В настоящее время в Республике Казахстан продолжается эксплуатация большого количества водогрейных котлов средней мощности, морально и физически изношенных, имеющих низкую эффективность и надежность. Основные конструкции водогрейных котлов КВ-ГМ и ПТВМ разрабатывались в середине прошлого века [1]. В связи с существенным развитием строительного сектора и ростом жилья [2], в последние годы в Казахстане продолжается проектирование и строительство новых котельных [3, 4] с заменой на новые водогрейные котлы с более мощными и энергоэффективными автоматизированными горелками.

Например, в котельной «Вокзальная» г. Алматы более восьми лет назад была произведена замена четырех паровых котлов ДКВР на мазуте, работавших по схеме с паро-водяными подогревателями с фактическим КПД на мазуте до 89 % и на природном газе до 90 % [1] на водогрейные котлы КВ-ГМ-7,56-95. Новые водогрейные котлы КВ-ГМ-7,56-95 были разработаны по техническому заданию ТОО «Алматы Теплокоммунэнерго» с целью увеличения безопасности, единичной мощности, устранения промежуточной схемы подогрева воды паром в котельной, снижения выходной температуры воды из котла до 95 °С в ходе плановой замены морально и физически устаревших котлов серии ДКВР (газ-мазут) и аналогичных других котлов.

Авторами были разработаны новые конструкции водогрейных котлов для замены устаревших моделей действующих и новых котельных. Целью исследования является проверка эффективности замены и экономичности использования новых конструктивных решений путем проведения теплотехнических испытаний отдельных агрегатов и мониторинга работы котлов в ходе длительной эксплуатации на действующих объектах теплоснабжения.

Материалы и методы исследования

Для выполнения задач исследования были использованы эмпирические и теоретические методы исследования. В том числе по результатам анализа и обобщения большого количества тематического материала были проведены тепловые расчеты и при помощи математического моделирования получены основные формульные зависимости ключевых исследуемых характеристик элементов конструкций котла. Численные выражения позволили подкрепить выдвинутые утверждения посредством проведения материального теплотехнических испытаний на физической модели – действующем котлоагрегате. Далее будут подробно описаны характерные особенности новой конструкции водогрейного котла.

В новом котле [5] был увеличен общий расход воды до 300 м3/ч с распределением по каждой симметричной стороне котла до 150 м3/ч и с обеспечением скорости воды от 1,23 до 2,2 м/с в зависимости от топочного или конвективного контура котла.

Конструкция топочных экранов нового водогрейного котла [5] была выполнена с цельносварными мембранами, с приваркой мембран к трубам с попеременным смещением от диаметральной плоскости. В конструкции котла КВ-ГМ-7,56-95 трубы фронтового, боковых, верхнего, нижнего, фестонного и тыльного экранов выполнялись с цельносварными мембранами. Смещенные поочередно в разные стороны мембраны топочных экранов обеспечивают более равномерный прогрев по периметру экранных труб. Цельносварная трубная экранная панель с поочередно смещенными в разные стороны от диаметральной плоскости мембранами образует жесткую конструкцию. Собранные таким образом экраны обеспечивают достаточную герметичность в топке, а конструкция водогрейного котла становится более прочной и практически невосприимчивой к возможным хлопкам (взрывам) и переменным тепловым нагрузкам.

В водогрейном котле КВ-ГМ-7,56-95 движение двух равных потоков воды по 150 м3/час по каждой симметричной половине выполнено по патенту на полезную модель [6]. При этом в наиболее теплонапряженной части фестонного экрана движение воды выполнено только восходящим, что допускает значительное форсирование теплового напряжения в топке. 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 общий расход воды через два симметричных контура котла КВ-ГМ-7,56-95 составляет 300 м3/час, что в два раза больше, чем в серийно выпускаемых котлах КВ-ГМ-7,56-115 ОАО «ДКМ» [7]. В конвективной части котла топочные газы опускаются вниз, а весь поток воды поднимается вверх и схема работает по эффективной противоточной схеме. Поток воды в конвективной части котла КВ-ГМ-7,56-95 разделен на две равные части и поднимается вверх по двум противоположным конвективным стойкам и конвективным пучкам труб. Выход воды осуществляется, как и вход, по двум раздельным трубопроводам только уже из нижнего коллектора тыльного экрана котла.

