CC BY
622. СП 13-102-2003*. Правила обследования несущих конструкций и зданий. - М.: Госстрой России, 2011. - 47 с.
3. ГОСТ 31937-2011. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. -М.: МНТКС, 2011. - 89 с.
4. Кирлиан В.Х., Кирлиан С.Д. В мире чудесных разрядов. - Краснодар: Сборник докладов и статей: «Кирлиановские чтения «Кирлиан-2000»», 1998. - С. 55-61.
УДК 355.673:621.182/621.18
А.В. Бондарев, А.В. Смирнов A. V. Bondarev, A. V. Smirnov
Основные направления и практический опыт реконструкции угольных котельных малой мощности по
технологии высокотемпературного кипящего слоя
The main directions and practical experience of reconstruction of low power coal boilers using the technology of
high-temperature fluidized bed
Аннотация:
В статье отражено существующее техническое состояние котельных малой мощности в военных городках Министерства Обороны РФ (МО РФ), муниципальных и ведомственных образованиях РФ. На основе анализа показаны пути реконструкции и строительства новых угольных котельных с целью модернизации оборудования, механизации и автоматизации всех технологических процессов. Показаны практические результаты внедрения на котельных малой мощности технологии сжигания угля в топках с высокотемпературным кипящим слоем.
Abstract:
The article deals with the existing technical condition of low power boilers in military camps of the Ministry of Defence Russian Federation, municipals districts. Based on analysis of the ways of reconstruction and construction of new coal-fired boilers the ways of upgrade equipment, mechanization and automation of all processes are proposed. The practical results of the implementation of coal combustion methods in high-temperature furnaces with fluidized bed of low-power boilers are proposed .
Ключевые слова: высокотемпературный кипящий слой, котлоагрегат КВП-1,74 ВТКС
Keywords: Boilers with high-temperature fluidized bed, boiler-KVP 1.74 VTKS
Успешное совершенствование коммунального обеспечения военных городков МО РФ и других силовых ведомств во многом зависит от эффективного использования топливно-энергетических природных ресурсов и, в частности, всех видов органического топлива, тепловой энергии и атмосферного воздуха.
В существующих условиях активного освоения топливно-энергетических ресурсов существенное значение имеют исследования связанные с котлами малой мощности (КММ), которыми оборудуются отопительные, отопительно-коммунальные котельные МО РФ, в муниципальных и ведомственных образованиях государства. Доля тепловой энергии от котельных с котлами малой мощности, единичной мощностью менее 10 Гкал/ч составляет 1020% от всего производства тепла.
Значительная часть котельных малой мощности на обширных территориях Урала, Сибири и Дальнего Востока страны работают на местных видах топлива, в основном на каменных и бурых углях с широким диапазоном основных характеристик (фракционного состава, теплотворной способности и зольности).
Такие котельные, как правило, с ручным обслуживанием, характеризующимися низким эксплуатационным КПД (менее 40-50 %), тяжелым ручным трудом и антисанитарными условиями работы эксплуатационного персонала, повышенным содержанием в дымовых газах вредных окислов, серы, азота, золовых и сажистых частиц.
Большинство котельных не имеет каких-либо систем механизации топливоподготовки, топливоподачи и шлакозолоудаления, газоочистки, хранение угля в них осуществляется на открытых площадках.
Неудовлетворительные технико-экономические и экологические показатели существующих угольных котельных обусловлены не только техническим несовершенством установленного котельного оборудования устаревших конструкций, но и низким качеством поставляемых углей с зольностью и влажностью примерно в пределах от 8 до 52 %, теплотой сгорания от 1900 до 6000 ккал/час и крайне неоднородным фракционным составом от угольной пыли до кусков крупностью 100-200 мм.
Анализ статистических исследований котельных малой мощности показал, что только 30 % котлов характеризуются сроками службы от 10-15 лет, более 10 % зданий котельных находятся в аварийном состоянии. По диапазону тепловых мощностей более 50 % котельных не превышает 1 Гкал/час, примерно (20-25%) приходится на мощности 1-2 Гкал/час и столько же в пределах 2-5 Гкал/час. Статистические данные по габаритам котельных показывают, что 30% из них имеют высоту зданий до 4 м, 40 % - от 4-6 метров и 30 %- выше 6 м. Приведенные статистические данные носят выборочный характер, однако даже по ним можно делать определенные выводы о состоянии угольных котельных на всей территории РФ и возможных тенденциях их развития технической модернизации и комплексной реконструкции.
На основании изложенного можно сделать вывод об актуальности масштабной реконструкции угольных котельных с целью повышения экономических и экологических показателей котельных, улучшения санитарно-гигиенических условий труда эксплуатационного персонала.
Котельные малой мощности, работающие на жидком и газообразном топливе, характеризуются существенно большей эффективностью. Однако в регионах с обилием местных дешевых сортов топлива (уголь, торф, древесные отходы, и др.) использование в котельных природного газа экономически не оправдано. Поэтому в таких случаях актуальной является задача перевода этих котельных на работу на местных дешевых сортах топлива, а также комплексной реконструкции угольных котельных с целью модернизации оборудования, механизации и автоматизации всех технологических процессов. Очевидно, что технические решения и стратегия реконструкции возможность будут определяться номенклатурой выпускаемых отечественной промышленностью котлов.
Современное состояние выпускаемых отечественной промышленность котлов малой мощности показывает, что все котлы можно условно разделить на следующие группы по их эффективности работы и техническому совершенству конструктивных решений.
Первая группа включает в себя чугунные секционные и стальные сварные котлы с ручными топками. Котлы данной группы характеризуются простотой изготовления, дешевизной, хорошей ремонтопригодностью. Однако, котлы этой группы могут устойчиво работать только на сортированных каменных углях с невысокой зольностью и влажностью до 10 %, теплотой сгорания выше 5000 ккал/кг с коэффициентом полезного действия не выше 60 -65%. При любом ухудшении качества угля КПД резко снижается, а горение бурых высокозольных углей в них становится проблематичным. Кроме того, отсутствие механизации топливоподачи и шлакозолоудаления, наличие тяжелого ручного труда и антисанитарных условий в запыленных и загазованных помещениях являются первоочередными факторами при модернизации и реконструкции котельных в современных условиях XXI века.
Вторая группа включает в себя котлы с механическими топками для слоевого сжигания угля (топки с подвижной колосниковой решеткой, топки с шурующей планкой, топки с переталкивающими решетками и др.). В таких котлах существенно снижаются потери теплоты от механического недожога за счет механического перемешивания частиц топлива, а также снижаются потери теплоты с уходящими газами вследствие применения развитых трубных поверхностей нагрева. Котлы такой группы устойчиво работают на сортированных каменных углях с КПД (70-75 %) однако при снижении качества угля КПД может уменьшиться на 10-15 %. Котлы второй группы имеют более сложные конструктивные схемы, имеют механизмы с электроприводом для перемешивания топлива, удаления шлака, подачи воздуха, удаления газообразных продуктов сгорания. Котлы с механическими топками имеют существенно большие габаритные размеры, что является одним из определяющих факторов при размещении их в существующем здании при реконструкции. Как правило, котлы второй группы оснащаются средствами малой или полной механизации топливоподачи и шлакозолоудаления.
Третья группа объединяет котлы для сжигания угля в псевдоожиженном или «кипящем» слое. Существует ряд разновидностей такого способа сжигания твердого топлива: низкотемпературный, высокотемпературный.
Технология низкотемпературного кипящего слоя (НТКС) предусматривает горение твердого топлива в слое инертного материала (кварцевый песок, шамотный порошок, зола топлива и др.), обладающего большой теплоаккумулирующей способностью. Это, совместно с отбором теплоты в погружных поверхностях нагрева, обеспечивает поддержание температуры горения топлива в пределах 800-850 0С с образованием в качестве очаговых остатков только летучей золы без каких либо шлаковых спеков. Технология требует жесткого соблюдения указанного температурного режима, фракционного состава топлива с крупностью кусков не более 13 -15 мм и влажности не более 20%.
Особенностью котлов сжигающих топливо по технологии НТКС, является отсутствие подвижных частей в топке котла. Что естественно упрощает конструкцию подобных котлов, но, с другой стороны, повышает требовательность к поддержанию температуры горения, которая лежит в диапазоне на 50-100оС ниже точки плавления золы, отсюда и название.
Во-первых, из-за активного перемешивания частиц топлива и приобретению свойств жидкости, быстрому удалению из зоны горения газообразных продуктов сгорания, возможно успешное сжигание топлива с содержанием золы до 80% и обеспечение выжига горючей массы на 98-99%. Как показывают исследования и опыт эксплуатации подобных котлов значение к.п.д., даже при отсутствии развитых хвостовых поверхностей достигает 80-85%.
