Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт технической теплофизики НАНУ

Экспериментальные исследования и опытная эксплуатация комбинированного водогрейного водотрубно-дымогарного котла

к.т.н. А.И. Сигал, начальник отдела ТФПК

А.В. Каныгин, ведущий инженер

Г. К. Саенко, заместитель главного инженера

Введение

Одной из распространенных конструкций газотрубных котлов является конструкция с использованием встроенных трубных пучков. Появление такой конструкции относится к началу прошлого века и было обусловлено необходимостью получения дополнительных поверхностей нагрева в пароперегревателях и кипятильных трубах паровых котлов, либо улучшения циркуляции воды внутри котла при помощи водоподъемных труб, располагавшихся внутри жаровой трубы.

Жаротрубно-дымогарные котлы, имеющие в своей конструкции трубные пучки, относятся к классу комбинированных котлов [1, 2]. Как правило, такие сравнительно компактные агрегаты ранее использовались в качестве парогенераторов и находили широкое применение на передвижных установках, локомобилях, паровозах, а также на водном транспорте [2].

1. Конструктивные особенности комбинированного котла

В результате исследовательских работ, проведенных специалистами Института технической теплофизики национальной Академии наук Украины (ИТТФ НАНУ), был разработан котел КВВД-0,63 Гн (рис. 1) - водогрейный водотрубно-дымогарный котел номинальной теплопроизводительностью 630 кВт с принудительной циркуляцией теплоносителя. Котел рассчитан для работы на природном газе или жидком топливе и предназначен для получения горячей воды с температурой до 95 ОС и давлением до 0,6 МПа для отопления, технологических нужд и горячего водоснабжения.

В топочной камере между задней и передней кольцевыми водяными камерами вварены 36 экранных труб, формирующих экранный топочный пучок и разделенных на 12 трехходовых элементов. Обратная сетевая вода подается в заднюю водяную камеру, проходит в переднюю водяную камеру, назад в заднюю и снова в переднюю. Трехходовая схема в отличие от одноходовой позволяет увеличить скорость движения теплоносителя в трубах и не допустить его вскипание. Из передней камеры вода через 12 радиально расположенных отверстий далее поступает в водяной объем корпуса котла. Внутренняя поверхность двери покрыта огнеупорной футеровкой.

При работе котла факел горелки находится в кольцевой экранной камере (внутри экранного топочного пучка), которая закрыта с тыльной стороны. Камера работает под избыточным давлением дымовых газов (под наддувом). Дымовые газы из камеры поступают в две огневые трубы, затем в поворотную камеру и по дымогарным трубам удаляются в дымовую коробку, расположенную с задней стороны котла.

В дымогарные трубы котла вставлены пластинчатые турбулизаторы (завихрители), которые придают потоку газов турбулентность и обеспечивают более тесный контакт между газами и стенками дымогарных труб. За счет использования турбулизаторов удается улучшить условия теплообмена в дымогарных трубах.

В качестве горелочного устройства была применена двухступенчатая газовая блочная вентиляторная горелка и система электронной автоматики производства одной из итальянских фирм. Автоматика выполняет полный цикл розжига, пуск на первой ступени (малое горение), переход на вторую ступень (большое горение), отключение горелки котла (при достижении установленной температуры сетевой воды на выходе), последующую продувку газодутьевого тракта котла, а также защитное отключение подачи газа при аварийных ситуациях. Возможно подключение электронного устройства для регулирования температурного режима теплосети с учетом температуры наружного воздуха (погодозависимое регулирование), что позволяет эксплуатировать котел в автоматическом режиме.

2. Испытания котла

Для проведения приемочных и сертификационных испытаний был изготовлен и смонтирован опытный образец котла КВВД-0,63 Гн в районной котельной (г. Киев, пр. Науки, 24). Наряду с новым котлом в котельной эксплуатируются 7 ранее установленных водогрейных котлов НИИСТУ-5 тепловой мощностью по 0,56 Гкал/ч (0,65 МВт).

Суммарная мощность котельной после установки нового котла составила 4,46 Гкал/ч (5,19 МВт). Топливом является природный газ. На рис. 2 представлен котел КВВД-0,63 Гн, установленный в помещении котельной.

Основные результаты теплотехнических испытаний котла КВВД-0,63 Гн при работе на природном газе приведены в таблице. В правой части таблицы приведены данные испытаний типового современного жаротрубно-дымогарного котла КВа-0,63 Гн (Гс) при работе на расчетной нагрузке [3]. Сопоставление этих результатов тем более интересно, что котел КВа-0,63 Гн (Гс) имеет сходную конструкцию (за исключением отсутствия в его топке трубного пучка) и оснащен аналогичным горелочным устройством.

