Развитие конструкций жаротрубных котлов

          Развитие конструкций жаротрубных котлов

 

 

Развитие конструкций  паровых и водогрейных котлов в начале своего пути шло по двум основным направлениям - газотрубный  и водотрубный способ нагрева  теплоносителя. В первом случае продукты сгорания двигались изнутри разделительной поверхности, а вода омывала поверхность  нагрева снаружи, во втором случае теплоноситель  двигался внутри, а дымовые газы - снаружи.

Газотрубные котлы обычно делали состоящими из горизонтального  цилиндра и двух или трёх труб относительно большого диаметра (жаротрубные котлы) или пучка труб малого диаметра (дымогарные котлы). Большее распространение  вначале получили именно жаротрубные  котлы, так как ручная колосниковая решётка располагалась внутри жаровых  труб, и в результате этого удавалось  получить высокоэффективную радиационную поверхность нагрева, экранирующую пламя практически полностью. В  этом случае при глубоком охлаждении дымовых газов отпадала необходимость  установки и последующего ремонта  огнеупорной кладки.

Тип котлов с дымогарными  трубками обычно позволял получить в  единице объёма основного барабана большую поверхность нагрева (150…180 м2) в сравнении с жаротрубными котлами с барабаном одинаковой длины. Следовательно, при тех же размерах паропроизводительность была выше.

Наибольшую поверхность  нагрева (до 300 м2) имели комбинированные газотрубные котлы, у которых топкой являлась жаровая труба, а конвективной поверхностью - дымогарные трубки. Однако в обоих случаях паропроизводительность лимитировалась величиной 2…4 т/час из-за роста габаритов топки и увеличении металлоёмкости котла. Другой сдерживающей причиной роста распространения таких котлов являлась трудность обеспечения высоких параметров пара из-за металлоёмкости основного барабана и сложностью выполнения прочных днищ (особенно в дымогарных котлах).

Наибольшим распространением комбинированных газотрубных котлов являлись паровозные котлы; при достаточно сложной конструкции и массивности  укрепляющих связей известны случаи производства парового котла для  паровоза ФД в 1931 г. паропроизводительностью до 20 т/ч.

В последних случаях кроме  всего приходилось форсировать  топку, чтобы получить высокую паропроизводительность. Соответственно КПД таких котлов был низок (50…60%).

Среди промышленных котлов, наиболее часто встречавшихся в  СССР, являются горизонтальные жаротрубно-водотрубные  котлы КВ-200М, «Кивиыли» и др.

Наряду с горизонтальным расположением котла следует  упомянуть и о вертикальных газотрубных  котлах малой мощности, сконструированных  ещё в 19 веке и, тем не менее, до сих  пор встречающихся на харьковских  предприятиях. Одними из наиболее удачных  котлов этого типа был вертикальный котел Шухова и ряд котлов, являющихся продолжением такой конструкции. В этом случае верхняя часть жаровой трубы проходит сквозь паровое пространство и, следовательно, плохо охлаждается. Поэтому температура газов, проходящих по этой части трубы, должна быть невысокой (при длительной работе не выше 500-550° С). Для снижения температуры размещали в жаровой трубе дополнительную поверхность нагрева, обычно в виде пучков наклонных труб, омываемых газами снаружи.

Перечисленные недостатки привели  к тому, что на долгое время от использования жаротрубных и  дымогарных котлов отказались, они  были полностью сняты с производства, и в СССР была принята концепция  использования водотрубных конструкций  котлов. Такие котлы при их установке  в котельной подлежали обмуровке  кирпичом или нанесением защитного  покрытия слоем жаростойкой изоляции.

На Западе была принята  иная концепция. Такая концепция  наряду с сохранением выпуска  водотрубных котлов предполагала выпуск для собственных нужд и, особенно для продажи на внешнем рынке  компактных готовых к установке  и внедрению котельных установок  высокой эффективности. Таким образом, был налажен выпуск и внедрение  газоплотных котлов с одной автоматизированной блочной горелкой (реже - с двумя), не требующих установки высокозатратных дымососов и регулирования разрежения в топке, и приходящих к покупателю уже защищенными слоем современной тепловой изоляции.         

 

                                                                                                                             

     Изготовители газовых жаротрубных котлов (ГЖК)        

 

Отечественные и зарубежные производители:

 

ГП "63-й государственный  котельно-сварочный завод", г. Ивано-Франковск - котлы серии КСВа «ВК»,

Дружковская теплосеть и Днепропетровский территориальный центр "Южэнергоресурс", г. Дружковка - котлы «Ника»,

ЗАО «Монастырищенский котельный завод (МКЗ)» в составе российско-украинской промышленной группы «Генерация», г. Монастырищи - котлы серии КСВа «ВК», паровые котлы серии Е "Генерация"

Черновицкий металлообрабатывающий  завод, г. Черновцы - котлы серии КСВа «ВК»,

Котельный завод «Колвиэнергомаш», г.Чернигов - котлы "Колві",

Машиностроительный завод  “Прогресс”, г. Бердичев- котлы “Рио” с реверсивной топкой, теплопроизводительностью от 250 до 3150кВт

НПП «Мегават-М», г. Киев - котлы серии КСВа «ВК»,

АП «Донгортеплосеть», г. Донецк - котёл типа «Квант»

ООО Завод «Атонмаш», входящий в состав холдинговой компании «Укртехнопром» - котлы КВа-0,25 Гн (Гс) и КВа-0,63 Гн(Гс).

Среди российских изготовителей  жаротрубных и дымогарных котлов - предприятия:

ЗАО ПО «Бийскэнергомаш».

ОАО «Белгородский завод  энергетического машиностроения».

ОАО «Дорогобужкотломаш».

ЗАО СП «ЗИОСАБ» г. Подольск.

ЗАО «Уралкотломаш».

ООО «Компания РЭМЭКС-Энерго».

ОАО «Борисоглебский котельно-механический завод»

ООО «Завод Ротор»

Промышленная группа «Генерация»- объединение заводов «Уралкотломаш» (г. Березовский), «Нефтемаш» (г. Сызрань), «Теком» (г.Монастырище, Украина), «Буланашский машиностроительный завод » (Свердловская обл) и др.

 

Среди российских жаротрубных  котлов преобладают котлы:

 

серия КВ-ГМ «Дорогобуж», жаротрубные  котлы с реверсивной топкой. Типоряд 0,05-2,32 МВт, КПД - 91-93%;

серия «Днепр», трехходовые жаротрубные котлы для работы на дизельном топливе, мазуте, нефти, представлена котлом «Днепр2000», в разработке «Днепр-1200», КПД- 92,4-92,7%;

серия КСВа «ВК»;

серия КСВм «Генерация»;

серия Турботерм

серия паровые котлов Е (Ем) «Генерация»;

серий КВа и др.

В секторе импортных котлов на украинском рынке наиболее высокой  и качественной технологией сборки котлов отличаются немецкие фирмы Viessmann, Loos с типорядом водогрейных двухходовых и трёхходовых котлов и Buderus, с типорядом двухходовых и трёхходовых котлов паровых котлов Logano. Кроме названных котлов широкое развитие на Украине получили котлы корпорации «Колвi» и фирмы I.VAR.

 

                                           Конструкция ГЖК

 

Среди разнообразия производителей газовых жаротрубных котлов в  то же время схемы движения дымовых  газов и воды похожи. Для большинства  котлов (КСВа «ВК-34», «Колві», «Вулкан», РИО, SuperRAC, некоторые модели Vitoplex) - это двухходовая схема с реверсивной топкой или инверсией пламени. Обычно в таких схемах топка расположена строго соосно с корпусом котла или в нижней части корпуса. Продукты сгорания достигают плоского дна топки, разворачиваются и по периферии поступают к передней крышке котла. Далее, дымовые газы разворачиваются на 180 и поступают в конвективный газоход - в дымогарные трубы второго хода. Пройдя второй ход, газы поступают в сборный дымовой короб и, оттуда, в газоход и дымовую трубу. Расположение дымогарных труб может выполняться как симметрично по отношению к оси котла, так и отдельным пакетом, расположенным выше топки. Передняя стенка может быть водоохлаждаемой, как, например, для котлов «РИО», «Ника» или «ВК», так и неохлаждаемой, с усиленной футеровкой.

 

Следует отметить, что в  некоторых моделях ГЖК («Ника» и  др.) дымовые газы из жаровой трубы  попадают в дымогарные трубки, поворачиваясь  в задней крышке, поступают к фронту. Далее по газоходу, расположенному над наружной обечайкой, удаляются  в сборный газоход. Соответственно, задняя крышка в этом случае делается либо водоохлаждаемой, либо с усиленной футеровкой.

 

Жаровая труба и дымогарные трубы в местах прохода через  переднюю и заднюю стенки имеют сварные  соединения. Жаровая труба, проходя  всем сечением через заднюю стенку, образует, таким образом, большую  демпфирующую поверхность, выполняющую  функцию продольного анкера.

Вовнутрь дымогарных труб чаще помещают спиралеобразные турбулизаторы (турбуляторы) для интенсификации теплообмена.

Котлы КСВа «ВК» выпускаются нескольких модификаций. Модель КСВа «ВК-34» -стандартные ГЖК с реверсивной топкой и расположением дымогарных труб второго хода отдельным пакетом выше жаровой трубы, в моделях КСВа «ВК-21», «ВК-22» - модели с реверсивной топкой, дымогарные трубки второго хода расположены по окружности симметрично к оси котла.

