Описание работы нагревательных котлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

1. Развитие конструкций жаротрубных котлов

2. Конструкция ГЖК

3. Исследования

4. Гидравлический режим

5. Работа металла поверхностей нагрева

Список литературы

1. Развитие конструкций жаротрубных котлов

Развитие конструкций паровых и водогрейных котлов в начале своего пути шло по двум основным направлениям - газотрубный и водотрубный способ нагрева теплоносителя. В первом случае продукты сгорания двигались изнутри разделительной поверхности, а вода омывала поверхность нагрева снаружи, во втором случае теплоноситель двигался внутри, а дымовые газы - снаружи. котел нагрев реверсивный металл

Газотрубные котлы обычно делали состоящими из горизонтального цилиндра и двух или трёх труб относительно большого диаметра (жаротрубные котлы) или пучка труб малого диаметра (дымогарные котлы). Большее распространение вначале получили именно жаротрубные котлы, так как ручная колосниковая решётка располагалась внутри жаровых труб, и в результате этого удавалось получить высокоэффективную радиационную поверхность нагрева, экранирующую пламя практически полностью. В этом случае при глубоком охлаждении дымовых газов отпадала необходимость установки и последующего ремонта огнеупорной кладки.

Тип котлов с дымогарными трубками обычно позволял получить в единице объёма основного барабана большую поверхность нагрева (150…180 м2) в сравнении с жаротрубными котлами с барабаном одинаковой длины. Следовательно, при тех же размерах паропроизводительность была выше.

Наибольшую поверхность нагрева (до 300 м2) имели комбинированные газотрубные котлы, у которых топкой являлась жаровая труба, а конвективной поверхностью - дымогарные трубки. Однако в обоих случаях паропроизводительность лимитировалась величиной 2…4 т/час из-за роста габаритов топки и увеличении металлоёмкости котла. Другой сдерживающей причиной роста распространения таких котлов являлась трудность обеспечения высоких параметров пара из-за металлоёмкости основного барабана и сложностью выполнения прочных днищ (особенно в дымогарных котлах).

Наибольшим распространением комбинированных газотрубных котлов являлись паровозные котлы; при достаточно сложной конструкции и массивности укрепляющих связей известны случаи производства парового котла для паровоза ФД в 1931 г. паропроизводительностью до 20 т/ч.

В последних случаях кроме всего приходилось форсировать топку, чтобы получить высокую паропроизводительность. Соответственно КПД таких котлов был низок (50…60%).

Среди промышленных котлов, наиболее часто встречавшихся в СССР, являются горизонтальные жаротрубно-водотрубные котлы КВ-200М, «Кивиыли» и др.

Наряду с горизонтальным расположением котла следует упомянуть и о вертикальных газотрубных котлах малой мощности, сконструированных ещё в 19 веке и, тем не менее, до сих пор встречающихся на харьковских предприятиях. Одними из наиболее удачных котлов этого типа был вертикальный котел Шухова и ряд котлов, являющихся продолжением такой конструкции. В этом случае верхняя часть жаровой трубы проходит сквозь паровое пространство и, следовательно, плохо охлаждается. Поэтому температура газов, проходящих по этой части трубы, должна быть невысокой (при длительной работе не выше 500--550° С). Для снижения температуры размещали в жаровой трубе дополнительную поверхность нагрева, обычно в виде пучков наклонных труб, омываемых газами снаружи.

Перечисленные недостатки привели к тому, что на долгое время от использования жаротрубных и дымогарных котлов отказались, они были полностью сняты с производства, и в СССР была принята концепция использования водотрубных конструкций котлов. Такие котлы при их установке в котельной подлежали обмуровке кирпичом или нанесением защитного покрытия слоем жаростойкой изоляции.

На Западе была принята иная концепция. Такая концепция наряду с сохранением выпуска водотрубных котлов предполагала выпуск для собственных нужд и, особенно для продажи на внешнем рынке компактных готовых к установке и внедрению котельных установок высокой эффективности. Таким образом, был налажен выпуск и внедрение газоплотных котлов с одной автоматизированной блочной горелкой (реже - с двумя), не требующих установки высокозатратных дымососов и регулирования разрежения в топке, и приходящих к покупателю уже защищенными слоем современной тепловой изоляции.

