Реконструкция котла ПТВМ-50

Е.И. Барило, технический директор,
ООО «Реалэнерго», г. Киев, Украина;
автор идеи реконструкции К.А. Щукин

Техническое описание котла ПТВМ-50

Котел водогрейный ПТВМ-50 работает на природном газе и предназначен для подогрева сетевой воды с температурой от 70 до 150 ^ОС, используемой в системе теплоснабжения для нужд отопления и ГВС. Котел имеет башенную компоновку и является одноходовым по движению продуктов сгорания (рис. 1).

Рис. 1. Схема котла ПТВМ-50.

Трубная часть котла состоит из радиационной и конвективной поверхностей нагрева, расположенных одна над другой. Радиационная часть представлена в виде топочной камеры призматической формы, образованной трубами 060x3 мм, расположенными с шагом 64 мм. Конвективная часть состоит из несущих труб 083x3,5 мм и U-образных ширм 028x3 мм. Топка имеет размеры 4180x4160 мм. Трубы фронтового и заднего экранов образовывают под топки. Трубы боковых экранов имеют амбразуры для установки 12 газомазутных горелок, по 6 штук с каждой стороны (рис. 2). Каждая горелка снабжена индивидуальным дутьевым вентилятором (рис. 3).

Рис. 3. Вентиляторы подачи воздуха на горение к горелкам МГМГ-6.

Теплота от факела в топке за счет радиационного теплообмена передается всем экранным трубам. Затем дымовые газы проходят через конвективный пучок, нагревая воду, проходящую по трубам. Над котлом, за конвективным пучком, установлена дымовая труба для удаления дымовых газов в атмосферу. Котел имеет стальной каркас. Трубная система и обмуровка за верхние коллекторы ригелями подвешивается к каркасной раме и свободно расширяется вниз. Во фронтовом и боковом экранах выполнены амбразуры для установки лазов для обслуживания котла во время останова и ремонта. В экранах котла также имеются разводки для установки гляделок и КИП (рис. 4).

Рис. 4. Конвективный пучок котла ПТВМ-50 во время монтажа.

Котел имеет легкую натрубную обмуровку толщиной 110 мм, выполненную из шамотобетона по металлической сетке, минеральной ваты и газонепроницаемой обмазки или штукатурки (рис. 5). Со стороны помещения котельной обмуровка котла покрывается влагонепроницаемым материалом (рис. 6).

Рис. 5. Шамотобетон на металлической сетке.

Рис. 6. Этап выполнения обмуровки котла ПТВМ-50.

В ходе многолетней эксплуатации котлов типа ПТВМ и анализа их рабочих показателей были выявлены следующие недостатки:

1) высокая степень износа котельного оборудования;

2) большое количество горелок, затрудняющих организацию и наладку топочного режима;

3) некачественная обмазка амбразур горелок, в результате чего в неровностях и щелях обмазки происходит завихрение и горение газа, что вызывает ненормальную работу горелок и разрушение амбразур;

4) относительно маленькая камера с высоким тепловым напряжением топочного объема;

5) высокая температура горения в факеле приводит к повышенному содержанию оксидов азота в уходящих газах (при сжигании природного газа NO_x равно 500-600 мг/нм³, при сжигании мазута - 800-900 мг/нм³);

6) недостаточное время пребывания продуктов сгорания в топке приводит к неполному сгоранию при сжигании мазута;

7) плохая регулировка соотношения топливо - воздух;

8) высокая температура дымовых газов на выходе из топки и недостаточная эффективность теплосъема, что приводит к перегреву труб нижнего ряда первого конвективного пакета;

9) низкая теплопроизводительность котла и малый КПД (на природном газе составляет 9095%, на мазуте - 60-70%);

10) недостаток тяги и дутья, препятствующий получению номинальной нагрузки котла;

11) большое влияние человеческого фактора на качество и безопасность работы котла;

12) физически и морально устаревшая система автоматизации и защиты.

Описание реконструкции котла ПТВМ-50

В результате проведенного осмотра котла было принято решение о почти полной замене трубной части (рис. 7). Это позволило реализовать на практике концепцию модернизации котла Кирилла Андреевича Щукина по замене 12 горелок, установленных на боковых экранах топки, и вентиляторов к ним одной газовой горелкой подового расположения с новым вентилятором.

Рис.7. Демонтаж экранных поверхностей нагрева и воздуховодов.

