CC BY
292
УДК 621.184.004
АНАЛИЗ ОПЫТА ЭКСПЛУАТАЦИИ КОТЛОВ ТИПА ДКВР
Т.С. Тайлашева
Томский политехнический университет E-mail: taylasheva@tpu.ru
Представлен аналитический обзор опыта эксплуатации промышленных и отопительных двухбарабанных паровых котлов отечественного производства, актуальность которого определяется, с одной стороны, распространенностью котлов данного типа в малой энергетике России и стран СНГ; с другой стороны, связанное с этим количество публикаций позволяет ставить задачу обобщающего анализа, имеющего целью выявить основные направления улучшения эксплуатационных показателей, что имеет большое значение для определения перспектив и уточнения условий использования. Основные причины снижения надежности работы котлов, подтверждаемые статистикой эксплуатационных инцидентов, состоят в сочетании специфики конструктивного исполнения испарительной системы, требующей уделить особое внимание водно-химическому режиму и качеству питательной и котловой воды, с неконтролируемыми и нередкими в практических условиях превышениями локальных тепловых нагрузок топочных экранов. Полученные выводы могут послужить основой как для выработки корректирующих мероприятий на всех стадиях жизненного цикла паровых котлов данного конструктивного ряда, так и для определения эффективных направлений научного обеспечения этих мероприятий.
Ключевые слова:
Двухбарабанный паровой котел, топочная камера, конвективный пучок, циркуляционная схема, ступенчатое испарение.
В опубликованной информации об эксплуатации и исследовании двухбарабанных промышленных и отопительных котлов особое внимание уделено котлам типа ДКВР. Такой факт объективно обусловлен следующими обстоятельствами: распространенность этой конструкции; возможность многоцелевого использования в качестве источника тепло- и пароснабже-ния; приспособленность к широкому диапазону качества исходной воды.
В публикациях обсуждались не только эксплуатационные ситуации [1, 2, 3-5] или возможности модернизации [6, 7, 8], но и перспективы дальнейшего использования котлов [9-11]. Вместе с тем со всей очевидностью обозначена проблема эксплуатационной надежности котлов типа ДКВР-20 [1, 2, 5-8, 12-15].
Накопленные опытом многочисленные факты, в отдельных случаях подтвержденные специально предпринимавшимися исследованиями, позволили обозначить основные причины эксплуатационных инцидентов. Подавляющее большинство причин связано со следующими факторами: нарушение уровня котловой воды в верхнем барабане, отклонение в проведении режима периодической и непрерывной продувок, превышение тепловых нагрузок, солесодер-жания котловой воды, повышенная скорость роста внутренних отложений в трубах и т. п. При этом статистика аварий [7, 8, 13-15] показывает, что среди них преобладающее число связано с повреждением труб бокового экрана солевого отсека испарения.
Объяснения этому основываются на конструктивных особенностях котлов и на специфике условий эксплуатации. Так, в силу конструктивного и схемного исполнения солевых отсеков с выносными циклонами включенные в них испарительные поверхности нагрева значительно уступают по надежности другим элементам котла. Это выражается, в частности, в том, что из этих поверхностей нагрева при нарушении режимов продувки опережающими темпами
Тайлашева Татьяна Сергеевна, канд. техн. наук, доцент кафедры парогенера-торостроения и парогенера-торных установок Энергетического института ТПУ. E-mail: taylasheva@tpu.ru Область научных интересов: исследование надежности работы циркуляционных систем паровых котлов в условиях изменения параметров рабочей среды, качества водоподготовки.
уходит вода, имеет место самое высокое солесодержание, а также повышенное содержание накипеобразующих примесей в котловой воде. Убедительным доказательством этому является конкретное заключение специалиста: «Относительная паропроизводительность второй ступени испарения достигает 40 % от общей производительности котла, в то время как ее поверхность нагрева составляет всего лишь 12 % общей поверхности. Если же рассматривать только тепло-восприятие экранов, то на долю солевого отсека приходится до 73 % от тепловосприятия всех экранов» [15]. Совершенно очевидно значительное влияние удельной тепловой нагрузки на надежность испарительных элементов.