Во вторых, температура горения слоя поддерживается в пределах 800-900 оС, что предотвращает расплавление золы и следовательно шлакования, кроме того, из-за такой температуры горения достигается уменьшение концентрации в продуктах сгорания окислов азота, а наличие оксидов Са и Мg в золе топлива позволяет связывать образующийся при сгорании топлива 802 уже в зоне горения, тем самым значительно сократив его выбросы в атмосферу и снизив токсичность шлака, что снимает проблему с его безопасным захоронением
Применение котлов с НТКС, несмотря на все их преимущества, в настоящее время имеют недостатки, которые могут оказать негативное влияние на внедрение таких котлов:
1. Необходимость подготовки топлива определенного фракционного состава 1 -10 мм, что требует специального оборудования и дополнительных затрат.
2. Применение вспомогательного растопочного устройства, работающего на жидком или газообразном топливе, а, следовательно, необходимостью соответствующего топливного хозяйства и автоматизации.
3. Трудность эксплуатации котлов НТКС из-за поддержания температуры слоя 800-900 °С.
Другой разновидностью сжиганием угля в псевдоожиженном слое является высокотемпературный кипящий
слой.
Во всех конструкциях котлов с топкой ВТКС, основным элементом является узкая наклонная подвижная решетка прямого или обратного хода. Для создания кипящего слоя колосниковая решетка должна быть шириной 250 - 400 мм в зависимости от мощности котла, а для исключения перетекания топлива в шлаковый бункер уклон ее должен быть в пределах 10 -15° к горизонту.
Колосниковая решетка предназначена для распределения подаваемого в слой воздуха и удаления осаждающегося шлака, образующегося в процессе горения. Ввиду того, что сжигание большей части топлива происходит не на самой решетке, а над ней, в объеме топки, решетка может быть в 5 -10 раз уже обычной колосниковой.
Для предотвращения образования шлака в топке необходимо использовать панели, охлаждаемые водой, из труб, установленные по обеим сторонам топки вдоль решетки. Панели защищают кладкой из огнеупорного кирпича, выполненной под углом 30° к плоскости решетки.
Максимальная высота кипящего слоя должна находиться над зоной, расположенной ниже всех остальных, как и наибольшее давление воздуха. Поэтому для исключения прорыва дымовых газов и возможности выноса частиц топлива необходима герметизация стенки топки в районе этой зоны. Так как над следующими зонами высота кипящего слоя уменьшается, постепенно понижается давление воздуха в зонах для обеспечения одинаковой скорости ожижения по всей решетке. Последняя зона находится вне кипящего слоя и служит для выжигания шлака.
В самом кипящем слое находится только раскаленный кокс, сгорающий при контакте с воздухом, и крупные золовые частицы. Сгорание выделившихся горючих газов происходит над кипящим слоем в зоне повышенной турбулентности, создаваемой потоком вторичного воздуха.
Подачу воздуха для псевдоожижения и поддержания необходимой температуры слоя рекомендуется осуществлять от высоконапорного вентилятора под колосниковую решетку, снабженную дутьевыми зонами (отсеками). Разделение подрешеточного пространства на отсеки с независимой подачей воздуха позволяет обеспечить распределение воздуха по всей площади решетки и регулирование турбулентности слоя в каждой из зон горения до необходимой величины.
Вторичный воздух, необходимый для сжигания образующихся окиси углерода и летучих, подается над слоем. Величина подачи зависит от ряда параметров: содержания летучих, количества тонкодисперсных частиц в угле и др.
Таким образом, при высокотемпературном кипящем слое создаются оптимальные условия для эффективного сжигания топлива за счет постоянного контакта твердых частиц с окислителем и строго фиксированными временем их пребывания на движущейся решетке.
В топочных устройствах с решетками обратного хода коэффициент использования теплоты топлива выше за счет более полного сгорания крупных его фракций, находящихся в зонах горения более продолжительное время.
Как показали исследования на кафедре «Двигателей и теплосиловых установок» ВИ(ИТ) наиболее адаптивной к условиям коммунальной энергетики является технология высокотемпературного кипящего слоя.
Рис. 1. Общий вид котла «КВП-1,74-ВТКС»
Конструктивные (например, котел КВП-1,74 ВТКС Рис.1.) решения котлов, реализующие данную технологию, предусматривают гравитационную подачу угля питателем (6) из расходного бункера по наклонной угольной течке, узкую подвижную колосниковую решетку (3) прямого (или обратного) хода с несколькими дутьевыми зонами (4) первичного воздуха, сопла (7) вторичного дутья, бункер (8) и эжектора (9) возврата уноса. Трубная система состоит из боковых, потолочного и фронтального экранов (3) и конвективного пучка (2), разделенного перегородками для разворота газов и осаждения уноса, а также включает трубную панель (5) охлаждения решетки.
