Варианты модернизации водогрейных котлов и обоснование целесообразности их реализации

       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.

Рисунок 1

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.

Рисунок 2

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):

Формула 1

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:

Формула 2

в то время, как в котле с традиционной схемой циркуляции воды

Формула 3

Рисунок 3
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

Формула 4

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.

Рисунок 4

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.

Рисунок 5

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.

Рисунок 6

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:

Формула 4.1

где С, Gт,к– теплоемкость воды и ее расходы через поверхности, расположенные в топке (инд. т), и поверхности конвективного пучка (инд. к);

2

и

1

– 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:

Формула 5

где Δtт и Δtк – подогрев воды по потокам в топке (т) и в конвективном пучке (к). Тогда согласно (4) определяем:

Формула 6

Рисунок 7

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,

Формула 7

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.

Формула 7 Таблица 1

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.

Таблица 2Таблица 3

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

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *