CC BY
8
УДК 621.311.22
РАЗРАБОТКА И ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ГОЛОВНЫХ ОБРАЗЦОВ КОТЛОВ ООО «ИКЗ» ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ
ЗАЙЧИКОВ В.Н., инж., ШЕЛЫГИН Б.Л., канд. техн. наук, МОШКАРИН А.В., д-р техн. наук
Представлены особенности и результаты пуско-наладочных испытаний головных образцов котлов марок КВа-0,93ГМ и КВа-2,0ГМ ООО «Ижевский котельный завод».
Ключевые слова: котлы, расчетные характеристики котлов, коэффициент полезного действия, расход топлива.
DEVELOPMENT AND EXPERIMENTAL-INDUSTRIAL RESEARCH OF BOILER LEADING SAMPLES PERFORMANCE OF LC "IBP"
V.N. ZAJCHIKOV, engineer, B.L. SHELYGIN, Ph.D., A.V. MOSHKARIN, Ph.D.
The work represents the peculiarities and the results of start-setting-up tests of boiler leading samples of KBa-0,93GM and KBa-2,0GM types of LC "IBP" ("Izhevsk Boiler Plant") production.
Key words: boilers, boiler estimated performance, efficiency factor.
На основании технического предложения [1], результатов исследований [2] и методики расчета котлов с многопоточной схемой движения теплоносителя [3] на Ижевском котельном заводе были выполнены два проекта и сконструированы котлы марок КВа-0,93ГМ и КВа-2,0ГМ. Были уменьшены ширина газоотводящих щелей с 60 до 40 мм и расстояние между задним и промежуточным экранами с 325 до 260 мм. Шаги труб горизонтальных и вертикальных экранов равны 200 и 220 мм, соответственно. С учетом установки вместо отечественных горелок немецких горелок фирмы Max Weishaupt GmbH, обеспечивающих высокофорсированное сжигание топлива при пониженных габаритах топочной камеры, значения их глубины при проектировании головных образцов принимались на 5-8 % ниже рекомендуемых [3]:
• для котла КВа-0,93ГМ ¿т = 2,0 м;
• для котла КВа-2,0ГМ £т = 2,55 м.
Значения £т не превышают значения длины
участка стабилизации ^ [4], величины которых равны 2,5 и 3,5 м, соответственно. Согласно [4], для обеспечения надежного спиралеобразного движения воды в трубах с учетом принятой длины ^ для
котлов КВа-0,93ГМ и КВа-2,0ГМ значения ширины патрубков-сопел при расходах воды 32 и 60 т/ч приняты равными 95 и 188 мм, соответственно.
С увеличением номера газоотводящих щелей от оси симметрии топочной камеры их длина возрастает в пределах [5]:
• для котла КВа-0,93ГМ 1п = 0,4-0,8 м;
• для котла КВа-2,0ГМ 1„ = 0,66-2,6 м.
Энергоустановки проектировались для двух котельных Завьяловского района Удмуртской Республики при цене природного газа Цт = 1,45 руб/м3, стоимости поверхностей нагрева Цпов = 8000 руб/м2 и числе часов использования максимума тепловой нагрузки котлов тмакс = 5000 ч. Установлена целесообразность размещения в вертикальном газоходе дополнительного (второго) конвективного экрана [6]. Значения расчетных характеристик элементов модификаций головных образцов котлов ООО «ИКЗ» третьего поколения с многопоточной схемой движения теплоносителя представлены в табл. 1.
Согласно расчетных формул, ожидаемые значения температуры уходящих газов равны [3]:
V = 129 °С; 9уХ = 144 °С.
• для котла КВа-0,93ГМ
• для котла КВа-2,0ГМ
Согласно расчетных формул, ожидаемые
значения КПД котла (брутто) равны:
• для котла КВа-0,93ГМ п = 91,0 %;
• для котла КВа-2,0ГМ п = 91,8 %.
Опытно-промышленные исследования выполнялись специалистами пуско-наладочного участка ООО «Электроавтоматика» (г. Ижевск) при участии персонала котельной. Целью испытаний являлись определение режимов работы котлов с составлением режимных карт и оценка возможных значений КПД котлов (брутто) и удельного расхода топлива на выработку тепловой энергии. Определение показателей работы котлов проводилось на четырех относительных тепловых нагрузках в диапазоне 26-100 %.