По данной технологии с участием авторов настоящей статьи запатентованы конструкции ряда котлов с топками ВТКС (КВП-1,74-ВТКС, котлоагрегата Братск-ВТКС, котлоагрегата КВДО-1,5-ВТКС для древесных отходов, котла Е-1/9-ВТКС, котла Э5-Д2-ВТКС и др.) [1, 2, 3, 4, 5, 6]
Принцип работы котла с топкой ВТКС следующий: дутьевым вентилятором воздух в количестве примерно 50% от общего расхода подается в дутьевые зоны первичного воздуха под колосниковую решетку через зазоры между колосниками для создания кипящего слоя и организации процесса горения твердого топлива. Остальная часть воздуха поступает в сопла вторичного дутья для дожигания продуктов неполного сгорания (оксидов углерода, серы, азота), в воздушный эжектор для возврата легких фракций твердого топлива, унесенного из топки.
В котле вместо ненадежного забрасывателя, работающего в тяжелых условиях ударно-вибрационных нагрузок, предусмотрен надежный скребковый питатель с приводом от мотор-редуктора с частотным преобразователем.
Уголь из расходного бункера медленно перемещается за счет плавного движения скребкового транспортера питателя к наклонной угольной течке и под действием сил тяжести ссыпается в первичную дутьевую зону, где подхватывается первичным воздухом и сгорает в состоянии кипящего слоя.
Топливо сгорает в кипящем слое в основном в нижней части колосниковой решетки. Твердые очаговые остатки оседают на решетке, а затем удаляются через шлаковый канал. Газы вместе с мелкой фракцией топлива огибают поворотный экран. Несгоревшее топливо оседает в бункере осаждения уноса и воздушным эжектором возвращаются в топку на дожигание. Газы поступают в конвективный пучек труб и охлаждаясь в нем поступают в систему газоочистки, а далее дымососом удаляются в дымовую трубу.
Трубная панель охлаждения обеспечивает отвод теплоты от «кипящего слоя», снижает его температуру и охлаждает решетку, этим создается условия для ее надежной и бесшлаковой работы.
Узкая подвижная колосниковая решетка имеет малую массу и ширину(30см), хорошо охлаждается в результате чего двигается плавно, медленно, без рывков.
Практическим результатом реализации технологии сжигания угля в топках с высокотемпературным кипящим слоем в котлах малой мощности стала угольная котельная в пос. Горская с 6-ю котлами КВП-1,74 ВТКС единичной мощностью 1,74 МВт. [7] и котельная в научно-экспериментальной лаборатории кафедры «Двигателей и
теплосиловых установок» ВИ(ИТ) в п. Приветнинское Ленинградской области с двумя котлами для сжигания угля, торфа и древесных отходов.
Котельная с пос. Горская оснащена механизированными угольным складом с мостовым краном и грейферным ковшом, транспортерами углеподачи и шлакозолоудаления, батарейными циклонами, дутьевыми вентиляторами и дымососами, а также вспомогательными тепломеханическим (фильтры ХВО, деаэратор, насосы, баки, теплообменники) оборудованием. Здание котельной выполнено из легких быстровозводимых конструкций с сэндвичпанелями, имеет габаритные размеры 35х11х8 м
Управление котлами осуществляется дистанционно со щита, где расположены органы управления частотными преобразователями вентилятора, дымососа, мотор-редукторов, питателя и колосниковой решетки, МЭО четырех дутьевых зон первичного воздуха и вторичного дутья, автоматики безопасности и световой и звуковой сигнализации, приборами теплотехнического контроля., также предусмотрено комплектное устройство управления топочными процессами с применением программируемого логического контроллера.
Опыт работ по проектированию, строительству, пуско-наладке котельной в пос. Горская и пос. Приветненское, а также выполненный анализ состояния угольных котельных позволил сформировать основные направления их реконструкции по технологии высокотемпературного кипящего слоя.
Очевидно, что часть угольных котельных с тепловой мощностью до 1 Гкал/час не может быть реконструирована с применением котлоагрегатов КВП-1,74 ВТКС из-за малых тепловых нагрузок. Кроме того, как правило, такие котельные расположены в зданиях высотой менее 4м, что также существенно усложняет размещение в них котлов ВТКС.
Предпочтительно для применения котлов ВТКС являются котельные в диапазоне мощностей 2 МВт и более. Для таких котельных возможна установка от 2х до 6-ти котлов КВП 1,74 ВТКС, с механизированными системами углеподачи и шлакозолоудаления, и механизированным складом.