Наиболее полные исследования факторов, влияющих на аварийность котлов ДКВР-20, изложены в работах ЦКТИ [1, 2, 5, 7, 13-15]. Установлено, что повреждения труб вызваны образованием внутренних отложений, которые ведут к увеличению термического сопротивления многослойной системы и при достижении некоторой его величины - к перегреву стенки трубы.
Поскольку накипеобразование пропорционально концентрации накипеобразующих солей в воде, то существует предельное солесодержание котловой воды, индивидуальное для каждого сочетания циркуляционной схемы и режимных условий работы котла. Предельное соле-содержание котловой воды в каждом отдельном случае определяется несколькими критериями: необходимым качеством пара, накипеобразованием, экономической целесообразностью.
В схемах ступенчатого испарения с выносными центробежными циклонами влажность пара на выходе из сепаратора данного типа при правильном выборе конструкции не зависит от солесодержания котловой воды [14, 16, 17]. Данное обстоятельство позволяет увеличивать со-лесодержание котловой воды без вреда для качества пара на выходе из сепарационного устройства. В свою очередь, поскольку влажность насыщенного пара из выносных циклонов не зависит от солесодержания котловой воды, в процессе проведения теплохимических испытаний и пусконаладочных работ на ряде предприятий часто задается чрезмерно завышенное значение общего солесодержания котловой воды, хотя для котлов типа ДКВР со ступенчатым испарением оно рекомендовано в диапазоне от 6000 до 10 000 мг/кг [18].
Исходя из этих соображений и опытных данных, в качестве одной из причин ускоренного образования внутренних отложений в солевом отсеке называют несоответствующий режим выполнения непрерывной продувки [1]. В большинстве случаев продувка организована по принципу поддержания общего солесодержания в пределах допустимых значений, в то время как для схем со ступенчатым испарением приемлемым является поддержание величины продувки с учетом степени упаривания воды по отсекам испарения [1, 13]. Концентрация накипе-образующих соединений в котловой воде солевого отсека изменяется пропорционально степени упаривания и определяется качеством питательной воды. Нередки случаи, когда совершенно одинаковые по конструкции котлы, которые работают на одинаковом топливе, но установлены в разных регионах, оказываются в разных условиях по образованию накипи. Причина этому одна - различное качество питательной воды. Установлено, что за счет ведения водно-химических режимов, при которых ограничивается максимальное значение степени упаривания, срок эксплуатации котла между очистками внутренних поверхностей нагрева солевого отсека увеличивается до трех лет и более [13].
Нет необходимости доказывать, что обеспечение эксплуатационной надежности котлов за счет организации водоподготовки и ведения водно-химического режима возможно лишь при достаточно высокой квалификации обслуживающего персонала. К сожалению, при столь большой распространенности котлов ДКВР и разнообразии условий их применения пока это требование повсеместно не может быть соблюдено. Как бы то ни было, уровень профессиональной подготовки обслуживающего персонала в работах [13, 15, 19] называется наравне с другими факторами обеспечения надежности котлов ДКВР-20. Например [1, 15], в первые годы эксплуатации котлов ДКВР-20 обслуживающий персонал промышленно-отопительных котельных зачастую не был готов к работе с более мобильными и менее инерционными котлами со ступенчатым испарением, в отличие от других типоразмеров котлов ДКВР. И сегодня в случае удовлетворительного обслуживания сказывается отсутствие возможности в режиме реального времени отслеживать и контролировать основные эксплуатационные показатели работы котла [15].
Другим важным и общим условием для обеспечения надежности паровых котлов путем управления качеством питательной воды и поддержания оптимального диапазона солесодер-жания циркулирующей в контуре воды является необходимость содержать водно-аналитическую лабораторию для обеспечения химического контроля за котловой водой и паром. Это доступно для крупных котельных, а в других условиях не всегда является приемлемым по причине излишнего удорожания стоимости единицы получаемого пара и отпущенного тепла.
