Системы релаксационного вибрационного горения в котлах промышленной и коммунальной энергетики Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.182

СИСТЕМЫ РЕЛАКСАЦИОННОГО ВИБРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ В КОТЛАХ ПРОМЫШЛЕННОЙ И КОММУНАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

В.Н. ПОДЫМОВ, И.Ф. СИБГАТУЛЛИН, Л.Я. ГОЛЬБРАЙХ, Н.Ю. МИНВАЛЕЕВ Казанский государственный энергетический университет

Представлены преимущества релаксационной очистки поверхностей нагрева котлов. Показаны характеристики и их улучшение в процессе релаксационной импульсной очистки. Рассмотрены аэродинамическое сопротивление и теплосъем в процессе работы импульсных камер. Представлены данные по внедрению систем импульсной очистки в объекты отечественной и зарубежной теплоэнергетики.

Ключевые слова: релаксационная очистка поверхностей, характеристики очистки поверхностей, импульсные камеры, внедрение в практику.

В настоящее время большинство предприятий с целью снижения себестоимости производимой продукции в условиях постоянно растущих цен на энергоносители, особое внимание уделяют нетрадиционным техническим решениям, позволяющим экономить топливо, повышать эффективность и долговечность работы оборудования. Одним из направлений экономии топлива является повышение эффективности работы паровых и водогрейных котлов, технологических агрегатов, сжигающих эти виды топлива, за счет предотвращения загрязнения их поверхностей нагрева золовыми отложениями.

Применение систем релаксационного вибрационного горения оказалось очень перспективным в энергетике и позволило разработать новые методы импульсной очистки поверхностей нагрева. Такие методы используют при эксплуатации паровых и водогрейных котлов, котлов-утилизаторов и других технологических агрегатов [1] благодаря ряду положительных качеств.

Во-первых, камеры вибрационного горения могут быть использованы в качестве основных горелочных устройств в парогенераторах. Интенсификация процесса горения приводит к тому, что даже у тяжелых топлив с малым выходом летучих веществ факел становится намного короче, чем при равномерном сжигании. Радиационные свойства факелов разных видов топлив сближаются, чем облегчается унификация топок по топливу. Сильная турбулизация факела позволяет снижать коэффициент избытка воздуха практически до стехиометрической величины. Все это улучшает технико-экономические показатели работы парогенератора, предотвращает низкотемпературную сернокислотную коррозию поверхностей нагрева.

Внедрение вибрационного горения в существующие парогенераторы может идти путем установки так называемых инициирующих камер вибрационного горения совместно с обычными горелками [2-5].

Во-вторых, камеры вибрационного горения могут применяться для эффективной очистки. Теплоэнергетика является основным потребителем высокозольных топлив, и проблема поддержания в чистоте поверхностей нагрева парогенераторов становится более актуальной с увеличением единичных мощностей энергоблоков.

В-третьих, камеры вибрационного горения могут быть использованы для создания парогенераторов, работающих под наддувом.

В-четвертых, камеры вибрационного горения могут улучшить работу вспомогательного оборудования электростанций [1]: удаления газов (использование кольцевого вихря, генерируемого релаксационной камерой), сушки сырого угля

© В.Н. Подымов, И. Ф. Сибгатуллин, Л.Я. Гольбрайх, Н.Ю. Минвалеев Проблемы энергетики, 2012, № 3-4

(сушильное оборудование на основе камер вибрационного горения имеет меньшие размеры), транспорта пылевидного топлива (благодаря нестационарности требуется меньший расход транспортирующего агента), разгрузки смерзшегося кускового топлива (осуществляется не только термическое, но и динамическое воздействие, что ускоряет процесс), регенерации фильтров с помощью завихренного газа (слабая ударная волна производит эффективное удаление наносов во всем объеме фильтра), смещения застрявшего угля в бункерах с помощью импульсных камер. Прогрев мазута погружными камерами вибрационного горения [2, 4] убеждает в возможности улучшения эксплуатации мазутного хозяйства.

