Модернизация горелок на котлах КВГМ с целью повышения их безопасности и надежности эксплуатации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Модернизация горелок на котлах КВГМ с целью повышения их безопасности и надежности эксплуатации

И.А. Урманов, главный инженер,

А.В. Мамошкин, технический директор,

ЗАО «ИЦ АВЕЛИТ», г. Белгород

Постановка вопроса

Водогрейные котлы (ВК) серии КВГМ тепловой мощностью 20, 30, 50 и 100 Гкал/ч с типовыми горелочными устройствами (ГУ) ГМГ на 20, 30 и 40 МВт и РГМГ на 20 и 30 МВт имеют широкое применение на территории республик бывшего СССР для нагрева воды в пиковых и основных режимах отопительных и промышленных котельных, со второй половины XX в. по настоящее время.

За прошедший период эксплуатация ВК и ГУ практически не изменилась и сегодня, в XXI веке, абсолютно не удовлетворяет современным требованиям по надежности, эффективности, экономичности и экологичности генерации тепловой энергии.

При эксплуатации:

· имеют место нестабильные режимы горения с пульсацией в топке и как следствие раскачка экранной системы котла, а также элементов газового оборудования по фронтовому экрану;

· на КВГМ-50 и КВГМ-100 возникает противофазная резонансная раскачка давления воздуха по горелкам с усилением амплитуды колебания разрежения;

· наблюдается эжекция в аксиальные аппараты с локальным обгоранием лопаток.

Указанные недостатки приводят к:

· разрушениям обмуровки и (на котлах КВГМ-50 и КВГМ-100) ребер жесткости каркаса;

· непрерывным нарастаниям присосов (за осенне-зимний период в среднем на 20-30%);

· тепловой перегрузке конвективной части котлов (из-за низкой светимости в топке и больших разрежений);

· снижению КПД котлов и дополнительным энергозатратам на тягу и дутье.

Для снижения пульсации (вибрации котла) наладочный персонал вынуждено организует режимы горения, с давлением воздуха отвечающее значениям =1,3-1,5 за топкой. При этом в режимных картах, как правило, по «экономическим» соображениям показаны фиктивные значения =1,3-1,4 за дымососом.

Проблемы ГУ хронические и не решаются по двум основным причинам.

1. Теплоэнергетический рынок ВК и ГУ инерционен, у производителей (поставщиков) отсутствует посыл и потребность к оптимизации ГУ, да и зачем что-либо менять, если продукция находит сбыт.

2. В значительной степени утрачен инженерный потенциал. На уровне НИОКБ или в ВУЗах поиска решений также нет по причине отсутствия государственных программ и соответственно финансирования проектов.

Такое положение дел, вернее, их отсутствие, сегодня не устраивает ни владельцев ВК и ГУ, ни реальных потребителей услуг по отоплению и горячему водоснабжению. Последние задаются вопросом: «Как соответствуют «хронические проблемы ВК и ГУ» требованиям времени в области энергосбережения, энергоэффективности и техногенной безопасности с инновационными подходами к решению технологических проблем?!».

И все же «разрубить гордиев узел» можно и нужно, в одном, довольно простом и эффективном варианте - создания консорциума наладочно-монтажной организации с собственником генерации тепловой энергии. Первые, если это профессионалы, обязаны по роду деятельности, организовать и обеспечить модернизацию ГУ. Вторые заинтересованные в минимизации эксплуатационных затрат, повышении экологичности и экономичности генерации тепла и горячей воды должны обеспечить необходимый уровень эксплуатации и обслуживания энергетического оборудования.

Проведенное нами детальное обследование состояния энергетического оборудования (более 20 котлов серии КВГМ), выяснение опыта ведения режимов и объемов обслуживания этого оборудования, а также изучение отчетов наладочных организаций, проводивших пусконаладочные работы, и проведенные по фактическому состоянию оборудования аэродинамические и теплотехнические испытания подтверждают повсеместное наличие вышеназванных проблем этой серии котлов.

