W celu zobojętnienia wody, tj. usunięcia składników reaktywnych, dodaje się 0,2% wodnego roztworu dwuchromianu potasowego.
Po ustawieniu kotła na statku i po zamontowaniu na nim całej armatury kocioł bez izolacji powtórnie bada się od wewnątrz i wykonuje próbę hydrauliczną pod ciśnieniem równym:
podwójnemu ciśnieniu roboczemu, jeżeli to ostatnie nie przekracza 0,590 MN/m2 (6 kG/cm2),
ciśnieniu roboczemu plus 0,491 MN/m2 (5 kG/cm2), jeżeli ciśnienie robocze jest wyższe od 0,590' MN/m2 (6 kG/cm2) i niższe od 2,06 MN/m2 (21 kG/cm2),
1,25 ciśnienia roboczego, jeżeli ciśnienie robocze przewyższa 2,06 MNĄ /m2 (21 kG/cm2).
Ciśnienie wewnątrz kotła uzyskuje się za pomocą specjalnej pompy, a podnoszenie ciśnienia od atmosferycznego do roboczego powinno trwać od 10 do 15 min. Ciśnienie wewnątrz kotła bada się za pomocą manometrów kontrolnych, z których jeden znajduje się na kotle, drugi zaś na pompie wytwarzającej ciśnienie.
Kocioł pod próbnym ciśnieniem powinien znajdować się nie dłużej niż 10 min, po czym należy obniżyć je do atmosferycznego. Próbę należy uznać za pozytywną, jeżeli nie zaobserwowano podczas działania ciśnienia próbnego żadnych deformacji konstrukcji stalowej, przecieków lub pęknięć.
Drugim rodzajem prób kotła przeprowadzonych na statku może być pneumatyczna próba na szczelność obudowy i poszycia kotła. Obecnie budowane kotły wodnorurkowe mają najczęściej podwójne poszycie. Powietrze podawane do komory paleniskowej lub do palnika w celu rozpylenia paliwa przepływa w przestrzeni pomiędzy zewnętrzną a wewnętrzną, ścianą obudowy. Tak długo, jak ciśnienie powietrza znajdującego się; w kanałach otaczających kocioł przewyższa ciśnienie gazów spalinowych,, w kotle wykluczona jest możliwość wydostawania się płomieni znajdujących się wewnątrz paleniska do pomieszczenia kotłowni.
W wypadku istnienia nieszczelności w obudowie kotła następować mogą przecieki powietrza z kanału, a tym samym spadek jego ciśnienia, i w konsekwencji spadek sprawności kotła oraz wydostawanie się płomieni i gazów spalinowych do kotłowni.
Szczelność kotła bada się przez sprawdzenie osobno szczelności poszycia wewnętrznego i zewnętrznego. Na rys. 11.4 przedstawiony jest schemat ustawienia przyrządów pomiarowych służących do sprawdzenia szczelności kotła w czasie próby pneumatycznej.
W celu jej przeprowadzenia należy najpierw zamknąć wszelkie otwory (włazy, wyczystki, wzierniki itp.) na wewnętrznym poszyciu kotła oraz zaślepić wylot 5 z komory paleniskowej nad Wewnątrzkotłowym podgrzewaczem wody zasilającej. Następnie w klapie zaślepiającej mocuje się rurę dolotową powietrza l z umieszczonym na niej zaworem 2 służącym do regulacji ilości podawanego powietrza do kotła. Na tym samym rurociągu wstawiona jest kryza pomiarowa 4 z manometrem różnicowym 7, U-rurka 8 do pomiaru nadciśnienia podawanego powietrza oraz termometr 3.
Rys. 11.4. Próba szczelności obudowy poszycia kotła KWG-25; l — rura dolotowa powietrza próbnego; 2 — zawór regulacyjny; 3 — termometr; 4 — kryza pomiarowa; 5 — wylot z komory paleniskowej kotła; 6, 8 — U-rurka; 7 — manometr różnicowy;
Również do klapy zaślepiającej przymocowana jest U-rurka 6 do pomiaru ciśnienia panującego wewnątrz kotła. Jeżeli wewnętrzna warstwa poszycia kotła jest szczelna, poziom cieczy w obu ramionach U-rurki 6 nie będzie się zmieniać w czasie przeprowadzania próby. Jeżeli natomiast wewnętrzne poszycie ma nieszczelności, to poziom cieczy w obu ramionach U-rurki R będzie dążył do wyrównania. W celu sprawdzenia ilości uciekającego przez nieszczelności powietrza należy lekko uchylić zawór 2 tak, aby różnica poziomów cieczy w obu ramionach U-rurki 6 — Δh [mm] utrzymywała się na poziomie ustalonym przepisami odbioru kotła. Ilość powietrza przepływającego rurociągiem l, mierzona na kryzie pomiarowej 4, równa jest w takim wypadku ilości powietrza uciekającego przez nieszczelności.
Badanie zewnętrznego poszycia przeprowadza się w podobny sposób, z tym że należy szczelnie zamknąć wszystkie w nim otwory, natomiast otworzyć otwory poszycia wewnętrznego.
Po przeprowadzonej próbie hydraulicznej kocioł bez izolacji, lecz z zamontowaną całą armaturą, należy poddać próbie pod parą, przy pełnym ciśnieniu roboczym w czasie nie przekraczającym 24 h i nie krótszym niż 8 h.
Przed przystąpieniem do próby pod parą należy spełnić następujące warunki:
w kotłowni muszą znajdować się wszelkie środki przeciwpożarowe przewidziane przepisami bezpieczeństwa przeciwpożarowego; wydanymi w porozumieniu z instytucją klasyfikacyjną;
oświetlenie normalne i awaryjne powinno sprawnie działać;
na kotle powinny być umieszczone wszystkie urządzenia kontrolno-pomiarowe;
wszystkie zawory powinny działać sprawnie i otwierać się oraz zamykać bez użycia zbyt dużych sił.
Rozpalanie kotła i podnoszenie ciśnienia pary odbywa się zgodnie z ogólnymi instrukcjami wykonywania tych czynności, z tym że po każdym podniesieniu ciśnienia o kolejne 0,491 MN/m2 (5 kG/cm2) należy wstrzymać opalanie i dokonać przeglądu połączeń kołnierzowych na kotle oraz innych elementów podlegających kontroli.
Po uzyskaniu roboczego ciśnienia pary w kotle należy dokonać dokładnego przeglądu, zwracając szczególną uwagę na połączenie kołnierzowe. W wypadku zauważenia jakichkolwiek przecieków pary na którymkolwiek połączeniu, należy obniżyć ciśnienie w kotle do atmosferycznego i dopiero wtedy przystąpić do usuwania zauważonej usterki. Po jej usunięciu próbę pod parą należy przeprowadzić od początku.
W czasie dokonywania próby pod parą należy przeprowadzić regulację i kontrolę wszelkich urządzeń automatycznej obsługi kotła.
Wszystkie opisane tu próby odbywają się pod nadzorem inspektora instytucji klasyfikacyjnej. Ostatnią fazą prób przed przekazaniem statku do eksploatacji są stoczniowe próby zdawcze. W tej fazie prób komisja powołana przez armatora odbiera statek w działaniu. W skład komisji odbioru statku wchodzą między innymi przedstawiciele działu inwestycji armatora, inspektoratu technicznego, starszy mechanik statku i kapitan.
Zamustrowana na statku załoga oficerska również uczestniczy w próbach. Oficerowie powinni pomagać w pracy komisji armatora i notować wszelkie swoje spostrzeżenia i uwagi, o których następnie powinni meldować członkom komisji odbioru.
Stoczniowe próby zdawcze dzielą się na dwie główne fazy: próby na uwięzi i próby w morzu.
Zakres i przebieg prób jest ustalony na podstawie porozumienia zawartego między kupującym statek — armatorem i sprzedającym — stocznią. Zakres ten zależy od wielkości statku, jego przeznaczenia czy wreszcie możliwości stoczniowych (np. od rodzaju nabrzeży, przy których można przeprowadzać próby na uwięzi).
Inny jest też charakter prób zdawczych w wypadku statku prototypowego, a inny — seryjnej produkcji. W tym pierwszym wypadku sprawdza się wydajność kotła za pomocą kryz pomiarowych oraz parametry pary produkowanej w kotle.
Próby kotła pomocniczego przeprowadza się na uwięzi. Ażeby zapewnić dostateczny odbiór pary produkowanej w kotle, włącza się zazwyczaj całkowicie centralne ogrzewanie, ogrzewanie zbiorników itp. Kocioł utylizacyjny La Monta sprawdza się w działaniu w próbach na morzu, ponieważ dopiero wtedy istnieją warunki do właściwej pracy kotła. W czasie próby wszystkie wężownice kotła utylizacyjnego powinny być otwarte, a klapa przelotowa (o ile taka jest) całkowicie zamknięta. Na jednostce prototypowej przeprowadza się również badanie wydajności za pomocą kryzy pomiarowej. Dla przykładu podano niżej zakres prób stoczniowych przy zdawaniu głównych kotłów wodnorurkowych.
Wyposażenie kotłowni, jak gretingi, schody, barierki itp. sprawdza się oględzinami zewnętrznymi.
Przy kotłach sprawdza się:
szczelność kotła przy próbie wodnej [np. na kole membranowym produkcji RFN — dla ciśnienia roboczego 6,09 MN/m2 (62 kG/cm2) próbę wodną przeprowadzono przy ciśnieniu 15,696 MN/m2 (160 kG/ /cm2)],
szczelność rurek wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody zasilającej,
przed próbami na uwięzi szczelność poszycia obudowy i przewodów dymowych po ostudzeniu kotła, a następnie spaleniu w palenisku materiału dymotwórczego,
podczas pracy wentylatora szczelność poszycia obudowy kotła,
możliwość zdejmowania płyt obudowy kotła w miejscach trudno dostępnych,
ustawienie wodowskazów, wyśrodkowanie palników i stożków rozpylających,
pod pełnym ciśnieniem pary szczelność armatury i nitów,
pod pełnym ciśnieniem pewność sterowania zdalnego armaturą,
urządzenia do badania wody kotłowej.
Podczas prób kocioł powinien przepracować nie mniej niż 24 h pod pełnym obciążeniem. Uruchomienie kotła powinno odbywać się zgodnie z instrukcją. Na pracującym kotle sprawdza się:
awaryjne unieruchamianie kotła przy:
obniżeniu poziomu wody w kotle przez określony czas,
obniżeniu ciśnienia oleju opałowego,
obniżeniu ciśnienia powietrza nadmuchowego,
obniżeniu ciśnienia pary rozpylającej,
podwyższeniu ciśnienia kotła ponad wartość otwarcia zaworów bezpieczeństwa (zabezpieczenie przed rozsadzeniem kotła — przykładowo dla ciśnienia otwarcia ostatniego zaworu bezpieczeństwa równego 7,565 MN/m2 (77,0 kG/cm2) ciśnienie wyłączające palniki wynosi 7,907 MN/m2 (80,5 kG/cm2),
działanie zdmuchiwaczy sadzy,
działanie automatycznego regulatora zasilania,
przejście z automatycznego zasilania na ręczne i odwrotnie,
działanie szumowania,
działanie zaworu szybkozamykającego na rurociągu doprowadzającym paliwo do
działanie zaworu bezpieczeństwa, uprzednio wyregulowanego (pompa zasilająca
możliwość ręcznego wypuszczania pary z kotła,
przesunięcie na łapkach ślizgowych i innych zamocowaniach kotła,
stan obmurza kotła (po przeprowadzonej próbie),
rozruch kotła przy pracy pompy elektrycznej (lub ręcznej dla mniejszych kotłów),
stan wewnętrznych powierzchni kotła (oględziny po zakończeniu prób, wygaszeniu kotłów i ich otwarciu).
spuszczanie chłodnej wody spod płomienie w trakcie rozpalania,
sztuczną cyrkulację za pomocą tzw. hydrokinetyka w czasie rozpalania,
cyrkulację za pomocą pompy zasilającej (pompa zasysa wodę z dolnej części kotła przez zawór dolnego szumowania i tłoczy rurociągiem pomocniczego zasilania do górnej części kotła).
okres podgrzewania wody i doprowadzenia jej do stanu wrzenia,
okres podnoszenia ciśnienia pary od atmosferycznego do roboczego.
właściwe przygotowanie wody podawanej do kotła,
oczyszczanie wody w kotle,
utrzymywanie odpowiedniego poziomu wody w kotle,
właściwą pracę instalacji paliwowej,
utrzymywanie stałych parametrów roboczego procesu kotła.
mechaniczne (tzw. makroskopowe) o wielkości cząstek powyżej 100 ppm,
koloidalne o wielkości cząstek od 1—100 μm,
cząstkowe, które tworzą roztwory.
tworzenia się kamienia kotłowego,
tworzenia się szlamu,
powstawania korozji kotła i urządzeń kotłowych,
zanieczyszczania wytwarzanej pary.
filtrację wody oraz jej odolejanie;
destylację wody przy wykorzystaniu najczęściej pary jako źródła ciepła; celem destylacji jest uzyskanie wody całkowicie pozbawionej jakichkolwiek soli, co jest szczególnie ważne w kotłach wysokociśnieniowych;
odgazowanie wody, czyli usunięcie rozpuszczonych gazów, a zwłaszcza tlenu i dwutlenku węgla, przez ogrzewanie (lub stosowanie podciśnienia) i jednoczesne rozpylanie wody; system ten jest stosowany na przykład w podgrzewaczu mieszankowym wody zasilającej.
odgazowanie wody polegające na dodawaniu środków wiążących tlen rozpuszczony w wodzie; korygowanie składu wody zasilającej, mające na celu zabezpieczenie kotłów przed powstawaniem kamienia, czyli zmiękczanie wody.
woda zasilająca:
woda w kotle:
zwiększenie ekonomiczności siłowni okrętowej,
ochronę elementów kotła przed naprężeniami termicznymi,
odgazowanie wody zasilającej.
zmniejszenie dozowania środków antyosadowych,
szumowanie górne,
odmulanie.
22 mm przy p = 1,570 MN/m2 (16 kG/cm2);
40 mm przy p == 3,934 MN/m2 (40 kG/cm2);
65 mm przy p = 7,858 MN/m2 (80 kG/cm2).
odpowiedniej ilości podawanego oleju opałowego w zależności od wydajności kotła,
właściwego ciśnienia oleju podawanego do spalania,
odpowiedniej temperatury podgrzania paliwa,
wystarczającej ilości powietrza o ustalonej instrukcją temperaturze,
właściwego przebiegu procesu spalania w komorze paleniskowej. Spalanie paliw płynnych odbywa się w trzech etapach:
zwiększenia płynności przez podgrzanie;
wprowadzenia podgrzanego wstępnie paliwa przez odpowiedni palnik do komory paleniskowej; paliwa ciekłe spala się tu jako parę lub w stanie rozpylonym, przy czym kropelki rozpylonego paliwa zostają w przestrzeni spalania w całości lub częściowo odparowane;
przemiany chemicznej związków wysokocząsteczkowych na tlenek węgla i wodór.
przez zmianę ciśnienia przed palnikiem,
przez zmianę dyszy rozpylacza (zmianę palnika),
przez zmianę liczby czynnych palników,
przez przelew paliwa.
temperatura spalin za podgrzewaczem zmaleje;
temperatura wody za podgrzewaczem zmaleje, choć w mniejszym stopniu niż występujący spadek temperatury wody zasilającej na dolocie do podgrzewacza.
zmniejszyć intensywność opalania kotła przez kolejne wyłączanie palników,
podnieść poziom wody w kotle do poziomu najwyższego w szkle wodowskazu,
przeprowadzić szumowania górne, ażeby usunąć ewentualne zanieczyszczenia olejowe, które mogłyby osiąść na powierzchniach ogrzewalnych w wypadku spuszczania wody z kotła,
ponownie podnieść poziom wody w kotle do poziomu najwyższego,
przeprowadzić szumowanie dolne, czyli odmulanie,
uzupełnić stan wody w kotle aż do górnego poziomu w szkle wodowskazu,
wyłączyć ostatni palnik zgodnie z instrukcją obsługi, zamykać stopniowo pobór pary na kotle tak, by ciśnienie w kotle powoli opadała (parę wykorzystać do celów pomocniczych lub grzewczych),
zasilać kocioł aż do górnego poziomu w szkle wodowskazu, a następnie zatrzymać pompę i zamknąć zawór zasilający,
pozwolić stygnąć kotłowi aż do osiągnięcia temperatury otoczenia sposób naturalny,
po ostygnięciu kotła przewietrzyć palenisko
przeglądom kotła zarówno od strony ogniowej, jak i wodnej,
konserwacji konstrukcji kotła polegającej głównie na utrzymywaniu w czystości powierzchni ogrzewalnej, tj. powierzchni omywanych przez spaliny, jak również powierzchni kotła od strony wodnej;
remontom mającym na celu usunięcie uszkodzeń konstrukcji w początkowym ich stadium dla uniknięcia ewentualnych poważniejszych awarii.
2 mm — w kotłach płomieniówkowych,
0,5 mm — w kotłach wodnorurkowych dla rur o Dw > 50 mm,
0,1 mm — dla rur o Dw < 50 mm,
powinny być opróżnione z wody;
ściany kotłów powinny być dokładni oczyszczone z kamienia kotłowego;
płomienice i wszystkie kanały dymowe powinny być oczyszczone z popiołu, szlaki, sadzy i zgorzeliny, osłony z cegły powinny być zdjęte, jak również ruszty, belki podrusztowe i progi;
wokół włazów, kołnierzy, zaworów oraz we wszystkich tych miejscach korpusu kotła, w których możliwe jest utlenianie metalu na skutek wydobywania się pary lub przecieków wody, izolacja powinna być zdjęta obowiązkowo, a wszystkie te miejsca oczyszczone do czystego metalu; w wypadkach koniecznych inspektor może zażądać zdjęcia całej izolacji kotła;
cała armatura powinna być oczyszczona z brudu i osadu kamienia kotłowego i powinna znajdować się na swoim miejscu;
w razie konieczności, na żądanie inspektora, ramy paleniskowe powinny być zdjęte;
wszystkie włazy i wyczystki powinny być otwarte. Kotły opłomkowe powinny podlegać kolejnym przeglądom klasyfikacyjnym w każdym roku w zakresie tzw. przeglądu zasadniczego.
rodzaju spalanego paliwa,
warunków spalania (przygotowania paliwa, jego podgrzania, rozpylenia, ilości podawanego powietrza itp.),
rodzaju kotła (sposobu przebiegu spalin, warunków odbioru ciepła itp.).
stwarzają izolację cieplną na drodze przepływu strumienia ciepła od spalin do wody czy pary,
zwiększają opór przepływu dla spalin są przyczyną powstawania uszkodzeń elementów konstrukcyjnych kotła.
wydęcia płomienie i innych elementów powierzchni ogrzewalnej w kotłach płomieniówkowych; uszkodzenia tego typu mogą prowadzić do poważnych awarii kotła aż do jego wybuchu włącznie, dlatego rozmiary wydęć (a szczególnie strzałka ugięcia płomienicy), przy których dopuszczalna jest praca kotła, są określone przepisami instytucji klasyfikacyjnych;
wygięcia, pęknięcia i eksplozje rur wodnych;
pękanie szwów nitowanych (lub spawanych) płomienie, komór sekcyjnych, dennic itp.;
przecieki rur w miejscach rozwalcowania (lub spawania);
korozje wszelkiego rodzaju;
uszkodzenia obmurza paleniska.
mechaniczne,
termiczne,
chemiczne.
obszar A — z powodu rozwarstwienia mieszaniny parowo-wodnej,
elektrochemiczną,
gazową,
kwasową.
temperatury w palenisku,
promieniowania w palenisku,
wahań obciążenia paleniska (zależnych od wahań obciążenia kotła),
mechanicznych drgań kotła.
cegłę szamotową,
proszek szamotowy,
grafit.
remonty planowane,
remonty awaryjne.
powolna i nieznaczna nawet, ale nieunikniona korozja materiału, i to zarówno od strony spalin, jak i wody;
zmęczenie materiału pracującego w niekorzystnych warunkach (na przykład w wysokiej temperaturze);
trudna do uniknięcia erozja występująca na przykład przy zdmuchiwaniu sadzy strumieniem pary.
maksymalna wypukłość ściany sitowej kolektorów i walczaków kotłów wodnorurkowych nie powinna przekraczać 0,1% wartości ich zewnętrznej średnicy;
średnica otworu dla rur w ściankach sitowych nie powinna być większa niż o 5% zewnętrznej średnicy tych rur przy owalności nie większej niż 0,3 mm.
okresowe zakłócenia i przerwy w zasilaniu,
uszkodzenia urządzenia automatycznej regulacji zasilania,
pęknięcia rurek lub innych elementów konstrukcyjnych kotła.
palników,
powinna pracować) odnotowuje się ciśnienie otwarcia i zamknięcia zaworu,
podającej paliwo i przy awaryjnym podgrzewaniu paliwa (o ile na statku jest taka
instalacja) jak również przy awaryjnym nadmuchu powietrza,
Zakończenie prób potwierdza się wystawieniem świadectwa odbioru.
12. OBSŁUGA KOTŁÓW OKRĘTOWYCH.
Obsługa okrętowych kotłów parowych, zarówno głównych, jak i pomocniczych, powinna odbywać się zgodnie z przepisami eksploatacyjnymi oraz instrukcjami obsługi wydawanymi przez zakład produkujący kotły. Ścisłe przestrzeganie tych przepisów i instrukcji powinno zapewnić osiągnięcie żądanych wyników ekonomiczności siłowni okrętowych oraz jej bezawaryjność. Poza tymi względami przy obsłudze okrętowych kotłów parowych powinna być zachowana duża ostrożność, bowiem błędy i zaniedbania obsługi mogą doprowadzić do poważnych awarii, grożących zdrowiu i życiu personelu maszynowni, a nawet — w skrajnych wypadkach — powodujących zniszczenie całego statku (np. wskutek wybuchu kotłów).
Wszelkie samodzielne usprawnienia obsługi pracy kotłów parowych mogą być wprowadzone dopiero po bardzo wnikliwej i ostrożnej analizie projektu oraz zasięgnięciu opinii przedstawicieli instytucji klasyfikacyjnych i konstruktora kotła.
12.1. Przygotowanie kotłów do pracy.
Przed przystąpieniem do przygotowania kotła do pracy należy przeprowadzić dokładny przegląd kotła. Czynność ta, na pozór prosta, jest czynnością bardzo ważną, gdyż można w ten sposób uniknąć nieraz bardzo poważnych skutków niedopatrzenia. Przegląd kotła przed przygotowaniem go do pracy nabiera pierwszorzędnego znaczenia w wypadku, gdy kocioł był odstawiony na dłuższy okres, zwłaszcza gdy przeprowadzano remonty lub czyszczenie. Przeglądowi podlega kocioł zarówno od strony komory spalania, jak też i od strony przestrzeni parowo-wodnej (o ile była spuszczana woda z kotła).
Przy przeglądzie należy zwracać baczną uwagę na jakość powierzchni ogrzewalnych, to znaczy obserwować czy nie ma wybrzuszeń, szczelin czy też poważniejszych osadów zarówno kamienia kotłowego i śladów oleju na wysokości normalnego poziomu wody po stronie wodnej, jak też sadzy albo innych nawarstwień po stronie spalin. Występowanie zacieków po stronie ogniowej oznacza przecieki wodne w obserwowanym obszarze. Szczegółowym oględzinom należy też poddać ognioodporną wykładzinę komory paleniskowej, poza tym armaturę kotłową, a wreszcie samo mocowanie kotła oraz jego izolację. Wszystkie zawory i kurki powinny otwierać się bardzo lekko, ręcznie, bez pomocy klucza, a manometry powinny wskazywać istniejące aktualnie w kotle nadciśnienie, czyli zero. Przeglądając kocioł od strony wodnej, należy dodatkowo sprawdzić, czy nie pozostawiono jakichś narzędzi lub materiałów na powierzchniach ogrzewalnych, gdyż może stać się to przyczyną powstania lokalnego przegrzania materiału w czasie pracy kotła.
W wypadku zaobserwowania przez mechanika dokonującego przeglądu (na parowych statkach handlowych starszego typu jest to najczęściej III mechanik, a na nowych turbinowcach odpowiedzialny za stan techniczny i gotowość eksploatacyjną kotłów i urządzeń ich obsługi jest I mechanik) jakichkolwiek uszkodzeń należy wstrzymać czynności przygotowania kotła do pracy i bezzwłocznie przystąpić do ich usunięcia.
