• Биография
• Автореферат
• Библиотека
• Ссылки
• Портал Магистров

Особенности водного режима при эксплуатации современных жаротрубных водогрейных котлов

Васильев А.В., доцент, к.т.н., НПФ «Градиент-С», СГТУ

(по материалам научно-практического журнала  «Энергосбережение в Саратовской области)

Особенности жаротрубных котлов требуют тщательной проработки вопросов водоподготовки при проектировании и эксплуатации современных котельных для конкретных условий водоснабжения.

Конструктивные особенности жаротрубных котлов

В настоящее время промышленность России переживает бум строительства коммунально-бытовых и промышленных отопительных котельных небольшой мощности. На смену громоздким неэкономичным чугунным водогрейным котлам, стальным водотрубным водогрейным и двухбарабанным паровым котлам с КПД 88-90% приходят современные высокоэкономичные жаротрубные водогрейные котлы. За последние два года на территории Саратовской области установлено более 100 современных водогрейных жаротрубных котлов тепловой мощностью от 0,5 до 4,0 МВт. Практически в каждом крупном городе России выпускаются котлы подобной конструкции. Только в Саратовской области существует три предприятия, выпускающие жаротрубные котлы. Кроме того, огромное количество предприятий по всей России выпускают водогрейные котлы разной конструкции малой мощности от 10 до 120 кВт.

Установка высокоэкономичных котлов с КПД 92-93% вместо существующих старых водогрейных и паровых котлов дает существенную экономию топлива. Так, любая реконструкция котельной с заменой котлов позволяет получить экономию топлива до 20-25%. Этот фактор особенно актуален в настоящее время при дефиците топлива. Кроме того, необходимо отметить, что все вновь вводимые современные котлы работают на природном газе низкого давления, что существенно повышает надежность теплоснабжения во время максимума отопительной нагрузки.

Вместе с тем необходимо отметить, что используемая конструкция жаротрубных котлов требует дополнительного внимания к ним при эксплуатации.

Основным дополнительным требованием, обеспечивающим надежную эксплуатацию котла, является обеспечение необходимого водного режима. Более жесткие требования к качеству питательной воды для современных жаротрубных котлов объясняются большими удельными тепловыми потоками в жаровой трубе и поворотной камере по сравнению со старыми конструкциями жаротрубных котлов и современных водотрубных котлов. Так, плотность теплового потока в жаровой трубе котла КВ-Г-4,0-115-Н составляет 1250 кВт/м3 и это примерно в 3-4 раза выше, чем у водотрубных котлов. Именно за счет этого и значительно снижены габариты и удельный вес современных водогрейных котлов. Как показывают тепловые расчеты жаротрубных котлов, 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. Наиболее ярко это выражено в котлах КВ-Г-4,0-115-Н и в котлах КВА-0,5 и КВА-2,5.

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. При такой температуре стенки используемая углеродистая сталь может надежно работать более десяти лет. Однако если в воде находятся соли жесткости, то при кипении воды на поверхности образуются плотные кальциевые отложения, которые существенно увеличивают термическое сопротивление стенки. Как показали расчеты котла КВ-Г-4,0-115-Н [1] 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.

Так, эксплуатация котлов КВ-Г-4,0-115-Н в г. Балашове без водоподготовки при жесткости подпиточной воды - 16-17 мг-экв/кг привела к тому, что через три месяца работы в котле перегорели 20% труб первого конвектив-ного пучка, а после замены их и эксплуатации в тех же условиях еще в течение двух месяцев на передней трубной решетке образовались выпучены и перегорели еще 40% труб. В результате котел уже не подлежал восстановлению. При осмотре котла во время ремонта наблюдалось большое наличие накипи на поверхностях жаровой трубы и поворотной камеры, а трубы газотрубного пучка в местах их крепления в трубной доске полностью были забиты плотными накипными отложениями примерно на 200 мм от трубной доски. Анализ данного случая позволил разработать специальное решение для котла КВ-Г-4,0-115-Н, позволяющее избежать кипения воды на трубах в районе максимальных тепловых потоков и значит, существенно повысить надежность этого котла даже при работе его без химводоочистки. Это решение защищено патентом на изобретение [2] и успешно реализуется ОАО «Сарэнергомаш» на своих котлах, начиная с 1998 года.