котел горелка энергетический оборудование

Решение проблем при работе котла КВГМ-100 с тремя горелками ГМГ 40

В качестве примера приводим установленные причины пульсаций и других негативных факторов работы КВГМ-100, оборудованного тремя горелками ГМГ 40, как наиболее проблемного котла.

1. Наличие блуждающей эжекции высокотемпературных продуктов в аксиальные аппараты горелок с обгоранием лопаток.

«Блуждающая» эжекция в горелки объясняется тем, что воздушные короба горелок «ломают» высокоскоростной поток воздуха (10-25 м/с), создавая зоны высоких и низких давлений. В местах сопряжений этих зон, под действием сил, возникающих при обтекании лопаток аксиального аппарата происходит подсос высокоскоростными потоками, истекающими из напорных участков воздуха из зон низкого давления, создавая тем самым обратные токи из топки в горелки. Этим и объясняется обгорание лопаток. Зона эжекции зависит от нагрузки. Очаги обгорания лопаток определяются долговременностью использования определенных нагрузок.

2. Наличие сильной пульсации во всем диапазоне нагрузок, которая незначительно снижается при увеличении подачи воздуха до =1,3-1,5 за топкой.

Попробуем разобраться в причинах пульсации горения. Нижние две горелки по подводу воздуха схожи с горелками с улиткообразным подводом воздуха. Известно, что тангенциальные и улиткообразные горелки грешат той же эжекцией, причем, нарастающей по силе пропорционально нагрузке их воздухом. Проведем расчеты, предполагая, что все три горелки улиткообразные и влияние аксиальных аппаратов незначительно. Тогда вместо хаотичной эжекции мы получаем концентрическую, степень фокусировки которой в меньшей степени зависит от изменения нагрузки; она зависит от степени крутки:

=a·b/d²,

где a - полувысота; b - ширина воздушного короба; d - диаметр амбразуры горелки.

При увеличении расхода воздуха, т.е. скорости, геометрия обратных токов не меняется. Меняется лишь глубина разрежения пропорционально квадрату скорости потока.

При существующем аксиальном аппарате средняя скорость воздуха из горелки: V_ср.=Q/S, где Q - расход воздуха, принимаемый как 10Q_газ·. Здесь (избыток воздуха в горелке) можно принять 1,1, а Q_газ - это расход газа через горелку. Не вся площадь сечения амбразуры горелки S при улиткообразном подводе пропускает воздух, а лишь S-S_{обр. токов}. Чтобы определить площадь обратных токов S_{обр. токов} необходимо рассчитать степень крутки . В нашем случае =0,6·0,4/0,7²=0,49. Для такой степени крутки площадь обратных токов составляет 16,7%, а доля радиуса обратных токов - 41%. Есть также незначительная зона (5%), где воздух стоит, которой в данном случае пренебрежем.

Тогда среднюю по сечению осевую скорость воздуха определим по уравнению V_ср=10Q_газ·/[(d²/4)·(1-0,167)3600] и получим для минимальной и максимальной нагрузок горелки: V_min=1,1·10·2000/[(3,14·0,7²/4)·(1-0,167)3600]=19,1 (м/с); V_max=1,1·10·4175/[(3,14·0,7²/4)·(1-0,167)3600]=39,8 (м/с).

Понятно, что равномерность скорости в нашем случае весьма условна. При такой скорости воздуха и при наличии аксиального аппарата приходится иметь дело с форсированной турбулентной горелкой, обладающей неустойчивым корнем факела.

Рассчитаем глубину проникновения газовых струй в поток воздуха на минимальной и максимальной нагрузке. Скорости воздуха на этих нагрузках уже рассчитаны, необходимо рассчитать скорость газовых струй, которую усреднено можно принять:

W_газ=Q_газ/(3600s),

где s=21··0,016²/4=0,00422 м², при количестве отверстий n=21, диаметром d_отв=16 мм.

Откуда:

W^min_газ=Q^min_газ/(3600·0,00422)=2000/(3600·0,00422)=131,65 (м/с);

W^max_газ=Q^max_газ/(3600·0,00422)=4175/(3600·0,00422)=274,82 (м/с).

