Scientific journal
Название журнала на английском
ISSN 2500-0802
ПИ №ФС77-61154

TO THE QUESTION OF RELIABILITY INCREASE AND HEAT CAPACITY CONSTANCY OF PTVM-100 HOT WATER BOILERS OPERATING ON FUEL OIL

Orumbayev R.K. 1 Kibarin А.А. 1 Korobkov М.S. 1 Kasimov А.S. 1 Khodanova Т.V. 1
1 Almaty University of Power Engineering and Telecommunications
This article describes problems of increase of reliability, heat capacity constancy and operation efficiency of PTVM tower water-heating boilers. Based on the analysis of statistics, tests, research works carried out in Kazakhstan on improving the efficiency and reliability of PTVM-100 tower water-heating boilers it is shown that held in CHP plants and boiler houses reconstruction of PTVM-100 boilers are aimed mostly to improve the reliability and the operation efficiency of boilers has remained almost unchanged. Stable boiler operation without water cleanout operating on fuel oil is possible to obtain only on 75% of nominal load. Boiler modifications proposed by authors in addition to increasing the reliability of the boiler and its thermal performance enables raising of its work efficiency up to 91-92% operating on fuel oil and rated load.
hot water boiler
thermal tests
bi-radiated screen
radiation and convective heat exchange
reliability encrease
work efficiency

В настоящее время в Казахстане находятся в эксплуатации более 40 водогрейных котлов большой теплопроизводительности типа ПТВМ, работающих как в базовом, так и в пиковом режиме. Расчетная эффективность таких котлов на мазуте при номинальной нагрузке составляет менее 87 % [1, 2]. Но и этот показатель, в процессе эксплуатации не достигается. Наибольшие трудности возникают при работе на сернистом мазуте, вследствие сернокислотной коррозии экранов и конвективной части, усугубляемой частыми водными обмывками поверхностей нагрева и заносом золой конвективной части. Из-за сернокислотной коррозии срок службы конвективной части котла ПТВМ-100 ограничивается 2-3 годами.

Опыт эксплуатации, обследования и испытания водогрейных котлов ПТВМ-100 показали, что котлы имеют ряд конструктивных недостатков, что приводит к низкой надежности поверхностей нагрева и ограничению нагрузки на уровне 70-80 % [2, 3, 4, 5]. В свою очередь пониженная надежность приводит к увеличению ремонтных и эксплуатационных затрат. Недостатки в работе можно подразделить на конструктивные, проектные и эксплуатационные, связанные преимущественно с нарушениями топочного, водно-химического и гидравлического режимов [5, 6, 7]. Водогрейные котлы ПТВМ характеризуются также необоснованно большими вредными выбросами и пониженными экологическими показателями при работе на мазуте.

Топка ПТВМ-100 выполнена камерной, общий объем составляет 245 м3, полностью экранирована трубами диаметром 60x3,5 мм с шагом 64 мм. Полная лучевоспринимающая поверхность нагрева в пределах топочной камеры составляет 224 м2. Конвективная часть состоит из двух пакетов, расположенных в верхней шахте над топкой. Пакеты выполнены из труб диаметром 28x3 мм в шахматном порядке с шагами по высоте 64 мм и по ширине 33 мм. Общая поверхность конвективной части составляет 2960 м2 [8].

На котле по проекту установлено 16 газомазутных горелок. Расположены горелки на боковых стенах по 8 штук в два яруса. Каждая горелка снабжена индивидуальным вентилятором. Было признано целесообразным изменять теплопроизводительность котла последовательным включением и выключением отдельных горелок, не изменяя расходы воздуха и топлива в горелках, оставшихся в работе. В процессе эксплуатации выяснилось, что производительность отдельных вентиляторов, по разным причинам значительно отличается [7, 8, 9], что оказывает влияние на ведение топочного режима. Подача мазута на отдельные горелки практически одинакова (после тарировки и подбора форсунок), а подача воздуха – различна, следовательно, горелки работают с разными избытками воздуха.

Анализ испытаний на воздуховодах горелок котла ст. № 4 Алматинской ТЭЦ-1, проведенный авторами, показал, что производительность вентиляторов существенно различается. Средняя величина расхода по воздуховодам составила 8043 м3/час. Неравномерность подачи воздуха по отдельным горелкам составила более 25 %. Этот факт подтверждается данными других исследований. Замеры производительности отдельных вентиляторов, представленные в работах [7, 8], отличаются на 20-25 % (от 8,5 до 11 тыс.м3/ч).

Тепловое напряжение топочного объема котла ПТВМ-100 порядка 580 кВт/м3. Малое время пребывания топлива в топке при повышенных нагрузках, резкое охлаждение газов в конвективной части, отсутствие подогрева воздуха и ввод его в топку с малыми скоростями, по мнению авторов [9, 10] создают условия для образования зольносажистых соединений в топке и оседания их на конвективных поверхностях нагрева. Эти отложения хорошо адсорбируют серный ангидрид. Анализ отложений по исследованиям [10, 11] примерно следующий: углерода – 50-70 %, золы – 30-50 %, содержащей свободной Н2SО4 до 6 % (SО3 – 47 %). Зольносажистые соединения обладают большой липучестью, вследствие чего при эксплуатации котлов наблюдается прогрессивный занос конвективного пучка. При этом ухудшается теплообмен, что приводит к повышению температуры уходящих газов, возрастанию аэродинамического сопротивления конвективного пучка и ограничению нагрузки по условиям тяги (нехватка разрежения). При естественной тяге (индивидуальная или групповая дымовая труба) непрерывная работа котлов на максимальной нагрузке длится не более 6-7 дней, а в некоторых случаях – только 2-3 дня. При невозможности останова для очистки, температура уходящих газов возрастает до значений порядка 300 °С, и по данным [8, 10] через 10 дней производительность котла падает до 50 % от номинальной. При этом вверху топки вместо разрежения возникает избыточное давление.

К концу периода между обмывками температура уходящих газов превышает расчетную в среднем на 60-100 °С, а потери с уходящими газами на 4-7 % выше расчетных. Продолжительность межобмывочной компании башенных котлов ПТВМ зависит от интенсивности заноса конвективных поверхностей нагрева, которая, в свою очередь, зависит от нагрузки котла и сжигаемого топлива. Чем выше нагрузка котла, тем интенсивней занос. По данным исследований [8, 11, 12] межобмывочный период при нагрузках 40-50 % от номинальной составляет 8-10 суток, а при нагрузках 70-80 % от номинальной – до 5 суток.

На водогрейных котлах ПТВМ башенной компоновки основные повреждения происходят в конвективной части и в основном из-за коррозии [8, 10, 11]. Полная замена конвективной части производится на большинстве котлов через 5000-7000 часов работы. Повреждения труб экранной системы от наружной сернокислотной коррозии появляются позднее, примерно через три года эксплуатации. Полная замена экранных труб производится через 10000-11000 часов работы.

Средние затраты средств на ремонты водогрейных котлов ряда ТЭС и котельных выше, чем паровых типа БКЗ-160-100, имеющих аналогичную теплопроизводительность [12]. Необходимо отметить, что на ежегодный ремонт конвективных поверхностей нагрева одного котла ПТВМ-100 расходуется около 14 тонн труб.

Для повышения надежности работы конвективной части на ряде котлов была проведена реконструкция конвективной части, предусматривающая применение толстостенных труб большего диаметра с одновременным увеличением живого сечения для прохода газа. Для реконструкции применялись трубы диаметром 32х4 мм и 38х3,5 мм.

На котле ст. № 4 АТЭЦ-1 была произведена реконструкция конвективной части по проекту СКБ ВТИ. Поверхность нагрева после реконструкции составила 2743 м2, что на 217 м2 меньше заводской. В связи с чем температура уходящих газов по расчетам должна увеличиться по сравнению с нормативной и составить порядка 270 °С.

В результате реконструкции конвективного пучка удалось добиться длительной работы котла при нагрузке 70 Гкал/час без ограничений тяги, тогда как в традиционной конструкции конвективных пучков происходило перекрытие межтрубного пространства золосажистыми отложениями в связи с малым поперечным шагом конвективной части.

Однако анализ статистических данных роста температур уходящих газов и теплопроизводительности по времени реконструированного котла ст. № 4, проведенный авторами (рис. 1), показал, что при нагрузке 70 Гкал/час после отмывки температура уходящих газов составила 190 °С, но уже через 10 дней температура достигла 300 °С (рост температуры 10-11 °С/сутки). Несмотря на значительный рост температуры, ограничений по тяге не было. При этом повторная частичная отмывка привела к значительному снижению температуры уходящих газов, которая через 3-4 дня снова достигла уровня 300 °С.

or1.wmf

Рис. 1. Динамика изменения теплопроизводительности и температуры уходящих газов на котле ст.№ 4 АТЭЦ-1 (январь-февраль месяц)

or2.wmf

Рис. 2. Динамика изменения теплопроизводительности и температуры уходящих газов на котле ст. № 2 АТЭЦ-1 (февраль месяц)

or3.wmf

Рис. 3. Результаты испытаний водогрейного котла ПТВМ-100 ст. № 4 АТЭЦ-1

Средний рост температуры на котле ст. № 2 (конвективная поверхность заводского исполнения) также в среднем составлял 11 °С/сутки (рис. 2). Реконструкция позволила сократить количество обмывок при эксплуатации водогрейных котлов ПТВМ-100. За два месяца работы без отмывок при теплопроизводительности 70 Гкал/час температура уходящих газов стабилизировалась на уровне 320-340 °С. Как показали испытания водогрейного котла ст. № 4 на различных нагрузках (данные испытаний представлены авторам персоналом станции) КПД котла на нагрузке 75 Гкал/час не превышал 85,5 % (рис. 3).

Реконструкция не решила вопроса с заносом отложениями конвективных поверхностей нагрева, интенсивность заноса практически не изменилась, однако позволила работать котлу без останова длительное время на нагрузке 75 Гкал/час при пониженной эффективности.