Анализ эксплуатационных характеристик и тепловые расчеты современных жаротрубных котлов [1] показали, что при снижении давления ниже расчетного до 0,2-0,3 МПа температура насыщения уменьшается, и интенсивность кипения 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/мЗ, при увеличении давления 0,8-0,9 МПа кипения воды не наблюдается, и температура стенки не превышает 180-185 °С.

Вышесказанное позволяет сделать вывод, что для надежной и высокоэкономичной работы жаротрубных котлов обязательно требуется умягчение питательной воды. Причем, по нашему мнению, для обеспечения безнакипного режима работы жаротрубных котлов требуется ужесточить нормы по жесткости питательной воды. Вместо допустимой жесткости в 700 мкг-экв/кг согласно [3] для водогрейных котлов, ввести нормы, как для паровых котлов, с допустимой жесткостью 15 мкг-экв/кг. Однако при поддержании давления воды в котле на уровне 0,6 МПа, возможно ограничиться требуемой жесткостью 0,1 мг-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 700 мкг-экв/кг и использовать более дешевые методы предварительной подготовки воды.

Опыт эксплуатации жаротрубных котлов в котельных Саратовской области показал, что при использовании для подпитки котлов артезианской воды, кроме умягчения воды необходимо дополнительно очищать воду от грубоди-сперсных примесей и растворенного в воде железа. Высокое содержание железа в артезианской воде особенно показательно для левобережных районов Саратовской области. В подземных водах Марксовского и Балаковско-го районов содержание железа достигает 15-18 мг/кг, что значительно выше нормы по использованию катионных методов очистки воды (Na- или Н-катионирование). Высокое содержание железа в исходной воде «отравляет» катионитную смолу или сульфоуголь катионитных фильтров, при этом значительно снижая его ионообменную способность.

Во многих сельских котельных или котельных небольших городов и поселков, где нет промышленного или питьевого водопровода, котлы питаются водой непосредственно из рек или озер. В этом случае, кроме солей жесткости, в исходной воде содержится большое количество грубодисперсных и коллоидно-растворенных примесей. Наличие их в воде приводит к забиванию катионита Na-катионитных фильтров и, главное, к отложению большого количества илистых отложений в нижней части корпуса жаротрубных котлов. Учитывая, что расстояние от нижней части корпуса котла до жаровой трубы составляет 150 -250 мм для разных конструкций котлов, возможно полное забивание этого пространства рыхлыми или илистыми отложениями и пережог жаровой трубы. Во избежание этого необходимо осуществлять периодическую продувку нижней части котла, а во время остановок производить осмотр и очистку котла от ила и рыхлых отложений.

Все эти особенности эксплуатации жаротрубных котлов требуют тщательной проработки вопросов водопод-готовки при проектировании современных котельных для конкретных условий водоснабжения.

Способы водоподготовки

В настоящее время в технической литературе и в рекламе предлагается огромное количество схем водопод-готовки, организации безнакипного режима эксплуатации котлов, а также методов очистки поверхностей нагрева от накипи:

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

- использование мембранной очистки (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 обработка воды различных типов для предотвращения образования и удаления накипи на поверхностях нагрева котла;

- ультразвуковая очистка поверхностей нагрева от накипи и другие методы.

Выбор способа обработки воды зависит от состава исходной воды, величины подпитки и конструкции котлов. Данный вопрос необходимо решать в каждом конкретном случае при проектировании котельной. Однако накопленный опыт эксплуатации котлов различных конструкций и расчетный анализ работоспособности и надежности котлов позволяет предложить в данной статье наиболее рациональные схемы подготовки воды в котельных.