3. Эффективность конструктивных решений

Разработанная конструкция топки котла в комплексе с горелочным устройством позволила:

¦ выйти на устойчивый и весьма низкий показатель избытка воздуха (б=1,08 против б=1,11ч1,13, характерного для подобного оборудования) без нарушения удовлетворительного горения и роста количества вредных выбросов в дымовых газах в режимах, близких к расчетным;

¦ повысить фактическую полезную тепловую нагрузку котла на 4,6% по отношению к расчетной (678 кВт фактической нагрузки против расчетной 630 кВт) без ухудшения прочих теплотехнических показателей;

¦ снизить содержание оксидов азота в уходящих дымовых газах на 20 ppm по отношению к типовому жаротрубно-дымогарному котлу с жаровой трубой, не имеющей экранного топочного пучка (57 ppm против 77 ppm);

¦ сделать допустимой и надежной длительную работу поверхностей нагрева котла при понижении температуры обратной сетевой воды до 48 ОС (при работе котла на расчетной нагрузке и расчетном расходе сетевой воды) без дополнительных изменений режимов работы котла;

¦ значительно уменьшить тепловую инерцию котла.

Применение экранного топочного пучка в конструкции топки дало возможность интенсифицировать топочный теплообмен за счет введения дополнительных поверхностей нагрева, работающих в данном случае в жаровой трубе не только как лучевоспринимающие, но и как конвективные поверхности [1, 4]. Передача тепла конвекцией в топке котла осуществляется не только при движении газов вдоль жаровой трубы. Интенсивный конвективный теплообмен происходит и при поперечном омывании газами той части экранного топочного пучка, которая примыкает к огневым трубам и образует подобие топочного фестона.

График изменения КПД котла «брутто», построенный по обратному балансу котла в зависимости от нагрузки, представлен на рис. 3. Там же для сравнения приведены характеристики КПД других трехходовых котлов, оснащаемых блочными вентиляторными горелками. Для минимизации влияния конструкции горелочного устройства на качественные характеристики процесса горения, происходящего в топке, было подобрано котельное оборудование, оснащенное горелочными устройствами одинаковой серии.

газотрубный котел топочный горелка

На этом рисунке характеристика КПД «брутто» котла КВВД-0,63 Гн в диапазоне нагрузок 70-104% имеет самый крутой наклон к оси абсцисс по сравнению с характеристиками других котлов. Последнее обстоятельство объясняется теплофизическими отличиями процессов теплообмена, проходящих в жаровой трубе-топке, оснащенной экранным топочным пучком в сравнении с топкой типового жаротрубно-дымогарного котла. Такой вывод был сделан после сопоставления характеристик КПД котла КВВД-0,63 Гн при его работе с турбулизаторами разных конструкций, что позволило исключить влияние конструкции турбулизаторов на наклон характеристики КПД. Характеристика КПД при работе с турбулизаторами другой конструкции имела аналогичный наклон. Динамика изменения КПД котлов определяется главным образом изменением температуры уходящих газов. Поэтому котел с более крутой характеристикой КПД (водотрубно-дымогарный котел) допускает и более экономичную работу при пониженных нагрузках.

4. Сравнение турбулизаторов различных конструкций

Для интенсификации теплообмена в дымогарных трубах котла при проведении пусконаладочных работ опробовались турбулизаторы двух конструкций:

а) винтовые - представляющие собой стальные полосы шириной 44 мм с длиной рабочей части турбулизатора 1350 мм и шагом крутки на 180О, равным 270 мм, изготовленные из металла толщиной 1 мм;

б) пластинчатые - представляющие собой стальные квадратные пластины (со стороной квадрата 30 мм), надетые на стальной стержень диаметром 6 мм, шаг между пластинами составлял 150 мм, соседние пластины были повернуты по отношению друг к другу на 45О, длина рабочей части турбулизатора равнялась 1050 мм.

В опытах с турбулизаторами различных типов при выполнении пусконаладочных работ коэффициент избытка воздуха находился в диапазоне от 1,08 до 1,2. Влияние лучистого теплообмена на коэффициенты теплоотдачи в опытах было незначительным и не учитывалось, т.к. доля лучистого теплообмена в коэффициенте теплоотдачи в условиях опытов не превышала 10%.