Таблица 1. Значения расчетных характеристик модификаций головных образцов котлов ООО «ИКЗ» третьего поколения
Наименование характеристик Марка котла
КВа- КВа-
0,93 ГМ 2,0ГМ
Суммарная длина элементов экранов, м: - труб - полос 169 148 260 226
- пластин 38 48
- ребер Суммарная масса элементов экранов, кг: - труб - пластин 4,5 2890 236 6,8 4440 300
- полос 231 360
- ребер Масса металла котла, кг 5,5 3330 8,8 5260
Металлоемкость котла, т/МВт 3,8 2,6
Объем топочной камеры, м3 Суммарная поверхность нагрева, м2 2,7 7,8
52,0 120,0
Для оценки неравномерности полей температур, скоростей и состава газов в газоходах производилась тарировка нескольких сечений. На основании этого определялись поправочные коэффициенты для измерения величин рабочих параметров [7-9].
В ходе испытаний периодически проводились замеры рабочих параметров с использованием поверенных приборов (рис. 1). Расход топлива определялся по эксплуатационным приборам [7-9]. Анализ уходящих газов проводился с использованием
электронного газоанализатора марки ТЕ8ТО-325. Тепловая нагрузка котлов согласовывалась с «Заказчиком».
метров: 1 - давление газа перед счетчиком; 2 - температура газа перед счетчиком; 3 - расход газа на котел; 4 -давление газа перед котлом; 5 - давление газа перед двойным магнитным клапаном; 6 - давление воздуха перед горелкой; 7 - разрежение в топке; 8 - температура воздуха; 9 - разрежение за котлом; 10 - температура уходящих газов за котлом; 11 - состав уходящих газов за котлом (СО2, СО, О2, NOx); 12 - температура воды на входе в котел; 13 - температура воды на выходе из котла; 14 -давление воды на входе в котел; 15 - давление воды на выходе из котла; 16 - расход воды через котел
В качестве горелочных устройств применены вентиляторные горелки немецкой фирмы Max Weishaupt GmbH типа:
• G 9/1-D.DM-80 мощностью 2,5 МВт для котла КВа-2,0ГМ;
• WM-G 10/4 мощностью 1,25 МВт для котла КВа-0,93ГМ.
Методы испытаний и средства измерения рабочих параметров соответствовали техническим требованиям, предъявляемым к опытно-промышленным исследованиям теплоэнергетических установок [7-9].
Общая жесткость воды на входе в котлы составляла 7,3-8,0 мкг/кг. В качестве топлива использовался природный газ с характеристиками:
• теплота сгорания Онс = 7980 ккал/нм3 (33,5 МДж/нм3);
• низшая теплота сгорания, отнесенная к 1 нм3 сухих продуктов сгорания, Р = 1000 ккал/нм3 (4,19 МДж/нм3);
Таблица 2. Результаты обработки опытных данных, пол
• максимальное значение концентрации диоксида углерода в сухих продуктах сгорания СО2макс = 11,8 %.
Испытания проводились с использованием упрощенной методики теплотехнических расчетов профессора Равича М.Б., предложенной для определения тепловых потерь и составления теплового баланса котлоагрегатов малой мощности [8].
Работы проводились с участием представителей инспекции «Ростехнадзора» с соблюдением утвержденных правил, эксплуатационных и заводских инструкций.
Результаты обработки опытных данных, полученных в ходе испытаний головных образцов агрегатов, представлены в табл. 2 и 3.
В ходе испытаний расходы воды через котлы поддерживались на уровне проектных значений (32 и 60 т/ч). Минимальные значения температуры воды на входе в котлы равнялись 60-70 °С. При максимальных нагрузках котлов 0,93 и 2,0 МВт значения температур воды за энергоустановками составляли 91 и 104 °С, соответственно. С увеличением единичной мощности агрегатов от 0,93 до 2,0 МВт гидравлическое сопротивление водяных трактов находилось в пределах 0,07-0,13 МПа. При температуре наружного воздуха 3-6 °С ее значения перед горелками были равны 20-21 °С. Значения температуры уходящих газов при предельных тепловых нагрузках составляли 136-141 °С (рис. 2), что является нормальным для водогрейных котлов малой мощности.
