Развитие конструкций жаротрубных котлов

          Развитие конструкций жаротрубных котлов

Развитие конструкций  паровых и водогрейных котлов в начале своего пути шло по двум основным направлениям - газотрубный  и водотрубный способ нагрева  теплоносителя. В первом случае продукты сгорания двигались изнутри разделительной поверхности, а вода омывала поверхность  нагрева снаружи, во втором случае теплоноситель  двигался внутри, а дымовые газы - снаружи.

Газотрубные котлы обычно делали состоящими из горизонтального  цилиндра и двух или трёх труб относительно большого диаметра (жаротрубные котлы) или пучка труб малого диаметра (дымогарные котлы). Большее распространение  вначале получили именно жаротрубные  котлы, так как ручная колосниковая решётка располагалась внутри жаровых  труб, и в результате этого удавалось  получить высокоэффективную радиационную поверхность нагрева, экранирующую пламя практически полностью. В  этом случае при глубоком охлаждении дымовых газов отпадала необходимость  установки и последующего ремонта  огнеупорной кладки.

Тип котлов с дымогарными  трубками обычно позволял получить в  единице объёма основного барабана большую поверхность нагрева (150…180 м2) в сравнении с жаротрубными котлами с барабаном одинаковой длины. Следовательно, при тех же размерах паропроизводительность была выше.

Наибольшую поверхность  нагрева (до 300 м2) имели комбинированные газотрубные котлы, у которых топкой являлась жаровая труба, а конвективной поверхностью - дымогарные трубки. Однако в обоих случаях паропроизводительность лимитировалась величиной 2…4 т/час из-за роста габаритов топки и увеличении металлоёмкости котла. Другой сдерживающей причиной роста распространения таких котлов являлась трудность обеспечения высоких параметров пара из-за металлоёмкости основного барабана и сложностью выполнения прочных днищ (особенно в дымогарных котлах).

Наибольшим распространением комбинированных газотрубных котлов являлись паровозные котлы; при достаточно сложной конструкции и массивности  укрепляющих связей известны случаи производства парового котла для  паровоза ФД в 1931 г. паропроизводительностью до 20 т/ч.

В последних случаях кроме  всего приходилось форсировать  топку, чтобы получить высокую паропроизводительность. Соответственно КПД таких котлов был низок (50…60%).

Среди промышленных котлов, наиболее часто встречавшихся в  СССР, являются горизонтальные жаротрубно-водотрубные  котлы КВ-200М, «Кивиыли» и др.

Наряду с горизонтальным расположением котла следует  упомянуть и о вертикальных газотрубных  котлах малой мощности, сконструированных  ещё в 19 веке и, тем не менее, до сих  пор встречающихся на харьковских  предприятиях. Одними из наиболее удачных  котлов этого типа был вертикальный котел Шухова и ряд котлов, являющихся продолжением такой конструкции. В этом случае верхняя часть жаровой трубы проходит сквозь паровое пространство и, следовательно, плохо охлаждается. Поэтому температура газов, проходящих по этой части трубы, должна быть невысокой (при длительной работе не выше 500-550° С). Для снижения температуры размещали в жаровой трубе дополнительную поверхность нагрева, обычно в виде пучков наклонных труб, омываемых газами снаружи.

Перечисленные недостатки привели  к тому, что на долгое время от использования жаротрубных и  дымогарных котлов отказались, они  были полностью сняты с производства, и в СССР была принята концепция  использования водотрубных конструкций  котлов. Такие котлы при их установке  в котельной подлежали обмуровке  кирпичом или нанесением защитного  покрытия слоем жаростойкой изоляции.

На Западе была принята  иная концепция. Такая концепция  наряду с сохранением выпуска  водотрубных котлов предполагала выпуск для собственных нужд и, особенно для продажи на внешнем рынке  компактных готовых к установке  и внедрению котельных установок  высокой эффективности. Таким образом, был налажен выпуск и внедрение  газоплотных котлов с одной автоматизированной блочной горелкой (реже - с двумя), не требующих установки высокозатратных дымососов и регулирования разрежения в топке, и приходящих к покупателю уже защищенными слоем современной тепловой изоляции.         

