Здравствуйте! Данная статья была прислана по электронной почте Байрашевским Б.А., д.т.н., г.Минск.
Основной и исключительной особенностью конвективных поверхностей нагрева воды в водогрейных котлах является тот факт, что независимо от схемы движения теплоносителей относительно друг друга (по принципу прямотока – П или по принципу противотока – Z) тепловосприятие его практически не меняется [1]. Это означает, что компоновка конвективного пучка по принципам прямо- или противотока не влияет также и на температуру уходящих газов. С другой стороны этот факт по-разному сказывается на температуре стенки поверхности нагрева со стороны дымовых газов.
В случае противотока (Z) температура стенки змеевика с входящей в него температурой воды равной в сечении уходящих газов будет ниже, чем в случае прямотока, где температура выходящей воды в этом же сечении газохода равна tвых > tвх. Такая особенность теплового режима конвективного пучка расширяет возможности его модернизации как при разработке схемы циркуляции воды в котле, так и при разработке его конструкции в целом.
Температура уходящих газов на котлах ПТВМ при 100% нагрузке по данным нормативных характеристик равна [2]: в котлах ПТВМ-50 при сжигании мазута – 292 °С, газа – 235 °С; в котлах ПТВМ-100 при сжигании мазута – 230 °С, газа – 185 °С. Очевидно, что такая высокая температура уходящих газов представляет собой потенциальный резерв в отношении повышения экономичности работы котлов в целом. Поэтому анализ работы водогрейных котлов приводит к необходимости изменения технологии нагрева воды в них, т.е. в модернизации либо котлов в целом, либо их отдельных элементов.
Организация прямоточного режима работы конвективного пучка (при 2-х ходовой схеме циркуляции) была выполнена на одном из котлов ПТВМ-100 [3] путем замены «входа» на «выход». Однако широкого применения на практике такое мероприятие не получило, так как при этом не был исключен второй немаловажный недостаток котла: неоправданное чередование экранных и конвективных поверхностей нагрева по ходу движения воды.
Чередование экранных и конвективных поверхностей нагрева по ходу движения воды в котле, а также наличие нисходящих потоков в экранных трубах создают условия для отложения солей в радиационных поверхностях. Осуществление последовательного подогрева воды сначала в экранах топки, а затем в конвективном пучке позволяет всецело использовать подогрев холодной воды в трубах, имеющих более высокую температуру стали, чем трубы конвективного пучка. Одновременно облегчаются условия для поддержания температуры воды на входе в конвективный пучок на уровне не менее 104-110 °С. При этом температура воды на входе в котел (экранные тубы) может быть ниже на 10-15 °С.
Рис. 1. Вариант модернизации контуров циркуляции водогрейных котлов ПТВМ-50, 100, включённых по 2-х ходовой схеме, согласно разработкам Союзтехэнерго (6) в сравнении с традиционной схемой (а). 1, 2 — экранные трубы; 3 — конвективный пучок; 4 — коллекторы; 5 — перепускные трубы; t вух — температура воды в поверхностях конвективного пучка, расположенных в сечении уходящих газов.
На рис. 1 и 2 представлены варианты схем циркуляции воды в котлах ПТВМ-50 и ПТВМ-100, включенных по 2-х и 4-х ходовым схемам: а – традиционные варианты, б – варианты, разработанные Союзтехэнерго [4] на случай колебания давления воды в теплосети. К недостаткам такой модернизации следует отнести тот факт, что коррозионная стойкость котлов в сущности не изменилась: поверхности экранов и конвективных пучков размещены в рассечку.
Следует отметить, что традиционные схемы циркуляции воды в котле предусматривают непрерывный процесс её подогрева по мере продвижения по тракту от входа до выхода. С другой стороны по условииям эксплуатации устанавливаются определённые ограничения по допустимым значениям температур, как на входе, так и на выходе. Это достигается путём соблюдения тепловых балансов между потоками теплоты,выделяемой при сжигании топлива и теплоты, воспринятой теплоносителем.
Рис. 2.Вариант модернизации контуров циркуляции водогрейных котлов ПТВМ-50, 100, включённых по 4-х ходовой схеме, согласно разработкам Союзтехэнерго — 6 в сравнении с традиционной схемой — а. 1, 2 — экранные трубы; 3 — конвективный пучок; 4 — коллекторы; 5 — перепускные трубы; 6 — заглушки; t вух — температура воды в поверхностях конвективного пучка, расположенных в сечении уходящих газов.
Теряемая часть теплоты из общего баланса котла определяется в основном уровнем температуры уходящих газов, который в свою очередь в значительной мере зависит от среднего температурного уровня подогреваемой воды, т. е .tух ≈ f (tср) , где tср ≈ 0,5 (tвх + tвых). Таким образом, есть основания утверждать, что при постоянных поверхностях нагрева котла имеется такая величина средней температуры воды tср , при которой будут сохраняться на допустимом (оптимальном) уровне остальные температуры: tвх, tвых, tср. Наибольший интерес в таком случае представляют режимы котла с постоянной температурой уходящих газов.
Обратимся к уравнению теплового баланса по подогреву воды в котле и запишем его так (см. рис. 3):
где, t1, t2 – температуры воды на входе и выходе из котла с массовым расходом до его модернизации; Gк1 ≈ Gк1 ≈ Gк – массовые расходы воды в модернизированном котле, в котором водяной тракт разделён, положим, на две части: первую с потоком воды Gк1 и с подогревом её от t1 до tпр1 и вторую – с потоком воды Gк2 и с подогревом её от tпр2 до t3. В таком случае средний температурный уровень воды в модернизированном котле равен:
в то время, как в котле с традиционной схемой циркуляции воды
Рис. 3. Схема подогрева воды по традиционному (тр) и модернизированному (мод) трактам котла.
В простейшем случае (рис. 3) t1 ≈ tпр2 и tпр1 ≈ t3. Тогда на основании (1) и (2) следует, что в результате модернизации водяного тракта котла средний температурный уровень воды в нём снизится на величину порядка
На основании изложенного следует, что задача снижения и последующей стабилизации температуры уходящих газов за котлом может быть решена вполне доступными средствами, не нарушая традиционных устоев, связанных с конструкцией топки и конвективных поверхностей котла. Остаётся только решить вопрос о способе и механизме, позволяющих в условиях эксплуатации выдерживать необходимую среднюю температуру в котле при допустимых значениях tпр1, tпр2, t3 и tух .
В связи с этим на рис. 4 и 5 представлены рекомендуемые варианты модернизации (а, б) котлов [5, 6], в которых предусмотрен последовательный подогрев воды сначала в экранах топки, затем в конвективном пучке. В вариантах на рис. 4 предусмотрен восходящий поток воды не только в экранах, но и в обоих конвективных пучках в целях обеспечения надёжности работы поверхностей нагрева в случае кратковременного вскипания воды. Кроме того, в отличие от вариантов Союзтехэнерго (рис. 1б, 2б) в вариантах модернизации по рис. 4, 5 предусматривается дополнительный ввод сетевой воды в промежуточный тракт котла (в количестве 5-15% от номинального расхода) для регулирования теплового режима работы поверхностей нагрева и тепловой нагрузки котла в целом, как это показано схематически на рис. 3.
Рис. 4. Варианты модернизации контуров циркуляции водогрейных котлов ПТВМ-50, 100, включённых по 2-х ходовой схеме. 1, 2 — экранные трубы; 3 — конвективный пучок; 4 — коллекторы; 5 — перепускные трубы; 6 — трубопроводы для дополнительной подачи воды в тракт котла; t вух — температура воды в поверхностях конвективного пучка, расположенных в сечении уходящих газов.
Следует также отметить, что в ряде котлов традиционных конструкций движение воды между подающими и отводящими коллекторами осуществляется по схеме [1, 7]. например, на боковых экранах котлов ПТВМ-50, 100 (рис. 2а) при 4-х ходовой схеме циркуляции. С точки зрения уменьшения гидравлической и тепловой разверок [7] схема предпочтительна. Поэтому при модернизации котла по рис. 5а на боковых экранах предусмотрен вход и выход воды между коллекторами по схеме , как более эффективной.
В отличие от котлов ПТВМ в котлах типа КВГМ исключено чередование экранных и конвективных поверхностей нагрева в рассечку, что является
их немаловажным преимуществом. При работе по 4-х ходовой схеме здесь предусмотрен последовательный нагрев воды сначала в экранах топки, затем в конвективном пучке. При работе по 2-х ходовой схеме каждый из двух контуров (экранный и конвективный) включены по ходу воды параллельно. Наибольшей коррозии в этом случае может подвергаться нижний пакет конвективного пучка, расположенный в зоне уходящих газов и принимающий на себя сравнительно холодную воду.
