Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

На сегодняшний день в Казахстане, и в городе Алматы в частности, находится в эксплуатации большое количество децентрализованных источников теплоснабжения, находящихся как в частной собственности, так и в ведении ТОО «Алматытеплокоммунэнерго» [1], обеспечивающих теплоснабжение районов города. Как правило, по последним имеющимся у авторов данным исследований, в городе Алматы практически отсутствуют котельные, работающие на твердом и жидком топливе, и подавляющее большинство котельных уже газифицированы. С учетом современных мировых трендов [2] развиваются схемы малых централизованных и децентрализованных систем теплоснабжения, в том числе и в городе Алматы с присоединением новых пригородных районов появляется необходимость их энергообеспечения, что можно решить несколькими способами, к примеру, подключить к существующим районным котельным или организовать малые децентрализованные котельные. Имеет место и обратная ситуация, при которой часть потребителей отключается от системы, и котельные вынуждены переходить на новый режим работы с пониженной нагрузкой. В том и другом случае для котельных ключевым вопросом будет определение наиболее экономичного плана работы [3] при существующей нагрузке потребителей. Эксплуатация и новых, и существующих котельных должна выполняться с учетом требований государственных программ повышения энергоэффективности [4], с принятием политики «зеленой экономики» [5] и защитой окружающей среды. В малых котельных АО «Алматытеплокоммунэнерго» уже находятся в эксплуатации малые водогрейные котлы КСГн-1,16 с современной конструкцией топочных экранов [6], которые имеют возможность работать с высокой экономичностью и экологичностью в широких пределах регулировочного диапазона нагрузки.

Целью исследования в настоящей статье является опытная проверка эффективности конструкций водогрейных котлов КСГн-1,16 на основе данных по итогам теплотехнических испытаний и мониторинга работы котлов малых котельных ТОО «Алматытеплокоммунэнерго».

Материалы и методы исследования

Проведенный анализ существующих казахстанских, российских и зарубежных технологий показывает, что в целом для существующих систем теплоснабжения в настоящее время растет уровень использования отечественных технологий (как для Казахстана, так и для России), при этом современный рынок котельного оборудования при эксплуатации не уступает зарубежным аналогам [7; 8].

Для оценки эффективности современной конструкции водогрейного котла КСГн-1,16 были использованы методы статистического анализа, сравнения и эксперимента, которые отражены в выполненной работе по мониторингу за основными эксплуатационными показателями работы водогрейных котлов (температуры теплоносителя на входе и выходе из котла, расход теплоносителя энергетического топлива, мониторинг состава уходящих газов). В качестве основного аналитического материала выступали данные мониторинга по работе котла по значениям штатных приборов, с выведением среднего фиксированного значения.

Обследуемые котельные полностью оборудованы необходимым минимумом контрольно-измерительных приборов. В том числе термометрами и манометрами на входе и выходе из котла, на прямой и обратной линиях теплоносителя; расходомерами с тепловычислителями также на обеих линиях теплоносителя; газовым счетчиком для контроля расхода топлива – природного газа. Для оценки состава уходящих газов были использованы данные производственного экологического контроля (средние показательные значения). Все второстепенные значения и данные были приняты по имеющимся журналам учета показателей работы котельной. При проведении теплотехнических испытаний вся основная информация, собранная по данным штатных приборов, была дополнительно подтверждена с дублированием информации с помощью портативных измерительных комплексов, в том числе пирометрами, газоанализатором, ультразвуковыми расходомерами. При проведении испытаний была использована упрощенная методика М.Б. Равича [9] теплотехнических испытаний для котельных агрегатов на газовом топливе. При этом обработка результатов расчетов была выполнена с учетом допустимых погрешностей при определении КПД котла по обратному балансу [9; 10].

При проведении теплотехнических испытаний поддерживались общие условия, соответствующие требованиям эксплуатации. Уровень присосов сохранялся на допустимом минимальном уровне, а доля теряемой тепловой энергии с поверхностей котла контролировалась с помощью тепловизионной камеры, с её помощью также определялся уровень изношенности изоляционных поверхностей котла [11; 12].

В качестве опытных образцов были выбраны уже находящиеся в эксплуатации котельные агрегаты для получения данных, выбранных статистически из большого массива фиксируемых данных на протяжении последнего отопительного сезона (котельная «Ботагоз», котельная «Станкевича», котельная «на Глазунова»).

Исследуемые котельные агрегаты отличаются новой конструкцией топочных экранов [6]. Внутренние топочные U-образные экраны выполнены цельносварной трубной панелью с мембранами. При этом мембраны приваривались к трубам с попеременным смещением в противоположные стороны от диаметральной плоскости для существенного увеличения прочности [13]. Трубы фронтового и потолочного экранов выполнялись также единой цельносварной Г-образной панелью с выполнением в потолочном экране с тыльной стороны котла взрывного клапана. Снизу внутренний топочный U-образный цельносварной экран опирается на внутренние стенки газохода котла. Наружный двусветный U-образный экран размещается над серединой газохода, а наружный U-образный теплоизолированный кожух котла опирается на наружные стенки U-образного газохода котла, который одновременно с внутренней стороны кожуха имеет турбулизаторы, а с наружной стороны является декоративным кожухом. Функции фестонного экрана выполняют верхние два ряда труб внутренних топочных U-образных экранов, которые по периметру обтекают топочные газы из объема топки и попадают в заэкранный газоход котла, после которого уже нисходящий поток газов обтекает поперечные ряды труб наружного двусветного экрана. При этом заэкранный газоход вместе с трубами наружного двусветного экрана и наружной стороны цельносварного внутреннего топочного U-образного экрана, учитывая поперечные пластины-турбулизаторы декоративного кожуха, выполняется в виде элемента поперечного шахматного пучка труб.

При этом для достижения оптимальной геометрии топочной части котла КСГн-1,16 конструкция выполнялась с более зауженным с тыльной стороны заэкранным газоходом, что обуславливается размещением сборного коллектора короба газохода с тыльной нижней стороны котла. А также с целью обеспечения равномерного обтекания продуктами сгорания боковых конвективных поверхностей с размещенным по всей длине топки поперечным одним рядом труб [6; 14].

Результаты исследования и их обсуждение

На основе выполненного анализа данных мониторинга и проведенных теплотехнических испытаний котельных агрегатов был собран массив данных, по которым были выполнены необходимые расчеты с требуемым уровнем статистической обработки (с исключением случайных величин, установкой доверительного интервала данных в пределах установленной погрешности измерений, приборов, расчетов). Полученные итоговые данные для трёх режимов работы котла были обобщены и сведены в таблицу.

Полученные результаты свидетельствуют об эффективности конструкций топочных экранов. Смещенные поочередно в разные стороны мембраны внутреннего топочного U-образного цельносварного экрана обеспечивают более равномерный прогрев по периметру всех экранных труб. Цельносварная трубная экранная панель с поочередно смещенными в разные стороны от диаметральной плоскости мембранами образует жесткую конструкцию, составленную из двух пар таврового сечения по всей высоте и ширине внутреннего топочного U-образного экрана [6; 13].

Собранные таким образом экраны вместе с цельносварным Г-образным экраном обеспечивают достаточную герметичность в топке, а конструкция водогрейного котла становится более прочной и практически невосприимчивой к возможным хлопкам (и даже к взрывам) и переменным тепловым нагрузкам, как это показала достаточно длительная эксплуатация. Конструкция котлов этой серии КСГн с наиболее теплонапряженными топочными экранами, в которых выполняется подъемное движение воды, является наиболее надежной с точки зрения эксплуатации котла в реальных условиях работы [6; 13]. Предложенный порядок соединения экранов по произведенным расчетам позволяет котлу эффективно работать как в номинальном режиме, так и в режимах с пониженной вплоть до 20 % тепловой нагрузкой. Устойчивость работы котла на пониженной нагрузке была проверена экспериментально. Надежность конструкции позволяет предусмотреть работу котла на пониженных давлениях воды, это существенно позволяет сдвинуть нижние границы по условиям недопущения закипания воды и опрокидывания циркуляции воды в контуре котла [6; 15].

В конвективной части котла, конструктивно функцию которой выполняет наружный U-образный экран с двусветными трубами, топочные газы опускаются вниз. Скорость потока воды по шести каждым трубам составляет до 1,48 м/с, и гидравлическая схема движения воды может работать по более эффективной противоточной схеме.

В исследованных конструкциях котлов удалось увеличить общий расход воды: до 40 м3/час в котле КСГн-1,16 котельной «Ботагоз» (испытания проводились с расходом 22 м3/ч). Расход воды равномерно распределялся по симметричным экранам котла. Скорость воды во внутренних цельносварных топочных экранах варьировалась от 2,24 до 2,45 м/с, а в конвективном экране с двусветными трубами от 1,5 до 1,8 м/с.

