Развитие индивидуального строительства, возведение многоэтажных жилых домов, различных зданий и сооружений коммерческого назначения привели к необходимости использования передвижных котельных установок или стационарных котельных для теплоснабжения этих объектов, работающих в основном на природном газе и использующих в качестве теплогенерирующих установок современные отопительные котлы. Но, наряду с этим, на территории Украины и стран бывшего СССР большое количество уже существующего жилого фонда и промышленных предприятий, построенных в 50-80-е годы прошлого века, используют котельное и насосное оборудование устаревшего типа для теплоснабжения и приготовления горячей воды. Кстати, обслуживание ЦТП доступно на странице специализированного сайта.
По данным Министерства энергетики и угольной промышленности Украины, по состоянию на март 2021 года, по меньшей мере 21% старых котлов должны быть модернизированы или котлы заменены. При этом не менее 25% котельного оборудования в Украине эксплуатируется более 30 лет. КПД многих из этих котлов не превышает 60-70%. Здесь мы отмечаем критическую степень физического износа тепловых сетей (по данным Министерства энергетики и Ассоциации “Укртеплокоммунэнерго”, по состоянию на март 2021 года не менее 35% всех магистральных трубопроводов в Украине находятся в аварийном состоянии, а величина потерь тепла в них колеблется от 15 до 30%) Конечно, решение этих проблем должно осуществляться комплексно, однако в этой статье мы рассмотрим вопросы, касающиеся конкретно теплогенерирующего котельного оборудования.
На территории Украины, как и в странах бывшего СССР, существует 2 основных типа промышленных газовых (и твердотопливных) котлов, характеризующихся методом промывки поверхностей нагрева продуктами сгорания топлива: жаротрубные и водотрубные котлы. В свою очередь, эти котлы подразделяются на водогрейные (нагревают теплоноситель в соответствии с различными температурными графиками, например, 95/70 ° С, 115/70 ° с, 150/70 °С1) и паровые котлы, используемые для производства насыщенного или перегретого пара …
Жаротрубные отопительные котлы представляют собой цилиндрическую камеру сгорания (жаровая труба), с расположенными вокруг камеры дымовыми трубами, через которые циркулируют продукты сгорания, обеспечивая конвективный теплообмен. “Водяная рубашка” котла расположена в пространстве между топочными трубами.
Типы жаротрубных котлов
Существует 2 основных типа жаротрубных котлов:
- 1) Двухпроходные котлы, или котлы с реверсивной камерой сгорания, в которых первым каналом циркуляции продуктов сгорания является сама камера сгорания, а вторым каналом — пучок дымовых труб.
- 2) Трехходовые котлы – котлы, в которых первый проход является камерой сгорания, а второй и третий представляют собой 2 канала дымовых труб. Трехходовые котлы, благодаря большей площади конвективных теплообменных поверхностей, имеют более высокий уровень интенсивности охлаждения продуктов сгорания.
Жаротрубные котлы современного типа обладают рядом неоспоримых преимуществ, таких как:
- • Компактная конструкция благодаря более интенсивному тепловому потоку.
- • Поставка комплектного котла в виде единого моноблока.
- • Минимальное гидравлическое сопротивление (измеряется в миллибарах), благодаря которому для циркуляции теплоносителя через котел используется относительно маломощное насосное оборудование.
- • Герметичность камеры сгорания, которая позволяет использовать дутьевые горелки и, как следствие, не делает обязательным использование дымососов.
- • Малая инерционность – быстрое реагирование на изменения тепловой нагрузки, что упрощает и оптимизирует автоматизацию этих котлов.
- • Меньшие, в отличие от водотрубных котлов, трудозатраты на изготовление котлов.
- • Нет необходимости в дополнительной футеровке.
- • Общее упрощение строительно-монтажных работ.
