Теплогенераторы малой мощности для автономных систем теплоснабжения

Теплогенераторы малой мощности для автономных систем теплоснабжения

Д.т.н. П. А. Хаванов, заведующий кафедрой «Теплотехника и теплогазоснабжение», С. А. Крохин, инженер, Московский государственный строительный университет (МГСУ) Значительные объемы нового строительства в России, привлечение в эту отрасль малых предприятий и частных инвесторов и соответствующее формирование инвестиционной политики обусловили на большинстве строящихся и реконструируемых объектах применение автономных источников теплоты преимущественно с водогрейными котельными агрегатами малой мощности (до 20 МВт).

Важнейшей особенностью котлов малой мощности являются тепловые режимы топок и связанные с ними физико-химические процессы горения, обусловленные масштабным переходом к малым геометрическим размерам топок с уменьшением мощности котла. В результате изменяется соотношение площади поверхности топки к ее объему обратно пропорционально изменению ее характерного размера. Следствием этого является тот факт, что в малых котлах тепловые напряжения топочного объема в несколько раз превышают значения, характерные для мощных котельных агрегатов, достигая значений q_v=2 МВт/м³ и выше (при работе на газе и жидком топливе), при этом тепловые напряжения поверхностей нагрева в топке (q_н=200 кВт/м²) примерно соответствуют тепловым напряжениям мощных котлов.

Водогрейная котельная техника представлена на российском рынке тремя основными типами котлов: водотрубными, жаротрубными и чугунными секционными.

Таблица 1. Сравнительные характеристики котельных агрегатов.

Водотрубные котлы (рис. 1) определенное время были основным типом отечественной водогрейной техники. В области малых мощностей такое положение дел себя не оправдало: с производства были сняты устаревшие котлы ТВГ ТГ, НР-18, ЗиО-60 и др., однако ряд конструкций котлов серии КВ-ГМ продолжает выпускаться.

Основные преимущества водотрубных водогрейных котлов обусловлены организованным гидравлическим режимом в трубных водяных контурах, что позволяет, используя насосные схемы принудительной высокоскоростной циркуляции (в том числе с рециркуляцией), обеспечить допустимые температурные режимы, снизить требования по общей жесткости циркуляционной воды. В то же время в водотрубных котлах необходимо строгое соблюдение гидравлического режима движения теплоносителя, исключающего его вскипание на поверхностях нагрева, что для котлов малой мощности особенно важно на теплонапряженных участках топочных поверхностей нагрева. При обосновании скоростного режима необходимо ориентироваться на трубы с опускным движением теплоносителя, в которых при указанных условиях теплообмена (q _н=200 кВт/м²) скорость движения теплоносителя должна быть по известным зависимостям (рис. 2) не менее 1,25−1,35 м/с. Такой гидравлический режим обуславливает достаточно высокое гидравлическое сопротивление водотрубного водогрейного котла (обычно в пределах 0,5−1,5 бар).

Независимо от типа котла необходимо отметить, что тепловой режим металла стенки котла определяется состоянием внутренней поверхности (со стороны охлаждающего теплоносителя), наличием отложений, их толщиной и свойствами. Внешние шлаковые, сажевые и битумиозные отложения (как и внутренние) преимущественно влияют на эффективность теплопередачи от газового потока к теплоносителю и, следовательно, повышают температуру уходящих газов, снижают мощность и КПД котла. Однако наибольшие неприятности часто связаны с увеличением аэродинамического сопротивления газового тракта котла, изменением и искажением характеристик горения, ухудшением экологических показателей работы.

В настоящее время заводы-изготовители переходят на все большие объемы выпуска жаротрубных котлов, активно осваивают зарубежные технологии, покупают и перерабатывают под российские нормативы техническую документацию известных фирм, продукция которых хорошо себя зарекомендовала на рынке.

Конструктивные схемы практически всех водогрейных жаротрубных котлов предполагают в водяном объеме внутри внешней прочной оболочки котла размещение цилиндрической топки и дымогарных труб конвективных поверхностей теплообмена. Компоновку котлов принято классифицировать как двухходовую и трехходовую. В обоих случаях развитие факела и движение продуктов сгорания по топочному объему считается первым ходом как для топок с осевым пролетным (без разворота факела) движением газов, так и для тупиковых реверсивных топок (с разворотом факела на 180^О в задней части внутри топки к фронту котла). Таким образом, двухходовые схемы предполагают один ход продуктов сгорания по конвективным жаровым трубам, а трехходовые — два хода с разворотом продуктов сгорания между пучками дымогарных труб на 180^О (рис. 3).

