Водотрубный водогрейный котел мощностью 100 МВт при транспортировке
С этого времени наблюдается бурное развитие в области производства водотрубных котлов. В 1927-м году был введен в эксплуатацию первый котел Бенсона, вырабатывающий 30 тонн пара в час при давлении 180 бар и температуре 450 °C. В 1960-е годы производились котлы со сверхкритическими параметрами: давлением 350 бар и температурой свыше 600 °C. В 1970-м году был достигнут предел производительности — 1000 т/ч. А пятью годами позже стали выпускаться водотрубные котлы паропроизводительностью 2000 т/ч.
Такой высокой мощности и параметров по выработке пара невозможно было бы добиться на котлах с большим водяным объемом по принципиальным причинам. Тем не менее, работа по совершенствованию жаротрубных котлов не прекращалась: в 1953-м году компания LOOS International успешно произвела и ввела в эксплуатацию котел с тремя газоходами с расположенной внутри огневой камерой водяного охлаждения, в 1956-м году разработала котел с двумя жаровыми трубами, а в 1977-м году — помехоустойчивые электроды уровня воды. Результатом многолетних исследований и конструкторских разработок явились жаротрубные котлы, которые на сегодняшний день полностью покрывают потребности в паропроизводительности — до 55 т/ч при устойчивом давлении до 30 бар и температуре пара до 300 °C.
Таким образом, обе технологии, представляющие собой диаметрально противоположные подходы к выработке пара, с момента их появления не стояли на месте, а постоянно совершенствовались.
Современные жаротрубные котлы, которые на сегодняшний день полностью покрывают потребности в паропроизводительности — до 55 т/ч при давлении до 30 бар и температуре пара до 300 °С — явились результатом многолетних исследований и конструкторских разработок
Безопасность
В некоторых странах котлы с большим водяным объемом не нашли широкого применения. Вызвано это незаинтересованностью локальных производителей в жаротрубной технологии, а также это связано со сложностями обеспечения безопасности при достижении критических режимов работы оборудования: в случаях значительного превышения давления или снижения уровня воды. Последствия взрыва жаротрубного котла при несвоевременном срабатывании защитной автоматики могут быть поистине катастрофичны.
Наряду с аспектом безопасности немаловажную роль при этом играет то обстоятельство, что срок службы изготовленных в этих странах котлов с большим водяным объемом очень непродолжителен.
Одним из передовых производителей жаротрубных котлов до недавнего времени являлась компания LOOS (с 2012-го года это оборудование выпускается под брендом Bosch), основные производственные площадки которой сосредоточены в Германии и в Австрии.
За последние 20 лет в Германии не было ни одной серьезной аварии, связанной с эксплуатацией котлов с большим водяным объемом. Одним из важных факторов достижения такого показателя аварийности явилось создание помехоустойчивой электродной системы для регулирования и ограничения уровня воды и введение норм безопасности, обусловленных конструкцией котлов с большим водяным объемом [2]. Безопасность оборудования достигается и такими конструктивными особенностями, как: балка для жесткого крепления основания, возможность периодического осмотра и освидетельствования внутренней части котла, а также достаточное расстояние между элементами котла с разной температурой.
Важным аспектом безопасности котлов является испытание гидравлическим давлением при повышенном избыточном давлении, что позволяет оценить состояние и безопасность уже готовых агрегатов [3]. Котлы с большим водяным объемом при соответствующем качестве изготовления и конструкции гарантируют высокую степень безопасности и продолжительный срок службы. Все теплотехническое оборудование, произведенное на заводах группы Bosch в Германии, Австрии или России, проходит 100 %-й контроль качества и подвергается гидравлическим испытаниям, что позволяет гарантировать их бесперебойную и безаварийную эксплуатацию.
Эксплуатационные аспекты
Как известно, качество питательной воды играет для паровых котлов существенную роль. Требования к воде зачастую влекут за собой определенные денежные расходы. Для большинства конструкций водотрубных котлов не рекомендуется режим эксплуатации даже с низким содержанием солей [4]. Низкое содержание солей означает, что электрическая проводимость воды для котла меньше или равна 2000 мС/см. При этом рекомендуется (а при локальной плотности теплового потока свыше 250 кВт/м2 •— просто необходимо) использовать воду без содержания солей во избежание зашлаковывания труб, которая может повлечь за собой снижение теплопередачи. Эти требования могут быть выполнены только при проведении достаточно дорогостоящих мероприятий по водоподготовке.
Котлы с большим водяным объемом могут эксплуатироваться при использовании солесодержащей воды (электрическая проводимость меньше или равна 6000 мС/см). При этом не возникает опасности повреждения нагревательных поверхностей котла благодаря возможности удаления солевых отложений. Для водоподготовки могут быть использованы простые установки снижения жесткости воды. Вид водоподготовки зависит от экономических условий и качества исходной воды. Важное значение при этом имеют сроки окупаемости капиталовложений в дорогостоящие водоподготовительные установки.
Рассматривая соотношение «теплопроизводительность котла / габариты», можно с уверенностью сказать, что, при равных требованиях к теплопроизводительности, жаротрубные агрегаты занимают обычно площадь меньших размеров по сравнению с их водотрубными аналогами.