Równocześnie należy przeprowadzić badanie stanu technicznego i jakości działania wszystkich instalacji i rurociągów obsługujących kocioł. Specjalną uwagę należy poświęcić instalacji paliwowej, instalacji podawania powietrza do kotła oraz instalacji automatycznej regulacji wszelkich typów (np. regulacja zasilania, regulacja opalania, regulacja czyszczenia -itp.). Jeszcze raz warto podkreślić, że w praktyce statkowej niestety bardzo rzadko stosuje się wyżej wymienione przeglądy, a jeżeli nawet przeprowadza się je — to często traktowane są bardzo powierzchownie, co niestety może stać się przyczyną nawet poważnej awarii, lub — w wypadku wykrycia wad w czasie podnoszenia ciśnienia pary — może stać się powodem opóźnienia wyjścia statku w morze i przyczyną poważnych nieraz strat finansowych armatora.
Po zakończeniu przeglądu i zanotowaniu jego wyników w dzienniku maszynowym zamyka się wszystkie pokrywy włazów i wyczystek. Poza tym należy zamknąć wszystkie zawory, prócz odpowietrzającego, kurków manometrowych zaworów odcinających wodowskaz oraz zaworów zabezpieczających sekcje przegrzewaczy pary przed przepaleniem.
Zawory poboru pary z kotła powinny być w zasadzie całkowicie zamknięte w pierwszej fazie ogrzewania kotła, pozostawia się je jednakże nieraz nie domknięte na ok. 1/8 obrotu trzona zaworowego, ażeby uniknąć ewentualnych zacięć przy podgrzewaniu.
Zakładanie pokryw włazów i wszelkiego rodzaju wyczystek oraz innych otworów w części parowo-wodnej kotła jest czynnością bardzo odpowiedzialną ze względu na to, że w wypadku, jeżeli w czasie rozpalania kotła czy podnoszenia ciśnienia pary któraś z pokryw zacznie przepuszczać wodę lub parę, należy bezzwłocznie zatrzymać uruchomienie kotła, ewentualnie obniżyć ciśnienie, a nawet usunąć wodę (w wypadku jeżeli przeciek występuje poniżej poziomu wody w kotle), i dopiero po usunięciu przyczyny nieszczelności przystąpić do ponownego rozpalania kotła.
Gniazda pokryw włazów, wyczystek i .innych otworów muszą być przed osadzeniem pokrywy dokładnie oczyszczone i nasmarowane (najczęściej specjalną pastą grafitową). Należy zwrócić szczególną uwagę na to, czy uszczelnienia nie mają pęknięć, wgłębień lub czy nie są skruszałe, gdyż mogłoby się to stać przyczyną przecieków. W wypadku zauważenia podobnych uszkodzeń uszczelki muszą być bezwzględnie wymienione.
W miarę ogrzewania kotła śruby przytrzymujące pokrywy podlegają wydłużeniu i siła docisku pokrywy do uszczelnienia w gnieździe maleje. W tym celu należy dociągnąć stopniowo nakrętki śrub mocujących, nie dopuszczając jednakże do powstawania nadmiernych naprężeń.
12.2. Napełnianie kotła wodą, rozpalanie i zwiększanie ciśnienia pary
Przed napełnieniem pustego kotła wodą należy sprawdzić jakość wody w zbiorniku, z którego będziemy kocioł zasilać. Jest to ważne szczególnie po długim .okresie postoju, ponieważ mogły nastąpić zanieczyszczenia wody kotłowej w zbiornikach.
Warunki, jakim powinna odpowiadać woda kotłowa, podane są w rozdz. 12.4. Napełnienie kotła wodą może odbywać się za pomocą pompy zasilającej i przy całkowicie otwartym zaworze zasilania. Jeżeli aktualnie na statku nie dysponujemy energią mogącą uruchomić system zasilania, napełnianie może się odbywać przez otwarty właz (np. wężem z systemu tzw. wody technicznej na nabrzeżu stoczniowym itp.).
W przypadku napełniania wodą kotłów wysokociśnieniowych należy je zasilać jedynie wodą destylowaną przygotowaną odpowiednio w wyparowniku z wody słonej lub słodkiej.
Temperatura wody zasilającej podawanej do kotła może być o kilkanaście stopni wyższa od temperatury elementów konstrukcyjnych kotła, nie może jednak być zbyt wysoka ze względu na możliwość powstawania zbyt dużych naprężeń wskutek nierównomiernego i za szybkiego ogrzewania pewnych elementów kotła.
Podawanie zbyt zimnej wody do kotła pogarsza z kolei cyrkulację naturalną w pierwszej fazie rozpalania i przedłuża czas rozpalania.
Kocioł należy napełnić wodą do najniższego poziomu wody w szkle wodowskazowym (niektóre instrukcje nakazują napełnianie do wysokości odpowiadającej V3 wysokości słupa wody w szkle wodowskazowym). Ma to na celu pozostawienie odpowiedniego zapasu objętości na rozszerzanie się wody w procesie jej ogrzewania tak, aby aktualny poziom wody w kotle nigdy nie znikł z zakresu, jaki obejmuje szkło wodowskazowe, to znaczy, żeby nie zaistniała sytuacja, w której obsługa kotła przestałaby się orientować co do wysokości stanu wody wewnątrz walczaka.
Niektóre instrukcje obsługi kotłów (np. instrukcja radziecka dla kotłów typu KWG) przewidują napełnianie kotła wodą do górnego poziomu w szkle wodowskazowym. Takie postępowanie ma na celu przyspieszenie czasu rozpalania i podnoszenia ciśnienia pary w kotle, a więc skrócenie czasu potrzebnego do doprowadzenia kotła do warunków roboczych, ponieważ w pierwszej fazie ogrzewania stosuje się tu — dla polepszenia naturalnej cyrkulacji w kotle — spuszczenia części zimnej wody z dolnych obszarów kotła przez rurociągi dolnego szumowania.
Po osiągnięciu wymaganego poziomu wody w kotle poleca się sprawdzić w działaniu pływakowy regulator zasilania, o ile taki znajduje się na kotle.
Przed rozpalaniem palników należy jeszcze sprawdzić działanie systemu przeciwpożarowego w obrębie kotłów, następnie pousuwać sprzed kotłów wszelkie ewentualne resztki rozlanego paliwa płynnego, ażeby zmniejszyć do minimum możliwość powstania pożaru. Po tych wstępnych czynnościach należy dokładnie przedmuchać komorę spalania.
Pierwsze rozpalanie odbywa się najczęściej za pomocą paliwa lekkiego. Zapalenia paliwa dokonuje się za pomocą specjalnej pochodni, którą stanowi kwacz bawełniany nasycony olejem palnym. Płonący kwacz wsuwa się do komory paleniskowej przez specjalny otwór tak, aby płomień znalazł się w miejscu, gdzie paliwo wydostaje się z dyszy palnika w postaci odpowiednio rozpylonej, drobnej mgiełki.
Najpierw należy wsunąć płonącą pochodnię do komory paleniskowej, a dopiero potem włączyć palnik. W żadnym wypadku nie wolno zmieniać kolejności tych czynności.
W obecnie eksploatowanych okrętowych kotłach parowych przedstawioną metodę zapalania stosuje się wyłącznie w wolnostojących kotłach pomocniczych. Kotły główne turbinowców wyposażone są najczęściej w elektryczne zapalarki (rozdz. 7.2.5), a operacja zapalania kotła zabezpieczona jest blokadami uniemożliwiającymi niewłaściwą kolejność wykonania wszystkich koniecznych przy tym czynności.
Istnieje również generalna zasada, że najpierw doprowadza się do pale niska (komory spalania) powietrze, a potem, paliwo. Przy wygaszaniu kolejność jest odwrotna.
Uruchamianie instalacji paliwowej, przygotowanie paliwa oraz kolejne czynności przy rozpalaniu muszą się odbywać ściśle według instrukcji firmy produkującej urządzenie opalania kotłów.
Po zapaleniu palnika należy wyregulować ilość, temperaturę i ciśnienie podawanego do komory spalania powietrza i paliwa tak, aby zarówno kształt płomienia, jak i jego kolor, były zgodne z podanymi w instrukcji firmowej. Jakość spalania po rozpaleniu kotła należy kontrolować również w przypadku automatycznej instalacji obsługi kotłów.
Jeżeli w początkowej fazie rozpalania któryś z palników zgaśnie, można go uruchomić ponownie dopiero po dokładnym przewietrzeniu komory paleniskowej, ażeby usunąć wszelkie ewentualne pary paliwa. Istnieje bowiem zawsze możliwość, że w czasie między zgaśnięciem płomienia a odcięciem podawania paliwa do paleniska pewna ilość paliwa rozleje się po dnie komory paleniskowej. W razie ponownego wsunięcia otwartego ognia do wnętrza komory może nastąpić w takim wypadku wybuch nagromadzonych palnych par paliwa.
Czas, jaki musi upłynąć między zgaśnięciem palnika podczas rozpalania kotła a ponowną próbą rozpalania jest określony instrukcją obsługi. Obowiązuje również zasada, że próbę zapalenia można przeprowadzać tylko trzykrotnie. Po trzeciej nieudanej próbie należy odszukać przyczynę gaśnięcia palnika i dopiero po jej usunięciu przystąpić do ponownego rozpalania.
Rozpalanie kotła płomieniówkowego powinno rozpoczynać się od środkowej płomienicy, a dopiero potem należy prowadzić ogrzewanie płomienie bocznych (w wypadku najczęściej spotykanych kotłów trój-płomienicowych). Stosowane jest też rozpalanie kotła od skrajnej płomienicy (na przemian przy jednym rozpalaniu od prawej, przy drugim — od lewej). Sposób ten ma na celu utworzenie cyrkulacji wody wokół wewnętrznych płaszczyzn płaszcza kotłowego. W kotłach opłomkowych najpierw rozpala się palnik środkowy, a potem kolejno — w odpowiednich momentach procesu przygotowania kotła do pracy — palniki zewnętrzne, idąc od palnika środkowego promieniście na wszystkie strony (zależnie od rozmieszczenia palników). Taka kolejność rozpalania ma na celu zawsze takie same i w tym samym kierunku postępujące wydłużenia termiczne konstrukcji kotła.
Rozpalanie kotła powinno odbywać się stopniowo, ażeby uniknąć powstawania nadmiernych naprężeń, które mogą spowodować nawet pojawienie się nieszczelności w jego konstrukcji (szczególnie w miejscach połączeń rurek z dennicami lub walczakami). Dlatego też w początkowym okresie przygotowania kotła do pracy, przy rozpylaniu mechanicznym, należy używać palnika o najmniejszej wydajności.
Przy ustalaniu czasu potrzebnego do przygotowania kotła do pracy należy brać pod uwagę przede wszystkim intensywność cyrkulacji w kotle i masę wody, a tym samym typ kotła.
Nierównomierne nagrzewanie jest najbardziej niebezpieczne dla kotłów płomieniówkowych, co związane jest z dużą sztywnością ich konstrukcji. Może ono doprowadzić — przy zbyt szybkim ogrzewaniu i następnie podnoszeniu ciśnienia pary — do przecieków na- połączeniach walcowanych (rurki) i nitowanych, a nawet do powstawania drobnych szczelin i pęknięć na wyobleniach dennic czy wywijanych kryzach płomienie. Poza wymienionymi uszkodzeniami, uchwyconymi bezpośrednio dzięki na przykład obserwacji, termiczne naprężenia powodują szybszy postęp korozji oraz starzenie się materiału, co w efekcie obniża czas eksploatacji kotła, a więc podraża jej koszty.
W kotłach płomieniówkowych stosowane są rozmaite metody prowadzące do szybszego wyrównania się temperatur, a tym samym do równomiernego nagrzewania się poszczególnych elementów konstrukcyjnych.
A więc między innymi stosuje się:
W kotłach wodnorurkowych naprężenia cieplne występują w znacznie mniejszym stopniu, ponieważ części tych kotłów napełnione wodą mają stosunkowo niewielką sztywność, a mała pojemność wodna i dość dobra cyrkulacja sprzyjają szybkiemu wyrównaniu temperatur.
Ogólnie można przyjąć, że czas potrzebny na przygotowanie kotła do pracy jest to czas zapewniający powolne i równomierne podgrzanie wody w kotle, materiału kotła oraz obmurza i wykładziny szamotowej paleniska.
Uruchamianie kotła parowego można podzielić na dwie główne fazy:
Na ogół oba te okresy są mniej więcej sobie równe. Dotyczy to zarówno kotłów płomieniówkowych, jak i sekcyjnych czy pomocniczych (rys. 12.1, 12.2 i 12.3). W wypadku uruchomienia kotła stromo-rurkowego przebieg rozpalania odbywa się nieco inaczej).
W pierwszym okresie uruchamiania kotła kurek odpowietrzający jest przez cały czas całkowicie otwarty i uchodzi przezeń powietrze wydzielające się z podgrzewanej w tym czasie wody. Z chwilą, gdy z kurka ukaże się strumień pary, rozpoczyna się druga faza uruchamiania kotła.
Dla kotłów płomieniówkowych czas pierwszej fazy wynosi około 8 h (rys. 12.1). Po zamknięciu kurka odpowietrzającego należy raz jeszcze przedmuchać manometry, gdyż prawidłowość ich wskazań będzie odtąd warunkowała zgodny z wymogami eksploatacyjnymi przebieg wzrostu ciśnienia pary w kotle w zależności od czasu.
Gdy ciśnienie pary podniesie się do 0,393—0,491 MN/m2 (4—5 kG/cm2), należy sprawdzić ręcznie działanie zaworu bezpieczeństwa oraz dociągnąć śruby wszystkich włazów i otworów wyczystkowych, które były ostatnio otwierane.
Rys. 12.1. Wykres zależności ciśnienia pary od czasu podczas uruchamiania 'kotła płomieniówkowego
W wypadku zbyt wysokiego poziomu wody w szkle wodowskazowym część wody trzeba spuścić przez zawór dolnego szumowania.
Bardzo ważnym zagadnieniem jest ochrona rurek przegrzewacza pary w trakcie rozpalania kotła. W tym okresie bowiem przegrzewacz nie jest chłodzony od wewnątrz strumieniem pary i pozostaje pod wpływem znacznej temperatury spalin, w wyniku czego może zachodzić niebezpieczeństwo przepalenia rurek. Uszkodzenie przegrzewacza może nastąpić dopiero po wpuszczeniu pary od jego wnętrza, kiedy elementy konstrukcyjne przegrzewacza znajdą się pod działaniem ciśnienia roboczego kotła, niemniej przyczyną powstania uszkodzeń wtedy występujących mogą być wadliwe warunki towarzyszące rozpalaniu kotła.
Początkowo w celu ochrony rurek przegrzewacza stosowano napełnianie przegrzewacza wodą na czas rozpalania kotła. Jednakże sposób ten powodował powstawanie ubocznych, szkodliwych skutków w postaci osadów soli i kamienia kotłowego wewnątrz niedostępnych z reguły do oczyszczenia rurek przegrzewacza, co sprzyjało ich późniejszym przepaleniem w czasie pracy kotła. Poza tym w trakcie ogrzewania z wody znajdującej się wewnątrz rurek przegrzewacza wydzielały się rozpuszczone gazy (w tym szczególnie niebezpieczny tlen) i następowała groźna w skutkach korozja rurek przegrzewacza.
W celu uniknięcia szkodliwych skutków tego sposobu chłodzenia zalecane jest częściowe napełnianie przegrzewacza wodą (w miarę możliwości destylowaną), z pozostawieniem otwartego kurka odpowietrzającego. Po podniesieniu się ciśnienia pary w kotle zamyka się najpierw kurek odpowietrzający na kotle, pozostawiając uchylony kurek odpowie-
trzający przegrzewacza, łączy się przegrzewacz z kotłem i spuszcza wodę z przegrzewacza. Niewielki przepływ pary przez przegrzewacz wystarcza całkowicie do jego chłodzenia w czasie rozpalania. Po uzyskaniu wyższego ciśnienia otwiera się zawór pary przegrzanej do maszyn pomocniczych i zamyka kurek odpowietrzający przegrzewacza.
Obecnie stosowane jest również ochładzanie przegrzewacza pary w czasie rozpalania kotła przez przepuszczanie przez niego pary pobieranej z innego kotła na statku (może to być kocioł pomocniczy). Para ta chroni przegrzewacz przed uszkodzeniami i uchodzi na zewnątrz przez kurki służące do przedmuchiwania przegrzewacza lub też kierowana jest przez ochładzacz pary do mechanizmów pomocniczych. Przegrzewacz pary chłodzony jest w ten sposób aż do uzyskania normalnych warunków pracy kotła.
Inny problem łączy się z kolei z podgrzewaczem powietrza. W czasie rozpalania kotła ilość podawanego do spalania powietrza jest znikoma i intensywność chłodzenia elementów podgrzewacza przez przepływające powietrze jest o wiele mniejsza niż w trakcie normalnej pracy kotła. Z drugiej jednak strony strumień spalin nie oddaje całego ciepła, na przykład w wewnątrzkotłowym podgrzewaczu wody zasilającej oraz na segmentach przegrzewacza, i temperatura spalin na odlocie z kotła może być wyższa niż w ustalonych warunkach pracy.
Ażeby w takiej sytuacji uniknąć deformacji podgrzewacza, temperatura spalin przed nim nie powinna przekraczać 350°C. Z kolei, jeżeli zachodzi potrzeba zwiększenia intensywności podawania powietrza, należy zwrócić uwagę, ażeby temperatura spalin na odlocie nie spadła poniżej punktu rosy (rozdz. 2.4), co mogłoby powodować występowanie korozji siarkowej.
Rys. 12.2. Wykres zależności ciśnienia pary od czasu podczas uruchamiania kotła sekcyjnego
W czasie podnoszenia ciśnienia pary należy co pewien czas sprawdzić działanie manometrów. Dokonuje się tego za pomocą przełączenia kurka manometrowego na wolną atmosferę. Prawidłowo działający manometr powinien w takim wypadku wskazywać zero.
Uruchamianie kotła kończy się wraz z osiągnięciem ciśnienia roboczego oraz z przyłączeniem kotła do głównego rurociągu parowego. Rurociąg ten musi być przedtem dokładnie ogrzany. Szczegółowy opis tego procesu podany jest w rozdz. 12.3.
Na rys. 12.2 przedstawiono przybliżony przebieg uruchamiania kotła sekcyjnego. Jak widać z wykresu, czas jego uruchamiania wynosi około 8 h, czyli znacznie mniej niż dla kotła płomieniówkowego. Takie przyspieszenie możliwe jest dzięki bardziej elastycznej konstrukcji kotła sekcyjnego aniżeli kotła płomieniówkowego, mniejszej zawartości wody, a przede wszystkim lepszej jej cyrkulacji. Ze względu na to, że większość kotłów wodnorurkowych wyposażona jest w urządzenia umożliwiające rozszerzanie elementów konstrukcyjnych, szczególnie w trakcie rozpalania, zaleca się obserwację i kontrolę swobody tych wydłużeń tam, gdzie ona jest przewidziana (np. swobodne, przesuwne zamocowanie kolektorów albo ich wahliwe zawieszenie, umieszczenie tylnych komór sekcyjnych na rolkach itp.). Rys. 12.3 przedstawia przebieg przygotowania do pracy kotła pomocniczego VX5II. Charakter procesu podnoszenia ciśnienia pary jest podobny do poprzednio omówionych, czas potrzebny do przygotowania kotła do pracy jest stosunkowo krótki ze względu na niewielką zawartość wody oraz dosyć elastyczną konstrukcję. Uruchamianie kotła stromo-rurkowego przebiega o wiele szybciej niż kotłów płomieniówkowych, a nawet sekcyjnych. Pozwala na to szczególnie elastyczna i podatna na, odkształcenia termiczne konstrukcja kotła, niewielka zawartość wody w obiegu i znacznie lepsza jej cyrkulacja.
Rys. 12.3. Wykres zależności ciśnienia pary od czasu podczas uruchamiania kotła pomocniczego VX5II
Wykres na rys. 12.4 obrazuje rzeczywisty przebieg rozpalania kotła stromo-rurkowego KWG-25 o wydajności 25 t/h i powierzchni ogrzewalnej (głównej) wynoszącej 350 m2. Jak wynika z wykresu, całkowity czas przygotowania kotła do pracy, to jest czas do uzyskania ciśnienia 4,327 MN/m2 (44 kG/cm2) trwa ok. 2 h.
Rys. 18.4. Przebieg uruchamiania kotła stromo-rurkowego KWCr-25
W czasie rozpalania kotła dostarcza się początkowo do palnika paliwo lekkie, o mniejszej lepkości, nie wymagające wcale podgrzewania, albo tylko do niewielkich temperatur.
Na wykresie zaznaczone są strzałkami wszystkie charakterystyczne punkty przygotowania kotła do pracy. W punkcie l sprawdzono ręcznie działanie zaworów bezpieczeństwa. W punkcie 2 rozpoczęto podawanie paary do przegrzewacza, natomiast w punkcie 3 parę nasyconą o ciśnieniu ok. 0,491 MN/m2 (5 kG/cm2) skierowano z kotła do głównego rurociągu parowego mechanizmów pomocniczych. Wskutek tego ciśnienie pary w kotle chwilowo opada. W punkcie 4 rozpoczęto grzanie i przygotowanie do uruchomienia turbopompy zasilającej, którą uruchomiono na wolnych obrotach w punkcie 5. Następnie (w punkcie 6) zatrzymano pompę służącą jedynie do obsługi kotła przy jego rozpalaniu, a w punkcie 7, w 70 minucie od momentu rozpoczęcia rozpalania kotła, przystąpiono do grzania ciężkiego oleju opałowego oraz do grzania pompy podającej go do kotła.
Przed przystąpieniem do tej ostatniej czynności należy sprawdzić podgrzewacz oleju opałowego na szczelność. W tym celu przez nie ogrzany na razie parą podgrzewacz przepompowuje się olej opałowy pod pełnym ciśnieniem. Następnie uchyla się zawór dolotowy pary na część skoku i wpuszcza do podgrzewacza nieco zdławionej pary. Wpływając do chłodnego jeszcze kadłuba para ta ulega skropleniu, a wytworzone skropliny pobiera się przez rurki spustowe i bada, czy nie zawierają śladów oleju opałowego. W punkcie 8 — po osiągnięciu przez olej opałowy dostatecznej temperatury — uruchomiono pompę podającą paliwo do kotła i przełączono opalanie na olej ciężki. Powoduje to dalszy spadek ciśnienia pary w kotle. Dlatego w punkcie 9 włącza się kolejno dalsze palniki i od tego czasu następuje bardzo szybki wzrost ciśnienia pary w kotle aż do parametrów roboczych. Z analizy wykresu na rys. 12.4 wynika pytanie, czy dość znaczny spadek ciśnienia od prawie 1,57 MN/m2 (16 kG/cm2) w 60 minucie do 0,393 MN/m2 (4 kG/cm2) w 90 minucie nie jest szkodliwy dla konstrukcji kotła. Jak jednak wykazała praktyka na radzieckich statkach, nie zaobserwowano przy stosowaniu podanego sposobu rozpalania żadnych ujemnych jego skutków. Jest to możliwe głównie dzięki bardzo dużej elastyczności kształtu rurek kotła KWG, które mają możliwość prawie swobodnego wydłużania się i kurczenia pod wpływem zmian temperatury.
Rys. 12.5. Przebieg uruchamiania kotła membranowego VNS 62/515 E firmy Howalds Werke - Deutsche Werft HG Werk Kiel (RFN)
W przypadku membranowego kotła wysokociśnieniowego 6,092 MN/m2 (62 kG/cm2) o znacznej wydajności wynoszącej 36/50 t/h (wydajność nominalna/wydajność maksymalna) czas rozpalania kotła od stanu zimnego (po napełnieniu wodą) powinien trwać minimum 4 h.
Przebieg rozpalania kotła jako funkcji zmiany temperatury wody i ciśnienia panującego, w kotle w czasie przedstawiono na rys. 12.5. Jak widać na tym rysunku, okres podnoszenia temperatury wody w kotle do temperatury wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym, tj. przy otwartych zaworach odpowietrzających walczaka i przegrzewaczy wynosi l h.
Od tego momentu zaczyna się podnoszenie ciśnienia pary w kotle, początkowo [do czasu osiągnięcia w kotle ciśnienia 0,196 MN/m2 (2 kG/cm2)] przy otwartych zaworach odpowietrzających, a następnie przy zamkniętych.
Począwszy od ciśnienia 0,981 MN/m2 (10 kG/cm2) (po ok. 2 h 20 min) tempo wzrostu ciśnienia zwiększa się tak, że po 3 h w kotle powinno panować ciśnienie ok. 2,355—2,453 MN/m2) (24—25 kG/cm2), a po 4 h kocioł powinien być całkowicie gotowy do ruchu.
W praktyce, w zależności od sytuacji jaka panuje w siłowni, podczas rozpalania kotła istnieją dwa sposoby, a jednocześnie możliwości rozpalania kotła zimnego i przygotowania go do pracy.
