Повышение эффективности водогрейных котлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение эффективности водогрейных котлов

Орумбаев Р.К.

д.т.н., Алматинский университет энергетики и связи

Бахтияр Б.Т.

к.т.н., директор Института теплоэнергетики и теплотехники, Алматинский университет энергетики и связи

Отынчиева М.Т.

докторант, Алматинский университет энергетики и связи

Ключевые слова: водогрейный котел, экологические показатели, экономический эффект.

Keywords: hot-water boiler, efficiency rate, environmental measure, economic benefits.

Водогрейные котлы, предназначенные для получения горячей воды заданных параметров, применяются для систем теплоснабжения и вентиляции, технологических процессов и в коммунально-бытовых котельных. Водогрейные котлы работают по прямоточному принципу с постоянным расходом воды, их устанавливают на ТЭЦ и в районных отопительных и отопительно-производственных котельных в качестве основного источника теплоснабжения.

Котельные заводы Евразийского союза (в основном котельные заводы России) выпускают широкий ассортимент унифицированных по конструкции и отличающихся по тепловой производительности, температуре и давлению воды. В соответствие с ранее действующим ГОСТ 10517 на протяжение десятков лет выпускались чугунные отопительные котлы тепловой производительностью от 0,63 МВт до 1,74 МВт, давлением до 0,7 МПа с температурой воды до 115 °С серий «Братск», «Кировец», «Универсал», «Караганда» и другие. Стальные водогрейные котлы в соответствие с ГОСТ 21563 выпускаются тепловой производительностью 4; 6,5; 10; 20; 30; 50; 100 и 180 Гкал/час (4,65; 7,54; 11,63; 23,2; 34,8; 58; 116 и 208,8 МВт) для работы на газе жидком и твердом топливе.

Гидравлическая схема циркуляции воды в водогрейных котлах тепловой мощностью от 58 МВт предусматривает работу котла как в основном, так и в пиковом режимах с подогревом воды до 150 °С, с максимальным расчетным давлением воды на входе в котел 2,5 МПа и абсолютным давлением воды на выходе из котла 1,02 МПа и с обязательным недогревом воды до кипения 30 °С. При температуре воды на выходе из котла 200 °С, например, для водогрейных котлов тепловой мощностью 209 и 220 МВт (ГОСТ 21563), абсолютное давление воды на выходе должно быть не менее 2,8 МПа, а недогрев воды до кипения, для котлов работающих в пиковом режиме не должен быть менее 20 °С [1, с.32].

В настоящее время проектные и научно-исследовательские центры продолжают заниматься техническим перевооружением действующих водогрейных котлов и разработкой новых конструкций. При нехватке финансовых ресурсов у теплогенерирующих источников предпочтение должно отдаваться модернизации основного оборудования, которая позволяет увеличить экономичность и повысить надежность, промышленную безопасность и улучшить экологические показатели основного и вспомогательного оборудования ТЭЦ и районных котельных без расширения площадей. Как показал анализ, основная часть водогрейных котлов малой и средней тепловой производительности в Республике Казахстан сконструирована в 50-60 гг. прошлого столетия. На протяжении долгих лет в ремонтную компанию менялась только трубная часть указанных водогрейных котлов. Поэтому сейчас проявляются конкретные недостатки и их не полное соответствие современным требованиям. Используемые водогрейные котлы:

- имеют низкий коэффициент полезного действия КПД;

- работают с превышающими расчетными величинами избытка воздуха;

- зачастую не удовлетворяют экологическим нормам по окислам азота NOx и другим вредным выбросам и парниковым газам;

- в исследованных котельных, как правило, отсутствуют системы АСУ ТП по контролю и автоматическому поддерживанию основных параметров работы водогрейных котлов;

- системы АСУ ТП и специального оборудования не имеют выхода для независимого непрерывного объективного контроля (например, вышестоящими органами) за эффективной работой водогрейных котельных;

- у водогрейных котлов башенного типа (ПТВМ-100) площадь радиационных и конвективных поверхностей нагрева относится к суммарной поверхности нагрева котла соответственно Нр/УН = 7,03 % и Нк/УН =92,96 %. Для водогрейных котлов серии (КВ-ГМ-100) это отношение составляет Нр/УН = 11,99 % и Нк/УН = 88,0 %. Причем первый конвективный пакет труб у котлов КВ-ГМ не подвергается прямому воздействию факела.

Поэтому для того чтобы наглядно оценить и спрогнозировать длительную эффективную и надежную эксплуатацию энергетического оборудования, необходимо прибегнуть к реализации современных методов работы нового или модернизированного оборудования с новыми системами АСУ ТП и широкой реализацией новых проектов экономичных и экологически приемлемых водогрейных котельных. Рассматриваемая тема актуальна и востребована с экономической и экологической точки зрения в Республике Казахстан.

