Водогрейные и пароводогрейные котлы

Эксплуатация стальных прямоточных водогрейных и комби­нированных пароводогрейных котлов имеет свои особенности, обусловленные их конструкцией и режимом работы. Основной особенностью водогрейных котлов является работа их при по­стоянном расходе сетевой воды и включении непосредственно в тепловую сеть. Основной особенностью комбинированных па­роводогрейных котлов является необходимость регулирования паровой и водогрейной нагрузок, а также наличие двух раз­личных циркуляционных контуров: одного для выработки пере­гретой воды, другого для выработки пара.

Надежность и долговечность работы водогрейных котлов за­висит главным образом от условий циркуляции воды и стой­кости поверхностей нагрева к коррозии.

В циркуляционном контуре водогрейного котла недопустимо закипание воды, так как это приводит к гидравлическим уда­рам и может вывести котел из строя. Однако опасно не только общее закипание воды в отдельных обогреваемых трубах, но и появление поверхностного кипения. Под поверхностным кипе­нием понимают образование пузырьков пара на внутренней по­верхности труб водогрейного котла при средней температуре воды, меньшей температуры кипения. Образование паровых пу­зырей на стенках трубы возможно только в случае достижения стенкой температур, превышающих температуру насыщения. Следовательно, во избежание поверхностного кипения необхо­дим некоторый недогрев воды до температуры насыщения при давлении, равном давлению на выходе из котла.

Исследования и расчеты показали, что во избежание поверх­ностного кипения в трубах водогрейного котла необходимо под­держание определенных скоростей воды при недогреве ее до кипения на 30—35 °С в условиях максимальной нагрузки.

Опыт эксплуатации водогрейных котлов показал, что в тру-, бах опускных панелей при определенных скоростях и тепловых нагрузках происходит поверхностное кипение. Это приводит к появлению гидравлических ударов и отложению накипи на внутренних стенках труб. Исследования и расчеты показали, что на процесс поверхностного кипения оказывает влияние удель­ная нагрузка поверхности нагрева, а также гидравлические и тепловые неравномерности. Увеличение удельной тепловой на­грузки труб и высоты экранной панели требует повышения минимальной допустимой скорости воды в трубах. Неравномерный обогрев труб продуктами сгорания способствует увеличению гидравлической неравномерности и вынуждает повышать мини­мальные допустимые скорости воды в трубах.

На рис. 4-5 приведено изменение минимальной допустимой скорости воды в трубах поверхностей нагрева водогрейных кот­лов в зависимости от удельной тепловой нагрузки при недогреве воды на входе 35—40 °С. Из графика ясно, что при дви­жении воды в трубах снизу вверх скорость может быть значи­тельно ниже, чем при движении сверху вниз.

Во избежание гидравлических ударов при эксплуатации во­догрейных котлов недопустимы тепловые перекосы в топке. От­сутствие тепловых перекосов достигается при работе всех уста­новленных горелок с одинаковой тепловой мощностью. Регули­рование форсировки топки следует производить одинаковым изменением тепловой мощности всех работающих горелок.

Водогрейные котлы в течение большей части отопительного сезона эксплуатируются с низкими нагрузками при низких тем­пературах обогреваемой среды и останавливаются на длитель­ный срок в летнее время. Эти особенности работы котлов спо­собствуют наружной и внутренней коррозии поверхностей на­грева. У водогрейных котлов наблюдаются следующие виды коррозии наружных поверхностей: низкотемпературная серно­кислотная, местная под неудаляющимися золовыми отложе­ниями, низкотемпературная кислородная, стояночная.

Сернокислотная низкотемпературная коррозия вызывает из­нос труб экранных и конвективных поверхностей нагрева. Как показал опыт эксплуатации, экранные трубы изнашиваются со стороны, обращенной в топку, а конвективные — со всех сторон. Толщина стенок труб уменьша­ется довольно равномерно. Оп­ределить износ по внешним при­знакам трудно. Трубы, подверга­ющиеся износу, имеют ровную, гладкую, как бы вороненую по­верхность.

Опыт эксплуатации показал, что попытки снизить интенсив­ность низкотемпературной сер­нокислотной коррозии путем применения существующих при­садок, а также снижением коэф­фициента избытка воздуха ока­зались недостаточно эффективными. Наиболее эффективным способом борьбы с низкотемпературной сернокислотной и кис­лородной коррозией является повышение температуры стенки труб путем увеличения температуры воды на входе в водогрей­ный котел. При кратковременной работе на мазуте (в пределах 1100 ч в год) рекомендуется поддерживать температуру воды на входе в котел не менее 70 °С, а при сжигании только сер­нистых мазутов — около ПО °С. При сжигании природного газа или других топлив, не содержащих серы, температура воды на входе в котел должна быть выше точки росы, т. е. не менее 60 °С. Поддержание указанных температур на входе в котел достигается смешением выходящей из котла воды с об­ратной сетевой водой, т. е. рециркуляцией горячей воды.

Схема включения водогрейного котла и рециркуляционного насоса в сеть показана на рис. 4-6. Горячая вода из выходного коллектора котла рециркуляционным насосом 2 подается во входной коллектор и, смешиваясь с обратной сетевой водой, по­догревает ее. Заданная температура воды в теплосети при этом достигается направлением в нее обратной воды по перемычке 3.

Количества обратной сетевой воды, подаваемой через пере­мычку, проходящей через водогрейный котел, и горячей воды,

подаваемой рециркуляционным насосом, определяются (в т/ч)

из уравнений:

где t'c. в — температура сетевой воды в обратной линии, °С; t"_c. в — температура сетевой воды, направляемой потребителям, °С; f в. к — минимальная допустимая температура воды на входе в водогрейный котел, °С; t"_B. _к — температура воды на выходе из водогрейного котла, °С.

Из уравнения (4-4) ясно, что при t'_c. _B = t'_B. _K количество воды, подаваемое рециркуляционным насосом, равно нулю. С умень­шением температуры сетевой воды количество воды, подавае­мое рециркуляционным насосом, увеличивается. При повыше­нии температуры воды после водогрейного котла количество воды, подаваемое рециркуляционным насосом, уменьшается, но возрастает расход обратной сетевой воды через перемычку. Это уменьшает расход воды через водогрейный котел, что допу­стимо до определенного предела во избежание вскипания воды в котле. Поэтому температура воды после водогрейного котла i"_B. к должна приниматься не выше таких значений, при кото­рых расход воды через водогрейный котел ниже допустимого минимального. После определения G_рец по формуле (4-4) необ­ходимо проверить значение G_B. _K, используя уравнения (4-2) и (4-3). При этом полученное значение G_в.к. должно быть больше минимального допустимого расхода воды через водогрейный ко­тел, определенного из уравнения (4-1).

Опыт эксплуатации водогрейных котлов показал, что при сжигании сернистых мазутов весьма опасна местная коррозия труб под неудаляемыми золовыми отложениями. Наличие в золовых отложениях сернистых и других соединений вызывает по­явление местных язв, выводящих из строя трубы конвективной поверхности нагрева. Защита от местной коррозии заключается в систематической, тщательной очистке поверхностей нагрева от золовых отложений.

Низкотемпературная кислородная коррозия появляется при работе на природном газе и других топливах, не содержащих серы, вследствие конденсации водяных паров из продуктов сго­рания.

Стояночной коррозии водогрейные котлы подвержены в лет­ний период, особенно когда через них не пропускается горячая вода. Стояночная коррозия наиболее заметно проявляется на котлах, в которых сжигаются сернистые мазуты, если поверх­ность нагрева при остановке была недостаточно хорошо очи-