2. Конструкция ГЖК

Среди разнообразия производителей газовых жаротрубных котлов в то же время схемы движения дымовых газов и воды похожи. Для большинства котлов (КСВа «ВК-34», «Колві», «Вулкан», РИО, SuperRAC, некоторые модели Vitoplex) - это двухходовая схема с реверсивной топкой или инверсией пламени, рис.1. Обычно в таких схемах топка расположена строго соосно с корпусом котла или в нижней части корпуса. Продукты сгорания достигают плоского дна топки, разворачиваются и по периферии поступают к передней крышке котла. Далее, дымовые газы разворачиваются на 180° и поступают в конвективный газоход - в дымогарные трубы второго хода. Пройдя второй ход, газы поступают в сборный дымовой короб и, оттуда, в газоход и дымовую трубу. Расположение дымогарных труб может выполняться как симметрично по отношению к оси котла, так и отдельным пакетом, расположенным выше топки. Передняя стенка может быть водоохлаждаемой, как, например, для котлов «РИО», «Ника» или «ВК», так и неохлаждаемой, с усиленной футеровкой.

Рис. 1. Схематический разрез двухходового жаротрубного котла с реверсивной топкой и коаксиальным расположением второго хода дымогарных труб. Передняя дверца - неохлаждаемая.

Следует отметить, что в некоторых моделях ГЖК («Ника» и др.) дымовые газы из жаровой трубы попадают в дымогарные трубки, поворачиваясь в задней крышке, поступают к фронту. Далее по газоходу, расположенному над наружной обечайкой, удаляются в сборный газоход. Соответственно, задняя крышка в этом случае делается либо водоохлаждаемой, либо с усиленной футеровкой.

Жаровая труба и дымогарные трубы в местах прохода через переднюю и заднюю стенки имеют сварные соединения. Жаровая труба, проходя всем сечением через заднюю стенку, образует, таким образом, большую демпфирующую поверхность, выполняющую функцию продольного анкера.

Вовнутрь дымогарных труб, чаще помещают спиралеобразные турбулизаторы (турбуляторы) для интенсификации теплообмена.

Котлы КСВа «ВК» выпускаются нескольких модификаций. Модель КСВа «ВК-34» -стандартные ГЖК с реверсивной топкой и расположением дымогарных труб второго хода отдельным пакетом выше жаровой трубы, в моделях КСВа «ВК-21», «ВК-22» - модели с реверсивной топкой, дымогарные трубки второго хода расположены по окружности симметрично к оси котла.

Модель котла КСВа «ВК-32» совмещает в себе как дымогарные, так и водотрубные нагревательные элементы. Так, топкой котла, является пространство, образованное газоплотными цельносварными водотрубными панелями и верхней обечайкой барабана с дымогарными трубами, рис.2.

Конвективной частью котла являются дымогарные трубки, расположенные в барабане-теплообменнике.

Рис. 2. Фотография топочного пространства котла ВК-32

Конструкция трехходового котла, по сравнению с двухходовым у большинства производителей, имеет большую конвективную поверхность нагрева (дымогарных труб) и за счет этого позволяет увеличить глубину охлаждения дымовых газов и повысить на 1-3 % КПД котла. Большего значения КПД удается 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 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 приводят 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 расчетном 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 надежными 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 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). Также они 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 ее 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 ее работы, с учетом необходимого напора для преодоления аэродинамического сопротивления газового тракта котла и метода регулирования нагрузки.

Низкие скорости движения теплоносителя, большие объемы 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 расчетные параметры воды с температурой +95 °C максимальные значения локальной температуры воды могут составлять ~130 °C, а при +105 °C - ~145 °C. Под пористыми шламовыми отложениями (и накипью) температуры металла стенки трубы и воды еще выше, что ведет 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 и 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 (мг-экв)/л.

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 комплексной обработки даже при наличии шламоотделителей в схеме и 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 расчетной 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 котел температуры точки росы дымовых газов на 5 °C.