Поэтому независимо от схемы работы (2-х или 4-х ходовой) подачу воды в конвективную зону следует осуществлять последовательно: сначала в верхнюю часть среднего конвективного пучка, пройдя через который (рис. 6) вода поступает в нижний конвективный пучок, и после этого перепускными трубами подается в верхний конвективный пучок снизу. Таким образом, движение воды в среднем и нижнем конвективных пучках осуществляется вниз, а в верхнем, где температурные напоры велики – вверх.
Рис. 5. Варианты модернизации контуров циркуляции водогрейных котлов ПТВМ-50, 100, включённых по 4-х ходовой схеме. 1, 2 — экранные трубы; 3 — конвективный пучок; 4 — коллекторы; 5 — перепускные трубы; 6 — трубопроводы для дополнительной подачи воды в тракт котла; 7 — заглушки; t вух — температура воды в поверхностях конвективного пучка, расположенных в сечении уходящих газов.
Увеличение коррозионной стойкости котлов типа КВГМ, работающих по 2-х ходовой схеме, можно осуществить путем организации более высокого уровня температуры воды на входе в конвективный пучок с помощью насоса рециркуляции, как это показано на рис. 7. Такое мероприятие позволит обеспечить предельно допустимый уровень температуры воды в конвективном пучке и одновременно уменьшить загрузку насосов рециркуляции по сравнению со случаем работы котла по 2-х ходовой традиционной схеме. Кроме того, предлагаемая схема модернизации питания котлов типа КВГМ способствует уменьшению общего сопротивления водяного тракта котла.
Рис. 6. Вариант модернизации контуров циркуляции водогрейных котлов типа КВГМ, включённого по 4-х ходовой схеме. 1 — фронтовой экран; 2, 3 — боковые и задний экраны в топке; 4 — конвективный пучок в газоходе; 5 — боковые экраны в верхней части ; газохода; 6 — экранные трубы на задней стенке газохода; 7 — фестон; 8 — коллекторы; 9 — перепускные трубы; 10 — заглушки; tвух — температура воды в поверхностях конвективного пучка, расположенных в сечении уходящих газов.
Перепады температуры по отдельным поверхностям нагрева котлов можно определить по формуле:
где С, Gт,к– теплоемкость воды и ее расходы через поверхности, расположенные в топке (инд. т), и поверхности конвективного пучка (инд. к);
и
– температура воды на входе и выходе из исследуемой поверхности нагрева котла;
Ψψ– долевое тепловосприятие исследуемой поверхности котла от общей его нагрузки Qкт, величину которой в общем случае выразим так:
где Δtт и Δtк – подогрев воды по потокам в топке (т) и в конвективном пучке (к). Тогда согласно (4) определяем:
Рис. 7. Модернизация схемы питания котла типа КВГМ. 1, 2 — поверхности нагрева котла, размещённые в топке (т) и газоходе (г); 3, 4 — насосы рециркуляции и сетевой; 5, 6 — потребитель и ТЭЦ; 7 — регулирующие клапана.
На основании анализа результатов испытаний, выполненных Союзтехэнерго [8] на котле КВГМ-100 и данных тепловых расчетов котлов типа ПТВМ-50, 100 оказалось, что величину Ψψ можно с достаточной точностью представить в виде линейной функции от фактической нагрузки котла , т.е. в общем случае,
где – Qн — номинальная нагрузка котла; aψ, вψ — коэффициенты аппроксимации; последние в результате обработки опытных данных [9] приведены в таблице 1 для котлов ПТВМ-100 и КВ-ГМ-100 при сжигании газа (г) и мазута (м). В частности, поверхности нагрева на котлах типа ПТВМ-100 разделяются на три части: малые (м) Ψψ = Ψм и большие (б) Ψψ = Ψб поверхности экранов на стенах топки; Ψψ = Ψкп – поверхности конвективных пучков (кп). В котлах типа КВГМ-100 рассматриваются пять расчётных поверхностей нагрева: поверхности фронтового (ф), боковых (б) и заднего (з) экранов топки, т. е. Ψψ = Ψф, Ψψ = Ψб , Ψψ = Ψз; поверхности конвективных пучков (кп) и заднего экрана в газоходе (г), т. е.Ψψ = Ψкп, Ψψ = Ψг.
Эффективность рассмотренных вариантов модернизации котлов в отношении их коррозионной стойкости можно оценить по температурному уровню воды в поверхностях нагрева, расположенных в зоне уходящих газов. Значения этих величин определяются на основании приведенных формул (4) – (7).
