Развитие конструкций жаротрубных котлов

Кроме этого, приборы контроля повышения давления воды в выходном коллекторе котла обычно выполнены  как предохранительные устройства, сбрасывающие избыток теплоносителя, а не предотвращающие подачу топлива  на горелку котла, как это предписано действующими в Украине правилами (СНиП II-35-76 «Котельные установки»).

Наконец следует отметить, что обычно в топке котла не устанавливают взрывных клапанов, поясняя  это наличием авторегулирования  процесса горения и расчётом на прочность  котла. Взрывные клапана обычно в  этих случаях устанавливают за котлом на газоходах.

Устройства автоматического  регулирования для ГЖК чрезвычайно  разнообразны и описание их функциональных схем не входило в задачу этой статьи. Однако особо интересным, по мнению автора, в части обеспечения автоматики регулирования соотношения «Газ - Воздух» и оптимизации интерфейса обслуживания, контроля, тестирования и накопления информации является современный подход фирмы Weishaupt.

В 1998 году фирма Weishaupt впервые в мире представила горелку, в которой стандартный автомат горения был заменен на микропроцессорное устройство, названное "цифровой менеджер горения". Это устройство, расположенное в корпусе горелки, самостоятельно проверяет и управляет всеми её функциями.

В отличие от горелок со стандартными автоматами горения, микропроцессорные  горелки позволяют подключать информационную шину, с помощью которой оператор может на расстоянии проверять последовательность выполнения режимов работы горелки  и осуществлять диагностику неисправностей.

Кроме того, с помощью  цифрового менеджера горения  наладчик может проводить настройку  горелки клавишами, при этом на информационном дисплее сразу отражаются все  параметры, и все команды на установку  соотношения "топливо/воздух" и  ступеней мощностей сразу же выполняются  сервоприводами с высокоточным электронным  регулированием. Таким образом, мы получаем очень высокую точность углов  поворота сервоприводов - до 0,1 градуса, что позволяет добиться оптимальных  параметров сжигания топлива.

Менеджеры горения Weishaupt W-FM 100 и W-FM 200 имеют встроенный "автомат горения", который управляет запуском и отключением горелки. Наличие двух постоянно проверяющих друг друга микропроцессоров повышает общую надежность горелки и всей котельной. Менеджеры горения предназначены для длительного режима эксплуатации, к нему можно подключить датчик пламени для жидкотопливных, газовых и комбинированных горелок, зонд кислородомера (для W-FM 200). В менеджере уже сохранены 7 различных программ работы для дизельного топлива, газа и мазута.

Все клапаны напрямую подключаются к менеджеру, поэтому внешние  переключатели топлива не нужны. В зависимости от потребности  все необходимые реле давления можно  также подключить к менеджеру  и зафиксировать их функции в  заводской конфигурации прибора.

Встроенные в цифровой менеджер горения функции также  позволяют просматривать статистику работы горелки, в том числе память сообщений по произошедшим внеплановым  остановкам. Это позволяет обслуживающему персоналу в короткие сроки выяснить причину неисправности и быстро ее устранить, вместо того чтобы проводить  диагностику всей горелки.

Таким образом, горелки, оснащённые цифровыми менеджерами горения, имеют целый ряд преимуществ:

оптимальные показатели горения  за счет точного управления,

заводская конфигурация всех основных функций приборов,

управление через шину CAN, защищенную от помех,

сервоприводы с собственными микропроцессорами, с особо высокой  точностью настройки для контроля позиционирования ведущего вала с точностью  до 0,1°,

раздельная база данных для  режимов сжигания жидкого топлива  и газа,

простота ввода горелки  в эксплуатацию за счет оптимизированного  по времени запуска,

специальная программа для  холодного пуска котловой установки,

комфорт обслуживания при  помощи блока управления и индикации  с LCD дисплеем (русскоязычное меню),

безошибочное обслуживание эксплуатационником благодаря четкой индикации,

отдельный блок памяти для  сохранения данных,

последовательный интерфейс RS 232 для подключения компьютера для ввода в эксплуатацию,

гибкость коммуникации, за счет последовательных интерфейсов  eBus, ModBus для системы централизованного управления для дистанционной индикации и обслуживания (диспетчеризация),

встроенный контроль герметичности

На сегодняшний день фирма  Weishaupt устанавливает цифровые менеджеры горения на горелки мощностью до 17,5 МВт. Это менеджеры серий W-FM 05, W-FM 10, W-FM 20,W-FM 100 и W-FM 200 который позволяет проводить всю настройку и ввод горелки в эксплуатацию при помощи персонального компьютера. Менеджер горения серии W-FM 100 позволяет с помощью сервоприводов регулировать положение пламенной шайбы и расход жидкого топлива на регулируемых горелках. Менеджер горения W-FM200 может дополнительно осуществлять частотное и кислородное регулирование.

       Опыт проектирования, эксплуатации и наладки

                                жаротрубных котлов

                                   Гидравлический режим

Основной особенностью гидравлического  режима ГЖК является низкое гидравлическое сопротивление котла (не более 0,5 кгс/см2). Это вызвано относительно малой  величиной местных сопротивлений. Соответственно, это позволяет применять  насосы меньшей мощности, что приводит снижению стоимости котельной и  к экономии электроэнергии при эксплуатации.

Интересной особенностью некоторых типов жаротрубных  котлов является нормальная работа котла  при изменении расхода воды через  котёл. В частности  уже отмечалось относительно большое водонаполнение объёма котла Vitoplex-100 как преимущество конструкции, при которой нагрев воды в котле осуществляется за счет естественной циркуляции. При этом отпадает необходимость контроля минимального расхода воды через котёл - котёл работоспособен даже при останове циркуляционного насоса Большое водонаполнение котла Vitoplex-100 и подобных ГЖК, кроме этого, обеспечивает увеличение длительности включенного состояния горелки. Это позволяет снизить частоту коммутации, и тем самым, увеличить срок службы котла, уменьшить вредное воздействие на окружающую среду. Наконец для котлов такого типа нет необходимости автоматизировать линию перепуска для поддержания постоянства расхода при изменении расхода рециркуляции.

Важной особенностью жаротрубного котла является быстрая реакция  на изменение тепловой нагрузки, вследствие чего стабильное состояние котлов достигается  довольно быстро, без колебаний и  аварийных изменений режимов  остальных котлов.

Следует отметить, что в  большинстве схем ГЖК поток воды идет по пути наименьшего сопротивления  от входного патрубка к выходному, при  определенных условиях не омывая многих теплонапряженных участков жаровой трубы и зону входа дымовых газов в дымогарные трубы.

Это может привести к локальным  перегревам, пристенному кипению воды и постепенному отложению накипи в этих зонах при неизбежных проскоках в условиях реальной эксплуатации солей жесткости [2], а также к заносу шламом и оксидами железа застойных частей котла при непосредственной работе на загрязненную тепловую сеть. Такие режимы эксплуатации неизбежно приводят к дополнительным термомеханическим напряжениям на сварные швы, и снижает надежность работы системы теплоснабжения в целом.

Скорость циркуляции в  застойных зонах для большинства  ГЖК очень мала. Так по расчёту  автора для котла Vitoplex-100 она составляет - 0,026…0,044 м/сек. В то время как  для большинства водогрейных  котлов скорость циркуляции подбирается 0,2…1,5 м/с, а в некоторых случаях  для уменьшения накипеобразования её поднимают до 2…2,2 м/сек.

В СССР до 90-х годов котельных  с ГЖК практически не существовало, так как такие котлы не выпускались  отечественной промышленностью, а  средств на приобретение импортных  котлов не было.

После появления импортных  котлов в середине 90-х годов на нашем рынке, часть наших производителей наладила выпуск таких котлов (Ника, Элга и др.). Соответственно котлы такого типа начали активно устанавливаться на строящихся и реконструируемых объектах коммунальной теплоэнергетики вместо стальных водотрубных и морально устаревших чугунно-секционных котлов. При этом по стандартному решению проектных организаций для котельных с ГЖК того периода обычно применялась одноконтурная схема. А поскольку низкое качество сетевой воды, отсутствие или нерабочее состояние водоподготовки на коммунальных отопительных котельных - типичное явление для большинства котельных, значительное количество новых жаротрубных котлов очень быстро вышло из строя из-за отложения накипи на трубах, трубных досках и скопления шлама в нижней части корпуса котла. Такая картина продолжает иметь место на части котельных города Харькова.

Основная причина высокого процента выхода из строя ГЖК при  работе на жесткой и загрязненной сетевой воде, по сравнению с водотрубными и чугунно-секционными котлами, заключается в низкой скорости воды в межтрубном пространстве (естественная циркуляция), и в наличии застойных зон.

У жаротрубного котла скорость воды очень мала, и он фактически работает как фильтр-осадитель шлама, частиц накипи и т.д. При включении в работу таких котлов по одноконтурной схеме со старой тепловой сетью, имеющей многолетнее накопление шлама в нижней части радиаторов и сетевых трубопроводах, будет иметь место осаждение взвешенных веществ и покрытия ими нижних дымогарных труб ГЖК. Температура этих труб начинает превышать температуру верхних, давление перегретых труб на трубную доску и напряжение в сварных швах резко возрастают. Снижение охлаждения дымовых газов вызывает локальный перегрев трубной доски. В результате больших напряжений в металле мостиков трубной доски между соседними отверстиями и, иногда, в сварных швах появляются микротрещины, которые в дальнейшем увеличиваются до сквозных. При условии значительного осаждения шлама или накипи и покрытия ими жаровой трубы, металл этих зон плохо охлаждается, образуются отдулины.

Примечателен тот факт, что если для водотрубного котла  загрязнение внутренних поверхностей нагрева и рост сопротивлений  при высоких скоростях можно  обнаружить по показаниям манометров, для ГЖК при низких скоростях  такое сопротивление незначительно, факт загрязнения не обнаруживается по показаниям манометров - его можно  обнаружить только путем вскрытия и  визуального осмотра.

В последствии в некоторых жаротрубно-дымогарных котлах конструктивно выполняют  многоконтурную циркуляцию для увеличения скорости теплоносителя. Так, для котлов КСВа «ВК» циркуляция выполняется многоконтурной .

Ещё одной важной особенностью гидравлического  режима жаротрубного котла является обязательное требование к контролю за температурой воды на входе в  котёл и недопущение конденсации  водяных паров в корпусе котла. При низких температурах воды в дымогарных трубах жаротрубных котлов образуется конденсат и, как следствие этого, происходит их коррозия. Автор неоднократно сталкивался со случаями пуска холодных жаротрубных котлов на теплосеть  при отключенных или неэффективно работающих насосах рециркуляции, при которых объём скопившегося конденсата в топке начинал быть соизмеримым с объемом самой топки. Испарения такой влаги начинали влиять на режим горения горелки, вызывая её крайнюю нестабильность и даже погасание. Кроме этого, при повышенных температурных перепадах до и после котла есть вероятность возникновения нерасчетных температурных напряжений в металле трубных досок. Производители большинства импортных ГЖК ограничивают перепад температур величиной 20°С.

В этом отношении показательно отношение  проектировщиков технологии Viessmann. Для большинства жаротрубных котлов ими рекомендуется схема с тройной защитой котла от низкой температуры воды на входе - насосы рециркуляции, прикрытие заслонки на входе в котёл и ограничение тем самым расхода воды через котёл и ограничение воды в сеть манипуляцией со смесительным клапаном. Особенности такой схемы, наладка и пуск автором описаны в [1].

Водотрубные водогрейные котлы  в большей степени могут быть защищены от образования конденсата и наружной коррозии, за счет своей  конструкции, при которой холодная обратная вода проходит сначала через  экраны топки, где подогревается  на 60 %, а затем попутно с газами проходит конвективную часть, при этом в зоне с относительно «холодными»  дымовыми газами проходит достаточно горячая вода и отсутствует конденсация. В частности, для схемы котла  ПТВМ холодная обратка подаётся непосредственно в экранные трубы топочной камеры, снимая радиационное тепло у районов расположения горелок. Также выполнена схема движения воды в котлах КВГ, ТВГ и т.д.

Наконец режим работы котла для  избежания стартов котла в холодном состоянии необходимо поддерживать таким, чтобы обеспечить постоянное нахождение котла в теплом состоянии. Особенно важно, чтобы в котле не образовывались слои с разной температурой (холодный низ - теплый верх).

Работа металла поверхностей нагрева