Рассматриваемые вопросы не только касаются проектирования и организации работы жаротрубных котлов, но напрямую связаны с режимами эксплуатации с позиции обеспечения технологических процессов. Так, позиционное регулирование отпускаемой потребителям мощности при режиме эксплуатации горелки «включено-выключено» объективно существенно сокращает ресурс работы котла, учитывая цикловую усталость металла. Однако иногда и использование модулируемых горелок, особенно в реверсивных топках, может на пониженных нагрузках вызывать преждевременный разворот факела вблизи горелки, а следовательно, перегрев отдельных участков топки и фронтовой трубной доски. Аналогичный процесс развивается при значительных разрежениях 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 - при удалении турбулизаторов, изменении 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;

- без контроля утечек в тепловых сетях и без очистки сетевой воды от шлама, без периодической продувки.

3. Исследования

Многочисленные обследования жаротрубных котлов показали некоторые особенности их эксплуатации.

4. Гидравлический режим

Основной особенностью гидравлического режима ГЖК является низкое гидравлическое сопротивление котла (не более 0,5 кгс/см2). Это вызвано относительно малой величиной местных сопротивлений. Соответственно, это позволяет применять насосы меньшей мощности, что приводит снижению стоимости котельной и к экономии электроэнергии при эксплуатации.

Основная причина высокого процента выхода из строя ГЖК при работе на жесткой и загрязненной сетевой воде, по сравнению с водотрубными и чугунно-секционными котлами, заключается в низкой скорости воды в межтрубном пространстве (естественная циркуляция), и в наличии застойных зон.

У жаротрубного котла скорость воды очень мала, и он фактически работает как фильтр-осадитель шлама, частиц накипи и т.д. При включении в работу таких котлов по одноконтурной схеме со старой тепловой сетью, имеющей многолетнее накопление шлама в нижней части радиаторов и сетевых трубопроводах, будет иметь место осаждение взвешенных веществ и покрытия ими нижних дымогарных труб ГЖК. Температура этих труб начинает превышать температуру верхних, давление перегретых труб на трубную доску и напряжение в сварных швах резко возрастают. Снижение охлаждения дымовых газов вызывает локальный перегрев трубной доски. В результате больших напряжений в металле мостиков трубной доски между соседними отверстиями и, иногда, в сварных швах появляются микротрещины, которые в дальнейшем увеличиваются до сквозных. При условии значительного осаждения шлама или накипи и покрытия ими жаровой трубы, металл этих зон плохо охлаждается, образуются отдулины.

Примечателен тот факт, что если для водотрубного котла загрязнение внутренних поверхностей нагрева и рост сопротивлений при высоких скоростях можно обнаружить по показаниям манометров, для ГЖК при низких скоростях такое сопротивление незначительно, факт загрязнения не обнаруживается по показаниям манометров - его можно обнаружить только путем вскрытия и визуального осмотра.

5. Работа металла поверхностей нагрева

Особенностью ГЖК является высокая плотность теплового потока в жаровой трубе котла, которая примерно в 3-4 раза выше, чем у водотрубных котлов. Именно за счет этого и значительно снижены габариты и удельный вес современных жаротрубных водогрейных котлов. За счет таких высоких тепловых потоков, а также за счет наличия свободно­го движения воды в котле, на поверхности жаровых труб и поворотных камер может наблюдаться пристенное кипение. В некоторых котлах кипение воды наблюдается также на поверхности газотрубных пучков в местах их крепления на трубной доске первой поворотной камеры.

Однако по выше изложенным причинам при ухудшенной водоподготовке и одноконтурной схеме включения котлов, если в воде находятся соли жесткос­ти, при кипении воды на поверхности образуются плотные кальциевые отложения, которые существенно увеличивают термическое сопротивление стенки. Для котлов КСВа «ВК» один миллиметр накипи при высоких тепловых потоках в жаровой трубе увеличивает температуру стенки -- на 100 -120 °С. При толщине накипи 3 мм и более температура металла достигает уже 500 и более °С, при этом углеродистая сталь теряет свою прочность, на жаровых трубах появляются вздутия, трубные решетки поворотной камеры коробятся, а трубы газотрубных пучков перегорают. Такие же проблемы возникают при эксплуатации импортных котлов. На семинаре компании Viessmann представители фирмы демонстрируют типичные нарушения водоподготовки, при которых происходило ухудшение состояния металла поверхностей нагрева ГЖК - трещины в трубной доске, перегорание труб газотрубных пучков и др., в финале - полное разрушение котла.

