Автор:
П. Кеберлейн
Источник:
Статья
"Аква-Терм", №06, 2008.
Сегодня насыщенный пар находит применение во множестве отраслей. В пищевой промышленности и производстве напитков с его помощью поддерживаются процессы разогрева, варки и чистки; текстильные предприятия используют пар при обработке и отделке материалов, прачечные и химчистки – при стирке, глажке, сушке. В больницах очищенным паром стерилизуют операционные наборы; с помощью пара работает кухня, он идет на увлажнение воздуха при кондиционировании. Производство стройматериалов нуждается в насыщенном паре для реализации большого числа процессов, например при автоклавировании силикатного кирпича. В бумажной, картонажной, химической, фармацевтической промышленности и многих других пар трудно заменить иным теплоносителем.
Наибольшая часть промышленных и муниципальных потребителей нуждается в насыщенном или слегка перегретом (давление – до 30 бар, температура – до 300 °С) паре в объеме не более 200 т/ч. Для его производства, как правило, используют один или несколько паровых котлов жаротрубной конструкции с газовой или жидкотопливной горелкой. В упомянутом спектре применения они и удобнее, и экономичнее водотрубных котлов.
Эксплуатация современных паровых котлов жаротрубного типа не вызывает особенных сложностей. Тем не менее они часто подвергаются ряду, в сущности, предотвратимых воздействий, которые оказывают решающее влияние на надежность и долговечность котлов. Говоря о причинах этого, в первую очередь следует назвать недостаточное качество воды, ошибки в проектировании и наладке, а также влияние со стороны потребителя.
Недостаточное качество воды, вызывающее коррозию или образование отложений (рис.1), стоит на первом месте в статистике причин повреждений котлов. Процессы, протекающие в этих случаях, общеизвестны, и автор посчитал возможным не рассматривать их в данной статье. Часто «плохое» качество воды может быть результатом недостаточного контроля ее параметров, отсутствия специальных знаний у персонала, ошибок в оценке результатов измерений или непринятия мер при обнаружении отклонений.
Для предотвращения повреждений из-за недостаточного качества воды требуется в первую очередь поддержание параметров воды, указанных производителем котельного оборудования. Наряду с использованием необходимых компонентов системы водоподготовки, следует также заботиться о своевременном получении достоверных данных о качестве воды.
Наилучшим образом это обеспечивается с помощью полностью автоматизированных устройств анализа, которые регистрируют и контролируют такие параметры воды, как жесткость, проводимость, значение рН, контролируют чистоту конденсата. Таким устройством является, в частности,
модуль LWA производства Loos International.1. Завышена производительность котла.
Эта проблема часто обнаруживается в старых котельных, где потребление пара сокращено в результате упразднения части потребителей или снижения использования тепла в результате осуществления энергосберегающих мероприятий. При проектировании новых установок она также может иметь место, если неправильно оценены коэффициенты одновременности работы потребителей или в расчетах заложен слишком большой запас по мощности.
Последствием значительно меньшего потребления пара относительно производительности котла станут частые включения и выключения горелки. Что в свою очередь вызывает температурные колебания, которые могут стать предельными, особенно у котлов с газовыми горелками и большим временем продувки.
Горелки обеспечивают в топочной камере температуру 1400-1700 °С. Во время фазы продувки, предписанной перед каждым розжигом горелки, из котельного помещения в топку поступает воздух температурой 20-30 °С. Это вызывает охлаждение горячих поверхностей нагрева. Затем зажигается горелка и в большинстве случаев очень быстро получает сигнал увеличить нагрузку до максимума. В предельно малых фазах нагрузки ее снова отключают уже во время набора мощности, чтобы потом – часто совсем вскоре – снова продуть и разжечь.
Это вызывает различное расширение топочной камеры и обшивки котла, а значит – напряжение в конструкции. Со временем работа в таком режиме может привести к усталости материала. Страдает и экономичность, так как каждая продувка означает существенную потерю тепла. Поэтому нужно стремиться к тому, чтобы число цикло переключения горелки не прившало четырех за час.
Для этого рекомендуются:
2.Слишком
мала разница между давлением включения и выключения горелки.
Регулирование мощности парового котла осуществляется на основе данных о давлении пара в котле. Если оно ниже минимального из заданных предельных значений, происходит включение горелки. Превышение верхнего порога вызывает ее отключение. Задание чересчур узкого диапазона между Рвкл и Рвыкл приводит к следующему:
Опыт показал, что с выставлением разницы 10-15 % (в зависимости от типа регулятора горелки и рабочего давления котла) между значениями давления включения и выключения горелки (по отношению к максимально допустимому давлению котла) данные проблемы будут надежным образом устранены.
3. Задано слишком малое время реакции регулятора мощности и позиционирования горелки.
Современные менеджеры горения позволяют варьировать время позиционирования горелки, т.е. продолжительность перехода от малой нагрузки к большой. Одновременно посредством изменения параметров регулирования мощности можно влиять на скорость реагирования горелки при отклонении контролируемых величин от заданных значений. Однако жаротрубные котлы представляют собой сравнительно инертную систему. Настройка регулятора мощности на слишком быстрое реагирование, возможно, в сочетании с очень малым временем позиционирования горелки ведет к быстрому генерированию тепла в жаровой трубе. Перенос этого тепла от поверхностей нагрева осуществляют, прежде всего, поднимающиеся в паровое пространство паровые пузыри (рис. 2). Однако их образование происходит с небольшим запаздыванием по времени. Последствиями такого несовпадения являются кратковременные местные перегревы и дополнитель¬ное термоциклирование, ускоряющие износ материала обогреваемых стенок котла. В этой ситуации настоятельно рекомендуется доверять ввод котла в эксплуатацию с настройкой горелки и регулировочных характеристик только обученному персоналу.
4. Отсутствие программы автоматического последовательного управления многокотельными установками.
Задача включения и выключения котлов при изменении нагрузки ложится в данном случае на оператора. Последствиявозможных несвоевременных действий персонала можно оценить по диаграмме, представленной на рис. 3. Регистрирующие приборы показывают, что в течение всего периода времени требуемый расход пара мог быть обеспечен котлом производительностью 10 т/ч. Частые и кратковременные включения котла 2 производительностью 8 т/ч, сопровождающиеся термоциклированием, абсолютно излишни.
Диаграмма выявляет также взаимное влияние котлов: когда котел 1 снижает свою производительность, котёл 2 увеличивает выработку пара, и наоборот. Котлы работают «друг против друга», и беспрепятственная транспортировка тепла от поверхностей нагрева не может больше гарантироваться. Поэтому наличие программы последовательного управления рекомендуется для котельных установок уже с двумя парогенераторами и совершенно необходимо, когда их число – три или более.
Вид последовательного управления (подключение и отключение котлов в зависимости от расхода или давления пара), с одной стороны, зависит от числа котлов, с другой – от того, какие колебания давления допустимы для потребителя. Управление по расходу пара обеспечивает значительно меньшую амплитуду этих колебаний.
Также нужно обращать внимание на следующие моменты:
1. Частый запуск котла из холодного состояния.
Запуск из холодного состояния обусловливает самую большую механическую нагрузку на корпус котла. Причина - большая разница температур между жаровой трубой и обшивкой котла при холодном запуске, по сравнению с режимом нормальной эксплуатации при рабочей температуре.
Вызванное тепловым расширением смещение жаровой трубы относительно корпуса котла в процессе запуска ведет к значительному дополнительному напряжению. Эта нагрузка еще более усиливается, если во время запуска невозможно никакое или возможно только очень незначительное образование паровых пузырей, что случается, например, при закрытой арматуре отбора пара. Обычно протекающей в корпусе парового котла естественной циркуляции воды (рис. 4) не происходит, и ее температурное расслоение (внизу – холодно, наверху – горячо) вызывает дополнительное напряжение. При очень частых холодных запусках эти переменные нагрузки могут вести к трещинам в материале или – в худшем случае – к его разрушению.
Рекомендации по снижению пусковой нагрузки:
2. Длительное нахождение котла в режиме Stand-by.
Поддержание котла в горячем состоянии, но без отбора пара (режим Stand-by) происходит, например, в многокотельной установке, когда ведомый котел не используется. В зависимости от реализуемой программы управления при этом либо закрывается главный паровой вентиль, либо ведомый котел настраивается на более низкое, чем в сети, давление. В рабочий режим котел переключают лишь спорадически (от случая к случаю), чтобы компенсировать потери тепла. Если данное состояние поддерживается в течение долгого (более трех дней) времени, в котле начинает устанавливаться температурное расслоение.
При переводе котла в нормальный режим работы, реагирующая на высокое рабочее давление (горячая верхняя область) автоматика распознает его как имеющийся в распоряжении и в случае поступления соответствующего запроса в очень короткое время выводит горелку на работу с высокой мощностью. В сочетании с температурным расслоением это вызывает напряжение, о котором говорилось выше.
Возможное решение данной проблемы – монтаж на дне котла нагревательного змеевика (рис. 5), позволяющего избежать вредных температурных расслоений в толще воды. Нагрев этого теплообменника осуществляется паром, и реализовать данный вариант можно в многокотельных установках или при наличии других надежных источников пара.
3. Колебания давления в результате сильных перепадов потребления.
При высоких скоростях изменения нагрузки и сильных колебаниях давления необходимое для отвода тепла от поверхностей нагрева образование паровых пузырей может затрудняться; многочисленные маленькие пузыри могут объединяться в большие, задерживающиеся на поверхностях нагрева и благоприятствующие появлению зон местного перегрева. По этой причине для котельных установок, снабжающих потребителей с резко меняющейся нагрузкой, должны быть приняты особенные меры, которые позволят ограничить колебания давления в котле независимо от потребителя.
Вот некоторые из них:
Перечисленные причины возникновения дополнительных напряжений в конструкции котла указывают на то, что задача их недопущения носит комплексный характер. Она решается на всех этапах - от проектирования, изготовления и монтажа установки до ее эксплуатации.
По причине определенной сложности паровых котельных установок необходимо непременно обратить внимание на сле-дующие моменты: