ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7769| Title: | Підвищення ефективності роботи котельної установки шляхом удосконалення процесу спалювання природгого газу в циклонно-вихрових передтопках |
| Authors: | Беспалько, Сергій Анатолійович Сабанський, Ростислав Русланович |
| Keywords: | котельні установки;циклонно-вихрові передтопки |
| Issue Date: | 30-Jan-2025 |
| Abstract: | Об'єктом дослідження є циклонно-вихрові передтопки котлових агрегатів. Предметом дослідження є характеристика процесу спалювання природного газу в циклонно-вихрових передтопках. Метою магістерської кваліфікаційної роботи є удосконалення процесу спалювання природного газу в циклонно-вихрових передтопках, що підвищує ефективність роботи котельної установки. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання: 1. Розробити технічні рішення для оптимального розподілу газових вводів (тангенціальних, торцевих і аксіальних патрубкових вводів) в конструкції циклонно-вихрового передтопка. 2. Визначити оптимальні режими роботи котла і циклонно-вихрового передтопка при різних умовах подачі газу (подача газу тангенціально, через торцеві або аксіальні входи, комбінація введення газу). 3. Дослідити зміну аеродинамічних параметрів вихрового потоку в циклонно-вихровому передтопку при холодних продувках і згорянні газу (гарячі продувки). 4. Реалізувати проекти з модернізації котельних установок з циклонно-вихровими передтопками, що спалюють природний газ. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7769 |
| Appears in Collections: | 144 Теплоенергетика (Теплоенергетика) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Сабанський.pdf Restricted Access | 3.07 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра Енерготехнологій
„ЗАТВЕРДЖУЮ”
Завідувач кафедри Енерготехнологій
_______________ Геннадій КАЛЕЙНІКОВ
“___” ___ 2024 р.
МАГІСТЕРСЬКА КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА
на тему:
«ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ КОТЕЛЬНОЇ
УСТАНОВКИ ШЛЯХОМ УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ
СПАЛЮВАННЯ ПРИРОДНОГО ГАЗУ В ЦИКЛОННО-
ВИХРОВИХ ПЕРЕДТОПКАХ»
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
код роботи МКР 24.144.28 ПЗ
Спеціальність 144 - Теплоенергетика
Виконавець роботи:
________________________Сабанський Ростислав Русланович ______________________
(підпис, дата)
Науковий керівник:
_________________Беспалько С.А., к.т.н., доц._______________________
(підпис, дата)
Рецензент:
__________________________________________________________
(підпис, дата)
Черкаси, 2024 р.
Вступ…………………………………………………………….…………. 5
Розділ 1. Циклонно-вихрова технологія спалювання палива................... 10
1.1 Аеродинамічні принципи організації вихрового спалювання............ 10
1.2 Досвід освоєння вихрового спалювання палива................................. 11
1.3 Спалювання природного газу в пальниках.......................................... 19
Розділ 2. Модернізація парових та водогрійних котельних установок
на циклонно-вихрове спалювання природного газу.................................. 24
2.1 Модернізація парового котла БКЗ-120-100.......................................... 24
2.2 Модернізація водогрійного котла ПТВМ-100...................................... 31
2.3 Удосконалена конструкція промислового циклонно-вихрового
передтопка для спалювання природного газу............................................ 48
2.4 Результати модернізації водогрійних котлів КВГМ-100-150.............. 51
Розділ 3. Постановка досліджень закономірностей формування
вихрового руху в циклонно-вихрових передтопках.................................. 56
3.1 Опис дослідної промислової установки і схеми вимірювань............. 56
3.2 Обробка експериментальних даних. Оцінка похибки вимірювань... 63
3.3 Чисельне моделювання процесів горіння в циклонно-вихрових
передтопках................................................................................................... 66
Розділ 4 Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях………… 70
Висновки…………………………………………………………………… 87
Список використаних джерел………………………………………... 88
МКР 24.144.28 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Сабанський Р.Р. Літ. Арк. Акрушів
Зміст
Перевір. Беспалько С.А.
Реценз. магістерської роботи
Н. Контр. ЧДТУ, МТЕ-35
Затверд. Калейніков Г.Є.
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра Енерготехнологій
„ЗАТВЕРДЖУЮ”
Завідувач кафедри Енерготехнологій
________________ Геннадій КАЛЕЙНІКОВ
“____” _____ 2024 р.
ЗАВДАННЯ
до магістерської кваліфікаційної роботи___ Сабанський Ростислав Русланович __________
(прізвище, ім’я та по-батькові студента)
Тема «Підвищення ефективності роботи котельної установки шляхом
удосконалення процесу спалювання природного газу в циклонно-вихрових
передтопках»
затверджена наказом ректора університету від “16” вересня 2024 р., № 272/04
2. Термін здачі студентом завершеної роботи __10.12.2024__________________________
3. Вихідні дані: котел БКЗ-120-100; котел ПТМВ-100; котел КВГМ-100-150.
4. Перелік питань, які повинні бути розроблені в роботі:
- проаналізувати циклонно-вихрову технологію спалювання палива;
- модернізувати парові та водогрійні котельні установки на циклонно-вихрове
спалювання природного газу;
- дослідити закономірності формування вихрового руху в циклонно-вихрових
передтопках.
5. Перелік графічного матеріалу: Схема циклонного передтопку; Схема модернізованого котла
БКЗ-120-100 від пальникового до циклонно-вихрового спалювання природного газу; Питомі
витрати на тягу і дуття; Зміна концентрації NOх в димових газах; Схема водогрійного котла
ПТМВ-100; Газовий ЦВП потужністю 65 МВт котла ПТВМ-100; Схема ЦВП котла ПТВМ-100
з розташуванням експериментальних перерізів і основними розмірами; Зміна тангенціальної
складової швидкості Wφ в КЗ котла ПТВМ-100; Зміна осьової складової вектору швидкості Wх
в КС ЦВП котла ПТВМ-100; Зміна температури горіння закрученого потоку в КС ЦВП котла
ПТВМ-100; Конструкція газо-мазутного ЦВП потужністю 65 МВт; Схема водогрійного котла
ПТМВ КВГМ-100-150; Схема ЦВП котла КВГМ-100-150 з розташуванням дослідних перерізів;
Принципова експериментальна схема вимірювань
6. Консультанти з роботи з зазначенням розділів роботи, які їх стосуються
Підпис, дата
Розділ Консультант завдання видав завдання прийняв
Розділи 1-3 Беспалько С.А.
ОП та безпека в НС Цікановський В.Л.
Нормоконтроль
7. Дата видачі завдання “_____”______. 2024 р.
Керівник _____________________
Завдання прийняв до виконання _________________
ВСТУП
Модернізація теплоенергетичного обладнання дає можливість
підвищити ефективність його роботи. Модернізація є одним з перспективних
варіантів в напрямку вдосконалення енергетичного сектору. Головною метою
енергетичної стратегії є перехід енергетичного сектора країни шляхом
структурних перетворень на більш високий, якісно новий рівень, що
максимально сприяє динамічному соціально-економічному розвитку. Для
досягнення поставленої мети необхідно виконати ряд завдань, перша з яких
полягає в зміні якісної та вікової структури основних виробничих фондів за
рахунок прискореної модернізації основного обладнання.
Підвищення ефективності використання теплової та енергетичної
енергії в енергосистемах є особливо актуальним і важливим питанням,
оскільки знос енергетичного обладнання теплових електростанцій становить
в середньому від 60 до 70% [1].
Повна заміна енергетичного обладнання – це складна і дуже витратна
програма. Одним з відносно недорогих і ефективних способів підвищення
ефективності обладнання є його модернізація. Модернізувати котельню можна
шляхом оснащення її традиційними газомазутними пальниками. Удосконалити
технологію спалювання палива можна за рахунок використання циклонно-
вихрових передтопок. Дана технологія довела свою високу ефективність [2],
тому вдосконалення циклонно-вихрової технології спалювання газоподібного
палива є перспективним напрямком у вирішенні першочергових завдань.
Провідні дослідники зазначається, що якість згоряння палива істотно
залежить від його дисперсійних характеристик, температури полум'я,
концентрації кисню в зоні горіння, часу перебування продуктів згоряння в зоні
високих температур, а також способу горіння. Ці умови в сукупності
визначаються встановленими режимами роботи котла у всьому діапазоні
навантажень, аеродинамікою факела в топці, яка залежить від досконалості
конструкції пальникового пристрою, геометрії печі, умов теплообміну і т.д.