Модель котла КСВа «ВК-32» совмещает в себе как дымогарные, так и водотрубные нагревательные элементы. Так, топкой котла, является пространство, образованное газоплотными цельносварными водотрубными панелями и верхней обечайкой барабана с дымогарными трубами.

 

Конвективной частью котла  являются дымогарные трубки, расположенные в барабане-теплообменнике.

Водогрейные импортные двухходовые  котлы Vitoplex фирмы Viessmann на украинском рынке представлены в основном несколькими модификациями - PV1(для режима работы с постоянной температурой теплоносителя), PX1(для режима работы с переменной температурой теплоносителя и большим водозаполнением рабочего объёма). Ход движения дымовых газов у котлов этих модификаций - топка с инверсией пламени и расположение второго газохода дымогарных труб выше первого газохода - жаровой трубы.

Для такой конструкции  характерно повышенные потери с уходящими  газами из-за относительно небольшой  конвективной поверхности. В частности, по двухходовому котлу РИО-500 при  сертификационных испытаниях, результаты которых были любезно предоставлены  автору представителями машиностроительного  завода “Прогресс”, г. Бердичев, были получены результаты, приведённые в  таблице 1:

 

                                                    Таблица 1

 

Параметр	Размерность	Значения
Нагрузка	%	101,9	61,4	40,1
Вода
Расход воды	т/час	17,3	17,4	17,4
Температура воды на входе	°С	60,9	64,9	62,7
Температура воды на выходе	°С	86,2	80,1	72,6
Теплопроизводительность	кВт	509	307	200
Давление воды на входе	МПа	0,24	0,22	0,21
Давление воды на выходе	МПа	0,23	0,21	0,20
Газ
Температура газа	°С	28,8	29,0	28,6
Давление газа перед клапанами	кПа	2,0	2,2	2,2
Расход газа (0°С, 101,3 кПа)	нм3/час	54,5	32,4	21,0
Воздух
Температура воздуха	°С	26,6	26,6	26,6
Давление воздуха перед  горелкой	кПа	1,15	0,45	0,2
Уходящие газы
Содержание кислорода	%	2,7	3,2	3,4
Содержание углекислого  газа	%	10,3	10,0	9,9
Содержание оксида углерода	ppm	4	3	3
Содержание оксида азота	ppm	36	28	25
Коэффициент избытка воздуха	-	1,13	1,16	1,17
Температура уходящих газов	°С	163,2	118,7	85,9
Давление в топке	Па	420	170	60
Разрежение за котлом	Па	45	27	18
Экономические показатели
Потери тепла с уходящими  газами	%	6,6	4,5	3,0
Потери тепла с химическим недожёгом	%	0,0014	0,0011	0,0011
Потери тепла в окружающую среду	%	0,4	0,6	0,9
Суммарные потери тепла	%	7,0	5,1	3,9
КПД по обратному балансу	%	93,2	94,9	96,1
ККД по прямому балансу	%	91,9	93,1	94,0
Эксплуатационные показатели
Аэродинамическое сопротивление	Па	475	197	78

На котле РИО-500 установлена  горелка WM-G 10/3-A/ZM Weishaupt.

Похожие результаты (см. таблицу 2) были получены автором при наладке  двухходового котла типа КСВа-1,0 "ВК-22" оборудованного горелкой ГГС-Б-1,4 (давление газа - среднее) котельной Харьковского Комбината хлебопродуктов № 2. Хотя качество горения горелки было несколько  ниже, чем для котла РИО-500, общая  картина показателей работы котла  аналогична.

 

                                                        Таблица 2

 

Наименование показателей	Размерность	Значение величин
Режим работы котла		Малое горение	Большое горение
Теплопроизводительность котла	Гкал/час	0,37	0,73
Максимальный расход воды	м3/час	28
Минимальный расход воды	м3/час	22
Температура воды на входе  в котел	єС	60
Минимальный нагрев воды	єС	13	26
Максимальный нагрев воды	єС	16	33
Давление воды на выходе из котла	кгс/см2	3,5
Гидравлическое сопротивление  котла	кгс/см2	0,05
Часовой расход газа (0°С, 101,3 кПа)	нм3/час	48,8	97,6
Давление газа перед котлом	кгс/см2	1,8
Давление газа перед горелками	кгс/м2	12	50
Давление воздуха перед  горелкой	кгс/м2	25	42
Давление в топке	Па	80	150
Давление за котлом	Па	0	10
Температура уходящих газов	єС	118	183
Содержание продуктов  горения за котлом
Содержание углекислого  газа	%	9,0	9,3
Содержание кислорода	%	5,0	4,5
Содержание оксида углерода (б =1)	мг/м3	1 - 70
Содержание оксида азота (б =1)	мг/м3	41 - 65
Коэффициент избытка воздуха  в балансовой точке		1,28	1,25
КПД котла брутто по обратному  балансу	%	93,4	90,8
Аэродинамическое сопротивление  котла	Па	80	160