Принцип работы системы релаксационной очистки заключается в воздействии на отложения, образующиеся на поверхностях нагрева, направленных ударных и акустических волн, генерируемых за счет взрывного горения ограниченного объема газовоздушной смеси (0,01-0,1 м3). Горение осуществляется в импульсной камере, размещаемой вне газохода котла. За счет истечения продуктов сгорания из импульсной камеры со сверхзвуковой скоростью происходит комплексное волновое и термогазодинамическое воздействие на наружные отложения, теплообменные и ограждающие поверхности.

Из опробованных в промышленных условиях нескольких типов конструкций и систем вибрационного горения наиболее простой в эксплуатации является импульсная камера, описанная в работах [6, 7], на основе которой разработана и внедрена В.Я. Лысковым и В.С. Северяниным схема очистки поверхностей нагрева для котла-утилизатора КУ-50.

Котел-утилизатор предназначен для утилизации тепла после вращающейся прокалочной печи. Прокалочная печь работает на газообразном топливе, расход газа 1200 нм3/ч. В печь противоточно газовому потоку подается шихта, содержащая хромит, доломит и кальцинированную соду. Фракционный состав шихты: руда Я5400 < 2,5%, доломит Я5400 < 12%; загрузка печи - 9 т/ч, количество уноса 10-12% от загрузки, причем в котле осаждается 2-3%, остальное - в электрофильтрах.

Котел-утилизатор КУ-50 представляет собой водотрубный теплообменник с принудительной циркуляцией, предназначенный для выработки пара давлением до 10 кгс/см2 и паропроизводительностью 10 т/ч. Поверхность нагрева экономайзерной части 155 м , ускорительной - 511 м , трубы из стали 20 диаметром 32/36 мм. Расположение змеевиков вертикальное, все пакеты с шахматной компоновкой труб. Поперечный шаг 80 мм, продольный - 65 мм. Поверхности нагрева состоят из пяти пакетов с промежутком между ними 600 мм. Внизу этих коридоров располагаются бункеры для сбора уноса с последующей его транспортировкой на дозаторы печи. Температура газов на входе в котел 650-700° С, на выходе - 240-300° С. Отложения на трубках представляют собой рыхлые образования плавникового типа. Отложения непрерывно растут, пока не забивают межтрубное пространство полностью, причем время нормальной работы после планово-профилактического ремонта составляет не более одного месяца, затем дымососы захлебываются и не могут создать нужного для нормальной работы печи разрежения. Сопротивление газового тракта за это время возрастает с 130 до 220 мм вод. ст.Если система очистки работает нормально, постоянство параметров, сопротивление, теплосъем и т.п. должны соблюдаться в течение длительного времени.

Степень загрязнения может характеризоваться величиной аэродинамического сопротивления котла:

(1)

где Ар - перепад давлений по котлу; V - средняя скорость; р -плотность газа. При измерении скорости напорным методом

[Ак

V =

(2)

здесь Ак - напор, фиксируемый датчиком динамического давления; К1 - коэффициент, постоянный для данного измерительного устройства. Из (1) и (2) вытекает, что

? = К2 АР,

2 Ак

(3)

где К2 = 2g/K1 . Следовательно, изменение аэродинамического сопротивления котла удобно оценивать отношением ^*=Ар/Ак. Другой показатель загрязненности поверхностей нагрева - степень охлаждения газов в котле. (При постоянном давлении пара его температура насыщения одинакова, большая часть поверхности в котле -испарительная). Поток тепла от газа есть

dQ/dt = cpvAрgАT, (4)

здесь ср - теплоемкость; р - плотность; V - скорость газа; АТ - температурный перепад на котле по газу; А - сечение газохода котла). Согласно формуле (2)

dQ/dt = К2л/АМТ, (5)

где К2 = CpApgKil-.jpg. Следовательно, изменение теплоотдачи газов удобно оценивать отношением

д* =4АкАТ. (6)

Использование систем релаксационной (импульсной) очистки позволяет обеспечить практически полное удаление пылевых отложений с поверхностей нагрева без применения каких-либо других дополнительных средств очистки. Свидетельством тому является не только результаты визуального осмотра, но и изменение технологических параметров (рис. 1, 2).

