В настоящее время большое количество устаревших конструкций водогрейных котлов средней мощности, эксплуатируемых в Республике Казахстан, имеют низкую эффективность и надежность. Основные конструкции водогрейных котлов КВ-ГМ и ПТВМ разрабатывались в середине прошлого века [1–4]. Замена более 130 водогрейных котлов средней мощности, таких как ПТВМ-30М, ПТВМ-100 и некоторых котлов серии КВ-ГМ с фактическим КПД от 89 % до 90 % [5], на новые эффективные и сейсмостойкие водогрейные котлы с более высоким КПД по Республике Казахстан позволит экономить до полумиллиона тонн условного топлива в год и значительно сократить удельные выбросы токсичных и парниковых газов.
Цель исследования: опытная оценка теплотехнических характеристик новых горизонтальных водогрейных котлов КВ-ГМ-55-150, разработанных авторами по техническому заданию ТОО «АТКЭ», с целью увеличения единичной мощности и плановой замены морально устаревших котлов серий ПТВМ-30МС, ПТВМ-50 и ПТВМ-100.
Водогрейные котлы ПТВМ имеют башенную компоновку и значительную высоту до 17,6 м. Для обслуживания башенных водогрейных котлов требовались высокие здания, и в сейсмической зоне до 9 баллов они оборудовались мощным сейсмостойким несущим каркасом. При этом расход металла возрастал до 100 % к весу металла собственно котла, что приводило к существенному удорожанию с учетом увеличения стоимости монтажных работ. Поэтому давно существовавшую проблему для сейсмических районов авторы предложили решить, разработав сейсмостойкий горизонтальный водогрейный котел КВ-ГМ-55 с размещением его в здании высотой всего до 9,0 м, т.е. значительно ниже существующих зданий котельных с серийными вертикально ориентированными водогрейными котлами, в том числе и ПТВМ-50.
Новая конструкция водогрейного котла своими нижними коллекторами (камерами) опирается непосредственно на фундамент специальными «скользящими» упорами вместе с конвективной частью. На рис. 1 приведен общий вид нового водогрейного котла КВ-ГМ-55-150 и каркас котельной высотой всего 9 м в свету.
Рис. 1. Общий вид нового водогрейного котла КВ-ГМ-55-150
Нижние коллекторы боковых экранов на расстоянии до 8 м от фронтового экрана фиксируются анкерными болтами к фундаменту. Появлялась возможность теплового расширения топочной части котла в сторону фронта при работе, а всей конвективной тыльной стороны расширяться в сторону газохода котла. Газоход котла выполнен с тепловым компенсатором, и вторая часть свободно расширяется в тыльную сторону котла.
Общая гидравлическая схема водогрейного котла КВ-ГМ-55 запатентована действующими Патентами РК [6, 7]. Циркуляция воды в водогрейном котле по [6] осуществляется двумя параллельными потоками с общим расходом воды через котел до 658 (700) м3/час по 329 (350 м3/час) по каждой симметричной стороне водогрейного котла от топки и по всей конвективной части котла.
Для обеспечения доступа ко всем трубным поверхностям нагрева под первой и второй конвективными частями выполнены люк-лазы, защищенные и оформленные теплоизоляционной обмуровкой.
На фронтовом экране параллельно установлены две газо-мазутные горелки РГМГ-30 (РФ), факелы которых развиваются горизонтально в сторону тыла топки и перпендикулярно омывают трубы поворотного экрана ударяются о цельносварные трубы тыльного экрана и, проходя нижние фестонные трубы, оказываются под конвективными пакетами труб первой конвективной части. Далее газовый поток поднимается и омывает шахматные конвективные пакеты труб первой конвективной части по противоточной схеме и в верхней части, проходя через разведенные трубы промежуточного фестонного экрана, опускается и обтекает шахматные конвективные трубы второй конвективной части и по газоходу с тепловым компенсатором выводятся за пределы котла.
Материалы и методы исследования
Для проведения теплотехнических испытаний водогрейного котла № 5 КВ-ГМ-55-150 в котельной «Акселькент» были выполнены подготовительные работы по оснащению измерительными приборами, термометрами, термопарами с вторичными приборами, газоанализатором и с компьютерным дублированием (АСУ ТП) измеряемых характеристик котла на восьми режимах по тепловой мощности в соответствии с типовыми методиками испытаний.
Котел КВ-ГМ-55 был запущен в эксплуатацию в октябре 2011 г. и выведен на режим с расходом воды G = 658 т/час, (t1 = 63 °С, t2 = 128 °С, tух = 154 °С), гидравлическое сопротивление котла составило порядка 0,23 МПа (2,3 кгс/см2), КПД = 92,86 % при тепловой мощности 49,61 МВт (42,77) Гкал/час. В соответствии с потребностью микрорайонов вокруг котельной «Акселькент» (г. Алматы) тепловая нагрузка котла соответствовала расчетным проектным показателям. Результаты испытаний и эксплуатационные показатели работы котла практически совпали с расчетными результатами разработчиков конструкции котла, а также с проектными показателями.
Новая компоновка из двух рядом расположенных конвективных частей с пакетами из труб диаметром O32×3 мм реализована в идентичных конструкциях горизонтальных водогрейных котлов КВ-ГМ-35, КВ-ГМ-40 и КВ-ГМ-50. В новой компоновке двух конвективных частей, как в первой части, так и во второй части, поток воды и продуктов сгорания были выполнены по схеме противотока, которые позволяли поддерживать высокий уровень температурного напора и, соответственно, теплоотдачи от газового потока к трубам по всей высоте двух конвективных пакетов труб. Скорость воды в каждом ходе конвективных труб изменялась варьированием числа рядности труб в пакетах и в зависимости от скорости омываемого газового потока.
Фронтовой, два боковых, верхний, нижний, поворотный и тыльный экраны позволили создать симметричную конструкцию [6, 7]. Экраны выполнялись цельносварными, мембраны (плавники) поочередно были смещены в противоположные стороны от диаметральной плоскости между трубами с шагом s/d = 1,4 (d = 57×4 мм) по [8]. Смещенные поочередно в противоположные стороны от диаметральной плоскости мембраны (плавники) топочных экранов обеспечивали более равномерный прогрев по периметру экранных труб. В новой конструкции цельносварных экранов котлов с поочередно смещенными мембранами эпюры изгибающих моментов, возникающих из-за неравномерного прогрева по периметру труб, частично уравновешиваются, так как направлены в противоположные стороны. Цельносварной экран с поочередно смещенными в разные стороны от диаметральной плоскости мембранами [8] образует жесткую конструкцию. Собранные таким образом экраны обеспечивают достаточную плотность в топке и делают конструкцию котла более прочной и практически невосприимчивой к хлопкам и взрывам в объеме топки, и тем более к переменным тепловым нагрузкам.
В водогрейном котле КВ-ГМ-55 в наиболее теплонапряженной части поворотного экрана в топке экранирующего и защищающего собой фестонный экран, движение воды выполнено только восходящим, что допускает значительное форсирование теплового напряжения в топке на расчетных топливах. Конструкция котла с наиболее теплонапряженными экранами, в которых выполняется подъемное движение воды, является наиболее надежной с точки зрения эксплуатации котла в реальных условиях работы. Максимальный достигнутый при испытаниях расход воды через котел КВ-ГМ-55 составляет 658 м3/час при перепаде давлений на входе и выходе 0,35 МПа, при этом номинальный расход воды через обычный вертикальный водогрейный котел КВ-ГМ-50 составляет 618 м3/час.
Котел КВ-ГМ-55 проработал семь отопительных сезонов в автоматическом режиме вместе со вспомогательным оборудованием (АСУ ТП) и с поддержанием мазутного хозяйства котельной в рабочем состоянии. Изменений, деформаций, течей и конденсации воды на поверхности труб экранов, пакетов и коллекторов до настоящего времени обнаружено не было.
В процессе испытаний тепловая мощность котла изменялась от 25,18 МВт (21,71 Гкал/час) до 49,6 МВт (42,77 Гкал/час), расход газа калорийностью 8289,3 ккал/м3 варьировался от 2700 м3/час до 5566 м3/час. Избыток воздуха α в уходящих газах составил соответственно от 1,36 до 1,16, а содержание окиси углерода СО в уходящих газах было ноль процентов. Качество сжигания контролировалось анализом газа непрерывно.
На рис. 2 представлены сравнительные характеристики по отношению конвективной поверхности Нк к радиационной поверхности Нр для водогрейных котлов с классической компоновкой [1, 9–11] и для нового водогрейного котла с горизонтальной компоновкой. Сравнение показывает совпадение значений отношения конвективной поверхности к радиационной поверхности, что показывает правильность соотношений количества тепла воспринимаемого конвективной и радиационной частями котлов.
Рис. 2. Сравнительные характеристики по отношению Нк к Нр для серийных и новых водогрейных котлов
Рис. 3. Основные эксплуатационные теплотехнические характеристики КВ-ГМ-55
Совпадение значений по рис. 2 доказывает правильность выполненных тепловых расчетов для новых водогрейных котлов с горизонтальной компоновкой, основанных на нормативных правилах и формулировках и подтверждающих действующие закономерности лучистого и конвективного теплообмена в котлах.
На рис. 2 приведены данные для новых водогрейных котлов КВ-ГМ-35, КВ-ГМ-40 и КВ-ГМ-55. Связь между тепловой мощностью котла и отношением Нк/Нр можно представить в виде линейной зависимости
Нк/Нр = 0,05*N + 2,7,
которая хорошо согласуется с проектными данными серийных и новых водогрейных котлов типа КВ-ГМ.