щена от золовых отложений. Для предотвращения стояночной коррозии производят консервацию наружной поверхности на­грева. Для этого перед остановкой котла на лето необходимо очистить наружные поверхности нагрева, обратив особое вни­мание на удаление золовых отложений в межтрубном прост­ранстве экранных труб. После удаления отложений в отдельных местах котла обмывкой щелочной водой следует произвести сушку трубной системы и об­муровки котла. Сушка произ­водится сетевой водой (с тем­пературой не ниже 70 °С), ко­торая пропускается через ко­тел. Высушенный котел от­ключают от тепловой сети и после остывания все наруж­ные поверхности обогревае­мых труб покрывают мине­ральным маслом. Наиболее рационально использовать от­работанные масла: компрес­сорное, машинное, турбинное, трансформаторное и т. д. В пе­риод стоянки котла следует периодически проверять нали­чие масляной пленки на тру­бах и при высыхании ее снова производить промасливание. Во избежание высыхания мас­ла верхний ряд труб конвек­тивной поверхности нагрева покрывают листами толя.

Коррозия внутренних по­верхностей труб водогрейных котлов происходит под дей­ствием кислорода и углекис­лоты. Деаэрация подпиточной воды вполне предохраняет внут­ренние поверхности нагрева от коррозии. Для предотвращения стояночной коррозии внутренних поверхностей производится их консервация мокрым или сухим способом.

В СССР комбинированные пароводогрейные котлы созда­ются на базе серийных прямоточных водогрейных котлов. Пере­вод серийного водогрейного котла на комбинированную выра­ботку пара и горячей воды осуществляется путем выключения экранных панелей из гидравлического контура водогрейного котла и образования из них парообразующего контура с естест­венной циркуляцией. Для этого экранные панели включаются на выносные циклоны с уравнительной емкостью. Принципиаль­ная схема комбинированного пароводогрейного котла показана на рис. 4-7. Питание парового контура от сетевого насоса, как

показано на рис. 4-7, возможно при давлении пара, меньшем 1 МПа. Для получения пара с давлением более 1 МПа необхо­дима установка специального питательного насоса, подающего воду в парообразующий контур. При включении части экранов в испарительный контур комбинированные котлы выдают 10— 15 % теплоты в виде пара, а остальную теплоту в виде горячей воды. Использование всех топочных экранов как испарительных поверхностей нагрева серийных водогрейных котлов обеспечи­вает при номинальной нагрузке получение 40—45 % теплоты в виде пара с давлением от 1 до 2,3 МПа и 60—55 % теплоты в виде перегретой воды.

На рис. 4-8 показан комбинированный пароводогрейный ко­тел КВ-ГМ-50 с дополнительной конвективной шахтой, в кото­рой размещены пароперегреватель, водяной экономайзер и воз­духоподогреватель. Это обеспечивает достаточно глубокое ре­гулирование расхода пара и горячей воды.

На рис. 4-9 показана циркуляционная схема парообразую­щего контура комбинированного котла КВ-ГМ-50. Гидравличе­ская схема водогрейной части этого котла представлена на рис. 4-10. В парообразующий контур котла включены все эк­раны топочной камеры. При этом два циклона, на которые включены боковые и задний экраны, являются чистовым отсе­ком, а третий циклон с включенным на него фронтовым экра­ном является солевым отсеком. Непрерывная продувка произ­водится из солевого циклона с использованием ее теплоты в рас­ширителе непрерывной продувки.

Характеристика работы котла приведена на рис. 4-11. Из нее ясно, что при номинальной нагрузке котла максимальная паропроизводительность составляет 57 т/ч (кривая /), а мощность по горячей воде 16 кВт. При этом режиме 40 % продуктов сго­рания пропускается через первую конвективную шахту и 60 % через дополнительную. Регулирование количества вырабатывае­мого котлом пара и горячей воды производится изменением рас­хода продуктов сгорания через первую и дополнительную кон­вективные шахты посредством шиберов, имеющихся в газовом тракте котлоагрегата. Увеличение мощности котла по горячей воде (при номинальной общей нагрузке котла) до 27 кВт (кри­вая 3) может быть достигнуто за счет снижения его паропроиз-водительности до 45 т/ч (кривая 2) путем полного отключения дополнительной конвективной шахты и пропуска всех продук­тов сгорания только через первую конвективную шахту.

