CC BY
61
УДК 621.311.22
Перевод парового котла ДКВр-20-13 в водогрейный режим работы
Шелыгин Б.Л., Панков С. А., кандидаты техн. наук
Предложен вариант перевода парового котла ДКВр-20-13 в водогрейный режим его работы. Расчетным путем определена оптимальная схема распределения воды через поверхности нагрева при умеренных скоростях циркуляции теплоносителя в трубах и гидравлическом сопротивлении водяного тракта котла 1,0 кгс/см2.
Ключевые слова: паровой котел, водогрейный режим, расчетная схема, компоновка поверхностей нагрева, топочные экраны, конвективный пучок труб, скорость циркуляции, гидравлическое сопротивление, температура воды, КПД котла.
DKVr-20-13 Steam Boiler Shift in Water-Heating Operation Mode
B.L. Shelygin, Candidate of Engineering, S.A. Pankov, Candidate of Engineering
The authors describe the DKVr-20-13 steam boiler shift into water-heating operation mode. The optimal scheme of water distribution throughout the heat surfaces with moderate speeds of heat carrier circulations in pipes and flow resistance of boiler water dust (1,0 kgf/cm2) is calculated.
Key words: steam boiler, water-heating mode, calculation scheme, heat surfaces layout, furnace water-wall, pipes convection beams, circulation speed, flow resistance, temperature of water, boiler efficiency.
Теплоснабжение в России обеспечивают наряду с ТЭС примерно 190 тыс. промышленно-отопительных котельных, около 30 % которых находятся в муниципальной собственности. Согласно программе развития энергетики РФ, водогрейные котлы, сжигающие газовое топливо, останутся на длительную перспективу основным оборудованием для теплоснабжения потребителей [1, 2].
Техническое перевооружение теплоснабжения городских районов стало насущной задачей отечественной энергетики [3]. Крупным и быстрорастущим потребителем тепловой энергии является сектор жилищнокоммунального хозяйства (ЖКХ). Водогрейные котельные - основной источник теплоснабжения ЖКХ [4, 5].
Конечной целью энергосберегающей политики в ЖКХ является снижение издержек производства, себестоимости коммунальных услуг и соответствующих оплат для населения.
Дефицит теплообменного оборудования [6] и необходимость продления службы выработавших ресурс паровых котлов создают предпосылки для перевода их в водогрейный режим работы.
Преимущества реконструкции паровых котлов малой мощности сводятся к следующему:
• исключаются из эксплуатации сетевые подогреватели;
• снижается гидравлическое сопротивление тепловой сети в пределах отопительной котельной;
• снижается температура уходящих газов при снижении температуры воды на входе в котел (с 102 до 70 °С), что повышает КПД агрегата.
Техническое решение предложено для котельной №4 г. Костромы. В работе рассматрива-
ется вариант перевода парового котла марки ДКВр-20-13 в водогрейный режим работы.
Тепловая мощность котлоагрегата, в зависимости от исходных данных, находится в пределах 11-12 Гкал/ч.
Требования к технической продукции:
• максимальная тепловая мощность агрегата - 11 Гкал/ч;
• температурный график работы котла -70-95 °С;
• максимальный расход сетевой воды -440 м3/ч.
Конструктивно котел ДКВр-20-13 состоит из двух элементов [7, 8]:
1) собственно котел с радиационными (топочные экраны (ТЭ)) и конвективными (фестон, котельный пучок (КП) труб) поверхностями нагрева;
2) одноколонковый водяной экономайзер (ЭКО).
В свою очередь, трубная система поверхностей нагрева котла состоит из пяти блоков:
1) фронтовой экран, сообщенный с верхним барабаном котла;
2) первые секции боковых экранов, сообщенные с выносными циклонами;
3) вторые секции боковых экранов, сообщенные с верхним и нижним барабанами;
4) задний экран, сообщенный с верхним и нижним барабанами;
5) конвективный котельный пучок труб, расположенный между барабанами.