Опыт разработки жаротрубных котлов в СССР показал, наряду с преимуществами, ряд существенных недостатков, в основном из-за ошибок конструкции, которые стали причиной решения отказаться от их производства в пользу водотрубных котлов. Первые разработанные модели с жаротрубами имели низкое значение КПД, высокий расход металла, ограничение в производстве тепла и пара. Жаровые трубы были не очень надежными. Как показала практика, использование Нормативного метода теплового расчета котельного отопительного агрегата, который актуален для водотрубного оборудования, для проектирования жаротрубных котлов во многих случаях было некорректным.
Водотрубные паровые и водогрейные котлы были основным типом котлов, производимых в СССР. Эти котлы, в зависимости от модификации, предназначались для сжигания природного газа или твердого топлива (в основном угля). Конструктивно водотрубные котлы представляют собой пучок большого количества труб, которые сводятся к одному или нескольким барабанам, которые служат резервуарами для воды или пара. Над камерой сгорания размещен трубный пучок с барабаном. Охлаждающая жидкость циркулирует внутри пучка труб. Установленные в камере сгорания перегородки обеспечивают многократное прохождение продуктов сгорания топлива по пучкам труб, что обеспечивает качественную передачу тепла от продуктов сгорания к теплоносителю.
Также во многих моделях водотрубных паровых котлов предусмотрены поверхности нагрева, такие как экраны радиационных труб, через которые теплообмен осуществляется не конвекцией, а излучением. Теплоноситель, проходящий через большое количество настенных труб, преобразуется в пар.
Преимущества водотрубных отопительных котлов
Водотрубные котлы обладают рядом преимуществ, таких как:
- • Скорость циркуляции теплоносителя в пучках труб составляет не менее 1 м/с, что защищает трубы котла от возможного закипания теплоносителя и отложения осадка.
- • Отсутствие жестких требований к качеству теплоносителя.
- • Возможность нормальной длительной работы в принудительном режиме.
- • Скорость выхода котла на номинальный режим.
- • Полная взрывобезопасность.
- • Долговечность эксплуатации.
Однако, помимо положительных характеристик, водотрубные котлы обладают и рядом недостатков.:
- • Вышеупомянутая высокая скорость теплоносителя приводит к высокому гидравлическому сопротивлению этих котлов, что требует значительно более высокого потребления электроэнергии для работы циркуляционных насосов котла.
- • Сложность конструкции котлов, большое количество различных узлов, что усложняет их транспортировку, монтаж и ремонтные работы.
Массовое производство водотрубных котлов в СССР привело к тому, что в Украине функционирует большое количество котлов типа НИИСТУ, ДКВР, ПТВМ, КВГМ и других подобных, которые морально и физически устарели и требуют модернизации. Конечно, эти котлы когда-то производились в соответствии со строгими требованиями тогдашнего ГОСТ, и многие из действующих котлов отличаются высоким качеством котельных труб и сварных швов. Однако их длительный срок службы требует постоянного ремонта этих котлов, замены пучков труб, экранов и футеровочных работ.
Модернизация водотрубных котлов
Если говорить конкретно о модернизации водотрубных котлов, то здесь, в первую очередь, поднимается вопрос о характеристиках и безопасности эксплуатации газосжигающих устройств этих котлов, степени их автоматизации и, как следствие, экологических параметрах по выбросам вредных веществ, не соответствующих современным стандартам. Довольно распространенной практикой сегодня является замена устаревших горелок на современные газовые горелки европейского производства. Группа компаний “Украинская энергетическая промышленная группа” имеет опыт внедрения аналогичных решений на базе горелочного оборудования CIBITAL UNIGAS итальянского производства.