Підвищити ефективність спалювання рідкого і газоподібного палива при
надійних умовах експлуатації обладнання, продовжити термін його служби,
оптимізувати екологічні та економічні параметри можна за рахунок
модернізації котельних агрегатів на вдосконалену циклонно-вихрову
технологію спалювання палива.
У магістерській кваліфікаційній роботі представлені результати
розробки та впровадження циклонно-вихрової (ЦВ) технології спалювання
природного газу на парових та водогрійних котлах середньої потужності,
результати вибору раціональної подачі газу в камеру згоряння (КЗ) циклонно-
вихрового передтопка (ЦВП), дані досліджень впливу комбінованого
газопостачання на зміну техніко-економічних показників (ТЕП) роботи
котельної установки та на параметри закрученого потоку в об’ємі КЗ ЦВП з
повітряним охолодженням. Організація комбінованого процесу спалювання
природного газу дає можливість впливати на геометрію факелу в КЗ ЦВП і в
топці котельної установки. В роботі показано, як циклонно-вихрова технологія
комбінованого спалювання газу покращує екологічні та техніко-економічні
показники модернізованих котлів за рахунок підвищення їх продуктивності,
ефективності та зменшення шкідливих викидів.
Об'єктом дослідження є циклонно-вихрові передтопки котлових
агрегатів.
Предметом дослідження є характеристика процесу спалювання
природного газу в циклонно-вихрових передтопках.
Метою магістерської кваліфікаційної роботи є удосконалення
процесу спалювання природного газу в циклонно-вихрових передтопках, що
підвищує ефективність роботи котельної установки.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні
завдання:
1. Розробити технічні рішення для оптимального розподілу газових
вводів (тангенціальних, торцевих і аксіальних патрубкових вводів) в
конструкції циклонно-вихрового передтопка.
2. Визначити оптимальні режими роботи котла і циклонно-вихрового
передтопка при різних умовах подачі газу (подача газу тангенціально, через
торцеві або аксіальні входи, комбінація введення газу).
3. Дослідити зміну аеродинамічних параметрів вихрового потоку в
циклонно-вихровому передтопку при холодних продувках і згорянні газу
(гарячі продувки).
4. Реалізувати проекти з модернізації котельних установок з
циклонно-вихровими передтопками, що спалюють природний газ.
Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань були
використані пневмометричні, термометричні, газоаналітичні методи
дослідження газодинамічних і тепломасообмінних процесів в циклонно-
вихрових передтопках. Експериментальні дослідження проводилися в
промислових умовах, результати узагальнювалися в розмірному і
безрозмірному вигляді і аналізувалися.
Наукова новизна: Вперше були отримані дані досліджень динаміки газу
в камері згоряння (КЗ) промислового циклонно-вихрового передтопка при
спалюванні природного газу, які показали, що процес спалювання істотно
впливає на характер зміни осьової складової вектору швидкості і статичного
тиску закрученого потоку, що дозволить при проектуванні більш точно
визначити конструктивні і технологічні параметри циклонно-вихрового
передтопка.
Практична значимість результатів роботи полягає в підвищенні
ефективності (швидкості, надійності і точності) визначення технологічних і
робочих параметрів циклонно-вихрових передтопок вже на етапі проектування
з урахуванням довговічності, надійності і економічності. Методи і підходи є
новими в прикладній області і можуть бути застосовані в інших областях
інженерії і технології по використанню вихрового спалювання палива.
Основні задачі дослідження:
1. розробити вдосконалену конструкцію циклонно-вихрової
передпічі, яка ефективно спалює природний газ;
2. оцінити вплив комбінованого розподілу газу в компресорній
станції на формування факелу в центральній трубі і топці котла;
3. визначити оптимальні режими роботи газового ЦВП і котла в
цілому;
4. вивчити вплив згоряння на зміну аеродинамічних параметрів
закрученого потоку.
Використання отриманих результатів. Розроблена і впроваджена
вдосконалена конструкція ЦВП потужністю 65 МВт для спалювання
основного палива – природного газу і резервного – мазуту.
Достовірність результатів роботи забезпечується комплексним
розрахунково-експериментальним підходом до вирішення завдань з
використанням обчислювальних засобів, сертифікованого обладнання, методів
дослідження, що відповідають сучасному стану в галузі теоретичної
теплотехніки, гідродинаміки, задовільним збігом розрахункових даних з
експериментальними результатами, отриманими на існуючому
експериментальному промисловому обладнанні.