Основу модернизации водогрейных котлов средней тепловой мощности могут составить современные достижения в разработке, технологии производства и эксплуатации, заимствованные, в том числе из большой энергетики и практики работы мощных паровых котлов, максимально востребованных на энергетическом рынке. Конкретно в части модернизации водогрейных котлов средней тепловой мощности в настоящее время реализуется применение труб увеличенного диаметра до 38 мм в конвективных пакетах, а также ранее исследованные и предлагавшиеся трубы с наружными продольными и поперечными ребрами. Актуальным становится вопрос применения малотоксичных газовых и мазутных вихревых горелок повышенной единичной мощности и уже имеются единичные примеры их реализации в Казахстане. Как правило, современные горелочные аппараты комбинируют с новыми дутьевыми машинами большой производительности с экономичными электродвигателями с частотным регулированием и системами рециркуляции продуктов сгорания с целью снижения выбросов оксидов азота и подогрева дутьевого воздуха калориферными установками в холодное время сезона при работе котлов на мазуте.

Реализация проанализированных новых систем в котельных и на ТЭЦ в Казахстане сопровождается установкой дополнительного оборудования для осуществления реальных эффективных связей между системами модернизированного котла с дополнительными площадками обслуживания мощных горелок и дутьевых вентиляторов с электродвигателями, воздуховодами с расходомерами, запорной и регулирующей автоматизированной аппаратурой, исполнительными механизмами с клапанами в пределах котла, гарнитурой и тепловой изоляции с обшивкой водогрейного котла.

Рисунок 1. Модернизированный котел ПТВМ-1000

На рис. 1 представлен модернизированный водогрейный котел ПТВМ-100 [2, с.45]. 1 - конвективная поверхность нагрева; 2 - газоплотные экраны топки и конвективного газохода; 3 - шесть горелок вместо 12-ти горелок как у старого котла ПТВМ-100; 4 - две мощные дутьевые машины; 5 - система рециркуляции продуктов сгорания на вход дутьевых вентиляторов.

В настоящем водогрейном котле ПТВМ-100 предпринята скромная попытка увеличения радиационной поверхности Нр стен топки и снижен уровень размещения шести мощных горелок, как ранее предлагалось авторами настоящей работы.

Топочная камера водогрейного котла тепловой мощностью 139,6 МВт экранирована трубами Ш60Ч3 мм с шагом 64 мм и разделена на две равные части двусветным экраном из труб Ш60 мм с шагом 90 мм для увеличения радиационной поверхности. Конвективная поверхность нагрева котла собирается из восьми пакетов размещенных в полностью экранированной конвективной части и набирается из U - образных секций из труб диаметром Ш28Ч3 мм с шагом s1 = 64 мм и s2 = 33 мм. Боковые стены конвективной части закрыты трубами Ш83Ч3,5 мм с шагом 128 мм и являются одновременно стояками конвективных секций.

Рисунок 2. Серийный водогрейный котел КВ-ГМ-139,6-150 (ПТВМ-120Э) [3, с.9].

В водогрейном котле ПТВМ-120Э с добавленным одним двусветным экраном посередине топки площадь радиационной поверхности Нр и конвективной Нк поверхности нагрева относится к общей поверхности нагрева котла как Нр/УН = 10,52 % и Нк/УН =89,48 %.

Водогрейный котел ПТВМ-120Э оборудован шестнадцатью газомазутными горелками, расположенными попарно на фронтовой и тыльной стенке по восемь штук, причем каждая горелка снабжена дутьевым вентилятором. С целью снижения выбросов окислов азота NOx водогрейный котел оборудован устройством рециркуляции газов. Водогрейные котлы ПТВМ-120Э и ПТВМ-60Э выпускаются серийно Дорогобужским котельным заводом №1 ОАО «Дорогобужкотломаш» [4].

Рисунок 3. Новый водогрейный котел КВ-ГМ-125 (ПТВМ-125)

Модернизированный водогрейный котел КВ-ГМ-125 , разработан на кафедре ТЭУ НАО АУЭС. Топочная камера башенного водогрейного котла тепловой мощностью 125 МВт экранирована трубами Ш60Ч3 мм с шагом 64 мм и разделена на три части двумя двусветными экранами из труб Ш57- Ш 60 мм. Конвективная поверхность нагрева котла собирается из пакетов, размещенных в полностью экранированной конвективной части и набирается из U - образных секций из труб диаметром от Ш32Ч3 мм с поперечным шагом 71,5 мм и продольным шагом 36,8 мм. Первый конвективный пакет труб размещен в шахте размером 6230Ч6230 мм, а второй конвективный пакет размещен в шахте с уменьшенным поперечным сечением.