Пользуясь известной [20] зависимостью А = f (C, qn ) (где А - интенсивность накипе-образования; С - концентрация накипеобразующих веществ в воде; q - тепловой поток), интенсивность тепловой нагрузки на экраны в ряде работ [1, 7, 12, 15, 21, 22] также относят к основным причинам выхода из строя экранных труб. Однако при этом отсутствуют результаты исследований, связывающих условия ведения топочного процесса с изменением тепловых потоков. Лишь в некоторой мере исключением является публикация [12], в которой приводятся численные данные (без указания способа и средств их получения) о распределении тепловых потоков по стенке котла ДКВР-20-13 при сжигании мазута. Установлено, что наличие высокотемпературного ядра горения в окрестности экранных труб, создаваемого за счет «мелкодисперсного распыла мазута или тщательного перемешивания газа с воздухом, приводит к сгоранию топлива в небольшом объеме в непосредственной близости от горелок» [12].
Горелочные устройства типа ГМГ, применяемые в данном котле, создают неравномерное распределение тепловой нагрузки по длине топки за счет короткого факела [2,3,6]. Основные рабочие горелки при проектировании обычно рассчитывались с учетом работы в форсированных режимах. Поэтому эти горелки при переводе серийно выпускаемых котлов ДКВР-20 на сжигание природного газа способны обеспечивать работу котла при паропроизводительности до 150 % от номинальной. Однако реально значительная часть котлов работает в диапазоне нагрузки от 50 до 100 % или в переменных режимах, что обуславливает неоптимальную работу горелок.
Изучение работы газомазутных котлов ДКВР с горелками ГМГ [2] показало несоответствие между реальной паропроизводительностью котла и теплопроизводительностью горелоч-ных устройств. В переменных режимах несения нагрузки горелочные устройства не обеспечивают устойчивого эффективного горения топлива. При работе горелочных устройств в диапазоне 25...65 % от номинальной нагрузки наблюдается понижение скорости движения газовоздушной смеси, ухудшение смесеобразования и, как следствие, снижение КПД котлов на 2-3 %. В поисках способа повышения эффективности сжигания природного газа и мазута в горелках ГМГ была предложена установка подпорного кольца к регистру вторичного воздуха [2]. Данный способ реконструкции горелочных устройств показал свою целесообразность при эксплуатации котлов в широком диапазоне нагрузки: от 100. 120 % и ниже от номинала.
Эти результаты позволяют заключить, что для условий нестационарных и пониженных режимов работы газомазутных котлов ДКВР является актуальным тщательный выбор режимов работы горелочных устройств, а на стадии проектирования котлов - подробная проработка компоновки горелок.
Широкая распространенность и многочисленность находящихся в эксплуатации котлов типа ДКВР-20, казалось бы, должны обеспечить обширную и общеприемлемую для корректировки конструирования информацию о фактах, определяющих надежность. Однако на самом деле это существенно затрудняет анализ имеющихся данных, поскольку имеет место очень разнообразная специфика сочетания эксплуатационных факторов.
Помимо уже упоминавшихся отличий в качестве питательной воды и ведении водно-химических режимов, одним из аспектов этой специфики для многих сфер промышленной энергетики является прямая зависимость работы котлов от условий работы основного производства. Сезонные изменения потребности в технологическом паре для ряда промышленных предприятий имеют чрезмерно широкий диапазон: от нагружения по максимуму до 150 % от номинальной паропроизводительности до разгрузки в глубокий минимум вплоть до 15 %. При этом суточные изменения нагрузки по технологическим условиям в том же диапазоне могут происходить неоднократно. Такой режим работы оборудования зачастую связан с минимизацией затрат на получение промышленного пара и сокращением периода работы без производст-
венной нагрузки. Как бы то ни было, в таких условиях нельзя исключать нарушения естественной циркуляции, прежде всего в контуре с наиболее высокими гидравлическими сопротивлениями, что наряду с другими рассмотренными выше особенностями работы котлов может приводить к разрушению экранных труб.