Существенно большие по сравнению с мощными котлами тепловые напряжения топочного объема приводят к увеличению приведенной скорости газового потока и росту конвективной составляющей теплообмена в малых топках. Существующие методы не позволяют произвести конструктивный расчет теплообмена в топках таких котельных агрегатов и обобщить экспериментальные данные, особенно для реверсивных топок.

На кафедре ТКУ МГСУ была применена экспериментальная методика расчета теплообмена в малых топках, основанная на расчете числа теплопереноса К_т, которое оценивает эффективность работы топки в целом, т. е. показывает соотношение теплового потока, воспринятого поверхностями нагрева в топке и предельновозможного при условии охлаждения продуктов сгорания до температуры T стенки тепловоспринимающей поверхности нагрева:

где Re — критерий Рейнольдса;

Bu — критерий Бугера;

I_a, I_T, 1_ст — энтальпии продуктов сгорания соответственно при теоретической температуре горения, температуре на выходе из топки и на тепловоспринимающей поверхности, кДж/кг, А — числовой коэффициент;

у — коэффициент, учитывающий способ сжигания топлива;

ж — коэффициент, учитывающий конструкцию и состояние поверхностей нагрева в топке.

Для реверсивной топки расчеты производились для удвоенного числа Re, что дает лучшую сходимость с экспериментальными данными, а физическая интерпретация наиболее полно соответствует развороту дымовых газов с увеличением скорости потока дымовых газов (рис. 4).

Основные недостатки жаротрубных конструкций обусловлены малой скоростью движения теплоносителя во внутреннем водяном объеме котла, имеющем значительный объем (удельный объем от 0,5 до 1,5 м³/МВт) и большое расчетное живое сечение для движения котловой воды. Это приводит к неорганизованным гидравлическим режимам внутренней циркуляции со скоростями, соответствующими естественной конвекции (около 0,01−0,02 м/с), а в ряде зон водяного объема — еще меньше. По этой причине значение тепловых напряжений поверхностей нагрева котла по условиям недопущения пристенного вскипания воды гораздо ниже, чем у водотрубных котлов, и является основным фактором, определяющим надежную и безаварийную работу котла (наряду с загрязнением поверхностей со стороны воды накипью и шламовыми отложениями и др.).

Конструкция трехходового котла по сравнению с двухходовым у многих производителей обладает большей конвективной поверхностью нагрева (дымогарные трубы) и за счет этого позволяет увеличить глубину охлаждения дымовых газов и повысить на 1−3% КПД котла. Большего значения КПД удается достичь установкой за водогрейным котлом агрегатного или блочного экономайзера (в том числе и конденсационного типа).

Оценивая качество жаротрубного котла необходимо учитывать, как конструктивные решения, так и совершенство технологии изготовления.

Так, наличие жесткого корпуса и безкомпенсационных по термическому удлинению торцевых поверхностей (трубных досок) с жесткой сваркой прямых жаровых труб и жестким креплением топки, близкое расположение жаровых труб к внешней необогреваемой оболочке котла приводят к повышенным напряжениям из-за некомпенсированной тепловой деформации как при холодных пусках, так и при переменных режимах эксплуатации. В этой связи весьма важно иметь информацию о расчетном значении на малоцикловую усталость металла, которая определяет количество циклов запуска из холодного состояния, измеряемое от нескольких сотен до десятков тысяч циклов. Помимо конструкции котла на эту величину влияет качество металла жаровых труб и трубных досок, технология и качество сварки, применение термоотпуска для снятия внутренних напряжений в сварной конструкции при изготовлении котла.

Менее надежными оказываются котлы с низким расположением жаровых труб, которые наиболее интенсивно заносятся шламом, из-за чего теплообмен ухудшается, температура стенки трубы увеличивается, что приводит к дополнительному локальному перегреву, увеличению нагрузок на сварочные швы и трубную доску. Для выравнивания и интенсификации теплообмена в конвективных поверхностях часто используют различного рода турбулизаторы потока, вставляемые в жаровые трубы третьего хода или в концевые участки второго хода двухходового котла.

