CC BY
82
7/)П11 ВЕСТНИК
J/201j_мгсу
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОАГРЕГАТОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
TERMOTECHNICAL FEATURES OF APPLICATION OF WATER-HEATING COPPERS OF LOW POWER
П.А. Хаванов P. Khavanov
Московский ГСУ
Рассмотрена специфика тепловых, водотрубных и жаротрубных аэро- и гидродинамических процессов в стальных водогрейных котлоагрегатах малой мощности.
Specificity thermal, water-heating aero- and hydrodynamic processes in steel water-heating boilers of low power is considered.
Значительные объемы нового строительства за последние годы в России и странах постсоветского пространства, новая ситуация связанная с привлечением к строительству малых предприятий и частных инвесторов и соответствующее формирование инвестиционной политики обусловили на большинстве строящихся объектов применение автономных отопительных котельных (от квартирных и коттеджных до РТС, а также источники теплоты на реконструируемых объектах), преимущественно с водогрейными котельными агрегатами малой мощности, до 20 МВт, как отечественного, так и импортного производства. Определенная специфика тепловых, аэро- и гидродинамических процессов в водогрейных котлах малой мощности, а также режимы и условия их эксплуатации, требуют внимательного анализа и учета при их применении, что в конечном итоге и определяет надежность и долговечность работы оборудования.
Важнейшей особенностью котлов малой мощности является тепловые режимы топок и связанные с ними физико-химические процессы горения, обусловленные масштабным переходом к малым геометрическим размерам топок, с уменьшением мощности котла. Это изменяет соотношение площади поверхности топки к её объёму обратно пропорционально её характерному размеру. Следствием этого является тот факт, что в малых котлах видимые тепловые напряжения топочного объёма в несколько раз превышают характерные для мощных котельных агрегатов, достигая значений
qv - 2 МВт/м3 и выше (на газе и жидком топливе), при этом тепловые напряжения
поверхностей нагрева в топке (q = 200 KBm/м2) примерно соответствуют видимым
тепловым напряжениям поверхностей нагрева мощных котлов.
Водогрейная котельная техника представлена на Российском рынке двумя основными типами котлов: водотрубные и жаротрубные. Отечественные разработки водогрейных котлов преимущественно представлены водотрубными котлами, выпуск которых осваивают как крупные заводы «Дорогобужколомаш», Бийский котельный завод, «Вольф Энерджи Солюшен» и др., так и небольшие котлостроительные фирмы.
Независимо от типа котла необходимо отметить, что тепловой режим металла стенки котла определяется состоянием внутренней поверхности (со стороны охлаждающего теплоносителя), наличием отложений, их толщиной и свойствами. Внешние шлаковые сажевые и битумиозные отложения (как и внутренние) преимущественно влияют на эффективность теплопередачи от газового потока к теплоносителю и, следовательно, повышают температуру уходящих газов, снижают мощность и КПД котла. Однако, наибольшие неприятности часто связаны с увеличением аэродинамического сопротивления газового тракта котла, изменением и искажением характеристик горения, ухудшением экологических показателей работы.
1. Водотрубные водогрейные котлы.
I «шкод ЬСДЫ
Рис. 1. Схема водотрубного водогрейного котла и номограмма минимально допустимых скоростей воды в обогреваемых трубах водогрейных котлов
Основные преимущества водотрубных водогрейных котлов обусловлены организованным гидравлическим режимом в трубных водяных контурах, что позволяет ис-
7/)п11 ВЕСТНИК _^/2ott_мгсу
пользуя насосные схемы принудительной высокоскоростной циркуляции (в том числе с использованием рециркуляции) обеспечить допустимые тепловые (температурные) режимы, уменьшить негативные процессы загрязнения теплопередающих поверхностей со стороны теплоносителя, в том числе снизить требования по общей жесткости циркуляционной воды. В тоже время в водотрубных котлах необходимо строгое соблюдение гидравлического режима движения теплоносителя исключающего его вскипание на поверхностях нагрева, что, как отмечалось, для котлов малой мощности особенно важно в теплонапряженных участках топочных поверхностей нагрева. При обосновании скоростного режима необходимо ориентироваться на трубы с опускным движением теплоносителя в которых при указанных условиях теплообмена (qи = 200 КВт/м2) скорость движения теплоносителя должна быть, по известным
зависимостям рис.1, не менее 1,25 + 1,35 м/с.
