Водогрейные котлы с кипящей водой низкого давления со встроенными теплообменниками

К.А.Жидилов, главный конструктор по направлению, В.Ф. Киселев, заместитель главного конструктора, В.Б. Кулемин, ведущий инженер-конструктор, В.В. Проворов, главный конструктор, Н.М. Сергеенко, заместитель начальника отделения, ОАО «Нижегородский машиностроительный завод», г. Нижний Новгород

В течение многих лет на российском рынке доминировали два вида котлов — жаротрубные с горизонтальной топкой и водотрубные. Причем, стальные котлы средней мощности, как правило, изготавливались по жаротрубной схеме, допускающей возможность осмотра основных соединений и ремонта в случае необходимости.

К сожалению, как показывает практика, условия работы котлов не всегда идеальны или даже удовлетворительны, что и обуславливает требования по их ремонтопригодности. Это же способствует проведению относительно частых ремонтных работ, в то время как правильнее было бы обеспечить высокую надежность и долговечность самих котлов. Необходимо подчеркнуть, что наряду с незначительным количеством котлов, имеющих плохую конструкцию или же просто заводской брак, большинство котлов отличается как раз высоким качеством, а аварийные ситуации возникают вследствие тех неблагоприятных условий, в которых эти котлы эксплуатируются.

В связи с тем, что в большинстве случаев необходимо рассчитывать именно на работу котлов в неблагоприятных условиях, основной целью при разработке нового котла было создание модели, успешно работающей в условиях, которые не выдерживают большинство котлов:

• подготовка и подача подпиточной воды низкого качества;

• резкие колебания температуры воды в котле;

• эксплуатация котла при низких температурах воды на входе (появление конденсата);

• неисправности фильтров очистки воды. Если подпиточная вода характеризуется повышенным содержанием кислорода, имеет высокую электропроводимость, щелочность или содержание железа, то металлические теплообменные поверхности котлов и трубопроводов подвергаются разрушению за счет коррозии. Возникающие при этом твердые частицы (шлам) разносятся потоком циркулирующей воды по всей системе и аккумулируются в зонах с минимальной скоростью потока, т.е. в котле. В свою очередь, это приводит к перегреву металла, образованию трещин и прогоранию труб и трубных досок. Эти же разрушительные процессы инициируются слоем накипи на горячих металлических стенках котла. Данный эффект в меньшей мере сказывается для жаротрубных котлов (жаротрубно-дымогарных), где отложения образуются на дне барабана, однако, и в этом случае наиболее уязвимой является трубная доска со стороны входа горячих газов.

Двухконтурные котлы

Приведенные негативные факторы эксплуатации характерны для всех типов котлов с теплоносителем, который прокачивается непосредственно через котел — проточных одноконтурных котлов.

В связи с этим в последние годы интенсивно развиваются двухконтурные котельные с раздельными контурами греющей и нагреваемой в дополнительном сетевом теплообменнике воды.

Первый контур составляют следующие элементы: котел, теплообменник (бойлер), насос и трубопровод с арматурой. Второй контур — это контур сетевой воды. Наличие бойлера, циркуляционных насосов и трубопроводных коммуникаций значительно увеличивают стоимость изготовления и удорожают эксплуатацию двухконтурной системы. Однако двухконтурная система более надежна в эксплуатации — это ее главное и очень важное преимущество. Котел работает в безнакипном режиме в чистом гидравлическом контуре, что значительно увеличивает его ресурс.

Вместе с тем известны конструкторские решения по совмещению бойлеров и жаровых элементов котла в едином корпусе. При этом теплообмен между греющим и нагреваемым теплоносителями может осуществляться различными способами.

Наиболее простой в реализации, но и менее эффективной является схема работы котла по принципу свободной конвекции. Бойлер, как правило, располагается в верхней части котла над жаровыми трубами, в зоне максимальной температуры теплоносителя греющего контура. Для температуры воды в котле около 115 ОС, ввиду малых перепадов температур между греющим и нагреваемым теплоносителями, эта схема для передачи теплоты требует больших поверхностей теплообмена бойлера, организации работы котла под давлением и, как следствие, увеличения массогабаритных характеристик котла. В то же время она может оказаться перспективной при использовании специальных теплоносителей в первичном контуре с более высокой температурой кипения.

Сложнее в эксплуатации, но значительно эффективнее — двухконтурный котел, работающий на принципе конденсации паров теплоносителя греющего контура на холодных поверхностях встроенного бойлера. Такой котел можно назвать пароконденсационным. При этом за счет снижения рабочего давления в таком котле до уровня, соответствующего кипению теплоносителя и достижения максимальных коэффициентов теплоотдачи при конденсации пара, значительно снижаются его массогабаритные характеристики. Одновременно повышается безопасность.

Специалистами ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» создан тепловой агрегат, представляющий собой жаротрубно-газотрубный котел, в паровом (или водяном) пространстве которого расположены трубы секционированного бойлера для нагрева сетевой воды и ГВС(рис. 1).

Такой агрегат, который можно назвать двухконтурным котлом, обеспечивает возможность работы сразу в двух, описанных выше, вариантах.

Режимы работы двухконтурного жаротрубного котла

Первый режим работы котла — конвекционный, когда залитая в котел вода заполняет межтрубное пространство бойлера, дымогарных труб и топки за счет естественной конвекции.

Второй режим — пароконденсационный, когда свободная от воды верхняя часть котла, где расположены бойлеры, заполнена паром, образующимся при нагреве воды в котле до температуры кипения. С нагретых поверхностей тепло «снимается» за счет испарения воды. Котел работает как паровой без отдачи пара потребителю с рабочим (избыточным) давлением не более 0,07 МПа (0,7 кг/см2), а пар выполняет роль промежуточного теплоносителя. Пар, поднимаясь вверх, попадает на холодные поверхности

бойлера и конденсируется. Капли конденсата падают вниз, смешиваясь с общей массой воды. Процесс пароконденсации идет непрерывно, пока кипит или интенсивно испаряется вода.

Расчетное давление для определения толщины основных элементов корпуса (обечайки, днищ, жаровой трубы, трубных досок) такого котла, по крайней мере, в несколько раз ниже давления в проточном одноконтурном котле, что существенно сказывается на уменьшении его массы и стоимости.

При одинаковой температуре сетевой воды на выходе из котла (95 ОС) второй, пароконденсационный режим, за счет значительного увеличения коэффициента теплопередачи от пара к сетевой воде в трубах, позволяет при одинаковых теплообменных поверхностях бойлера увеличить примерно в 1,5 раза «снимаемую» тепловую мощность.

Как указывалось ранее в работе [1], одним из основных проблемных факторов котла, работающего на принципе конденсации пара, является возможное попадание воздуха в рабочую полость при работе котла на частичных нагрузках. Необходимость удаления воздуха возникает также при каждом запуске, что затрудняет работу котла в автоматическом режиме. В других котлах [5] это осуществляется с использованием вакуумного насоса или работающего по определенному алгоритму сбросного клапана, вносящих кроме дополнительных процедур при эксплуатации еще и элементы ненадежности.

В соответствии с изобретением [6], в данном случае задача решается путем введения в состав котла дополнительной переливной емкости с клапаном Маевского, размещенной в его верхней части. Объем емкости равен объему паровой подушки теплообменника-конденсатора. При этом реализуется оригинальный самонастраивающийся режим механического удаления воздуха и формирования паровой подушки в зависимости от уровня нагрузки.

При нагрузке до 450 кВт (КВа-0,6Гн) котел полностью заполнен водой и работает в режиме

пристеночного кипения на жаровых поверхностях и теплопередачи в теплообменнике путем естественной конвекции. С увеличением нагрузки котел переходит в режим объемного кипения. Пар скапливается в верхней части котла, отжимая теплоноситель через патрубок в свободную емкость. При заполнении этой емкости воздух автоматически стравливается через клапан Маевского и создается устойчивая паровая подушка. Максимальная мощность достигается, когда паровая подушка заполняет все межтрубное пространство теплообменника, работающего при этом в режиме конденсатора. Соответственно, при работе на промежуточной мощности паровая подушка может заполнять лишь необходимое для снятия текущей мощности количество рядов теплообменника. Максимальное избыточное рабочее давление равно 0,07 МПа при температуре пара и котловой воды — 115 ОС.

Конструктивные особенности

Для обеспечения минимальных массогаба-ритных характеристик котлов выбрана схема с тупиковой топкой и с одним ходом труб дымогарной (конвективной) части котла (рис. 2). При этом для котла, например, КВа-0,6 Гн температура дымовых газов на выходе из конвективной части может достигать 400 ОС, которую можно считать близкой к оптимальной температуре для эффективной работы хвостового утилизатора теплоты уходящих газов.

Топка представляет собой цилиндрическую обечайку с приваренными трубными досками. Котел имеет один пучок дымогарных труб, выполненных с кольцевой накаткой для интенсификации теплообмена. Теплообменник котла выполнен из нержавеющих трубок с накатками, вваренных в трубные доски. Он разделен на две секции: 2/3 от общего числа трубок в секции ТС (контур тепловых сетей) и 1/3 в секции ГВС, которые могут работать как совместно, так и каждая на свой контур.

В задней части котла размещен утилизатор теплоты уходящих газов, выполненный из ореб-ренных биметаллических трубок, обеспечивающий увеличение КПД котла до 95%. Вся конструкция закрыта декоративными панелями с теплоизоляцией.

Система управления котлами обеспечивает плавное регулирование тепловой мощности в диапазоне работы горелки от 25 до 100% номинальной мощности и ступенчатое регулирование путем включения и отключения горелки в интервале 0-25%. Такое регулирование обеспечивает возможность работы котельной в варианте ТС + ГВС без аккумуляторного бака горячей воды.

Так как отсутствуют специальные требования к температуре воды на входе в котел, в варианте работы котла только на ТС может осуществляться прямое регулирование температуры сетевой воды по отопительному графику без использования специальных регуляторов температуры или расхода.

Известные методы расчета долговечности и ресурса определяют срок службы такого котла более 20 лет, а ресурс ограничивается только скоростью коррозии. Вместе с тем, ввиду отсутствия кислорода в полости котла, эта скорость не велика.

Таким образом, котел не требователен к качеству нагреваемой воды и ее температуре, основные конструкции котла находятся при постоянной или очень медленно меняющейся температуре в зависимости от алгоритма управления. В то же время жаровые трубы и трубки конденсатора за счет их выполнения с кольцевой накаткой, кроме выполнения их основных функций теплопередающей поверхности, являются еще и демпферами для компенсации температурных напряжений.

Реальная безотказная наработка уже находящихся в эксплуатации котлов КВа-0,32 Гн в комплектации мобильного теплоцентра ТАУ-0,7 составляет почти 10 лет практически без проведения каких-либо регламентных работ по межсезонной очистке первого котлового контура. На эксплуатируемых котлах, в основном, не проводились также и какие-либо ремонтные работы, что дает основания для подтверждения их заявленного ресурса работы.

На сегодняшний день котел КВа-0,6 Гн уже прошел конструкторские испытания, а котел КВа-1,25 Гс прошел сертификационные испытания и опытную эксплуатацию в течение года в комплектации мобильной котельной ТМА-III-2,5.

В заключение можно сделать вывод о наличии существенных преимуществ предложенного в настоящей работе нового отечественного двухкон-турного котла по сравнению с известными одноконтурными котлами, определяющих дальнейшие перспективы в расширении ряда таких котлов по мощности и создании на их основе котельных с большим запасом по ресурсу и долговечности.

Литература

1. Григорьев И.Г., Киселев В.Ф. Пароконденсационные котлы ОАО «НМЗ» // Аква-терм. 2004. № 6.