Здесь важно отметить, что жаровые котлы с реверсивной топкой, в силу отмеченных особенностей тепловых процессов, при развороте факела обеспечивают интенсификацию конвективного теплообмена в топке (этим достигается выравнивание тепловых потоков на поверхностях нагрева в топке). Также они позволяют за счет активной рециркуляции части продуктов сгорания в корне факела горелки снизить эмиссию оксидов азота. Однако при этом в значительной мере происходит интенсификация теплообмена на трубной доске и начальных участках дымогарных труб в зоне разворота факела у переднего шамотного блока с учетом его вторичного излучения. Из-за этих факторов трубная доска оказывается в чрезвычайно форсированном тепловом режиме, зачастую приводящем к ее перегреву.

Учитывая указанные особенности тепловых режимов фронтовой трубной доски, подавляющее большинство зарубежных производителей водогрейных жаротрубных котлов ограничивают область применения реверсивных топок котлами мощностью до 2,5 МВт.

Для любых топок жаротрубных котлов, особенно для реверсивных, необходим правильный подбор горелки не только по мощности, но и по соответствию конфигурации и размеров факела горелки топке котла. Должен быть исключен даже локальный «наброс» факела на холодную стенку топки во всех режимах ее работы, с учетом необходимого напора для преодоления аэродинамического сопротивления газового тракта котла и метода регулирования нагрузки.

Низкие скорости движения теплоносителя, большие объемы воды приводят к интенсивному выпадению взвешенных частиц шлама как в нижней части котла (формируя зоны интенсивной подшламовой коррозии), так и на верхней образующей жаровых труб. Даже на «чистой» трубе при работе котла на расчетные параметры воды с температурой 95 ^ОС максимальные значения локальной температуры воды могут составлять около 130 ^ОС, а при 105 ^ОС — около 145 ^ОС. Под пористыми шламовыми отложениями (и накипью) температуры металла стенки трубы и воды еще выше, что ведет к локальному вскипанию, интенсификации процесса накипеобразования и перегреву стенки трубы.

Дополнительно необходимо отметить, что вскипание воды не только не смывает шламовые отложения на верхней образующей жаровых труб, но и интенсифицирует формирование локальных отложений накипи и фактически увеличивает размер и уплотняет эти отложения. По этой причине желательно не снижать гидростатическое давление в котле ниже 4,5−5 бар, что, однако, не может в полной мере подавить эти процессы. «Вялая» гидродинамика жаротрубных котлов объясняет необходимость глубокого умягчения воды до остаточной общей жесткости не более 0,01−0,02 (мг-экв)/л.

Максимальное уменьшение шламоотложения обеспечивается при использовании независимого подключения котлового контура в схеме теплоснабжения, исключающего попадание шлама из тепловых сетей и систем отопления потребителей. Следует ограничить использование магнитной и комплексонной обработки даже при наличии шламоотделителей в схеме и использовать периодическую продувку, периодичность и время осуществления которой из нижних точек котла определяется водно-химическим режимом работы котла.

Необходимо обязательно поддерживать гидравлический режим работы котла с расчетным расходом теплоносителя, определяемым при расчетной нагрузке по допустимому перепаду температур на входе и выходе из котла. Следует обеспечить требуемую рециркуляцию теплоносителя с проверкой во всех режимах работы для исключения низкотемпературной коррозии в хвостовых поверхностях нагрева котла, которая рассчитывается по условию превышения температуры воды на входе в котел температуры точки росы дымовых газов на 5 ^ОС.

Рассматриваемые вопросы не только касаются проектирования и организации работы жаротрубных котлов, но напрямую связаны с режимами эксплуатации с позиции обеспечения технологических процессов. Так, позиционное регулирование отпускаемой потребителям мощности при режиме эксплуатации горелки «включеновыключено» объективно существенно сокращает ресурс работы котла, учитывая цикловую усталость металла. Однако иногда и использование модулируемых горелок, особенно в реверсивных топках, может на пониженных нагрузках вызывать преждевременный разворот факела вблизи горелки, а, следовательно, перегрев отдельных участков топки и фронтовой трубной доски. Аналогичный процесс развивается при значительных разрежениях в газоотводящем борове за котлом. В некоторых случаях, при малом аэродинамическом сопротивлении котла, этот эффект проявляется при разрежении около 25 Па.

