Повышение эффективности и надежности башенных водогрейных котлов ПТВМ-100

В данной статье представлен анализ работ, проведенных в Казахстане, по повышению эффективности и надежности башенных водогрейных котлов ПТВМ-100

Показано, что проведенная на ТЭЦ и котельных реконструкция котлов ПТВМ-100 направлена в большей степени на повышение надежности и сохранение длительной теплопроизводительности, при этом эффективность работы котлов осталась практически на прежнем уровне. Конструктивные изменения котельного агрегата, предложенные авторами, наряду с повышением надежности работы котла и его тепловой производительности, позволяют поднять его КПД до уровня 93 %. 

Длительный опыт эксплуатации водогрейных котлов ПТВМ-100 башенной компоновки показал наличие серьезных конструктивных недостатков, которые привели к снижению нагрузок, надежности и экономичности их работы. В свою очередь это привело к увеличению ремонтных и эксплуатационных затрат, а также необоснованному увеличению вредных выбросов и снижению экологических показателей.

Основные конструктивные недостатки водогрейного котла ПТВМ-100, отмеченные эксплуатирующими, наладочными и научно-исследовательскими организациями теплоэнергетического профиля (СКБ ВТИ, ЦКБЭ (г.Москва), КТЭ    (Казтехэнерго,    г.Алматы),    КазНИИЭнергетики    (г.Алматы),  НПФ «Квазар» и др.), акцентировались на следующих моментах:

  • малый объем и высота топки с высокими удельными тепловыми напряжениями объема топки (479086 ккал/м3) [1], конвективных поверхностей нагрева первых двух рядов труб (3,04×106 ккал/м2) [1];
  • небольшие расстояния (относительный поперечный шаг труб) в местах U – образных изгибов конвективных труб, приводящие к заносу и частичному перекрытию газовых сечений частицами золы и сажи;
  • малый диаметр труб конвективного пучка (28×3 мм), приводящий при недостаточном качестве сетевой воды к заносу внутренними отложениями до полного перекрытия поперечного сечения конвективных труб;
  • низкие скорости газов во втором конвективном пакете, приводящие к забиванию пространства между трубами частицами золы и сажи;
  • отсутствие аппаратов для обдувки и очистки конвективных пакетов;
  • сжигание топлива в холодном воздухе.

Высокое сопротивление заводских горелок в сочетании с недостаточной производительностью индивидуальных вентиляторов, разбежками в производительности вентиляторов и расходных характеристик форсунок приводили к неудовлетворительному горению, ограничению расчетной производительности, как горелок, так и котла ПТВМ-100 в целом.

В течение всего периода эксплуатации водогрейных котлов ПТВМ-100 проектными, наладочными, конструкторскими организациями совместно с эксплуатационным персоналом котельных и ТЭЦ предпринимались серьезные попытки улучшить конструкцию котлов, достичь фактических показателей, приближенных к их проектным значениям.

Одним из первых мероприятий по реконструкции котла ПТВМ-100 (рисунок 1) по проекту СКБ ВТИ было увеличение объема топки на 30 м3 путем частичного уменьшения угла наклона скатов холодной воронки и переноса верхнего яруса горелок ниже основного (рисунок 2). 

 Водогрейный котел ПТВМ-100 до реконструкции   

Рисунок 1 - Водогрейный котел ПТВМ-100 до реконструкции 

В дополнение к названному проекту КТЭ предложил организовать ступенчатое сжигание (рисунок 2), в котором крайние горелки  верхнего яруса убирались.

Воздух от вентиляторов этих горелок объединенным коробом выводился выше основных горелок и из этого короба соплами под углом 10° вниз относительно горизонтальной оси вводился над основными горелками в топочный объем. Оси оставшихся основных горелок наклонялись  вниз на 15°,  крайние  горелки  основного  яруса  дополнительно  были  развернуты к центру топки на 15°, а две горелки верхнего яруса были перенесены под основной ярус горелок [2].

 Водогрейный котел ПТВМ-100, реконструированный по проектам СКБ ВТИ (топка) и КТЭ (ступенчатое сжигание)

Рисунок 2 - Водогрейный котел ПТВМ-100, реконструированный по проектам СКБ ВТИ (топка) и КТЭ (ступенчатое сжигание) 

Конструктивно горелки подверглись реконструкции: увеличивалось проходное сечение по воздуху, были применены закручивающие лопатки с безударным входом, в результате производительность горелок увеличилась на 20-30 % относительно первоначальной заводской конструкции. Такая схема реконструкции первоначально была произведена на котлах №3, 4, 7 (АО «АлЭС») [2].