     Изготовители газовых жаротрубных котлов (ГЖК)        

Отечественные и зарубежные производители:

ГП "63-й государственный  котельно-сварочный завод", г. Ивано-Франковск - котлы серии КСВа «ВК»,

Дружковская теплосеть и Днепропетровский территориальный центр "Южэнергоресурс", г. Дружковка - котлы «Ника»,

ЗАО «Монастырищенский котельный завод (МКЗ)» в составе российско-украинской промышленной группы «Генерация», г. Монастырищи - котлы серии КСВа «ВК», паровые котлы серии Е "Генерация"

Черновицкий металлообрабатывающий  завод, г. Черновцы - котлы серии КСВа «ВК»,

Котельный завод «Колвиэнергомаш», г.Чернигов - котлы "Колві",

Машиностроительный завод  “Прогресс”, г. Бердичев- котлы “Рио” с реверсивной топкой, теплопроизводительностью от 250 до 3150кВт

НПП «Мегават-М», г. Киев - котлы серии КСВа «ВК»,

АП «Донгортеплосеть», г. Донецк - котёл типа «Квант»

ООО Завод «Атонмаш», входящий в состав холдинговой компании «Укртехнопром» - котлы КВа-0,25 Гн (Гс) и КВа-0,63 Гн(Гс).

Среди российских изготовителей  жаротрубных и дымогарных котлов - предприятия:

ЗАО ПО «Бийскэнергомаш».

ОАО «Белгородский завод  энергетического машиностроения».

ОАО «Дорогобужкотломаш».

ЗАО СП «ЗИОСАБ» г. Подольск.

ЗАО «Уралкотломаш».

ООО «Компания РЭМЭКС-Энерго».

ОАО «Борисоглебский котельно-механический завод»

ООО «Завод Ротор»

Промышленная группа «Генерация»- объединение заводов «Уралкотломаш» (г. Березовский), «Нефтемаш» (г. Сызрань), «Теком» (г.Монастырище, Украина), «Буланашский машиностроительный завод » (Свердловская обл) и др.

Среди российских жаротрубных  котлов преобладают котлы:

серия КВ-ГМ «Дорогобуж», жаротрубные  котлы с реверсивной топкой. Типоряд 0,05-2,32 МВт, КПД - 91-93%;

серия «Днепр», трехходовые жаротрубные котлы для работы на дизельном топливе, мазуте, нефти, представлена котлом «Днепр2000», в разработке «Днепр-1200», КПД- 92,4-92,7%;

серия КСВа «ВК»;

серия КСВм «Генерация»;

серия Турботерм

серия паровые котлов Е (Ем) «Генерация»;

серий КВа и др.

В секторе импортных котлов на украинском рынке наиболее высокой  и качественной технологией сборки котлов отличаются немецкие фирмы Viessmann, Loos с типорядом водогрейных двухходовых и трёхходовых котлов и Buderus, с типорядом двухходовых и трёхходовых котлов паровых котлов Logano. Кроме названных котлов широкое развитие на Украине получили котлы корпорации «Колвi» и фирмы I.VAR.

                                           Конструкция ГЖК

Среди разнообразия производителей газовых жаротрубных котлов в  то же время схемы движения дымовых  газов и воды похожи. Для большинства  котлов (КСВа «ВК-34», «Колві», «Вулкан», РИО, SuperRAC, некоторые модели Vitoplex) - это двухходовая схема с реверсивной топкой или инверсией пламени. Обычно в таких схемах топка расположена строго соосно с корпусом котла или в нижней части корпуса. Продукты сгорания достигают плоского дна топки, разворачиваются и по периферии поступают к передней крышке котла. Далее, дымовые газы разворачиваются на 180 и поступают в конвективный газоход - в дымогарные трубы второго хода. Пройдя второй ход, газы поступают в сборный дымовой короб и, оттуда, в газоход и дымовую трубу. Расположение дымогарных труб может выполняться как симметрично по отношению к оси котла, так и отдельным пакетом, расположенным выше топки. Передняя стенка может быть водоохлаждаемой, как, например, для котлов «РИО», «Ника» или «ВК», так и неохлаждаемой, с усиленной футеровкой.