В модернизированном водогрейном котле КВ-ГМ-125 с двумя двусветными экранами площадь радиационной поверхности Нр и конвективной поверхности Нк нагрева относится к общей поверхности нагрева котла уже как Нр/УН = 13,75 % и Нк/УН =86,25 %. Сравнение аналогичных показателей с показателями водогрейного котла КВ-ГМ-100 с П-образной компоновкой показывает превышение отношения Нр/УН = 13,75 на 14,68 % и снижение доли относительной конвективной поверхности Нк/УН =86,25 % на 2%, при равных конвективных поверхностях нагрева составляющих порядка Нк = 2960 м2.

Увеличение доли радиационной поверхности Нр в новом модернизированном башенном котле КВ-ГМ-125, разработанном на кафедре ТЭУ НАО АУЭС, позволяет увеличить тепловую мощность котла в тех же габаритах и обеспечить более надежную работу конвективной части котла. Этот эффект достигается за счет более эффективного использования радиационной составляющей в пределах объема топки путем оптимального использования толщины излучающего слоя и защитой холодными трубами двусветных экранов первого пакета труб.

Существенным достоинством предлагаемых авторами технических решений по модернизации водогрейных котлов башенного типа являются положительные результаты анализа эффективности работы, проведенного на основе управляемых всережимных математических моделей котлов в программе BOILER DESIGNER по расчетной модели котла КВ-ГМ-125 (ПТВМ-125) [5 ].

Разработанные технические решения по модернизации водогрейных котлов такого типа, (аналогичных котлов в Казахстане эксплуатируется порядка 44 штук), допускают поэтапное их внедрение. Особенно это важно для определяющих межремонтный ресурс работы котла позиций, а именно ресурс работы конвективных поверхностей нагрева. Ресурс конвективных поверхностей нагрева и топочных экранов увеличивается почти в 3 раза, при этом обеспечивается экономия на ремонтные работы за счет увеличения межремонтного времени.

Дополнительно к перечисленным преимуществам следует отнести увеличение тепловой мощности при работе на газе на 20% выше номинальной и возможность котлов длительно работать на мазуте без известного ограничения тепловой мощности существующей до настоящего времени для котла ПТВМ-100. Увеличение экономии топлива до 5 - 7 % на природном газе и до 3-5 % при работе на качественном мазуте. При использовании малотоксичных горелок с системами рециркуляции газов и увеличении КПД котлов заметно снижаются вредные выбросы, повышая экологический эффект от модернизации [6, с.15].

Водогрейные теплофикационные котлы башенного типа ПТВМ-100 эксплуатируются широко на ТЭЦ и котельных не только в Республике Казахстан, но и в Российской Федерации, Белоруссии, ряде стран Восточной Европы. На настоящий момент в работе находятся порядка 2000 водогрейных котлов серии ПТВМ мощностью от 58 МВт и до 209 МВт. Большая часть водогрейных котлов этой серии выработали свой ресурс, не соответствуют современным техническим и экологическим требованиям и нуждаются в полной замене или модернизации.

Выводы

1. Выполнен подробный анализ состояния водогрейных котлов средней тепловой мощности серии ПТВМ в Республике Казахстан на ТЭЦ и котельных, выявлены наиболее важные и характерные технические и эксплуатационные недостатки в эксплуатации таких конструкций котлов.

2. На основе проведенного анализа и тепловых расчетов, выполненных по программе BOILER DESIGNER по расчетной модели котла КВ-ГМ-125 (ПТВМ-125) подтверждена правильность выбора и установки двух двусветных экранов с вариантами установки малотоксичных горелок с системами рециркуляции газов и установкой более мощных дутьевых машин.

водогрейный тепловой котел

Список литературы

1. Галдин В.Д. Паровые и водогрейные котлы. Учебное пособие. - Омск, 2011. - 32 с.

2. Щелоков В.И., Ладыничев В.В., Лисейкин И.Д., Тодорович А.В. Модернизация водогрейных водотрубных котлов типа ПТВМ и КВГМ // Новости теплоснабжения. 2004. - № 5.

3. Кибарин А.А.,Орумбаев Р.К.,Орумбаева А.Р.,Орумбаев Ш.Р.,Орумбаева Д.Р. «Водогрейный котел»: Патент РК на изобретение. №30150 . Опубл. 15.07.2015. Бюл. N 7.

4. http://www/dkm.ru

5. Доверман Г.И., Мошкарин А.В., Шелыгин Б.Л., Мельников Ю.В. Расчет котельных агрегатов с использованием современных программных продуктов: Учебное пособие / Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина. - Иваново, 2007.

6. Орумбаев Р.К., Сергеев В.В., Кибарин А.А., Орумбаева Ш.Р., Ходанова Т.В., Коробков М.С.. Повышение эффективности и надежности башенных водогрейных котлов ПТВМ-100. - Алматы, 2018. - 15 с.

Размещено на Allbest.ru