В большинстве случаев промышленно-отопительные котельные малой и средней производительности на давление 1,3 и 2,3 МПа (13 и 23 кгс/см2) оборудованы паровыми котлами производительностью от 2,5 до 20 т/ч типа ДКВР. Наибольший опыт в разработке и реализации схем перевода паровых котлов на водогрейный режим накоплен применительно к этим котлам.
Ранее в паровых котлах, которые использовали в качестве водогрейных, размещали дополнительные . При этом тепловая схема котла не изменялась. Для отопления и горячего водоснабжения от использовался пар как промежуточный теплоноситель, получаемый в паровых котельных агрегатах, работающих как парогенераторы с естественной циркуляцией. Тепло пара к горячей воде в этом случае передавалось посредством специальных пароводяных поверхностных теплообменников (бойлеров). Распространены тепловые схемы с групповыми бойлерами и отдельные бойлерные установки совместно с котлами типа ДКВР. В одной из таких установок дополнительный теплообменник размещен внутри верхнего барабана котла. Существенным недостатком такой схемы является загромождение барабана деталями, не имеющими отношения к нормальной эксплуатации агрегата. Поверхность нагрева дополнительного теплообменника не может быть достаточно большой, что ограничивает тепловую мощность устройства. Кроме того, при относительно малом диаметре барабана размещение в нем даже небольших поверхностных теплообменников затрудняет их эксплуатацию и ремонт. Через короткий промежуток времени (2—3 мес.) трубы теплообменника покрываются накипью и шламом, что снижает и без того небольшую интенсивность теплообмена и вызывает необходимость их очистки.
Нормальная работа и ремонт котельного агрегата затруднены из-за дополнительных поверхностей нагрева внутри барабана. Кроме того, сооружение и эксплуатация бойлера требует значительных затрат и наличия дефицитных труб и других материалов. Поэтому схема котлов ДКВР с внутрибарабанным бойлером не поручила распространения.
Во второй схеме поверхностный теплообменник расположен над верхним барабаном котла на высоте 1,5—2 м, что обеспечивает свободный возврат конденсата самотеком в котел.
При такой схеме габариты здания котельной увеличиваются по высоте, что приводит к дополнительным затратам на строительство здания, установку бойлера и его обслуживание.
Практикой показано, что экономичней реконструировать котельный агрегат с тем, чтобы перевести его циркуляционную схему на прямоточный режим и использовать как модернизированный водогрейный котел. При этом отпадает необходимость в дополнительном теплообменнике, не требуется реконструкция здания котельной, значительно упрощается и удешевляется эксплуатация.
Одна из первых схем реконструкции разработана и реализована трестом Уралэнергочермет.
В схеме предусмотрена сплошная вертикальная перегородка в средней части верхнего барабана. Вода подается следующим образом: из тепловой сети она направляется в нижние коллекторы топочных экранов, затем поднимаясь по экранным трубам, поступает в первое отделение верхнего барабана. Далее по специальному необогреваемому трубопроводу вода подается на вход в , после чего направляется в нижний барабан котла и окончательно догревается в ходе подъема по трубам конвективного пучка. После этого вода собирается в тыльной части верхнего барабана, откуда подается в тепловую сеть. При такой схеме рекомендуемые минимальные количества воды, прокачиваемой через циркуляционный контур котлов типа ДКВР, должны составлять соответственно 50 м3/ч для ДКВР — 2,5; 65 м3/ч для ДКВР-4 и 80 м3/ч для ДКВР — 6,5.
При указанном количестве воды средние расчетные скорости в подъемных трубах конвективного пучка составляют 0,03 м/с, в трубах экранного контура — 0,19 м/с и в трубах — 1,06 м/с. Компоновка труб чугунного экономайзера обеспечивает параллельное движение воды по 3-6 секциям труб.
Согласно данным эксплуатации котлы ДКВР работают устойчиво и надежно при соблюдении общих правил обслуживания водогрейных котлов. Положительные отзывы получены и от других заводов. Такие котлы необходимо подпитывать химочшценной, деаэрированной водой.