Для разработки конструкции горелки Центром разработки новой продукции компании-производителя горелок была использована технология числового моделирования CFD (Computational Fluid Dynamics (англ.) - вычислительная гидрогазодинамика), которая позволяет значительно сократить сроки и затраты на внедрение нового оборудования (рис. 8, 9). Методы гидрогазодинамики под установленные размеры камеры сгорания дают графическую картину формирования необходимых температур в профиле факела, равномерности потоков в топочном объеме, качества сгорания топлива. С помощью этого метода также была разработана форма горелочного камня (амбразуры) горелки для формирования факела правильной формы. Тепловая мощность новой горелки составила 63 МВт.

Рис. 8. Визуальный пример расчета температурных потоков в топке котла с помощью CFD.

Рис. 9. Визуальный пример расчета скорости с помощью CFD.

Обеспечение места установки горелки потребовало внесение изменений в конструкцию котла. Так в топочной камере были раздвинуты коллекторы фронтового и заднего экранов (рис. 10).

Рис. 10. Схема котла ПТВМ-50 после реконструкции.

Рис. 11. Горелочный камень горелки. Вид из топки.

Отсутствие горелочных устройств на боковых стенках топки также привели к необходимости изменения конструкции труб экранных поверхностей нагрева. В поде топочной камеры для крепления горелки и горелочного камня была разработана несущая плита, внутренняя часть которой покрыта жаропрочным бетоном и теплоизоляционным материалом (рис. 11).

Рис. 12. Горелка на котле ПТВМ-50.

Эти моменты повлекли за собой изменение ряда других элементов и узлов: трубопроводы, система удаления конденсата, обмуровка котла и др. Сотрудниками предприятия был разработан комплект конструкторских чертежей элементов котла, по которым тот был успешно изготовлен, смонтирован и запущен в работу. Поверхности и элементы котла, которые не подверглись изменению, изготавливались по чертежам завода-разработчика.

Наряду с конструкционными изменениями котла, по требованию заказчика в части минимизации влияния человеческого фактора на безопасную работу котла и эффективность сжигания топлива, была разработана и установлена современная система автоматики котла с включенной системой автоматизации горелки (рис. 13, 14).

Рис. 13. Топка котла ПТВМ-50 во время монтажа.

Рис. 14. Газовая линия к горелке.

Особенностью этой системы является возможность пропорционального регулирования топлива/горелочного воздуха на основе данных с датчиков СО и О₂, которые устанавливаются на выходе из котла (в дымовой трубе). По сигналу содержания в уходящих газах остаточного кислорода и продуктов неполного сжигания происходит регулирование частоты вращения вентилятора, т.е. количества подаваемого воздуха на горение.

Достигнутые результаты

1. Экономия топлива.

2. Простота наладки и организации топочного режима.

3. Необходимый уровень дутья: выход на номинальную нагрузку.

4. Стабильный и контролируемый факел: равномерное распределение топочных нагрузок.

5. Диапазон регулирования горелки 1:10 (фактический).

6. Уменьшение выбросов NО_x.

7. Увеличение КПД котла.

8. Минимальные капитальные затраты.

9. Сокращение часов ремонта за один и тот же промежуток времени:

-элементов подачи топлива, горелочного устройства и автоматики по причине замены устаревшего оборудования на новое, технически более совершенное и имеющее длительный эксплуатационный ресурс;

-элементов котла по причине отсутствия зон с критическими тепловыми потоками, что ранее приводило к закипанию воды в локальных зонах, перегреву металла труб и, как следствие, сокращению срока их эксплуатации.

10. Уменьшение расходов на эксплуатацию:

-сокращение количества обслуживающего персонала котла до 1 человека (на данный момент на соседнем котле для запуска горелок необходимо 5 человек);

-сокращение потребления электроэнергии за счет установки частотного регулирования на тягодутьевом оборудовании котла и автоматизации процесса.

11. Сокращенные сроки запуска котла после модернизации.

12. Отсутствие влияния человеческого фактора на безопасность работы котла: надежная и долгосрочная эксплуатация котла.

На практике была реализована техническая часть и первая стадия пусконаладочных работ.

Препятствием к завершению работ стало ограничение потребления природного газа на объекте. Предварительные данные подтверждают ожидаемые параметры работы горелки (выбросы, коэффициент избытка воздуха, температура уходящих газов) и значительное улучшение условий эксплуатации оборудования из-за полной автоматизации (регулирование мощности горелки ведется по задаваемой температуре воды на выходе из котла).

Эта статья была опубликована в журнале «Новости теплоснабжения»
№2 (186) 2016 г., http://www.rosteplo.ru/nt/186