Перевод паровых котлов типа ДКВр в водогрейный режим работы

В большинстве крупных отопительных котельных, введенных в эксплуатацию в 60-70-х годах, работают паровые котлы типа ДКВр. Все они проработали более 20 лет и выработали свой ресурс. По условиям надежности их работы в котлах снижено рабочее давление до 0,6-0,8 МПа, а реально при эксплуатации на многих котлах поддерживается давление 1-2 атм. Работа паровых котлов на таких низких давлениях отрицательно сказывается на устойчивости циркуляции, из-за снижения температуры насыщения и увеличения доли парообразования в экранных трубах наблюдается интенсивное накипеобразование и увеличивается вероятность пережога труб. Кроме того, при работе котла на давлении от 1 до 3 атм. из-за низкой температуры насыщения необходимо отключать чугунный водяной экономайзер, т.к. там может наблюдаться парообразование, что недопустимо по условиям надежной работы. Все это приводит к тому, что КПД этих паровых котлов не превышает 80-82%, а в не которых случаях, когда трубы сильно загрязнены, КПД котла уменьшается до 70-75%.

Учитывая, что паровая нагрузка в данных котельных отсутствует, одним из более выгодных мероприятий, повышающим экономичность и надежность работы котельных, является перевод таких паровых котлов в водогрейный режим. Данная реконструкция котельных позволяет не только значительно продлить срок службы котлов, но и существенно (на 20-25%) увеличить КПД котельных.

Известны несколько схем перевода паровых котлов в водогрейный режим, в основе которых заложен принцип прямоточного движения воды в котле. Одна из схем перевода в водогрейный режим котлов типа ДКВр разработана и реализована Уралэнергочермет. По этой схеме в верхнем барабане котла и нижних коллекторах боковых экранов устанавливаются глухие перегородки. Сетевая вода поступает в нижние коллектора боковых экранов и по всем экранным трубам поднимается в передний отсек верхнего барабана, откуда по перепускным трубам вода направляется в экономайзер, установленный за котлом. После экономайзера вода направляется в задние отсеки нижних коллекторов боковых экранов и из них в нижний барабан котла, а дальше по всем трубам конвективного пучка поступает в задний отсек верхнего барабана. Из этого отсека вода по отводящей трубе направляется в прямую линию теплосети. К достоинству этой схемы можно отнести поступление обратной сетевой воды в экранные трубы топочной камеры, что снижает вероятность парообразования в зоне высоких температур продуктов сгорания. Недостатком схемы являются низкие скорости движения воды в конвективном пучке (0,05 м/с), что может привести к образованию локальных паровых пробок в трубах пучка и, как следствие, к их пережогу.

В одной из котельных г. Ростова в водогрейный режим был переведен котел ДКВр – 10/13. В этой схеме обратная сетевая вода поступает в экономайзер котла, затем в нижние коллекторы топочных экранов и собирается в передней части верхнего барабана, откуда по не обогреваемому трубопроводу направляется в тыльную часть нижнего барабана котла. Затем вода движется в верхний барабан по трубам конвективного пучка второй ступени. Далее вода по одному ряду труб конвективного пучка направляется во фронтовую часть нижнего барабана, откуда по трубам конвективного пучка первой ступени поднимается в среднюю часть верхнего барабана и оттуда в тепловую сеть.

Общим недостатком приведенных и многих других подобных схем перевода котлов в водогрейный режим является наличие перебросных трубопроводов, необходимых для организации выбранной схемы водяного тракта. Это значительно увеличивает затраты на модернизацию (металл и монтаж) и эксплуатационные затраты, так как значительно увеличивается гидравлическое сопротивление котлов. Главным недостатком вышеприведенных схем являются недопустимо низкие скорости движения воды, особенно в опускных трубах котла, что может привести к образованию паровых пробок в трубах и резко снижает надежность работы котлов.