Схема циркуляции с более высокими скоростями воды в трубах конвективного пучка котлов ДКВР-10-13 была разработана и осуществлена на одной из ростовских ТЭЦ. Средние расчетные скорости в трубах конвективного пучка составляли 0,07— 0,14 м/с. Для получения повышенных скоростей воды в подъемных трубах конвективного пучка в барабанах котла было увеличено число сплошных перегородок, в результате чего поток нагреваемой воды под напором сетевых насосов транспортируется последовательно через экономайзер, далее через тыльную часть нижнего барабана котла и включенные в эту Часть трубы конвективного пучка, затем через тыльную часть верхнего барабана и один ряд труб конвективного лучка до перегородки. Этот ряд труб используется в качестве опускных. По нему поток воды из верхнего барабана транспортируется в переднюю часть нижнего. Конструктивно это осуществляется за счет сдвига плоскостей размещения перегородок по отношению к ряду опускных труб. В нижнем барабане перегородка установлена так, чтобы вода из опускных труб направлялась в переднюю (фронтовую) часть этого барабана. В верхнем барабане перегородку размещают за трубами опускного ряда. Транспортируемый поток воды в тыльной части верхнего барабана разворачивается на 180° и направляется в переднюю часть нижнего барабана, где вновь осуществляется поворот потока вода на 180° и ее последующее движение по трубам конвективного пучка в среднюю часть верхнего барабана между двумя перегородками. В передней перегородке верхнего барабана размещены патрубки двух опускных труб, соединяющих средний отсек этого барабана с нижними коллекторами экранных контуров. Экранные трубы используются в качестве подъемных. Они подают поток воды из нижних коллекторов экранов в переднюю часть верхнего барабана. Из этого отсека верхнего барабана вода транспортируется в тепловую сеть.
Переоборудование котлов ДКВ и ДКВР с парового на водогрейный режим при использовании описанной циркуляционной схемы способствовало их совершенствованию. При одинаковом количестве транспортируемой воды скорость в подъемных трубах конвективного пучка повысилась вдвое (0,07—0,14 м/с) и обеспечивалась повышенная скорость потока воды в опускных трубах этого пучка до 1,5—1,8 м/с.
Дальнейшее усовершенствование циркуляционной схемы котлов типа ДКВР-4-13 осуществлено в проекте его переоборудования, разработанном кафедрой теплотехники КИСИ.
По этой схеме поток воды направляется вначале в экономайзер, а затем в нижние коллекторы боковых экранов. После транспортировки воды через экранные трубы и переднюю часть верхнего барабана котла поток воды по необогреваемому трубопроводу направляется в тыльную часть нижнего барабана котла, откуда понимается по трубам конвективного пучка.
Последующее движение потока воды в конвективном пучке и барабанах аналогично движению схемы Ростовской ТЭЦ. Не изменяется и число сплошных перегородок: в нижнем барабане одна, а в верхнем —две. Применительно к котлу ДКВР-4-13, у которого по ходу продуктов сгорания 17 рядов труб конвективного пучка, а поперек газового потока 20 труб, поток воды транспортируется вначале через 160 подъемных труб, затем разворачивается в верхнем барабане на 180° и опускается по восьми трубам 9-го ряда в нижний барабан (остальные трубы девятого ряда удаляются. а отверстия в барабанах глушатся коротышами). После разворота потока воды в нижнем барабане на 180°, вода транспортируется в верхний барабан по 160 трубам конвективного пучка. Из среднего отсека верхнего барабана вода подается в тепловую сеть. Расчетные средние скорости составили: для подъемных труб экономайзеров —0,695 м/с, экранного контура — 0,235 м/с и конвективного пучка — 0,088 м/с. Расчетная скорость в опускных трубах конвективного пучка может иметь значения в пределах 1—3 м/с в зависимости от количества заглушаемых труб 9-го ряда. Аналогично этой схеме были реконструированы котельные агрегаты типа ДКВР-10-13.
По этой схеме поток воды, поступающей из тепловой сети, направляется в экономайзер котлоагрегата, а затем в нижние коллекторы топочных экранов. Сопротивление экранов подбирается таким образом, чтобы величина его у всех экранов была приблизительно одинаковой, в результате чего вода в каждом из четырех параллельных контуров распределится равномерно. После прохождения через экранные трубы вода собирается в передней части верхнего барабана, откуда по необогреваемому трубопроводу направляется в тыльную часть нижнего барабана котлоагрегата. Затем вода, как и в схеме котла ДКВР-4-13, движется вверх по трубам конвективного пучка, собирается в тыльной части верхнего барабана и окончательно догревается до требуемых параметров при движении вверх по трубам конвективного пучка, размещенным в первом газоходе. Отсюда горячая сетевая вода поступает в среднюю часть верхнего барабана и затем подается в тепловую сеть.
