Водогрейные котлоагрегаты малой мощности. Теплотехнические особенности применения
П. А. Хаванов, профессор, доктор техн. наук, МГСУ, tku@mgsu.ru
Значительные объемы нового строительства в России, привлечение к строительству малых предприятий и частных инвесторов и соответствующее формирование инвестиционной политики обусловили на большинстве строящихся объектов применение автономных отопительных котельных – от квартирных и коттеджных до РТС, а также источников теплоты на реконструируемых объектах, преимущественно с водогрейными котельными агрегатами малой мощности (до 20 МВт). В статье рассмотрены особенности основных типов котлов, представленных на российском рынке, – водотрубных и жаротрубных.
Важнейшей особенностью котлов малой мощности являются тепловые режимы топок и связанные с ними физико-химические процессы горения, обус-ловленные 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/м 3 и выше (на газе и жидком топливе), при этом тепловые напряжения поверхностей нагрева в топке (qн =
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 Энерджи Солюшен» 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.
Водотрубные водогрейные котлы
Основные преимущества водотрубных водогрейных котлов обусловлены организованным гидравлическим режимом в трубных водяных контурах, что позволяет, используя насосные схемы принудительной высокоскоростной циркуляции (в том числе с рециркуляцией), обеспечить допустимые тепловые (температурные) режимы, уменьшить негативные процессы загрязнения теплопередающих поверхностей со стороны теплоносителя, снизить требования по общей жесткости циркуляционной воды. В то же время в водотрубных котлах необходимо строгое соблюдение гидравлического режима движения теплоносителя, исключающего его вскипание на поверхностях нагрева, что, как отмечалось, для котлов малой мощности особенно важно на теплонапряженных участках топочных поверхностей нагрева. При обосновании скоростного режима необходимо ориентироваться на трубы с отпускным движением теплоносителя, в которых при указанных условиях теплообмена (qн =
200 кВт/м 2 ) скорость движения теплоносителя должна быть по известным зависимостям (рис. 1) не менее 1,25–1,35 м/с.
Схема водотрубного водогрейного котла и номограмма минимально допустимых скоростей воды в обогреваемых трубах водогрейных котлов
Такой гидравлический режим обуславливает достаточно высокое гидравлическое сопротивление водотрубного водогрейного котла (обычно в пределах 0,5–1,5 бар). Причем не только в расчетном режиме, но и при всех промежуточных режимах работы с частичной или даже минимальной мощностью. Постоянный гидравлический режим, пожалуй, наиболее важный фактор, обеспечивающий надежную работу всей трубной системы водогрейного водотрубного котла.
Ряд конструкций водогрейных водотрубных котлов поставляются производителем в виде нескольких укрупненных блоков, что требует дополнительных затрат при доставке котла, его сборке и монтаже на строительной площадке.
Последнего недостатка лишены жаротрубные водогрейные котлы, полностью изготавливаемые в заводских условиях и поставляемые в виде компактной моноблочной конструкции, часто с уже смонтированной тепловой изоляцией, внешней оболочкой, опорной рамой и пр. Это делает конструкцию привлекательной для потребителя, существенно упрощает монтаж оборудования в котельной.
Жаротрубные водогрейные котлы
Использование жаротрубных котлов с наддувной газоплотной 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 «Волф Энерджи Солюшен» 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. 2). 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. 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
1,5 м 3 /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.).
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
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 комплексонной 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
Недопустимы нарушения режимов эксплуатации котлов:
Жаротрубно-дымогарные (жаротрубные, газотрубные) котлы получили своё название как отражение конструктивных особенностей и наличие одноименных деталей: топки в форме цилиндра — жаровой трубы, конвективной поверхности теплообмена из труб, в которых «течёт» горячая газовоздушная смесь. В этом заключается принципиальное отличие жаротрубных котлов от водотрубных, в которых теплоноситель циркулирует по трубам, которые омываются дымовыми газами…
В современных жаротрубных котлах чаще всего сжигают газовое топливо. С развитием теплоэнергетической отрасли качество сжигания вышло на новый уровень, и требования к выбросам при выборе оборудования ежегодно растут. К особенностям жаротрубных котлов относятся:
Выделяют следующие основные направления жаротрубно-дымогарных котлов: водогрейные (и паровые) с реверсивной топкой и водогрейные (и паровые) с трёхходовой схемой движения газов.
Наибольшую популярность получили двухходовые жаротрубные водогрейные котлы с реверсивной топкой. Их широкое распространение обусловлено появлением и продвижением на российском рынке зарубежных фирм-изготовителей с преобладанием «западной» жаротрубной концепции.
Котлы с реверсивной топкой (в нашем примере это модернизированные котлы серии «ДОРОГОБУЖ») имеют центральное расположение жаровой трубы и реверсивное движение топливных газов, как это показано на рис. 1.