На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что прирост аэродинамического сопротивления пучка дымогарных труб при переходе от одного типа турбулизаторов к другому значительно опережает прирост коэффициента теплоотдачи и при прочих одинаковых условиях ведет к понижению КПД «брутто» котла.

В рассматриваемом случае аэродинамическое сопротивление пучка дымогарных труб при переходе котла от работы без турбулизаторов к работе с турбулизаторами пластинчатого типа возросло в 8,3 раза, а коэффициент теплоотдачи при этом увеличился только в 2,4 раза. Турбулизаторы винтового типа не обеспечивали требуемой интенсивности теплообмена в дымогарных трубах. Так при работе котла под нагрузкой 512 кВт (81% от расчетной нагрузки) и б=1,13 температура уходящих газов составляла 183 ОС. Сходные по конструкции турбулизаторы в жаротрубно-дымогарных котлах германской фирмы обеспечивают при таких нагрузках понижение температуры дымовых газов до 166 ОС. Поэтому для удовлетворительной организации теплообмена турбулизаторы винтового типа, подобные испытанным, должны иметь более интенсивную крутку. К сожалению, это не всегда достижимо при изготовлении турбулизаторов в условиях рядовой слесарной мастерской без специальной оснастки. Следует сказать, что применение турбулизаторов винтового типа в жаротрубно-дымогарных котлах весьма желательно, поскольку они, при всех прочих одинаковых условиях, создают меньшее аэродинамическое сопротивление и благодаря этому в меньшей степени влияют на работу горелочного устройства.

Применение турбулизаторов пластинчатого типа дало более существенный эффект. Так при длине их рабочей части равной 1050 мм (54% от общей длины дымогарных труб) температура уходящих газов за котлом не превышала 167 ОС при работе котла на нагрузке 678 кВт (таблица). Однако рост аэродинамического сопротивления тягодутьевого тракта котла при переходе от винтовых турбулизаторов к пластинчатым оказался весьма значительным и составил 25-30 мм вод. ст.

Заключение

Опытный образец котла КВВД-0,63 Гн находится в опытной эксплуатации с октября 2005 г. и на момент написания статьи имел наработку 8720 часов. По отзывам обслуживающего персонала, котельный агрегат стабильно несет нагрузку, выдерживает заданную температуру сетевой воды и требует минимального обслуживания. Отмечено особое удобство в использовании котла при несении низких тепловых нагрузок (нагрузки горячего водоснабжения в летний период), а также при его работе в режиме пиковой теплогенерирующей мощности. В этом случае регулирование температуры сетевой воды происходит в автоматическом режиме путем периодического включения (переключения)

горелочного устройства. Работа устаревших котлов типа НИИСТУ-5 в этой котельной в таких режимах не представляется возможной.

В конструкции котла отсутствуют массивные и теплоемкие элементы, благодаря чему котел обладает незначительной тепловой инерцией. Поэтому внезапная остановка котла с прекращением расхода сетевой воды не приводит к вскипанию водяного объема в отличие от котлов НИИСТУ-5, где в таком случае котел приходится принудительно охлаждать.

По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

¦ котел прост в изготовлении и может производиться предприятиями коммунальных тепловых сетей;

¦ обладает хорошими экологическими показателями (соответствует требованиям европейских норм «Blue angel» по выбросам NOx и CO, которые в соответствии с этими нормами не должны превышать величин 57 и 72 ppm соответственно), высоким уровнем автоматизации технологического процесса и может считаться оборудованием европейского класса;

¦ котел может быть рекомендован для замены устаревших водогрейных котлов типа «Минск-1», «НИИСТУ-5», «Универсал», «Энергия» и др.

Для более глубокого изучения теплотехнических характеристик топки котла КВВД-0,63 Гн и достижения еще более высоких экологических показателей весьма желательно исследовать работу топки с различными современными горелочными устройствами, в т.ч. иностранного производства, обладающими низкими выбросами оксидов азота.

Литература

1. Бузник В.М. Судовые парогенераторы. Л.: Судостроение, 1970. 480 с.

2. Ковалев А.П., Катковская К.Я., Котельные агрегаты, часть вторая. М-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1950. 204 с.

3. Протокол № 382/06 ВКС вiд 09.11.06. Державне гос-прозрахункове пiдприємство Сертифiкацiйний випробу-вальний центр опалювального обладнання (ДГП СВЦОО), 2006. 19 с.

4. Гурвич А.М. Теплообмен в топках паровых котлов. М-Л., Государственное энергетическое издательство, 1950. 175 с.

Размещено на Allbest.ru