При этом в зависимости от состояния здания существующей котельной, его габаритов, наличия механизированного угольного склада и систем углеподачи и шлакозолоудаления, состояния вспомогательного оборудования возможно несколько вариантов реконструкции.
Самым дешевым вариантом является вариант реконструкции котельной, в которых имеются механизированный угольный склад, механизированные системы топливоподачи и шлакозолоудаления, а также в удовлетворительном состоянии находится вспомогательное тепломеханическое оборудование в т.ч. и оборудование химводоподготовки.
Самым сложным и дорогим вариантом реконструкции может стать фактически новое строительство по типу котельной в пос. Горская. Такой вариант возможен, если здание существующей котельной находится в аварийном состоянии, либо малые габариты требуют реконструкции здания. Это может быть экономически нецелесообразно. Удельная стоимость такого строительства может достигать 10млн. руб. и более на 1МВт установленной мощности.
Промежуточными вариантами реконструкции могут стать варианты, при которых используется здание существующей котельной и укрытого топливного склада (если имеется), осуществляется демонтаж старого оборудования, строительство механизированного угольного склада, монтаж котлов КВП-1,74 ВТКС, механизированных систем углеподачи и шлакозолоудаления, нового тепломеханического оборудования. Стоимость такого варианта реконструкции становиться на 10-15% ниже, чем новое строительство.
Возможны также и дополнительные варианты реконструкции, например, монтаж скребкового угольного транспортера на крыше существующего здания котельной, монтаж котлов КВП-1,74 ВТКС в существующем здании котельной без строительства угольного склада и без монтажа угольных и шлаковых транспортеров в случае загрузки расходных угольных бункеров котлов и удаления шлака средствами малой механизации.
Положительный опыт комплекса работ по проектированию котельных, разработке и созданию новых котлов ВТКС, строительству и реконструкции котельных, пусконаладочных работ может стать основой для перспективного перевооружения и реконструкции угольных котельных муниципальных и ведомственных образований РФ с применением технологии сжигания угля в высокотемпературном «кипящем» слое, с использованием рядовых не сортированных, влажных низкокалорийных высокозольных сортов углей.
Список литературы:
Патент на полезную модель
1. Котлоагрегат для сжигания угля в кипящем слое. Патент на полезную модель. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 20.05.2004 г. №38041, бюл. № 14.
2. Котлоагрегат для сжигания фрезерного торфа и древесных отходов в кипящем слое. Патент на полезную модель. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 27.05.2004 г. №38217, бюл. № 15.
3. Комбинированный котел для сжигания угля в высокотемпературном кипящем слое. Патент на полезную модель. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 10.11.2004 г. №41837, бюл. № 31.
4. Двухбарабанный котел малой мощности с топкой высокотемпературного кипящего слоя. Патент на полезную модель. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 10.11.2004 г. №41838, бюл. № 31.
5. Чугунный секционный котел малой мощности с топкой высокотемпературного кипящего слоя. Патент на полезную модель. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 27.11.2005 г. №49602, бюл. № 33.
Журнальная статья
6. Смирнов А.В., Рода И.С., Овчаров И.В., Бондарев А.В., Карпов М.А. Практический опыт проектирования, строительства и реконструкции угольных котельных малой мощности по технологии высокотемпературного кипящего слоя. СПб: «Инженерные системы», 2006, № 4 (25).
УДК 355.71
М.М. Гайнуллин M.M. Gaynullin
Определение влияния конфигурации и невыгодного загружения мелкоразмерных плит в покрытии на его
распределяющую способность
To determine the effect of configuration and disadvantageous loading of small plates in the coating on the distributing
capacity of the coating
Аннотация:
В статье рассмотрено влияние конфигурации и невыгодного загружения мелкоразмерных плит в покрытии на его
распределяющую способность
Abstract:
The article seeks to examine the influence of the configuration and disadvantageous loading of small plates in the coating on the distributing capacity of the coating
Ключевые слова: покрытие из мелкоразмерных плит, распределяющая способность Keywords: coating of small plates, distribution capacity
В последние годы довольно широкое распространение в процессе благоустройства различных функциональных зон военных городков получили дорожные покрытия из мелкоразмерных плит. Корректный расчёт распределяющей способности таких покрытий позволяет оптимизировать применение конкретных марок мелкоразмерных плит в зависимости от условий действующих на них нагрузок.
Для определения влияния конфигурации на распределяющую способность покрытия были выбраны мелкоразмерные плиты с разными минимальными размерами стороны L к линейному размеру штампа D [1] (табл. 1). Для анализа конфигурации мелкоразмерных плит, также использовался коэффициент конфигурации равный:
7 S
к =- (1)
PD