Реконструируемые котельные агрегаты обеспечивают бесперебойное получение сетевой воды расчетной температуры. При этом котельные агрегаты надежны в работе, имеют устойчивый режим, у них отсутствуют гидравлические удары. Не наблюдалось выхода из строя обогреваемых экранных труб или создания серьезной аварийной ситуации после реконструкции (переоборудования) котельных агрегатов и работы по прямоточной схеме непосредственно на тепловую сеть.
Сравнительный анализ схем движения воды по контурам реконструированных отопительных котлов типа ДКВР показывает, что схемы имеют некоторые преимущества перед другими. В этом случае обеспечивается достаточно высокая скорость движения воды как в опускных, так и в подъемных трубопроводах, что увеличивает надежность работы реконструированного котельного агрегата. Кроме -того, подача обратной сетевой воды после экономайзера в трубы топочных экранов гарантирует интенсивное охлаждение наиболее напряженных поверхностей нагрева котельного агрегата и, в то же время, весьма эффективную передачу тепла
от факела пламени к теплоносителю при подъемном движении последнего.
Таким образом, уже имеется определенный опыт перевода паровых котельных агрегатов типа ДКВР на водогрейный режим при их эксплуатации на природном газе.
Кроме того, на водогрейный режим переводятся энергетические котельные агрегаты, работающие на твердом топливе. В результате перевода ТЭЦ была полностью реконструирована в районную отопительную котельную мощностью 2520 ГДж/ч (600 Гкал/ч). Примером перевода мощного энергетического котельного агрегата на
водогрейный режим служит схема перевода и ее описание, приведенные в работе.
В 1976 г. был реконструирован двухбарабанный котельный агрегат высокого давления типа ТП-170 производительностью пара 170 т.
Схема циркуляции выбрана так, что вся сетевая вода в количестве 3000 т/ч двумя параллельными потоками подводится к нижним коллекторам фронтового и заднего экранов, откуда направляется в большой барабан котлоагрегата. После этого общий поток воды разделяется на два отдельно движущихся потока. Из большего барабана около 800 т/ч воды направляется на охлаждение поверхностей нагрева в конвективной шахте котла, а основной поток воды отводится в нижние коллекторы боковых экранов и, пройдя через них, поступает в малый барабан. Из малого барабана по трубам фестона, который, кроме функции нагрева воды, выполняет роль надежного экрана потолка и свода, сетевая вода подается в нижний коллектор ширмовой поверхности нагрева, выполненной из труб диаметром 45X5 мм демонтированного пароперегревателя. Из верхнего коллектора ширмы вода транспортируется в выходной сборный коллектор котельного агрегата, где смешивается с потоком воды (около 800 т/ч), поступающей из поверхностей нагрева конвективной шахты. После смешения и выравнивания параметров, вода общим потоком выводится из котельного агрегата.
Поверхности нагрева конвективной шахты котельного агрегата состоят из трех сдвоенных пакетов, устанавливаемых с помощью траверсов, выполненных из водяных экономайзеров парового котла, включенных параллельно по сетевой воде.
Как показала практика эксплуатации, реконструированный котельный агрегат работает надежно, хорошо регулируется и стабильно несет заданную тепловую нагрузку.
Воздушный режим топки устанавливается только по условиям горения, так как отсутствуют ограничения по температурам перегретого пара, металла змеевиков и другим параметрам, характерным для работы парового котла.
При сжигании твердого топлива (донецкий АШ) котельный агрегат работает с жидким шлакоудалением в диапазоне нагрузок 70—100% от номинальной. При понижении нагрузки за расчетный предел осуществляется переход на режим сухого шлакоудаления. При сжигании газа, когда отсутствует опасность повышенного шлакования поверхностей нагрева, котельный агрегат может работать в форсированном режиме и способен нести нагрузку на 10—15% превышающую номинальную.
Перевод энергетического парового котельного агрегата на водогрейный режим повышает экономичность работы котла за счет снижения температуры уходящих газов, которая составляет на реконструированных котлах 413-423 К (140— 150 °С) в зимний период и 353-365 К (80—90 °С) летом при работе на газообразном топливе (температура точки росы при работе на газообразном топливе составляет 338 К). При этом возникла трудность в использовании , так как на поверхностях образуется осадок из влажной золы. Хвостовые поверхности нагрева очищаются при остановленном котле отмывкой технической водой.
При реконструкции (переоборудовании) паровых котельных агрегатов в водогрейные для энергетических котлов производительностью пара до 150 т/ч и для котельных агрегатов промышленноотопительных установок производительностью 2,5 до 20 т/ч следует выполнять следующие работы.
Изменить схему циркуляции воды. Естественную циркуляцию заменить принудительной с прямоточным движением сетевой воды через агрегат. Во всех теплонапряженных поверхностях нагрева необходимо обеспечить подъемное движение воды.
Поверхности нагрева котельных агрегатов практически не изменяются ни по величине, ни по месту их размещения в газоходах. Остаются неизменными: газовоздушный тракт, тракт топливоподачи и шлакоудаления (если таковой имеется). Опускные потоки воды по-возможности транспортировать по необогреваемым или слабообогреваемым трубам. В любых компоновках сетевую воду подавать в такой последовательности: насос — экономайзер — нижние коллекторы экранов — экранные трубы — конвективные пучки котла. Для поддержания постоянной температуры воды на входе в экономайзер предусматривать рециркуляцию горячей воды во избежание коррозии хвостовых поверхностей нагрева.
При разделении общего потока воды, транспортируемой через котельный агрегат, на параллельные при проектировании необходимо произвести расчет и регулировку сопротивления отдельных поверхностей с тем, чтобы вода при приемлемых значениях гидравлических сопротивлений каждого из параллельных участков распределялась и нагревалась равномерно. Для этого в ряде случаев несколько изменяют схему прохождения воды через поверхность. Так, в частности, чугунные экономайзеры котлов тнпа ДКВР целесообразно включать по так называемой теплофикационной схеме.
В точке слияния потоков воду, поступающую из отдельных контуров котлоагрегата, перемешивают.
При реконструкции не всегда возможно соблюдение нормативных значений скорости движения воды в отдельных элементах.
В ряде случаев в котлах типа ДКВР при соблюдении условия принудительной циркуляции могут быть приняты пониженные значения скорости. Это не ухудшает работу поверхностей теплообмена и не способствует созданию аварийных ситуаций.
Как правило, при реконструкции промышленно-отопительных агрегатов топливное хозяйство и горелочные устройства остаются без изменений. В отдельных случаях, при необходимости, горелки; бывшие длительное время в работе и требующие ремонта, заменяют на горелочные устройства более простой конструкции.
При реконструкции паровых промышленно-отопительных и отопительных котельных с целью перевода котлоагрегатов на водогрейный режим некоторые затруднения возникают с оборудованием деаэрационных установок. Как правило, существующие промышленно-отопительные установки оборудованы деаэраторами атмосферного типа, для эксплуатации которых требуется пар. При обособленности размещения и переводе всех котлов на водогрейный режим необходимо переоборудовать деаэрационные установки. Проектных решений может быть несколько: можно оставить в котельной один из котлов для работы в паровом режиме, можно переоборудовать один из котлов по такой схеме, чтобы с него получать параллельно горячую воду и пар и, наконец, установить вместо существующих деаэраторов атмосферного типа вакуумные деаэраторы, эксплуатируемые на перегретой воде.
В целом реконструкция промышленно-отопительных и отопительных котельных и перевод их на водогрейный режим дают экономический эффект. При этом можно без существенных капитальных затрат увеличить их тепловую мощность на 15—20%, значительно продлить срок службы действующих котельных агрегатов, вывести из эксплуатации морально и физически устаревшее оборудование, повысить экономичность работы котлов.
При разработке проекта реконструкции необходимо принимать во внимание некоторые особенности работы отдельных поверхностей котельных агрегатов с точки зрения обеспечения нормальных условий теплоотдачи и гидравлических режимов контуров циркуляции.