Техническое обслуживание котлов с большим водяным объемом значительно проще по сравнению с водотрубными котлами. Это обусловлено в первую очередь более низкими трудозатратами при пуске и останове котла, а также легким доступом к поверхностям нагрева.
Подобная картина наблюдается и при проведении периодических испытаний. На котлах с большим водяным объемом, изготавливаемых в соответствии с вышеуказанными правилами, прекрасно зарекомендовала себя простая, надежная и экономически выгодная система: визуальная проверка важных деталей котла после гидравлического испытания при повышенном избыточном давлении [3].
Историческая справка
Bosch Industriekessel является частью международной группы компаний Bosch. В области термотехники компания способна удовлетворить практически любые требования клиентов, предлагая энергетически эффективные системные решения. До середины 2012-го года системы продавались под торговой маркой LOOS. В настоящее время оборудование поставляется под брендом Bosch. В 2014-м году группа Bosch завершила строительство завода по производству теплотехнического оборудования в городе Энгельс Саратовской области. В задачи нового завода Bosch входит выпуск настенных котлов серии GAZ 6000 W, U-072, а также промышленных водогрейных котлов серии UT-L (производство горячей воды с температурой теплоносителя до 110 °C). Все выпускаемое оборудование проходит 100 %-й контроль качества и сертифицировано в соответствии с техническими регламентами Таможенного Союза, и поставляется с полным комплектом сопроводительной документации в соответствии с требованиями законодательства Российской Федерации.
Она позволяет отказаться от применения неразрушающего метода контроля, например, ультразвука. На водотрубных котлах по определенным причинам, не указываемым в данной статье, не зарекомендовало себя гидравлическое испытание при повышенном избыточном давлении. Кроме этого, значительные участки водотрубного котла недоступны для визуального контроля (скрытые участки). По этой причине возникает необходимость в применении ультразвука и т.п.
Физические свойства
Говоря о физических свойствах, необходимо затронуть позиции, напрямую следующие из конструктивных принципов: водяной объем, аккумулирующая способность, работа в режиме частичных нагрузок.
Очевидно, что у жаротрубного котла объем воды значительно выше, чем у водотрубного. Поэтому котел с большим водяным объемом более устойчив к колебаниям нагрузок и удовлетворяет требованиям по нагрузкам, временно превышающим номинальную мощность котла. Это может привести только к кратковременному повышению влажности пара, не оказывая никакого негативного влияния на теплопередачу. Водотрубным котлам не присущи вышеуказанные свойства. Колебания давления неизбежно влияют на теплопередачу вследствие возникающего при этом изменения плотности.
Большой объем воды жаротрубных котлов наряду с вышеупомянутыми преимуществами имеет недостатки в случае холодного запуска. Жаротрубным котлам необходимо больше времени для производства пара по сравнению с водотрубными котлами. К тому же каждый холодный запуск котлов с большим водяным объемом вызывает более высокую механическую нагрузку, чем обычный режим эксплуатации. Из этого следует, что холодный запуск котлов с большим водяным объемом должен проводиться щадящим способом. По причине меньшего водяного объема водотрубный котел более высокой мощности во многих странах может использоваться в качестве так называемого «производственного котла» благодаря удобству монтажа [5].
Для срока службы паровых котлов важное значение имеет количество запуска горелок. Наряду с правильным подбором «котел/уста- новка», определяющим здесь является размер минимальной нагрузки, отдаваемой котлом. На котлах с большим водяным объемом эта минимальная нагрузка соответствует минимальной тепловой мощности, заданной горелкой. На вырабатывающих горячий пар водотрубных котлах определенных конструкций эта минимальная нагрузка горелок не может отражаться на котле, так как из-за сокращения массовых водяных потоков на теплопередачу оказывается негативное воздействие, что может привести к нежелательному эффекту выгорания (burnout) касательно плотности теплового потока.
Цена и сроки
Если профиль требований может покрываться за счет установки нескольких котлов с большим водяным объемом, выбор такого котла при условии соответствующего уровня цены и качества представляет собой экономически выгодную альтернативу. Кроме этого, следует отметить более короткие сроки поставки и меньшее время, необходимое для монтажа оборудования.
Современные методы и технологии изготовления, достигшие высокого уровня в силу стремительности научно-технического прогресса, и правила конструктивно обусловленной безопасности обеспечивают высокий уровень безопасности и продолжительный срок службы котла
Котлы с большим водяным объемом при аналогичной температуре отходящих газов и составе за счет меньших потерь от излучения и проводимости имеют более высокий КПД по сравнению с водотрубными котлами.
Кроме того, жаротрубные котлы благодаря удобству техобслуживания легче эксплуатировать, что в очередной раз свидетельствует об экономической выгоде их использования.
Заключение
Области применения котлов с большим водяным объемом и водотрубных котлов четко разграничены. К примеру, для производства пара 1000 т/ч при давлении 180 бар и температуре 450 °С невозможно использовать жаротрубный котел. При параметрах 200 т/ч, 30 бар и 300°С использование одного или нескольких таких котлов представляют собой экономически выгодную альтернативу благодаря удобству поставки и эксплуатации.
Современные методы изготовления и правила конструктивно обусловленной безопасности обеспечивают высокий уровень безопасности и продолжительный срок службы.
Перечисленные в данной статье аспекты отражены в табл. 1.