Теперь можно рассчитать глубину проникновения струи газа со средней скоростью W_газ по сечению отверстия в поток воздуха со средней осевой скоростью V_ср по рекомендуемой формуле для перпендикулярного проникновения газа в поток:

h=2,2(W_газ/V_ср)(_г/_в)^0,5d_отв,

где _г, _в - плотность газа и воздуха соответственно; d_отв - диаметр газового отверстия.

Тогда:

h_min=2,2·(131,65/19,1)·0,84·16=203,8 (мм);

h_max=2,2·(274,82/39,8)·0,84·16=204,2 (мм).

Данный расчет показывает, что на любой нагрузке газ попадает в зону эжекции, т.к. 204/350=58,3% (здесь 350 мм - радиус газового коллектора), а мы имеем 41% радиуса обратных токов, прилегающую 5% зону нулевых скоростей и однозначно неравномерность обеспечения воздухом по образующей горелки. Тогда можно предположить, что проблема больших пульсаций не связана с всасыванием продуктов сгорания в горелку. Она связана с образованием локальных зон, где происходит всасывание в горелку газа, смешивания его до взрывных концентраций, хлопков с выбросами больших энергий, что и является причиной сильных пульсаций.

Для подтверждения этой гипотезы был проведен эксперимент. Чтобы отсечь газ от проникновения в горелку, было принято решение установить обечайку на расстоянии 1/2h+10 (мм) от газовых отверстий. Здесь 10 мм - запас, необходимый для возможных зон недостаточных скоростей воздуха, для рассеяния струй газа и воспрепятствования после «отражения» от обечайки, обволакиванию образующей горелки газом с последующим примыканием его к фронтовому экрану. В результате получили снижение пульсации и измененный ее характер.

Причина больших пульсаций определена, а остаточная пульсация, очевидно, результат хаотично блуждающих корней факелов.

При условиях, имеющих место в условно холодной топке, с использованием для горения холодного воздуха неустойчивость горения закономерность. Так как скорость распространения пламени в зоне воспламенения значительно меньше скорости газо-воздушной смеси. К тому же сама смесь неоднородна и не повсеместно находится в необходимом для стабильного горения диапазоне 5-15%. Для обеспечения существования стационарного факела при указанных условиях, необходимо наличие в топке непрерывного мощного источника зажигания, от которого пламя может распространиться по всему сечению горючей смеси.

Итак, произведенные расчеты и опыты позволяют сделать заключение, что пульсация устранима, причем достичь этого можно при хороших экономических показателях работы котлов. Для этого необходимо провести модернизацию горелок с устранением всех вышеизложенных негативных факторов объясняющих первопричины пульсаций.

Практический опыт внедрения комплексной модернизации горелок на котлах серии КВГМ подтвердил возможность устранения пульсаций во всем диапазоне нагрузок с одновременным повышением экономической эффективности работы котлов.

Положительные результаты модернизации горелок, устраняющие вышеперечисленные недостатки работы типовых горелок, позволили нам подать заявку на изобретение горелочного устройства.

Рационализацию и модернизации эксплуатируемых сегодня горелок целесообразно проводить на рабочих местах в соответствии с авторскими решениями и под авторским надзором.

Литература

1. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод). Н.В. Кузнецов.

2. Методические указания по испытаниям котельных агрегатов работающих на природном газе. Минхимпром СССР.

3. Теплотехнические испытания котельных установок. В.И. Трембовля.

4. Методические указания по составлению режимных карт котельных установок и оптимизация управления ими. РД 34.25.514-96.

5. Теплотехнические расчеты по приведенным характеристикам топлива. Я.Л. Пекер.

6. Упрощенная методика теплотехнических расчетов. Н.Б. Равич. М.: «Наука».

7. Экономия топлива на электростанциях и в энергосистемах. А.С. Горшков. М.: «Энергия», 1967.

8. Опыт сжигания газа на электростанциях и в промышленных котельных. БТИ «ОРГРЭС», М., 1962.

9. Теория горения и топочные устройства. Под ред. Д.М. Хзмаляна. М.: «Энергия», 1976.

Размещено на Allbest.ru