Автоматизированная система очистки теплообменных коллекторов в котлоагрегатах

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Автоматизированная система очистки теплообменных коллекторов в котлоагрегатах

Н.С. Толмачев, руководитель проекта, Д.С. Орешкина, инженер по проектам, ООО «Энерлинк»

Рамные конструкции в технологическом процессе котлоагрегатов

Котлоагрегаты (в частности котлы-утилизаторы) нашли широкое применение на тепловых электростанциях, в промышленных и отопительных печах. На рамных конструкциях (трубчатые змеевики-ширмы) пароперегревателя или экономайзера в процессе работы образуются нежелательные золовые отложения, которые приводят к интенсивному загрязнению поверхностей нагрева золовыми частицами и коррозии метала.

При превышении толщины золовых отложений свыше критической, резко уменьшается теплоотдача коллекторной системы. Коррозийная поверхность труб способствует быстрому росту золовых отложений, их утрамбованию.

Период формирования золовых отложений до критической величины, зависит в первую очередь от глубины коррозии в металле труб, от вида сжигаемого топлива и может колебаться от нескольких часов до нескольких месяцев. Система встряхивания коллекторов должна быть быстродействующей и успевать реагировать на изменение параметров зологазового потока, зависящего от технологического режима.

Существующие устройства и способы для удаления отложений с внешней поверхности элементов рам

Молотковая система встряхивания рам не достигает определенной эффективности из-за:

- недостаточный уровень ремонтопригодности;

- при встряхивании рам в ударном взаимодействии участвуют не только массы молотков и элементы рам, но и массы рамы подвеса, что существенно ухудшает динамические характеристики технологического оборудования;

- невозможность установки нескольких уровней встряхивания по высоте рамы. Это существенно снижает надежность и ремонтопригодность;

- большое соотношение массы рамных конструкций и молотка существенно снижает эффективность встряхивания всей системы.

Для поддержания поверхностей нагрева в чистом состоянии, в котлоагрегатах используют обдувочные и обмывочные аппараты, вибраторы. Для очистки ширмовых поверхностей пароперегревателя применяются глубоковыдвижные обдувочные аппараты и пушечная обдувка. Применение многосоплового аппарата с таким давлением и температурой около 600 °С вызывает искривление и деформацию труб пароперегревателя. Для эффективной очистки рамы, требуется динамический напор реагента, величина которой будет превышать реагентную прочность отложении. Это оправданно при регулярном удалении отложений, упрочняющихся за относительно длительный период. Данная система очистки позволяет удалять до 50% отложений. Основной причиной ограничения давления обдувочного пара является опасение интенсивного парозолового износа подвесных труб пакетов.

Устройство дробевой очистки предназначено для регулярной профилактической очистки конвективных поверхностей нагрева от шлакозоловых отложений. Дробевой способ очистки основан на использовании кинетической энергии свободно падающих дробин. Как правило, применяется чугунная дробь округлой формы размером 4-6 мм в поперечнике. Верхний предел размера дробин ограничен в связи с опасностью повреждения металла труб поверхности нагрева. Нижний предел ограничен в связи с опасностью отсеивания дроби. Однако эта система показала неудовлетворительные результаты.

Существенным недостатком пушечной обдувки является то, что она не справляется с интенсивным ошлакованием лобовой части пароперегревателя. Для эффективной очистки рамы от налипшего отложения необходимо воздействовать таким импульсом силы, чтобы разрушить адгезионные связи материала с поверхностью нагревателя. При этом напряжения, возникающие при колебаниях элементов, не должны превышать предела текучести материала.

Этим условиям наиболее полно удовлетворяет магнитно-импульсный способ воздействия на очищаемые поверхности, который положен в основу автоматизированных систем очистки (АСО) (рис. 1).

Рис. 1. Установка автоматизированной системы очистки.

Отличием магнитно-импульсного способа от других методов очистки является возможность получения мгновенного импульса механической силы и регулирования амплитуды силовой нагрузки при малом потреблении электроэнергии.