Сравнение показывает, что отношение общей поверхности нагрева ΣН к тепловой мощности N новых котлов выше на 13–15 %, чем у традиционных водогрейных котлов, в диапазоне по тепловой мощности выше 30 МВт и до 70 МВт. Это позволяет существенно расширить возможности по увеличению тепловой производительности и снизить тепловую нагрузку поверхностей нагрева котла в топочной камере при номинальных нагрузках, а также увеличить срок службы котлов при соблюдении правил эксплуатации и консервации при сезонном простое.
На рис. 3 приведены показатели по коэффициенту полезного действия η (брутто) котла и удельному расходу условного топлива. Полученные экспериментальные данные в целом совпадают с расчетными характеристиками разработчиков котлов и результатами моделирования в программе BOILER DESIGNER [12].
Результаты исследования и их обсуждение
Экстраполяция результатов экспериментов на номинальную нагрузку показывает, что температура уходящих газов составляет 160 °С, а КПД брутто котла 92,5 %. Что значительно выше большинства ныне эксплуатируемых котлов в системе котельных АО «АТКЭ» [5, 13].
Опыт эксплуатации первых шести водогрейных котлов КВ-ГМ-55 и КВ-ГМ-35 начиная с 2012 г. в котельных «Акселькент» и «Елисейские поля» (г. Алматы) в системе ТОО «АТКЭ» при работе на природном газе с АСУ ТП показал, что в процессе эксплуатации поддерживается высокий уровень КПД, низкий уровень вредных и парниковых газов, при соблюдении в хорошем состоянии поверхностей нагрева котлов. За период эксплуатации новых котлов (9 штук) до настоящего времени квалифицированный персонал соблюдает и выполняет жесткие требования по соблюдению режимов, по качеству питания котлов химически очищенной водой, а также грамотно проводит консервацию котлов в летний период вынужденного простоя.
В настоящее время в г. Алматы успешно работают три водогрейных котла новой компоновки КВ-ГМ-55 и шесть водогрейных котлов КВ-ГМ-35 и КВ-ГМ-40. На основные типоразмеры водогрейных котлов серии КВ-ГМ мощностью до 145 МВт разработаны новые технические условия (СТП), зарегистрированные в АГУЧС города Алматы и Госстандарте (г. Астана).
В настоящее время авторами и разработчиками доработаны конструкции водогрейных котлов КВ-ГМ-55, КВ-ГМ-35 и КВ-ГМ-40, учтены все особенности и замечания эксплуатирующих организаций. В топочной камере установлен дополнительный двухрядный огибающий экран, являющийся дополнительной радиационной поверхностью и увеличивающий интенсивность дожигания газового факела. Эффективность применения двусветных экранов в водогрейных котлах подробно рассмотрена в работах [13–16]. Технические параметры котла доведены до следующих значений: радиационная поверхность нагрева составила Нр = 286,7 м2, конвективная поверхность нагрева Нк = 1406 м2, объем топки Vт = 313,3 м3. Установка дополнительно двухрядного огибающего экрана перед поворотным экраном в конце топки позволила заметно улучшить тепловые характеристики котла за счет интенсификации теплообмена и снизить температуру уходящих газов за котлом с увеличением КПД котла [6] до уровня 93–93,5 % на номинальной нагрузке.
В настоящее время в рамках грантового финансирования Комитета Науки МОН РК по проекту АР № 05133388 продолжается обобщение опыта эксплуатации новых эффективных водогрейных котлов средней и малой тепловой производительности на примере котлов КВ-ГМ-40, КВ-ГМ-35, КВ-ГМ-55, КВ-ГМ-7,56, КВ-ГМ-3,65 и серии котлов КСГн.
Выводы
В системе ТОО «АТКЭ» успешно эксплуатируются водогрейные котлы нового поколения КВ-ГМ-55, КВ-ГМ-40, КВ-ГМ-35, которые по основным параметрам – тепловой мощности, маневренности, надежности, экономичности, КПД и удельным выбросам вредных веществ в атмосферу превосходят аналогичные конструкции водогрейных котлов.
Результаты наладочных и режимных теплотехнических испытаний подтвердили основные расчетные параметры заложенные разработчиками в конструкцию горизонтального водогрейного котла КВ-ГМ-55. На номинальной нагрузке по результатам экстраполяции экспериментальных данных температура уходящих газов составила 160 °С, а КПД брутто котла 92,5 %. Опыт эксплуатации показал, что в процессе работы поддерживается высокий уровень КПД, низкий уровень вредных выбросов и выбросов парниковых газов, при соблюдении в хорошем состоянии поверхностей нагрева котлов. В настоящее время по результатам теплотехнических испытаний водогрейный котел доработан, в топочной камере установлен дополнительный двухрядный огибающий экран, который позволил заметно улучшить тепловые характеристики котла за счет интенсификации теплообмена и снизить температуру уходящих газов за котлом с увеличением КПД котла до уровня 93–93,5 % на номинальной нагрузке.