Напольные котлы с чугунными теплообменными секциями являются оптимальным решением при создании котельной средней мощности (0,1−0,5 МВт). Путем набора нужного количества секций, а также каскадной установки котлов можно достичь точного соответствия тепловой нагрузке. Скорость коррозии чугуна в воде и кислотах в 1,5−2 раза меньше, чем у стали. Это позволяет чугунным котлам работать в низкотемпературных режимах, где температура обратной линии ниже 55 ОС и образование конденсата неизбежно. Стоит заметить также, что чугунные теплообменники гораздо меньше, чем стальные, подвержены действию блуждающих токов, усиливающих коррозию. Содержание углерода в сером чугуне, используемом для изготовления теплообменников, обычно составляет 3,2−3,5%. теплогенератор котел водотрубный чугунный Наличие графита делает чугун достаточно хрупким при сильных механических нагрузках и термических ударах. Так, при резких перепадах температур, например, при подаче холодной воды во время подпитки, образуются микротрещины, способные привести к разрыву теплообменника. Разгерметизация также может произойти из-за значительной разницы температур между подающей и обратной линиями.

Чугун относится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемостью: сварочный нагрев и последующее охлаждение настолько изменяют его структуру в зоне расплавления и околошовной зоне, что получить соединения без дефектов и с требуемой герметичностью практически невозможно. Вместе с тем, серый чугун характеризуется высокими литейными свойствами (низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка), поэтому при изготовлении теплообменников сварные конструкции практически не используют. Для бытовых серий у некоторых компаний используются цельнолитые теплообменники (до 50 кВт), но для котлов средней мощности применяется традиционный метод — отливка отдельных чугунных кольцеобразных секций, которые потом стягиваются болтами или нанизываются на стержень. Собранные вместе, секции образуют камеру сгорания и несколько каналов для дымовых газов (в основномтри, реже — два или четыре канала).

С точки зрения эргономики, секционная конструкция теплообменника является оптимальным решением: во-первых, можно нарастить мощность котла путем простого добавления секций, во-вторых, при разгерметизации или появлении деформаций не требуется замены всего чугунного теплообменника — достаточно заменить дефектные секции. Наконец, в-третьих, внутри помещения гораздо легче совмещать отдельные секции, чем котел в сборе, что немаловажно при проведении профилактических мероприятий. К последним относится не только очистка поверхности теплообменника от сажи и копоти, но и удаление отложений солей жесткости и грязи с внутренней поверхности, из-за которых затрудняется циркуляция теплоносителя.

Котлы с чугунным теплообменником обладают хорошей теплоаккумулирующей способностью и, в то же время, большой тепловой инерционностью (медленное реагирование на изменения нагрузки).

В чугунных секционных котлах внутренние поверхности секций образуют непосредственно топочную камеру. Внутренние полости секций профилированы, благодаря чему достигается большая площадь теплообмена при небольших габаритах и исключаются напряжения, которые могут возникнуть из-за значительного перепада температур между различными участками конструкции. На внешней поверхности конвективных каналов предусматривается различного рода оребрение, ошиповка, волнистые выступы, образующие дымоходный канал сложной формы, который создает дополнительную турбулентность в движении дымовых газов и интенсифицирует теплообмен.

Следует отметить, что все теплотехнические особенности работы чугунных котлов, их гидравлические режимы в значительной мере похожи или даже идентичны процессам в жаротрубных водогрейных котлах.

Представляет определенный интерес сопоставление общих технических показателей различных типов котлов (см. таблицу).

Общие технологические требования к эксплуатации котлов малой мощности можно с учетом вышеуказанного определить как исключение недопустимых нарушений режимов эксплуатации котлов:

¦с несоответствующей или отключенной химводоподготовкой (даже при кратковременном ее отключении);

¦с внесением конструктивных изменений в котел — при удалении турбулизаторов, изменении схемы подключения вход-выход по теплоносителю и др.;

¦с отключенными рециркуляционными насосами;

¦без контроля температуры уходящих газов, аэродинамического сопротивления и гидравлических потерь давления в котле;

¦без контроля утечек в тепловых сетях, без очистки сетевой воды от шлама, без периодической продувки.

• 1. Хаванов П. А. Источники теплоты автономных систем теплоснабжения // АВОК. 2002. № 1.
• 2. Хаванов П. А. Системы теплоснабжения от автономных теплогенераторов // АВОК. 2002. № 2.
• 3. Хаванов П. А., Барынин К. П. Некоторые ошибки при разработке тепломеханической части автономных источников теплоты //АВОК. 2004. № 8.
• 4. Братенков В. Н., Хаванов П. А., Вексер Л. Я. Теплоснабжение малых населенных пунктов. М.: Стройиздат. 1988 г.