Размещено на http://www.allbest.ru/

Технологии футеровки элементов конструкций трубчатых экранов водогрейных котлов серии ПТВМ

профессор, д.т.н. С.В. Бухаров

доцент А.Д. Парашин

Аннотация

B статье представлены некоторые положения новых, современных технологий футеровки для водогрейных котлов серии ПТВМ (пиковый теплофикационный водогрейный котел), полученные на основе научных исследований и их практической отработки более чем на трех десятках действующих котлов в г. Москве.

1. Общая характеристика условий применения

Передача теплоты трубчатым экранам водогрейных котлов определяется в основном лучистым теплообменом между высокотемпературными газами факела и наружной поверхностью труб, покрытых слоем загрязнений.

Условия сжигания природного газа и мазута имеют много общего, что позволяет выполнять котлы для этих видов топлива одинаковой конструкции. Горение природного газа и мазута происходит в парогазовом состоянии (гомогенная среда). Интенсивность горения в обоих случаях определяется условиями перемешивания, а максимальные тепловые напряжения котлового объема имеют близкие значения (300 кВт/м³ - для мазута, и 350 кВт/м³ - для природного газа). Поэтому при одинаковой нагревательной способности котлы, как правило, предназначаются для двух видов топлива (газ - основной, мазут - резервный). Это характерно для котлов серии ПТВМ.

Данные котлы выполняются с вертикальными, горизонтальными или с частично наклонными тепловоспринимающими трубчатыми экранами. Интенсивное горение топлива приводит к образованию относительно небольшой по размерам зоны ядра факела вблизи горелок, которая характеризуется высоким уровнем температур и значительной интенсивностью теплового потока на тепловоспринимающие экраны. Это создает опасность перегрева металла труб и развития высокотемпературной коррозии.

Встречное расположение горелок, установленных в два яруса, обеспечивает оптимальные условия работы экранов. При этом факел концентрируется в центральной части высокотемпературной области котла. Встречное движение факелов горелок способствует турбулизации при догорании топлива в концевых участках факела, и при прочих равных условиях приводит к повышению теплового напряжения в зоне ядра факела на 20-30%. Наличие пережима потока способствует его турбулизации в зоне ядра факела и в зоне дожигания топлива на выходе из котла.

Эффективное излучение тепловоспринимающих поверхностей в водогрейных котлах может достигать 50-60% от величин падающих тепловых потоков. Разность между падающим и эффективным тепловыми потоками представляет воспринятый экранными поверхностями тепловой поток излучения, который передается рабочей среде. Доля восприятия тепла элементом трубчатого экрана характеризуется коэффициентом тепловой эффективности экрана (ш_з). Чем выше значение ш_з, тем выше эффективность работы экранной поверхности, т.е. тем большую долю теплоты экран воспринимает. Значения т|)_э достаточно стабильны для конкретных конструкций котлов при сжигании однородного топлива и могут достигать значений до 0,55 - для мазутов и 0,65 - для природных газов. При этом по высоте котла степень тепловой эффективности экранов неодинакова: она выше в зоне ядра факела и снижается по высоте.

Для футерованных поверхностей экранов в зоне горелок величина ш_з снижается до значений приблизительно 0,2-0,25, а для футерованных зон пода она может снижаться до величин приблизительно 0,1.

Расчетные оценки показывают, что при уровне падающих радиационных тепловых потоков с учетом теплопроводности через слой футеровки (q_пад._max) до 350 кВт/м³, равновесные температуры на внешней поверхности минеральных термостойких материалов не превышают 1850 К (1577 ^ОС). Это предельное максимальное оценочное значение температуры поверхности.

Следует отметить, что реальные значения равновесной температуры внешней поверхности минеральных материалов футеровки в различных зонах экранов реализуются в диапазоне 1200-1800 К (927-1527 ^ОС).

В объеме котла формируется акустическое поле, генерируемое газовым факелом. Максимальный уровень акустического воздействия оценивается до 120 Дб (результаты измерений звукового давления, проведенные измерительным микрофоном в зоне смотрового люка в котле ПТВМ-60 при работе 12 горелок, показали уровень акустического фона в 105 Дб - прим. авт.). Акустические воздействия генерируют в элементах экранных поверхностей и футеровочных покрытиях поле высокочастотных колебаний.