В данной статье предлагается новая схема перевода паровых котлов в водогрейный режим, на примере перевода котла ДКВр – 6,5/13, которая успешно реализована в котельной завода Резервуарных металлоконструкций (РМК) г. Саратова. По нашему мнению, данная схема увеличивает надежность работы котла в водогрейном режиме, снижает затраты на проведение реконструкции. Схема работы котла в водогрейном режиме приведена на рисунке. В предлагаемой схеме обратная сетевая вода поступает в чугунный экономайзер. При этом часть воды пропускается по байпасному трубопроводу, после чего оба потока смешиваются и направляются в тыльную часть верхнего барабана. Далее вода совершает многократное подъемно-опускное движение в трубах котельного конвективного пучка и экранных трубах. Для организации этого движения в верхнем и нижнем барабанах установлены перегородки. Для удобства монтажа и проведения ремонта перегородки имеются съемные крышки (люки), через которые осуществляется допуск во все отсеки верхнего и нижнего барабанов во время ремонта или осмотра котла.

Проходное сечение для воды в каждом ходе определялось следующим образом. На основе тепловых расчетов были получены средние тепловые потоки поверхностей теплообмена в топке и в конвективном испарительном пучке. За тем согласно [2] по этим тепловым нагрузкам были определены допустимые минимальные значения скоростей воды в опускных и подъемных ходах водяного тракта котла. По этим значениям скоростей были найдены проходные сечения каждого хода и количество рядов труб по оси котла между перегородками внутри верхнего и нижнего барабанов котла. В результате этих расчетов было получено, что в испарительном конвективном пучке котла должно быть три подъемных и три опускных хода движения воды. По мере увеличения температуры газов скорость движения воды увеличивается, как при опускном, так и при подъемном ее движении. В верхнем барабане устанавливаются 4 перегородки, в нижнем – 2 перегородки. При этом скорость воды в разных отсеках колеблется от 0,174 м/с (второй ход воды) до 0,882 м/с (седьмой ход воды согласно рис.). В боковых экранах организуется два хода – один ход с подъемным движением воды, другой – с опускным движением.

Отвод воды из котла производится из передней части верхнего барабана котла по существующему патрубку отвода пара. Предохранительные клапаны водяного тракта устанавливаются также на существующем патрубке предохранительных клапанов верхнего барабана. Подвод воды производится через вновь просверленное в верхнем барабане отверстие Ду 150 мм. Между перегородками верхнего барабана в его корпусе устанавливаются воздушники Ду 30 мм.

Подпитка теплосети с водогрейными котлами должна производиться химочищенной водой. Для предотвращения появления кислородной и углекислотной коррозии поверхностей нагрева температура воды, поступающая в котел, должна быть выше точки росы. Это осуществляется за счет подмешивания прямой сетевой воды в обратную, используют при этом линию рециркуляции.

Водогрейные котлы очень чувствительны к взвешенным частицам в сетевой воде, которые легко отлагаются в гибах экранных труб, вызывая перегрев трубы и ее разрушение. Поэтому необходимым условием надежной эксплуатации водогрейных котлов должна быть тщательная промывка тепловых сетей перед началом отопительного сезона, а также установка шламоотделителя в виде грязевика перед сетевым насосом.

Кроме того, возникла необходимость соблюдения ряда режимных и эксплуатационных требований: периодически следует удалять воздух из отсеков верхнего барабана через соответствующую арматуру, и нельзя допускать снижения расхода прокачиваемой сетевой воды через котел ниже расчетного значения. Для увеличения надежности и простоты эксплуатации в перегородках верхнего барабана необходимо в верхней и нижней части оставить отверстия 30-40 мм, а в нижнем барабане такие отверстия нужны только в нижней части перегородки. Верхние отверстия служат для удаления воздуха из всего верхнего барабана при помощи одного воздушника, а также для удаления пара через предохранительный клапан, установленный в передней части барабана, при аварийных ситуациях, например, при внезапном отключении электроэнергии или остановке сетевых насосов. Нижние отверстия в перегородках служат для организации периодической продувки и удаления шлама из верхнего и нижнего барабанов. Для продувки из верхнего барабана можно использовать отключенные опускные трубопроводы в передней части котла. В нижнем барабане используется штатный трубопровод периодической продувки Ду 32.