Г*

14

12

1100

900

о

3 0°° 0е оо 0 °о „о о о ЮО 0 о О ° о О >°о °

-

00 о о°с

крем я работы импульсных кямер

1 оо

-4-

12 3 4 часы

Рис. 1. Изменение сопротивления и теплосъема при включении импульсной камеры

На рис. 1 показан характер изменения величин С, ид во время работы импульсных камер. Ар и Ак измерены в мм вод. ст., АТ - в градусах Цельсия. Стрелкой

показан промежуток времени, в течение которого камеры работали. По этим данным

*

видно, что включение камер снижает величину С, и увеличивает величину д .

-I—г *

Прирост Ад при регулярном включении камер в течение длительного времени показан на рис. 2.

д, *= . 100,

91

где - величина ц после работы камер; ? - до включения камер.

13

п

Лч*.

%

__

о О

я 1 и(

1

О _ [ оо о о 1

о ° о о о о о о

о

12 16 20 24 2К 32 34 сутки

Рис. 2. Прирост теплосъема при включении импульсных камер: • - значение С* до включения; о - то же после включения камер

График показывает, что максимальный прирост теплосъема наблюдается в начале работы камер, когда котел загрязнен; с течением времени, по мере удаления загрязнений, прирост снижается. Величина Дц , также как и ^ , в начале очистки изменяется больше. При работе котла с чистыми поверхностями нагрева (на рис. 2 данные приведены после вертикальной линии) уровни ^ и ц стабилизируются.

При регулярном включении камер уменьшается также токовая нагрузка дымососов (сила тока двигателя снизилась на 20 ампер).

При испытании котла с камерами регулярно велось наблюдение за состоянием обмуровки, гарнитуры и за конструкцией котла. За время полуторагодичной эксплуатации не замечено никаких повреждений или поломок; во внутренней кладке котла трещин не зафиксировано.

В период опытно-промышленного испытания выявлено, что оптимальная длительность включения импульсных камер составляет 1 - 2 часа, причем достаточно включения только первых двух (по ходу газов) камер.

Длительная эксплуатация камер показала безопасность импульсной очистки поверхностей нагрева КУ-50 для персонала и оборудования.

Примеры результатов внедрения систем релаксационной (газоимпульсной) очистки котлов представлены в табл. 1, заимствованной из работы[8].

Таблица 1

Примеры результатов внедрения систем газоимпульсной очистки (ГИО) котлов

Тип котла Место установки Год внедрения Показатель эффективности ГИО в сравнении с замененными средствами очистки Режим включен ия ГИО, раз/сут. Рабочие компоненты Средства очистки, замененные на ГИО/топлив о (сырье)

1 2 3 4 5 6 7

0Ь-20 (Польша) Запорожский МЖК (Украина) 1999 уровень температуры уходящих газов в соответствии с режимной картой 1 цикл в смену пропан, воздух от автономного вентилятора новый котел с ГИО/ подсолнечная лузга

1 2 3 4 5 6 7

ДУ-6,5 (котла) г.Бологое (Тверская обл.) 2000 снижение температуры уходящих газов на 60°С 1 пропан, воздух от автономного вентилятора без очистки/мазут

КВ-ГМ-10 г. Сланцы (Ленинградская обл.) 2000 в соответствии с режимной картой котла 1 цикл в смену пропан, вентиляторный воздух новый котел КС с ГИО

Е-75 Приозерский ЖКХ (Ленинградская об.) 2000 в соответствии с режимной картой котла 1 воздух от автономного вентилятора дробеочистк а/высокосерн истый мазут