Следует отметить, что в  некоторых моделях ГЖК («Ника» и  др.) дымовые газы из жаровой трубы  попадают в дымогарные трубки, поворачиваясь  в задней крышке, поступают к фронту. Далее по газоходу, расположенному над наружной обечайкой, удаляются  в сборный газоход. Соответственно, задняя крышка в этом случае делается либо водоохлаждаемой, либо с усиленной футеровкой.

Жаровая труба и дымогарные трубы в местах прохода через  переднюю и заднюю стенки имеют сварные  соединения. Жаровая труба, проходя  всем сечением через заднюю стенку, образует, таким образом, большую  демпфирующую поверхность, выполняющую  функцию продольного анкера.

Вовнутрь дымогарных труб чаще помещают спиралеобразные турбулизаторы (турбуляторы) для интенсификации теплообмена.

Котлы КСВа «ВК» выпускаются нескольких модификаций. Модель КСВа «ВК-34» -стандартные ГЖК с реверсивной топкой и расположением дымогарных труб второго хода отдельным пакетом выше жаровой трубы, в моделях КСВа «ВК-21», «ВК-22» - модели с реверсивной топкой, дымогарные трубки второго хода расположены по окружности симметрично к оси котла.

Модель котла КСВа «ВК-32» совмещает в себе как дымогарные, так и водотрубные нагревательные элементы. Так, топкой котла, является пространство, образованное газоплотными цельносварными водотрубными панелями и верхней обечайкой барабана с дымогарными трубами.

Конвективной частью котла  являются дымогарные трубки, расположенные в барабане-теплообменнике.

Водогрейные импортные двухходовые  котлы Vitoplex фирмы Viessmann на украинском рынке представлены в основном несколькими модификациями - PV1(для режима работы с постоянной температурой теплоносителя), PX1(для режима работы с переменной температурой теплоносителя и большим водозаполнением рабочего объёма). Ход движения дымовых газов у котлов этих модификаций - топка с инверсией пламени и расположение второго газохода дымогарных труб выше первого газохода - жаровой трубы.

Для такой конструкции  характерно повышенные потери с уходящими  газами из-за относительно небольшой  конвективной поверхности. В частности, по двухходовому котлу РИО-500 при  сертификационных испытаниях, результаты которых были любезно предоставлены  автору представителями машиностроительного  завода “Прогресс”, г. Бердичев, были получены результаты, приведённые в  таблице 1:

                                                    Таблица 1

На котле РИО-500 установлена  горелка WM-G 10/3-A/ZM Weishaupt.

Похожие результаты (см. таблицу 2) были получены автором при наладке  двухходового котла типа КСВа-1,0 "ВК-22" оборудованного горелкой ГГС-Б-1,4 (давление газа - среднее) котельной Харьковского Комбината хлебопродуктов № 2. Хотя качество горения горелки было несколько  ниже, чем для котла РИО-500, общая  картина показателей работы котла  аналогична.

                                                        Таблица 2

Примерно в похожих  диапазонах эффективности работают многие двухходовые ГЖК.

Среди водогрейных котлов с трехходовым движением дымовых газов преобладают котлы импортного производства. Для диапазона мощностей (80 - 460) кВт - это преимущественно котлы Viessmann серии Vitoplex-100, для больших нагрузок - свыше 750 кВт и до 20 МВт - котлы Loos серии Unimat с температурой нагрева воды до 120°С с давлением 6 и 10 бар. Кроме этого, российской фирмой «Промышленная группа «Генерация» начат выпуск водогрейных котлов трёхходового движения «КСВм-«Генерация» мощностью 0,1-0,5 МВт и котлов КВ-ГМ-2,0-150 («Днепр 2000») мощностью 2,0 МВт. Наконец, многочисленными российскими заводами начат выпуск ГЖК малой мощности КВа-0,25; -0,63; -0,8; -1,0 («Астра», «Десна» и т.д.). Следует сказать, что доля российских котлов на украинском рынке весьма мала.

Наконец, в момент написания  статьи появились рекламные материалы  о выпуске на Украине заводом  «Атонмаш» трёхходовых котлов КВа-0,25 Гн (Гс) и КВа-0,63 Гн (Гс) с горелкой и блоком управления Riello и газовой рампой Dungs, а также о начале производства котельным заводом «Колвиэнергомаш» трёхходовых котлов "Колві".