При изменении общей нагрузки агрегата от 60 до 100 % но­минальной паропроизводительность котла может поддержи­ваться постоянной 45 т/ч, а мощность по горячей воде регулиро­ваться в пределах от 13 до 27 кВт путем изменения расхода продуктов сгорания через дополнительную конвективную шахту. В случае уменьшения общей нагрузки агрегата ниже 60 % но­минальной приходится все продукты сгорания пропускать через дополнительную конвективную шахту, а паропроизводитель-

ность котла будет изменяться по кривой 1 в соответствии с из­менением общей нагрузки агрегата. При пропуске всех продук­тов сгорания через первую конвективную шахту паропроизводительность котла будет изменяться в зависимости от общей нагрузки агрегата по кривой 2.

При эксплуатации комбинированных пароводогрейных кот­лов с экранными контурами, включенными в выносные цик­лоны, во избежание нарушения циркуляции в этих контурах надлежит не допускать резкого сни­жения уровня воды в выносных ци­клонах и непосредственного обогре­ва экранных труб факелом.

о го w во во % Рис. 4-11. Характеристики ра­боты комбинированного котла К.В-ГМ-50 с дополнительной конвективной шахтой / — паропроизводительность D (N) при включенной второй конвек­тивной шахте; 2 — паропроизводи­тельность D(N) при отключенной второй конвективной шахте; 3 — теплопроизводительность по горя­чей воде Q(N) при отключенной второй конвективной шахте; 4 — теплопроизводительность по горя­чей воде Q(N) при включенной второй конвективной шахте

Резкое снижение уровня воды в циклонах происходит при периоди­ческой продувке нижних коллекто­ров экранов. Это обусловлено тем, что поступление воды из уравни­тельной емкости меньше, чем сброс воды через периодическую продув­ку. В связи с этим диаметр проду­вочных трубопроводов нижних кол­лекторов экранов должен быть не более 25 мм, а кроме того, на каж­дом продувочном штуцере между продувочными вентилями должна устанавливаться ограничительная шайба диаметром 8—10 мм. Время периодической продувки должно быть ограничено. При выполнении продувки следует продувочный вен­тиль открыть и сразу же закрыть.

В экранных парообразующих контурах, включенных на выносные циклоны, естественная циркуляция заметно запаздывает по сравнению с остальными циркуляционными контурами. Поэтому при рас­топке котла недопустим непосредственный обогрев экранных труб факелом. В топках, имеющих ширину около 3 м, возможен непосредственный обогрев факелом боковых экранов, а в неглу­боких топках — заднего экрана. В связи с этим необходима тщательная регулировка положения факела, выдаваемого газо­мазутными горелками. В узких топках не следует устанавливать горелки с большим углом раскрытия факела, а в неглубоких топках — горелки с дальнобойным факелом.

Непосредственное обогревание труб экранов, включенных на выносные циклоны, при нормальной работе котла приводит к интенсивному отложению на внутренних стенках труб «вто­ричных» накипей (железистых, железофосфатных и др.), вызы­вающих появление свищей и разрыв труб. Поэтому в процессе

эксплуатации пароводогреиных котлов должен быть усилен кон­троль над водным режимом агрегата.

Существенное влияние на надежность циркуляции в парооб­разующих поверхностях нагрева, включенных на выносные цик­лоны, оказывает расхождение уровня воды в циклоне и в урав­нительной емкости, причем уровень воды в циклоне всегда ниже. Однако» в условиях эксплуатации действительная разница в уровнях воды в циклоне и в уравнительной емкости не должна превышать расчетную. Поэтому при пуске и наладке комбини­рованных пароводогреиных котлов необходим контроль над уровнем воды в циклонах при различных нагрузках парообра­зующего контура. Если в результате первичного пуска агрегата выявляется расхождение между действительной и расчетной разницей уровней в циклонах и в уравнительной емкости, то коррекция осуществляется установкой дроссельных шайб на различные участки соединительных паропроводов (между цик­лонами и сборными коллекторами).

Посадка уровня воды в циклоне относительно уравнительной емкости при работе котла с различными нагрузками зависит от выбора схемы и размера соединительных трубопроводов по пару и воде. Значительное расхождение уровней воды в циклоне и в уравнительной емкости может привести к нарушению цир­куляции в отдельных трубах, а также к кавитации в опускных трубах, что в конечном счете приведет к перегреву и выходу из строя отдельных экранных труб.

