CC BY
176
ПРОБЛЕМЫ И ИХ РЕШЕНИЯ ПРИ РАБОТЕ КОТЕЛЬНЫХ
УСТАНОВОК
Литвинова Юлия Владимировна
канд. техн. наук, доцент СКФ БГТУ им. В.Г. Шухова. РФ, г. Минеральные
Воды
E-mail: yvlitvinova911 @mail. ru
PROBLEMS AND SOLUTIONS FOR WORK BОILЕR РLАNTS
Julia Litvinova
Саndidаtе оf Tесhniсаl Sсiеnсеs, Аssосiаtе Рrоfеssоr GFR BSTU. VG Shukhоv,
Russia Mirnml Wаtеrs
АННОТАЦИЯ
Котельная установка представляет собой комплекс устройств, размещенных в специальных помещениях и служащих для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию пара или горячей воды. Основные элементы котельной установки — котел, топочное устройство, питательные и тягодутьевые устройства. Котел — теплообменное устройство, в котором тепло от горячих продуктов горения топлива передается воде. Топочное устройство служит для сжигания топлива и превращения его химической энергии в тепло нагретых газов. Питательные устройства (насосы, инжекторы) предназначены для подачи воды в котел.
АBSTRАСT
Bоilеr sуstеm is а соmрlех dеviсе, рlасеd in sресifiс аrеаs end еmрlоуееs for соnvеrting сhеmiсаl е^^у into Шегта1 е^^у оf stеаm ог hоt wаtеr. ^е mаin еlеmеnts оf Ше ЬоИег sуstеm — ЬоИег , firing , пИтИю^ аnd bаlаnсеd fl^s dеviсе. ВоПег - hеаt ехсhаngе арраrаtus , whеrеin hеаt frоm thе fot соmbustiоn рrоduсts оf fuеl trаnsfеrrеd tо thе wаtеr. Битасе аррага^ usеd fоr burning fuеl аnd its соnvеrsiоn оf сhеmiсаl е^^у tо hеаt thе hоt gаsеs. Fееding dеviсе (рumрs , ^ей;ога ) intеndеd fоr suррlуing wаtеr tо thе ЬоИег.
Ключевые слова: котел; топочное устройство.
Kеуwоrds: ЬоИег’ йге Ьох.
Возведение и эксплуатация котельных установок требует, значительные капиталовложений. Решающим значением при этом является надежность и удобство. Весьма немаловажным фактором становится квалифицированная подготовка обслуживающего персонала, так как нарушение основных установленных практических правил эксплуатации котельных установок может привести к аварийным ситуациям. Распространенными причинами аварий котлов являются: механическое повреждение труб, нарушение технологии продувки, понижение уровня воды, недостатки водоподготовки, сверхнормативное форсирование, загрязнение котловой воды, несоблюдение регламента разогрева, понижение давления до вакуума хранение в неподходящих условиях, взрыв топлива [1].
Взрыв топлива — является одной из опаснейших ситуаций при эксплуатации котлов. Причиной большинства взрывов является недостаточная очистка топки или перенасыщение горючей смеси, возникающей, при накоплении в топке несгоревшего топлива. Также это может случиться из-за ряда других причин, в том числе из-за сбоя регуляторов, повреждения оборудования, колебаний давления топливоподачи.
Чаще всего взрывы в топке бывают при перебое в работе горелок. Например, при засорении топливной форсунки, из-за некачественного распыливания происходить нестабильность горения или отрыв пламени. Для возобновления горения выполняется последующее впрыскивание топлива, благодаря чему в топке повышается концентрация топливных паров. Накопление несгоревшего топлива происходит и в том случае, если горелка значительное время работает при некачественном распыливании. Повторное зажигание горелки после перебоя чаще всего воспламеняет взрывоопасную смесь. Таким образом, вспышка несгоревшего топлива становится причиной взрыва, чего можно избежать, неукоснительно соблюдая следующее правило: не впрыскивать топливо в загазованную, темную топку [2].
