Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

РАЗРАБОТКА И ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА КВ-ГМ-55-150

Орумбаев Р.К. 1 Кибарин А.А. 1 Коробков М.С. 1 Ходанова Т.В. 1
1 Алматинский университет энергетики и связи
Настоящая статья посвящена проблемам разработки экономичных сейсмостойких водогрейных котлов. Существующую проблему для районов с повышенной сейсмичностью авторы предложили решить, разработав сейсмостойкие горизонтальные конструкции водогрейных котлов КВ-ГМ тепловой мощностью 35–55 МВт с размещением их в зданиях котельных высотой до 9,0 м, т.е. значительно ниже существующих зданий котельных с серийными вертикально ориентированными водогрейными котлами. В работе показано, что разработанные авторами горизонтальные водогрейные котлы работают экономично и надежно с 2011 г. в ряде котельных г. Алматы. Тепловые испытания, проведенные на котле № 5 котельной «Акселькент», подтвердили высокие технико-экономические показатели работы котла. Тепловая мощность котла в процессе испытаний 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 ? в уходящих газах составил соответственно от 1,36 до 1,16. На номинальной нагрузке по результатам экстраполяции экспериментальных данных температура уходящих газов составила 160?°С, а КПД брутто котла 92,5?%. 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.
водогрейный котел
тепловые испытания
двусветный экран
радиационный и конвективный теплообмен
повышение надежности
эффективность работы
1. Котлы водогрейные мощностью от 11,63 и до 209 МВт. Каталог для проектирования котельных. Т. 2. 4-е изд. Дорогобужкотломаш, 2007. 80 с.
2. Документация на котлы // Вебсайт АО «Дорогобужкотломаш» [Электронный ресурс]. URL: http://dkm.ru/documentation/documentation-for-boilers (дата обращения: 30.10.2018).
3. Бузников Е.Ф., Роддатис К.Ф., Берзиньш Э.Я. Производственные и отопительные котельные. 2-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1984. 248 с.
4. Орумбаев Р.К., Орумбаева Ш.Р. Оценка экономического и экологического эффекта при замене морально устаревших водогрейных котлов в Республике Казахстан // Actual Problems of Economics. Киев. 2012. № 5. С. 38–43.
5. Дукенбаев К.Д. Энергетика Казахстана и пути ее интеграции в мировую экономику. Алматы: Гылым, 1996. 530 с.
6. Орумбаев А.Р., Орумбаева Ш.Р., Орумбаев Р.К. Водогрейный котел // Патент Республики Казахстан № 25337. Опубл. бюлл. № 12. от 20.12.2011 г.
7. ПОрумбаев А.Р., Орумбаева Ш.Р. и др. Водогрейный котел // Патент на полезную модель Республики Казахстан № 2864. Опубл. бюлл. № 21. от 16.06.2018 г.
8. Орумбаев Р.К., Чижов В.Э. и др. Водогрейный котел // Патент Республики Казахстан № 11229. Опубл. бюлл. № 2. от 15.02.2002 г.
9. Спильник Е.Р., Шемякин В.Н., Хоменок Л.А. Пути повышения энергоэффективности и улучшения эксплуатационных характеристик водогрейных котлов ПТВМ // Надежность и безопасность энергетики. 2012. № 3 (18). С. 44–46.
10. Orumbayev R.K., Khodanova T.V., Kibarin A.A., Korobkov M.S. Efficiency assessment of bi-radiated screens and improved convective set of tubes during the modernization of PTVM-100 tower hot-water boiler based on controlled all-mode mathematic models of boilers on Boiler Designer software. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018. Vol. 136. Рaper ID 012016.
11. Дахов А.И., Рязанев С.М., Страхов М.Ю. и др. Пути повышения производительности, надежности и экономичности водогрейных котлов ПТВМ-100: аналит. обзор. Алма-Ата: КазНИИНТИ, 1989. 81 с.
12. Доверман Г.И., Мошкарин А.В., Шелыгин Б.Л., Мельников Ю.В. Расчет котельных агрегатов с использованием современных программных продуктов: учеб. пособие. Иваново ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина», 2007. 220 с.
13. Барабаш В.В. Модернизация водогрейных котлов КВ-ГМ и ПТВМ: о внедренных технических решениях и новых разработках // Новости теплоснабжения. 2013. № 04 (152). URL: http://www.rosteplo.ru/nt/152 (дата обращения: 22.10.2018).
14. Лавренцов Е.М. Новые конструктивные решения при создании водогрейных котлов с высокими технико-экономическими показателями // Энерготехнологии и ресурсосбережение. 2007. № 1. С. 57–64.
15. Варичев О.В. Оснащение водогрейных котлов двусветными экранами // Электрические станции. 1977. № 7. С. 79–80.
16. Овчинников В.А., Петриков С.А., Крылов А.К. Обобщение опыта эксплуатации водогрейных котлов ОАО Доробужкотломаш // Теплоэнергетика. 2011. № 12. С. 22–46.

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.

orumb1.tif

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.

orumb2.wmf

Рис. 2. Сравнительные характеристики по отношению Нк к Нр для серийных и новых водогрейных котлов

orumb3.wmf

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.


Библиографическая ссылка

Орумбаев Р.К., Кибарин А.А., Коробков М.С., Ходанова Т.В. РАЗРАБОТКА И ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА КВ-ГМ-55-150 // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 12-1. – С. 126-130;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37274 (дата обращения: 18.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074