Jeśli w siłowni oba kotły są całkowicie odstawione, a statek nie dysponuje żadnym zewnętrznym źródłem pary, tzn. przy „zimnej" siłowni, napełnienie kotła może odbywać się przy pomocy elektrycznej pompy skroplinowej (zasilanie bądź z lądu, bądź z agregatu prądotwórczego napędzanego silnikiem spalinowym).
Przy rozpalaniu kotła należy użyć paliwa lekkiego (oleju napędowego, które doprowadzane jest do palnika kotłowego wraz ze sprężonym powietrzem zamiast pary lub bez sprężonego powietrza. W pierwszym przypadku stosowane są palniki z dyszami przedstawionymi np. na rys. ,7.16a, lecz o mniejszej liczbie dysz, w drugim — z dyszami przedstawionymi np. na rys. 7.16 b.
Ze względu na to, że olej napędowy łatwo paruje, przy rozpalaniu kotła palnikiem na tzw. paliwo lekkie należy zwrócić szczególnie baczną uwagę na dobre przewietrzenie i wentylację komory spalania. Ponieważ dodatkowo nadmuch powietrza przy tzw. kotle zimnym odbywa się — przy braku pary — przy pomocy siłownianego wentylatora nadmuchowego, należy przed pierwszym rozpaleniem i po każdej nieudanej próbie rozpalania wietrzyć komorę spalania przez okres przewidziany instrukcją.
W wypadku trzeciego nieudanego zapalenia nie należy ponawiać prób i ustalić przyczynę niemożliwości zapalenia palnika.
Uzupełnianie wody w kotle podczas rozpalania przy obu zimnych kotłach w siłowni odbywa się przy pomocy elektrycznej pompy zasilającej.
Po uzyskaniu w kotle ciśnienia 6,092 MN/m2 (62 kG/cm2) otwiera się dolot pary do palników i włącza do pracy podgrzewacz paliwa ciężkiego, czyli oleju opałowego. Po uruchomieniu dmuchawy parowej i podgrzewaniu powietrza parą odlotową z odgazownika (podgrzewacza mieszankowego wody zasilającej) można przystąpić do opalania kotła paliwem ciężkim, czyli olejem opałowym.
Z chwilą gdy rozpoczyna się odbiór pary z rozpalonego kotła, można zamknąć tzw. zawór startowy, czyli zawór odpowietrzający przegrzewacz pary. Musi on być otwarty podczas zapalania kotła ze względu na to, że w przypadku braku poboru pary z kotła rurki przegrzewacza nie mają chłodzenia i mogłyby łatwo ulec przepaleniu.
Jeśli jeden z kotłów w siłowni pracuje, rozpalanie drugiego kotła jest znacznie prostsze. Rozpala się wtedy kocioł podając do palników od razu olej opałowy oraz parę rozpylającą. Również nadmuch powietrza odbywa się poprzez dmuchawę parową o dużej wydajności i odpowiednim ciśnieniu.
Niekiedy konieczne jest wyłączanie kotła z pracy i obniżenie jego ciśnienia jedynie do pewnych granic podyktowanych względami technicznymi.
Na statku „Rysy II" zaistniała np. konieczność ostudzenia kotła do takiej temperatury, aby można było usunąć z otworu pomiarowego na rurociągu pary przegrzanej uszkodzony i zakleszczony czujnik zdalnego pomiaru temperatury.
Po usunięciu czujnika z otworu zaczęto podnosić ciśnienie pary od wartości 2,00 MN/m2 (20,4 kG/cm2). Przebieg podnoszenia ciśnienia przedstawiono na wykresie (rys. 12.6). Jak widać, pierwsza faza podnoszenia ciśnienia przebiega łagodnie, natomiast począwszy od ciśnienia ok. 2,90 MN/m2 (30 kG/cm2) przyrost ciśnienia staje się intensywniejszy.
Rys. 12.6. Przebieg podnoszenia .ciśnienia w kotle VNS 62/515 E na zbiornikowcu turbinowym „Rysy II";
W punktach l i 2 dodawano wodę do kotła, co tłumaczy załamanie się krzywej wzrostu ciśnienia.
Długi okres przygotowywania kotłów do pracy stanowi niewątpliwie poważną wadę okrętowych siłowni parowych. Wymaga to bowiem długotrwałego utrzymywania kotła pod parą, zmniejsza elastyczność eksploatacyjną statku (statek musi być zawiadomiony o godzinie wyjścia w morze na co najmniej 16—24 h przed terminem — dla kotłów płomieniówkowych, co najmniej 6—8 h — dla kotłów sekcyjnych i 4—6 h dla kotłów stromorurkowych).
Krótki czas uzyskania gotowości siłowni jest niezmiernie ważny na jednostkach specjalnych, a w szczególności okrętach wojennych, i dlatego istnieje szereg rozwiązań konstrukcyjnych kotłów, w których wada ta została prawie zupełnie usunięta. Na przykład czas przygotowania do pracy kotła La Monta wynosi 15—20 min, a kotła typu Velox nawet 5— —8 min. Mimo to kotły te nie znalazły szerszego zastosowania.
12.3.Włączanie kotła do pracy.
Pierwszą czynnością, jaką się wykonuje po osiągnięciu przez kocioł parametrów roboczych pary, jest włączenie kotła do głównego przewodu parowego. Może się ono odbywać przy poziomie wody w kotle równym poziomowi roboczemu. Jeżeli bowiem poziom wody byłby wyższy, istnieje niebezpieczeństwo porwania jej razem z uchodzącą przez zawór parą, co spowodować może szkodliwe uderzenie hydrauliczne. Przy zbyt niskim poziomie wody może zajść niebezpieczeństwo jej dalszego spadku poniżej dopuszczalnego poziomu.
Przed wypuszczeniem pary do głównego rurociągu parowego należy go dokładnie. ogrzać, ażeby nie zachodziła obawa skraplania się pary w zetknięciu z chłodnymi ściankami rurociągu. Skroplony kondensat porywany przez parę powodować może również szkodliwe w skutkach uderzenia hydrauliczne.
Podczas włączania do pracy kotła w siłowni, w której pracuje aktualnie drugi kocioł, bardzo ważnym zagadnieniem jest osiągnięcie w kotle włączanym nieco wyższego ciśnienia niż w pozostałym, a to w tym celu, aby zaraz po włączeniu kotła do pracy uzyskać z niego pobór pary.
Innym, bardzo istotnym zagadnieniem jest dokładne odwodnienie przegrzewacza w kotle włączanym do pracy, aby nie nastąpiło porwanie ewentualnej wody przez parę do głównego rurociągu parowego i dalej do
odbiorników pary, takich jak turbiny napędzające np. dmuchawę kotłową, pompę zasilającą, turboprądnicę itp.
Zasada odwadniania przegrzewacza obowiązuje również i podczas włączania do pracy kotła w przypadku tzw. zimnej siłowni, mimo że wówczas nie pracują jeszcze żadne parowe mechanizmy w siłowni. Porwana jednakże woda z przegrzewacza do głównego przewodu parowego może w konsekwencji w późniejszym okresie — gdy włączony zostanie do pracy któryś z mechanizmów — doprowadzić do powstawania tzw. młota wodnego i uszkodzenia mechanizmu.
Gdy z włączanego kotła uzyska się już pobór pary (w nowszych instalacjach kotłowych zamontowane są wskaźniki poboru pary, czyli wskaźniki obciążenia każdego z kotłów), zamyka się tzw. zawory startowe, czyli odpowietrzenia przegrzewaczy, przez które podczas rozpalania i podnoszenia ciśnienia pary w kotle przepływa para w celu ochrony rurek przegrzewaczy przed przepaleniem (por. rozdz. 12.2).
12.4. Obsługa kotła w czasie pracy.
Obsługa kotłów w czasie pracy zależy od rodzaju kotła .i powinna przebiegać zgodnie z przepisami eksploatacyjnymi wyznaczonymi przez producenta. Przepisy te mogą różnić się nieco od siebie, jednakże można wymienić pewne wspólne cechy obsługi dotyczące kotłów wszelkiego typu i to zarówno głównych, jak i pomocniczych. Załoga statku powinna w czasie pracy kotła dbać o:
12.4.1. Przygotowanie wody zasilającej.
W czasie ustalonej pracy kotła woda zasilająca podawana do jego wnętrza to w głównej mierze skropliny krążące w obiegu parowo-wodnym. Ubytki wody w obiegu (np. ucieczki pary na wszelkiego rodzaju nieszczelnościach, przecieki skroplin na dławicach zaworów, woda usuwana z kotła w czasie szumowania górnego i dolnego itp.) są pokrywane wodą znajdującą się zazwyczaj w zbiornikach statkowych i wodę tę nazywa się wodą uzupełniającą.
Przed podaniem do kotła woda zasilająca musi być odpowiednio przygotowana. Przygotowanie takie można podzielić na dwie zasadnicze grupy. Jedna z nich obejmuje przygotowanie wody zasilającej pod względem jej składu chemicznego, druga — to przygotowanie pod względem termicznym.
Zarówno skropliny, jak i woda uzupełniająca mogą mieć zanieczyszczenia, których obecność szkodliwie wpływa na kocioł i pracę całej instalacji obiegu parowo-wodnego.
Najczęściej spotykanymi zanieczyszczeniami są rozpuszczone w wodzie gazy (np. powietrze, w którego skład wchodzi szczególnie sprzyjający powstawaniu korozji tlen) oraz zanieczyszczenia olejowe (szczególnie w wypadku stosowania w obiegu parowo-wodnym tłokowej maszyny parowej, gdzie olej smarowy styka się bezpośrednio z parą roboczą). W skroplinach mogą też znaleźć się zanieczyszczenia mechaniczne w postaci na przykład cząstek rdzy z rurociągów, cząstek kamienia kotłowego itp. Woda uzupełniająca natomiast może mieć — oprócz wymienionych zanieczyszczeń — również i inne wynikające z jej składu. Są to zazwyczaj rozmaite rozpuszczone sole.
W zależności od wielkości cząstek, zanieczyszczenia wody zasilającej można podzielić na:
Zanieczyszczenia mechaniczne dają się usunąć stosunkowo łatwo przez zwykłe filtrowanie, cząstki koloidalne zatrzymują się dopiero na tzw. ultrafiltrach, nie stosowanych zresztą na statkach. Usuwanie rozpuszczonych soli stanowiących zanieczyszczenia cząstkowe wymaga metod bardziej złożonych.
Zanieczyszczenia koloidalne zakłócają proces odparowania wody, powodując jej pienienie się lub tzw. plucie kotła. Zanieczyszczenia tego typu tworzą między innymi oleje, smary, substancje humusowe (kwasy próchnicowe), krzemionka.
Obecność zanieczyszczeń w wodzie doprowadza do:
Kamień kotłowy jest twardym, osadem powstającym na ściankach kotła parowego i innych urządzeń grzewczych. Osad ten tworzy się głównie w wyniku wydzielania się wskutek ogrzewania lub odparowania obecnych w wodzie związków mineralnych. Substancjami kamieniotwórczymi są przeważnie sole wapnia i magnezu. Poza tym kamień kotłowy zawiera krzemionkę, tlenki metali, a nieraz nieco oleju mineralnego, zawiesin nie filtrowanej wody i fosforanów.
Kamień kotłowy zmniejsza wymianę ciepła na ściankach kotła czy wymiennika, powodując wzrost zużycia paliwa, przegrzewanie i przepalanie blach kotłowych, wydęcia i pękania elementów konstrukcyjnych, a nawet — w skrajnym wypadku — może doprowadzić do eksplozji kotła.
Duża zawartość węglanów, niedostateczna sedymentacja (osadzanie) po zmiękczeniu wody lub jej brak, prowadzi do powstawania luźnych osadów nie związanych trwale z powierzchnią wymiennika, zwanych mułem lub szlamem kotłowym. Muł kotłowy nie stwarza tak wielkiego niebezpieczeństwa jak kamień kotłowy, wymaga jednak systematycznego usuwania w czasie pracy kotła (rozdz. 12.4.2).
Niepożądanym zjawiskiem zachodzącym podczas podawania do kotła nieodpowiedniej wody jest wzrost właściwości korozyjnych. Zależą one między innymi od kwasowości wody, od obecności rozpuszczonego w wodzie tlenu oraz aktywnego kwasu węglowego. Korozja może być spowodowana również powstawaniem kwasu solnego z hydrolizy chlorku magnezowego lub też kwasami próchnicowymi albo innymi zanieczyszczeniami organicznymi, które mają przeważnie charakter kwaśny i atakują blachę kotła, powodując jej uszkodzenie.
Zanieczyszczenie pary produkowanej w kotle polega na porywaniu przez pęcherzyki pary zanieczyszczeń znajdujących się na powierzchni parowania. Zanieczyszczenia te lżejsze od wody (głównie olej) osiadają następnie wewnątrz rurek przegrzewacza, gdzie mogą tworzyć bardzo niebezpieczne i trudne do usunięcia spieki. W konsekwencji zanieczyszczenia pary może nastąpić przepalenie rurek przegrzewaczy.
Oczyszczanie (uzdatnianie) wody do zasilania. O stopniu koniecznej czystości wody zasilającej decyduje rodzaj kotła. Inne — większe — będą wymagania stawiane wodzie zasilającej w wypadku kotłów wodnorurkowych i wysokociśnieniowych, a inne — znacznie mniejsze — w wypadku zasilania kotłów płomieniówkowych.
Proces oczyszczania wody można przeprowadzać metodą fizyczną lub chemiczną.
Do procesów fizycznych oczyszczania wody należy zaliczyć:
Do metod chemicznych oczyszczania wody należą:
W celu chemicznego przygotowania wody zasilającej na statkach stosuje się najczęściej gotowe preparaty fabryczne. Do bardziej znanych i stosowanych należą: Lauritzen, Antyllit, Aneroid oraz polski Chemorg. Są to preparaty fosforanowe, zawierające ponadto różne dodatki, jak siarczyn sodowy i związki organiczne służące do usunięcia tlenu oraz jednocześnie ochrony kotła przed korozją, adsorpcji oleju i zapobiegające pienieniu się wody. Środki zmiękczające dodaje się do wody zasilającej najczęściej w postaci rozpuszczonej, stosując się do załączonej instrukcji, która warunkuje ilość podawanego odczynnika w zależności od jego składu chemicznego oraz od stanu zmiękczanej wody zasilającej czy kotłowej.
Wymagania stawiane wodzie zasilającej co do jej składu chemicznego zależą od rodzaju i parametrów produkowanej pary. Generalnie można przyjąć, że im wyższe są parametry pracy kotła i im nowocześniejsza jest jego konstrukcja, tym wymagania te są ostrzejsze.
Przykładowo w stosunku do kotła wysokociśnieniowego o dużej wydajności [parametry robocze: 6,091 MN/m2 (62 kG/cm2); 515°C oraz 36/50 t/h pary] wymaga się następującego składu chemicznego wody zasilającej podawanej do kotła oraz wody kotłowej znajdującej się w kotle podczas pracy:
przewodność — do 20 μ Ω/cm2
twardość — 0
alkaliczność przemijająca — ślady
alkaliczność trwała — ślady
skroplmy:
pH — 8,6 - 9,0 ppm
NH3 maks. 0,5 ppm
fosforany — 15 - 25 ppm
pH — 9,8 - 10,2 ppm
chlorki — maks. 16 ppm
przewodność — 120 μ Ω/cm2
hydrazyna (ślady w wodzie
kotłowej po dodawaniu jej
do kotła) — 0,03—0,10 ppm
krzemiany — maks. 6 ppm.
Podawanie chemikaliów może się odbywać bądź bezpośrednio do skrzyni cieplnej (w obiegu otwartym), bądź też przez specjalne lejki, umieszczone na przykład na ssącej skrzynce zaworowej pompy zasilającej, bądź też wreszcie za pomocą specjalnej pompy i oddzielnego rurociągu.
Na rys. 12.7 przedstawiono schemat rurociągów podawania chemikaliów do kotła we współczesne j, siłowni turbinowej z dwoma kotłami o dużym ciśnieniu roboczym i znacznej wydajności.
Rys. 12.7. Schemat rurociągów podawania chemikaliów do kotłów; l, 2 — kotły; 3 — zbiornik wody zasilającej; 4 — zbiornik czynnika utleniającego; 5 — pompa podająca; 6 — pomocnicza pompa zasilająca; 7, 8 — główne pompy zasilające; 9 — zbiornik podawania chemikaliów; 10 — naczynie na chemikalia kotłowe; 11 — odpowietrzenie; 12—16 — zawory zwrotne; 17—30 — zawory odcinające
W przedstawionym układzie są dwie możliwości podawania chemikaliów do kotłów. W pierwszym przypadku — przy podawaniu środków absorbujących tlen z wody zasilającej i kotłowej — korzysta się ze zbiornika 4, w którym znajduje się odpowiedni czynnik. Pompa podająca 5 ustawiona jest na taką wydajność, aby przy jej pracy ilość podawanych do obiegu środków utleniających odpowiadała aktualnym wymaganiom i potrzebom. Pompa 5 podaje czynnik ze zbiornika 4 do przewodu ssawnego pomp zasilających, a do kotła dostaje się on wraz z wodą zasilającą. W przedstawionym przypadku podawanie czynników utleniających następuje po stronie ssawnej pomp zasilających. Według ostatnich badań amerykańskiej firmy Drew Ameroid, zajmującej się problemami urabiania wody kotłowej, korzystniejsze jest podawanie hydrazyny (N2H4) drogą wtrysku do pary na rurociągu przelotowym turbiną wysokiego i niskiego ciśnienia. W drugim przypadku dodawanie chemikaliów odbywa się przez zbiornik 9. Zbiornik ten napełnia się przez otwarcie zaworu 23 wodą zasilającą.
Następnie zamyka się zawór 23 i uchyla lekko zawór 24, tak aby w zbiorniku 9 spadło ciśnienie do atmosferycznego. Podczas gdy otwarty jest zawór 24 część wody przedostaje się przez rurociąg odpowietrzający 11 do naczynia 10. Do tego naczynia dodawane są chemikalia, a następnie przez otwarcie zaworu 25 spływają one do zbiornika 9, skąd — po otwarciu zaworu 23 i zaworu 29 lub 30 — dostają się do odpowiedniego kotła.
Również ważnym rodzajem przygotowywania wody zasilającej w czasie pracy kotła jest jej przygotowanie pod względem termicznym przez podgrzewanie. Ma ono na celu:
Podgrzewanie realizowane jest najczęściej w kilkustopniowych podgrzewaczach umieszczonych poza kotłem oraz w podgrzewaczu wewnątrz-kotłowym wykorzystującym ciepło uchodzących do komina spalin. Podawanie do kotła wody zasilającej o odpowiedniej temperaturze i odpowiednim stopniu odgazowania jest ważne nie tylko w czasie ustalonych, nominalnych warunków pracy kotła, lecz również w czasie mniejszego jego obciążenia, a nawet w czasie minimalnego poboru pary. Zagadnienie to wiąże się bowiem z równowagą termiczną wszystkich elementów konstrukcyjnych kotła w różnych stanach jego obciążenia.
Obszerne wiadomości na temat wody zasilającej kotły, wody kotłowej oraz wody uzupełniającej jak również wiadomości na temat zanieczyszczeń wody, jej uzdatniania oraz problemów eksploatacyjnych związanych z wodą zasilającą, kotłową i uzupełniającą znajdują się w książce P. Urbańskiego: „Paliwa, smary i woda dla statków morskich" wyd. II, Wydawnictwo Morskie Gdańsk 1976 — rozdz. 8—12.
12.4.2. Oczyszczanie wody w kotle w czasie pracy.
Do zagadnień związanych z obsługą kotła w czasie pracy należy okresowe oczyszczanie wody przez szumowanie górne lub dolne. Szumowanie dolne nazywane jest też odmulaniem.
Instalacje szumowania górnego i dolnego oraz zasady ich działania zostały opisane w rozdz. 6.5.3. Jak już wspomniano, celem szumowania jest oczyszczenie wody znajdującej się wewnątrz kotła z rozpuszczonych w niej soli, mułów oraz ewentualnych śladów olejów smarowych.
O ile zasada działania i cel stosowania instalacji szumowania i odmulania nie nastręcza żadnych poważniejszych wątpliwości, o tyle częstotliwość dokonywania tego rodzaju czynności oraz czas ich każdorazowego trwania jest problemem na ogół mało znanym przez obsługę kotłów.
W czasie włączenia instalacji szumowania czy odmulania zewnętrza kotła usuwana jest bądź za burtę, bądź przez wyparownik do zbiorników woda kotłowa o znacznej temperaturze. Ciepło, które woda ta pobrała od spalin, zostaje tym samym stracone dla bilansu cieplnego kotła. Może ono być częściowo odzyskane na przykład przez prowadzenie przez skrzynię cieplną rurociągu szumowniczego, wiodącego za burtę.
Jak więc wynika z powyższego, czas trwania oraz częstotliwość procesu szumowania nie są bez znaczenia dla sprawności kotła. Z drugiej strony zagadnienie właściwego użycia instalacji szumowania i odmulowania zależy od rodzaju i ilości zanieczyszczeń znajdujących się w wodzie kotłowej.
Instrukcje eksploatacji kotłów omawiają zagadnienie szumowania kotłów zazwyczaj bardzo pobieżnie, ograniczając się najczęściej do bardzo ogólnych uwag.
I tak na przykład zaleca się w stosunku do kotłów pomocniczych typu VX stosowanie szumowania górnego przynajmniej dwa razy na dobę. Zabieg ten należy przeprowadzać również każdorazowo, kiedy zaobserwuje się w zbiorniku kontrolnym pojawienie się zanieczyszczeń olejowych.
Odnośnie do odmulania instrukcja poleca uruchamianie instalacji co godzina. Czas trwania określony jest jako „okres kilku sekund".
Ustalanie ilości wody usuwanej z kotła w czasie szumowania zależy ód dopuszczalnych dla danej konstrukcji norm zanieczyszczania wody. Przy właściwej eksploatacji urządzenia kotłowego szumowanie powinno następować, gdy w wodzie kotłowej zostanie przekroczona choćby jedna z podanych wyżej wartości.
Ilość usuwanej w czasie szumowania wody określoną wzorem
φ = 
100% (12.1)
można wyznaczyć z bilansu kotła odniesionego do zawartości soli. Bilans ten przedstawia się następująco
Dsz Cwz = DCp + Dsz Cwk (12.2)
gdzie:
Dwz=D+Dsz — ilość wody zasilającej równa sumie ilości produkowanej przez kocioł pary
nasyconej D i ilości wyszumowanej z kotłów wody Dss [kg/24 h],
Cwz, Cp, Cwk — zawartości soli lub chlorków* w wodzie zasilającej, parze nasyconej i
wodzie kotłowej [ikg/kg].
Jeżeli ilość pary produkowanej przez kocioł w jednostce czasu D[kg/24 h] przyjmujemy za 100%, a ilość wody szumowanej Dsz = φ D, gdzie φ w %, to
Dwz = D (l00+ φ). (12.3)
Podstawiając tę wartość do wzoru (12.2) i dzieląc obie strony przez D, otrzymamy
(100 + φ) Cwz = 100 Cp + φ Cwk (12.4)
Jeżeli współczynnik unoszenia soli (w tym wypadku chlorków) albo porywania przez wyprodukowaną parę oznaczymy jako
K = 
(12.5)
to dopuszczalna zawartość rozpuszczonych w wodzie kotłowej soli wynosi
Cwk = 
(12.6)
Na wykresie (rys. 12.8) pokazana jest zależność wartości współczynnika φ [%], obrazującego ilość usuwanej przy szumowaniu wody z kotła, od zawartości soli rozpuszczonych w tej wodzie oraz od dopuszczalnej zawartości tych soli w wodzie kotłowej.
Należy pamiętać, że ilość rozpuszczonych w wodzie kotłowej soli wzrasta wraz z czasem trwania pracy kotła, a to z tego względu, że para uchodząc z kotła porywa ze sobą znacznie mniej soli niż zawiera jej woda zasilająca. Reszta soli pozostaje w wodzie kotłowej podnosząc stopniowo jej koncentrację.
Jeżeli dopuszczalna ilość rozpuszczonych w wodzie kotłowej soli wynosi na przykład 0,00024 kg/kg, a woda zasilająca ma Cwz = 0,000001 kg/kg, to wartość współczynnika φ [%] znajdujemy na przecięciu rzędnej i odciętej wystawionych w punktach odpowiadających podanym wyżej wartościom. W naszym wypadku <p wynosi 0,5%. Po ustaleniu ilości wody usuwanej z kotła w czasie doby wyznacza się częstotliwości szumowania.
* Zawartość soli w wodzie kotłowej jest to suma wszystkich soli rozpuszczonych mierzona w kg/l. Zawartość chlorków jest to ilość soli chlorowych (NaCl, MgCI2, itp.) rozpuszczonych w litrze (lub w kilogramie) wody. Zawartość soli w wodzie szumowanej została przyjęta w takiej samej ilości jak dla pozostałej wody kotłowej.
Rys. 12.8. Zależność szumowania od zawartości rozpuszczonych soli w wodzie zasilającej i wodzie kotłowej.
Ponieważ konstrukcja kotła dopuszcza pewne obniżenie poziomu wody w szkle wodowskazu w czasie jego pracy, można więc obliczyć ciężar wody, jaką możemy jednorazowo usunąć z kotła bez szkody dla jego elementów konstrukcyjnych. Wielkość ta wynosi
Dsz = (Δh BL) γ [kg] (12.7)
gdzie:
Δh — dopuszczalny spadek poziomu wody w szkle [m],
B — szerokość powierzchni odparowania [m],
L — długość powierzchni odparowania [m],
γ — masa właściwa wody kotłowej [kg/m3].
Mając daną wartość D jednorazowego szumowania oraz wartość koniecznego dobowego szumowania, wyznaczamy liczbę operacji szumowania, dzieląc drugą wartość przez pierwszą.
Bardzo ważną czynnoś6ią jest częste kontrolowanie zasolenia wody opuszczającej skraplacz główny, ponieważ może zaistnieć wewnątrz skraplacza przeciek wody zaburtowej. Nawet mała ilość wody morskiej dostająca się do wody zasilającej może w poważny sposób zmienić stan zasolenia Cwz
W czasie dolnego szumowania kotłów wodnorurkowych, a szczególnie kotłów sekcyjnych, należy zmniejszyć wielkość opalania mniej więcej do połowy, ponieważ intensywne szumowanie z kolektorów szlamowych może naruszyć naturalną cyrkulację wody w rurkach i w czasie odmulania rurki wodne, szczególnie w dolnych partiach, nie będą do-statecznie chłodzone. Wskutek tego temperatura ścianek tych rurek może dość szybko wzrastać, powodując przegrzewanie materiału, a nawet jego pęknięcia (rozdz. 13.5).
Burzenie się i pienienie wody kotłowej jest dość często spotykaną nieprawidłowością pracy kotła. Może ono powodować zwiększenie się stopnia wilgotności pary wskutek porywania przez parę cząstek burzącej się czy pieniącej wody i to w zakresach poniżej wartości krytycznej obciążenia przestrzeni parowej (rys. 12.16).
Burzenie się może nastąpić na skutek gwałtownego kołysania, nagłego podniesienia się poziomu wody, związanego z gwałtownym wrzeniem wody przy spadku ciśnienia lub przy nagłym wzroście obciążenia.
Pienienie się wody jest związane z jej składem chemicznym. Lekka piana napełnia przestrzeń parową i porywana jest z parą. W szkle wodowskazu można wówczas zaobserwować nagłe zmiany poziomu i woda to wypełnia szkło całkowicie to znowu znika zupełnie.
Piana powstaje wskutek znacznie obniżonego napięcia powierzchniowego roztworów koloidalnych kwasów tłuszczowych oraz emulgowania roztworu mydeł z olejem. W tej sytuacji z masy wodnej przedostaje się do przestrzeni parowej więcej pęcherzyków pary niż pęka ich w tej przestrzeni i tworząca się piana zapełnia przestrzeń parową.
Obecność ługów w roztworze sprzyja przetwarzaniu się niektórych substancji chemicznych i nieorganicznych w mydła i stałe koloidy, a tym samym tworzeniu się piany.
W celu zapobiegania burzeniu się i pienieniu wody w kotle zalecane jest między innymi:
Regularne szumowanie górne usuwa gromadzące się na powierzchni wody koloidy, oleje oraz inne lekkie zanieczyszczenia wody. Ażeby zapobiec możliwości burzenia się lub pienienia wody, obciążenie kotłów powinno być w miarę możliwości równomierne, a jego zmiany powinny zachodzić w sposób łagodny. Należy unikać nagłego otwierania zaworów poboru pary i zaworów regulacyjnych na dolocie do głównego silnika napędowego, gdyż sprzyja to burzeniu się wody.
W razie wystąpienia burzenia się lub pienienia należy zmniejszyć intensywność opalania oraz zużycia pary przez zmniejszenie prędkości kątowej silnika głównego. Po ustaniu zjawiska burzenia się należy przeprowadzić szumowanie górne. Pewne wiadomości na temat szumowania kotłów parowych znajdują się również w książce P. Urbańskiego „Paliwa, smary i woda dla statków morskich", wy d. II, Wydawnictwo Morskie Gdańsk 1976 — rozdz. 11.
12.4.3. Utrzymywanie poziomu wody w kotle.
W czasie pracy kotła należy szczególnie dbać o utrzymanie należytego poziomu wody w kotle, gdyż jego opadnięcie może doprowadzić do bardzo poważnych uszkodzeń elementów konstrukcyjnych i w efekcie zmusić do odstawienia kotła. W rozdz. 13 opisano kilka awarii, których przyczyną stało się obniżenie poziomu wody poniżej dopuszczalnego wewnątrz kotła. Zagadnienie to jest szczególnie ważne w kotłach o stosunkowo małej objętości wodnej, gdyż w tym wypadku nawet niewielki ilościowo ubytek wody wewnątrz kotła poważnie obniża jej poziom.
W nowszych kotłach zadanie utrzymania właściwego poziomu wody w czasie pracy kotła przejmują na siebie urządzenia automatycznej regulacji, jednakże i w tych wypadkach nieodzowny jest dozór personelu obsługującego, ponieważ ostatecznie wszelkie urządzenia, nawet najbardziej precyzyjnie zaprojektowane, mogą ulec uszkodzeniu.
W tym celu należy obserwować utrzymujący się poziom wody w szkle wodowskazu. Ażeby mieć pewność, że wskazania wodowskazu są prawidłowe, i że na przykład nie nastąpiło jakieś zatkanie się przewodu doprowadzającego wodę lub parę do szkła wodowskazu, należy go dość często (co najmniej jeden lub dwa razy na wachtę) przedmuchiwać otwierając odpowiednie zawory.
W kotłach o dużej objętości wodnej, dużej powierzchni parowania i ręcznej regulacji zasilania zalecane jest utrzymywanie w czasie sztormowej pogody wyższego, niż normalnie poziomu wody, a to w celu, ażeby w wypadku znacznych przechyłów (szczególnie bocznych) nie nastąpiło odsłonięcie jakiejkolwiek powierzchni ogrzewalnej. Należy jednak przy tym zwrócić uwagę na fakt, że zbyt wysoki poziom wody w kotle w połączeniu z falowaniem powierzchni' i ewentualnymi bryzgami wody kotłowej może spowodować porywanie i unoszenie jej przez parę do przegrzewacza, a nawet do tłokowej maszyny parowej lub turbiny, co może okazać się bardzo niebezpieczne w skutkach.
Przy obserwowaniu poziomu wody bezpośrednio w szkle wodowskazu należy pamiętać, że w zależności od rodzaju rozwiązania konstrukcyjnego wodowskazu i od ciśnienia roboczego kotła zachodzie może dość duża różnica między wskazaniami w szkle a faktycznym poziomem wody wewnątrz kotła. Zjawisko to pokazane jest na rys. 12.9.
Różnica wskazań wynika z faktu, że w szkle wodowskazu oraz w przewodzie doprowadzającym wodę do szkła panuje nieraz znacznie mniejsza temperatura niż wewnątrz kotła. Wskutek tego masa właściwa wody w wodowskazie jest większa niż wody w kotle.
Praktyka wykazała, że w zależności od rodzaju izolacji i długości przewodów doprowadzających wodę do szkła wodowskazu, jak też od długości samego szkła (które nie może być przecież izolowane), temperatura wody w wodowskazie może wynosić 100—120°C
Rys. 12.9. Schemat wskazań wodowskazu i faktycznego stanu wody w kotle.
Jeżeli przyjmiemy, że temperatura ta wynosi 100°C, to różnica poziomów wynosi:
Aby określić właściwą odchyłkę wskazań wodowskazu, należy zmierzyć temperaturę szkła wodowskazu za pomocą termometru osłoniętego izolacją i po dokonaniu poprawki na ochłodzenie wyznaczyć różnicę poziomów.
W praktyce przed sprawdzeniem poziomu wody w kotle należy dokładnie przedmuchać szkło wodowskazu, bowiem przez krótki czas, po przedmuchaniu, wewnątrz szkła znajduje się woda o temperaturze prawie równej temperaturze wody w kotle i wówczas wskazania poziomu w szkle odpowiadają faktycznemu poziomowi wody w walczaku parowo--wodnym.
12.4.4. Obsługa instalacji opalania kotła.
Zadaniem załogi siłowni okrętowej jest również zapewnienie właściwej pracy instalacji opalania. Pod tym pojęciem rozumie się zapewnienie:
Zasadniczą fazą przygotowania paliwa do spalania jest jego podgrzewanie. Temperatura podgrzewania oleju opałowego zależy od rodzaju paliwa płynnego oraz od temperatury jego zapłonu. Im oleje opałowe są „cięższe", tym wyższa powinna być temperatura podgrzania, tak aby końcowa lepkość podawanego do palnika oleju mieściła się w granicach 2—4°E.
Podgrzewanie zmniejsza napięcie powierzchniowe oleju opałowego, a w f efekcie zmniejsza też wymiary kropel rozpylanego paliwa oraz zmniejsza lepkość, która przeciwdziała rozpylaniu.
W celu obliczenia temperatury podgrzania paliwa należy znać lepkość danego oleju w °E przy temperaturze 50°C. Wartości takie podawane są w charakterystyce dostarczanego na statek oleju opałowego. Znając lepkość w °E dla 50°C, odkładamy ją na wykresie (rys. 12.10) na osi pionowej wystawionej z punktu odpowiadającego 50°C (odcinek A-B). Następnie z punktu B prowadzimy prostą równoległą do linii charakteryzujących
Rys. 12.10. Zależność lepkości oleju od temperatury.
odpowiednie oleje opałowe i z punktu C przecięcia tej prostej z linią żądanej lepkości (w naszym wypadku 4°E) opuszczamy prostopadłą na oś temperatur, odczytując dla punktu D temperaturę podgrzania posiadanego oleju opałowego.
W wypadku określenia lepkości dostarczanego oleju w innych jednostkach, na przykład Redwooda (angielskie) lub Saybolta (amerykańskie),
należy dokonać odpowiednich przeliczeń. Do tego celu służą wykresy lub tablice (tab. 12.1).
Wraz ze zmianą temperatury podgrzania zmienia się średnia średnica kropel rozpylanego paliwa. Im mniejsze są krople, tym paliwo ma większą sumaryczną powierzchnię dla kontaktu z powietrzem i tym lepsze jest jego odparowanie, a następnie całkowite spalenie w komorze spalania.
Rys. 12.11 przedstawia zależność średniej średnicy kropel określonego gatunku oleju opałowego od temperatury paliwa. Z wykresu widać, że istnieje pewna optymalna temperatura, do której opłaca się podgrzewać dany gatunek oleju opałowego, dalsze jego podgrzewanie nie powoduje bowiem prawie żadnego zmniejszenia średniej średnicy kropel rozpylanego oleju, która na przykład dla palników z rozpylaniem mechanicznym wynosi 20—60 μm.
Tabela 12.1. Przeliczenia lepkości oleju
Odpowiednio podgrzany i przefiltrowany olej opałowy podawany jest do palników pod ciśnieniem zależnym od rodzaju palnika. Dla najczęściej stosowanych palników z rozpylaniem mechanicznym wynosi ono 1,96 MN/ /m2 (20 kG/cm2) w niektórych rozwiązaniach, np. palniku radzieckiej produkcji typu Sudoprojekt, ciśnienie dochodzi do 3,93 MN/m2 (40 kG/ /cm2)], dla palników obrotowych — ok. 0,196—0,24 MN/m2 (2—2,5 kG/ cm2), a dla palników z rozpylaniem parowym lub powietrznym paliwo doprowadzane jest grawitacyjnie ze zbiornika umieszczonego 4—5 m nad palnikiem.
Rys. 12.11. Zależność średniej średnicy Rys. 12.12. Zależność średniej średnicy
kropel rozpylonego paliwa od tempe- kropel rozpylonego paliwa od ciśnienia
ratury jego podgrzania
Wraz ze zmianą ciśnienia podawanego paliwa zmieniają się prędkość strumienia, średnia średnica kropel (rys. 12,12) oraz kąt i kształt stożka rozpylanego paliwa.
Na rys. 12.13a pokazany jest stożek paliwa podawanego pod ciśnieniem 103206 N/m2 (1,052 kG/cm2). W tym wypadku ścianka „kielicha" rozpylonego paliwa ulega rozrywaniu i mieszaniu z powietrzem, w dość znacznej odległości od wylotu z dyszy palnika, i towarzyszą temu tak zwane fale powierzchniowe, połączone z wydzielaniem się dużych kropel paliwa. Przy podniesieniu ciśnienia do 0,441 MN/m2 (4,5 kG/cm2) (rys. 12.13b) ścianka paliwa rozpada się już u wylotu z dyszy, której krawędź musi być w tym celu ostra, średnica kropel pozostaje jednak w dalszym ciągu znaczna. Dalsze podniesienie ciśnienia paliwa do 1,128 MN/m2 (11,5 kG/ /cm2) (rys. 12.13c) i do 2,167 MN/m2 (22,l kG/cm2) (rys. 12.13d) polepsza rozpylenie paliwa.
Rys. 12.13. Zmiana kształtu ii kąta stożka rozpylanego paliwa w zależności od ciśnienia podawanego oleju
a — stożek paliwa przy ciśnieniu 103206 N/m2 (1,052 kG/cm2); b — stożek paliwa przy ciśnieniu 0,441 MN/m2 (4,5 kG/cm2); c — stożek paliwa przy ciśnieniu 1,128 MN/m2 (11,5 kG/cm2); d — stożek paliwa przy ciśnieniu 2,167 MN/m2 (22,1 kG/cm2)
Jak widać na rys. 12.13, zmianie ulega też kąt stożka rozpylanego paliwa [od 74° przy 0,441 MN/m2 (4,5 kG/cm2) do 58° przy 2,167 MN/m2 (22,1 kG/cm2)]. Według Illiesa kąt ten dla palników kotłów okrętowych powinien wynosić od 60—100°; jest on również zależny od wydajności palnika.
W palnikach mechanicznych zachodzi następująca zależność pomiędzy ciśnieniem paliwa p a wydajnością palnika Qpl : p ~ Qpl2.
Jakość spalania (spalanie zupełne lub niezupełne) zależy też od temperatury panującej w palenisku. Spalanie niezupełne zmniejsza ilość ciepła, jaką można uzyskać z l kg paliwa.
Wpływ temperatury panującej w komorze paleniskowej na ilość ciepła uzyskaną z l kg paliwa płynnego pokazuje wykres na rys. 12.14. Z wykresu tego widać, że zarówno zbyt niska, jak i zbyt wysoka temperatura nie sprzyja ekonomicznemu spalaniu paliwa.
Rys. 12.14. Zależność ciepła uzyskanego ze spalenia l kg paliwa płynnego od temperatury w palenisku.
Temperatura zbyt niska powoduje bowiem niezupełne spalanie (obszar I poniżej 1000°C), natomiast temperatura zbyt wysoka obszar III powyżej 2000°C) sprzyja powstaniu zjawisk tak zwanej dysocjacji, związanej z absorpcją ciepła. Najkorzystniejszy zatem dla spalania paliwa jest obszar II w zakresach — dla danego paliwa — temperatur od 1000—2000°C.
Po opuszczeniu palnika paliwo rozpylone na drobne kropelki jest porywane przez zawirowany strumień powietrza. Uzyskiwany ruch spiralny mieszaniny olejowo-powietrznej pomaga z jednej strony dobremu przemieszaniu się oleju z powietrzem, a z drugiej przedłuża czas przebywania mieszaniny wypalenisku przez zwiększenie drogi przepływu.
W komorze paleniskowej mieszanina olejowo-powietrzna podlega spaleniu. Początkowe stadium tego spalania stanowi rozczepianie cząstek oleju i utlenianie węglowodorów.
W czasie ustalonych warunków pracy kotła jego wydajność reguluje się przez zmianę ilości doprowadzonego do palników oleju opałowego, a w związku z tym i powietrza.
Zmianę ilości doprowadzonego oleju opałowego przeprowadzą się za pomocą jednego z następujących sposobów:
Zmiana ciśnienia oleju opałowego przed palnikiem może być stosowana jedynie dla niewielkich zmian zakresu wydajności kotła, ze względu na obawę znacznego pogorszenia wyników rozpylania oleju. W zasadzie regulacja tego typu jest stosowana przy zmianach wydajności kotła nie większych niż ± 10%.
Zmiana dyszy, a więc zmiana średnicy otworu, przez który paliwo dostaje się do paleniska, pozwala regulować wydajność kotła w szerszych zakresach i co ważniejsze bez zmiany ciśnienia podawanego oleju, a więc i bez pogorszenia jego rozpylania.
Zmianę liczby czynnych palników stosuje się w dużych kotłach wodno-rurkowych, to jest tam, gdzie do jednej komory paleniskowej doprowadzonych jest kilka palników.
Przy zwiększeniu ilości spalonego oleju należy również zwiększyć ilość powietrza podawanego do paleniska, natomiast przy zmniejszeniu — odpowiednio zmniejszyć, tak aby utrzymać możliwie stałą wartość jego nadmiaru.
Kontrolę jakości spalania przeprowadza się przez okresową analizę spalin. Analizatory dzielą się na chemiczne i fizyczne. Pierwsze z nich pracują na zasadzie pochłaniania odpowiednich gazów z pobranej próbki spalin. Działanie analizatora fizycznego oparte jest na metodzie konduktometrycznej. Odpowiedni przyrząd mierzy zmiany przewodności cieplnej strugi przepływających spalin, która zmienia się wraz ze zmianą procentowej zawartości poszczególnych gazów w spalinach. Skala przyrządu jest najczęściej wycechowana w % zawartości danego gazu (np. CO2).
Pomocą przy ocenie spalania — jeżeli znany jest skład paliwa i znana analiza spalin — są wykresy składu spalin (np. wykres Ostwalda). Za pomocą tego wykresu, sporządzonego dla danego rodzaju paliwa, można dokonać analizy spalin i wyciągnąć odpowiednie wnioski odnośnie do prowadzonej eksploatacji instalacji opalania.
Jeśli paliwo spalane jest przy niedostatecznym nadmiarze powietrza, w gazach spalinowych znajdzie się poza CO2 jeszcze CO lub nie spalone węglowodory. Im mniejszy dopływ powietrza, tym więcej będzie CO, a mniej CO2. Przy doprowadzaniu odpowiedniej ilości powietrza powinniśmy wykryć jedynie CO2, parę wodną i nadmiar doprowadzanego tlenu.
Nadmienić jednak należy, że ograniczanie analizy spalin jedynie do określenia zawartości CO2 może doprowadzić do błędnych wyników, gdyż w wypadku nadmiaru powietrza ilość CO2. spada podobnie jak przy spalaniu niezupełnym. Występuje więc w tym wypadku dwuznaczność, której nie da się uniknąć bez oznaczenia drugiego składnika, na przykład tlenu. Coraz częściej więc w nowoczesnych instalacjach prowadzi się kontrolę tlenu sposobem magnetycznym.
Jeżeli na statku nie ma analizatora spalin, to o jakości procesu spalania można orientacyjnie sądzić według barwy płomienia i barwy dymu.
Gdy następuje spalanie zupełne, barwa płomienia jest jaskrawa, żółto-czerwona (pomarańczowa), a dym ma barwę jasnoszarą lub brązową. Pojawienie się w płomieniu pasm barwy ciemnoczerwonej wskazuje na zanieczyszczenie dyszy palnika.
Ściemnienie płomienia i wyrzucanie go z paleniska świadczy o niedostatecznym dopływie powietrza. Czerwony płomień z czarnymi pasmami zaczynającymi się u samej końcówki palnika, jak również czarny dym, wskazują na niskie ciśnienie w rurociągu paliwowym przy mechanicznym rozpylaniu. Czerwony płomień z czarnymi pasmami, zaczynającymi się daleko od palników, wskazuje na niską temperaturę podgrzewania powietrza.
Brak dymu lub biała barwa dymu świadczą o tym, że spalanie odbywa się z dużym nadmiarem powietrza, przy niskiej temperaturze w palenisku. Czarny dym wskazuje na niedostateczny dopływ powietrza.
W wypadku złego wymieszania rozpylonego paliwa z powietrzem, przy zbyt wysokim ciśnieniu paliwa przy zbyt dużej prędkości powietrza, może wystąpić spalanie poza komorą paleniskową. W takim wypadku zakończenie procesu spalania może się odbywać aż w kanałach spalinowych, co powoduje wyrzucanie płomieni, dymu i iskier przez komin i nieszczelności kanału spalinowego, a nawet obudowy kotła.
Zbyt duży nadmiar powietrza może tak poważnie obniżyć temperaturę przy palniku, że okaże się ona niewystarczająca do podtrzymania procesu spalania. Płomień wówczas odrywa się od palnika i przenosi w głąb paleniska.
Zjawisko odrywania się płomienia może być spowodowane również występowaniem wódy w paliwie i bardzo dużymi prędkościami powietrza, co może nastąpić niekiedy przy przemknięciach przesłon powietrznych, bez jednoczesnego zmniejszenia ilości podawanego do spalenia powietrza. Inną przyczyną odrywania się płomienia może być zbyt wysokie ciśnienie oleju przy rozpylaniu mechanicznym.
Pulsacja płomienia może wystąpić przy zbyt wysokim podgrzaniu oleju opałowego. Powoduje to powstawanie dużych ilości par oleju opałowego tuż po opuszczeniu wylotu palnika. Występowanie syczenia, trzasków i gaśnięcia płomienia z powtarzającymi się wybuchami oznacza dostanie się wody do palnika.
Jak już uprzednio wspomniano, w wypadku podejrzenia, że w palenisku może gromadzić się olej opałowy (na przykład w razie zgaśnięcia któregoś z palników), palenisko należy przewietrzyć i dopiero potem ponownie zapalać.
Istotne znaczenie dla jakości procesu spalania ma dokładne ustawienie palników w ścianie frontowej czy górnej kotła i to zarówno w stosunku do osi otworu paleniskowego, jak i samego paleniska. W tym ostatnim wypadku chodzi o uniknięcie zbyt płytkiego lub głębokiego ustawienia palnika.
Niedokładne osiowe ustawienie palnika może spowodować osiadanie płomienie w wyniku ich zbytniego i jednostronnego nagrzewania się (w kotłach płomieniówkowych lub kombinowanych), lub powstawanie pęknięć w pierwszych rurkach konwekcyjnych (w kotłach wodnorurkowych).
Innym skutkiem nieprawidłowego osadzenia (lub rozmieszczenia) palników może być osadzanie się sadzy na dnie i ściankach paleniska. Warto też wiedzieć, że stykanie się płomienia z obmurzem lub rurami, nawet na niewielkiej powierzchni, może dawać w efekcie poważne dymienie i nadmierne osadzanie się sadzy.
Jeżeli palnik jest zbyt „głęboko" osadzony, to znaczy zbyt daleko wysunięty do paleniska, może wystąpić pulsowanie płomienia i osadzanie na dyszach nie spalonych pozostałości w postaci koksu. W wypadku, gdy palnik jest osadzony za „płytko", to znaczy przy nadmiernym cofnięciu palnika, można się spotkać z nadmiernym osadzeniem sadzy na przedniej frontowej ścianie paleniska oraz z wypalaniem obmurza.
Długość płomienia jest ograniczona przez gabaryty komory paleniskowej. W celu zmniejszenia długości płomienia należy zwiększyć kąt rozpylania paliwa (na przykład przez zmianę stożka powodującego rozpylanie) albo przymknąć przysłony regulujące dopływ powietrza i ewentualnie jednocześnie zmniejszyć ciśnienie jego podawania. W. celu wydłużenia płomienia należy wykonać czynności odwrotne do opisanych.
Czarny dym występujący w komorze paleniskowej i uchodzący z komina może być — oprócz przyczyn wymienionych uprzednio — następstwem zużycia palników. Ażeby tego uniknąć, należy co pewien czas przeprowadzać badanie palników (dysz wymiennych). Polega ono między innymi na tym, że w określonym czasie podaje się przez palnik do naczynia pomiarowego olej opałowy pod ciśnieniem roboczym zgodnie z zaleceniami wytwórni. Po dokonanej próbie mierzy się ilość przetłoczonego oleju i w wypadku jeżeli odchyłka od normalnej wydajności jest większa niż 15%, należy dyszę odrzucić jako rozkalibrowaną.
Kąt rozpylania oleju opałowego powinien być taki, aby z jednej strony zapewniał odpowiednią długość płomienia, z drugiej zaś zabezpieczał wchodzenie powietrza do paleniska tylko przez strefę płomienia.
Ważną czynnością ułatwiającą prawidłową wymianę ciepła w kotle jest czyszczenie rurek konwekcyjnych z osadzającej się na nich sadzy. Usuwanie sadzy może się odbywać w czasie odstawienia kotła. Jest ono wtedy gruntowne i mówimy wówczas o czyszczeniu kotła (rozdz. 13). Innego rodzaju czyszczeniem jest zdmuchiwanie sadzy w czasie pracy kotła. Częstotliwość tej operacji zależna jest od rodzaju spalanego paliwa i od konstrukcji kotła. Zdmuchiwanie sadzy zmniejsza opory przepływu spalin przez kocioł oraz ułatwia prawidłową wymianę ciepła między spalinami i wodą kotłową. Przebieg zdmuchiwania sadzy został szerzej opisany w rozdz. 8.4.
Wszystkie czynności związane bezpośrednio z obsługą instalacji kotłowej wymagają znacznych ilości ciepła. Dla przykładu w tab. 12.2 podano procentowe zapotrzebowanie pary na wszystkie procesy pomocnicze obsługi kotła w stosunku do wydajności brutto kotła D [kg/h].
Tabela 12.2. Zapotrzebowanie pary do procesów obsługi kotła (% D)
W niektórych kotłowniach zbiornikowców do przewozu płynnych gazów stosuje się — jako paliwo — również gaz ziemny. Przy obsłudze tego rodzaju instalacji należy stosować jeszcze większą ostrożność ze względu na wybuchowość gazu. Niektóre wiadomości na temat kotłów i palników dwupaliwowych przedstawione zostały w rozdz. 2.5 oraz rozdz. 7.2.4.
12.4.5. Utrzymywanie stałych parametrów pary w kotle.
Głównym celem wszelkich opisanych w poprzednich rozdziałach czynności związanych z obsługą kotła w czasie jego pracy jest utrzymanie stałych i równych obliczeniowym parametrów pary produkowanej w kotle. Szczególnie ważnym zagadnieniem jest utrzymanie tych parametrów w wypadku zmiany obciążenia kotła.
Najważniejszymi parametrami produkowanej pary jest jej ciśnienie i stopień wilgotności w wypadku produkcji pary nasyconej, a dla pary przegrzanej — ciśnienie pary i temperatura jej przegrzania.
Obniżanie ciśnienia pary znacznie wpływa na obniżenie sprawności całej siłowni. Rośnie bowiem godzinowe zużycie pary i dla zachowania poprzedniej mocy trzeba spalać więcej paliwa w jednostce czasu.
Zwiększenie stopnia wilgotności pary zwiększa również zużycie pary w silniku głównym w przybliżeniu proporcjonalnie do jej przyrostu. Krótkotrwałe zwiększenie wilgotności (spowodowane burzeniem się lub pienieniem) może spowodować bardzo poważne w skutkach uszkodzenia.
W zasadzie prawie wszystkie współczesne silniki parowe pracują na parę przegrzaną i nie zachodzi niebezpieczeństwo powstawania awarii. Jednakże i w wypadku produkowania pary przegrzanej ważne jest produkowanie w kotle właściwym pary możliwie suchej, gdyż nadmierna jej wilgotność wpływa ujemnie na elementy przegrzewacza pary. Zagadnienie to jest szczegółowiej omówione na dalszych stronach tego rozdziału.
Obniżanie temperatury pary przegrzanej powoduje również zwiększenie jej jednostkowego zużycia. Spadek temperatury pary za przegrzewaczem może być spowodowany wzrostem wilgotności pary produkowanej w kotle głównym. W takim wypadku wewnątrz rurek przegrzewacza wzrasta możliwość powstawania osadu sprzyjającego przegrzewaniu materiału, z jakiego wykonane są rurki.
Zależność temperatury pary przegrzanej od stopnia wilgotności pary obrazuje przykładowo wykres na rys. 12.15. Spadek temperatury pary występuje w tym wypadku przy stałej intensywności opalania.
Wilgotność uzyskiwanej w kotle pary zależy od obciążenia kotła oraz od poziomu wody w walczaka parowo-wodnym. Ścisły związek z tym zagadnieniem ma tak zwane obciążenie przestrzeni parowej R„. Wielkość R„ określa w pewien sposób czas przebywania cząstek wytwarzanej pary w przestrzeni parowej kotła. W czasie tym powinno nastąpić samoczynne wstępne osuszenie pary (rys. 12.16).
Do momentu tak zwanego krytycznego obciążenia przestrzeni parowej Rν unoszenie wody z parą jest nieznaczne i składa się z bardzo małych cząstek. Po przekroczeniu wartości krytycznej ilość unoszonej wody szybko rośnie i zwiększa się wielkość kropel (rys. 12.17).
Przy obsłudze kotła należy pamiętać, że na przykład podniesie-nie poziomu wody w kotle zmniejsza objętość parową, a więc tym samym podnosi
wartość obciążenia przestrzeni parowej. Wartość R„ nie jest ściśle przestrzegana przez poszczególne firmy produkujące kotły, ponieważ jej wpływ na wilgotność pary dostającej się do podgrzewacza może być znacznie zmniejszony wskutek stosowania mechanicznych sposobów osuszania pary (rozdz. 6.5.2). Znaczny wzrost temperatury pary przegrzanej ponad wartości obliczeniowe może również powodować przegrzewanie materiału, a nawet przepalanie rurek przegrzewacza, oraz sprzyjać powstawaniu tak zwanej korozji wanadowej (rozdz. 2.4). Dodatkowym szkodliwym działaniem pary zbyt przegrzanej jest możliwość zmniejszenia wytrzymałości łopatek pierwszych stopni turbin wskutek tego, że pracują one wówczas w trudniejszych warunkach termicznych. W wypadku podwyższenia temperatury pary przegrzanej w odniesieniu do tłokowych silników parowych będzie występowało pogorszenie warunków smarowania, zwłaszcza cylindra wysokiego ciśnienia.
Rys. 12.15. Zależność temperatury Rys. 12.16. Zależność wilgotności produ
pary przegrzanej od stopnia kowanej pary od obciążenia przestrzeni
wilgotności pary dochodzącej parowej w kotle wodnorurkowym
do przegrzewacza
Rys. 12.17. Granica obciążenia przestrzeni parowej w zależności od ciśnienia roboczego pary.
Wzrost temperatury pary przegrzanej może nastąpić wskutek zwiększenia ilości spalonego w kotle paliwa (na przykład w wypadku uszkodzenia systemu regulacji opalania). Wzrasta w takim wypadku prędkość spalin omywających rurki konwekcyjne, a więc rośnie intensywność
przekazywania ciepła od spalin do rur przegrzewacza. Intensywność tego przekazywania zwiększa się szybciej niż ilość przepływającej przez przegrzewacz pary. Podwyższenie temperatury pary przegrzanej może nastąpić również przy zmniejszenia ilości pary przepływającej przez przegrzewacz W, wypadku, gdy regulacja opalania opóźnia się w stosunku do zmiany wydajności. To ostatnie zjawisko spowodowane jest na przykład bezwładnością poszczególnych elementów urządzenia regulacyjnego lub ich uszkodzeniem (zacinanie lub zakleszczenie się sprężyn, bezwładność płynu przekazującego dyspozycje, zapowietrzenie rurociągów przekazujących).
W czasie pracy kotła w procesie produkowania pary obowiązuje następujące równanie bilansu ciepła
D (ipp - iw) = B (Qpw + Qpo + Qpp), (12.8)
gdzie:
D — wydajność kotła [kg/h],
ipp — entalpia pary przegrzanej [J/kg],
iw, — entalpia wody zasilającej [J/kg],
B — zużycie paliwa [kg/h],
Qpw, Qpo, Qpp — ilość ciepła przekazywana odpowiednio wodzie w podgrzewaczu wewnątrzkotłowym oraz w głównym kotle i parze przegrzewaczu [Jl.
Wzór ten można przekształcić następująco
ipp- iw = 
(Qpw+ Qpo + Qpp) (12.9)
Z wzoru tego wynika, że obniżenie temperatury wody zasilającej podawanej do kotła powoduje zwiększenie rozchodu jednostkowego paliwa B/D, inaczej zmniejszenie temperatury wody zasilającej prowadzi — przy zachowaniu poprzedniej wartości rozchodu paliwa do zmniejszenia wydajności kotła lub — przy zachowaniu wydajności — do zwiększenia rozchodu paliwa.
Rozpatrzmy teraz pracę kotła przy stałym rozchodzie paliwa przy założeniu, że zmiana temperatury wody zasilającej zmienia wydajność kotła.
Wchodząca do kotła woda zasilająca miesza się z dużą ilością wody znajdującej się w kotle i praktycznie intensywność przekazywania ciepła pozostaje bez zmian. Wskutek tego gazy spalinowe na wylocie z kotła mają stałą temperaturę, sprawność kotła też jest stała, spada jedynie wydajność kotła. Przy zmniejszonej wydajności przez rurki przegrzewacza pary popłynie mniejsza jej ilość. Ponieważ współczynnik przejmowania ciepła przez powierzchnię ogrzewalną przegrzewacza praktycznie pozostanie taki sam, jak również temperatura omywająca przegrzewać spalin, więc przy zmniejszonej ilości produkowanej pary wzrasta temperatura przegrzania.
Przy założeniu, że wydajność kotła pozostaje stała, zmiana temperatury wody zasilającej prowadzi do zmiany ilości ciepła podawanego do kotła w celu wytworzenia pary. Jeśli temperatura wody zasilającej spada, to — aby utrzymać wydajność kotła na poprzednim poziomie — należy zwiększyć zużycie paliwa w jednostce czasu. Ponieważ przez przegrzewacz będzie przepływała taka sama, jak poprzednio, ilość pary, więc zwiększenie zużycia paliwa prowadzić będzie do podniesienia temperatury pary przegrzanej.
Zależność ta ważna jest również i w odwrotnym kierunku, to znaczy, że podniesienie temperatury wody zasilającej prowadzić będzie do obniżenia temperatury pary przegrzanej.
W obu więc wypadkach (przy zmiennej i stałej wydajności kotła) obniżenie temperatury wody zasilającej prowadzi do podniesienia temperatury pary opuszczającej przegrzewacz (rys. 12.18).
Temperatura pary przegrzanej produkowanej w kotle zależy też od nadmiaru powietrza, a ściślej od zawartości CO2 w spalinach. Wraz ze zmniejszaniem się procentowej zawartości CO2, co oznacza powiększenie nadmiaru powietrza, obniża się temperatura panująca w komorze spalania.
Rys. 12.18. Zależność temperatury pary przegrzanej od temperatury wody zasilającej
W związku z tym zmniejsza się intensywność przekazywania ciepła wskutek promieniowania, a tym samym zmniejsza się ilość ciepła przekazana na opromieniowanych powierzchniach ogrzewalnych kotła.
Dzięki temu na powierzchni ogrzewalnej przegrzewacza, która jest prawie zawsze powierzchnią konwekcyjną, wzrasta intensywność przekazywania ciepła, a tym samym — wskutek powiększenia nadmiaru powietrza — rośnie temperatura pary przegrzanej.
Badanie zatem zawartości CO2 w spalinach dokonywane bądź okresowo, bądź też w sposób ciągły (np. przy pomocy aparatu Mono opisanego w rozdz. 8.5) jest ważną czynnością podczas obsługi' kotłów. Optymalna zawartość CO2 w gazach spalinowych podawana jest przez producenta kotła. Przykładowo dla kotła membranowego zainstalowanego na statkach typu „Kasprowy Wierch" wynosi ona 12—14%.
Niebezpieczeństwo zmian ciśnienia i temperatury pary występuje szczególnie ostro przy nagłych zmianach obciążenia (zatrzymanie silnika głównego, niespodziewane manewry itp.). Początkowo zmiana wydajności kotła zachodzi kosztem zapasu energii cieplnej zawartej w wodzie, co łagodzi nieco wahania ciśnienia pary przy zmianie wydajności. Stąd wniosek, że im więcej wody znajduje się w kotle, tym łatwiej znosi on zmiany obciążenia i tym łatwiej przystosuje się do zmian wydajności. Cechy takie przejawiają kotły płomieniówkowe i kombinowane. Mogą one stosunkowo długo kosztem zapasu energii cieplnej pokrywać opóźnienia regulacji opalania.
W nowszych konstrukcjach kotłów okrętowych nieznaczne wahania wydajności kotła, ciśnienia pary i temperatury jej przegrzania regulują urządzenia automatyczne, większe natomiast zmiany (zatrzymanie, manewry, praca w porcie w czasie postoju statku) wymagają od obsług ręcznego zmniejszenia intensywności opalania przez zmniejszenie ilości podawanego paliwa, zmianę dysz lub wygaszenie części palników.
Do obowiązków mechaników obsługujących siłownię parową należy też dokładne prowadzenie dziennika maszynowego i książki kotłowej. W książkach tych powinny być zapisywane wszelkie przeglądy naprawy i remonty kotłów, przebieg obsługi oraz zauważone usterki i nieprawidłowości w pracy instalacji kotłowej.
O wszelkich objawach niewłaściwej pracy kotłów należy bezzwłocznie powiadomić starszego mechanika, do którego należy decyzja o dalszym postępowaniu. W zasadzie żadne zmiany w pracy kotłów nie powinny być dokonywane przez mechanika wachtowego z wyjątkiem sytuacji awaryjnych, kiedy o powodzeniu akcji decyduje czas.
Na koniec warto zdać sobie sprawę z tego, że wszystkie zalecane przepisy eksploatacji okrętowych kotłów parowych, mające na celu jak najbardziej ekonomiczną ich pracę, mogą przestać obowiązywać w wypadkach, kiedy statkowi, a zatem i jego załodze lub pasażerom zagraża niebezpieczeństwo. W takiej sytuacji każde postępowanie, mające na celu uratowanie życia ludzkiego i mienia, a wykonywane w dobrej wierze i zgodnie z posiadaną praktyką, może być usprawiedliwione i słuszne, choćby nawet stało w kolizji z obowiązującymi przepisami. W sytuacjach wyjątkowych, które zresztą trudno przewidzieć, należy czasem wybierać ewentualność mniejszego zła.
12.4.6. Charakterystyki kotłów okrętowych.
Charakterystyką pracy, kotła określa się graficzny obraz zależności między poszczególnymi parametrami czynników biorących udział w pracy kotła a ilością dostarczanego do kotła ciepła w postaci spalanego paliwa. Charakterystyki najczęściej przedstawione są w postaci wykresów, których typowym przykładem jest wykres na rys. 12.19. Dotyczy on pracy kotła głównego KWG-25 produkcji radzieckiej.
Ustalenie na odciętej wykresu ciepła dostarczonego do kotła w jednostce czasu uniezależnia obraz charakterystyki od rodzaju (wartości opałowej) spalanego paliwa. Charakterystyki o takiej odciętej stosuje się również w odniesieniu do kotłów pomocniczych opalanych olejem. Niekiedy jednakże na osi odciętych charakterystyk kotłowych odkłada się ilość spalanego w jednostce czasu paliwa.
Rys. 12.19. Charakterystyka pracy kotła głównego KWG-25
W przypadku charakterystyk pracy kotłów utylizacyjnych na osi odciętych odkłada się bądź wartość paliwa spalanego w głównym silniku napędowym siłowni okrętowej, bądź też — co spotyka się częściej, stosunek mocy efektywnej rozwijanej aktualnie przez silnik do nominalnej mocy efektywnej, czyli Stosunek Ne/Nenm (por. rys. 12.20).
Na osi rzędnych odkładane są najczęściej (w odpowiedniej skali) następujące wielkości eksploatacyjne kotłów:
D — wydajność kotła [kg/h dla kotłów mniejszych lub pomocniczych lub t/h dla kotłów o,
większej wydajności];
tpp — temperatura pary przegrzanej [°C],
tsp — temperatura spalin w odlocie z kotła [°C],
Qν— obciążenie cieplne komory spalania 
λ — współczynnik nadmiaru powietrza,
ηk — sprawność kotła [%],
B — zużycie paliwa [kg/h].
Na wykresach charakterystyk kotłów spotyka się też inne krzywe, jak .np.
te — temperatura wody zasilającej za wewnątrzkotłowym podgrzewaczem wody [°C],
tpow — temperatura powietrza za podgrzewaczem [°C],
ppn — ciśnienie pary nasyconej w walczaku kotła [MN/m2],
ppp — ciśnienie pary przegrzanej [MN/m2],
hxyz — opory przepływu spalin na drodze powietrza, spalin itd.
W przypadku charakterystyki roboczej kotła utylizacyjnego (rys. 12.20), oprócz wyżej wymienionych wartości, często spotyka się jeszcze krzywe bardzo istotnych eksploatacyjnie wartości, a mianowicie:
tSG1 — temperatura gazów spalinowych silnika głównego przed kotłem utylizacyjnym [°C],
tSG2 — temperatura gazów spalinowych silnika głównego na wylocie z kotła utylizacyjnego [°C].
Z charakterystyk roboczych kotłów można odczytać zużycie paliwa oraz zmianę parametrów produkowanej pary w zależności od stopnia obciążenia kotła. Można też kontrolować — co prawda w dość przybliżony sposób — aktualną jakość pracy kotła przez porównanie rzeczywistych parametrów poszczególnych czynników z parametrami wynikającymi z charakterystyki dla danego stanu obciążenia.
Przedstawiona na rys. 12.19 charakterystyka robocza kotła sporządzona jest dla parametrów eksploatacyjnych kotła równych obliczeniom założonym przez konstruktora, to znaczy przy określonej wartości opałowej paliwa, przy ściśle określonym (dla każdego obciążenia) nadmiarze powietrza, przy stałej temperaturze wody zasilającej podawanej do wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody, stałej temperaturze powietrza itp. Zmiana parametrów tych czynników pociąga za sobą zmianę innych parametrów eksploatacyjnych wskutek np. innego rozkładu temperatur spalin wzdłuż powierzchni ogrzewalnych kotła itp.
Rys. 12.20. Charakterystyka pracy kotła utylizacyjnego firmy Ansaldo,
W dalszej kolejności zostanie omówiony wpływ zmiany parametrów kilku czynników eksploatacyjnych na charakterystykę kotła, a mianowicie: obciążenia, wartości opałowej paliwa, współczynnika nadmiaru powietrza oraz temperatury wody zasilającej.
Wskutek wzrostu obciążenia kotła wzrasta ilość spalanego paliwa w jednostce czasu. W komorze spalania znajduje się obecnie większa ilość spalin (o stałej temperaturze spalania), a powierzchnie opromieniowane (rurki ekranowe itp.) odbierają mniej ciepła w odniesieniu do spalin wytwarzanych z l kg spalanego paliwa, mimo że całkowita ilość ciepła przejętego przez te powierzchnie nie maleje, a nawet nieznacznie wzrasta. To zjawisko pociąga za sobą wzrost temperatury spalin dopływających do pierwszej sekcji rurek konwekcyjnych kotła. Równocześnie — wskutek zwiększenia ilości spalin — rośnie, prędkość ich przepływu przez przestrzeń zajętą rurkami konwekcyjnymi kotła. Zarówno wyższa temperatura spalin, jak i większa prędkość pociągają za sobą wzrost współczynnika przenikania ciepła, rośnie zatem również ilość ciepła przejmowana przez powierzchnie konwekcyjne wymiany ciepła, co wiąże się bezpośrednio ze zwiększeniem wydajności kotła. Jednakże — mimo tych zjawisk — temperatura spalin przepływających przez kolejne pęki rurek konwekcyjnych jest większa i wyższa jest też ich temperatura na wylocie z kotła, co pociąga za sobą wyższe straty wylotowe.
Temperatura pary przegrzanej w przypadku przegrzewacza typu konwekcyjnego, a takie tylko rodzaje stosowane są w nowoczesnych kotłach parowych (por. rys. 3.20), rośnie. Podobnie rosną temperatury wody zasilającej na wylocie z wewnątrzkotłowego jej podgrzewacza jak również temperatura podgrzanego powietrza w przypadku jeżeli jest to podgrzewacz typu utylizacyjnego, t j. w przypadku ogrzewania spalinami odlotowymi z kotła.
Zmiana wartości opałowej paliwa zmienia również wielkości charakteryzujące inne czynniki. Przy zachowaniu stałej ilości spalanego paliwa rośnie temperatura pary przegrzanej i temperatura wody za podgrzewaczem. Rośnie również temperatura podgrzewanego powietrza (w przypadku podgrzewacza spalinowego — utylizacyjnego), a więc i temperatura spalania w komorze paleniskowej.
Ponieważ rośnie też temperatura spalin wylotowych, maleje zatem nieznacznie sprawność kotła wskutek zwiększenia się straty wylotowej (kominowej), przy jednoczesnym wzroście wydajności kotła. Jeżeli zależy nam na utrzymaniu stałej wydajności, to zmniejsza się ilość spalanego paliwa o wyższej wartości opałowej i wskutek tego sprawność kotła wzrasta.
Odwrotne zjawiska występują przy obniżeniu wartości opałowej paliwa.
Przy wzroście nadmiaru powietrza temperaturą spalania w komorze paleniskowej ulega obniżeniu co wpływa na zmniejszenie się intensywności przekazywania ciepła od spalin do powierzchni opromieniowanej kotła. Obniża się również temperatura spalin na dolocie do powierzchni konwekcyjnych kotła, lecz jednocześnie rośnie objętość przepływających spalin o zwiększoną ilość powietrza. W obszarze zatem powierzchni konwekcyjnych wymiany ciepła występuje równocześnie spadek intensywności wymiany ciepła wskutek spadku średniej temperatury spalin i jej wzrost wskutek zwiększania objętości spalin, a więc i szybkości ich przepływu. Ten drugi czynnik jednakże przeważa i ostatecznie występuje wzrost intensywności przejmowania ciepła w rurkach konwekcyjnego parownika.
Wzrost ten na powierzchniach konwekcyjnych jest jednakże mniejszy od spadku intensywności przejmowania ciepła przez powierzchnie opromieniowane i w efekcie maleje wydajność kotła przy nie zmienionej ilości spalanego paliwa. Dodatkowym czynnikiem wpływającym na spadek wydajności jest fakt, że w nowoczesnych kotłach (por. kotły membranowe — rozdz. 3.3.3) powierzchnię wymiany ciepła parownika tworzą wyłącznie ekranowe rurki opromieniowane.
Wymiana ciepła w przegrzewaczach pary (typu konwekcyjnego) następuje w niższych temperaturach i spadek temperatury spalin jest mniejszy. Z innej strony mamy do czynienia ze zwiększoną prędkością spalin, a zatem ze zwiększonym współczynnikiem wymiany ciepła. W połączeniu ze zmniejszoną ilością pary przepływającej przez rurki przegrzewacza wskutek zmniejszenia się wydajności kotła mamy w efekcie do czynienia ze wzrostem temperatury przegrzania pary.
Przy utrzymaniu stałej wydajności, co pociąga za sobą konieczność zwiększenia ilości spalanego paliwa, temperatura przegrzani; pary w przegrzewaczu konwekcyjnym rośnie jeszcze bardziej.
Zazwyczaj kolejną powierzchnią wymiany ciepła w kotle jest podgrzewacz wody. Temperatura spalin na dolocie do podgrzewacza jest wyższa przy powiększonym nadmiarze powietrza ze względu na mały spadek temperatury spalin na rurkach konwekcyjnego przegrzewacza pary. Jeżeli do tego dodamy zwiększenie współczynnika wymiany ciepła wskutek wzrostu objętości, a zatem i szybkości spalin, oraz zmniejszenia ilości wody w podgrzewaczu wskutek spadku wydajności kotła, w efekcie otrzymujemy wyższą temperaturę wody za podgrzewaczem. Temperatura ta jest tym wyższa, im większy jest nadmiar powietrza i zachodzić może nawet zjawisko parowania wody w ostatnich sekcjach podgrzewacza.
W spalinowym podgrzewaczu powietrza temperatura podgrzania powietrza również rośnie — choć niezbyt intensywnie — bo wraz z nadmiarem powietrza rośnie jego ilość przepływająca przez rurki przegrzewacza.
Temperatura spalin wylotowych z kotła rośnie, wzrasta zatem również strata wylotowa, a więc maleje sprawność kotła pracującego ze zbytnim nadmiarem powietrza. Należy przy tym pamiętać, że ponieważ przy zbyt dużym nadmiarze powietrza maleje wydajność kotła, to chcąc utrzymać ją na stałym poziomie należy zwiększyć ilość spalanego paliwa, a zatem sprawność jeszcze bardziej się zmniejszy. Przy zwiększeniu ilości spalanego paliwa i zwiększonej wartości nadmiaru powietrza ilość podawanego do kotła powietrza również się zwiększa, co jeszcze bardziej pogłębi opisane wyżej szkodliwe zjawiska itd.
Zmiana temperatury wody zasilającej na wlocie do wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody nie wpływa w sposób istotny na temperaturę spalin wzdłuż powierzchni ogrzewalnych parownika i przegrzewacza pary. Przy jednakże mniej więcej stałej ilości ciepła pobieranego przez przegrzewacz temperatura przegrzania pary rośnie ze względu na spadek wydajności kotła spowodowany obniżeniem temperatury wody na dolocie do wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody.
W podgrzewaczu wewnątrzkotłowym wody wystąpią natomiast następujące zmiany:
Jeżeli powierzchnia wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody jest ostatnią powierzchnią odbioru ciepła w kotle na drodze spalin (jak to ma miejsce w nowoczesnych kotłach z parowym podgrzewaczem powietrza itp.), to obniżenie temperatury wody zasilającej pociąga za sobą jedynie spadek wydajności kotła, wzrost temperatury pary przegrzanej i spadek-temperatury spalin wylotowych. W tym ostatnim przypadku należy uważać, aby nie nastąpiło zbytnie ochłodzenie spalin, a więc aby nie wystąpiła korozja niskotemperaturowa (por. rozdz. 2.4). Sprawność samego kotła — rozpatrywanego jako urządzenie samodzielne w oderwaniu od siłowni okrętowej i całego obiegu „para — woda" — w tym wypadku nieznacznie wzrośnie.
Ponieważ jednakże ten niewielki wzrost sprawności kotła przy obniżeniu temperatury wody zasilającej (o ok. 1% przy spadku temperatury wody o 20°C) łączy się ze spadkiem wydajności kotła, dla jej utrzymania konieczne jest spalenie większej ilości paliwa, a zatem sprawność całej parowej siłowni okrętowej się zmniejszy.
12.5. Wygaszanie i odstawianie kotłów.
Wygaszanie i odstawianie kotła wykonuje się wówczas, gdy przewiduje się dłuższą przerwę w jego pracy. Potrzeba taka zachodzi na przykład w czasie postoju w porcie lub w stoczni, przy wyłączeniu statku z eksploatacji lub w morzu w wypadku awarii i konieczności przeprowadzenia naprawy. W innych wypadkach, jak na przykład w czasie postoju na kotwicy, w czasie oczekiwania na redzie na pilota itp., kotły muszą znajdować się w stanie gotowości. Ciepło spalania zużywa się wówczas na wyprodukowanie pary potrzebnej do obsługi pracy kotła (na przykład do napędu pompy zasilającej, podgrzania i rozpylania paliwa, napędu dmuchawy podającej powietrze itp.), pary służącej do napędu mechanizmów siłowni (o ile pobierają one parę z kotłów głównych) i wreszcie na pokrycie strat promieniowania, nieszczelności itp.
W celu wygaszenia i odstawienia kotła należy wykonać następujące czynności:
Uwaga: nie należy przewietrzać paleniska w czasie stygnięcia kotła ze względu na możliwość
zbyt szybkiego studzenia jego elementów konstrukcyjnych.
Przy odstawieniu kotła należy zwrócić szczególną uwagę na zapobieżenie nagłemu ochłodzeniu, które powoduje powstawanie naprężeń cieplnych. Nagłe zmiany temperatury konstrukcji kotła są dla niego tym niebezpieczniejsze, im bardziej „sztywna" jest ta konstrukcja. Z tego względu szczególnie ważne jest powolne studzenie kotłów płomieniówkowych (rozdz. 12.2).
Nagłe ochłodzenie, szybki spadek ciśnienia pary i szybkie wypuszczenie gorącej wody z kotła mogą powodować w kotłach przykre następstwa, począwszy od przecieków płomieniówek (w wypadku połączeń walcowanych), a kończąc na przeciekach szwów i pęknięciach.
W wypadku wygaszania kotłów wodnorurkowych należy również stosować powolne studzenie ze względu na ochronę wolno stygnącego i mało elastycznego obmurza oraz na zachowanie szczelności obudowy.
Niedopuszczalne są w zasadzie wszelkie sztuczne przyspieszenia stygnięcia kotła, na przykład usuwanie z niego wody pod ciśnieniem przez zawór dolnego szumowania. Na rys. 12.21 przedstawiony jest przebieg stygnięcia kotła płomieniówkowego o dużej pojemności wodnej.
Dla zapobieżenia korozji wewnątrz kotła odstawiony kocioł należy zakonserwować. Jeżeli ma on być odstawiony na kilka dni (do 10—15), stosuje się tzw. konserwację mokrą, w wypadku dłuższego odstawiania — konserwację suchą.
Rys. 12.21. Wykres stygnięcia kotła płomieniówkowego
Konserwacja mokra polega na całkowitym napełnieniu kotła wodą (wraz z przegrzewaczem pary). W czasie napełniania kotła wodą kurek odpowietrzający powinien być otwarty, a kocioł należy co pewien czas szumować. Do wody należy dodać wodorotlenku sodu (NaOH) w takie ilości, aby liczba sodowa wynosiła minimum 0,00035 kg/l. W praktyce ilość dodawanego do wody wodorotlenku sodu (sody kaustycznej) wynosi 2 kg na każdy m3 wody. Następnie wodę podgrzewa się przy słabym opalaniu aż do stanu wrzenia.
Ogrzewanie ma na celu odpowietrzenie wody konserwującej i dlatego należy je przeprowadzać przy otwartym zaworze odpowietrzającym (rozdz. 12.2). Następnie należy przerwać opalanie i szczelnie zamknąć kocioł tak, aby do wnętrza nie dostało się powietrze.
Przez kilka dni należy sprawdzać alkaliczność wody i w wypadku stwierdzenia odchyleń od przepisanego stanu należy uzupełnić odczynnik i ponownie usunąć powietrze przez doprowadzenie wody do stanu wrzenia.
Taki sposób konserwacji dopuszczalny jest jedynie w tym wypadku, jeżeli mamy pewność, że w czasie jej trwania temperatura w kotle nie spadnie poniżej zera.
Jeżeli kocioł ma być odstawiony na dłuższy czas lub jeżeli temperatura może spaść poniżej zera, stosuje się konserwację suchą. Metoda ta polega na tym, że do opróżnionego i starannie oczyszczonego i osuszonego, za pomocą słabego opalania kotła wstawia się kosze stalowe z żarzącym się węglem drzewnym. W specjalnych pojemnikach umieszcza się dodatkowo nie gaszone wapno w ilości około 2 kg wapna na l m3 objętości kotła. Wapno to ma za zadanie pochłanianie wilgoci z powietrza znajdującego się w odstawionym kotle.
Wapno należy umieszczać w szczelnych wanienkach i napełniać do około połowy ich objętości, ponieważ w czasie pochłaniania wilgoci wzrasta jego objętość. Po wstawieniu wapna kocioł należy szczelnie zamknąć.
Co pewien czas (na przykład co trzy miesiące) odstawiony kocioł powinno się otwierać i sprawdzać stan jego wnętrza.
Przed wejściem do kotła, który był uprzednio poddany suchej konserwacji, należy go starannie przewietrzyć z uwagi na niebezpieczeństwo zatrucia.
13. KONSERWACJA, PRZEGLĄDY l REMONTY OKRĘTOWYCH KOTŁÓW PAROWYCH.
Właściwa eksploatacja okrętowych kotłów parowych polega nie tylko na prawidłowej ich obsłudze w czasie pracy, jak podano w rozdz. 12, ale również na umiejętnej konserwacji i wykonaniu czynności, które zapobiegają powstawaniu ewentualnych uszkodzeń i wszelkich nieprawidłowości w ich pracy.
Wysoką ekonomiczność, uwidaczniającą się przede wszystkim w dobrej sprawności kotła, a bezpośrednio w oszczędności zużycia paliwa, osiągnąć można dzięki właściwie prowadzonym:
13.1.Przeglądy kontrolne.
W czasie pracy kotła do obowiązków załogi należy sprawdzanie stanu poszczególnych jego elementów konstrukcyjnych. Niezależnie od kontroli przeprowadzanych okresowo przez inspektorów instytucji klasyfikacyjnych, mechanicy statkowi powinni przy każdej nadarzającej się okazji przeprowadzać przeglądy i pomiary zużycia. Przeglądy takie mogą nieraz w porę wykryć pojawiające się uszkodzenia elementów kotła lub stopień zużycia materiałów. Można rozróżnić przeglądy zewnętrzne i wewnętrzne.
Przy przeglądach zewnętrznych, czyli od strony zewnętrznej kotła i od jego strony ogniowej, sprawdza się szwy i zagięcia blach kolektorów, płaszcza i dennic kotła (w kotłach płomieniówkowych). W szczególności baczną uwagę należy zwrócić na wszelkie oznaki mogące świadczyć o przeciekach końców rur i korozji nakrętek ściągów.
Przeglądając podgrzewacz powietrza, należy sprawdzić, czy nie ma spłaszczenia rur, czy nie występują ślady typowe dla korozji siarkowej, czy elementy podgrzewacza nie przepuszczają powietrza i czy nie ma jakichkolwiek pęknięć w ścianach sitowych.
Przy przeglądach płomienie kotłów płomieniówkowych należy co najmniej raz na dwa miesiące przeprowadzić ich pomiar za pomocą spraw-dziana prętowego. Spłaszczenie dowolnego segmentu nie powinno przekraczać 3% i obliczane jest według wzorów
D1 = 
100%, (13.1)
D2 = 
100%, (13.2)
(Dśr - odczytuje się z rysunku bądź wyznacza jako średnią arytmetyczną zmierzonej w czterech kierunkach średnicy pierwszej i ostatniej fali).
Ewentualne powstawanie wydęć płaskich ścian kontrolowane jest za pomocą specjalnych szablonów. Pomiary powinny być dokonywane stale w tych samych punktach oznaczonych na nowej płomienicy.
W kotłach wodnorurkowych ogląda się rurki dolnych rzędów i mierzy się stopień ich przegięcia za pomocą stalowej struny (rys. 13.1). Dla zanotowania wyników przeprowadzonego przeglądu i sprawdzania postępu ewentualnych odkształceń wszystkie rury powinny mieć numery.
Rys. 13.1. Pomiar przegięcia za pomocą struny; 1 - struna stalowa; 2 — rurka; 3 - walczak parowo-wodny; 4— walczak wodny;
Przeglądy wewnętrzne dokonywane są rzadziej, to znaczy wtedy, gdy jest spuszczana woda z
kotła, co — poza wypadkami awaryjnymi — stosuje się po określonej liczbie godzin pracy kotła. Okresy te są różne (rozdz. 13.2) dla różnego rodzaju kotłów, zakresu pływania, wieku statku, stanu technicznego, jego urządzeń i mechanizmów siłowni itp.
Praca kotła w morzu liczy się jako 100%, praca podczas postoju, gdy pracują jedynie mechanizmy pomocnicze siłowni — jako 50%, a stan gotowości kotła, to znaczy podtrzymywanie pary w kotle bez jej używania — jako 10%.
Przy zachowaniu wszelkich środków ostrożności, opisanych szerzej w rozdz. 13.2, przeprowadza się wewnętrzną inspekcję kotła. Przede wszystkim należy zbadać średnią grubość warstwy kamienia kotłowego i po przekroczeniu tej grubości:
należy przeprowadzić czyszczenie strony wodnej kotła (rozdz. 13.2).
Przy przeglądach wnętrza kotła należy zwrócić szczególną uwagę na obecność śladów oleju smarowego lub opałowego. W wypadku ich stwierdzenia należy bezzwłocznie odnaleźć przyczyny przedostawania się olejów do wody zasilającej i usunąć je.
Po oczyszczeniu kotła z osadu kamienia kotłowego sprawdza się jego wnętrze; na wyczyszczonych do metalicznego połysku powierzchniach szuka się łatwiej widocznych śladów wewnętrznych pęknięć w kolektorach. Wyniki tych przeglądów wraz z pomiarami powinny być zapisane w książce kotłowej. Oprócz przeglądów dokonywanych przez mechaników z załogi statku, przeglądów kotłów dokonują również inspektorzy instytucji klasyfikacyjnej, pod której nadzorem statek został zbudowany lub obecnie się znajduje.
Kotły parowe powinny być przedstawione do przeglądu wewnętrznego w stanie chłodnym, a przy tym:
Kotły cylindryczne powinny podlegać przeglądom w następujących terminach: pierwszy przegląd po upływie 4 lat od chwili ich zbudowania, drugi — po 6 latach, a następne przeglądy — regularnie w 12-miesięcz-nych odstępach.
Sposób i przebieg dokonywania przeglądów przez inspektorów instytucji klasyfikacyjnej dla kotłów: płomieniówkowego, sekcyjnego i stromorurkowego membranowego pokazano na rys. 13.2, 13.3, 13.4 i 13.5.
Rys. 13.2. Przebieg inspekcji kotła płomieniówkowego.
Rys. 13.3. Przebieg inspekcji kotła sekcyjnego.
Rys. 13.4. Przebieg inspekcji kotła stromorurkowego typu D
13.2. Czyszczenie kotłów parowych.
Powierzchnie wymiany ciepła okrętowych kotłów parowych pokrywane są od strony ogniowej osadami pochodzącymi od nie spalonych cząstek paliwa, jak na przykład sadzy, koksu, niepalnych związków organicznych itp. Intensywność osadzania się zanieczyszczeń na powierzchniach ogrzewalnych kotła zależy od:
W wypadku kotłów utylizacyjnych, po stosunkowo krótkim okresie pracy silnika powierzchnie wymiany ciepła pokrywają się warstwą sadzy i substancji smolistych. Intensywność ich osiadania oraz ilość zależy w znacznym stopniu od jakości procesu spalania zachodzącego w cylindrach silnika spalinowego.
Rys. 13.5. Przebieg inspekcji kotła membranowego typu U
Osiadające na powierzchniach ogrzewalnych zanieczyszczenia pogarszają znacznie jakość pracy kotła, a mianowicie:
Izolacja cieplna, jaką tworzą sadze i inne zanieczyszczenia osiadające na powierzchniach ogrzewalnych w kotle, zmniejsza sprawność kotła. Tak więc przy osadzeniu na rurkach kotła wodnorurkowego warstwy sadzy o grubości 0,5 mm wzrost zużycia paliwa wynosi 2—2,5%, a każde pogrubienie warstwy osadów o kolejne 0,5 mm powoduje wzrost zużycia paliwa o 1,5%.
Widocznym, zewnętrznym objawem zbytnich zanieczyszczeń powierzchni ogrzewalnej jest wzrost temperatury gazów odlotowych z kotła.
Ujemne skutki osadzania się sadzy i popiołów nie ograniczają się jedynie do strat cieplnych w kotle. Jak już wspomniano, zanieczyszczenie rurek (szczególnie w kotłach płomieniówkowo-płomienicowych i kombinowanych) zwiększa opory przepływu spalin i pogarsza warunki spalania. Ażeby temu przeciwdziałać, stosowane jest zwiększanie podawania powietrza do kotła. To z kolei może prowadzić do nadmiernego oziębienia pewnych partii kotła i do jego uszkodzeń (przeciekanie rurek, pęknięcia ścian itp.).
Wzrost oporu przepływu spalin występuje szczególnie ostro w kotłach płomieniówkowych z przegrzewaczami pary umieszczonymi wewnątrz rurek oraz w kotłach wodnorurkowych o małej podziałce i niewielkich średnicach rur.
Innym skutkiem osadzania się zanieczyszczeń na powierzchniach ogrzewalnych mogą być korozje. Mianowicie w popiołach paliw płynnych mogą znajdować się takie związki, jak V2O5 — pięciotlenek wanadu, Na4V2O7 — czterowanad sodu, Na2S04 — siarczan sodowy.
O pierwszym z tych związków była mowa w rozdz. 2.4. Należy jednak dodatkowo zaznaczyć, że nawet w wypadku, jeżeli temperatura powierzchni ścian rurek kotła nie przekroczy temperatury topnienia V2O5, wynoszącej ok. 650—700°C, to i tak istnieje możliwość mechanicznego osadzenia się tego .szkodliwego dla materiału rurek związku.
Zawartość V2O5 w popiołach niektórych paliw dochodzi do znacznych wartości i sięga aż 45% (udział ciężarowy). Fakt ten powoduje częstokroć tworzenie się na powierzchniach ogrzewalnych kotłów gęstych i lepkich trudno usuwalnych osadów. Powodują one, oprócz innych strat, także rozpuszczanie i osłabianie zewnętrznych, ochronnych warstw materiałów na powierzchniach rurek, szczególnie w stalach z dodatkiem chromu, a więc wyjątkowo szybką ich korozję gazową.
Również i pozostałe związki sodowe, znajdujące się w popiołach paliw, jak Na2SO4, którego temperatura topnienia wynosi 880°C oraz Na4V207 (temperatura topnienia ok. 550°C), powodują powstawanie gęstych i lepkich — szczególnie przy wysokich temperaturach — osadów.
Powierzchnie ogrzewalne kotłów oczyszczane są w czasie pracy za pomocą zdmuchiwaczy sadzy, których konstrukcja i działanie zostały opisane w rozdz. 8.4.
Jednakże, mimo stosowania częstego nawet zdmuchiwania oraz dodawania specjalnych patentowych proszków, służących bądź do wypalania sadzy w kanałach spalinowych, bądź też do spulchniania gęstych i lepkich osadów, czyszczenie w czasie pracy kotła nie jest nigdy dostateczne i w efekcie po pewnym okresie pracy kotła jego powierzchnie ogrzewalne są pokryte osadem zanieczyszczeń.
Niedostateczna liczba zdmuchiwaczy sadzy, ich złe rozmieszczenie lub niewłaściwa eksploatacja mogą prowadzić do poważnych zakłóceń w pracy kotła. Tak więc na przykład na statku radzieckim „Leninskij Komsomoł", na którym zainstalowano kocioł KWG-25, w ciągu rocznej eksploatacji kotła przy opalaniu niskosiarkowym olejem opałowym, zaobserwowano spadek współczynnika sprawności z 93% do 89%. Jednocześnie temperatura odlotowych gazów spalinowych podniosła się o 35—40°C, zaś temperatura przegrzania pary opuszczającej kocioł spadła o 40—45°C. Bezpośrednią przyczyną tego zjawiska były znaczne osady zanieczyszczeń na pękach rurek konwekcyjnych, sięgające w obszarze przegrzewacza pary aż do 20 mm (rys. 13.6).
Rys. 13.6. Zanieczyszczenie kotła KWG-25
Wobec powyższego należy stosować, oprócz oczyszczania w czasie pracy kotła, również okresowe czyszczenie kotłów od strony ogniowej w czasie jego odstawienia. Czyszczenie takie polega na przedmuchiwaniu za pomocą przenośnego, parowego (rzadziej powietrznego) zdmuchiwacza sadzy. Para doprowadzana jest w takim wypadku za pomocą giętkiego przewodu (węża). Włączanie zdmuchiwacza do pracy odbywa się za pomocą zaworu umieszczonego przy uchwycie lub też przez naciśnięcie obciążonego sprężyną zaworu umieszczonego na końcówce zdmuchiwacza.
Innym dokładniejszym sposobem oczyszczania powierzchni ogrzewalnych kotła jest czyszczenie za pomocą specjalnych szczotek stalowych, skrobaczek itp.
Ze względu na nieregularne kształty i ciasnotę wewnątrz części ogniowej kotła, czyszczenie powierzchni ogrzewalnej musi być prowadzone ręcznie przez załogę statku lub specjalne brygady stoczni remontowych czy spółdzielni usługowych trudniące się czyszczeniem i konserwacją kotłów.
Czyszczenie ręczne powierzchni należy rozpocząć od górnych segmentów konstrukcji kotła ku dołowi (opadające w dół zanieczyszczenia osiadają na dolnych powierzchniach). W czasie takiego czyszczenia części metalowe kotła powinny być ochłodzone do temperatury 50—60°C, a kanały spalinowe dobrze przewietrzone.
Czyszczenie mechaniczne powierzchni ogrzewalnej w kotle jest operacją żmudną i pracochłonną, i obecnie coraz częściej stosuje się czyszczenie za pomocą strumienia wody. Do niedawna metodę płukania od strony ogniowej stosowano jedynie w kotłach typu Velox, to znaczy w takich, w których komora paleniskowa nie ma obmurza.
Na ogół twarde, mocno przypieczone do powierzchni ogrzewalnych osady usuwa się w sposób mechaniczny, natomiast miękkie zanieczyszczenia zmywa się wodą.
W ostatnich latach doświadczenia przeprowadzone na dużych zbiornikowcach amerykańskich wykazały, że wprowadzenie do paleniska w czasie pracy kotła niewielkich ilości pary lub wody przeciwdziała powstawaniu twardych, przyklejających się zanieczyszczeń. Osady powstające w takim wypadku dają się stosunkowo łatwo zmyć wodą. Jest to tym samym jedną z zalet stosowania rozpylania oleju w palniku przy pomocy pary (rozdz. 7.2.3).
Zmywanie powierzchni ogrzewalnych od strony ogniowej może się odbywać kilkoma sposobami. Jednym z nich jest początkowe zmywanie wodą morską podgrzaną do temperatury 70—80°C, a następnie opłukiwanie ciepłą wodą słodką. Innym ze sposobów jest zmywanie wyłącznie gorącą (60-—70°C) wodą słodką podawaną pod ciśnieniem ok. 1,177 MN/m2 (12 kG/cm2) lub wodą słodką z dodatkiem sody i środków piorących.
Podawanie wody za pomocą giętkiego przewodu (węża) z dyszą rozbryzgową na końcu, omywanie rur, podobnie jak czyszczenie mechaniczne, należy prowadzić od góry ku dołowi. Na zbiornikowcach woda może być podawana przez pompę i podgrzewacz systemu Butterwortha służący do czyszczenia zbiorników ładunkowych.
Brudna woda ścieka do specjalnego, podwieszonego w komorze paleniskowej, brezentowego (lub ostatnio nylonowego czy dakronowego) zbiornika w kształcie dużego lejka (rys. 13.7). Z tego lejka ścieki odprowadza się na zewnątrz kotła (na przykład do zęz lub do specjalnego zbiornika dennego), skąd się je usuwa za pomocą pompy zęzowej za burtę.
Rys. 13.7. Schemat omywania powierzchni ogrzewalnej w kotle wodno-rurkowym.
W czasie obmywania powierzchni ogrzewalnych należy uważać, ażeby nie zamoczyć zanadto wykładziny paleniska (jego obmurza itp.). Zbytnie zawilgocenie cegieł tworzących obmurze może przy rozpalaniu kotła powodować gwałtowne parowanie wody i pękanie wykładziny.
Ponieważ nie można praktycznie uniknąć zalania wodą dna komory paleniskowej, w kotłach, w których przewiduje się tego typu czyszczenie powierzchni ogrzewalnej, stosuje się wykładanie dna l (rys. 13.8) paleniska płytami żeliwnymi 2, zamiast cegłami szamotowymi. Podłoga taka ma nachylenie w jednym kierunku, a z najniższego jej obszaru odprowadza się brudną wodę przez specjalne rurociągi 3.
Rys. 13.8. Dolna część paleniska w kotle przystosowanym do zmywania wodą powierzchni ogrzewalnej od strony ogniowej l — dno; 2 — płyty żeliwne; 3 — rurociąg odpływowy
W celu zabezpieczenia obmurza przed pękaniem, po zakończonym obmywaniu powierzchni ogrzewalnej zaleca się jej osuszenie przez rozniecenia ognia w komorze paleniskowej.
Aby usunąć twarde, łatwo spiekające się i mocno przylegające do rur zanieczyszczenia i osady, stosuje się niekiedy chemiczną metodę Huttera. Polega ona na poddaniu wnętrza kotła od strony ogniowej działaniu par amoniaku NH3, co powoduje odstawanie osadów, a tym samym umożliwia łatwe ich usunięcie. Po zastosowaniu metody Huttera należy przed wpuszczeniem ludzi do paleniska dokładnie i starannie przewietrzyć kocioł.
Zmywanie części ogniowej kotła wodnorurkowego należy prowadzić bez przerw. Całkowity czas omywania kotła zależy od jego wielkości (dla kotła wodnorurkowego o wydajności 40 t/h pary czas mycia wynosi ok. 10 h).
Po obmyciu powierzchnię rur zaleca się pokryć cienką warstwą (najlepiej za pomocą pistoletu) mieszaniny sproszkowanego grafitu i mleka cementowego lub szkła wodnego. Mieszanina taka tworzy na rurkach warstwę ochronną przed korozją, a także ułatwia odstawianie osadów i sadzy przy ich zdmuchiwaniu w czasie pracy kotła strumieniem pary lub sprężonego powietrza.