Для трехходовых котлов характерно следующее движение дымовых газов - рис.3. Пламя топки обогревает первый газоход - цилиндрическую камеру сгорания, жаровую трубу первого хода, после чего продукты сгорания, возникающие в процессе работы горелки, через патрубок в конце топки поступает в жаровые трубы (или жаровую трубу, как показано на рис.3) второго газохода котлового блока и по ним - в переднюю часть котла. После этого направление вновь меняется на 180, и по дымогарным трубам третьего хода газы движутся к камере сбора продуктов сгорания котла. Для интенсификации теплообмена и защиты последних ходов от конденсации в таких котлах применяют патентованные технологии изготовления труб - их изготовляют двухслойными (duplex) и многослойными с периодическим пережимом сечения.

Для диапазона нагрузок 80 - 170 кВт котлы Vitoplex-100 фирмы Viessmann трёхходового движения газов оснащены одной жаровой трубой второго хода, расположенной выше строго по оси жаровой трубы первого хода. Для нагрузок 225 - 460 кВт жаровых труб второго хода - две. Они расположены выше жаровой трубы первого хода симметрично вертикальной оси котла.

Для российских котлов «КСВм-«Генерация» вторым и третьим ходом для дымовых газов являются дымогарные трубы, расположенные коаксиально двумя пакетами. Для котлов КВа две жаровые трубы второго хода располагаются симметрично относительно вертикальной оси котла.

Вкратце хотелось бы упомянуть  о секторе жаротрубных паровых  котлов для отопительных и технологических  нагрузок.

Паровые двухходовые котлы  Logano фирмы Buderus на украинском рынке представлены в основном модификациями - Logano SND 615 и Logano SHD 615 паропроизводительностью от 250 до 3 200 кг/ч и давлением до 1 бар и до 16 бар соответственно. Ход движения дымовых газов у котлов этих модификаций - топка с инверсией пламени и расположение второго газохода дымогарных труб выше первого газохода - жаровой трубы. Опционально паровой котел высокого давления Logano SHD 615 может быть оснащен теплообменником дымовых газов (автономный экономайзер Stand-Alone Eco). Он полностью монтируется на заводе и поставляется в подключенном виде. При оснащении таким теплообменником потери тепла с дымовыми газами в зависимости от мощности котла снижаются примерно до 8%.

Котлы фирмы Buderus трехходового движения газов типоряда Logano SHD 815 и Logano SHD 815 WT спроектированы для получения насыщенного пара, котлы марки SHD 815 UE и Logano SHD 815 UE/WT снабжены дополнительной поверхностью нагрева - пароперегревателем и могут быть использованы для получения перегретого пара.

Для большой паропроизводительности фирмой Buderus предлагаются котлы с двумя жаровыми трубами Logano SHD 915. Самый большой котел этой серии с учетом изоляции имеет диаметр 4,70 м, длину почти 9 м, рассчитан на давление 10 бар и, заполненный водой, весит 140 т. Эти котлы также подходят для всех систем горения, в т.ч. для работы на мазуте.

Паровые котлы фирмы Loos серии Universal представлены следующими типорядами:                          типорядом U-ND/U-HD - жаротрубно-дымогарные котлы двухходовой технологии с диапазоном паропроизводительности: 250-3.200 кг/ч (низкого давления) 250-1.250 кг/ч (высокого давления) соответственно,

типорядом UL-S/X - жаротрубно-дымогарные котлы трёхходовой технологии с диапазоном паропроизводительности (1250 - 28000 кг/ч) насыщенного пара высокого давления и (2600 - 26000 кг/ч) перегретого пара высокого давления;

типорядом ZFR - жаротрубно-дымогарные котлы с двумя жаровыми трубами трехходовой технологии с диапазоном паропроизводительности от 18 до 55 т/ч.

При наладке парового котла  Loos типа UL-S-IE 7000/10 АООТ «Харьковского Молочного Комбината», оборудованного горелками RGL 10/10 фирмы Weishaupt автором была получена экономичность котла, соответствующая КПД брутто (96,4 - 96,6) %. Котёл имел четыре хода дымовых газов, три из которых - от газов установленной горелки и один - для утилизации газов от котла-газогенератора.

Наконец, паровые котлы  трехходового движения фирмы Viessmann представлены типорядом Vitomax.