Согласно результатам испытаний, с увеличением относительной тепловой нагрузки котлов в пределах 26-100 % концентрация диоксида углерода СО2г в уходящих газах возрастала от 8-9,3 до 10-10,4 %, а значения содержания кислорода О2г снижались с 4,6-7,0 до 2,6-3,2 % (рис. 3). При этом коэффициент избытка воздуха в уходящих газах аух снижался до значений 1,14-1,18 (рис. 4), соответствующих современным требованиям эксплуатации котлов малой мощности. При концентрации в газах оксида углерода 3-31 ррт величина химического недожога топлива практически отсутствовала = 0) [8]. При всех тепловых нагрузках концентрация оксидов азота ЫОх составляла 40-70 ррт, что отвечало современным экологическим требованиям.
в ходе испытания котла марки КВа-0,93ГМ
Наименование характеристик Результаты испытаний
Теплопроизводительность котла О, МВт 0,26 0,414 0,741 0,93
Относительная тепловая нагрузка q, % 29,0 44,6 80 100
Гидравлическое сопротивление котла ДРк, МПа 0,07
Коэффициент избытка воздуха в уходящих газах аух 1,5 1,28 1,23 1,18
Температура уходящих газов аух, °С 85 98 126 136
Коэффициент, зависящий от температуры уходящих газов и степени их разбавления избы- 5,57 5,02 4,84 4,67
точным воздухом, 7
Потеря теплоты с уходящими газами q2, % 4,57 4,77 5,95 6,21
Потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива qз, % 0 0 0 0
Потеря теплоты от наружного охлаждения котла q5, % 8,62 5,6 3,13 2,5
КПД котла (брутто) по результатам испытаний:
- по обратному балансу Пк.исп°бр, % 86,8 90,1 93,1 91,3
- по прямому балансу Лк.исппр, % 87,9 89,7 91,9 91,0
Расход топлива:
- приведенный к условиям испытаний Вг, м3/ч - приведенный к нормальным условиям Воп, нм3/ч 34,3 53,5 93,5 118,6
31,9 45,8 87,0 110,3
Удельный расход условного топлива на выработку тепловой энергии Ьу, кг у.т./Гкал 154,6 159 153,5 156,5
Таблица 3. Результаты обработки опытных данных, полученных в ходе испытания котла марки КВа-2,0ГМ
Наименование характеристик Результаты испытаний
Теплопроизводительность котла О, МВт 0,56 0,96 1,36 2,0
Относительная тепловая нагрузка д, % 0,28 0,48 0,68 100
Гидравлическое сопротивление котла ДРк, МПа 0,13
Коэффициент избытка воздуха в уходящих газах аух 1,28 1,24 1,19 1,14
Температура уходящих газов аух, °С 83 104 121 141
Коэффициент, зависящий от температуры уходящих газов и степени их разбавления избы- 4,97 4,8 4,63 4,53
точным воздухом, 7
Потеря теплоты с уходящими газами д2, % 4,0 4,51 5,05 6,11
Потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива д3, % 0 0 0 0
Потеря теплоты от наружного охлаждения котла д5, % 6,07 3,54 2,5 1,7
КПД котла (брутто) по результатам испытаний:
- по обратному балансу Пк.исп°бр, % 89,9 91,9 92,5 92,1
- по прямому балансу Пк.исппр, % 84,1 89,84 93,3 91,8
Расход топлива:
- приведенный к условиям испытаний Вг, м3/ч 75,6 121,8 165,7 247,3
- приведенный к нормальным условиям Воп, нм3/ч 71,9 115,4 157,4 235,2
Удельный расход условного топлива на выработку тепловой энергии Ьу, кг у.т./Гкал 159,1 155,5 154,0 154,8
150
120
90
60
у У . > / и / / /^
* /У А // // ' /
20
40
60
80
100
д, %
Рис. 2. Изменение температуры уходящих газов в зависимости от относительной тепловой нагрузки котлов: --котел КВа-0,9ГМ;----котел КВа-2,0ГМ
При снижении относительной тепловой нагрузки котлов в диапазоне 26-100 % потеря теплоты с уходящими газами д2 снижалась от 6,11-6,21 % до 4,0-4,57 %, а значения потери теплоты от наружного охлаждения котла д5 возрастали от 1,7-2,5 % до 6,07-8,62 %, соответственно. В условиях тепловых испытаний за счет повышенных значений д5 для котла КВа-0,93ГМ его КПД брутто по обратному балансу на 1,2-3,1 % ниже, по сравнению с результатами исследований для котла КВа-2,0ГМ.
Изменения значений КПД брутто по прямому и обратному балансам в зависимости от теплопро-изводительности котлов представлены на рис. 5 и 6. Максимальные значения КПД 91,9-93,1 % для котла КВа-0,93ГМ и 92,5-93,3 % для котла КВа-2,0ГМ соответствовали относительным тепловым нагрузкам энергоустановок в пределах 60-85 %.