Для оценки возможности работы котла в водогрейном режиме и его тепловой эффективности, согласно [З], были проведены поверочные тепловые и гидравлические расчеты на максимальной, минимальной и средней нагрузках работы котла.

Согласно требованиям [4], были проведены расчеты на прочность всех элементов котла и определены минимально допустимые толщины стенок барабанов, днищ, коллекторов и труб котла на расчетном давлении. По результатам прочностных и тепловых расчетов определено допустимое давление воды в котле.

Анализируя расчетные теплотехнические показатели работы котла на различных режимах и фактические результаты работы котлов, переведенных по этой схеме в котельной РМК, можно сделать следующие выводы:

1. Перевод котла ДКВр-6,5/13 по предлагаемой схеме позволил, при сохранении штатных горелок, дымососа и вентилятора, увеличить тепловую мощность котлов с 4,5 МВт до 6,2 МВт и обеспечить КПД котла при этой максимальной нагрузке 93,5%.

2. Для избежания кислородной коррозии труб конвективных пучков температура воды на входе в котел должна быть не менее 50 °С. Для этого необходимо предусмотреть насос рециркуляции, обеспечивающий подачу части воды из прямой магистрали на вход в котел при снижении температурного графика сети.

3. Расход воды через экономайзер на всех режимах должен составлять 0,5 кг/с (1,8 т/ч). Для этого на байпасной линии 5 (см. рис.) необходимо установить шайбу, размер которой определяется из гидравлического расчета экономайзера и байпасного трубопровода.

4. При работе котла на максимальной нагрузке в 6,2 МВт и температуре воды на входе и выходе из котла, соответственно равной 70 и 110 °С, коэффициент избытка воздуха в топке должен быть равным 1,1, а при температуре воды, соответственно равной 50 и 90 °С, коэффициент избытка воздуха в топке должен быть равным 1,2.

5. При работе на минимальной нагрузке 3,1 МВт и температуре воды на входе и выходе из котла, соответственно равной 60 и 80 °С, коэффициент избытка воздуха в топке должен быть равным 1,5. Увеличение коэффициента избытка воздуха до 1,2 и даже до 1,5 объясняется необходимостью поддержать температуру уходящих газов не ниже 90-80 °С для избежания интенсивного выпадения конденсата на трубах экономайзера и далее в газоходе до дымовой трубы.

При пусконаладочных испытаниях котла необходимо проводить уточнение необходимых коэффициентов избытка воздуха в топке и на выходе из котла, а также по температурам воды на входе и выходе из котла и на выходе из экономайзера уточняется расход воды через экономайзер и на линии рециркуляции при минимальных нагрузках котла. При эксплуатации котла необходимо контролировать давление воды на входе в котел и температуры воды на входе и выходе из котла и на выходе из экономайзера. Температура воды на выходе из экономайзера должна быть на 20-30 °С ниже температуры насыщения при установленном в котле давлении воды. Регулирование этой температуры можно осуществлять за счет прикрытия задвижки на байпасном трубопроводе 5 (см. рис.).

Проведенные гидравлические расчеты показали, что из условий надежной работы котла расход через него должен быть постоянным и равным 133,5 т/ч. Постоянный расход воды через котел осуществляется при помощи рециркуляции котловой воды насосом рециркуляции при работе котла на переменных нагрузках. При принятых условиях гидравлическое сопротивление собственно котла составляет 518,5 кг/м2 (0,0518 кг/см2). При работе в котельной одного котла и отключении второго для регулировании температуры прямой сетевой воды необходимо воспользоваться байпасной линией, подающей обратную сетевую воду в прямую.