Основной задачей всех работ по модернизации ПТВМ-100 в Казахстане [3, 5] в первую очередь было повышение уровня надежности, в частности отдельных блоков и узлов: схемы циркуляции, конвективный пакет труб, топка и горелки. При этом по расчетам экономических показателей данные не сильно превосходили заводские характеристики, а в ряде случаев стали даже ниже. Не был устранен основной недостаток – занос конвективных поверхностей золосажистыми отложениями, который напрямую связан с высокими температурами на выходе из топочной камеры котла ПТВМ-100. Модельные расчеты котла ПТВМ-100, проведенные авторами в программе BOILER DESIGNER [13], показали, что температура на выходе из топки при работе на газе в пиковом режиме составляет 1384 °С, а при работе на мазуте 1324 °С.

Внедренные в производство разработки ОАО «Дорогобужкотломаш» по изготовлению новых башенных водогрейных котлов ПТВМ-60Э и ПТВМ-120Э несколько решили проблему высокой температуры уходящих газов. Так, за счет конструктивно внедренных двусветного экрана и разведенных по бокам от центра наклонных труб в верхней части топки непосредственно перед конвективными пакетами было достигнуто снижение температуры на выходе из топки в половину (на 150 °С). Итоговый заводской вариант котла ОАО «Дорогобужкотломаш» [14] имеет отношение радиационной и конвективной поверхностей на уровне 10,8 % (Нр/ Нкон), что по результатам тепловых расчетов, выполненных авторами в программе BOILER DESIGNER (для работы котла на мазуте), всё еще недостаточно для эффективного (достаточного) восприятия тепла в радиационной части без дальнейшего наброса на первые ряды труб конвективного пакета. Двусветный экран заводского котла с наклонными и разряженными трубами, отстоящими на 4 м от верхнего яруса горелок, не создают защитного слоя для труб конвективного пакета.

Авторы данной работы разработали и предложили конструктивно новое решение для модернизации старых котлов ПТВМ-100, основной идеей которого является использование двух двусветных экранов [15]. В новом котле радиационная поверхность получила дополнительные 246 м2. Отношение радиационных и конвективных поверхностей доведено до 15,8 %, на старых ПТВМ-100 это же значение не превышает 7,5 %. Добавление дополнительной поверхности к радиационной части позволяет в пределах топки воспринимать большее количество теплоты, а первые ряды труб конвективных пакетов оказываются полностью защищенными экранами из разряженных холодных труб [3]. Модельные расчеты модернизированного котла ПТВМ-100, проведенные авторами в программе BOILER DESIGNER [13], показали, что температура газов на выходе из топки перед конвективными пакетами снизилась на 150 °С, при этом создаются сравнительно лучшие условия для работы труб конвективных пучков (по примеру котлов с П – образной компоновкой). Экранные поверхности воспринимают порядка 33 % тепла при работе на газе и 40 % при работе на мазуте. Общая доля радиационного теплообмена превышает 40 % при работе на газе и 49 % при работе на мазуте. Как показали расчеты, проведенные авторами, несмотря на то, что конвективные поверхности воспринимают порядка 50 % теплоты при работе на мазуте, второй конвективный пучок воспринимает только 15 % от общего конвективного тепла при одинаковой площади теплообмена, что свидетельствует о необходимости оптимизации конструкции конвективных поверхностей котла.

Для измененной конструкции конвективного пучка, предложенной авторами [16] и оптимизированной площади газохода были проведены теплотехнические расчеты, результаты которых показали, что за счет оптимизации работы второго конвективного пучка удалось повысить КПД котла при работе на мазуте до 90,49 %, что на 3 % больше, чем в традиционной конструкции. При работе на мазуте при размещении котельного агрегата в помещении при расчетной температуре воздуха 20 °С КПД котла составит 92,1 %. Кроме того за счет изменения гидравлической схемы котла при установке двусветных экранов тепловая мощность возросла в 1,25 раза от номинальной в 100 Гкал/час.

Выводы

Проведенный анализ статистических данных, испытаний, работ, проведенных в Казахстане в основном связан с решением вопросов надежности, что было основным результатом при проведенных реконструкциях котлов ПТВМ-100 на ТЭЦ и котельных. Вопросы эффективности не получили достаточного внимания и в результате проведенных реконструкций уровень эффективности котлов практически не изменился.

Предлагаемая авторами модернизация водогрейных котлов ПТВМ-100 с установкой двух двусветных экранов и новых конвективных пучков позволит увеличить единичную тепловую мощность нового котла в 1,25 раза, повысить КПД, в среднем на 4,5 % по сравнению с существующими котлами, снизить выбросы вредных веществ, снизить разрыв между установленной и располагаемой мощностью, повысить надежность работы котлов и межремонтный период.

Работа выполнена в рамках бюджетной программы: 217 «Развитие науки», подпрограммы 102 «Грантовое финансирование научных исследований», по приоритету: «Энергетика и машиностроение», по подприоритету: «Тепло- и электроэнергетика и энергоэффективные технологии» по теме 3241/ГФ4.