Дымогарные трубы 2 конвективных поверхностей Æ60×3 мм кольцами в шахматном порядке опоясывают жаровую трубу 1, которая с фронта закреплена в передней трубной решётке 3. Днище топки 4 плоское и с помощью анкерных связей 5 закреплено на задней трубной решётке 6. Дымогарные трубы — прямые, вварены в переднюю и заднюю трубную решётки, которые, в свою очередь, совместно с цилиндрической обечайкой 7 ограничивают водяной объём. Газы выполняют реверсивное движение в топке, разворачиваются во фронтовой (неохлаждаемой) камере 8 и по трубам конвективной части попадают в сборный газоход 9.
Для снижения температуры уходящих газов и повышения КПД в трубы устанавливаются биметаллические интенсификаторы теплообмена (турбуляторы), конструкция которых разработана специалистами завода.
На заводе «Дорогобужкотломаш» выпуск жаротрубных котлов был освоен в 1996 году. В настоящее время заказчикам предлагаются модернизированные двухходовые котлы «ДОРОГОБУЖ».
Модернизированная серия котлов «ДОРОГОБУЖ» предназначена для получения горячей воды температурой до 11 5 °C и давлением до 0,6 МПа, используемой для горячего водоснабжения и отопления жилых, производственных и административных зданий. Котлы работают на природном газе и лёгком жидком топливе. Диапазон теплопроизводительности модельного ряда котлов включает 32 типоразмера от 0,05 до 7,0 МВт.
В производстве котлов применяется бесшовная труба из стали Ст20, в изготовлении решёток трубных и деталей трубы жаровой используется лист из стали 20К. Котлы оснащаются современными автоматизированными горелочными устройствами — газовыми, жидкотопливными или комбинированными с различным диапазоном регулирования мощности (в зависимости от модели горелки), отечественного и импортного производства.
Доступ к внутренним поверхностям топочного пространства для осмотра жаровой трубы, передней решётки и очистки дымогарных труб осуществляется при открытии фронтовой камеры.
Приварка дымогарных труб к трубным доскам на установке Fronius (Австрия)
Камера открывается на обе стороны, закрыть её помогает опорная конструкция из ролика и направляющей, расположенных в нижней части. Для изоляции крышки применяется современный лёгкий материал на основе каолинового волокна; технология укладки позволяет сократить сроки изготовления котла и выполнять замену изоляции крышки на объекте. Всё это в целом повышает критерий ремонтопригодности котла.
С тыла установлена съёмная крышка газохода с лючком для очистки.
Декоративная обшивка котла выполнена из ламинированного оцинкованного листа, не требующего окраски и длительное время сохраняющего привлекательный внешний вид. Дополнительные ребра жёсткости снижают вероятность проминания листов в процессе монтажа и эксплуатации.
С 2020 года котлы изготавливаются в новой дизайн-концепции: в обновлённой цветовой палитре — сигнальный синий и графитовый серый, с установкой нового логотипа и фирменной таблички. Сохранность при транспортировке и хранении обеспечивается упаковкой из термоусадочной плёнки.
Модернизация позволила оптимизировать следующие показатели: на 1 5 % снизить аэродинамическое сопротивление газового тракта; на 8–1 4 % уменьшить массу котла при сохранении показателей КПД и срока службы; на 5–1 6 % (в зависимости от модели) сделать котёл компактнее; предусмотреть возможность расширенного до пяти лет гарантийного срока службы.
Опытный образец модернизированного котла теплопроизводительностью 1,0 МВт был представлен на выставке Heat & Power 2020 в городе Москве. С января 2021 года модернизированные котлы запущены в серию и имеют полный комплект сопроводительной и разрешительной документации.
Благодаря вводу в эксплуатацию нового оборудования при изготовлении модернизированных жаротрубных котлов на заводе обеспечивается: применение передовой технологии приварки дымогарных труб к трубным доскам с использованием австрийской установки Fronius, позволяющей снизить температурные напряжения металла в зоне сварного шва; высокая точность геометрии изготавливаемых деталей после лазерной резки; прочные сварные соединения: проплавление корня сварного шва приварки жаровых и дымогарных труб к трубным доскам; качественное лакокрасочное покрытие в покрасочной камере.
Модернизированные двухходовые жаротрубные котлы обладают следующими преимуществами:
1. Компактность и низкий удельный вес. Не требуется доработка котла на объекте. Это позволяет собирать котлы и модульные котельные на их базе полностью в заводских условиях и поставлять заказчику в виде единого блока, что значительно упрощает, ускоряет и удешевляет монтаж оборудования котельной.
3. Быстрый переход с одного температурного режима на другой, малое время на изменение тепловой нагрузки, простота автоматизации управления.
4. Применение насосов меньшей мощности благодаря низкому гидравлическому сопротивлению, что позволяет экономить электроэнергию при эксплуатации.
5. Поставка в полной заводской готовности, проведение всех необходимых испытаний на производстве.