В отличие от отечественных  и западных производителей котлы  Viessmann, Loos и Buderus имеют минимизированные габариты и могут использоваться для комплектации комплектно-блочных котельных. Котлы не имеют аналогов: отличие заключается в конструктивном исполнении, когда разработаны простые оптимальные и надежные решения, с обеспечением допуска для ремонта и обслуживания.

Ход движения воды в большинстве  водогрейных ГЖК - от входного патрубка к выходному, причём наряду с принудительной циркуляцией побудительной силой  движения теплоносителя является естественная циркуляция. Циркуляция воды для комбинированных  котлов КСВа «ВК-32» (см. рис. 4) выполняется следующим образом.

Поток воды заходит в водотрубную  часть - верхний канал задней водяной  камеры - в левые боковые трубы  и проходит левую боковую часть  тремя ходами(6, 6, 5труб). Вода далее  поступает в щелевидные каналы барабана и выходит в трубную часть  пода топки. Затем двумя ходами омывает  под топки котла(7,6 труб) и поступает  в правую боковую часть - четыре хода по правой боковой части котла (4,4,4,5 труб).

После этого вода попадает в средний горизонтальный канал  передней камеры и далее последовательно  проходит каналами, организованными  передней и промежуточной трубными досками, попадает в нижнюю часть  барабана, омывает конвективную часть  и удаляется с передней части  котла в теплосеть.

                                   Горелочные устройства

Выше уже отмечалось, что  в основной концепции отопительных и промышленных котлов, принятая на Западе и скопированной нами - оснащение  газоплотного котла, для которого отпадает необходимость в дымососе, полностью автоматизированной горелкой в блоке с вентилятором и устройствами автоматического управления и защиты, т.н. автоматизированной блочной горелкой (АБГ). Такие горелки реализуют диффузионный способ горения топлива.

Для устанавливаемой современной  горелки предъявляются следующие  требования:

автономная работа горелки  на всех стадиях - пуск, вентиляция, проверка герметичности арматуры, набор и  регулирование мощности,

работа горелки при  поддержании давления газа перед  основным запорным органом с точностью  от минус 15 до плюс 15% номинального - для  газа низкого давления (до 5 кПа) и от минус 10 до плюс 10% - для газа среднего давления (до 100 кПа),

блокировка пуска и  аварийное отключение по аварийным  параметрам,

высокий КПД горелки (выше 90%), низкое значение б в топке  котла (1,05…1,15±0,2),

ступенчатый или модулируемый принцип регулирования мощности,

низкая частота включений-выключений горелки, и, тем самым, увеличенный  срок службы горелки (в сравнении  с позиционным регулированием), требования надёжности,

низкая эмиссия СО и  NOx,

простота конструкции  и удобство монтажа, настройки и  техобслуживания,

точность поддержания  соотношения «газ - воздух»,

экономия электроэнергии.

Среди импортных газовых  и комбинированных горелок такие  требования в основном соблюдены  в горелках:

Weishaupt - серии WG, WGL, WK и Monarch

Giersch, - серии RG, MG

Сuenod, - серии C и NC

Buderus,

Riello,

Dreizler,

De Dietrich,

Elco Klockner и др.

Горелочные устройства обычно комплектуются следующей арматурой  безопасности, управления и контроля:

шаровой запорный кран;

газовый фильтр;

регулятор давления газа (регулятор  стартового давления газа - как опция);

двойной магнитный клапан;

реле максимального и  минимального давления газа;

стабилизатор давления газа, поддерживающий постоянное давление газа на выходе из мультиблока при изменении входного давления- как опция;

автоматический контроль герметичности;

газовые манометры на фильтре  и двойном магнитном клапане.

Производители этой арматуры для горелок - зарубежные фирмы Dungs, Kromschroeder, Belimo, Madas, Honeywell и Tartarini. Горелки Weishaupt оснащены только штатной газовой арматурой, обычно производимой этой фирмой.

Горелки De Dietrich(Франция)

Горелки этой фирмы прежде всего интересны системой организации  подвода воздуха для сжигания. Такая система (Duopress®) сконструирована так, что воздух для сжигания перед смешиванием сильно сжимается, после чего организована стабилизация его подачи на смешивание, т.е. фактически система практически безразлична к всевозможным колебаниям атмосферного давления. Уровень выбросов СО и NOx - один из самых низких из описываемых здесь горелок.