При выполнении работы по переводу котла ДКВр-20-13 в водогрейный режим предварительно необходимо было определить:
• принципиальную возможность использования существующей конструкции агрегата для обеспечения его требуемой теплопроизводи-
тельности при минимальных изменениях в компоновке;
• схему циркуляции воды через отдельные поверхности нагрева при неизменных значениях площадей для обеспечения гидравлического сопротивления котлоагрегата менее 1,5 кгс/см 2 [4, 6, 7].
Для оценки возможностей режимов работы парового котла ДКВр-20-13 перед переводом его в водогрейный режим на основании чертежей, описания и конструктивных характеристик специально, с использованием программы «ТРАКТ» [9], разработана расчетная модель котлоагрегата при работе в паровом режиме.
Расчетная схема энергоустановки (рис. 1) содержит три рабочих тракта: газовый, водопаровой и воздушный.
Газовый тракт содержит одиннадцать элементов (01-11), водопаровой - 9 элементов (101-109), а воздушный - 4 элемента (201-204).
Расчет котла ДКВр-20-13 выполнялся на давление пара за котлом 10 ата и паро-производительность 20 т/ч. Температура наружного воздуха принята (нар = 10 °С как среднегодовая для г. Костромы. В качестве топлива принят природный газ с теплотой сгорания Онс = 8480 ккал/м3 [10].
Конструктивные характеристики поверхностей нагрева котла ДКВр-20-13 получены с использованием данных, предоставленных заказчиком. При активном топочном объеме 39 м3 суммарная поверхность ограждающих стен принята 83,5 м2.
Для КП при наружном диаметре труб 51 мм и поверхности нагрева 243 м2 площадь поперечного сечения газохода для прохода газов принята 2,4 м2, а площадь живого сечения для прохода воды - 1,4 м .
Для ЭКО применительно к одной ореб-ренной трубе длиной 3 м площадь живого се-
чения для прохода газов 0,184 м , а поверхность нагрева 4,49 м2 [7, 8, 11, 12].
При поверхности нагрева ЭКО 808 м2 площадь живого сечения для прохода газов 1,6 м2, а для прохода воды применительно к одной трубе с внутренним диаметром 60 мм - 0,0028 м2.
В результате теплогидравлического расчета котла при температуре питательной воды 102 °С температура уходящих газов составляла 160 °С, а КПД котла брутто - 90,86 %.
При теплоте сгорания топлива Онс = 8480 ккал/м3 и тепловой мощности котла Опк = 11,51 Гкал/ч расход топлива равен Вг = 1487 м3/ч, а тепловое напряжение топочного объема составляет ^ = 323 МГкал/(м3-ч). При потере теплоты от химической неполноты сгорания топлива д3 = 0,1 % величина соответствует предельным значениям [10]. Поэтому увеличение расхода топлива выше 1487 м3/ч в целях повышения тепловой мощности агрегата невозможно. Максимальная тепловая мощность котла в случае его работы в водогрейном режиме ограничивается величиной 11,51 Гкал/ч.
Согласно техническому заданию на реконструкцию, при расходе воды через котел век = 440 т/ч, температурах на входе tв = 70 °С и выходе 4" = 95 °С теплопроизводительность котла в случае водогрейного режима составит Овк = век ■ св (4" - 4') = 11 Гкал/ч, что вполне может быть обеспечено существующей конструкцией агрегата.
По результатам теплового расчета кот-лоагрегата на паровой режим работы, при расходе топлива 1487 м3/ч тепловосприятия рабочих поверхностей нагрева составили значения, представленные в табл. 1.
Вх.1 Г.В.
Топка
Пр.
Ф
-о-
Гх.Ф.
Гх.ИС.
ЫБ: 01 02 1 03 і 04 05
Вх.3 ЭКО Топ .эк Исп.п.
1^ ^ /\ /1
]/ 1/ 1/
ЫБ: 101 102 103 104
Пр.
Ф
-о-
06 07
Прод.