Качество воды, применяемое в котлах очень важно для продления срока их службы. Магниевая или кальциевая жесткость воды обычно является причиной
образования накипи. К образованию накипи приводит недостаточные меры по проведению водоподготовительных работ, с удалением ионов жесткости. Нарастание накипи приводит к повреждению труб из-за перегрева, в связи с тем, что отложившаяся накипь представляет собой слой теплоизоляции, который ухудшает теплообмен. При длительном сохранении данной ситуации возможно местное прогорание труб.
Для предотвращения образования накипи необходимо отслеживать содержание солей жесткости в котловой воде в допустимых пределах [3]. При увеличении рабочей температуры и давления в котельной установке, требования к водоподготовке ужесточаются. С целью понижения магниевой и кальциевой жесткости для котлов низкого давления целесообразно использовать ионообменные установки.
При эксплуатации котлов с паротурбинными установками на режимах с высоким давлением и температурой, целесообразно проводить полную деминерализацию воды, с удалением всех возможных примесей. В случае не принятия данных мер, чаще всего, соединения кремния, оставшиеся в воде испаряясь, смешиваются с водяным паром и способствуют образованию осадка.
Котловая водоподготовка должна включать в себя обработку воды химическими реактивами. При использовании которых происходит связывание взвешенных частиц загрязняющих веществ, с их преобразование в шлам, не образующий осадка на поверхности [3]. При промывке котлов шлам может быть с легкость удален.
Известно, что при температуре свыше 427 °С структура углеродистой стали теряется ее прочность. Поэтому при долгой работе котла с недостатком оптимального количества воды стальные трубы котла могут в буквальном смысле расплавиться так как, температура топки в этом случае может достигнуть 982 °С [1]. Охлаждение котла водой в его трубах является тем фактором, который предотвращает и предупреждает аварию.
Использование в котле датчиков уровня воды прямого или поплавкового типа действия способствуют отключению котла при снижении уровня воды и уменьшению вероятности возникновения аварийной ситуации.
Ключевым звеном в данной системе отключения котла является байпас пускового устройства, который позволяет обслуживающему персоналу выполнять продувку засорившиеся секции, очищать их от шлама и накипи.
Значимой проблемой загрязнение воды котельных установок, является вопрос образования смеси подпитки и обратного конденсата, в состав которого входят кислород, соединение металлов и химикатов, масла и смолы.
Как известно, кислород, растворенный в воде, является неизменной угрозой целостности труб. Вызванная им язвенная коррозия способствует возникновению сквозной ржавчины, что приводит сбою в работе систем котла. Для удаления кислорода из подпиточной воды в трубах котельной установки используется нагреватель-деаэратор. В котлах, с рабочим давлением до 7000 кПа в резервуар деаэратора обычно добавляют поглотитель кислорода — сульфит натрия, способствующий удалению свободного кислорода. Из-за возможных катастрофических последствий кислородной коррозии необходимо регулярно проверять работу деаэраторов и поглотителей кислорода и контролировать качество воды.
Своевременно необнаруженное загрязнение возвратного конденсата — это еще одна причина загрязнения котловой воды. Состав загрязнений может быть различным: от таких металлов, как медь и железо, до масел и
производственных химикатов [4]. Металлы, попадающие в воду, — это конструктивные материалы оборудования и конденсатопроводов, а масла и производственные химикаты попадают из-за дефектов производственного оборудования или коррозионных утечек в теплообменниках, насосах, сальниковых уплотнениях.
Наибольший риск загрязнения воды связан с возможностью аварий технологического оборудования, из-за которых в котловую воду могут попасть в большом количестве опасные химикаты. Поэтому бережная эксплуатация
котельной установки должна предусматривать постоянный мониторинг качества возвратного конденсата.
Попадание в воду ионообменных смол способно вызывать серьезное загрязнение котла. Это случается при повреждении внутренних трубопроводов или вспомогательной обвязки ионообменной установки [1]. Очень дешевый и эффективный способ предотвращения этих явлений — установка смолоуловителей на всех коммуникациях ионообменной установки. Смолоуловители не только защищают котел, но и предотвращают в случае аварии потери ценного материала — ионообменных смол.