Так же жаротрубные котлы имеют много других особенностей, в частности отсутствие методики расчета таких котлов, поскольку все существующие на сегодняшний момент методик были созданы для расчета больших энергетических котлов и при применении их для малых котлов возникает очень большая погрешность.

Во многих случаях по той же причине отсутствия методик расчета, установленная мощность горелки превышает тепловую мощность котла, что приводит к ухудшению условий работы: повышенной температуре уходящих газов, прогару задней стенки котла, перерасходу топлива, повышенной себестоимости тепла и частому ремонту котла.

Все это требует детального изучения режимов работы котла и горелочных устройств.

Важнейшей особенностью котлов малой мощности являются 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 ее объему обратно пропорционально ее характерному размеру. Следствием этого является тот факт, что в малых котлах видимые тепловые напряжения топочного объема 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 (qн = ~200 кВт/м2) примерно соответствуют видимым тепловым напряжениям поверхностей нагрева мощных котлов.

Водогрейная котельная техника представлена на российском рынке двумя основными типами котлов: водотрубными и жаротрубными.

Водотрубные котлы определенное время были основным типом отечественной водогрейной техники. В области малых мощностей такое положение дел себя не оправдало: с производства были сняты устаревшие котлы ТВГ, ТГ, НР 18, ЗиО 60 и др. Однако ряд конструкций котлов малой мощности серии КВ ГМ продолжает выпускаться. Отечественные разработки водогрейных котлов преимущественно представлены водотрубными котлами, выпуск которых осваивают как крупные заводы («Дорогобужкотломаш», Бийский котельный завод, «Вольф ЭнерджиСолюшен» 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.

Использование жаротрубных котлов с наддувнойгазоплотной топкой, принцип действия которой основан на применении автоматизированных горелочных устройств, оснащенных встроенными (или комплектными) дутьевыми вентиляторами, позволяет работать без дымососов с регулированием параметров горения при переменных нагрузках, сохраняя высокую эффективность с КПД 92-95 %.

Заводы-изготовители переходят на большие объемы выпуска жаротрубных котлов, активно осваивают зарубежные технологии, покупают и перерабатывают под российские нормативы техническую документацию известных фирм, продукция которых пользуется спросом и хорошо себя зарекомендовала на рынке. Например, трехходовые котлы ФР-10, ФР-16, выпускаемые по технологии компании «Финрейла» (Финляндия), котлы GKS Dynaterm, Eurotwin производства «ВолфЭнерджиСолюшен» по технологии компании WOLF (Германия).

Конструктивные схемы практически всех водогрейных жаротрубных котлов предполагают размещение в водяном объеме 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 объему считается первым ходом как для топок с осевым пролетным (без разворота факела) движением газов, так и для тупиковых реверсивных топок (с разворотом факела на 180° в задней части внутри топки к фронту котла) (рис. 3). Таким образом, 2 ходовые схемы предполагают один ход продуктов сгорания по конвективным жаровым трубам, а 3 ходовые - два хода с разворотом продуктов сгорания между пучками дымогарных труб на 180° (рис. 4).

Рис.3

Схема газоходного тракта 2-ходового котла с реверсивной топкой

Важнейшие недостатки жаротрубных конструкций обусловлены малой скоростью движения теплоносителя во внутреннем водяном объеме котла, имеющем значительный объем (удельный объем воды от ~0,5 до ~1,5 м3/МВт) и большое расчетное 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 условиям недопущения пристенного вскипания воды гораздо ниже, чем у водотрубных котлов, и является основным фактором, определяющим надежную и безаварийную работу котла (наряду с загрязнением поверхностей со стороны воды накипью и шламовыми отложениями и др.).

Рис. 4

Схема газоходного тракта 3-ходового жаротрубного котла

Список литературы

1. Васильев А.В. Особенности водного режима при эксплуатации современных жаротрубных водогрейных котлов". //Новости теплоснабжения. - 2002, № 4 (20). - С. 50-52.

2. Жаднов О.В. Опыт оптимальной организации водно-химического режима отопительных котельных малой и средней мощности». //Новости теплоснабжения. - 2007, № 5.

3. Ширяев Р. Основные причины аварий «жаротрубников». // По материалам журнала АкваТерм - 2005, Июль-Август № 4 (26)

Размещено на Allbest.ru