105,
109
Вых.5
Гх.ЭК.
08
1 06
Вых.7 і-------
Воз-д
--V
Заб.воз Вх.6
----О----------<1
Пр.
4-
-о-
Гх-д Вых.2 ------------<1
09
10
11
Паро-д Вых.4
—3
107
108
ЫБ: 204 203 202 201
Рис. 1. Расчетная схема котла ДКВр-20-13 (исходный вариант) в условиях парового режима его работы
Таблица 1. Значения тепловосприятий поверхностей нагрева котла ДКВр-20-13 при паровом режиме работы
Поверхности нагрева Значение
Топочные экраны (ТЭ), Гкал/ч 5,73
Конвективный пучок (КП), Гкал/ч 3,83
Водяной экономайзер (ЭКО), Гкал/ч 1,89
Водогрейный режим котла ДКВр-20-13 при расходе воды 440 т/ч и существующей схеме водопарового тракта невозможен. В этом случае гидравлическое сопротивление водяного тракта, начиная с ЭКО, с учетом прямоточного движения потока через все поверхности стало бы во много раз превышать нормируемое значение 0,6-1,5 кгс/см2 [6, 7].
Для снижения гидравлического сопротивления котла с сохранением его заводской компоновки расход воды через трубную систему должен быть разделен на три потока: через нижний ряд труб ЭКО; нижний барабан котла; нижние коллекторы топочных экранов.
Известно предложение схемы принудительной циркуляции воды в ТЭ и КП при параллельно-прямоточном движении воды через ЭКО [13]. Данная схема, проверенная на котлах марки ДКВр-20-13, замечаний не имела.
В случаях температурного графика теплосети 70-115 °С подаваемая в котел сетевая вода проходит через сопла струйных насосов, установленных на входе в необогреваемые опускные трубы ТЭ и подъемные трубы КП. При этом расход циркулирующей в трубах воды возрастает в 2-4 раза.
Отмечено, что при расходах воды через котел 225-325 т/ч достигаются скорости воды в трубах, обеспечивающие надежное расхолаживание металла поверхностей нагрева [14]: в ТЭ - 0,1-0,78 м/с; в КП - 0,03-0,1 м/с.
Для рассматриваемой котельной при максимальной температуре воды за котлом 95 °С и расходе 440 м3/ч, против условий известного технического предложения (низкий расход воды 320 т/ч и высокая температура 115 °С), возможен вариант прямоточно-параллельного нагрева сетевой воды при распределении ее через ТЭ и КП.
По значениям расчетных тепловосприя-тий отдельных участков поверхностей нагрева котла для температурного графика 70-95 °С определены значения максимальных расходов воды через поверхности нагрева (табл. 2).
Таблица 2. Значения максимальных расходов воды через поверхности нагрева при трехпоточной схеме
Поверхности нагрева Значение
Топочные экраны (ТЭ), т/ч 227
Конвективный пучок (КП), т/ч 151,7
Водяной экономайзер (ЭКО), т/ч 74,9
Данный вариант при расходе через ЭКО 79,4 т/ч неприемлем, так как скорость воды составит 7,45 м/с и гидравлическое сопротив-
ление ЭКО будет в 3-5 раз превышать сопротивление параллельных участков ТЭ и КП.
Расчеты показали, что более приемлемой является двухпоточная схема циркуляции воды, когда один поток идет через ЭКО с расходом, обеспечивающим подогрев воды до температуры 90-100 °С, а второй поток проходит топочные экраны, нагреваясь до 80-85 °С, затем конвективный подогреватель, где температура поднимается еще на 10-15 °С. Оба потока смешиваются в верхнем барабане котла и направляются в тепловую сеть (рис. 2).