Предварительное опробование результатов реконструкции показало рост тепловой мощности и увеличение межобмывочного периода, снижение выбросов окислов азота на 21%. Поэтому ступенчатое сжигание было предложено распространить на котлы Западного Теплового Комплекса ЗТК (г.Алматы) [2].

Одним из вариантов реконструкции была замена 16 газомазутных горелок с индивидуальными вентиляторами шестью двухпоточными по воздуху вихревыми горелками, установленными на отметке 6450 мм на всех стенах топки под разными углами с организацией вихревого горения  в центре топки со средним углом наклона горелок вниз на – 20°. Для распыливания    мазута    были    применены    паро-механические   форсунки «Титан». Испытания показали ряд недостатков в  работе реконструированного котла ПТВМ-100, и, учитывая большой объем работ при указанной реконструкции и недостаточный эффект, эта реконструкция на другие котлы не распространялась.

В дополнение к объему работ по реконструкции СКБ ВТИ, на котле №3 Алматинской ТЭЦ-1 была выполнена реконструкция конвективного пакета труб с переходом на прямые трубы диаметром Ø32×3 мм вместо труб диаметром Ø 28×3 мм U – образной формы по проекту НПФ «Квазар» [2].

В Республике Казахстан в эксплуатации находится 44 водогрейных котла    ПТВМ-100.    Увеличение    тепловой    производительности    и  КПД водогрейных котлов ПТВМ-100 до 93,5-94% от реальных эксплуатационных 86,8% [1], при грамотной модернизации, в расчете за время работы в 3600 часов в 1 год даст экономию 124645 тонн мазута [3].

Авторы работы провели подробный расчетный анализ всех выполненных мероприятий по реконструкции водогрейных котлов ПТВМ- 100 по Республике Казахстан, основанный на сравнении результатов тепловых расчетов и результатов тепловых испытаний указанных котлов между собой и с базовым заводским вариантом котла ПТВМ-100 без проведения реконструкции.

Анализ результатов реконструкции водогрейных котлов ПТВМ-100 показал, что технико-экономические показатели реконструированных котлов и не реконструированных практически не меняются. Для ряда реконструированных котлов удалось поднять расчетный КПД только до 90,5%, у некоторых произошло даже снижение эффективности за счет сокращения конвективной части.

В результате проведенных реконструкций температура газов на выходе из топки практически не изменилась. Исключением явились варианты реконструкции водогрейного котла ПТВМ-100 с  отсутствующими сбросными горелками и низкотемпературным вихревым сжиганием мазута.

В середине 90-х была предпринята попытка установить вместо 16-ти горелок восемь вихревых предтопков по Патенту РК № 2318 «Циклонная топочная камера» [4], и по Патенту РК №21479 «Водогрейный котел» [5]. Первый вариант был реализован на ТЭЦ-1 в г. Астана на водогрейном котле ПТВМ-100. Основной идеей авторов этой реконструкции была организация предварительной термической подготовки распыленного мазута с регулируемыми избытками воздуха в вихревой камере. Это позволяло регулировать термическую подготовку распыленного мазута вне топочного объема, в зависимости от качества топочного мазута и режимов  работы котла. Однако номинальной тепловой производительности и в этом варианте не удалось достичь. Следует учесть и достаточно серьезный объем работ по реконструкции топочных экранов и схем установки восьми вихревых камер с подбором дутьевых вентиляторов.

Поэтому в целом выполненные на котлах ПТВМ-100 мероприятия были направлены, прежде всего, на повышение надежности отдельных узлов, включавших схемы циркуляции котла, работы конвективных пакетов труб, топки котла и горелок, чем на повышение и достижение номинальных паспортных значений нагрузок. Расчетные экономические показатели работы реконструированных котлов остались на уровне заводских. Отдельные недостатки остались и после проведения реконструкции.

Наиболее близко к решению задачи повышения эффективности работы котлов и доведения до номинальной величины тепловой производительности водогрейного котла башенной конструкции ПТВМ-100  подошли специалисты ОАО «Дорогобужкотломаш» (РФ), конструктивно изменившие схему циркуляции и конструкцию топочных экранов.

Начавшийся выпуск на ОАО «Дорогобужкотломаш» новых башенных водогрейных котлов КВ-ГМ-69,8-150 (ПТВМ-60 Э) и КВ-ГМ-139,6-150 (ПТВМ-120 Э) с одним двусветным экраном и разведенными далее по бокам от центра наклонными трубами в верхней части топки перед конвективным пакетом, позволили решить только часть проблемы [6].