Комбинированные пароводогрейные котлы на базе серийных водогрейных котлов КВ-ГМ-100 и КВ-ГМ-180 предназначаются для работы в качестве пиковых котлов для ТЭЦ и крупных промышленно-отопительных котельных при значительных расходах пара на технологические нужды.

Комбинированные пароводогрейные котлы могут также из­готовляться на базе серийных водогрейных котлов, предназна­ченных для слоевого и камерного сжигания твердого топлива.

ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛИ

Пароперегреватели промышленных котельных агрегатов выдают перегретый пар относительно невысокой температуры, до 450 °С. В связи с этим они в основном выполняются кон­вективными и располагаются в зоне температур продуктов го­рения не более 1100—1000 °С. Надежность работы паропере­гревателей в значительной мере зависит от равномерности обогрева змеевиков продуктами горения и равномерности рас­пределения пара по отдельным змеевикам. Во избежание нерав­номерного обогрева продуктами горения следует избегать ра­боты топочной камеры с тепловыми перекосами. Появление теп­лового перекоса, т. е. неравномерного распределения температур и скоростей продуктов горения по ширине газохода, может быть обусловлено рядом причин. Основными из них являются:

неравномерная работа газовых, пылеугольных, мазутных горе­лок, отключение отдельных горелок при снижении производи­тельности котла, односторонний занос части труб пароперегре­вателя, отложение шлака на одной стороне первых рядов труб котла, неудовлетворительная компоновка горелочных уст­ройств и ряд других факторов. Равномерность распределения пара по отдельным змеевикам зависит от схемы подвода и от­вода пара в пароперегревателе. При эксплуатации паропере­гревателей необходимо следить за целостью подвесных и опор­ных конструкций, а также дистанционных устройств, обеспечивающих правиль­ность расположения змее­виков относительно друг друга. Наиболее неблаго­приятные условия для ра­боты змеевиков паропере­гревателя создаются при растопке котла, нахожде­нии его в горячем резерве и резких колебаниях на­грузки. Во избежание пере­грева змеевиков паропере­гревателя следует умело пользоваться имеющейся продувкой. Продувка паро­перегревателя должна вклю­чаться при растопке и оста­новке котла, нахождении его в горячем резерве, а также при срабатывании предохранительного кла­пана пароперегревателя.

Для надежной работы пароперегревателя прежде всего не­обходимо не допускать отложения солей на внутренних поверх­ностях змеевиков. Это достигается строгим соблюдением норм содержания солей в котловой воде и в насыщенном паре. Не­прерывный контроль качества насыщенного пара позволяет своевременно выявить неполадки в работе сепарирующих уст­ройств и принять меры для их ликвидации. Независимо от ка­чества насыщенного пара не реже одного раза в год произво­дится индивидуальная или общая промывка змеевиков паро­перегревателя. Индивидуальную промывку каждого змеевика можно производить только при наличии лючков в коллекторе пароперегревателя. В остальных случаях производится общая промывка пароперегревателя. Схема общей промывки показана на рис. 4-12. Общая промывка пароперегревателя производится в следующем порядке. Пароперегреватель заполняют конденсатом или питательной водой с температурой 80—90 °С и вы-

держивают в течение 2—2,5 ч. Затем в течение 15—20 мин прокачивают промывочную воду, открыв вентиль 8, в направ­лении коллектор перегретого пара— змеевики пароперегрева­теля—коллектор насыщенного пара — барабан котла со сбро­сом в дренаж по трубопроводу периодической продувки котла. Одновременно контролируют солесодержание или щелочность промывочной воды, отбирая пробу через штуцер 2. Промывка считаемся законченной, после того как щелочность или солесо­держание промывочной воды и воды, подаваемой на промывку будут равны.