Загрязнение котловой воды может протекать как постепенное ухудшение или как мгновенная авария. Постоянное и качественное обслуживание позволит существенно снизить возможность неприятностей того и другого типа. Постоянный мониторинг качества котловой и подпиточной воды позволяет не только накапливать статистические данные, но и своевременно предупреждать об опасном уровне загрязнений.
Концентрация взвешенных твердых примесей в котловой воде уменьшается при постоянной продувке системы и периодической промывке поддонов. Максимально допустимые концентрации примесей приведены в таблице 1 [3].
Таблица 1.
Максимально допустимые концентрации примесей в котловой воде
Рабочее давление барабана, кПа Концентраци я растворимых примесей, част./млн. Содержание Окиси Кремния SiО2 част./млн. Щелочность Част./млн Содержание Взвешенных примесей, Част./млн.
0—2100 3500 150 700 15
2107— 3150 3000 90 600 10
3157— 4200 2500 40 500 8
4207— 5250 1000 30 200 3
5257— 6300 750 20 150 2
6307—
7000
625
125
8
1
Превышение концентрации или иные загрязнения котловой воды создают такие проблемы, как нестабильность уровня воды в барабане или вспенивание. Эти явления могут стать причиной ложного срабатывания аварийной сигнализации уровня воды, уноса капельной влаги паром, загрязнения пароперегревателей.
Правильно спроектированная система продувки осуществляет мониторинг состояния котловой воды и поддерживает такую интенсивность продувки, которая обеспечивает допустимую концентрацию примесей. Периодическая промывка поддонов и грязевиков необходима для предотвращения накопления шлама, однако продолжительная продувка секций, образующих экраны топки, может привести к их повреждению из-за перегрева, вызванного изменением естественной циркуляции воды. Вместо этого рекомендуется открывать вентили продувки этих секций всякий раз при отключении котла, до того как давление в системе упадет до атмосферного.
Невыполнение правил разогрева относится к числу сильнейших испытаний, которым подвергается паровой котел [5]. Во время пуска и остановки все оборудование испытывает серьезные нагрузки, поэтому здесь требуется более строгое соблюдение правил эксплуатации, чем при постоянной работе в расчетном режиме.
Корректный регламент и поэтапное прохождение пусковых операций способствуют продлению срока службы оборудования и уменьшают вероятность аварии [5].
В конструкции типового котла применяются разнообразные материалы, имеющие разную скорость прогрева и охлаждения: сталь различной толщины, большая для барабана, более тонкая — для труб, теплоизоляционные и огнеупорные материалы, чугунные массивные элементы. В связи с этим обнаруживаются эксплуатационные проблемы, решение которых еще более осложнено тем, что материал элементов котла подвергается в одно и то же
время воздействию различных температур. Так, паровой барабан нижней своей частью контактирует с водой, а в верхней сначала с воздухом, а затем с образующимся паром. Вследствие чего, при холодном старте вода быстро нагревается, и нижняя часть барабана подвергается тепловому расширению раньше, чем верхняя часть. Соответственно происходит деформация барабана [4].
Перегрев котла также вызывает увеличение перепада давлений и изменение режима циркуляции. Под воздействием этих двух факторов существенно повышается температура стенок труб и перегородок [1].
Обмуровка котла, имеет низкую теплопроводность, и чаще всего повреждается при холодном старте. Также происходит поглощение влаги из воздуха материалом обмуровки, пока топка не прогрета. Следовательно, необходим медленный прогрев, способствующий постепенной просушки обмуровки и не возможности вскипание влаги, вызывающее растрескивание кирпичей.
Конструктивно котел практически состоит из различных структурных взаимосвязанных редко повторяемых элементов. В частности это относится к трубам, составляющим экраны топки и секции конвективного нагрева. При этом повреждение, какого либо незначительного элемента может привести к аварийной остановке котельного агрегата. Трубы промышленных котлов могут иметь толщину стенки 2—3 мм, вследствие чего становится ясно, как легко может произойти авария.