По результатам промышленных исследований работы головных образцов оформлены режимные и оперативные карты котлов. Удельный расход топлива на выработку тепловой энергии в условиях переменных режимов работы агрегатов составлял 154-159,1 кг у.т/Гкал (36,8-38,0 кг у.т/ГДж).
Для оперативных режимных карт в целях срочной оценки расходов сжигаемого природного газа получены следующие топливные характеристики, нм3/ч:
• для котла КВа-0,93ГМ Воп = 33,4 + 117,1 (О - 0,26)1 05,
• для котла КВа-2,0ГМ Воп = 73,9 + 108,9 (О - 0,56)1,07.
Относительное расхождение между значениями расхода топлива согласно топливных характеристик и данными промышленных испытаний не превышает 1,5 %. Сравнение основных результатов промышленных и расчетных исследований работы головных образцов установок при их максимальной теплопроизводительности представлено в табл. 4.
Для котла КВа-2,0ГМ температура уходящих газов, по результатам испытаний равная 141 °С, на 3 °С ниже расчетного значения, что объясняется некоторым превышением площади конвективных поверхностей нагрева, по сравнению с проектным предложением. СО2г, %
12,0
10,0
О2г, %
8,0 6,0 4,0
2,0
1 —■ — ■<
О— ' -оА-*-"- _____ -"1 >
\
\ V 2
20
40
60
80
100
д, %
Рис. 3. Изменение значений концентрации диоксида углерода (1) и кислорода (2) в уходящих газах в зависимости
от относительной тепловой нагрузки котлов: - -
котел КВа-0,9ГМ;----котел КВа-2,0ГМ
^ух
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
\
\
<ч \ ч о \ ч )
о -о
20
40
60
80
100
q, %
Рис. 4. Изменение коэффициента избытка воздуха в уходящих газах в зависимости от относительной тепловой нагрузки котлов: — КВа-2,0ГМ
- котел КВа-0,9ГМ;--
- котел
Для котла КВа-0,93ГМ значение V = 136 °С по результатам испытаний на 5 °С ниже аналогичного значения для котла КВа-2,0ГМ за счет снижения температуры воды на входе в котел с 75 до 66 °С. Опытные значения V = 136 °С на 7 °С превышают расчетные величины, что обусловлено снижением площади конвективных поверхностей нагрева при отказе производителя от заднего экрана котла.
При максимальных значениях О (0,92 и 2,0 МВт) КПД брутто составлял 91,3 и 92,1 0%, соответственно, что приемлемо для водогрейных котлов малой мощности. По результатам исследований и испытаний значения КПД брутто котла КВа-2,0ГМ Пкисс°бр = 91,6 % и пкиспобр = 92,1 % превышают аналогичные показатели котла КВа-0,93ГМ на 0,8-0,9 %, что согласуется с расчетными зависимо-
стями. Абсолютное различие между опытными и расчетными значениями КПД брутто для каждой установки не превышало 0,5-0,6 % при относительной погрешности 0,6-0,7 %.