На основе анализа конструкций конвективных пучков водогрейных котлов, результатов расчета коэффициента теплоотдачи, ранее полученных авторами экспериментальных данных по теплообмену в конвективных пучках, была предложена новая конструкция с комбинацией двух конвективных пакетов, которая учитывала фактическое изменение коэффициента теплоотдачи в зависимости от изменения температуры и скорости газов. В конвективном пучке водогрейного котла КВ-ГМ-7,56-95 [6] изменялся относительный продольный шаг труб и диаметр труб, которые позволяли поддерживать высокий уровень теплоотдачи от газового потока к трубам по всей высоте двух разных конвективных пакетов, собранных из труб разного диаметра. Скорость воды в трубах изменялась от рядности труб в каждом пакете и теплового напряжения конвективных труб, определяемых высоким уровнем скорости газового потока.

Конструкция двух конвективных пакетов с разным диаметром труб [6] и с переменными по высоте относительными поперечными и продольными шагами труб в каждом из двух пакетов в водогрейном котле КВ-ГМ-7,56-95 имеют более высокие техническо-экономические показатели относительно аналогичных котлов [1, 7]. Расчеты, выполненные в Boiler Designer [8], также подтверждают эффективность оптимизации конвективных пакетов водогрейных котлов. Отличие водогрейного котла КВ-ГМ-7,56-95 от аналогов состоит в том, что радиационная поверхность нагрева Нр может быть увеличена в 1,5 раза, а объем топки может быть увеличен в 1,35 раза практически без значительных изменений прежних габаритов котла. Конвективная поверхность нагрева котла КВ-ГМ-7,56-95 может быть увеличена на 27 % путем изменения количества труб и продольного и поперечного шагов первого и второго пакетов труб. За счет этого во втором пакете труб по ходу газов скорость движения газов увеличена на 15–20 % относительно скорости газов в первом пакете, а скорость воды снижена на 10–15 %.

Предлагаемые технические решения позволяют получить увеличение единичной тепловой мощности котла КВ-ГМ-7,56-95 в 1,3 раза до 11,4 МВт (9,83 Гкал/час), в качестве примера такой модернизации можно привести котельную «КЭЧ» ТОО «АТКЭ», где такой водогрейный котел установлен и успешно работает. Установка на такой котел более мощной комбинированной газо-мазутной горелки РГМГ-10 с привязкой к существующим схемам позволило увеличить мощность типовой котельной.

Водогрейный котел с увеличенной топкой и с более мощной горелкой разделен на две симметричные равные части путем установки перегородки во всех поперечных коллекторах нижнего, фестонного, потолочного, фронтового и в тыльном экране.

В основном режиме работы (рис. 1) водогрейного котла КВ-ГМ-7,56-95 на природном газе вода с входной температурой 70 °С и с расходом 300 м3/час поступает в котел параллельно двумя потоками к входному нижнему фронтовому коллектору и делится на два равных потока перегородкой, размещенной по середине коллектора.

Второй режим работы водогрейного котла КВ-ГМ-7,56-95 возможен на резервном топливе – мазуте с расходом воды через котел более 150 м3/час и выходной температурой воды порядка 115 °С. В этом режиме (рис. 1) вода с входной температурой 70 °С поступает в котел одним потоком через фронтовой входной коллектор при открытой фронтовой входной задвижке и далее продолжает движение по правому симметричному фронтовому нижнему подводящему патрубку при открытой правой фронтовой задвижке.

Рис. 1. Гидравлическая схема движения воды в контуре котла

Результаты исследования и их обсуждение

В котельной «Вокзальная» г. Алматы после установки котлов КВ-ГМ-7,56-95 (ст. № 1 и ст. № 2) с горелками ГМ-7 были проведены режимно-наладочные испытания для оптимизации режима сжигания природного газа. Тепловые испытания показали высокую эффективность работы водогрейных котлов на различных режимах. При повторных тепловых испытаниях котлов в 2015–2016 гг. с участием авторов настоящей работы были подтверждены высокие технико-экономические показатели работы котлов. В процессе испытаний сжигался природный газ с теплотворной способностью 8231 ккал/м3, плотностью 0,725 кг/м3. Испытания проводились по стандартной методике [9]. Расчет КПД «брутто» производился методом обратного баланса по методике М.Б. Равича и В.И. Трембовля [10].

В табл. 1 и 2 представлены результаты испытаний котлов в котельной «Вокзальная» г. Алматы, проведенные авторами совместно с к.т.н. В.Н. Абрамовым.

На рис. 2 представлена зависимость расхода топлива (природного газа) Вр от тепловой мощности N, полученные для двух котлов. Полученная практически линейная зависимость и экспериментальные точки практически совпадают для двух совершенно идентичных водогрейных котлов, которые были изготовлены и смонтированы одной партией и все работы по котлам велись параллельно.