Для корректности анализа имеющихся сведений, обобщающих опыт эксплуатации, следует также иметь в виду, что задействованные на разных предприятиях котлы данного типа в своем большинстве выработали положенный ресурс, однако все еще находятся в эксплуатации. В связи с этим проводятся их капитальные ремонты с частичной или полной заменой поверхностей нагрева, коллекторов и сепараторов, а иногда и барабанов. Наряду с этим среди эксплуатируемых котлов есть такие, которые подвергались неоднократным реконструкциям и изменениям. Причинами конструктивных изменений являлись главным образом: возможность или необходимость перевода котла на сжигание непроектного топлива; стремление к повышению экономичности работы котла; изменение параметров пара и изменение нагрузки котла (в связи с изменением технологии использования промышленного пара); необходимость устранения последствий эксплуатационных нарушений режимов работы. Распространенным вариантом реконструкции является перевод котлов на сжигание непроектного вида топлива. Это может сочетаться с понижением рабочих параметров насыщенного пара, а иногда и паропроизводи-тельности в связи с изменением сезонной потребности в отпускаемом тепле и паре.
Обобщая накопленный опыт использования котлов ДКВР-20, можно отметить, что для устранения основных причин аварийных повреждений предлагается [15] ряд весьма сложных и несомненно дорогостоящих мероприятий, связанных с изменением как условий и организации эксплуатации, так и конструктивных решений. В совокупности работ, опубликованных по рассмотренной проблеме [2-8, 13-17, 19, 23, 24], эти мероприятия сводятся к следующему: улучшение качества питательной воды промышленных котлов с выносными циклонами; организация и наладка режимов основной и периодической продувок; наладка режимов горения топлива с возможной заменой горелочных устройств с целью снижения местных тепловых напряжений; контроль уровня разности воды в барабане и выносном циклоне; организация эффективной рециркуляции в солевом контуре с применением специальных схем и устройств; изменение местоположения солевого отсека с переносом его в область меньших тепловых нагрузок.
Отмечая в целом недостаточность, а иногда и неоднозначность оценок, вытекающих из обобщения опыта эксплуатации, можно привести такое, например, заключение: «По данным котлонадзора, котлы ДКВР являются наиболее надежными из существующих типов отечественных котлов. В то же время следует отметить, что котлы производительностью 20 т/ч требуют более квалифицированного персонала, безнакипного водного режима и применения автоматического регулирования процессов питания и горения» [25].
Приходится констатировать также недостаточность научных исследований по вопросам надежности и работоспособности котлов типа ДКВР-20 как наиболее распространенного представителя конструктивного ряда двухбарабанных водотрубных котлов. С одной стороны, установлена значимость таких факторов, как солесодержание котловой воды и организация соответствующего водно-химического режима, удельный тепловой поток, изменение параметров циркуляции в контурах в связи с нагрузкой котла. С другой стороны, количественные оценки этих факторов либо не указаны, либо даны для единичных исследованных случаев. Наконец, кроме работы [1], нельзя привести примера исследований, направленных на комплексное изучение взаимосвязи выявленных факторов, и тем более - применительно к широкому диапазону режимов работы котлов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акопьянц Б.Е. Особенности эксплуатации котлов ДКВР-20 / Б.Е. Акопьянц, В.П. Артемьев, Б.Л. Кокотов // Энергомашиностроение. - 1971. - № 3. - С. 10-11.
2. Тасс А.О. Повышение эффективности горелок ГМГ на котлах типа ДКВР // Промышленная энергетика. - 1971. - № 11. - С. 24-26.
3. Тайлашева Т.С., Корженко А.В. Особенности эксплуатационных режимов модернизированной горелки РГМГ - 2 котла ДСЕ-2,5-14 // Наука. Техника. Инновация /
Материалы докладов региональной научной конференции - Новосибирск: Изд. НГТУ, 2002. -Ч. 2. - С. 185-187.
4. Кунянский В.М., Дьяконов В.И. Опыт наладки котлов ДКВР-20-13 на Шебелинском газе // Промышленная энергетика. - 1971. - № 6. - С. 22-25.
5. Сутоцкий Г.П., Коваленко Т.В. Особенности воднохимического режима высокофорсированных котлов промышленной энергетики // Промышленная энергетика. -1971. - № 9. - С. 47-49.