Горелки поставляются полностью  в сборе, предварительная настройка  и испытания производится на заводе.

На Украине в основном предлагаются:

одноступенчатые газовые  горелки малой мощности серии G 100S и G 200S мощностью 16…123 кВт;

серий G 30S (40…350 кВт), G 40S (205…1030 кВт) и G 50S (372…2290 кВт);

серий G 200N и G 30N с пониженным выбросом оксидов азота (до 70 мг/кВт.ч);

серии G 30P для работы на сжиженном  газе.

Горелки Cuenod (Франция)

Этот тип горелок на Украине представлен довольно обширным рядом горелок C и NC. Среди прогрессивных  технологий следует отметить следующие  технологии.

Технология RHP® - система  плавного бесшумного пуска горелки  при высокоэффективной рециркуляции воздуха. За счет оптимальной рециркуляции воздуха на всасе вентилятора, при запуске горелки уменьшается пусковой скачок в топке и амплитуда пульсации давления в дымоходе. Благодаря этому достигается ускоренная стабилизация пламени, а так же плавный и бесшумный запуск горелок на любых котлах.

Технология MDE® - передовая  система управления и безопасности горелок, контроль пламени. Позволяет  в любой момент получить информацию об их работе. Система запоминания  рабочих данных позволяет в любой  момент получить текущую и сохраненную информацию о работе горелки (питание, пламя и др.) на экран портативного компьютера с помощью простого и дружелюбного ИК-интерфейса программы визуализации Cuenocom. Сохраненная информация: статистика сбоев в работе и их причин, для двух последних сбоев - напряжение питания, величина сигнала контроля пламени горелки, и продолжительность работы горелки на момент сбоя. Информация может быть считана с блока управления горелки портативным прибором Cuenoscope® и отображена на дисплее, встроенном на панели управления горелки (для горелок мощностью более 750 кВт.

Технология AGP® (Air-Gas Proporcional) - Система пневматического связанного регулирования соотношения газ-воздух для двухступенчатых и модулируемых горелок мощностью от 120 кВт. Система отслеживает и автоматически корректирует колебания давления подаваемых на горение газа и воздуха, разрежения в канале дымохода, давления в топке, вызванные нестабильностью питания двигателя вентилятора горелки и атмосферного давления. Газовая арматура включает в себя регулятор давления газа горелки, связанный с системой рычагов с двумя диафрагмами.

Технология RTC® - система  оптимизации технического ухода  за счет модернизации конструкции и  возможности сохранения настроек. Оптимальное  сочетание конструкции корпуса, технологии головки горелки и  системы настроек с памятью RTCR обеспечивает легкий доступ ко всем деталям горелки для введения в эксплуатацию, быстрый и легкий технический уход. Можно осуществить полный демонтаж всех, коротких и длинных, компонентов пламенной головки в одном действии, не снимая и не поворачивая горелку. При демонтаже горелки система позволяет запоминать оптимизированные стартовые настройки, что экономит время, нужное для повторной настройки горелки.

Горелки Giersch (Германия)

Среди горелок этой фирмы  на Украине предлагают газовые горелки  нескольких серий.

Серия RG (12-260 кВт) - горелки  предназначены для работы на природном  и сжиженном газе. Горелки этой серии поставляются в сборе, предварительная  настройка производится на заводе. Пользователи отмечают высокое качество выполнения, удобство доступа к любой  части горелки и низкий уровень  шума горелки. Серия RG1 предназначена  для одноступенчатого режима горения, RG20 и RG30 - для одноступенчатого, двухступенчатого или модулируемого режима горения.

Серия MG (110-2500 кВт) - горелки  повышенной мощности, отличаются проработанной  системой подвода воздуха - геометрически  удлиненный корпус горелки. Такая конструкция позволяет минимизировать гидравлические потери воздушного тракта, стабилизировать давление воздуха. Кроме этого, применение высокоэффективной звукоизоляции позволяет снизить уровень шума при работе. Наконец отличительной особенностью серии MG является устройство смешивания NOx-Down для снижения эмиссии оксидов азота.