Решения вопроса данной ситуации возможно, при начальном этапе проектирования котлов, путем увеличение стенок труб, что является, экономически не целесообразным, однако, способствует увеличению запаса по надежности вследствие возможных механических повреждений.
При конструирование котлов соответствующие резервы по надежности должны иметь всё вспомогательное оборудование отнесение к определенной гарантированной нагрузке основных устройств. Эти резервы способствуют увеличению производительности и статического давления насосов и
вентиляторов, расширению возможности по использованию систем телеметрии и автоматики и т. п.
Проектирование вспомогательных систем «с запасом» позволит эксплуатировать котел при пиковых нагрузках более 110 % МСЯ, хотя многие производители рекомендуют эксплуатацию котлов при продолжительной нагрузке МСЯ длительностью от 2 до 4 часов.
При отсутствии ограничений со стороны вспомогательного оборудования интенсификация производства позволит форсировать котлы в течение длительного времени.
При кажущемся благополучии все равно остаётся не решенный вопрос, связанный с физическими ограничениями в конструкции котла (размера топки и паропроводов), из-за которых могут внезапно возникнуть серьезные проблемы теплоотдачи, падением давления пара, приводящие к снижению рабочей мощности котла. Значительный перегрев котла способствует возникновению дополнительных не столь очевидных проблем:
• эрозии и разрушение труб, золоочистителей, экранов, газоходов;
• разрушением обмуровки, газоходов;
• коррозии стенок труб и топки пароперегревателей;
• повреждение пароперегревателей в следствии уноса пара капельной влаги и твердых взвешенных частиц, лопаток турбин и другого технологического оборудования [3].
Возникновение проблем, связанных с перегревом котла, существенно зависит от типа используемого топлива. Проблемы эрозии обычно ассоциируются с твердым топливом: уголь, дрова, торф, горючие отходы производства и т. п., при сгорании которых образуется зола и шлаки.
Независимо от вида применяемого топлива форсирование котла приводит к увеличению объема и скорости дымовых газов с увеличением давления набегающего потока газов, что оказывает влияние на процесс образования эрозии. Возникающие вихревые эффекты в хвостовых газоходах котла, может также привести к локальной эрозии.
При высокой температуре, и возникновения контакта частиц жидкого или твердого топлива с поверхностью труб возникает коррозия металла. Причиной местной коррозии при форсаже топки может служить распространение пламени на поверхность экранов.
Коррозия также может начаться в результате небрежного хранения котла. При возникает коррозия поверхностей, как со стороны воды, так и со стороны газов.
Коррозия на газовой стороне случается, в случае использования сернистого топлива, и неполного удаления с поверхностей топки (наиболее уязвимы зазоры между трубами и перегородкой на входе в барабан, зазоры между трубами и обмуровкой) золы во время обдувки. Процесс коррозии происходит в результате образования влаги на зольной поверхности обмуровки.
Один из способов избежать коррозии на газовой стороне является «тепловое хранение», который позволяет поддерживать температуры поверхностей труб выше точки росы кислотных растворов. Данный метод можно подразумевает использование шламового барабана в качестве обогревателя, продувка теплоносителем от работающего котла. Возможно применить метод «сухого хранения», который применяется для малых котлов. При его использовании входные отверстия котла уплотняются абсорбентом-осушителем, и затем в котел вдувается азот.
Серьёзным аспектом, который не затрагивается при конструировании котлов, является вопрос возможности возникновения вакуума в системе при остановке котла вследствие его охлаждения, конденсации пара и понижается уровень воды, что приводит к снижению давления, возможно, ниже атмосферного [1]. Возникновение вакуума может привести к утечкам через развальцованные концы труб, так как они рассчитаны на уплотнение избыточным давлением. Избежать этой проблемы можно только путем открывания вентиляционного отверстия в паровом барабане в то время, когда там еще имеется избыточное давление.
