Введение. 
Использование малогабаритных энергонапряженных паровых котлов в котельных и мини-ТЭЦ

Основная область применения котлоагрегатов, в основе которых находятся энергонапряженные паровые котлы, — это мини-ТЭЦ и котельные паропроизводительностью от 50 до 600 т/ч (давление пара — до 4 МПа; температура — до 440 ^ОС), от которых требуются высокие надежность и степень автоматизации при широком диапазоне выходных параметров (по нагрузке и динамическим характеристикам) с учетом низких совокупных строительно-эксплуатационных затрат. Разработка таких малогабаритных паровых котлов (рис. 1) специалистами ОАО «Специальное конструкторское бюро котлостроения», имеющими опыт создания котлов как для кораблей и судов, так и для стационарной энергетики, была начата в 1995 г. Первая котельная с котлом данного типа тепловой мощностью 60 МВт (паропроизводительностью 75 т/ч) была введена в эксплуатацию в 1998 г. на нефтеперерабатывающем заводе АО «Мажейкю Нафта» (г. Мажейкяй, Литва).

Конструктивные особенности

По способу организации рабочего процесса в газовом тракте разработанный паровой котел — высоконапорный, сжигание топлива и теплопередача осуществляются при избыточном давлении воздуха (до 0,3−0,4 МПа). Воздух нагнетается в котел компрессором, приводимым во вращение газовой турбиной, включенной в газовый тракт котла после экономайзера. При низких нагрузках используется дополнительная коаксиально расположенная паровая турбина (рис. 2). Компрессор и турбины скомпонованы в единый турбонаддувочный агрегат (ТНА).

Паровой котел — вертикальный, двухколлекторный, с вертикальным пароперегревателем, водяным экономайзером и одноходовым движением дымовых газов, имеет двухслойный корпус-кожух с воздушным полнопроточным охлаждением топки и газохода.

Автоматизированные котлоагрегаты на базе таких котлов позволяют вырабатывать перегретый пар для паровых турбин мини-ТЭЦ, а также насыщенный пар или горячую воду для технологических нужд и теплоснабжения промышленных предприятий.

В состав котлоагрегата входят (рис. 3):

¦ высоконапорный водотрубный паровой котел с естественной циркуляцией;

¦ турбонаддувочный агрегат для подачи воздуха в котел;

¦ утилизационный котел (водогрейный или паровой) для утилизации тепла уходящих от парового котла газов (табл. 1);

¦ автоматизированная система управления (АСУ), обеспечивающая регулирование, защиту и сигнализацию;

¦ арматура (регулирующая, дистанционно-управляемая и др.).

Основной особенностью котлов данного типа является значительная интенсификация теплообмена в топке и в парообразующих поверхностях нагрева котлов. Напряжение топочного объема (12,4−13 МВт/м³) примерно в 100 раз превышает показатели традиционных стационарных котлов, а скорость дымовых газов в конвективных поверхностях нагрева, приведенная к нормальному атмосферному давлению, превосходит их показатели примерно в 10 раз (до 100 м/с). В результате существенно увеличивается интенсивность теплообмена, что, в свою очередь, приводит к уменьшению значений удельных массогабаритных характеристик котлов в 15−20 раз. Так у рассматриваемых котлов это значение не превосходит величину 0,4−0,6 кг пара/кг котла, притом, что у основной массы стандартных котлов этот показатель составляет около 8−10 кг пара/кг котла. Необходимо также отметить, что увеличенная тепловая нагрузка не снижает показателей надежности теплообменных элементов котла. Это достигается за счет мероприятий по выравниванию тепловых нагрузок, применением конструктивно правильно выбранных материалов и эффективной работой АСУ.

На экспериментально-исследовательском стенде был выполнен комплекс работ по обеспечению надежности работы котла, включая термометрирование самых напряженных теплообменных элементов (парообразующих труб экранов топки, первых рядов конвективного пучка, труб пароперегревателя). Научно-исследовательские работы и замеры показали, что температура «лобовых точек» парообразующих труб и труб пароперегревателя не превышает опасных значений. Это обеспечивается надежной циркуляцией в парообразующем контуре и высокими скоростями пара в трубах пароперегревателя, что гарантирует надежное охлаждение металла труб.

Котлы могут работать на газообразном или жидком топливе (в том числе используется мазут всех марок, включая М-100). Топливо сжигается в топке, образуемой боковым экраном и конвективным пучком труб. Подача газообразного топлива в топку осуществляется из газовой магистрали при давлении газа 0,22 МПа, а подача жидкого топлива — топливным насосом при давлении топлива 2,5 МПа.

Разработанное для этого типа котлов топочное устройство включает в себя шесть газомазутных горелок, размещенных встречно: три горелки на передней и три — на задней стенках котла. Горелки № 1 и № 2, расположенные на передней и задней стенках котла, являются растопочными и обеспечивают розжиг котла с помощью высоковольтных искровых запальников. Горелки пронумерованы в соответствии с порядком их включения.

В состав топочного устройства входят два датчика факела, установленные на смотровых трубах горелок (по одному на каждой стенке котла), а также газовый, мазутный и паровой трубопроводы с арматурой. Арматура системы распыливающего пара включает в себя дроссельное устройство для регулирования давления распыла и ручные запорные клапаны. К горелке № 1 подведен трубопровод распыливающего воздуха с дроссельным устройством и запорным клапаном.

Рассматриваемые в статье схемно-конструктивные решения были реализованы в конструкциях котлов нескольких типов, отличающихся производительностью и параметрами пара: КВГ3-Г (КВГ3-ГМ) и КВГ2М-ГМ (см. табл. 2).