Для жаротрубных котлов, подпитка которых осуществляется из промышленного или питьевого водопровода, где вода уже очищена от механических и коллоидных примесей, целесообразно использовать стандартную водо-подготовительную установку с механическим фильтром и одноступенчатым Na-катионитным фильтром. В настоящее время ОАО «Сарэнергомаш» наладил выпуск компактных относительно дешевых блочных водоподготови-тельных установок (БВПУ) различной производительности от 0,4 до 10 т/час. Причем они могут обеспечить как одноступенчатое, так и двухступенчатое Na- или Н-катионирование. Существенным недостатком этих установок является невозможность без существенных изменений автоматизировать работу этой установки. Автоматизация БВПУ особенно актуальна для полностью автоматических транспортабельных котельных, которые в настоящее время находят все большее применение. Примером решения данного вопроса может являться автоматическая дуплексная Na-катионитная установка производительностью 2 т/час, разработанная НПФ «Градиент-С» и НПП «Лисскон». Она успешно работает в котельной Саратовского государственного технического университета полностью в автоматическом режиме, обеспечивая механическую очистку воды и её умягчение. Схема установки значительно проще, чем стандартные БВПУ, в ней нет больших потерь воды при регенерации фильтров, следовательно, значительно ниже расход поваренной соли для регенерации, а также меньше выбросы загрязняющих веществ в канализацию, однако цена ее примерно в 2,5 раза выше, чем БВПУ той же мощности. Для паровых и водогрейных котельных, водоснабжение которых осуществляется артезианской водой, дополнительно к катионитным фильтрам необходимо устанавливать механические фильтры (песчаные или мембранные), а также фильтры обезжелезивания. Кроме того, артезианская вода имеет, как правило, жесткость выше 5 мг-экв/кг (от 7 до 17 мг-экв/кг), поэтому необходимо перед БВПУ устанавливать дополнительную ступень Na- ка-тионитного фильтра. При этом существенно продлевается межрегенерационный период работы фильтров и снижается расход соли на регенерацию. Примером такой схемы водоподготовки может служить водоподготови-тельная установка в паровой технологической котельной ЗАО «Химэксмаш» (г. Балаково). После обследования данной котельной специалисты НПП «Лисскон» и НПФ «Градиент-С» спроектировали, изготовили и запустили в работу дополнительно к двухступенчатой Na-катионитной БВПУ-5 производства ОАО «Бийскотломаш» схему предварительной очистки воды. Она включила в себя механический сетчатый фильтр BRAWOFILAQVA S.R.L. (100 мкм), фильтр для удаления растворенного железа Q 2469-Р Osmonics (США) на основе ионообменной смолы «Birm» и дополнительный Na-катионитный фильтр производства ОАО «Сарэнергомаш». Разработанная схема позволила обеспечить требуемое качество питательной воды паровых котлов из артезианской воды с жесткостью 7,9 мг-экв/кг и содержанием железа от 2 до 8 мг/кг.

Для котельных с жаротрубными котлами, питающихся водой из открытых водоемов (река, озеро, пруд), для подготовки воды целесообразно использовать блочные водоподготовительные установки с механическими песчаными фильтрами и одноступенчатым Na-катионированием.

Особенный интерес представляют схемы безреагентной подготовки подпиточной воды, основанные на мембранной технологии. При использовании обратноосмотической мембраны кроме умягчения воды осуществляется практически полное обессоливание воды. Для паровых котлов это особенно актуально, так как при этом можно отказаться от непрерывной и периодической продувки, что на 5 % увеличивает экономичность котла и на столько же снижает расход подпиточной воды. Недостатком мембранной технологии является только высокая стоимость мембран. Стоимость одной мембраны производительностью 1 т/ч находится на уровне 5 тыс. долларов США. Исходя из этого, данный способ очистки воды целесообразно использовать только для паровых котлов крупных промышленных котельных. Окупаемость такой установки при замене существующей двухступенчатой схемы Na-катионирования составляет примерно 1,5 года. Для водогрейных котельных окупаемость обратноосмотических установок находится на уровне 5 лет.