Примерные значения температур воды tвух1 и tвух2 в коррозионноопасных зонах котлов ПТВМ-100 и ПТВМ-50 сведены в таблицы 2 и 3. Здесь в порядке сравнения рассмотрены разные варианты схем циркуляции воды в котлах (рис. 1, 2, 4 – 7) при их 100% -ных нагрузках и конкретных значениях температур на входе tвх и выходе tвых. Из приведенных данных следует, что ожидаемая температура металла труб (tвух1,2) в зоне уходящих газов в случае реализации вариантов предлагаемой модернизации существенно выше по сравнению с вариантами традиционной конструкции. Чем выше значения tвух1 и tвух2 , тем большее следует ожидать проявление коррозионной стойкости соответствующих поверхностей нагрева. Вместе с тем значения температур и позволяют судить о величине резерва по снижению температурного уровня воды в этих поверхностях, что позволяет осуществлять дополнительный ввод воды в промежуточный тракт котла и этим самым повышать его производительность.
ВЫВОДЫ.
Опыт эксплуатации показывает, что ряд котлов традиционной конструкции имеют существенные недостатки в плане коррозионной стойкости отдельных элементов поверхностей нагрева и оптимизации их тепловых и гидравлических разверок. В данном разделе рассмотрены и обоснованы конкретные варианты модернизации схем циркуляции котлов типа ПТВМ и КВГМ в целях повышения производительности и надёжности их работы. В частности, по возможности рекомендуется повсеместная замена движения воды между коллекторами по схеме «Z» на схему «П».
Кроме того, при разработке вариантов модернизации котлов и создания их новых конструкций следует иметь в виду одну существенную особенность их конвективных пучков: практическое постоянство тепловосприятия независимо от прямо — или противоточной компоновки их относительно потоков дымовых газов. Учёт этого факта способствует отысканию наиболее рациональных вариантов циркуляции воды в конвективных пучках, расположенных в зоне уходящих газов. На основании изложенных материалов следует, что:
1. Увеличить коррозионную стойкость котла, не снижая его экономичности можно путём:
— организации последовательного подогрева воды сначала в экранах топки, затем в конвективных поверхностях нагрева, расположенных в газоходе;
— перевода режима работы конвективного пучка с противоточного на прямоточный.
2. Повысить надёжность работы котла при резких колебаниях гидравлического режима можно путём:
— исключения нисходящих потоков воды в экранных трубах:
— исключения подачи и отвода воды через коллектора, соединяющие экранные и конвективные поверхности нагрева по схеме «Z», и замены её на схему «П», способствующую меньшей гидравлической разверке труб.
3. Увеличить производительность котла и защитить от коррозии поверхности нагрева его, расположенные в зоне уходящих газов можно путём:
— дополнительного ввода в промежуточный тракт котла сетевой воды, как это показано на рис. 4, 5.
— организации двух независимых потоков воды от насосов рециркуляции (рис. 7) при работе котла по 2-х ходовой схеме: один поток направлять в контур, позволяющий выдерживать меньшую температуру воды на входе, другой – в контур, требующий более высокий температурный уровень воды. При этом общая температура воды после смешения на выходе из обоих контуров котла должна соответствовать заданному графику температуры воды в теплосети.
Авторы: Байрашевский Б.А., Борушко Н.П.
ЛИТЕРАТУРА
1. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М., Энергия, 1973.
2. Жирнов Н.И. Рекомендации по проектированию, наладке и эксплуатациигазомазутных теплофикационных водогрейных котлов типа ПТВМ. М.: ВТИ, ОНТИ, 1969.
3. Летун С.В, Из опыта модернизации водогрейных котлов ПТВМ-100. // Энергетик. 1980, №4.
4. Левинзон В.М., Берсенев А.П., Гипшман И.М., Антонова Т.Е., Унгер Н.Н., Барахов Я.И., Чередеева Е.М. Изменение гидравлических схем поверхностей нагрева газомазутных водогрейных котлов типа ПТВМ с целью повышения их надёжности. Информационное письмо № 5-80. М.: Союзтехэнерго, 1980.
5.БайрашевскийБ.А., Шорох И.П. Водогрейный котел. А.С. № 943493.
6. Байрашевский Б.А. Водогрейный котел. А.С. №1010409.
7. Максимов В.М. Котельные агрегаты большой производительности. М.: Машгиз, 1961.
8. Комплексные испытания и наладка водогрейного котла КВГМ-100 Рижской ТЭЦ-2 Латвглавэнерго, ч. II, Союзтехэнерго, 1975.
9. Байрашевский Б.А. Эффективность каскадной схемы питания водогрейных котлов. // Электрические станции. 1990, №6.
Добавить комментарий