Фронтовой Задний
экран экран
Выход
воды
3 395
440 м/ч м3/ч, N-
Вход воды
45 м3/ч
1.Б.Э
Ґ
А
Л07
2.Б.Э
ДН)-
КП
Г
ЭКО
Рис. 2. Схема распределения потоков воды по поверхностям нагрева котла ДКВр-20-13 при его работе в водогрейном режиме (предполагаемый вариант)
Для определения оптимального расхода воды через ЭКО, обеспечивающего требуемое значение температуры на выходе и требуемое значение гидравлического сопротивления, была разработана расчетная схема: газовый и воздушный тракты аналогичны существующему варианту, водяной тракт разделен на 14 элементов (рис. 2).
Расчеты показали, что при расходе воды через ЭКО 45 т/ч и теплопроизводительности котла 11 Гкал/ч ожидаемые показатели, в сравнении с существующим (паровым) режимом, будут следующими: температура уходящих газов снизится на 52 градуса и составит 108 °С; КПД котла брутто возрастет на 3,67 %; расход топлива снизится на 82 м3/ч; годовая экономия природного газа при числе часов использования максимума тепловой нагрузки 2000 ч составит 164 тыс. м3/год.
Для снижения скорости воды в трубах ЭКО перед ним предлагается установить раздающий коллектор, в котором вода распределяется на три потока и по трем патрубкам, соединенным с фланцами нижнего ряда труб, поступает в ЭКО.
При такой трехпоточной схеме движения скорость воды в трубах ЭКО составит 1,47 м/с, а гидравлическое сопротивление ЭКО будет одного порядка с сопротивлением параллельных участков ТЭ и КП (менее 1 кгс/см2).
Значения средних скоростей воды по поверхностям нагрева котлоагрегата после
предлагаемой реконструкции представлены в табл. 3.
Полученные значения скоростей несколько выше, чем скорости воды в трубах котла в рассматриваемом варианте [13], проверенном в условиях эксплуатации.
Таблица 3. Значения средних скоростей воды в трубах поверхностей нагрева котла после предлагаемой ре-
Поверхности нагрева Значение
Водяной экономайзер (ЭКО), м/с 1,47
Фронтовой и первые боковые топочные 0,83
экраны, м/с
Задний и вторые боковые топочные эк- 0,85
раны, м/с
Конвективный пучок (КП), м/с 0,078
Реализация технического решения по переводу котла ДКВр-20-13 в водогрейный режим работы представлена на рис. 3.
Конструктивные характеристики применяемых труб выбраны с учетом нормируемых значений скоростей воды [7] для обеспечения минимального гидравлического сопротивления коммуникаций, связывающих отдельные поверхности нагрева.
Из подводящего водовода часть воды через раздающий коллектор поступает в нижний ряд труб ЭКО. Перед раздающим коллектором предусматривается задвижка, позволяющая изменять расходы воды через ЭКО и остальные поверхности нагрева в целях достижения равенства гидравлического сопротивления участков и обеспечения одинаковых температур потоков.
Отвод воды из ЭКО в верхний барабан обеспечивается с использованием существующего трубопровода. После отбора части воды в ЭКО оставшийся поток поступает к блокам ТЭ и КП.
Между котлом и ЭКО водовод через тройник делится на два трубопровода одинаковой длины, которые охватывают агрегат по его боковым стенам до фронтовой стены.
К концам каждого из разветвлений приваривается по одной трубе, которые сообщаются с опускными трубами фронтового экрана. Выносные циклоны и пароотводящие трубы, сообщающие их с верхним барабаном, удаляются. По две опускные трубы каждого циклона сообщаются с раздающим коллектором. Слева и справа от котла размещаются два коллектора, с которыми сообщаются существующие трубы, отводящие рабочую среду из верхнего коллектора фронтового экрана в верхний барабан.
Трубы, отводящие рабочие потоки из верхних коллекторов первых боковых экранов, сообщаются с раздающим коллектором, откуда вода поступает в верхние коллекторы заднего и вторых боковых экранов.
Во вторых боковых экранах вода движется сверху вниз. Отвод воды из коллекторов заднего и нижних боковых экранов в нижний барабан котла осуществляется слева и справа по существующим трубопроводам. Из нижнего барабана вода движется вверх. Отвод воды в теплосеть производится из верхнего барабана.