Таким образом, модернизированные котлы производства завода «Дорогобужкотломаш» по своим техническим и эксплуатационным характеристикам являются современными, эффективными и технологичными изделиями, прошедшими полный цикл заводских испытаний, в том числе с работающим горелочным устройством.
Одним из наиболее распространённых видов промышленного теплового оборудования является жаротрубный котёл. Они отличаются несложной конструкцией, высокой надёжностью и возможностью переоснащения.
Имея небольшие габариты они отличаются высокой теплопроизводительностью при этом будучи безопасными. Существует несколько моделей, отличающихся конструкцией, мощностью, потребляемым топливом.
Устройство жаротрубного котла
Простой принцип работы определяет конструктив. Форма корпуса может быть разнообразной, но наиболее часто встречается форма цилиндра. С одной стороны располагается камера сгорания, а с обратной система дымоудаления. Горение поддерживается принудительным дутьевым устройством.
Над топкой находятся теплообменники, которые контактируют с дымоотводящим каналом. Для повышенной эффективности нагрева теплообменник изготавливают из труб небольшого сечения. Наиболее распространенный трёхходовые жаротрубные котлы. Его главное отличие от обычной конструкции это наличие трёх дымоотводящих каналов.
Первым каналом считается топка, а два других находятся выше один над другим. Вентилятор обеспечивает необходимую тягу, а также существует естественная тяга через колосники и вентиляционные отверстия.
Особенностью трёхходовых котлов является снижение температуры нагретых дымовых газов с 1000˚С до 250˚С, обеспечив максимальную теплоотдачу. Но это чревато тем, что водяной уровень нестабильный и не поддаётся контролю. Это решается применением сепаратора, разделяющий пар и воду, и капли не поступают в коллектор.
Помимо указанных частей установки оснащаются следующими узлами для улучшения их характеристик:
Принцип работы
Принцип работы жаротрубного котла заключается в передаче тепловой энергии от горящего топлива теплоносителю. Процесс парообразования происходит при температуре 115˚С и давлении 0,7 кгс/кв.см. Топливо сжигается в топочной камере, которая охлаждается водой, кроме фронтальной стороны. При нагреве воды происходит парообразование, пар аккумулируется в приспособленном резевруаре, подключённой к системе отопления. Отработанные газы удаляются через пучок труб.
Топливо для котлов может быть разнообразным: жидкое, твёрдое и газообразное. Оборудование представляет собой газотрубные установки с жаровыми трубами, в которых циркулирует горящее топливо. На жаровых трубах имеется газовая горелка низкого давления и принудительный наддув. Жаровая труба это своеобразная камера сгорания, внутри которой происходит сжигание подаваемого топлива.
Виды жаротрубных котлов
Жаротрубные котлы разделяются на две большие категории:
Отличие жаротрубного котла от водотрубного
Теплогенерирующие котлы большой производительности по своей конструкции разделяются на жаротрубные и водотрубные. Особенность жаротрубных в том, что поверхность нагрева состоит из трубок, по которым движется сгораемое топливо. А нагрев теплоносителя, находящегося за пределами трубок, происходит путём теплообмена. Жаротрубные котлы делятся также на пролётные – газы проходят без поворотов и оборотные – газы поворачивают в камере при движении. Чаще всего это оборудование изготавливается в виде горизонтального цилиндра. Водогрейные котлы, такие как КВР или КВА, содержат нагретую воду внутри. Поверхность нагрева располагается в центре котла или ниже.
С одного торца устанавливается горелка для сжигания газа или дизельного топлива. Выше нагревательных элементов располагаются дымогарный трубопровод, по которому продукты горения направляются в дымоход. По количеству контуров установки разделяются на двухходовые и трёхходовые. В первых действует реверсивная камера сгорания, где газы упираются в заднюю поверхность агрегата, затем разворачиваются и идут к фронтальной, после отражения от которой газы меняют направление в сторону удаления из котла. В трёхходовой схеме газы при возвращении в передней поверхности проходят ещё одну жаровую трубу или же через ряд дымогарных труб. После чего, отразившись, газы идут на удаление из агрегата.
Главные преимущества жаротрубных котлов:
Недостатки при эксплуатации жаротрубных котлов:
Противоположным принципом работы обладает водотрубный котёл, его элемент нагрева представляет собой ряд труб, по которым движется нагретая вода, а теплообмен происходит путём нагрева труб путём сжигания топлива. Наиболее распространённым и простым видом теплообменника является узел, состоящий из двух труб, сваренных между собой несколькими поперечными трубами.
Преимущества водотрубных котлов следующие:
Минусы такого оборудования:
На российском рынке больше всего представлено жаротрубное оборудование. Это следствие более простой технологии и несложного обслуживания. Однако благодаря своим преимуществам, часть рынка всё же принадлежит водотрубным котлам, несмотря на низкую популярность.
Лучшие Российские производители
Среди российских производителей стоит выделить несколько предприятий:
