| Факультет | Физико-металлургический |
| Кафедра | Промышленная теплоэнергетика |
| Специальность | Теплоэнергетика |
| Тема магистерской работы | Существующая проблема при эксплуатации жаротрубных котлов малой мощности в котельных организаций бюджетной сферы. |
| Научный руководитель | Сафонова Елена Константиновна |
Как избежать напряжений в конструкциях жаротрубных паровых котлов
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 автокла-вировании 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 пепвую очередь следует назвать недостаточное качество воды, ошибки в проектировании и наладке, а также влияние со стороны потребителя
 Рис.1. Последствия недостаточного контроля жесткости питающей воды |
Качество воды Недостаточное качество воды, вызывающее коррозию или об-разование 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. |
Ошибки в проектировании и наладке
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.
 Рис.2. Передача тепла на сильно нагруженных поверхностях нагрева в результате образования паровых пузырей |
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 вре-менем 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. |
- оснащение горелки устройством регулирования, задерживающим мгновенный выход горелки на максимальную мощность при старте;
- применение регуляторов мощности, позволяющих неограниченное время удерживать горелку на малой нагрузке;
- использование горелок с широким диапазоном регулирования мощности;
- согласование мощности горелки с действительными потребностями, т.е. ее модификация или замена на менее мощную.
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:
- скачки давления вызывают частые включения и выключения горелки, а значит, описанное выше термоциклирование со всеми его негативными последствиями;
- поддержание давления в узком диапазоне регулирования требует в принудительном порядке точного регулирования мощности. Наряду с высоким износом исполнительных механизмов горелки, это вызывает досрочный износ материала поверхностей нагрева.
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.
 Рис.3. Диаграмма производительности котельной установки с двумя паро- генераторами, не оснащенной програм- мой последовательного управления |
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. |
- парогенераторы в многокотельных установках должны быть гидравлически отделены друг от друга (например, по-средством обратной арматуры), что препятствует их взаимному влиянию;
- уже при проектировании нужно предусмотреть оснащение ведомых котлов нагревательным змеевиком, находящимся в донной части. Это позволит избежать температурного расслоения котловой воды во время фазы поддержания в «горячем» состоянии.
1. Частый запуск котла из холодного состояния.
 Рис.4. Естественная циркуляция в пределах котлового объема |
Запуск из холодного состояния обусловливает самую большую меха-ническую 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. |
- запуск котла из холодного состояния и доведение до рабочей температуры, по возможности, следует осуществлять при наименьшей мощности горелки;
- во время процесса запуска незначительное количество пара должно иметь возможность постоянно покидать котел, чтобы вытеснением паровых пузырей обеспечивалась естественная циркуляция воды;
- идеальный вариант - реализация автоматической пусковой схемы, которая, в зависимости от температуры воды и давления, регулирует режим работы горелки и мощность так, что нагрузки сокращаются до минимального уровня.
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.
 Рис.5. Использование регулируемого нагревательного змеевика для пред- отвращения температурного расслоения воды |
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 го- релку 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. |
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:
- более высокая степень защиты котла по давлению и применение редукционной установки, монтируемой между котлом и потребителем;
- применение аккумуляторов пара для пиков нагрузки;
- применение парового вентиля, защищающего котел от слишком сильного падения давления.
Резюме
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:
- проектирование паровых котельных установок должно проводиться только квалифицированными и опытными сотрудниками специализированных фирм, так как большинство возможных ошибок можно избежать уже на этом этапе;
- качество примененных котлов, горелок и дополнительного оборудования играет решающую роль в безупречной и безотказной эксплуатации всей установки;
- правильный монтаж установки требует компетентного исполнителя, хорошо представляющего себе совместную работу различных компонентов котельной;
- методы эксплуатации и обслуживания паровой котельной установки имеют большое значение и отчетливо сказываются на ее долговечности;
- значительным преимуществом всегда является договор с производителем котла о его техническом и сервисном обслуживании с удаленным мониторингом неисправностей.
