Развитие конструкций жаротрубных котлов

Особенностью ГЖК является высокая  плотность теплового потока в  жаровой трубе котла, которая  примерно в 3-4 раза выше, чем у водотрубных  котлов. Именно за счет этого и значительно  снижены габариты и удельный вес  современных жаротрубных водогрейных  котлов. За счет таких высоких тепловых потоков, а также за счет наличия свободного движения воды в котле, на поверхности жаровых труб и поворотных камер может наблюдаться пристенное кипение. В некоторых котлах кипение воды наблюдается также на поверхности газотрубных пучков в местах их крепления на трубной доске первой поворотной камеры.

Наличие кипения на поверхности  труб обеспечивает надежное охлаждение стенок поверхностей нагрева котла, так как температура металла труб со стороны газов превышает температуру кипения воды лишь на 15 - 25 °С. Так, при расчетном давлении в жаротрубном котле 0,6 МПа температура насыщения равна 159 °С, а максимальная температура стенки металла со стороны газа не превышает 183 °С. В таких условиях срок работы углеродистой стали - несколько десятков лет.

Однако по выше изложенным причинам при ухудшенной водоподготовке и  одноконтурной схеме включения  котлов, если в воде находятся соли жесткости, при кипении воды на поверхности образуются плотные кальциевые отложения, которые существенно увеличивают термическое сопротивление стенки. Для котлов КСВа «ВК» один миллиметр накипи при высоких тепловых потоках в жаровой трубе увеличивает температуру стенки - на 100 -120 °С. При толщине накипи 3 мм и более температура металла достигает уже 500 и более °С, при этом углеродистая сталь теряет свою прочность, на жаровых трубах появляются вздутия, трубные решетки поворотной камеры коробятся, а трубы газотрубных пучков перегорают. Такие же проблемы возникают при эксплуатации импортных котлов. На семинаре компании Viessmann представители фирмы демонстрируют типичные нарушения водоподготовки, при которых происходило ухудшение состояния металла поверхностей нагрева ГЖК - трещины в трубной доске, перегорание труб газотрубных пучков и др., в финале - полное разрушение котла.

В современной технической литературе появляется информация о технических  решениях, позволяющих избежать локальных  перегревов металла жаровой трубы  в ГЖК. В частности, предлагается различные варианты реконструкции  ГЖК - увеличивать скорость воды в  районе жаровой трубы установкой коаксиальной обечайки сверху жаровой  трубы, дополнительных струйных устройств, зонного или многоконтурного  движения воды и т.д. Некоторые решения  уже воплощены в экспериментально выпускаемых котлах. Однако до появления  таких котлов на украинском рынке  видимо достаточно далеко.

                            Газовоздушный режим

Основной особенностью газовоздушного режима котла является:

Установка и работа на котле только одной горелки, реже - двух.

Компактность котла, небольшие  размеры реверсивной топки и, соответственно, требования к относительно короткому факелу горелки.

Необходимость подбора геометрии  факела, при котором он не должен касаться ни задней стенки реверсивной  топки, ни боковых частей, регулировка  при наладке котла реверсивной  формы факела. Горение пламени  должно заканчиваться до входа в  поворотную камеру. Пламя должно гореть по центру жаровой трубы, не касаясь  самой трубы. В котлах с реверсивной  топкой пламя ни при какой нагрузке не должно преждевременно попадать в  поворотную камеру и менять направление, а должно полностью выгорать в  жаровой трубе. Нельзя допускать  дожигание CO вне жаровой трубы.

Необходимость подбора длины пламенной  трубы горелки, которая должна несколько  выступать в камеру сгорания

Необходимость подбора напора вентилятора  для преодоления сопротивления  газовой части котла (камеры сгорания и дымохода котла) и выходных частей отводящих коробов.

Важность обеспечения плавных  переходов газоотводящих коробов, отсутствие турбулентных завихрений и  газодинамических колебаний дымового тракта котельной, повышенное требования к плотности топки и газового тракта.

Повышенные требования к стабильной работе вентилятора горелки, регулирующих газовых и воздушных заслонок.

Особые требования инструкции по монтажу  горелки, в части обеспечения  угла раскрытия факела горелки, теплоизоляционного уплотнения в месте примыкания корпуса  горелки и входной горловины  котла; при этом не допускается наличие  обратных токов, могущих вызвать  нестабильность работы горелки.

Организация баланса разрежений, т.е. следует отрегулировать режим таким  образом, чтобы разряжение на выходе из дымосбросной камеры котла было примерно равно нулю, а разряжение в дымоходе не превышало 3…6 мм.в.ст. При более высоком разрежении возможен эффект затягивания факела из жаровой трубы в дымогарные трубы второго хода. При низком разрежении для реверсивной топки возможно касание факела днища жаровой трубы. Кроме этого при низком разрежении для преодоления дополнительного сопротивления дымохода потребуется установка горелки с более мощным вентилятором, что повлечет за собой увеличение стоимости горелки и дополнительный расход электроэнергии.

При наладке газовоздушного режима котла с прогрессивными импортными горелками, к примеру, последних моделей Weishaupt, наладчику нет необходимости в механической регулировке заслонок. Для этого, в модулируемом режиме горелки с помощью цифрового менеджера горения изменением частоты вращения вентилятора выставляются шаговые значения расходов воздуха на горелку - от минимума до максимума. Затем, контролируя на каждой ступени мощности горелки с помощью газоанализатора состав уходящих газов, подбираются оптимальные положения газовой заслонки. Все состояния газовой и воздушной заслонок заносятся в память контроллера менеджера горения. При работе горелки датчиком необходимого расхода воздуха может служить кислородомер уходящих газов.

При наладке блочных отечественных  горелок и некоторых импортных  горелок подбирается оптимальное  количество воздуха на определённые положения газовой заслонки. При  этом с помощью изменения положения (степень кривизны) металлической  ленты вручную при помощи регулирующих винтов или дистанционно ключами  блока автоматики при контроле состава  уходящих газов наладчиком подбираются  положения воздушной заслонки. При  работе таких горелок датчиком режима обычно является термопара на выходном теплопроводе котла, сигнал которой  воздействует на степень открытия газовой  заслонки.

             Особенности вводно-химического режима

Основным требованием, обеспечивающим надежную эксплуатацию ГЖК, является обеспечение необходимого водного режима. Более жесткие требования к качеству питательной воды для современных жаротрубных котлов, как уже было отмечено, объясняются большими удельными тепловыми потоками в жаровой трубе и поворотной камере по сравнению с водотрубными котлами.

Так, по расчётам автора, плотность  теплового потока в жаровой трубе  котла Vitoplex составляет 1250…1400 кВт/м3 и это примерно в 3-4 раза выше, чем у большинства водотрубных котлов (ПТВМ, КВГ и т.д.). Понятно, что за счет этого и обеспечена компактность, снижены габариты и металлоёмкость таких котлов. Выше отмечалось, что за счет таких высоких тепловых потоков, а также за счет наличия свободного движения воды в котле, на поверхности жаровых труб и поворотных камер наблюдается пристенное кипение. В некоторых котлах кипение воды наблюдается также на поверхности газотрубных пучков в местах их крепления на трубной доске первой поворотной камеры. Элементарный тепловой расчёт показывает, что при снижении давления ниже расчетного до 0,2-0,3 МПа температура насыщения уменьшается, и интенсивность кипения резко увеличивается. Это приводит к более интенсивному накипеобразованию даже при сравнительно небольшой жесткости в исходной воде - 1-3 мг-экв/кг. Наоборот, в некоторых котлах, где плотность теплового потока находится на уровне 1000 кВт/м3, при увеличении давления 0,8-0,9 МПа кипения воды не наблюдается, и температура стенки не превышает 180-185 °С. Ясно, что для надежной и высокоэкономичной работы жаротрубных котлов обязательно требуется умягчение воды. В периодической литературе по опыту эксплуатации ГЖК [2,3] для обеспечения безнакипного режима работы давно предлагается ужесточить нормы воды для жаротрубных котлов. Вместо допустимой нормы для карбонатной жесткости в 700 мкг-экв/кг для водогрейных котлов, предлагается вести нормативы, как для паровых котлов, с допустимой жесткостью (10 - 40) мкг-экв/кг. При этом такой режим может быть обеспечен только при работе двухступенчатой Na-катионитной установки.

Однако при поддержании давления воды в котле на уровне 0,6 МПа и  выше, возможно ограничиться требуемой  карбонатной жесткостью (100 - 300) мкг-экв/кг. Данные показатели обеспечиваются при одноступенчатом Na-катионировании исходной воды. При большем давлении 0,8-1,0 МПа нормы качества воды можно оставить на уровне карбонатной жесткости, равной 700 мкг-экв/кг, и использовать более дешевые методы предварительной подготовки воды.

Выше указывалось, что в условиях низких скоростей циркуляции воды в  ГЖК весьма важно обеспечить очистку  воды от шлама, грубодисперсных примесей и растворенного в воде железа. Во избежание заноса нижних поверхностей нагрева необходимо осуществлять периодическую  продувку нижней части котла, а во время остановок производить  осмотр и очистку котла от ила  и рыхлых отложений.

Основные схемы водоподготовки [3] выбираются на этапе проектирования котельной и зависят от состава  исходной воды, величины подпитки, конструкции  и параметров работы котлов. Из известных  решений можно отметить следующие  решения:

- стандартные методы химической  обработки воды с использованием  катионитных фильтров и механических песчаных фильтров;

- мембранная очистка воды (ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос);

- комплексонатная подготовка воды с использованием различных химических реагентов (комплексонатов), связывающих соли жесткости, железа, кремния, а также растворенный кислород и углекислоту;

- электромагнитная импульсная  или коррекционная обработка  воды различных типов для предотвращения  образования и удаления накипи  на поверхностях нагрева котла;

- ультразвуковая или электроимпульсная  очистка поверхностей нагрева  от накипи и другие методы.

     Типичные ошибки при вводе в работу ГЖК

                   Этап проектирования и приобретения ГЖК.

На этапе комплектации котла  горелкой последняя не имеет конструктивных возможностей для регулирования  наладчиком геометрии факела.

Вентилятор блочной горелки  выбран без учёта условий расположения котла и не рассчитан на преодоление  возможных местных сопротивлений  газового тракта; короба газового тракта имеют резкие повороты или изменения  площади сечения

Идя на поводу у желания заказчика  сэкономить на стоимости новой трубы  и на её монтаже, проектировщики подключают ГЖК в дымоотводящий короб существующей дымовой трубы (часто кирпичной и излишне высокой) без полного теплового и аэродинамического расчёта газовых коробов и дымовой трубы. При этом подчас трудно учесть все местные сопротивления таких систем и общее сопротивление системы «Короб - Труба» получается высоким. Кроме этого, низкие уходящие газы ГЖК является причиной активной конденсации водяных паров в верхней части трубы при её излишней высоте

При работе на сборный газоход и  общую дымовую трубу подключаются котлы с вентиляторным дутьём и использующие воздух из помещения (к примеру, устанавливаемые котлы ВК «КСВа» в котельной с работающими котлами НИИСТу-5, свидетелем чего был автор), или котлы с забором воздуха с помещения и с улицы.

Неправильный подбор или отсутствие рециркуляционных насосов или трехходовых клапанов, обеспечивающих требуемый изготовителем перепад температуры воды до и после котла. При повышенных температурных перепадах до и после котла есть вероятность возникновения нерасчетных температурных напряжений в металле трубных досок. Кроме этого, отсутствие устройств поддержания достаточной температуры воды на входе в ГЖК может вызвать образование конденсата, вызывающего низкотемпературную коррозию и даже колебания газовоздушного режима в топке котла.

Неправильный подбор гидравлического  режима работы ГЖК, при котором не создаётся необходимого запаса по давлению, предотвращающего возникновение пристенного кипения в жаровой трубе и на поверхности газотрубных пучков в местах их крепления на трубной доске первой поворотной камеры. Как уже отмечалось, для температурного графика 95/70°С давление в котле необходимо поддерживать на уровне не ниже 0,5…0,6 МПа.

Проектирование и выбор водоподготовки произведены без анализа параметров работы котла. Так, при давлениях  воды в котле ниже 0,4 МПа Na-катионитная схема водоподготовки должна быть двухступенчатой или оснащаться дополнительными или комбинированными устройствами для обработки воды.

Для тепловых сетей с малым теплосъёмом  или часто меняющейся нагрузкой  на котёл устанавливается горелка  со ступенчатым режимом регулирования  нагрузки, а не в модулируемом режиме. В режиме «Включено-Выключено» из расчёта  на малоцикловую усталость металла  котёл имеет ограниченный ресурс пусков из холодного состояния и  при определённых условиях лимит  таких пусков может быть исчерпан за год или полгода.

                                 Этап изготовления

Применение производителем стали, не отвечающей требуемым параметрам по температуре и давлению, особенно для изготовления жаровой трубы  и трубных досок.

Недостаточно отработанная технология приварки дымогарных труб к трубным  доскам, при которой производитель  не обеспечивает снятие возникающих  при сварке температурных напряжений в металле, например, термоэлементами  или выдержкой в термокамерах.

Некачественная сварка (не проплавлены  корни сварных швов приварки жаровых  и дымогарных труб к трубным доскам). Этот дефект особенно характерен для  некоторых производителей отечественных  котлов.