Такой гидравлический режим обуславливает достаточно высокое гидравлическое сопротивление водотрубного водогрейного котла (обычно в пределах 0,5 + 1,5 бар), причем не только в расчетном режиме, но и при всех промежуточных режимах работы с частичной или даже минимальной мощностью. Постоянный гидравлический режим, пожалуй, наиболее важный режимный фактор, обеспечивающий надежную работу всей трубной системы водогрейного водотрубного котла.
Ряд конструкций водогрейных водотрубных котлов поставляются производителем в виде нескольких укрупненных блоков, что требует дополнительных затрат при доставке котла, его сборке и монтаже на строительной площадке.
Последнего недостатка лишены жаротрубные водогрейные котлы, полностью изготавливаемые в заводских условиях и поставляемые в виде компактной моноблочной конструкции, часто с уже смонтированной тепловой изоляцией, внешней оболочкой, опорной рамой и т.д. Это делает конструкцию привлекательной для потребителя, существенно упрощает монтаж оборудования в котельной.
2. Жаротрубные водогрейные котлы.
Конструктивные схемы практически всех водогрейных жаротрубных котлов предполагают размещение в водяном объёме, внутри внешней прочной оболочки котла цилиндрической топки и дымогарных труб конвективных поверхностей. Компоновку котлов принято классифицировать как двухходовую и трехходовую. В обоих случаях развитие факела и движение продуктов сгорания по топочному объёму считается первым ходом, как для топок с осевым пролетным (без разворота факела) движением
газов, так и для тупиковых реверсивных Рис. 2 топок (с разворотом факела на 1800 в задней части внутри топки к фронту котла). Таким образом, 2х-ходовые схемы предполагают один ход продуктов сгорания по конвективным жаровым трубам, а 3х-ходовые два ход Рис. 3 с разворотом продуктов сгорания между пучками дымогарный
труб на 180 0 .
Важнейшие недостатки жаротрубных конструкций обусловлены малой скоростью движения теплоносителя во внутреннем водяном объёме котла, имеющем значительный объем (удельный объём воды от « 0,5 до « 1,5 м3/МВт), и большое расчётное живое сечение для движения котловой воды. Это приводит к неорганизованным гидравлическим режимам внутренней циркуляции со скоростями, соответствующими естественной конвекции порядка 0,01 ^ 0,02 м/с, а в ряде зон водяного объема и ниже. По этой причине значение тепловых напряжений поверхностей нагрева котла по усло-
виям недопущения пристенного вскипания воды гораздо ниже, чем у водотрубных котлов и являются основным фактором (наряду с загрязнением поверхностей со стороны воды накипью и шламовыми отложениями и др.), определяющим надёжную и безаварийную работу котла.
Рис. 2. Схема газоходного тракта 2-х ходового котла с реверсивной топкой
Рис. 3. Схема газоходного тракта 3-х ходового жаротрубного котла
Конструкция трёхходового котла по сравнению с двухходовым, у большинства производителей имеет большую конвективную поверхность нагрева (дымогарных труб) и за счёт этого позволяет увеличить глубину охлаждения дымовых газов и повысить на 1-3 % КПД котла. Большего значения КПД удаётся достичь установкой за водогрейным котлом агрегатного или блочного экономайзера (в том числе и конденсационного типа).