При изменении нагрузки котла температура перегрева пара, выдаваемого конвективными пароперегревателями, заметно

изменяется. В связи с этим для поддержания заданной темпера­туры применяются регуляторы температуры перегретого пара. Регуляторы температуры поверх­ностного типа позволяют сни­жать температуру пара на 40— 50 °С, а регуляторы, изменяю­щие температуру впрыскиванием конденсата или питательной воды, на 70—80 °С. Для изме­нения температуры перегрева пара в более широких пределах приходится использовать режим­ные методы, которые чаще всего снижают экономичность работы котельного агрегата. К режим­ным методам, влияющим на эко­номичность работы котла, отно­сятся изменение коэффициента избытка воздуха в топке и тем­пературы питательной воды, по­ступающей в водяной экономай­зер. Увеличение коэффициента избытка воздуха в определенных границах приводит к росту температуры перегретого пара. В качестве примера на рис. 4-13 приведена зависимость темпе­ратуры перегрева пара от коэффициента избытка воздуха в топке при номинальной нагрузке различных котлоагрегатов по данным испытаний на газообразном топливе.

Снижение температуры питательной воды приводит к росту температуры перегретого пара, а ее повышение к падению температуры перегретого пара.

Уменьшение температуры питательной воды на 100 °С при
неизменных нагрузке котла и коэффициенте избытка воздуха
может привести к росту температуры перегретого пара при­
мерно на 25—30 °С.

Регулирование перегрева пара изменением коэффициента

избытка воздуха в топке и температуры питательной воды может применяться как временное мероприятие.

Наибольшие затруднения при поддержании заданной тем­пературы перегрева пара возникают при работе котельного агрегата в разные периоды времени на топливах с различной теплотой сгорания. Поддержание заданной температуры пере­грева пара в этом случае за счет пароохладителей различных типов осуществить не удается. Поэтому прибегают к торкре­тированию части топочных экранов, перепуску продуктов го­рения из топки мимо котельного пучка в зону пароперегрева­теля, изменению угла наклона горелок, установке горелок на разной высоте, установке специальных горелок в верхней части топки, изменению аэродинамики или химической структуры факела, перепуску части воздуха, подаваемого для горения, изменению излучательной способности факела. Например, для сжигания таких различных по теплоте сгорания газов, как природный, коксовый и доменный, с успехом применяются ре­версивные газовые горелки с регулируемым факелом, разра­ботанные в институте СредазНИИгаз.

Опыт эксплуатации пароперегревателей показал, что повы­шению надежности их работы способствуют следующие меро­приятия:

1. Осуществляется систематический контроль качества кот­ловой воды, насыщенного и перегретого пара, а также про­мывка пароперегревателя, обеспечивающая своевременное уда­ление отложений на внутренней поверхности труб.

2. Ликвидируются газовые коридоры, которые приводят к перегреву крайних змеевиков, расположенных в коридоре. Газовые коридоры образуются при удалении отдельных зме­евиков, сокращении поверхности нагрева или выходе их из строя. Ликвидация газовых коридоров производится путем их закладки огнеупорным кирпичом или торкретом.

3. Систематически проверяется состояние подвесок и меж­трубных гребенок при остановках котлоагрегатов. Своевре­менно ликвидируется разверка расстояния между отдельными змеевиками.

4. Проверяется состояние сепарирующих устройств в слу­чае ухудшения качества насыщенного пара при удовлетвори­тельном качестве котловой воды. Проверяется плотность по­верхностных пароохладителей при снижении качества перегре­того пара и удовлетворительном качестве насыщенного пара.

5. Проверяется наружный диаметр труб змеевиков паро­перегревателя перед коллектором перегретого пара при про­филактических осмотрах котла.

6. Устанавливается жесткий контроль над температурой перегретого пара, не допускается повышение ее выше .расчет­ной. Повышение температуры перегрева при номинальной на­грузке котла указывает на увеличенную против необходимой поверхность нагрева пароперегревателя.

7. Производится выпарка воды из змеевиков пароперегре­вателя при остановке котла и отрицательных температурах в помещении цеха. Это достигается слабым огневым обогревом пароперегревателя.

8. Ликвидируется температурная разверка змеевиков по ши­рине газохода.