Для модульных котельных небольшой мощности с котлами до 100 кВт целесообразно использовать комплексонатную обработку подпиточной воды. Здесь в подпиточную воду автоматически подаются определенные химические реагенты, которые связывают соли жесткости и не дают им отлагаться на поверхностях нагрева котла. Данные установки отличаются небольшой стоимостью и простотой в эксплуатации, однако они не всегда обеспечивают необходимое требование к качеству котловой воды. При этом необходимо учитывать низкую стоимость самих котлов (например, котел СарЗЭМ-100 стоит 17 тыс. руб.), поэтому нецелесообразно для таких дешевых котлов использовать дорогостоящие водоподготовительные установки.

Электромагнитные устройства типа «Anti CA ++» производства «Машинпекс» или электромагнитный импульсатор могут использоваться только как дополнительные методы предотвращения образования и удаления накипи к основному катионитному методу обработки воды. Причем использовать их в жаротрубных котлах нецелесообразно, так как в этих котлах происходит свободное движение воды, и действие магнитного поля перестает действовать на воду, пока она находится в котле. Кроме того, котлы в данном случае будут выступать в качестве шламоотстойников, а удаление шлама из нижней части жаротрубных котлов некоторых конструкций затруднительно. Дополнительно необходимо отметить, что при использовании различных электромагнитных устройств на водотрубных котлах и других проточных теплоэнергетических установках требуется установка дополнительных грязевиков или шламоулавливателей на выходе из котла или подогревателя, чтобы шлам не забивал теплосеть и приборы отопления.

Ультразвуковая очистка поверхностей нагрева котлов очень эффективна и находит широкое применение на паровых котлах типа ДЕ или ДКВР. Она позволяет не только эффективно очищать котловые трубы и стенки барабанов и коллекторов от накипи, но и предотвращать интенсивное накипеобразование на этих поверхностях нагрева. Постоянная работа ультразвуковых аппаратов на старых паровых котлах позволяет, за счет очистки поверхностей нагрева, повысить экономичность их работы на 5 - 6 %. При установке ультразвуковых аппаратов на сильнозагрязненных котлах, необходимо чаще делать периодическую продувку из нижних коллекторов и барабана котла, так как крупные куски накипи могут забить коллекторы, что приведет к пережогу экранных труб. Поэтому установку и наладку ультразвуковых аппаратов необходимо проводить специализированной организацией по схемам, предлагаемым заводами-изготовителями, согласованным с Госгортехнадзором. Опыт эксплуатации пензенских ультразвуковых аппаратов на пароводяных подогревателях показал их высокую эффективность по очистке трубных пучков от накипи. Это позволяет рекомендовать использовать их не только для очистки котлов, но и для очистки подогревателей как в паровых котельных, так и в тепловых пунктах. При этом для избежания попадания остатков накипи в тепловую сеть необходимо устанавливать грязевики не только на обратном трубопроводе; но и на трубопроводе прямой сетевой воды.

В заключение необходимо отметить, что для надежной и долговечной работы современных котельных агрегатов необходимо особенное внимание оказывать водному режиму работы котлов. При проектировании котельных различного типа необходимо на основе технико-экономического анализа решать вопросы выбора соответствующей схемы водоподготовки, учитывая состав исходной воды, конструкцию котла и стоимость устанавливаемого оборудования.

 

Литература

1. Повышение надежности жаротрубных водогрейных котлов. / Васильев А.В., Антропов Г.В., Баженов А.И. и др./ Промышленная энергетика, 1998, №7 с. 28-32.

2. Котел. /Васильев А.В., Захаров В.В., Баженов А.И. и др./ Патент на изобретение №97117845/06(018422) от 18.01.1998 г.

3. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов. М. - НПО ОБТ, 1993. - 192 с.