Bezpośrednio po pokryciu powierzchni ogrzewalnych warstwą ochronną należy przeprowadzić suszenie kotła przez rozniecenie w palenisku słabego ognia. Czas suszenia wynosi 2—6 h w zależności od wielkości kotła.
Czyszczenie powierzchni ogrzewalnej od strony wodnej przeprowadza się rzadziej niż od strony ogniowej, ponieważ w tym celu konieczne jest całkowite usunięcie wody z kotła.
Odstęp czasu między kolejnymi czyszczeniami kotła zależy od rodzaju kotła, statku, a przede wszystkim od jakości podawanej wody zasilającej. Na przykład w radzieckiej flocie handlowej dla kombinowanych kotłów płomieniówkowo-opłomkowych, pracujących z tłokowymi silnikami parowymi, odstęp między dwoma czyszczeniami kotła wynosi 2500—-
—3000 h pracy kotła. Stosunkowo krótki okres podyktowany jest możliwością dostawania się do wnętrza kotła wraz z wodą zasilającą zanieczyszczeń oleju smarowego z cylindrów silnika parowego.
Dla współczesnych, wysokociśnieniowych kotłów wodnorurkowych okres między dwoma czyszczeniami strony wodnej wynosi ok. 7000— —8000 h pracy kotła. Tak długi odstęp czasu (ok. 10 miesięcy nieprzerwanej pracy) uzasadniony jest dużymi wymaganiami stawianymi wodzie zasilającej, dobrze bowiem przygotowana woda nie powinna zostawić praktycznie żadnych osadów na powierzchni ogrzewalnej od strony wodnej.
Do czyszczenia i mycia kotła od strony wodnej należy przystąpić bezpośrednio po spuszczeniu wody, po uprzednim jej ochłodzeniu do 60°C, ponieważ kamień kotłowy twardnieje przy zetknięciu się z powietrzem. Przed wpuszczeniem ludzi do wnętrza kotła należy go po otwarciu włazów dokładnie przewietrzyć. Jeżeli z pozostałych kotłów na statku któryś jest pod parą, to należy dokładnie odciąć połączenie czyszczonego kotła od magistrali. Zalecane jest zakładanie w tym celu na wszystkich rurociągach parowych i wodnych, prowadzących do kotła, metalowych zaślepek (po uprzednim rozkręceniu połączenia kołnierzowego).
§ 184 Rozporządzenia Ministra Żeglugi z dnia 18 grudnia 1856 roku w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy na polskich morskich statkach handlowych w żegludze międzynarodowej głosi:
„l. Roboty remontowe w kotle sąsiadującym z kotłem pracującym mogą być wykonywane,
jeżeli przewody wodne i parowe łączące oba kotły zostały rozłączone lub zaślepione.
2. Zabrania się oddzielania kotłów wyłącznie zaworami.
3.Otwarcie włazów i szlamowanie (czyszczenie) kotła może nastąpić dopiero po sprawdzeniu,
że ciśnienie w kotle odpowiada atmosferycznemu i że kocioł jest opróżniony z wody".
We wnętrzu kotła nie wolno używać innego oświetlenia jak przenośne elektryczne o napięciu nie przekraczającym 24 V
Przy włazie kotłowym należy wywiesić wyraźnie widoczną tablicę z napisem: „Uwaga: Ludzie w kotle".
Osadzony na ściankach walczaków kotła szlam i kamień kotłowy usuwa się ręcznie za pomocą skrobaczek, tępych młotków i szczotek stalowych, natomiast zanieczyszczone rurki wodne czyści się za pomocą giętkich wałów, które wpuszcza się do wnętrza rurek od góry, z walczaka parowo-wodnego. Na końcu takiego wału osadza się szczotki lub skrobaczki typów przedstawionych na rys. 13.9.
Wał napędzany jest najczęściej silnikiem elektrycznym. Innym sposobem rozwiązania napędu urządzenia czyszczącego, jest stosowanie niewielkiej turbiny wodnej.
Rys. 13.9. Narzędzia do czyszczenia rurek w kotłach wodnorurkowych
W takim rozwiązaniu turbina jest umieszczona na końcu giętkiego przewodu doprowadzającego wodę. Woda wypływająca z turbiny spłukuje jednocześnie oderwane osady i spływa w dół, do walczaka wodnego. Po oczyszczeniu wnętrze kotła poddaje się płukaniu silnym strumieniem gorącej wody.
Rury przegrzewacza pary i wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody poddaje się płukaniu silnym strumieniem wody przez wyczystki lub specjalne króćce naspawane na kolektorach zbiorczych.
Opisane czyszczenie powinno dać zadowalające efekty w wypadku stosowania właściwego przygotowywania wody zasilającej. Jeżeli natomiast z jakichkolwiek przyczyn na stronie wodnej powierzchni ogrzewalnej wystąpi twardy, trudno usuwalny kamień kotłowy, należy zastosować inne od omawianych sposoby czyszczenia, polegające na czyszczeniu chemicznym, a następnie mechanicznym.
Chemiczne czyszczenie kotła polega na ługowaniu. Przy kamieniach kotłowych — siarczanowych, wapniowych lub magnezowych — stosuje się ługowanie za pomocą ortofosforanu trój sodowego (Na3PO4). W tym celu obniża się ciśnienie w kotle do 1/3 - 1/4 ciśnienia roboczego i przez instalację zasilającą podaje do kotła Na3PO4 w ilości 1,5—2 kg na l m3 objętości wody. Następnie przeprowadza się kilkakrotne odmulanie oraz ponownie podaje do kotła Na3PO4, tym razem w ilości 0,75 —l kg na l m3 wody, podnosząc jednocześnie poziom wody w kotle do maksymalnego. Podawanie tego związku stosuje się tak długo, dopóki zawartość fosforanów w wodzie nie przestanie się zmniejszać. Próby wody należy pobierać co 30 min i badać zawartość fosforanów i alkaliczność.
Podczas ługowania należy pozostawić tyle czynnych palników, ile jest koniecznych do utrzymania ciśnienia ługowania. Parę odprowadza się do celów grzewczych lub do wolnej atmosfery.
Po przeprowadzeniu ługowania wygasza się pracujące palniki i po ochłodzeniu kotła spuszcza wodę i przystępuje do czyszczenia mechanicznego.
Przy wyjątkowo grubych i twardych osadach kamienia kotłowego stosuje się ługowanie za pomocą wodorotlenku sodowego (sody kaustycznej) w ilości B—10 kg na l m3 wody lub. specjalnych związków patentowych, na przykład „Antydepon B" — 15—20 kg na l m3 wody.
Wyżej wymienione związki podawane są do kotła w postaci roztworów, a następnie przeprowadza się, przy otwartym górnym włazie, gotowanie wody w kotle trwające ok. 24—36 h. Po zakończeniu gotowania wódy i jej ochłodzeniu spuszcza się wodę i przystępuje do mechanicznego czyszczenia,
Instrukcja obsługi kotłów pomocniczych stosowanych na polskich statkach przewiduje następującą metodę ługowania kotła. Kocioł napełnia się roztworem sody kaustycznej (6 kg sody na l m3 wody), rozpala się słaby ogień i gotuje wodę przy otwartym odpowietrzeniu przez 24 h. Następnie kocioł wolno się studzi, spuszczając wodę w dwóch etapach tak, aby można było najpierw oczyścić opłomki, a następnie, dolną część kotła. Po oczyszczeniu kotła z osadów należy przepłukać go wodą i skontrolować stan jego powierzchni ogrzewalnej,
W wypadku jeżeli na powierzchni ogrzewalnej osadza się twardy i bardzo trudny do usunięcia kamień kotłowy (na przykład węglanowy), można go usunąć, stosując płukanie kwasowe.
Płukaniu może podlegać kocioł główny, jak również rurociągi przegrzewacza pary i wewnątrzkotłowego podgrzewacza wody zasilającej, a także inne urządzenia wchodzące w skład siłownianego obiegu para — woda.
Płukania za pomocą kwasu nie można stosować w wypadku, jeżeli w czasie przeglądu kotła (rozdz. 13.1) stwierdzono jakieś uszkodzenia jego elementów od strony wewnętrznej (szczeliny, rysy, pęknięcia itp.).
Jeżeli wewnątrz kotła, a zatem i w kamieniu kotłowym, znajdują się ślady olejów smarowych, przed płukaniem kwasem należy przeprowadzić odolejanie przez podgrzewanie wody przy ciśnieniu 0,049—0,079 MN/m2 (0,5—0,8 kG/cm2) przez 24 h po uprzednim podaniu do wnętrza sody amoniakalnej w ilości l O kg na l m3 wody oraz szkła wodnego w ilości 25 kg na l m3 wody. Istnieją też specjalne patentowe środki usuwające ślady oleju w kotle.
Płukanie kotła dokonuje się za pomocą 2% roztworu kwasu solnego lub 3% roztworu kwasu chromowego czy siarkowego z dodatkami antykorozyjnych inhibitorów (na przykład techniczna urotropina, czyli sześciometylenoczteroamina w ilości 0,007 kg/l, żelatyna, klej stolarski w ilości 0,01 kg/l).
Przy kamieniu węglanowym, wapniowym i magnezowym wystarczająca temperatura roztworu kwasowego wynosi 20—40°C. W osadach krzemianowych lub siarczanowych koncentracja kwasu solnego może dochodzić do 5—7%, a temperatura roztworu do 70°C.
Ogólnie można przyjąć, że na każde 0,5 mm osadu kamienia kotłowego potrzeba ok. 2% roztworu, jednakże maksymalna koncentracja kwasu nie powinna przekraczać 10%.
Przy kamieniu siarczanowym zaleca się dodawanie do powyższego roztworu fluorku amonowego (NH4F) lub sodowego (NaF), co znacznie przyspieszą proces oczyszczania.
Ilość podawanego fluorku wynosi ok. 20—30 kg na l m3 wody, przy czym koncentracja kwasu solnego nie powinna przekraczać 2%. Przygotowany do płukania roztwór umieszcza się w specjalnym zbiorniku, w którym jest on podgrzewany za pomocą pary podawanej z drugiego kotła lub też za pomocą specjalnego palnika. Cyrkulacja roztworu przez kotły i ewentualnie inne urządzenia obiegu para—woda odbywa się za pomocą specjalnych pomp.
Płukanie kotłów kwasem powinno być dokonywane przez specjalistów przy użyciu dodatkowych urządzeń (pomp, zbiorników itp.).
Płukanie roztworem kwasowym powinno trwać 6—20 h w zależności od grubości i rodzaju kamienia kotłowego. W trakcie płukania należy co jakiś czas sprawdzać kwasowość roztworu, która powinna spadać. Z chwilą, kiedy kwasowość przestanie opadać, należy przerwać płukanie.
Przy płukaniu roztworem kwasowym kotłów o dużej pojemności wodnej można, w celu zmniejszenia ilości roztworu potrzebnego do wypełnienia całego kotła, wypełnić częściowo jego wnętrze materiałem obojętnym na działanie słabo stężonego kwasu (na przykład belki lub deski drewniane itp.).
Po usunięciu z kotła roztworu należy bezzwłocznie przepłukać całą instalację wodą słodką, a następnie przystąpić do ługowania roztworem NaOH lub Na2CO3. Stężenie roztworu do ługowania powinno być o kilka procent (2—3%) wyższe niż stężenie roztworu kwasowego.
Ługowanie kotła po płukaniu roztworem kwasowym powinno trwać ok. 6—8 h w celu całkowitego usunięcia kwasowości. Po ługowaniu należy kocioł przepłukać silnym strumieniem gorącej słodkiej wody. Rury przegrzewacza dodatkowo przemywa się wodą destylowaną. Dopiero po tych czynnościach można przystąpić do czyszczenia mechanicznego. Twardy osad kamienia kotłowego, zmiękczany płukaniem roztworem kwasowym i ługowaniem, usuwany jest za pomocą specjalnych przyrządów.
Przy czyszczeniu należy najpierw założyć końcówkę (rys. 13.10) lekko przechodzącą przez rurę z osadem kamienia. Końcówka o dużej prędkości obrotowej uderza o kamień odbijając go.
Rys. 13..10. Końcówki do czyszczenia kotłów wodnorurkowych: a—e) różne rodzaje frezów; f) końcówka wału giętkiego z założonym frezem; g, h) końcówki szczotkowe
Maszynkę do czyszczenia można uruchamiać-jedynie wówczas, gdy końcówka znajduje się wewnątrz rurki. Nie należy dopuszczać do wysuwania się końcówki z rurki do dolnego kolektora, gdyż w takim wypadku może nastąpić jej urwanie.
W celu oczyszczenia wygiętych rurek końcówkę łączy się z wałkiem za pomocą łańcuszka (rys. 13.11). Aby zabezpieczyć końcówkę przed wsuwaniem się w głąb walczaka wodnego, stosowany jest przyrząd pokazany na rys. 13.12.
W kotłach stromorurkowych czyszczenie mechaniczne należy prowadzić od góry (tzn. od walczaka parowo-wodnego), w dół, w kotłach sekcyjnych przez otwory wyczystkowe znajdujące się w tylnych komorach sekcyjnych.
Rys. 13.11. Czyszczenie wygiętej rurki l — końcówka; Rys. 13.12. Urządzenie do
2 — łańcuszek; 3 — wałek napędzający; ochrony końcówki przyrządu
4 — rurka ; czyszczenia rurek
l — przyrząd ochronny; 2 —
rurki konwekcyjne; 3 —
walczak wodny
Rodzaj użytej końcówki zależy od stopnia zanieczyszczenia rurki. Po czyszczeniu zgrubnym końcówką o niewielkiej średnicy następuje czyszczenie końcówką średnicy większej, a na końcu końcówką w postaci stalowej szczotki. Stopień oczyszczenia rurki bada się przepuszczając przez nią kalibrowaną kulkę o wymiarze równym 0,9 średnicy wewnętrznej rurki.
Wewnętrzne ściany walczaków oczyszcza się skrobakami, a następnie stalowymi szczotkami. Oczyszczone powierzchnie — po spłukaniu — pokrywa się grafitem.
13.3. Uszkodzenia kotłów i ich przyczyny.
Mimo że przy prawidłowo prowadzonej eksploatacji kotłów nie powinny w zasadzie występować żadne poważniejsze uszkodzenia, jednakże załoga maszynowa statku powinna sobie zdawać sprawę z możliwości zaistnienia takich uszkodzeń oraz umieć usunąć ich skutki.
W okrętowych kotłach parowych spotyka się najczęściej pewne typowe rodzaje uszkodzeń. Poniżej podane jest ich zestawienie według malejącego stopnia niebezpieczeństwa:
Przyczyny powstawania uszkodzeń kotłów, zarówno wyżej wymienionych jak i szeregu innych możliwych, można podzielić — w zależności od ich charakteru — na trzy zasadnicze grupy:
Do przyczyn natury mechanicznej można zaliczyć zjawisko tak zwanego przewalcowania rurek, polegające na zbytnim rozwalcowaniu końców rur. Powoduje ono szybkie powstawanie przecieków i ułatwia korozję gniazd.
Dość często spotykanym źródłem powstawania uszkodzeń są nacięcia powierzchni elementów konstrukcyjnych (zarówno po stronie ogniowej, jak i wodnej) powstałe wskutek uderzeń ostrymi narzędziami przy oczyszczaniu (na przykład kamienia kotłowego lub nagarów). Nacięcia takie prowadzą do powstawania wewnątrzmateriałowych włoskowatych pęknięć. Występuje tu działanie karbu oraz powstaje miejsce zapoczątkowania postępującej w głąb korozji.
Na rys. 13.13 pokazane jest rozerwanie rurki kotłowej wskutek uszkodzenia powierzchni metalu i powstania wewnątrzmateriałowego pęknięcia jako efektu uszkodzenia w czasie czyszczenia.
W miejscach wydostawania się pary przez różnego rodzaju nieszczelności (na przykład na uszczelkach górnych włazów i kołnierzy) może nastąpić mechaniczna erozja, czyli wypłukiwanie metalu strumieniem pary.
Na rys. 13.14 podany jest przykład uszkodzenia materiału rurki przegrzewacza pary silnym strumieniem pary wydostającej się z pęknięcia szwu łączącego sąsiednią rurkę z kolektorem.
Rys. 13.13. Rozerwanie rurki wskutek Rys. 13.14. Erozja rurki wskutek działania pęknięcia pęknięcia wewnątrzmateriałowego strumienia pary
Inny przykład mechanicznego uszkodzenia materiału rurki kotła wodnorurkowego pokazano na rys. 13.15. Powstało ono wskutek zastosowania niewłaściwego (zbyt długiego) narzędzia — w tym wypadku walcówki — albo stosowania zbyt. małego promienia wygięcia opłomki. Strzałka wskazuje miejsce powstania uszkodzenia mogącego stać się przyczyną poważniejszej awarii.
Rys. 13.15. Uszkodzenie rurki przy walcowaniu
Termiczne przyczyny powstawania uszkodzeń oraz nadmiernego zużycia kotłów są spowodowane nadmiernymi lub zmiennymi temperaturami panującymi w kotle. W efekcie powstają lokalne przegrzewania materiałów, osłabiające jego wytrzymałość, oraz nawet deformacje.
Miejscowe przegrzewanie materiału (ponad 600°C) wywołuje rekrystalizację. Powoduje ono znaczny spadek (4—5 krotny) odporności materiału na wszelkiego rodzaju uderzenia czy wstrząsy. Rekrystalizacja następuje wskutek tego, że stal użyta do budowy kotła poddawana jest obróbce na zimno, przy czym w wielu miejscach, jak na przykład w kryzach, zagięciach, mocno ściśniętych szwach, nie można usunąć skutków tej obróbki przez późniejsze wyżarzanie.
Lokalne przegrzanie może występować szczególnie ostro przy obecności od strony wody warstwy kamienia kotłowego lub osadu olejowego, co zmniejsza znacznie intensywność chłodzenia nagrzewanego strumienia spalin materiału powierzchni ogrzewalnej. .Również obniżenie poziomu wody w kotle w taki sposób, że zostaną wynurzone powierzchnie ogrzewalne, może być powodem przegrzania materiału (intensywność odbioru ciepła przez parę jest znacznie mniejsza niż przez wodę).
W miejscach przegrzania materiału mogą nastąpić deformacje wskutek obniżenia się granicy płynności przy zmianie struktury. Wydęcia płaskich ścian (na przykład ścian sitowych komór zwrotnych, czyli ogniowych), którym towarzyszyć może nawet pękanie połączeń (na przykład zespórek), oraz wydęcia i zapadania płomienie w kotłach płomieniówkowych, czy rur wodnych w kotłach opłomkowych mogą — w wypadku postępowania zjawiska — stać się nawet przyczyną eksplozji kotła.
Rys. 13.16. Uszkodzenie ścian kotła płomieniówkowego spowodowane przegrzaniem materiału: a) wygięcie przedniej ściany sitowej komory zwrotnej; b) wygięcie górnej ściany komory zwrotnej spowodowane obniżeniem poziomu wody w kotle; c) opad płomienicy; d) wygięcie bocznej lub tylnej ściany komory zwrotnej
Na rys. 13.16 podano kilka przykładów wygięć ścian kotła płomieniówkowego spowodowanych przegrzaniem materiału.
Zniszczenia opłomek w kotle (rys. 13.17) wodnorurkowym spowodowane przegrzaniem materiału charakteryzują się ostrymi krawędziami otworu w przeciwieństwie do efektu rozerwania rurki przedstawionego na rys. 13.13.
Powodem miejscowego przegrzania opłomek w kotłach wodnorurkowych może być — oprócz nagromadzenia się kamienia kotłowego, oleju czy szlamu — również niewłaściwa cyrkulacja.
Na przykład w kotłach sekcyjnych w rurkach dolnych, przy nagłych zwiększeniach obciążenia lub przy intensywnym odmulaniu (szumowaniu
dolnym), może nastąpić rozwarstwienie wody i pary, które powoduje pogorszenie cyrkulacji i w efekcie przegrzanie (materiału rurek. Z kolei przegrzanie takie powoduje wydęcia i wygięcia rurek, podatkowo wskutek okresowych zmian cyrkulacji następuje ogrzewanie i ochładzanie rurek wywołujące hartowanie materiału i powstawanie pęknięć.
Na rys. 13.18 uwidocznione są miejsca najczęstszego występowania przegrzewania materiału opłomek w kotle sekcyjnym. Strzałkami pokazane są kierunki przepływu wody w rurkach w wyniku cyrkulacji naturalnej.
Rys. 13.17. Pęknięcie opłomki wskutek lokalnego przegrzania materiału
Osie współrzędnych naniesione na rysunkach kotła pozwalają nanieść wartości prędkości wody dla poszczególnych rurek, przy czym jeden kierunek przepływu przyjęto jako dodatni, odwrotny zaś jako ujemny. Z wykresu wynika, że w pewnym miejscu w kotle istnieje obszar o bardzo małej — praktycznie zerowej — cyrkulacji.
Rys. 13.18. Miejsca występowania przegrzewów materiału w kotle sekcyjnym
Położenie tego obszaru przesuwa się wewnątrz kotła w zależności od zmian obciążenia kotła.
Miejscami, w których może występować przegrzewanie materiału z winy cyrkulacji, są:
obszar B — z powodu braku cyrkulacji.
Przegrzanie materiału rurek przegrzewaczy pary może nastąpić przy dostaniu się do nich wody (na przykład wskutek porywania przy burzeniu się powierzchni odparowania) i powstaniu kamienia kotłowego albo przez dopalanie się sadzy i gazów (zbyt wysoka temperatura w rejonie przegrzewacza), oraz przy nierównomiernym rozdziale pary na poszczególne sekcje przegrzewacza i niewielkich prędkościach tejże pary w rurkach sekcji.
Dodatkowe naprężenia w kotle powstają wskutek różnicy temperatur między poszczególnymi jego elementami. Na przykład w czasie uruchamiania kotła płomieniówkowego różnica temperatur pomiędzy jego elementami górnymi i dolnymi może wynosić do 100—125°C. Co ważniejsze, granica podziału temperatur jest dość wyraźnie zaznaczona i przebiega na wysokości płomienie. Podobna sytuacja może wystąpić również przy zbyt gwałtownym studzeniu kotła.
Rys. 13.19. Rysy na powierzchni kolektora przegrzewacza pary
Różnica temperatur panująca w płomienicy (na przykład pomiędzy jej górną i dolną częścią przy opalaniu paliwem stałym) może być jeszcze zwiększona przez stosowanie zwiększonego nadmuchu powietrza przy forsowaniu kotła. Zachodzi wówczas zjawisko tzw. przechłodzenia kotła, spotykane również w wypadku, jeżeli z jakichkolwiek przyczyn do kotła podawane jest powietrze o niższej niż przewidziana temperaturze (na przykład przy zmniejszeniu ilości pary grzewczej w wypadku stosowania parowego przegrzewacza powietrza).
Na rys. 13.19 przedstawione są pęknięcia i rysy wokół otworów kolektora, w których były zawalcowane rurki przegrzewacza pary. Uszkodzenia tego typu powstały wskutek łącznego działania korozji chemicznej oraz naprężeń wywołanych zmiennymi temperaturami.
Kotły wodnorurkowe są znacznie mniej podatne na deformacje cieplne, ale i wewnątrz nich spotyka się dość często wewnątrzkrystaliczne pierścieniowe pęknięcia rurek w miejscu rozwalcowań będące skutkiem występujących naprężeń termicznych.
Przy opalaniu paliwem płynnym niebezpieczeństwo wywołania dużych różnic temperatur zachodzi przy gaśnięciu palnika w czasie pracy. Ażeby temu zapobiec, należy zwracać uwagę na dobre odwodnienie paliwa podawanego do kotła oraz na jego oczyszczenie z wszelkiego rodzaju zanieczyszczeń mechanicznych.
Chemiczne przyczyny uszkodzeń kotłów przejawiają się w postaci wszelkiego rodzaju korozji — zarówno ogólnej całego, kotła, jak i miejscowej — po stronie wodnej, a także ogniowej. Produkty korozji bądź rozpuszczają się w wodzie kotłowej i opadają na dół w postaci mułów, szlamów i zanieczyszczeń, bądź też osiadają na korodowanym metalu.
W zależności od charakteru rozróżnia się korozję:
Korozja elektrochemiczna występuje wskutek prądów galwanicznych wywołanych różnicą w strukturze i składzie metali elementów konstrukcyjnych kotłów. Zapobiega się jej częściowo, umieszczając wewnątrz kotła tzw. protektory cynkowe.