ДЕ-25 (4 котла) ПТЭС и ЖК п. Айхал (Якутия) 2001 снижение температуры уходящих газов на25°С 1 пропан, воздух от автономного вентилятора обдувка воздухом ручная очистка

ДЕ-10 г. Ленск (Якутия) 2003 снижение температуры уходящих газов на 20°С 1 пропан, воздух от автономного вентилятора обдувка воздухом, ручная очистка/сырая нефть

Применение импульсных систем очистки, кроме экономии электроэнергии, за счет улучшения аэродинамики газохода и сокращения затрат за счет исключения ручной очистки, позволяет значительно повысить эффективность работы конвективных поверхностей нагрева котлов (табл. 1). КПД паровых и водогрейных котлов, работающих на жидком и твердом топливе, за счет применения ГИО повышается на 1,5-2%, что позволяет достичь значения, близкого к расчетному. Применение таких систем на котлах различных типов дает экономический эффект, позволяющий окупать затраты на внедрение только за счет экономии топлива в срок от полугода до года [8].

Summary

Advantages of relaxation cleaning of heating surfaces of boilers are presented. Characteristics and their improvement during the relaxation impulse cleaning are shown. Aerodynamic drag and heat removal during the work of the impulse chambers are considered. Information on implementation the system of impulse cleaning to the domestic and foreign power engineering objects is presented.

Keywords: relaxation cleaning of surfaces, characteristics of surface cleaning, impulse chambers, implementation in practice.

Литература

1. Подымов В.Н., Северянин В.С., Щелоков Я.М. Прикладные исследования вибрационного горения. Казань: изд-во КГУ, 1978. 218 с.

2. Подымов В. Н. Тепловой режим и выгорание в импульсной камере // Известия вузов СССР. Энергия. 1981. № 11, С. 52-57.

3. Авакумов А.М. Нестационарное горение в энергетических установках/Авакумов А.М., Чучкалов И.А., Щелоков Я.М. Л.: Недра, 1987. 159 с.

4. Беляев Н.М. Термоакустические колебания газожидкостных потоков в сложных трубопроводах энергетических установок / Н.М. Беляев, Н.П. Белик, А.В. Польшин Киев: Высшая школа, 1985. 160 с.

5. Гоцуленко В.В. Управление автоколебаниями колеблющегося пламени при одновременном действии механизмов их возбуждения/В.В. Гоцуленко, Б.И. Басок//Промышленная теплотехника. 2009. Т. 31, № 3. С. 101-107.

6. Лысков В.Я., Северянин В.С. и др. Акустическая очистка поверхностей нагрева котлов-утилизаторов / Промышленная энергетика. 1971. № 12. С. 44-51.

7. Руководящие указания по проектированию, монтажу и наладке устройств газоимпульсной очистки / В.Я. Лысков, А.Н. Шилин, В.М. Слышкин, С.И. Гузенко, В.А. Сандлер. М.: СПО Союзтехэнерго Минэнерго СССР, 1980. 68 с.

8. Погребняк А.П., Воеводин С.И., Кокорев В.Л., Кокорев А.Л. Опыт внедрения газоимпульсной очистки на энерготехнологических котлах и котлах промышленной и коммунальной энергетики // Новости теплоснабжения. 2007. № 9. С. 24-27.

Поступила в редакцию 01 марта 2012 г

Подымов Владимир Николаевич - д-р техн наук; профессор кафедры «Автоматизация технических процессов и производств» (АТПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-61E-mail: atpp@kgeu.ru.

Сибгатуллин Ильнар Файдрахманович - аспирант кафедры «Автоматизация технических процессов и производств» (АТПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (927) 4151583. E-mail: ilnar-20@yandex.ru.

Гольбрайх Лев Яковлевич - аспирант кафедры «Автоматизация технических процессов и производств» (АТПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (960) 0483243. E-mail: 2583243@mail.ru.

Минвалеев Наиль Юнусович - соискатель кафедры «Автоматизация технических процессов и производств» (АТПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (917) 2636001. E-mail: nminvaleev@yandex.ru.