Приведу несколько практических рекомендаций, позволяющие избежать проблем при эксплуатации котлов:
• наблюдайте за горением пламени, чтобы своевременно заметить неполадки;
• определить причины погасания горелки;
• очищайте топку перед зажиганием горелок, при необходимости выполняйте обдувку топки;
• проверять работу оборудования водоподготовки, важно знать соответсвует ли температура и давление соответствующим норам;
• не используйте необработанную воду.
• выполняйте регулярную промывку тупиковых участков водяного контура, водоохладителей и т. п.;
• никогда не останавливать циркуляцию воды;
• контролируйте наличие свободного кислорода в воде на выходе из деаэраторов, рабочее давление деаэраторов, температуру воды в баке-аккумуляторе.
• выполняете продувку деаэратора для удаления неконденсируемых газов;
• следите за качеством возвратного конденсата;
• выполняйте периодическую промывку барабана-грязевика
• во время работы котла не выполните работ по продутию поверхности топки;
• внимательно проверяйте поверхности котла со стороны воды, в случае выявления признаков отложения накипи, целесообразно отрегулировать водоподготовку;
• регулярно проверяйте внутренние поверхности деаэратора на предмет коррозии;
• не допускайте возможностей механического повреждения тонкостенных труб, следите за ними;
• регулярно проводите оценку потенциального воздействия при перегрузки котлов, так как не редки ситуации использования котлов в режиме форсажа котлов;
• доводите до сведения руководства все возможные недочёты возникшие при эксплуатации котлов;
• поддерживаете котел после его отключения в теплом состоянии;
• при охлаждении котла для предотвращения попадания воздуха и кислорода внутрь заполняйте его азотом;
• во время хранения, используйте сульфат натрия для поглощения кислорода из котловой воды;
• при сохранении котла в сухом состоянии целесообразно поместить в барабаны абсорбент влаги;
• обеспечить открывание вентиляционного отверстия в паровом барабане при падении давления ниже 136 кПа [1].
При эксплуатации котлов следует обратить внимание на еще один серьезный и значимый вопрос — вопрос энергосбережения который является приоритетным для предприятий и организаций различных форм собственности, объектов ЖКХ.
Энергосбережение возможно достигнуть только путем энергоэффективного снижения потребления традиционных энергоносителей и увеличения использования возобновляемых источников энергетических ресурсов. Так, уже сегодня на многих российских предприятиях в качестве топлива для получения дешевой тепловой энергии используют древесные отходы; переводят котельные на автономное теплоснабжение с использованием современного автоматизированного оборудования. Возможность перевода котельные на древесные гранулы, жидкое биотопливо, брикеты и другие экологически нейтральные к СО2 источники энергии позволят существенно улучшить экономический климат предприятия. Целью внедрения подобных проектов, является не только решение проблем экономии ресурсов, а так же проблем экономического и экологического характера.
Список литературы:
1. Байкалова Т.Е., Саулова Т.А. Особенности безопасной эксплуатации котлов тепловых станций./ Т.Е. Байкалова, Т.А. Саулова // Лесной и химический комплексы — проблемы и решения. Сборник статей по материалам Всероссийской научно-практической конференции. Том 2. Красноярск: СибГТУ, 2010. — С. 210—215.
2. Котельные агрегаты. М. А. Стырикович К.Я. Катковская, Е.П. Серов. Москва, «Государственное энергетическое издательство», 1959 г. — 487 с.
3. Котельные установки. Н.А. Киселёв. 2-издание, переработанное и
дополненное. М., издательство «Высшая школа», 1979 г. — 270 с.
4. Теплоснабжение. А. А. Ионин, Б.М. Хлыбов, В.Н. Братенков,
Е.Н. Терлецкая. Под редакцией А. А. Ионина. М., издательство «Стройиздат»,1982 г. — 336 с.
5. Топливо, топки и котельные установки. М.М. Щеголев. М., «Государственное издательство литературы по архитектуре и строительству», 1953 г. — 544 с.