Korozję gazową wywołują gazy rozpuszczone w wodzie zasilającej. Wydzielają się one przy podgrzewaniu wody, szczególnie przy osłabionej cyrkulacji. Pęcherzyki powietrza lub innych gazów osiadają na nierównościach ścianek kotłowych (szwy nitowe w starszych rozwiązaniach kotłów, załamania, ściany sitowe, miejsca uszkodzeń mechanicznych metalu).
Rys. 13.20. Skutki .korozji: a) korozja zespórki w kotle płomieniówkowym; b> korozja włazu; c) korozja płomienicy w obszarze podawania wody zasilającej; d) korozja wyoblenia dennicy przedniej w rejonie zamocowania płomienicy w kotle
Pęcherzyki te pozostają przez pewien czas przyczepione do metalu i gazy korodują powierzchnię metalu.
Dla powstania korozji gazowej wystarczy zresztą już samo wydzielanie się powietrza z wody na powierzchni ogrzewalnej oraz ewentualny przepływ wydzielanego powietrza wraz z parą przez rurki przegrzewacza. Należy bowiem pamiętać, że panujące w tych obszarach kotła wysokie temperatury zwiększają w znaczny sposób aktywność tlenu.
Kilka przykładów skutków korozji przedstawiono na rys. 13.20 i rys. 13.21. Na tym ostatnim podane są wyniki pomiarów grubości skorodowanych ścianek opłomek.
Rys. 13.21. Przekroje skorodowanych rurek kotłowych
W skrajnym wypadku zmniejszenie tej grubości jest przeszło 50-procentowe, a tym samym jest to znaczne zmniejszenie wytrzymałości rurki na rozerwanie ciśnieniem kotłowym.
Skutki korozji w postaci wżerów można spotkać również na zewnątrz kotła, na przykład przy połączeniu kotła z fundamentem. Elementy te znajdują się w bardzo sprzyjającej korozji atmosferze (gorąco i wilgotno) i brak stałej kontroli może doprowadzić do poważnych w skutkach uszkodzeń.
Korozja powierzchni kotła mających kontakt ze spalinami wynika najczęściej z zanieczyszczeń zawartych w paliwie. Powodują one powstawanie korozji w pewnych określonych obszarach kotła i w zależności od rodzaju czynnika wywołującego korozję będziemy mieli do czynienia z korozją siarkową lub korozją wanadową (por. rozdz. 2.4).
Walka z korozją od strony wodnej polega głównie na bardzo starannym przygotowywaniu wody zasilającej i kotłowej, od strony spalin natomiast — na stosowaniu możliwie najbardziej odpowiedniego (czystego, bez domieszek siarki, wanadu itp.) oleju opałowego oraz częstym i dokładnym zdmuchiwaniu i okresowym czyszczeniu powierzchni ogrzewalnych.
Wielkość zużycia ognioodpornego obmurza w kotłach opłomkowych lub kombinowanych zależy od:
Ażeby zabezpieczyć się przed chemicznymi uszkodzeniami obmurza, do jego wykonania stosuje się najczęściej obojętne materiały ognioodporne, które nie są niszczone ani przez kwaśne, ani przez zasadowe nie spalone pozostałości paliw. Do materiałów obojętnych zalicza się:
Zużywanie się i niszczenie obmurza przejawia się odłupywaniem jego kawałków, wytapianiem się i wypalaniem cegieł lub powstawaniem pęknięć. Bardzo szkodliwe dla obmurza jest szybkie jego rozgrzewanie i równie szybkie chłodzenie.
13.4.Remonty okrętowych kotłów parowych.
Remonty okrętowych kotłów parowych można podzielić na dwie zasadnicze grupy. Są to:
Remonty planowane są z reguły przeprowadzane bądź w stoczniach remontowych, bądź też w czasie postoju statku w porcie przez specjalne ekipy remontowe, natomiast dla remontów awaryjnych nie wybiera się ani miejsca, ani czasu — a przeprowadzać je musi prawie z reguły załoga statku-własnymi siłami.
Remonty planowane mają więc najczęściej charakter profilaktyczny, to jest zapobiegają możliwości zaistnienia awarii. Przeprowadza się je najczęściej w celu usunięcia naturalnego zużycia materiału. Przyczynami tego zużycia mogą być:
Przepisy klasyfikacyjne oraz przepisy obsługi okrętowych urządzeń kotłowych przewidują ściśle określone terminy, po których upływie kocioł powinien być poddany remontowi. Na przykład według przepisów radzieckich pierwszy poważniejszy remont okrętowego kotła parowego powinien nastąpić po sześciu latach od chwili zbudowania (po czterech latach dla niektórych kategorii statków), a mniejsze remonty przeprowadzane są corocznie, przy okazji tak zwanego rocznego przeglądu stoczniowego.
Przygotowanie urządzeń kotłowych do remontu polega na gruntownym oczyszczeniu zarówno samego kotła, jak i zbiorników paliwa i wody kotłowej, następnie na usunięciu obmurza lub wykładziny paleniskowej (przy kotłach wodnorurkowych) oraz izolacji. Ma to na celu udostępnienie wszystkich elementów kotła dla dokładnego przeglądu i zbadania.
Z kolei przeprowadza się przeglądy i pomiary elementów konstrukcyjnych kotła zgodnie z przepisami kontroli. Dopuszczalne wartości odchyłek wymiarów od wartości podanych w opisie technicznym kotła regulują instrukcje obsługi danego kotła, wydawane najczęściej przez zakład produkujący kocioł w porozumieniu z nadzorującą instytucją klasyfikacyjną.
Przepisy Rejestru ZSRR przewidują na przykład, że:
Przepisy podają największą dopuszczalną liczbę zaślepionych rurek w kotle. Na przykład jeżeli liczba zaślepionych rurek przewyższa 15% ich całkowitej liczby — należy przy najbliższej okazji dokonać wymiany wszystkich rurek. Wymiana rurek powinna być też dokonana, jeżeli grubość materiału rurek zmniejszy się wskutek zużycia (korozji, erozji itp.) poniżej 60% początkowej wartości grubości.
Wszelkie przeprowadzane remonty powinny być zanotowane w książce kotłowej.
W dalszym ciągu tego rozdziału podano sposoby dokonywania kilku najbardziej typowych napraw lub zabezpieczeń w wypadku awarii kotła. Ponieważ podane niżej naprawy mogą wystąpić zarówno w wypadku remontu planowanego (profilaktycznego), jak i awaryjnego, warto jest zapoznać się przedtem z najbardziej typowymi objawami sygnalizującymi zbliżającą się lub zaistniałą awarię kotła.
Najbardziej charakterystycznym i najczęściej spotykanym objawem zaszłego w kotle uszkodzenia jest obniżanie się poziomu wody.
Jeżeli poziom wody w kotle obniży się, ale jest jeszcze widoczny w szkle wodowskazu, należy natychmiast zmniejszyć intensywność opalania i zwiększyć intensywność zasilania wodą. Jeżeli zasilanie jest regulowane automatycznie, należy w takim wypadku wyłączyć automat. O wszelkich tego typu spostrzeżeniach i czynnościach należy natychmiast informować starszego mechanika statku.
Jeżeli za pomocą wyżej podanych zabiegów uda się powstrzymać spadek poziomu wody, należy go za pomocą ręcznej regulacji podnieść do roboczego. Przyczynami spadku poziomu wody w kotle mogą bowiem być:
O ile dwie pierwsze przyczyny nie powinny w zasadzie prowadzić do przerwania pracy kotła, o tyle ostatnia z nich jest dosyć często spotykaną poważniejszą awarią, której sposób usunięcia jest opisany niżej.
Jeżeli obniżenie poziomu wody jest połączone ze zniknięciem wody ze szkła wodowskazu, co jest jednoznaczne ze straceniem kontroli jej poziomu, należy natychmiast wyłączyć całkowite opalanie tego kotła, wyłączyć wentylator nadmuchowy (lub wyciągowy z kotła, o ile jest taki) oraz przerwać zasilanie kotła wodą. Następnie trzeba odłączyć kocioł od głównej magistrali parowej oraz obniżyć ciśnienie panujące w kotle za pomocą ręcznego poderwania zaworu bezpieczeństwa.
Powyższe czynności podyktowane są obawą, ażeby podanie stosunkowo chłodnej wody na rozżarzone powierzchnie ogrzewalne, które mogły wynurzyć się z wody wskutek obniżenia jej poziomu, nie spowodowało bardzo szkodliwych w skutkach uszkodzeń kotła lub — jeżeli uszkodzenie takie już istnieje (na przykład pęknięcie rurki, przez które ucieka woda z kotła itp.) — nie powiększyło rozmiarów uszkodzenia.
Kocioł w takim wypadku należy poddać oględzinom zarówno od strony spalin (przed spuszczeniem wody), jak i od strony wody (po wypuszczeniu wody z kotła).
W wypadku jeżeli przegląd zewnętrzny (tj. od strony spalin) nie ujawnił przecieków rurek, a przegląd wewnętrzny — lokalnych przegrzewów materiału (zauważalnych wskutek miejscowych zmian koloru znajdującego się na elementach osadu ,lub odkształceń tych elementów), kocioł można napełnić wodą i ostrożnie podnieść w nim ciśnienie, obserwując jednocześnie, czy w czasie tej czynności nie pojawiają się jakieś przecieki.
Jeżeli przyczyną obniżania się poziomu wody w kotle jest przeciek rurki (lub rurek), to doraźny remont zapobiegający skutkom awarii przebiega rozmaicie, w zależności od rodzaju kotła i charakteru przecieku.
W kotle płomieniówkowym przeciek może nastąpić w miejscu zawalcowania rurki. Powstaje wówczas szczelina pomiędzy materiałem rurki a materiałem ściany sitowej. Uszkodzenie takie poznaje się (po wejściu do komory zwrotnej lub po otwarciu komory dymowej) po jasnych najczęściej naciekach osadu dookoła przepuszczającej rurki. Uszkodzenie tego typu usuwa się za pomocą ponownego rozwalcowania. W wypadku jeżeli rozwalcowanie nie przynosi poprawy szczelności, rurkę należy zaspawać.
Jeżeli do komory zwrotnej wycieka woda z wnętrza płomieniówki, oznacza to jej pęknięcie. Jedynym sposobem szybkiego usunięcia skutków takiej awarii jest zaślepienie uszkodzonej płomieniówki. Na rys. 13.22 pokazana jest patentowa zaślepka do płomieniówek. Składa się ona z nagwintowanego pręta 4 oraz czterech pierścieni stożkowych dociskowych 2 i 3.
Rys. 13.22. Zaślepka do płomieniówek; 1 — pierścień ołowiany; 2 — pierścień stożkowy; pierścień dociskowy; 4 — pręt; 5 — rurka dystansowa; 6, 7 — nakrętki; 8 — podkładka; 9 — płomieniówka;
Wskutek nacisku wywieranego nakrętką 7 pierścienie ołowiane l ulegając odkształceniu, przylegają ściśle do ścianek płomieniówki i tym samym odcinają jej wnętrze od reszty kotła.
Inny rodzaj zaślepek pokazano na rys. 13.23. Przedstawia on zaślepkę w dwóch fazach: a — to zaślepka po założeniu do rurki, ale przed skręceniem, b — po skręceniu. Podobnie: a — uszczelki ołowiane przed zgnieceniem, b — po zgnieceniu w pozycji uszczelniającej.
Innym, również dość często spotykanym uszkodzeniem kotłów płomieniówkowych jest wybrzuszanie się (siadanie) płomienie. Wybrzuszaniu ulega zazwyczaj do wnętrza górna część płomienicy; przy osadach olejowych uszkodzenie występuje najczęściej w miejscu pod kątem 30—45° od pionu. Poza wybrzuszeniami może też nastąpić — szczególnie przy długotrwałym działaniu wysokiej temperatury — opad płomienicy na znacznej długości.
Rys. 13.23. Zaślepka do płomieniówek; l — uszczelka ołowiana
Uszkodzenia płomienie mogą prowadzić do ich pęknięcia, a to z kolei może spowodować wybuch kotła. W wypadku zauważenia takiego uszkodzenia należy kocioł odstawić, spuścić wodę i zbadać przyczynę powodującą wybrzuszenie płomienicy. Najczęściej jest to osad kamienia kotłowego lub spieku olejowego na powierzchni płomienicy. Po usunięciu przyczyny uszkodzenia należy płomienicę wyprostować. W tym celu do jej wnętrza wstawia się prasę hydrauliczną 2 (lub śrubową), pomiędzy prasę i fale płomienicy zaś specjalne podkładki 2 i 3 uformowane zgodnie z prawidłowym kształtem płomienicy (rys. 13.24).
Podkładka dolna 3 jest zazwyczaj dłuższa od podkładki górnej 2, ażeby napór prasy 1 rozłożyć na większą powierzchnię dolnej części płomienicy. W czasie prostowania płomienicę należy podeprzeć od dołu (w przestrzeni wodnej kotła), a miejsce prostowane nagrzewać na przykład za pomocą wody przez rozniecenie słabego ognia w sąsiednich płomienicach do temperatury podgrzania nieco poniżej 100°C (ogrzewanie wody odbywa się przy otwartym kurku odpowietrzającym). Jeżeli istnieje możliwość silniejszego podgrzania (na przykład palnikiem gazowym), to blachę płomienicy ogrzewa się do temperatury 1000— —l 100°C. Żeliwną podkładkę 2, ogrzewa się również aż do czerwonego koloru, ażeby ułatwić wyżarzenie materiału wybrzuszenia.
Rys. 13.24. Schemat prostowania płomienicy l — prasa hydrauliczna; 2 — podkładka górna;
3 — podkładka dolna; 4 — podpórki
Ażeby zapobiec ponownemu wybrzuszaniu się prostowanej płomienicy, można ją wzmocnić przez przyspawanie półpierścieni usztywniających. Liczba tych wzmocnień i ich grubość zależna jest od rodzaju i wielkości wybrzuszeń (rys. 13.25).
Rys. 13.25, Półpierścienie usztywniające płomienicy
Półpierścienie usztywniające zespawane są z blachą płomienicy tylko w kilku punktach, ażeby umożliwić omywanie blachy płomienicy wodą kotłową i tym samym odpowiednie chłodzenie jej w czasie pracy.
W kotłach wodnorurkowych również zdarzają się pęknięcia i przecieki rurek. Poznaje się to po opadaniu (zazwyczaj gwałtownym) poziomu wody w kotle. Następnie w palenisku daje się słyszeć głośny świst uciekającej wody, która zamienia się natychmiast w parę i uchodzi na zewnątrz przez komin. Częstym objawem jest też wyrzucanie płomieni i pary z paleniska do kotłowni, co może spowodować poparzenie ludzi znajdujących się w kotłowni.
W wypadku dostrzeżenia pierwszych objawów uszkodzenia opłomek należy natychmiast odciąć dopływ paliwa do palników, zamknąć zasilanie, odłączyć kocioł od głównego przewodu parowego oraz rozpocząć jego odstawianie.
Kiedy kocioł znajduje się jeszcze pod ciśnieniem, należy odszukać uszkodzoną rurkę. Jest to jednak zadanie niebezpieczne i nie zawsze możliwe do wykonania.
Jeżeli odnalezienie uszkodzonej rurki przez oględziny okaże się niemożliwe, można zbadać ich szczelność po odstawieniu kotła i spuszczeniu z niego wody w następujący sposób.
Od strony dolnego walczaka (wodnego) zaślepia się opłomki za pomocą drewnianych kołków. Następnie do walczaka parowo-wodnego podaje się wodę aż do zapełnienia wszystkich opłomek do poziomu górnego walczaka. Poziom wody w pękniętej rurce będzie opadał. Po stwierdzeniu, która opłomka jest uszkodzona, zaślepia się ją stożkowym korkiem wykonanym z dość twardej stali. Nie są potrzebne przy tym żadne dodatkowe zamocowania zaślepki, ponieważ ciśnienie panujące w kotle dociska ją w rurce.
Zaślepianie uszkodzonych rurek — zarówno opłomek, jak i płomieniówek — stanowi jedynie doraźny sposób usuwania skutków awarii. Pękniętą rurkę należy przy najbliższej okazji wymienić na nową. W kotłach płomieniówkowych czynność taka jest stosunkowo mało skomplikowana ze względu na proste kształty płomieniówek i łatwy do nich dostęp zarówno od strony komory dymowej, jak i nawet od strony komory ogniowej (zwrotnej).
Przyrząd do wyjmowania pękniętych płomieniówek przedstawiono na rys. 13.26.
Do usuwanej płomieniówki wkłada się nagwintowany pręt stalowy od strony komory dymowej. Na drugi koniec pręta, od strony komory ogniowej, zakłada się podkładkę 2, której średnica jest nieco mniejsza od zewnętrznej średnicy płomieniówki. Podkładka zamocowana jest za pomocą nakrętki 3.
Od strony komory dymowej zakłada się stalowy kabłąk 4, którego nóżki oparte są o przednią dennicę kotła. Obracając nakrętkę 5, powodujemy występowanie nacisku na płomieniówkę i wyciąganie jej z obu ścian sitowych.
Byś. 13.26. Przyrząd do wyjmowania płomieniówek l — pręt gwintowany; 2 — podkładka; 3 — nakrętka; 4 — wspornik; 5 — nakrętka
Kwadrat umieszczony na końcu pręta l służy do zabezpieczenia pręta przed obracaniem się w czasie wyciągania rurki.
Rurki zaspawane w ścianie sitowej można wycinać za pomocą specjalnego freza (rys. 13.27). Trzon freza napędzany jest najczęściej pneumatycznie.
Przy nieszczelnościach (pęknięciach) rurek podgrzewaczy wewnątrz-kotłowych wody zasilającej stosuje się również ich zaślepianie za pomocą stożkowych korków mających nagwintowany otwór, ułatwiający następnie ich usunięcie (rys. 13.28).
Rys. 13.27. Przyrząd do wycinania wspawanych rurek; l — prowadnica; 2 - trzon; 3 — frez
Wyjmowanie rurek podgrzewacza odbywa się za pomocą specjalnych przyrządów.
W kotłach wodnorurkowych wymiana pękniętych rurek jest znacznie trudniejsza, szczególnie jeżeli znajdują się one wewnątrz pęku opłomek. W takim wypadku należy bowiem wymienić wszystkie rurki utrudniające dostęp do pękniętej rurki. W zależności od rodzaju zamocowania opłomek w walczakach stosuje się ich odpalanie (przy stosowaniu króćców) lub odpalanie i wycinanie specjalnym frezem.
Do innych, również dość często spotykanych awarii kotłowych należy pękanie szkieł wodowskazowych oraz utrata szczelności zaworów osadzonych bezpośrednio na kotle, lub przepuszczanie uszczelek na połączeniach kołnierzy zaworów albo rurociągów z kołnierzami umieszczonymi na blachach walczaków parowych, parowo-wodnych lub wodnych kotła.
We wszystkich tych wypadkach, z wyjątkiem pęknięcia szkła wodowskazu, usunięcie uszkodzenia wymaga odstawienia kotła oraz obniżenia w nim ciśnienia do atmosferycznego. Remont polega na zdemontowaniu zaworu czy połączenia i wymianie uszczelek lub dotarciu gniazda grzybka zaworu.
Rys. 13.28. Wyjmowanie zaślepki i odginanie rozwalcowania rurek podgrzewacza wody zasilającej
Wymianę szkła wodowskazu przeprowadza się bez zatrzymywania kotła. W tym celu należy jedynie odciąć dopływ wody i pary do wodowskazu przez zamknięcie zaworów odcinających.
W wypadku wysokociśnieniowych kotłów membranowych wszelkie remonty związane z uszkodzeniami powierzchni ogrzewalnych stanowią dość poważne zagadnienie technologiczno-eksploatacyjne.
Przy uszkodzeniu (najczęściej pęknięciu) rurki w podgrzewaczu wody zasilającej postępowanie zapobiegawczo-remontowe zależne jest od miejsca zaistniałego uszkodzenia. Jeżeli wystąpiło ono w kolanku wychodzącym poza obręb kanału spalinowego (por. rys. 6.57 — szczegół A), remont polega na wycięciu uszkodzonego kolanka i wspawaniu nowego.
W wypadku pęknięcia rurki podgrzewacza wody zasilającej w obrębie kanału spalinowego nie pozostaje nic innego jak doraźne odłączenie uszkodzonego odcinka rury z obiegu. W tym celu należy odspawać kolanka l i 2 (rys. 13.29), a na ich miejsce wspawać kolanko awaryjne 3, znajdujące się w częściach zapasowych kotła.
Rys. 13.29. Remont doraźny uszkodzonego podgrzewacza wody zasilającej l, 2 — kolanko właściwe; 3 — kolanko omijające; 4 — miejsce uszkodzenia
Przy pęknięciu rurki przegrzewacza pary najprostszym sposobem jest odcięcie danego odcinka przegrzewacza i wyłączenia go z pracy. Odcięcie rurki musi nastąpić poza kanałem spalinowym przy jednym z kolektorów. Otwór po odciętej rurce zaślepia się, wspawając specjalny stożkowy korek, znajdujący się w częściach zapasowych kotła. Uszkodzoną wężow-nicę przegrzewacza wymienia się dopiero w stoczni remontowej; stanowi to nieraz bardzo poważny zabieg pod względem technologicznym i czasochłonnym.
Pęknięcie jednej z rurek ścian membranowych unieruchamia całkowicie kocioł, w nowoczesnych bowiem kotłach nie ma możliwości zaślepienia pękniętej rurki (brak dostępu do dolnych kolektorów) metalowymi korkami. Jedynym sposobem remontu jest wycięcie uszkodzonego fragmentu rurki i wspawanie na to miejsce łaty wyciętej z zapasowych rurek.
Operacja taka jest dość skomplikowana technologicznie, w wielu przypadkach bowiem nie ma do rurki swobodnego dostępu ze wszystkich stron, a wyłącznie z jednej — od strony komory ogniowej.
Rys. 13.30. Remont .uszkodzonych rurek w kotle membranowym: a—d) sposoby przeprowadzanych remontów; e) przykłady nakładek montażowych; l — wstawka całkowita; 2—6 — wstawki częściowe; 7—9 — nakładki
Jeżeli jednak taki dostęp jest możliwy, należy wyciąć uszkodzony fragment rurki (jak na rys. 13.30a), przy czym od krańca szczeliny pęknięcia musi być zachowana minimalna odległość x (w zależności od rodzaju kotła wynosi ona najczęściej ok. 50 mm). Wspawanie nowego fragmentu rurki (szczegół a póz. l) nie nastręcza tu dodatkowych trudności technologicznych i wymaga jedynie dobrania odpowiedniej elektrody i staranności wykonanej pracy.
Jeżeli dostęp do uszkodzonej rurki możliwy jest tylko z jednej strony, tok postępowania remontowego jest znacznie bardziej skomplikowany. Fragment nowej rurki musi być wspawywany w kilku częściach. Tak więc przykładowo na rys. 13.30b przedstawiono wspawywanie wymienianego fragmentu rurki w dwóch częściach 2 i 3. Najpierw wspawa się część 2. Dzięki odpowiedniemu zukosowaniu tej części (szkic I), możliwe jest spawanie od strony komory ogniowej, jak wskazują strzałki. Po wspawaniu części 2 przystępuje się do spawania części 3 (szkic II). Zuko-sowania wykonane są tu po stronie wypukłej części tak, aby możliwe było spawanie z zewnątrz. W celu ułatwienia pracy do części 3 mocuje się przed spawaniem uchwyt 7 (szczegół e), który po zakończeniu spawania odcina się.
Podobną metodę (z dwoma częściami 5 w kształcie kołowym) przedstawiono na rys. 13.30c.
Jeżeli uszkodzenie rurki jest bardzo nieznaczne, można dokonać naprawy przez wspawanie wyłącznie łatki, jak przedstawiono na rys. 13.30a.
81
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
EGZAMIN MECH WACH OKRĘTOWE KOTŁY PAROWE
EGZAMIN MECH WACH OKRĘTOWE KOTŁY PAROWE
Kotły Parowe
Kotły Parowe
KOTŁY PAROWE
Kotły parowe efektywnosc plus korzysci 05 2009
03-kotły parowe i wodne, bhp
rączka, kotły energetyczne, kotły parowe
Kotły parowe 2012 dzienne
D19230454 Rozporządzenie Ministra Przemysłu i Handlu z dnia 4 czerwca 1923 r w przedmiocie egzamino
Kotły parowe
D19230370 Rozporządzenie Ministra Przemysłu i Handlu z dnia 20 marca 1923 r w przedmiocie przepisów
KOTŁY OKRĘTOWE ZALICZENIE II MECH
palacz kotły wodne i parowe, Instrukcje BHP i Ppoż
gnutek,maszynoznawstwo, Kotły i silniki parowe
KOTŁY OKRĘTOWE ZALICZENIE II MECH
KOTŁY OKRĘTOWE ZALICZENIE II MECH
3 Pędniki okrętowe ppt
Turbiny parowe
więcej podobnych podstron