Судовые вспомогательные котельные установки

 
 
 
 
А. В. Локтев 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
СУДОВЫЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ 
КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
1 

УДК 621.181:629.12 
ББК 31.361  
Л73 
 
 
 
Рецензенты: 
кандидат технических наук, доцент А. В. Иванов;  
ведущий конструктор ОАО КБ «Вымпел» В. В. Красовский 
 
 
 
 
 
Локтев, А. В. 
Л73   
Судовые вспомогательные котельные установки : учебное пособие / 
А. В. Локтев. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 148 с. : ил., 
табл. 
ISBN 978-5-9729-1421-0 
 
Рассматриваются вопросы проектирования судовых вспомогательных котельных установок. Приводятся характеристики и марки жидких топлив, даны 
особенности применения газообразных топлив для судовых котлов. 
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки магистров 
26.04.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской 
инфраструктуры» и направлению подготовки бакалавров 26.03.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры», 
а также специалистов, занимающихся проектированием судовых энергетических 
установок. Может быть полезно специалистам, занимающимся проектированием стационарных котельных установок и энергоблоков. 
 
 
УДК 621.181:629.12 
ББК 31.361  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1421-0 
© Локтев А. В., 2023 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
2 

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

8.6. Топливная система 
.................................................................................................................... 
97 
8.7. Система газоотвода 
................................................................................................................... 
98 
8.8. Выбор топочных устройств для котлов ................................................................................ 
102 
ГЛАВА 9. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ,  
СИГНАЛИЗАЦИИ И ЗАЩИТЫ .................................................................................................. 
107 
ГЛАВА 10. ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ СУДОВЫХ КОТЕЛЬНЫХ  
УСТАНОВОК 
................................................................................................................................. 
117 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................................................................................................. 
124 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .......................................................................................... 
125 
ПРИЛОЖЕНИЯ 
.............................................................................................................................. 
126 
 
 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Для обеспечения нормальной эксплуатации большинство судов имеют в 
своём составе вспомогательную котельную установку. Она предназначена для 
обеспечения тепловой энергией общесудовых потребителей и для технологических нужд. 
В состав котельной установки входят котлы, а также системы, обеспечивающие их работу: топливоснабжения, водоподготовки, отвода продуктов сгорания, автоматизации и контроля и др. 
Повышение эффективности вспомогательных котельных установок связано 
не только с использованием более совершенных котлоагрегатов и вспомогательного оборудования, но и с тщательной проработкой проектных решений. Для 
этого могут применяться схемы с использованием утилизации теплоты от двигателей и другого оборудования. Важная роль в повышении устойчивости и надежности работы котельной установки принадлежит системам автоматизации. 
Имеющаяся техническая и учебная литература известных авторов Н. И. Денисенко, И. И. Костылева, А. С. Хряпченкова, В. А. Стенина, А. М. Султанова и 
др. посвящена вопросам теории котловых процессов, устройства и проектирования котлов, а также эксплуатации котлов и котельных установок. 
В предлагаемом учебном пособии данные вопросы рассматриваются с точки 
зрения проектирования котельных установок. Приводятся характеристики и 
марки жидких топлив в соответствии с ГОСТ Р 54299-2010, рассматриваются 
особенности применения газообразных топлив для судовых котлов. Автор выражает благодарность за помощь в подготовке учебного пособия инженеру  
С. С. Крышко и к. т. н. Ю. И. Рабазову. 
Учебное пособие написано в соответствии с курсом лекций по проектированию судовых котельных установок, читаемому в Нижегородском государственном техническом университете им. Р. Е. Алексеева. 
 
 
 
5 

Глава 1 
 
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ  
КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ 
 
1.1. Состав и назначение котельной установки 
 
Вспомогательная котельная установка предназначена для обеспечения санитарно-бытовых нужд судна (отопление, душевая, камбуз и пр.) а также для работы подогревателей различного назначения. В состав котельной установки входят паровые или водогрейные котлы. 
Для обеспечения их работы предназначены системы топливоснабжения, 
водоподготовки, отвода продуктов сгорания топлива, автоматизации и контроля. Одна из распространенных схем судовой котельной установки приведена 
на рис. 1.1. 
 
Рис. 1.1. Принципиальная схема вспомогательной котельной установки: 
1 – утилизационный котел; 2 – трубопроводы пара; 3 – вспомогательный котел; 
4 – топливный насос; 5 – регулирующий топливный клапан; 6 – дутьевой  
вентилятор подачи воздуха к топочному устройству; 7 – форсунка топочного 
устройства; 8 – регулирующий питательный клапан; 9, 12 – питательные 
насосы; 10 – теплый ящик; 11 – подвод конденсата от потребителей;  
13 – выхлопные газы от главного двигателя 
 
Котельная установка состоит из вспомогательного котла 3 и утилизационного котла 1. Утилизационный котел использует тепло уходящих выпускных газов судовых дизелей и поэтому работает на ходу судна. Вспомогательный котел 
6 

предназначен для обеспечения паром на стоянке и на ходу судна. Подача пара 
потребителям производится по трубопроводам 2. Конденсат от потребителей поступает в цистерну 10 (теплый ящик) по трубопроводам 11. Питательная вода 
поступает в утилизационный и вспомогательный котлы с помощью питательных 
насосов 9, 12 посредством регулирующих клапанов 8. Топливо для сжигания во 
вспомогательном котле поступает по топливному трубопроводу, в состав которого входит насос 4 и регулирующий топливный клапан 5. Для обеспечения горения к топочному устройству подается дутьевым вентилятором 6 воздух. Продукты сгорания от вспомогательного котла отводятся в дымовую трубу (дымоход). 
 
1.2. Типы применяемых котельных агрегатов 
 
Основным из оборудования котельной установки является котельный агрегат. Котельный агрегат состоит из собственно котла, горелки и комплекта автоматики безопасности и управления. При этом современные конструкции предусматривают возможность применения горелок, поставляемыми различными производителями. 
Но применимость конкретных моделей горелок должна быть отражена в документации на котел. Котлы и горелки, применяемые на судах, должны быть сертифицированы и иметь разрешение Регистра на применение. 
Вспомогательные паровые котлы вырабатывают пар, избыточное давление 
которого составляет 0,18–0,2 МПа, а водогрейные – горячую воду с температурой 85–115 °С и избыточным давлением 0,18–0,2 МПа [1]. 
По типу омывания поверхности нагрева газами труб или иных элементов 
судовые котлы подразделяются на две основные группы: газотрубные (огнетрубные) и водотрубные. В газотрубном котле горячие газы как основной теплоноситель движутся внутри труб, а вода окружает их снаружи, в водотрубном котле – 
наоборот: вода и пароводяная смесь находятся внутри труб, а горячие газы омывают их снаружи. При наличии двух групп котлов всегда имеется промежуточная группа, обладающая свойствами газотрубных, и водотрубных котлов. 
В первых газы перемещаются в трубках, омываемых снаружи водой. У водотрубных котлов, наоборот, вода движется в трубках, а газы обогревают последние снаружи. 
По положению корпуса котлы могут быть вертикальными и горизонтальными, а в зависимости от способа циркуляции воды и пароводяной смеси в замкнутом контуре – с естественной или принудительной циркуляцией. В котлах с 
принудительной циркуляцией перемещение пароводяной смеси в контуре установки обеспечивает насос. 
К основным характеристикам установок относят номинальную паропроизводительность, номинальную мощность (теплопроизводительность), рабочее 
давление пара (температуру воды) и площадь поверхности нагрева. Номинальную паропроизводительность определяют массой воды, преобразуемой котлом в 
пар за 1 ч. У эксплуатируемых на судах котлов она составляет 120–2000 кг/ч. 
На рис. 1.2 приведена схема вертикального газотрубного котла. 
7 

 
 
Рис. 1.2. Газотрубный вертикальный котел: 
1 – дымовая камера; 2 – патрубок отвода продуктов сгорания;  
3 – корпус котла; 4 – топка; 5 – патрубок; 6 – топливно-форсуночный  
агрегат; 7 – трубки 
 
В цилиндрическом корпусе 3 котла размещены топка 4 и дымовая 1 камеры, 
соединенные прямыми трубами 7. Топливо и воздух в топку подаются от топливно-форсуночного агрегата (на рис. 1.2 не показан) через патрубок 5, а продукты сгорания отводятся через патрубок 2. Схема водотрубного котла приведена на рис. 1.3. 
Знакомясь с классификацией различных типов рассмотренных котлов, 
можно отметить основные достоинства и недостатки водотрубных и газотрубных котлов. 
Водотрубные котлы имеют значительно большую паропроизводительность 
при меньших массовых показателях, чем газотрубные. Вспомогательные, особенно газотрубные котлы обычно ограничены давлением до 1,8 МПа и температурой 300–320 °С. 
В зависимости от конструкции котла и эксплуатационных условий минимальное время на подъем пара до рабочего давления составляет 1,5 ÷ 3,0 т/ч для 
водотрубных котлов и 4–24 т/ч для газотрубных. Все это объясняется меньшим 
количеством воды в водотрубном котле, хорошей ее циркуляцией, эластичностью труб, соединяющих коллекторы котла. 
 