Расчеты, выполненные при проведении аналогичных теплотехнических испытаний [13–15], также подтверждают эффективность оптимизации конструкций новых водогрейных котлов. Отличие всей серии водогрейных котлов КСГн от аналогов состоит в том, что радиационная поверхность нагрева Нр может быть увеличена в 1,5 раза, а объем топки может быть увеличен в 1,65 раза практически без значительных изменений прежних габаритов котла в плане [6; 13; 14].

Для оценки возможности эффективной эксплуатации водогрейных котлов КСГн-1,16 были проведены дополнительно экспресс-испытания по режимам работы, в частности с переключением режима горения для форсировки и снижения интенсивности процесса горения. По результатам было показано, что преднамеренный выход с оптимального режима горения (отмечается изменением избытка воздуха по данным непрерывного контроля состава уходящих газов) не вызывает дестабилизации работы котла и за счет конструкции котла позволяет эксплуатировать его в таких режимах с значительным запасом по надежности. При этом было отмечено минимальное снижение КПД до значений 88–89 % при 50 %-ной нагрузке котла.

За счет применения новой конструкции цельносварных экранов котлов появляется возможность использования дополнительной тепловоспринимающей поверхности, которая образуется за счет организации движения газов сначала с внутренней стороны U-образных экранов, а далее с внешней их стороны, что образует так называемые двусветные экраны. Таким образом, новые котлы серии КСГн-1,16 имеют объем топки V = 7,4 м3, и соответственно площади конвективной и радиационной поверхностей Нк = 44 м2 и Нр = 20 м2. Соотношение конвективной поверхности к радиационной составляет 2,2, а отношение суммарной величины площадей поверхности нагрева к величине тепловой мощности котла составляет порядка 55,17 м2/МВт. При этом для сравнения с серийными котлами, ближайший котел КВГМ-1,16-95 («Смоленск-1», производства ОАО «ДКМ» [16]) имеет значения площадей конвективной поверхности Нк = 29,2 м2 и радиационной поверхности Нр = 11,2 м2, соответственно отношение поверхностей Нк/Нр составляет 2,6, а отношение суммарной величины площадей поверхности нагрева к величине тепловой мощности находится на уровне 34,83 м2/МВт.

При этом конструкция водогрейного котла серии КСГн позволяет варьировать отношением длины топки к поперечному сечению топки, а также отношением радиационной поверхности к конвективной. Новая конструкция позволяет конструкторам изменять и реализовывать оптимальный профиль эффективного котла в зависимости от конкретного вида сжигаемого топлива, что сложно выполнять на классических водогрейных котлах призматической или цилиндрической формы с достаточно жесткими привязками к габаритным размерам [14; 15].

Выводы

Существующие водогрейные котлы, по данным исследований длительной эксплуатации конструкций с цельносварными панелями без использования обратной стороны экранов, показали достигнутые пределы радиационного и конвективного теплообмена с учетом всех возможных вариантов интенсификации. Рассматриваемые в данной работе конструкции с двусветными экранами котлов типа КСГн позволяют расширить эти пределы.

Находящиеся в эксплуатации малые стальные горизонтальные водогрейные котлы серии КСГн (в котельных ТОО «Алматытеплокоммунэнерго») по результатам мониторинга показателей работы и проведенных теплотехнических испытаний подтвердили надежность, ремонтопригодность и простоту обслуживания в условиях работы в режиме горячего водоснабжения по открытой схеме на пониженных давлениях воды.

Конструкция водогрейных котлов КСГн-1,16 с U-образными цельносварными мембранными экранами показала высокую надежноть в длительной эксплуатации, а использование двусветного экрана позволяет развить тепловую мощность котла. По итогам исследований показан потенциал увеличения конвективной поверхности до 35 % путем увеличения только одного геометрического параметра – высоты внутреннего топочного U-образного цельносварного экрана, с увеличением числа труб внутреннего и наружного U-образных экранов. Использование двусветных экранов позволяет в конструкции котлов получить высокие удельные показатели тепловой эффективности топочного пространства, а на практике может оказать положительный экономический эффект на снижении металлоемкости изготовления котельных агрегатов при сохранении мощностных характеристик.

Данная работа была подготовлена в рамках выполнения научно-исследовательских работ, финансируемых Комитетом науки Министерства образования и науки Республики Казахстан (по проекту АР05133388).