На рис. 3 представлена зависимость температуры уходящих газов tух в зависимости от тепловой нагрузки котла. Изменение температуры уходящих газов происходит от 75 °С при тепловой мощности котла 3,5 МВт до 127 °С при 7,08 МВт. При номинальной нагрузке температура уходящих газов будет на уровне 130 °С.

Таблица 1

Результаты испытаний котла КВ-ГМ-7,56-95 (ст. № 1) – «Вокзальная»

Таблица 2

Результаты испытаний котла КВ-ГМ-7,56-95 (ст. № 2) – «Вокзальная»

Рис. 2. Зависимость расхода газа от тепловой нагрузки

Рис. 3. Зависимость температуры уходящих газов от тепловой нагрузки

Отношение конвективной поверхности Нк к радиационной поверхности Нр котла КВ-ГМ-7,56-95 по сравнению с серийным котлом на 10 % больше. Отношение суммарной поверхности нагрева к тепловой мощности котла ∑Н/N на 11 % больше у водогрейных котлов КВ-ГМ-4,64-95 по сравнению с серийными. Изменение кпд котла во всем диапазоне нагрузок изменялось от 92,2 % до 92,9 %. Представленные данные и анализ работы котлов на котельной длительное время показал, что котел надежен и способен выдерживать высокую эффективность в широком диапазоне нагрузок. Длительная работоспособность двух рассматриваемыых водогрейных котлов начиная с 2010 г., а также прошедший госдарственную экспертизу в Астане и утвержденный проект модернизации котельной «Вокзальная» дает надежду разработчикам на дальнейшую отработку и усовершенствование новой конструкции котла. Расчеты воспринятого полезного тепла водой в котле с установленными поверенными расходными шайбами позволили уточнить КПД котла по прямому балансу на +1,2 %. При проведении теплотехнических испытаний котлов на пониженных нагрузках наблюдалось осаждение большого количества конденсата на конвективных пакетах труб, газоходе котла и даже в основании дымовой трубы. Конденсация водяных паров неоднократно наблюдалась на двух водогрейных котлах КВ-ГМ-7,56-95 («Вокзальная», Алматы-1), при работе котлов на малых нагрузках. Поэтому на двух водогрейных котлах КВ-ГМ-7,56-95 схема подключения по водяной стороне выполнена по прямоточной схеме, а конвективные пакеты труб подключены по противоточной схеме.

По результатам длительных исследований можно сделать вывод о том, что в водогрейных котлах с большими расходами воды и низким уровнем температуры следует обращать внимание и четко определять нижний предел и границу по тепловой мощности, чтобы не входить в температурную зону, когда начинается конденсация. Экспериментальные исследования также показали, что существует реальная возможность для котлов КВ-ГМ-7,56-95 увеличения тепловой производительности на 15–20 % при применении более мощных горелок, так как в них существует запас по теплонапряжению топочного объема и конвективных поверхностей нагрева.

Специалистами кафедры ТЭУ НАО «АУЭС» проводится постоянный авторский надзор и продолжается обобщение опыта длительной эксплуатации новых эффективных водогрейных котлов средней тепловой мощности на примере котлов КВ-ГМ-7,56-95 и малых водогрейных котлов на природном газе серии КСГн. По инициативе руководства ТОО «АТКЭ» и департамента энергетики и коммунального хозяйства города на протяжении ряда лет ведется плановая замена морально устаревших конструкций водогрейных котлов в городе Алматы в коммунальном секторе. Внесен определенный вклад по сокращению удельного расхода природного газа, улучшению экологии и по сокращению вредных выбросов и парниковых газов в воздушный бассейн города. Существенно увеличена казахстанская составляющая при закупках теплогенерирующего оборудования в виде водогрейных котлов (серий КСГн и КВ-ГМ).

Выводы

1. В НАО АУЭС разработаны и успешно эксплуатируются в ТОО «АТКЭ» новые водогрейные котлы КВ-ГМ-7,56-95, по основным параметрам – тепловой производительности, маневренности, надежности, КПД и удельным выбросам вредных веществ в атмосферу – превосходящие аналогичные конструкции водогрейных котлов по СНГ.

2. В водогрейных котлах с увеличенным расходом воды и с температурным графиком 70–95 °С и близким к ним следует более точно отмечать нижние границы по тепловой мощности для устранения конденсации и ускоренной коррозии конвективной части котлов.

3. Разработчики продолжают работы по оптимизации новых конструкций и режимов работы конвективных и радиационных поверхностей нагрева котлов КВ-ГМ-7,56-95.