6. Ведрученко В.Р. Методика выбора типа форсунки для котлов малой и средней мощности при проектировании и реконструкции котельных установок / В.Р. Ведрученко, В.В. Крайнов, А.В. Казимиров // Промышленная энергетика. - 2006. - № 3. - С. 33-40.
7. Акопьянц Б.Е. Пути совершенствования солевых отсеков с выносными сепараторами на действующих котлах низкого и среднего давления // Промышленная энергетика. - 1992. -№ 7. - С. 37-39.
8. Модернизация парового котла ДКВР-20-23 / Е.Ф. Бузников, Л.Я. Березницкий, А.В. Евдокимов, Ю.П. Мясников, А.Г. Высоцкий // Промышленная энергетика. - 1976. - № 2. - С. 44-45.
9. Лебедев В.М. Проблемы и пути развития теплоэнергетики региона // Промышленная энергетика. - 2008. - № 4. - С. 2-6.
10. Пакшин А.В., Каримов З.Ф. Эффективность реконструкции пароводогрейной котельной в мини-ТЭЦ // Промышленная энергетика. - 2004. - № 10. - С. 27-32.
11. Федоров В.А., Смирнов В.М. Опыт разработки, строительства и ввода в эксплуатацию малых электростанций // Теплоэнергетика - 2000. - № 1. - С. 9-13.
12. Выявление и предотвращение причин аварий на котлах ДКВР-20, работающих на газе и мазуте / Д.Б. Ахмедов, Д.С. Калинин, Н.В. Ветров, В.Я. Калинина // Промышленная энергетика. - 1974. - № 7. - С. 20-21.
13. Акопьянц Б.Е., Кокотов Б.Л. О нормах качества котловой воды промышленных котлов со ступенчатым испарением // Промышленная энергетика. - 1972. - № 9. - С. 33-34.
14. Акопьянц Б.Е. Повышение допустимого солесодержания продувочной воды в котлах низкого давления // Промышленная энергетика. - 1991. - № 4. - С. 13-15.
15. Акопьянц Б.Е. Недостатки конструкции промышленных котлов ДКВР // Новости теплоснабжения. - 2000. - № 4. - С. 37-40.
16. Мынкин К.П. Сепарационные устройства паровых котлов. - М.: Энергия, 1971. - 192 с.
17. Акопьянц Б.Е. Конструкции и допустимые нагрузки выносных центробежных сепараторов пара // Тяжелое машиностроение. - 1990. - № 11. - С. 10-12.
18. Паровые котлы типа Е (ДКВР): 0302.020.ТО: техническое описание, инструкция по монтажу и эксплуатации. - Бийск: ОАО «Бийский котельный завод», 2006. - 52 с.
19. Сутоцкий Г.П., Фурсенко В.Ф. О водно-химическом режиме промышленных котельных с котлами типа ДКВР // Промышленная энергетика. - 1976. - № 6. - С. 18-19.
20. Манькина Н.Н. Исследование условий образования железоокисных отложений // Теплоэнергетика. - 1960. - № 3. - С. 8-12.
21. Влияние теплового потока на скорость образования отложений продуктов коррозии железа и меди в котлах / Т.И. Петрова, В.И. Кашинский, В.Н. Семенов, В.В. Макрушин и др. // Теплоэнергетика. - 2008. - № 7. - С. 2-5.
22. Давидзон М.И. Накипеобразование в экранных трубах котлов // Теплоэнергетика. - 2008. -№ 7. - С. 43-46.
23. Шапров М.Ф. Предотвращение углекислотной коррозии метала в паровых котлах типа ДКВР // Промышленная энергетика. - 1982. - № 2. - С. 22-23.
24. Заворин А.С., Тайлашева Т.С. Теплофизические факторы эксплуатационной надежности испарительных элементов двухбарабанных котлов // Известия ТПУ. - 2009. - Т. 315, № 4: Энергетика . - С. 10-15.
25. 50 тысяч котлов ДКВР / Г.Н. Гарденина, В.Ф. Дэрк, А.А. Дорожков, П.Ф. Казанцев // Промышленная энергетика. - 1972. - № 12. - С. 22-24.
Поступила 07.07.2014 г.