В заводском решении ОАО «Дорогобужкотломаш» [6] отношение радиационной поверхности Нр к конвективной составило только  Нр/Нкон = 10,8%. Тепловые расчеты башенных пиковых котлов ПТВМ-100 при работе на мазуте, проведенные авторами, показывают, что величина радиационной поверхности Нр все еще недостаточна. Поэтому количество тепла не воспринятое в топке направляется на первый конвективный пакет труб и далее. Наклонные и разряженные (трехрядные) трубы двусветного экрана, расположенные в 4 м [6] от верхнего яруса горелок недостаточно экранируют и защищают первый конвективный пакет труб водогрейного котла КВ-ГМ-139,6- 150 (рисунок 3).

Авторами настоящей работы было предложено принципиально отличающееся от всех предыдущих работ по модернизации старых котлов ПТВМ-100 конструктивное решение по использованию двух двусветных экранов. При этом, величина радиационной поверхности нагрева в топочном пространстве доведена авторами до нормативных значений Нр/Нполн = 15,7% [7], как у П-образных серийных котлов.

Новое конструктивное решение обеспечивает полную тепловую защиту первого конвективного пакета труб от прямого лучистого воздействия  факела из короткой топки котла холодными разряженными трубами. Второй конвективный пакет труб с переменным поперечным сечением в каждом последующем продольном ряду труб сохраняет высокий уровень скорости газового потока и соответственно коэффициент теплоотдачи. Такое конструктивное решение позволяет переводить водогрейные башенные котлы из разряда пиковых в водогрейные котлы, которые могут нести базовую (основную) нагрузку с высокими технико-экономическими показателями.

 Водогрейный котел КВ-ГМ-139,6-150 ОАО «Дорогобужкотломаш»

Рисунок 3 - Водогрейный котел КВ-ГМ-139,6-150 ОАО «Дорогобужкотломаш»

Реконструкция [7] заключается в том, что в ячейке старого котла ПТВМ- 100, установлены внутри топки два двусветных экрана и холодный разряженный пучок труб перед первым конвективным пакетом (рисунок 4).

 Водогрейный котел ПТВМ-125 по проекту АУЭС

Рисунок 4 - Водогрейный котел ПТВМ-125 по проекту АУЭС 

Это позволит достигнуть тепловой мощности в 1,25 раза превосходящей 116 МВт. При этом КПД водогрейного котла увеличится с 86,5-88,5  до 93,5%. Радиационная поверхность нагрева топки модернизированного котла будет увеличена на 246 м2 Отношение радиационной поверхности по отношению к конвективной поверхности будет увеличено до 15,8%, тогда как у старых котлов ПТВМ-100 оно составляло всего 7,5%. Это и являлось основным недостатком старых водогрейных котлов ПТВМ-100. Дополнительная радиационная поверхность в 246 м2 принимает большее количество тепла в пределах топки, а разряженные холодные трубы полностью экранируют и защищают собой первые ряды труб конвективных пакетов. Новые конвективные пакеты работают в более благоприятных тепловых условиях как и в водогрейных котлах П - образной компоновки,  не «видя» факела. При этом значительно понижается температура уходящих газов, даже при некотором снижении конвективных поверхностей нагрева.

Выводы:

  1. Для старых водогрейных котлов башенного типа ПТВМ-100 предложена схема реконструкции с применением двух двусветных экранов и холодных разреженных труб, расположенных перед первым конвективным пакетом.
  2. Второй конвективный пакет труб выполнен с переменным поперечным сечением, уменьшающимся по ходу газов и сохраняющим высокий уровень скорости газов и коэффициента теплоотдачи.
  3. Предложенная реконструкция позволит увеличить теплопроизводительность водогрейного котла, повысить надежность работы конвективных пакетов котла, поднять его КПД до 93 %.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. [1] Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности / Под. Ред. К. Ф. Роддатиса. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 488 с.
  2. [2] Отчет. НПФ «Квазар». Анализ реконструктивных мероприятий на котлах ПТВМ-100 и ПТВМ-50. Департамент энергосбережения по г. Алматы. 1999. - 87 с.
  3. [3] Орумбаев Р.К. Автореферат диссертации д.т.н. «Исследование, разработка и организация серийного производства водогрейных котлов нового поколения». Алматы, 2002. – 53 с.
  4. [4] Кожахметов Д.Б. Патент РК №2318, «Циклонная топочная    камера». Бюл. №6, 15.06.1999.
  5. [5]   Орумбаев  Р.К.,   Орумбаева  Ш.Р.   и   др.   Патент   РК   №21479, «Водогрейный котел». Бюл.№11, 15.11.2011.
  6. [6]  Каталог  Котлы  водогрейные  мощностью  от  11,63  до  209     МВт. Дорогобужкотломаш. Том.2. Издание 4. 2007. С. 79.
  7. [7] Орумбаев Р.К., Кибарин А.А., Орумбаева Ш.Р., Орумбаев А.Р. Инновационный патент «Водогрейный котел». Бюл. №7, 15.07.2015.
Год: 2015
Город: Алматы