8 

 
 
Рис. 1.3. Водотрубный котел: 
1 – экономайзер; 2 – верхний паровой коллектор; 3 – кирпичная кладка;  
4 – пучок труб бокового экрана; 5, 7, 11 – опускные трубы; 6 – форсунка;  
8 – под; 9 – нижний коллектор; 10 – пароперегреватель; 12 – парообразующие 
трубы; 13 – обшивка котла; 14 – воздухоподогреватель 
 
Рассматривая дополнительно взаимные достоинства и недостатки газотрубных и водотрубных котлов, можно также отметить, что в водотрубном котле 
воды меньше его часовой паропроизводительности, поэтому изменение уровня 
воды от наивысшего до наинизшего допустимых может произойти очень быстро. 
Во избежание аварийных ситуаций и четкого поддержания уровня приходится 
применять более сложные автоматические системы регулирования и питания 
котла, связанные с автоматическим регулированием горения топлива. Необходимо использовать и сложную систему автоматического регулирования давления пара. На газотрубные котлы относительно мало влияет качество питательной 
воды. У более теплонапряженных водотрубных котлов при отложениях накипи 
на поверхности нагрева может создаться опасность перегрева металла труб и их 
разрыва. 
Газотрубный котел имеет сравнительно небольшую паропроизводительность, но зато более высокую степень сухости пара вследствие невысокой интенсивности парообразования. Газотрубный котел имеет меньшую чувствительность к колебаниям нагрузки, что объясняется его большой аккумулирующей 
способностью. 
При всех достоинствах водотрубных утилизационных котлов с многократной принудительной циркуляцией они обладают меньшей надежностью из-за 
9 

необходимости установки циркуляционных насосов, работающих в сравнительно тяжелых условиях перекачки горячей воды и пароводяной смеси. 
Схемы вспомогательных котлов, наиболее распространенных на морских 
судах, показаны на рис. 1.4. 
 
 
 
Рис. 1.4. Схемы основных конструктивных разновидностей водотрубных 
котлов с естественной циркуляцией 
 
Утилизационный горизонтальный котел (рис. 1.4, а). У водотрубных котлов 
секционного типа классификационным признаком, относящим их к горизонтальному или вертикальному типу, служит наклон труб. У горизонтальных котлов 
наклон труб менее 30°, а у вертикальных более 30° (обычно 45–90°). Котлы 
имеют паровой коллектор 3 и прямые парообразующие трубы 6, объединенные 
камерами 1 и 5 в секции. Каждая секция соединяется с паровым коллектором 
короткими патрубками 4 и пароотводящей трубой 2. 
Секционные котлы были широко распространены в недавнем прошлом как 
главные; в настоящее время они применяются в качестве вспомогательных на 
отдельных серийных дизельных танкерах. 
Коллекторный двухпроточный котел (рис. 1.4, б). У этого котла паровой 
коллектор 1 соединяется с двумя водяными коллекторами 4 и 7 пучками труб. 
Газы, образующиеся в топке 6 при работе форсунок 5, проходят между трубами. 
Внутри пучков парообразующих труб может располагаться пароперегреватель 3. 
Когда у каждого хода газа обогреваемые элементы разные, и пароперегреватель 
установлен на одной стороне движения газа, то котел будет ассиметричный, а 
когда по обе стороны хода газа стоят два одинаковых элемента, то котел будет 
симметричным. В настоящее время трехколлекторные котлы могут встретиться 
как главные и вспомогательные лишь на старых судах. Котлы такого типа часто 
называют котлами шатрового или треугольного типов. У котлов треугольного 
типа коллекторы и парообразующие трубы могут располагаться вертикально и 
горизонтально. 
Коллекторный однопроточный котел (рис. 1.4, в). Котел конструктивно похож на серийные главные котлы отечественных паротурбинных установок. Котел однопроточный с естественной циркуляцией имеет четыре коллектора – паровой 1, два водяных 5, 6 и один пароперегревателя 7. Газы, образующиеся в 
топке 3 при работе форсунок 4, проходят между трубами 2. Пароперегреватель 7 
10