Рис. 3. Компоновка трубопроводов подвода воды к поверхностям нагрева (продольный разрез)
При проведении реконструкции все продувочные элементы котла ДКВр-20-13 должны быть сохранены. Сепарационные устройства верхнего барабана должны быть демонтированы.
Заключение
На основании вариантных расчетов котла ДКВр-20-13 выбрана наиболее оптимальная схема по переводу его в водогрейный режим работы, в которой 7-13 % общего расхода сетевой воды подается в ЭКО, где она нагревается до расчетной температуры, а остальная часть последовательно проходит ТЭ и КП.
В предложенном варианте за счет увеличения скорости циркуляции теплоносителя в трубах ТЭ и КП котла улучшается теплоотвод от металла поверхностей нагрева к рабочей среде. Температура уходящих газов на расчетный режим ожидается 105 °С (против 160 °С), что дает приращение КПД котла брутто на 2,7 %.
В предложенной схеме гидравлические сопротивления параллельных потоков воды приблизительно одинаковые и по расчетам не должны превысить 1,0 кгс/см2. Это обеспечивает надежность работы системы циркуляции котла в целом, и, кроме того, это ниже значений для подобных котлов теплопроизводи-тельностью 6,5-20 Гкал/ч, выпускаемых отечественными заводами.
Список литературы
1. Анализ перспектив развития отечественной теплоэнергетики / А.В. Мошкарин, М.А. Девочкин, Б.Л. Шелыгин и др.; под ред. А.В. Мошкарина; Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2002.
2. Федеральная целевая программа «Энергосбережение России» - основа энергосберегающей политики государства в регионах и отраслях экономики на 1998-2005 гг. Министерство топлива и энергетики Российской Федерации. Российское Агентство Энергоэффективности. - М., 1998.
3. Основные положения энергетической стратегии России на период до 2020 года. - М., 1999.
4. Бузников Е.Ф., Роддатис К.Ф., Берзиньш Э.Я. Производственные и отопительные котельные. - М.: Энергия, 1974.
5. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года. Утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации №1234-р от 28 августа 2003 г.
6. Роддатис К.Ф., Соколовский Я.Б. Справочник по котельным установкам малой производительности / под ред. К.Ф. Роддатиса. Изд. 2-е, перераб. - М.: Энергия, 1975.
7. Котлы малой и средней мощности и топочные устройства / Отраслевой каталог 15-83. НИИЭИНФОРМ-ЭНЕРГОМАШ. - М., 1983.
8. Александров В.Г. Паровые котлы средней и малой мощности. - Л.: Энергия, 1972.
9. Тепловой поверочный расчет котлов на ЭВМ ЕС: метод. указ. / Иван энерг. ин-т; сост. В.Л. Гудзюк, А.С. Рив-кин, Б.Л. Шелыгин. - Иваново, 1989.
10. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) / под ред. Н.В. Кузнецова, В.В. Митора, И.Е. Дубовского, Э.С. Карасиной. - М.: Энергия, 1973.
11. Частухин В.И. Тепловой расчет промышленных парогенераторов / под ред. Частухина В.И. - Киев: Вища школа, 1980.
12. Теплопередача / А.А. Щукин, И.Н. Сушкин, Р.Г. Зах и др. / под общ. ред. И.Н. Сушкина. - 2-е изд., перераб. - М.: Металлургия, 1973.
13. Отчет ВТИ по переводу котла ДКВр-20-13 в водогрейный режим с использованием сопел струйных насосов.
Шелыгин Борис Леонидович,
ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», кандидат технических наук, профессор кафедры тепловых электрических станций, телефон (4932) 41-60-56, e-mail: admin@tes.ispu.ru
Панков Сергей Алексеевич,
ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», кандидат технических наук, начальник учебно-методического управления, телефон (4932) 41-60-56, e-mail: admin@tes.ispu.ru