АСО воздействует на очищаемую раму присоединенной массой возбудителя мгновенной (в течение 1-5 мс) нагрузкой. При этом достаточная для обрушения отложений нагрузка не приводит к пластической деформации торца рамы. Удаление отложений достигается только за счет внутренней энергии упругой деформации очищаемой конструкции.

При широком диапазоне величины импульса достигается необходимая эффективность очистки при большом сроке службы оборудования (до 10 лет и более), а при оптимальных геометрических и электрических параметрах индуктора достигается наивысший КПД преобразования энергии накопителя в механическую энергию колебания очищаемой рамы. АСО имеют существенные преимущества с точки зрения капитальных, эксплуатационных и экологических параметров перед известными устройствами аналогичного назначения.

Ударные нагрузки в рамной конструкции

Всякая упругая гармоническая волна характеризуется амплитудой и частотой колебания частиц среды, длиной волны, фазовой и групповой скоростями, а также законом распределения смещений и напряжений по фронту волны. Из-за внутреннего трения и теплопроводности среды распространение упругих волн сопровождается ее затухание с расстоянием.

По закону Гука напряжение пропорционально деформациям. Если амплитуда деформации в волне столь велика, что напряжения превосходит предел упругости материала, то при прохождении волны в материале появляются пластические деформации и ее называют упруго-пластичной. В нашем случае промежуток времени, в течение которого длится ударная сила, составляет от 0,1 с (молоток) до 0,001 с. Действие ударных сил приводит к значительному изменению за время удара скоростей точек тела. Вследствие этого возникают остаточные деформации, звуковые колебания, нагревание тел, изменение механических свойств, и как критические - появление трещин особенно в сварных швах, разрушение тел в месте удара.

Изменение скоростей точек тела за время удара определяется методами общей теории удара, где в качестве меры механического взаимодействия тел вместо самой ударной силы вводится ее импульс за время удара. С помощью этой теории, зная приложенный ударный импульс и скорости в начале удара, определяют импульсивные реакции связей.

В случае соударения двух тел процесс соударения можно разделить на две фазы. Первая фаза начинается с соприкосновения молотка и наковальни. К концу первой фазы сближение тел прекращается, а часть их кинетической энергии переходит в потенциальную энергию деформации. Во второй фазе происходит обратный переход потенциальной энергии упругой деформации в кинетическую энергию тел.

Что касается АСО, где присоединенная масса заведомо прижата к торцу рамной конструкции, первая фаза определяется только временем разряда источника питания. Если пренебречь эффектом остаточной деформации, то основная деформация в месте контакта распространяется в раме в виде упругих волн со скоростью, зависящей от динамических и волновых свойств материала.

Количественные изменения периода действия силы на раму ведет за собой большие качественные различия в динамике. Сопротивление рамных конструкций ударным нагрузкам зависит и от момента сопротивления и от жесткости элементов. Чем больше деформируемость (податливость) элементов рамы, тем большую силу удара они могут принять при одних и тех же допускаемых напряжениях. Наибольший прогиб балка рамы дает в том случае, когда во всех ее сечениях наибольшие напряжения будут одинаковы, то есть если это будет балка разного сопротивления. Такие балки при одном и том же допускаемом напряжении дают большие прогибы, чем балки постоянного сечения, и значит, могут поглощать большую энергию удара.

Величина силы, вызывающей напряжение в длинных элементах рам, зависит от величины промежутка времени, в течение которого изменяется скорость ударяющейся массы. В свою очередь этот промежуток времени зависит от величины динамической продольной деформации (от податливости элемента). Чем эта величина больше (то есть чем меньше модуль упругости Е и чем больше длина элемента), тем больше продолжительность удара, тем меньше ускорение. С известным приближением можно считать, что при продольном ударе величина напряжений зависит уже не от площади, а от объема элемента. Чем выше амплитуда и чем меньше период силы, тем меньший слой поверхности материала участвует пластической деформации 1 и 2 фазы удара.

Характер разрушения рамных конструкций различный в зависимости от того, как осуществляется нагружения - медленно или быстро. Особенно отчетливо это проявляется, когда нагружения носит ударно-волновой характер и разрушение происходит при взаимодействии волн разрежения, следующих за фронтом ударных волн.