Компания CIBITAL UNIGAS разработала специальные модели газовых горелок для водотрубных котлов. Одной из особенностей таких котлов является небольшая глубина и значительный объем топочного пространства, что требует короткого факела для горелок. Поэтому было решено изготавливать эти горелки не с одним соплом, как в стандартных горелках, а с четырьмя короткопламенными соплами. Такое техническое решение обеспечило высококачественную подготовку и сжигание газовоздушной смеси, упростило ввод в эксплуатацию и, самое главное, обеспечило полную автоматизацию котлов и модуляцию их мощности в широком диапазоне. В результате КПД котлов увеличился как минимум на 10-15%. Опционально доступны модели горелок UNIGAS с частотной регулировкой оборотов двигателя (для экономии энергии) и контролем содержания кислорода в дымовых газах (для дополнительной экономии газа и снижения вредных выбросов).
Следует отметить, что установка современных газовых горелочных устройств актуальна не только с точки зрения замены устаревших горелок, но и при переоборудовании водотрубных котлов, работающих на угле. В зависимости от текущего физического состояния теплообменных поверхностей таких котлов их перевод на газовое топливо влечет за собой увеличение КПД газового котла на 5-15%.
Что касается жаротрубных котлов, то этот тип котельного оборудования начал массово внедряться для теплоснабжения жилищно-коммунальных служб и промышленности с конца 1990-х – начала 2000-х годов в рамках реализации проектов по децентрализации систем теплоснабжения. Жаротрубные котлы как украинского, так и зарубежного производства, которые начали внедряться, больше не имели вышеуказанных недостатков, поскольку их конструкции разрабатывались каждым производителем на основе современных компьютерных программ. Практически каждый из крупных производителей жаротрубных котлов уже имел собственные исследовательские организации, основной задачей которых был вопрос модернизации конструкции котлов на этапе их проектирования, а также разработка рекомендаций и требований к эксплуатации котлов. Это включает в себя:
- Повышение КПД котлов – выбор оптимальной площади поверхностей нагрева котлов, исследование работы котлов с дополнительными теплообменниками (экономайзерами) от продуктов сгорания, а также определение экономической эффективности и срока окупаемости внедрения экономайзеров.
- Сокращение выбросов вредных веществ в продуктах сгорания – расчет конструкции жаротрубных котлов, использование специальных горелок с низким уровнем выбросов NOx.
- Обеспечение максимального срока службы котлов и эксплуатации оборудования, сохранение целостности конструкций жаротрубных моноблоков – использование установок очистки воды в котельных установках (удаление солей жесткости, железа), сепараторов осадка и микропузырьков, удаление растворенного кислорода, повышение pH теплоносителя и т.д. Плюс регулярное техническое обслуживание.
- Оптимизация габаритных размеров котлов в целом и отдельных агрегатов, а также расхода их материалов. Сюда входит экономический аспект, а именно, снижение затрат на изготовление котлов при сохранении высоких параметров качества оборудования.
- Выбор оптимального решения для использования газовых горелок – подбор и определение стандартных размеров горелок, их теплофизических характеристик, их цикла работы и необходимых функций. Современные газовые горелки при правильном выборе имеют длительный срок службы, а затраты на их обслуживание относительно невелики.
- Максимальная автоматизация эксплуатации оборудования. Сюда входит, прежде всего, использование самых современных средств автоматизации и визуализации работы котлов и вспомогательного оборудования – контроллеров котлов, которые управляют работой котлов и горелок с контролем рабочих параметров оборудования (температура и давление теплоносителя, контроль разрежения дымовых газов и их температуры, контроль циркуляции теплоносителя, автоматическое прекращение работы котлов в аварийных ситуациях и т.д.). Автоматизация котлов способствует экономии энергоресурсов, поскольку с ее помощью современный отопительный котел выделяет именно то количество тепловой энергии, которое необходимо в конкретный период времени.
- Максимальная безопасность оборудования. Эта задача тесно связана с вопросом автоматизации эксплуатации котлов, поскольку именно системы управления работой котельного оборудования отвечают за безопасность эксплуатации котельных агрегатов, контролируя параметры, приведенные в предыдущем пункте. Современные жаротрубные котлы оснащены полным набором функциональных устройств, необходимых для безопасной эксплуатации.