Пк.исп, %
96 г
92
88
— -Г""» — -о
У
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 О, МВт
Рис. 5. Изменение КПД котла КВа-0,93ГМ брутто в условиях испытаний при изменении его теплопроизводительно-сти: о - значения по прямому балансу; • - значения по обратному балансу
Пк.исп
96
92
88
84
__-о--
**_ -
/ У У У У
У У У У У </
0,5
1,0
1,5
2,0 О, МВт
Рис. 6. Изменение КПД котла КВа-2,0ГМ (брутто) в условиях испытаний при изменении его теплопроизводительно-сти: о - значения по прямому балансу; • - значения по обратному балансу
Таблица 4. Сравнение результатов промышленных и расчетных исследований работы котлов КВа-0,93ГМ и КВа-2,0ГМ при их максимальной теплопроизводительности
%
Наименование характеристик Марка котла
КВа-0,93ГМ КВа-2,0ГМ
Теплопроизводительность котла О, МВт 0,93 2,0
Расход воды через котел й, т/ч 32 60
Температура воды на входе в котел их, °С 66 75
Температура воды на выходе из котла иых, °С 91 104
Температура наружного воздуха 1„ар, °С 3 6
Температура воздуха в котельном помещении 1в, °С 20 21
Температура уходящих газов &>„., °С:
- по результатам испытаний 136 141
- по результатам расчетов 129 144
Потеря теплоты с уходящими газами q2, % 6,21 6,11
Потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива q3, % 0 0
Потеря теплоты от наружного охлаждения котла q5, % 2,5 1,7
КПД котла брутто:
- по обратному балансу (по результатам испытаний) r|к.иCп°бр, % 91,3 92,1
- по прямому балансу (по результатам испытаний) Лк.исппр, % 91,0 91,8
- по обратному балансу (по результатам расчетов) •Пк.исС6'', % 90,7 91,6
Расход топлива по приборам Вг, м3/ч 118,6 247,3
Расход топлива, приведенный к нормальным условиям, Воп, нм3/ч 110,3 235,2
Удельный расход условного топлива на выработку тепловой энергии Ьу, кг у.т./Гкал 156,5 154,8
Ьу, кг у.т./ГДж 37,4 36,9
По результатам испытаний для котла КВа-2,0ГМ удельный расход условного топлива на выработку тепловой энергии равен 36,9 кг у.т/ГДж. Согласно [10], при тепловой нагрузке 2,0 МВт мощность, расходуемая на собственные нужды, составляет 44-45 кВт. При этом удельный расход топлива на отпущенную энергию находится в пределах 39,1-39,6 кг у.т/ГДж. Данные значения согласуются с ранее прогнозируемым показателем (39,2 кг у.т/ГДж).
Проведенный анализ показывает хорошее соответствие показателей котлов, полученных в ходе испытаний головных образцов, результатам ранее выполненных расчетных исследований [2]. Подтверждена правильность принятых технических решений и предложений, установлена надежная и высокоэффективная работа агрегатов. Установки отвечают современным требованиям, соответствуют руководящим документам и существующим правилам эксплуатации котлов малой мощности.
Список литературы
1. Зайчиков В.Н. Водогрейный котел // Патент РФ на полезную модель №43344. Бюлл. Открытия и изобретения. 2005. № 1.
2. Мошкарин А.В., Шелыгин Б.Л., Зайчиков В.Н. Определение условий эффективной работы многопоточного газомазутного котла ИКЗ теплопроизводительностью
2,03 МВт // Энергосбережение и водоподготовка. - 2006. -№ 2. - С. 62-66.
3. Мошкарин А.В., Шелыгин Б.Л., Зайчиков В.Н. Методика расчета газовых котлов ИКЗ с многопоточной схемой движения теплоносителя // Вестник ИГЭУ. - 2006. -Вып. 4. - С. 14-19.
4. Мошкарин А.В., Шелыгин Б.Л., Зайчиков В.Н. Выбор оптимальных размеров водоперепускных патрубков-сопел экранных труб котлов ИКЗ // Вестник ИГЭУ. -2007. - Вып. 2. - С. 20-22.
5. Мошкарин А.В., Шелыгин Б.Л., Зайчиков В.Н. Определение оптимальной длины газоотводящих щелей труб топочных экранов газомазутных водогрейных котлов ИКЗ // Энергосбережение и водоподготовка. - 2006. - № 1. -С. 39-42.
6. Мошкарин А.В., Шелыгин Б.Л., Зайчиков В.Н.
О целесообразности размещения дополнительных экранов в газоходах модернизированных котлов ИКЗ // Энергосбережение и водоподготовка. - 2007. - № 1. - С. 37-40.
7. Чистяков С.Ф., Радун Д.В. Теплотехнические измерения и приборы: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1972.
8. Юренко В.В. Теплотехнические испытания котлов, работающих на газовом топливе. - М.: Энергия, 1987.
9. Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева А.А. Теплотехнические испытания котельных установок. - М.: Энергия, 1977.
10. Мошкарин А.В., Шелыгин Б. Л., Зайчиков В.Н. Сравнение технических характеристик газомазутных водогрейных котлов ИКЗ // Вестник ИГЭУ. - 2006. - Вып. 2. -С. 44-50.
Мошкарин Андрей Васильевич,
ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой тепловых электрических станций, телефон (4932) 41-60-56, e-mail: admin@tes.ispu.ru
Шелыгин Борис Леонидович,
ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», кандидат технических наук, профессор кафедры тепловых электрических станций, телефон (4932) 41-60-56, e-mail: admin@tes.ispu.ru
Зайчиков Виктор Николаевич,
ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», инженер кафедры тепловых электрических станций, телефон (4932) 41-60-56, e-mail: admin@tes.ispu.ru