2. Григорьев И.Г., Басов Г.И., Жидилов К.А., Киселев В.Ф., Коваленко В.В., Сергеенко Н.М., Хряпченков А.С. Котел водогрейный двухконтурный мощностью 0,32 МВт и объективные предпосылки к использованию концепции двухконтурного котла при создании котельных // Труды Нижегородского политехнического университета. 2005.

3. Григорьев И.Г., Коваленко В.В. Водогрейный газовый котел КВа-1,25 Гс, работающий на принципе пароконденсации / Нижегородский центр научно-технической информации, ИЛ № 11-011-05. 2005.

4. Григорьев И.Г., Жидилов К.А., Киселев В.Ф. Концепция создания и использования высокоэффективных и экологичных двухконтурных водогрейных котлов для систем энергообеспечения населенных пунктов. Форум «Великие реки России», Н. Новгород. 2005.

5. Егоров Н. Отопление и ГВС. Еще раз о вакуумных котлах //Акватерм. 2005. № 4.

6. Абрамов А.В., Киселев В.Ф., Кулемин В.Б. Заявка № 2005111445 с приоритетом от 18.04.05.

Ответы на запросы «НТ» об эксплуатации двухконтурных водогрейных котлов

Н.М. Исаков, начальник котельной, «АвтоЦентр», МП «Нижегородский водоканал», г. Нижний Новгород: Два теплоцентра ТАУ-0,7 (котлы КВа-0,32 Гн) смонтированы в конце 2001 г. Одна из котельных предназначена для отопления и ГВС, а другая только для теплоснабжения. За все время эксплуатации котлов аварийных ситуаций и отказов не возникало. Были небольшие проблемы только со вспомогательным оборудованием. Благодаря двойному контуру котла внутренние поверхности чистые, нет коррозии, нет отложения солей, нет необходимости дренировать котел. Заливка в котел дистиллированной воды осуществляется один раз при подготовке к запуску (за 5 лет было добавлено только 15 л). Встроенный теплообменник также чистый. Отсутствие отложений со стороны сетевой воды обеспечивается за счет использования антинакипного электроаппарата (АЭА-25), установленного на предприятии. Контроль за работой котлов осуществляется дистанционно с диспетчерского пункта. Котлы экономичны в эксплуатации и имеют широкий диапазон регулирования мощности.

С.В. Кочубеев, главный инженер, ООО «Чистобор-ское», п. Чистое-Борское, Борский район, Нижегородская обл.: Котельная ТАУ-7 уже три отопительных сезона работает надежно, без персонала, с выдачей сигналов в диспетчерский пункт. Осуществляется отопление двух производственных цехов предприятия. Первоначально были проблемы с автоматикой котельной, но они решены заводом-изготовителем. Внутренняя поверхность котлов чистая, дистиллированной воды практически не добавляли. Перед установкой котлов трубы теплосети были заменены, поэтому теплообменник котла со стороны сетевой воды также чистый. В состав котельной входит система дозирования реагентов (СДР-5) для системы подпитки, но расход реагентов очень небольшой. Установка котельной обеспечила значительное снижение затрат по сравнению с отоплением от муниципального предприятия тепловых сетей.

А.В. Кладиев, директор базы, ОАО «Продснаб», г. Нижний Новгород: Котельная ТАУ-0,7 (два котла КВа-0,32 Гн) была приобретена нашим предприятием в 1997 г. За время работы котельной к работе котлов замечаний не было. Котлы находятся в хорошем техническом состоянии. Первоначально возникали проблемы только с уплотнениями насосов.

Источник: Журнал «Новости теплоснабжения» № 10, 2006 г.

автоматизация, бойлер, водогрейный котел, водоподогреватель, горячее водоснабжение, емкостный подогреватель, калачи, кожухотрубчатый, котел отопления, котелная, котлы, монтаж, обслуживание, отводы, паровик, паровой подогреватель, переходы, пластинчатый теплообменник, проточный подогреватель, теплообменники, труба в трубе, трубные системы