Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,570

ОПЫТ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА КВ-ГМ-7,56-95

Орумбаев Р.К. 1 Кибарин А.А. 1 Коробков М.С. 1 Ходанова Т.В. 1 Сейдалиева А.Б. 1 Отынчиева М.Т. 1
1 Алматинский университет энергетики и связи
Настоящая статья посвящена вопросам разработки и длительной эксплуатации экономичных водогрейных котлов средней тепловой мощности 7,56 МВт. Представленные в статье материалы описывают примеры внедрения таких котлов новой конструкции в котельных г. Алматы. Показана высокая экономичность, надежность и длительная безаварийная эксплуатация установленных котлов. В статье отражены основные конструктивные отличия от существующих аналогов, показаны преимущества и отличительные особенности описываемого варианта конструкции котла КВ-ГМ-7,56. На основе проведенных тепловых испытаний и длительного мониторинга технических данных представлены подтверждающие фактические показатели высокой экономичности работы новых котлов. Отличительной особенностью новой конструкции котлов является существенное качественное увеличение радиационной поверхности и, как следствие, увеличенное КПД водогрейного котла. Проанализированные данные мониторинга и испытаний в ходе эксплуатации показали хорошие результаты – достигнуты значения КПД водогрейного котла до 92–93 %, а температура уходящих газов, измеренная на врезке дымовой трубы, до 127 гр.С в номинальном режиме работы, при этом, по сравнению с существующими аналогами, в новой конструкции отмечается увеличенный расход воды с сохранением температурного графика 70–95 °С.
водогрейный котел
тепловые испытания
двусветный экран
радиационный и конвективный теплообмен
повышение надежности
эффективность работы
1. Справочник по котельным установкам малой производительности / Под. ред. К.Ф. Роддатиса. М.: Энергоатомиздат, 1989. 488 с.
2. Постановление Правительства Республики Казахстан от 22 июня 2018 года № 372 Об утверждении Государственной программы жилищного строительства «Нұрлы жер» [Электронный ресурс]. URL: http://adilet.zan.kz/rus/docs/P1800000372 (дата обращения: 20.08.2019).
3. Постановление Правительства Республики Казахстан от 28 июня 2014 года № 724 «Об утверждении Концепции развития топливно-энергетического комплекса Республики Казахстан до 2030 года» [Электронный ресурс]. URL: http://egov.kz/cms/ru/law/list/P1400000724 (дата обращения: 20.08.2019).
4. Министерство национальной экономики Республики Казахстан Комитет по статистике. Инвестиционная и строительная деятельность в Республике Казахстан за 2013–2017 годы / Статистический сборник, Астана, 2018. [Электронный ресурс]. URL: http://stat.gov.kz/api/getFile/?docId=ESTAT282083 (дата обращения: 20.08.2019).
5. Орумбаев Р.К., Орумбаева Ш.Р. Водогрейный котел // Иновационный патент Республики Казахстан № 22819. 2010. Бюл. № 8.
6. Орумбаев Р.К., Орумбаева Ш.Р. Водогрейный котел // Патент Республики Казахстан на полезную модель № 2804. 2018. Бюл. № 18.
7. Описание, характеристики, вспомогательное оборудование на поставку водогрейных котлов КВ-ГМ-7,56-150Н и КВ-ГМ-7,56-115Н // официальный сайт АО «ДКМ» [Электронный ресурс]. URL: http://dkm.ru/catalog/malye-kotly/36.html (дата обращения: 16.08.2019).
8. Orumbayev R.K, Kibarin A.A., Khodanova T.V., Korobkov M.S. Efficiency assessment of bi-radiated screens and improved convective set of tubes during the modernization of PTVM-100 tower hot-water boiler based on controlled all-mode mathematic models of boilers on Boiler Designer software. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2018. Vol. 136. 012016. [Electronic resource]. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/136/1/012016 (date of access: 16.08.2019).
9. Методика технического обследования котельных установок мощностью до 100 Гкал/час. Официальное издание: Агентство Республики Казахстан по делам строительства и жилищно-коммунального хозяйства (утверждена Приказом Председателя Агентства Республики Казахстан по делам строительства и жилищно-коммунального хозяйства от 23 января 2013 года № 76). 2012. 49 с.
10. Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева А.А. Теплотехнические испытания котельных установок. М.: Энергоатомиздат, 1991. С. 416.

В настоящее время в Республике Казахстан продолжается эксплуатация большого количества водогрейных котлов средней мощности, морально и физически изношенных, имеющих низкую эффективность и надежность. Основные конструкции водогрейных котлов КВ-ГМ и ПТВМ разрабатывались в середине прошлого века [1]. В связи с существенным развитием строительного сектора и ростом жилья [2], в последние годы в Казахстане продолжается проектирование и строительство новых котельных [3, 4] с заменой на новые водогрейные котлы с более мощными и энергоэффективными автоматизированными горелками.

Например, в котельной «Вокзальная» г. Алматы более восьми лет назад была произведена замена четырех паровых котлов ДКВР на мазуте, работавших по схеме с паро-водяными подогревателями с фактическим КПД на мазуте до 89 % и на природном газе до 90 % [1] на водогрейные котлы КВ-ГМ-7,56-95. Новые водогрейные котлы КВ-ГМ-7,56-95 были разработаны по техническому заданию ТОО «Алматы Теплокоммунэнерго» с целью увеличения безопасности, единичной мощности, устранения промежуточной схемы подогрева воды паром в котельной, снижения выходной температуры воды из котла до 95 °С в ходе плановой замены морально и физически устаревших котлов серии ДКВР (газ-мазут) и аналогичных других котлов.

Авторами были разработаны новые конструкции водогрейных котлов для замены устаревших моделей действующих и новых котельных. Целью исследования является проверка эффективности замены и экономичности использования новых конструктивных решений путем проведения теплотехнических испытаний отдельных агрегатов и мониторинга работы котлов в ходе длительной эксплуатации на действующих объектах теплоснабжения.

Материалы и методы исследования

Для выполнения задач исследования были использованы эмпирические и теоретические методы исследования. В том числе по результатам анализа и обобщения большого количества тематического материала были проведены тепловые расчеты и при помощи математического моделирования получены основные формульные зависимости ключевых исследуемых характеристик элементов конструкций котла. Численные выражения позволили подкрепить выдвинутые утверждения посредством проведения материального теплотехнических испытаний на физической модели – действующем котлоагрегате. Далее будут подробно описаны характерные особенности новой конструкции водогрейного котла.

В новом котле [5] был увеличен общий расход воды до 300 м3/ч с распределением по каждой симметричной стороне котла до 150 м3/ч и с обеспечением скорости воды от 1,23 до 2,2 м/с в зависимости от топочного или конвективного контура котла.

Конструкция топочных экранов нового водогрейного котла [5] была выполнена с цельносварными мембранами, с приваркой мембран к трубам с попеременным смещением от диаметральной плоскости. В конструкции котла КВ-ГМ-7,56-95 трубы фронтового, боковых, верхнего, нижнего, фестонного и тыльного экранов выполнялись с цельносварными мембранами. Смещенные поочередно в разные стороны мембраны топочных экранов обеспечивают более равномерный прогрев по периметру экранных труб. Цельносварная трубная экранная панель с поочередно смещенными в разные стороны от диаметральной плоскости мембранами образует жесткую конструкцию. Собранные таким образом экраны обеспечивают достаточную герметичность в топке, а конструкция водогрейного котла становится более прочной и практически невосприимчивой к возможным хлопкам (взрывам) и переменным тепловым нагрузкам.

В водогрейном котле КВ-ГМ-7,56-95 движение двух равных потоков воды по 150 м3/час по каждой симметричной половине выполнено по патенту на полезную модель [6]. При этом в наиболее теплонапряженной части фестонного экрана движение воды выполнено только восходящим, что допускает значительное форсирование теплового напряжения в топке. Конструкция котла с наиболее теплонапряженными экранами, в которых выполняется подъемное движение воды, является наиболее надежной с точки зрения эксплуатации котла в реальных условиях работы. Максимальный общий расход воды через два симметричных контура котла КВ-ГМ-7,56-95 составляет 300 м3/час, что в два раза больше, чем в серийно выпускаемых котлах КВ-ГМ-7,56-115 ОАО «ДКМ» [7]. В конвективной части котла топочные газы опускаются вниз, а весь поток воды поднимается вверх и схема работает по эффективной противоточной схеме. Поток воды в конвективной части котла КВ-ГМ-7,56-95 разделен на две равные части и поднимается вверх по двум противоположным конвективным стойкам и конвективным пучкам труб. Выход воды осуществляется, как и вход, по двум раздельным трубопроводам только уже из нижнего коллектора тыльного экрана котла.

На основе анализа конструкций конвективных пучков водогрейных котлов, результатов расчета коэффициента теплоотдачи, ранее полученных авторами экспериментальных данных по теплообмену в конвективных пучках, была предложена новая конструкция с комбинацией двух конвективных пакетов, которая учитывала фактическое изменение коэффициента теплоотдачи в зависимости от изменения температуры и скорости газов. В конвективном пучке водогрейного котла КВ-ГМ-7,56-95 [6] изменялся относительный продольный шаг труб и диаметр труб, которые позволяли поддерживать высокий уровень теплоотдачи от газового потока к трубам по всей высоте двух разных конвективных пакетов, собранных из труб разного диаметра. Скорость воды в трубах изменялась от рядности труб в каждом пакете и теплового напряжения конвективных труб, определяемых высоким уровнем скорости газового потока.

Конструкция двух конвективных пакетов с разным диаметром труб [6] и с переменными по высоте относительными поперечными и продольными шагами труб в каждом из двух пакетов в водогрейном котле КВ-ГМ-7,56-95 имеют более высокие техническо-экономические показатели относительно аналогичных котлов [1, 7]. Расчеты, выполненные в Boiler Designer [8], также подтверждают эффективность оптимизации конвективных пакетов водогрейных котлов. Отличие водогрейного котла КВ-ГМ-7,56-95 от аналогов состоит в том, что радиационная поверхность нагрева Нр может быть увеличена в 1,5 раза, а объем топки может быть увеличен в 1,35 раза практически без значительных изменений прежних габаритов котла. Конвективная поверхность нагрева котла КВ-ГМ-7,56-95 может быть увеличена на 27 % путем изменения количества труб и продольного и поперечного шагов первого и второго пакетов труб. За счет этого во втором пакете труб по ходу газов скорость движения газов увеличена на 15–20 % относительно скорости газов в первом пакете, а скорость воды снижена на 10–15 %.

Предлагаемые технические решения позволяют получить увеличение единичной тепловой мощности котла КВ-ГМ-7,56-95 в 1,3 раза до 11,4 МВт (9,83 Гкал/час), в качестве примера такой модернизации можно привести котельную «КЭЧ» ТОО «АТКЭ», где такой водогрейный котел установлен и успешно работает. Установка на такой котел более мощной комбинированной газо-мазутной горелки РГМГ-10 с привязкой к существующим схемам позволило увеличить мощность типовой котельной.

Водогрейный котел с увеличенной топкой и с более мощной горелкой разделен на две симметричные равные части путем установки перегородки во всех поперечных коллекторах нижнего, фестонного, потолочного, фронтового и в тыльном экране.

В основном режиме работы (рис. 1) водогрейного котла КВ-ГМ-7,56-95 на природном газе вода с входной температурой 70 °С и с расходом 300 м3/час поступает в котел параллельно двумя потоками к входному нижнему фронтовому коллектору и делится на два равных потока перегородкой, размещенной по середине коллектора.

Второй режим работы водогрейного котла КВ-ГМ-7,56-95 возможен на резервном топливе – мазуте с расходом воды через котел более 150 м3/час и выходной температурой воды порядка 115 °С. В этом режиме (рис. 1) вода с входной температурой 70 °С поступает в котел одним потоком через фронтовой входной коллектор при открытой фронтовой входной задвижке и далее продолжает движение по правому симметричному фронтовому нижнему подводящему патрубку при открытой правой фронтовой задвижке.

orumb1.tif

Рис. 1. Гидравлическая схема движения воды в контуре котла

Результаты исследования и их обсуждение

В котельной «Вокзальная» г. Алматы после установки котлов КВ-ГМ-7,56-95 (ст. № 1 и ст. № 2) с горелками ГМ-7 были проведены режимно-наладочные испытания для оптимизации режима сжигания природного газа. Тепловые испытания показали высокую эффективность работы водогрейных котлов на различных режимах. При повторных тепловых испытаниях котлов в 2015–2016 гг. с участием авторов настоящей работы были подтверждены высокие технико-экономические показатели работы котлов. В процессе испытаний сжигался природный газ с теплотворной способностью 8231 ккал/м3, плотностью 0,725 кг/м3. Испытания проводились по стандартной методике [9]. Расчет КПД «брутто» производился методом обратного баланса по методике М.Б. Равича и В.И. Трембовля [10].

В табл. 1 и 2 представлены результаты испытаний котлов в котельной «Вокзальная» г. Алматы, проведенные авторами совместно с к.т.н. В.Н. Абрамовым.

На рис. 2 представлена зависимость расхода топлива (природного газа) Вр от тепловой мощности N, полученные для двух котлов. Полученная практически линейная зависимость и экспериментальные точки практически совпадают для двух совершенно идентичных водогрейных котлов, которые были изготовлены и смонтированы одной партией и все работы по котлам велись параллельно.

На рис. 3 представлена зависимость температуры уходящих газов tух в зависимости от тепловой нагрузки котла. Изменение температуры уходящих газов происходит от 75 °С при тепловой мощности котла 3,5 МВт до 127 °С при 7,08 МВт. При номинальной нагрузке температура уходящих газов будет на уровне 130 °С.

Таблица 1

Результаты испытаний котла КВ-ГМ-7,56-95 (ст. № 1) – «Вокзальная»

Тепловая мощность, МВт

3,5

4,43

5,3

6,18

7,08

Давление газа, кгс/м2

204

357

524

686

894

Расход воды, т/ч

300

300

300

300

300

Давление воздуха, (кгс/м2)

38

59

91

125

130

Температура воды на входе, °С

60

60

60

60

60

на выходе, °С

71

74

76

79

81

Расход газа, м3/час

400

500

600

700

800

Гидравлическое сопротивление котла, МПа, (кгс/см2)

0,18

(1,8)

0,18

(1,8)

0,18

(1,8)

0,18

(1,8)

0,18

(1,8)

КПД, на природном газе, %

92,2

92,8

92,7

92,5

92,9

Температура наружного воздуха, °С

7

6

6

6

6

Содержание О2 в уходящ газах, %

4,23

2,91

3,04

3,10

0,93

Разрежение в топке, мм. вод. ст.

–3,8

–2,5

–1,8

–2,2

–2,5

Температура уходящих газов, °С

75

86

99

113

122

Потери тепла с уходящими, %

4,66

4,97

5,58

6,08

5,85

Потери тепла с хим. недожог, %

0

0

0

0

0

Потери тепла в окруж. среду, %

3,14

2,23

1,72

1,42

1,25

Теплота сгорания газа, Qн, ккал/м3

8231

8231

8231

8231

8231

Таблица 2

Результаты испытаний котла КВ-ГМ-7,56-95 (ст. № 2) – «Вокзальная»

Тепловая мощность, МВт

3,51

4,42

5,29

6,17

7,06

Давление газа, кгс/м2

218

337

490

666

860

Расход воды, т/ч

300

300

300

300

300

Давление воздуха, (кгс/м2)

38

58

96

122

147

Температура воды на входе, °С

60

60

60

60

60

на выходе, °С

71,5

74

76

78,5

80,5

Расход газа, м3/час

400

500

600

700

800

Гидравлическое сопротивление котла, МПа, (кгс/см2)

0,18

(1,8)

0,18

(1,8)

0,18

(1,8)

0,18

(1,8)

0,18

(1,8)

КПД, на природном газе, %

92,0

92,7

92,3

92,4

92,5

Температура уличного воздуха, °С

8

8

8

8

8

Содержание О2 в уходящ газах, %

3,7

2,74

3,9

2,94

1,99

Разрежение в топке, мм. вод. ст.

–2,9

–2,7

–2,3

–2,2

–1,2

Температура уходящих газов, °С

84

91

106

117

127

Потери тепла с уходящими, %

4,8

5,05

5,97

6,16

6,23

Потери тепла с хим. недожог, %

0

0

0

0

0

Потери тепла в окруж. среду, %

3,2

2,25

1,73

1,44

1,27

Теплота сгорания газа, Qн, ккал/м3

8231

8231

8231

8231

8231

 

orumb2.tif

Рис. 2. Зависимость расхода газа от тепловой нагрузки

orumb3.tif

Рис. 3. Зависимость температуры уходящих газов от тепловой нагрузки

Отношение конвективной поверхности Нк к радиационной поверхности Нр котла КВ-ГМ-7,56-95 по сравнению с серийным котлом на 10 % больше. Отношение суммарной поверхности нагрева к тепловой мощности котла ∑Н/N на 11 % больше у водогрейных котлов КВ-ГМ-4,64-95 по сравнению с серийными. Изменение кпд котла во всем диапазоне нагрузок изменялось от 92,2 % до 92,9 %. Представленные данные и анализ работы котлов на котельной длительное время показал, что котел надежен и способен выдерживать высокую эффективность в широком диапазоне нагрузок. Длительная работоспособность двух рассматриваемыых водогрейных котлов начиная с 2010 г., а также прошедший госдарственную экспертизу в Астане и утвержденный проект модернизации котельной «Вокзальная» дает надежду разработчикам на дальнейшую отработку и усовершенствование новой конструкции котла. Расчеты воспринятого полезного тепла водой в котле с установленными поверенными расходными шайбами позволили уточнить КПД котла по прямому балансу на +1,2 %. При проведении теплотехнических испытаний котлов на пониженных нагрузках наблюдалось осаждение большого количества конденсата на конвективных пакетах труб, газоходе котла и даже в основании дымовой трубы. Конденсация водяных паров неоднократно наблюдалась на двух водогрейных котлах КВ-ГМ-7,56-95 («Вокзальная», Алматы-1), при работе котлов на малых нагрузках. Поэтому на двух водогрейных котлах КВ-ГМ-7,56-95 схема подключения по водяной стороне выполнена по прямоточной схеме, а конвективные пакеты труб подключены по противоточной схеме.

По результатам длительных исследований можно сделать вывод о том, что в водогрейных котлах с большими расходами воды и низким уровнем температуры следует обращать внимание и четко определять нижний предел и границу по тепловой мощности, чтобы не входить в температурную зону, когда начинается конденсация. Экспериментальные исследования также показали, что существует реальная возможность для котлов КВ-ГМ-7,56-95 увеличения тепловой производительности на 15–20 % при применении более мощных горелок, так как в них существует запас по теплонапряжению топочного объема и конвективных поверхностей нагрева.

Специалистами кафедры ТЭУ НАО «АУЭС» проводится постоянный авторский надзор и продолжается обобщение опыта длительной эксплуатации новых эффективных водогрейных котлов средней тепловой мощности на примере котлов КВ-ГМ-7,56-95 и малых водогрейных котлов на природном газе серии КСГн. По инициативе руководства ТОО «АТКЭ» и департамента энергетики и коммунального хозяйства города на протяжении ряда лет ведется плановая замена морально устаревших конструкций водогрейных котлов в городе Алматы в коммунальном секторе. Внесен определенный вклад по сокращению удельного расхода природного газа, улучшению экологии и по сокращению вредных выбросов и парниковых газов в воздушный бассейн города. Существенно увеличена казахстанская составляющая при закупках теплогенерирующего оборудования в виде водогрейных котлов (серий КСГн и КВ-ГМ).

Выводы

1. В НАО АУЭС разработаны и успешно эксплуатируются в ТОО «АТКЭ» новые водогрейные котлы КВ-ГМ-7,56-95, по основным параметрам – тепловой производительности, маневренности, надежности, КПД и удельным выбросам вредных веществ в атмосферу – превосходящие аналогичные конструкции водогрейных котлов по СНГ.

2. В водогрейных котлах с увеличенным расходом воды и с температурным графиком 70–95 °С и близким к ним следует более точно отмечать нижние границы по тепловой мощности для устранения конденсации и ускоренной коррозии конвективной части котлов.

3. Разработчики продолжают работы по оптимизации новых конструкций и режимов работы конвективных и радиационных поверхностей нагрева котлов КВ-ГМ-7,56-95.


Библиографическая ссылка

Орумбаев Р.К., Кибарин А.А., Коробков М.С., Ходанова Т.В., Сейдалиева А.Б., Отынчиева М.Т. ОПЫТ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА КВ-ГМ-7,56-95 // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2019. – № 10-1. – С. 169-174;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=12887 (дата обращения: 23.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074