Гидравлическое сопротивление экономайзера при расходе через него 0,5 кг/с воды равно 285,2 кг/м2, что меньше сопротивления байпасного трубопровода. Поэтому в водяной тракт экономайзера необходимо ставить дроссельную шайбу диаметром 13 мм.

Общее гидравлическое сопротивление котла в заданных условиях работы с учетом подводящих и отводящих трубопроводов составляет 0,15 кг/см2. Обычно гидравлическое сопротивление водотрубного водогрейного котла или переведенного по другим известным схемам составляет 1,5-2,0 кг/см2 [1]. Полученное значение гидравлического сопротивления котла показывает, что принятая схема водяного тракта имеет значительно меньше сопротивление и позволяет увеличить расход воды через котел и тем самым повысить надежность работы котла.

Проведенный аэродинамический расчет газовоздушного тракта показал, что существующие дымосос и вентилятор обеспечивают надежную работу котла при увеличении его тепловой мощности на 40%.

Для обеспечения надежной работы нижней части верхнего барабана в районе топки целесообразно ее токретировать специальной обмазкой во избежание там кипения за счет излучения из топки. Как правило, верхние барабаны котлов типа ДКВр имеют такую обмазку. Кроме того, необходимо следить за состоянием термоплавких вставок в нижней части верхнего барабана, которые сигнализируют о возможном перегреве нижней части верхнего барабана.

Учитывая, что в экранных трубах котла при низких давлениях воды возможно на отдельных, особенно напряженных, трубах пристенное кипение, необходимо сохранить двухступенчатое Na-катионирование подпиточной воды, которое, как правило, используется на паровых котлах.

Для обеспечения безопасной работы котлов, переведенных в водогрейный режим, согласно [4], необходимо уточнить пропускную способность существующего предохранительного клапана и переобвязать его для сброса воды, при срабатывании, в специально установленный напорный сбросной трубопровод, выведя его в продувочный колодец. Кроме того, необходимо изменить схему автоматики управления и автоматики безопасности котла, приведя ее в соответствие условиям работы водогрейных котлов.

Опыт эксплуатации парового котла ДКВр-6,5/13, переведенного в водогрейный режим по представленной схеме в котельной РМК г. Саратова, показал, что данная схема имеет значительные преимущества перед другими схемами перевода. Она позволяет надежно эксплуатировать котел при увеличенной на 40% тепловой мощности с максимальным для такого типа котлов КПД на уровне 92-93,5% в зависимости от нагрузки. При осмотре котла после года эксплуатации практически не наблюдалось накипи на стенках барабана и труб и наличия шлама в верхнем барабане. Котел на всех режимах работает мягко, может быстро набирать и снижать свою тепловую мощность.

Данную схему можно рекомендовать для всех паровых котлов типа ДКВр. Наиболее успешно она реализуется на котлах паропроизводительностью 4, 6, 5 и 10 т/ч. Здесь не обходимо отметить, что перевод должен производиться по специальному проекту с учетом специфики работы конкретного котла и температурного графика тепловой сети. В проекте должны быть проведены тепловые, прочностные, гидравлические и аэродинамические расчеты котла, определены минимально-допустимые расходы воды в котле и экономайзере по условиям надежного охлаждения поверхностей нагрева котла.

Литература

1. Глущенко Л.Ф., Шевцов Д.С., Кунцевич Б.Ф. Перевод промышленно-отопительных котлов с парового на водогрейный режим. – Киев: Будевильник, 1982. – 56 с.

2. Производственные и отопительные котельные/ Е.Ф. Бузников, К.Ф. Раддатис, Э.Я. Берзиньш. – Изд. 2-е, перераб. – М.: Энергоиздат, 1984. – 248 с.

3. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) / Под редакцией Н.В. Кузнецова и др., изд. 2-е, перераб. – М.: Энергия, 1973. – 296 с.

4. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов / Госгортехнадзор России. – М.: НПО ОБТ, 1994.

38