Если внутри полости элемента рамной конструкции будет повышаться давление даже с достаточно большой скоростью удара молотка, то разрушение должно произойти по наиболее тонким сечениям элемента в соответствии с известной истиной сопромата «где тонко там и рвется». Если же произвести мгновенное нагружение элемента с помощью ударных сил длительностью 0,001 с и меньше, то разрушение произойдет по самым толстым его сечениям. Почему? Да потому, что именно в этих сечениях элемента и происходит взаимодействие волн разрушения, возникающих при отражении расходящейся ударной волны от плоских граней.

Отличительные признаки мгновенной нагрузки АСО - передача кинетической энергии осуществляется лишь в поверхностном слое торца коллектора, а затем ударная волна распространяется в соответствии с законом собственных колебаний. В случае же ударной кратковременной нагрузки молоток с ее присоединенной массой, пытается передать кинетическую энергию, преодолевая путь. В этом случае слой вынужденной пластической деформации может превышать в несколько раз.

АСО позволяет увеличить уровень ускорения, возникающих на трубчатых поверхностях рам. Поэтому, в случае перегрузки амплитудная составляющая импульсной нагрузки будет в несколько раз выше, чем у кратковременной, вы можете передать на очищаемую конструкцию много более энергии без разрушения сварных швов и появления пластической деформации.

Высокая скорость приложения ударной силы позволяет создавать повышенные напряжения в материале и тем самым активировать новые механизмы деформации и разрушения, а также перейти от рассмотрения единичных трещин к рассеянным разрушениям.

Рис. 2. До использования АСО.

С 15 июня 2006 г. по 16 июля 2006 г. инженерами Компании «Энерлинк» были проведены промышленные испытания АСО. В ходе проведения испытаний на стенках труб коллекторов котла-утилизатора ГУП «Экотехпром» были полностью очищены две секции экономайзера, а также было удалено порядка 80% отложений на паронагревателе (за исключением ржавых окаменелых отложений) (рис. 2-3).

В течение испытаний было произведено 1500 срабатываний исполнительных механизмов на коллекторные системы паронагревателя и экономайзера. При этом механическая энергия, создаваемая АСО, превышала механическую энергию, создаваемую молотковыми механизмами, в 6 раз. Разрушения сварных швов и нарушение гармоничности коллекторных систем, а также пластической деформации не наблюдалось.

Рис. 3. После использования АСО.

очистка теплообменный коллектор котлоагрегат

Рекомендации к использованию автоматизированных систем очистки

Система встряхивания рамных конструкций должна быть быстродействующей и успевать реагировать на изменения технологических параметров. Условия аэродинамики внутри рабочих камер может изменяться в десятки раз в минуту.

Устройство импульсного встряхивания эффективно воздействует на рамную конструкцию с мачтовой структурой.

Отложения, в частности, в черной и цветной металлургии требуют больших усилий для их отрыва.

Для повышения эффекта ударного взаимодействия коллектор должен подвешиваться эксцентрично по отношению к ударному молотку. Но в связи с тем, что рабочая температура в районе размещения пароперегревателя достигает 550 °С, имеет место температурное расширение и как результат сдвига осей пятака коллектора и штока механизма встряхивания.

Система АСО может быстро отреагировать на увеличение толщины золовых отложений.

Техническая задача применения АСО заключается в том, чтобы повысить эффективность встряхивания рам, в максимальном КПД технологического оборудования, повышении надежности его работы.

Энергию и частоту встряхивания можно легко менять и регулировать с помощью программного обеспечения. Все работы по техническому обслуживанию АСО могут производиться на работающей установке. Работа отдельных встряхивающих исполнительных механизмов (индукторов) АСО могут быть запрограммированы и оптимизированы по параметрам интенсивности и частоты встряхивания с учетом конкретной потребности. Усилие и частота встряхивания могут быть выбраны индивидуально и точно для обеспечения индивидуальной очистки.

АСО позволяет увеличить прочность и надежность рамных конструкций. Размещено на Allbest.ru