Оценивая качество жаротрубного котла необходимо учитывать как конструктивные решения, так и совершенство технологии изготовления. Так, наличие жесткого
7/)п11 ВЕСТНИК _^/2отт_мгсу
корпуса и безкомпенсационных по термическому удлинению торцевых поверхностей (трубные доски) с жесткой сваркой прямых жаровых труб и жестким креплением топки, близкое расположение жаровых труб к внешней необогреваемой оболочке котла приводит к повышенным напряжениям из-за некомпенсированной тепловой деформации, как при холодных пусках, так и при переменных режимах эксплуатации. В этой связи весьма важно иметь информацию о расчётном значении на малоцикловую усталость металла, которая определяет количество циклов запуска из холодного состояния, измеряемое от нескольких сотен до десятков тысяч циклов. Помимо конструкции котла на эту величину влияет качество металла жаровых труб и трубных досок, технология и качество сварки, применение термоотпуска для снятия внутренних напряжений в сварной конструкции при изготовлении котла.
Менее надёжными оказываются и котлы с низким расположением жаровых труб, которые наиболее интенсивно заносятся шламом, из-за чего теплообмен ухудшается, температура стенки трубы увеличивается, что приводит к дополнительному локальному перегреву, увеличению нагрузок на сварочные швы и трубную доску. Для выравнивания и интенсификации теплообмена в конвективных поверхностях часто используют различного рода турбулизаторы потока вставляемые в жаровые трубы третьего хода или в концевые участки второго хода 2-ходового котла. Здесь так же важно отметить, что жаровые котлы с реверсивной топкой , в силу отмеченных особенностей тепловых процессов, при развороте факела обеспечивают интенсификацию конвективного теплообмена в топке, этим достигается выравнивание тепловых потоков на поверхностях нагрева в топке, а также позволяют за счет активной рециркуляции части продуктов сгорания в корне факела горелки снизить эмиссию оксидов азота. Однако при этом в значительной мере происходит интенсификация теплообмена на трубной доске и начальных участках дымогарных труб в зоне разворота факела у переднего шамотного блока с учетом его вторичного излучения, из-за этих факторов трубная доска оказывается в чрезвычайно форсированном тепловом режиме, зачастую приводящем к её перегреву. Учитывая указанные особенности тепловых режимов фронтовой трубной доски, подавляющее большинство зарубежных производителей водогрейных жаротрубных котлов ограничивают область применения реверсивных топок котлами мощностью до 2,5 МВт.
Для любых топок жаротрубных котлов, особенно для реверсивных, необходим правильный подбор горелки не только по мощности, но и по соответствию конфигурации и размеров факела горелки топке котла. Должен быть исключен даже локальный «наброс» факела на холодную стенку топки во всех режимах её работы, с учётом необходимого напора для преодоления аэродинамического сопротивления газового тракта котла и метода регулирования нагрузки.
Указанные конструктивные моменты и особенности жаротрубных котлов необходимо учитывать при проектировании и организации их эксплуатации, в первую очередь, учитывая, что негативные моменты наиболее проявляются при нарушениях гидравлических режимов охлаждения поверхностей нагрева, в подавляющем большинстве случаев приводящих к нарушению теплового режима металла стенки, отложениями накипи и др.
Так низкие скорости движения теплоносителя, большие объёмы воды приводят к интенсивному выпадению взвешенных частиц шлама как в нижней части котла, формируя зоны интенсивной подшламовой коррозии, так и на верхней образующей жаровых труб. Даже на «чистой» трубе при работе котла на расчётные параметры воды с температурой 95° С максимальные значения локальной температуры воды могут со-
ставлять » 1300 С, а при 105 1450 С. Под пористыми шламовыми отложениями (и накипью) температуры металла стенки трубы и воды ещё выше, что ведёт к локальному вскипанию, интенсификации процесса накипеобразования, перегреву стенки трубы. Дополнительно необходимо отметить, что вскипание воды не только не смывает шламовые отложения на верхней образующей жаровых труб, но интенсифицирует формирование локальных отложений накипи и фактически увеличивает размер и уплотняет эти отложения. По этой причине желательно не снижать гидростатическое давление в котле ниже 4,5-5 бар, что, однако не может в полной мере подавить эти процессы. «Вялая» гидродинамика жаротрубных котлов объясняет необходимость глубокого
умягчения воды до остаточной общей жесткости не более 0 01 - 0 02 ——Жв , огра-
л
ничивать содержание кислорода в подпиточной воде 0,02.
Максимальное уменьшение шламоотложения обеспечивается при использовании независимого подключения котлового контура в схеме теплоснабжения, исключающего попадание шлама из тепловых сетей и систем отопления потребителей. Следует ограничить использование магнитной и комплексонной обработки, даже при наличии шламоотделителей в схеме; использовать периодическую продувку, периодичность и время осуществления которой из нижних точек котла определяется водно-химическим режимом работы котла.
Необходимо обязательно поддерживать гидравлический режим работы котла с расчетным расходом теплоносителя, определяемым при расчётной нагрузке по допустимому перепаду температур на входе и выходе из котла. Обеспечить требуемую рециркуляцию теплоносителя с проверкой во всех режимах работы для исключения низкотемпературной коррозии в хвостовых поверхностях нагрева котла, которая рассчитывается по условию превышения температуры воды на входе в котёл температуры точки росы дымовых газов на 50 С .
Рассматриваемые вопросы не только касаются проектирования и организации работы жаротрубных котлов, но напрямую связаны и с режимами эксплуатации с позиций обеспечения технологических процессов. Так, позиционное регулирование мощности, отпускаемой потребителям при режиме эксплуатации горелки «включено-выключено», объективно существенно сокращает ресурс работы котла, учитывая цикловую усталость металла. Вместе с тем использование модулируемых горелок иногда, особенно в реверсивных топках может на пониженных нагрузках вызывать преждевременный разворот факела вблизи горелки, вызывая перегрев отдельных участков топки и фронтовой трубной доски. Аналогичный процесс развивается при значительных разряжениях в газоотводящем борове за котлом, в некоторых случаях, при малом аэродинамическом сопротивлении котла этот эффект проявляется при разрежении « 25 Па.
Недопустимы нарушения режимов эксплуатации котлов:
- с несоответствующей или отключенной химводоподготовкой, даже при кратковременном ее отключении;
- с внесением конструктивных изменений в котел - удаление турбулизаторов, изменение схемы подключения вход-выход по теплоносителю и др.;
- с отключенными рециркуляционными насосами;
- без контроля температуры уходящих газов, аэродинамического сопротивления и гидравлических потерь давления в котле;
7/2011 ВЕСТНИК _7/2011_мгсу
- без контроля утечек в тепловых сетях и без очистки сетевой воды от шлама, без периодической продувки.
Учет особенностей и специфики тепловых процессов в совокупности в жаротрубных котлах, правильная оценка всех факторов, определяющих режимы их работы и эксплуатации, квалифицированное сервисное обслуживание позволяют получить надежный, удобный и долговечный источник теплоты.
Литература
1. Хаванов П.А. Источники теплоты автономных систем теплоснабжения//АВОК. - 2°°2. -№ 1-3.
2. Хаванов П.А., Барынин К.П. Некоторые ошибки при разработке тепломеханической части автономных источников теплоты//АВОК. - 2°°4. - № 8.
Referenses
1. Khavanov P.A. Heat sources for autonomous heat supply system.//AVOK - 2002. - № 1-3.
2. Khavanov P.A. Barynin K. P. Certain faults in a design of thermal and mechanical project part of autonomous heat sources//AVOK. - 2004. - № 8.
Ключевые слова: Тепловые процессы, водотрубные процессы, жаротрубные процессы, стальные водогрейные котлоагрегаты, гидродинамические процессы, теплотехнические особенности.
Key words: thermal processes, water-heating processes, aerodynamic processes, steel water-heating boilers, hydrodynamic processes, termotechnical features.
e-mail: [email protected]