Трубы экранов, при движении в них теплоносителя, генерируют низкочастотные колебания (вибрации). При этом максимальные значения вибраций реализуются в местах изгиба труб.

В процессе запуска котла и выходе его на рабочий режим, а также в процессе отключения, в футеровочных покрытиях формируется поле термомеханических напряжений. Характер вибрационного и термомеханического воздействий на футеровочное покрытие расчетным путем оценить невозможно. Эту оценку можно провести лишь по практическим наблюдениям в процессе эксплуатации конкретных котлов.

футеровка теплофикационный водогрейный котел

2. Конструктивно-технологическое оформление зон футеровки

Конструктивные схемы трубчатых нагревательных экранов котлов серии ПТВМ предусматривают в определяющей степени обеспечение шага расположения труб

где S - расстояние между осями труб, а d- диаметр труб

Однако в отдельных зонах эти условия конструктивно реализовать невозможно. Это, как правило, зоны в окрестности амбразур горелок, в зоне люков-лазов, смотровых лючков, в зонах пода, на границах совмещения вертикальных и горизонтальных (наклонных)экранов. При значениях производится футеровка отдельных зон экранов.

Различия в компоновочных решениях для разводок труб в районах размещения горелок и люков обуславливают уровень вибрационных и тепломеханических нагрузок на элементы футеровки и, как следствие из этого, особенности характера разрушения футеровочных покрытий.

Принципиально технологические схемы для всех видов котлов серии ПТВМ идентичны. Они базируются на основной операции - заделка межтрубного пространства минеральной массой, имеющей в отвержденном состоянии достаточную термическую стойкость и механическую прочность.

Футеровка выступающих труб наклонных экранов, угловых стыков трубчатых панелей имеет определенные особенности только при больших значениях у_э, что приводит к формированию значительных толщин футеровочного покрытия.

Для иллюстрации на рис. 1 представлена картина разрушения футеровочного покрытия в зонах горелок для котла ПТВМ-100. На рис. 2 представлен внешний вид футеровочного покрытия в зоне горелок для котла ПТВМ-50.

3. Термостойкие минеральные композиционные материалы и технологии футеровки

Традиционно футеровочные покрытия для котловых установок изготавливались из глиноземно-шамотных смесей путем разведения их водой до необходимой вязкости. В отдельных случаях в такие составы вводилось жидкое стекло.

Покрытия, изготавливаемые на основе этих материалов, обладают рядом существенных недостатков:

- длительным временем набора полной прочности, которая, к сожалению, не превышает , а в процессе эксплуатации эти значения уменьшаются;

- склонностью к повышенной объемной усадке (до 12%), что приводит к появлению трещин и ослаблению адгезии с металлической поверхностью труб;

- низкой вибрационной и термомеханической стойкостью;

- выполнением своих функциональных задач в период времени, не превышающий одного отопительного сезона.

Для повышения работоспособности футеровочных покрытий был разработан и применен термостойкий материал из класса дисперсно-наполненных МнКМ (минеральные композиционные материалы).

Футеровочный минералкомпозит формируется в виде паст на основе водного раствора коррозионостойкого высокоглиноземистого цемента марки ВГКЦ и смесевого термостойкого, мелкодисперсного наполнителя с пластификатором, смешиваемых в заданных объемных соотношениях.

Футеровочные покрытия формуются из паст, имеющих высокую степень пластичности и липкости, обеспечивающих достаточную технологическую адгезию с металлом труб в процессе нанесения. После полного набора твердости материал обеспечивает адгезионную прочность порядка 2-3,5 МПа. Время начала схватывания пастообразного материала составляет 30-50 мин. в зависимости от его исходной технологической вязкости. Время полного набора прочности при отверждении в составе объекта не превышает трех суток при температуре металла 10-20 ^ОС. Нагрев труб через сутки после нанесения футеровочного покрытия до 40-60 ^ОС (например, за счет циркуляции теплоносителя) способствует уменьшению времени полного набора прочности и повышению его прочности на сжатие в 1,2 раза, а прочности на разрыв до 2-х раз.

Технология формования футеровочных покрытий ориентирована на ручное послойное нанесение, обусловленное конструкцией элементов экранов, малыми габаритами монтажных люков, требованиями электробезопасноси на месте проведения работ.

В связи с ограниченным временем начала схватывания, пасты готовятся из сухих смесей малыми партиями на месте проведения футеровочных работ.

Футеровка производится в три приема: первичное нанесение, чистовая обработка, нанесение упрочняющего, термохимического защитного покрытия. Время выдержки между последующими приемами нанесения составляет не менее 10 ч. в зависимости от температуры внутри котла.

Термохимические, упрочняющие защитные покрытия могут применяться двух видов: минералкомпозиционное и керамическое. Формирование керамического покрытия (перевод его из шликера в керамическое состояние) происходит в процессе запуска горелок, когда температура на его поверхности достигнет 1073 К (800 ^ОС) за счет мгновенного прохождения процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

4. Работоспособность футеровочных покрытий

Работоспособность футеровочных покрытий выражается в сохранении их функциональных свойств при определенных условиях эксплуатации и оценивается некими временными показателями.

Можно отметить два подхода к оценке работоспособности. Первый - это обеспечение защитных функций за определенный календарный период времени (год, отопительный сезон и пр.). Второй подход - это выполнение рабочих функций покрытия при определенном числе «эксплуатационных циклов». Первый подход является обобщенным и не рассматривает особенности эксплуатации конкретного котла. Второй подход базируется на работоспособности элементов футеровки по показателям, устанавливаемым из термомеханического представления модели нагрузок на материалы покрытия при эксплуатации. Основной предпосылкой здесь является временная цикличность работы котла (рабочий режим, вывод в резерв, сезонное отключение). Нагрузки на покрытие действуют только на рабочем режиме. Котел в течение отопительного сезона может определенное количество раз выводиться на рабочий режим (находиться под нагрузкой) и выводиться из него на требуемое по регламенту работы станции время. При этом различные котлы находятся в рабочем режиме различное время и имеют различное количество циклов работы под нагрузкой. Поэтому второй подход базируется на учете количества рабочих циклов и суммарного времени нахождения котла под нагрузкой за контрольный период.

Работоспособность футеровочных покрытий определяется качеством применяемого материала, рациональностью и регламентом выполнения технологий нанесения и в существенной степени зависит от индивидуальных конструктивных особенностей и вибрационных характеристик трубных участков панелей.

Выводы

1. Впервые представлено комплексное рассмотрение работоспособности футеровочных покрытий в составе конструкции водогрейных котлов с трубчатыми нагревательными экранами.

2. Комплексное рассмотрение работоспособности позволило создать эффективный термостойкий материал для формирования футеровочных покрытий.

3. Одним из определяющих факторов, обеспечивающих работоспособность футеровочных покрытий, является сбалансированная технология их нанесения (представленная технология отработана более чем на трех десятках котлов серии ПТВМ различных типов - прим. авт.).

4. Представляется целесообразным рассмотреть возможность перехода от сезонной оценки работоспособности футеровочных покрытий с ежегодными дорогостоящими капитальными ремонтами к оценке циклов и суммарного времени наработки для конкретного котла.

5. Применение минерального композиционного материала для формирования футеровочных покрытий, введение циклического учета работоспособности совместно с технологическим аудитом состояния покрытия, текущий косметический ремонт (заделка трещин, краевых сколов и пр.) позволят обеспечить длительную, надежную эксплуатацию систем с минимальными экономическими затратами.

Литература

1. Резников М. И., Липов Ю. М. Паровые котлы тепловых электростанций. М.: Энергоиздат, 1981.

2. Бухаров С.В., Парашин А.Д., Паньшин А.С. Армированные термостойкие композиционные материалы и технологии их применения // Новости теплоснабжения. 2004. № 8.

Размещено на Allbest.ru