Структура та обсяг роботи. Магістерська робота містить вступ, чотири
розділи, висновок і бібліографічний список джерел із 34 найменувань.
Загальний обсяг роботи викладено на 90 сторінках, включно з 32 рисунками та
9 таблицями.
РОЗДІЛ 1. ЦИКЛОННО-ВИХРОВА
ТЕХНОЛОГІЯ СПАЛЮВАННЯ ПАЛИВА
МКР 24.144.28 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Сабанський Р.Р. Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Беспалько С.А. Розділ 1. Циклонно-вихрова
Реценз.
технологія спалювання палива
Н. Контр. ЧДТУ, МТЕ-35
Затверд. Калейніков Г.Є.
Розділ 1. Циклонно-вихрова технологія спалювання палива
1.1 Аеродинамічні принципи організації вихрового спалювання
Топочний процес оснований на аеродинамічній структурі
газоповітряного потоку [1]. Вихровий топочний процес заснований на
використанні криволінійного руху газоповітряного потоку за рахунок
створення стійких і керованих вихорів в обсязі камери топки. Круговий рух
несучого вихору змушує паливно-повітряну суміш циркулювати в топочному
об’ємі стільки разів, скільки необхідно для її повного згоряння. Так як при
циркуляції паливно-повітряного потоку розвивається відцентровий ефект, що
відкидає частинки на периферію, необхідно надати вихрової камері
аеродинамічний обтічний профіль, що з часом призвело до створення різних
вихрових камер печі. Принципова схема вихрового згоряння показана на
рисунку 1.1.
Рисунок 1.1 – Принципова схема вихрового згорання
Вихрове згоряння дозволяє частинці згоряти безпосередньо в потоці, але
в умовах, що дозволяють частинці залишатися в обсязі печі протягом певного
часу.
Циркуляційно-вихрові топки з використанням слабо закручених і
невпорядкованих вихорів були перехідним типом до топочних пристроїв, які
отримали назву «циклонні топки», оскільки в їх основі лежала аеродинамічна
модель циклонів-сепараторів. Відомо, що в циклонах-сепараторах
використовуються камери з добре обтічною внутрішньою порожниною і
тангенціальною подачею основної маси повітря з такими швидкостями, які
забезпечують значний відцентровий ефект. Аеродинамічна будова циклонно-
вихрових камер згоряння характеризується наявністю високонапружених
циркуляційних зон. Їх раціональне використання має вирішальне значення в
ефективному сумішоутворення, тобто в процесі, що визначає швидкість
реакції горіння. Саме вдале використання цих зон в результаті вивело
циклонно-вихрові камери на найвищий рівень теплоємності в енергетичних
установках.
1.2 Досвід освоєння вихрового спалювання палива
У магістерській кваліфікаційній роботі основна увага приділяється
спалюванню природного газу, але спочатку циклонний принцип організації
горіння був запропонований на початку 30-х років XX століття, для
спалювання твердого палива [2]. Горіння може бути поліпшено за рахунок
скручування потоку, тим самим покращуючи змішування палива і окислювача,
сприяючи стабільному горінню за рахунок тепломасообміну в вихрових зонах
між продуктами згоряння і реагентами. Цей принцип закладений в більшості
конструкцій газомасляних пальникових пристроїв.
Розвиток циклонно-вихрової технології в світі почалося на початку XX
століття. З огляду на паливну політику того часу, основна увага приділялася
спалюванню вугілля в циклонних камерах [3]. Робота дослідників була
спрямована на вивчення і реалізацію циклонно-вихрового принципу
формування процесу горіння. Промислові дослідження топочних камер з
горизонтальним циклонним передтопком для спалювання вугілля
сповільнилися на початку 70-х років. Основною причиною було труднощі з
забезпеченням стабільного видалення рідкого шлаку у всьому діапазоні
котельних навантажень на різні марки спалюваного вугілля. Розробити
надійну конструкцію циклону, яка пропрацювала протягом тривалого періоду
часу, не вдалося.
Дослідники виходили з того, що спалювання рідкого палива в циклонних
передтопках в порівнянні з вугіллям дозволить: усунути високотемпературну
газову корозію на екранних трубах; підвищити надійність поверхонь нагріву
екранів за рахунок зменшення падаючих теплових потоків; отримати емісійні
характеристики факела при згорянні рідкого і газоподібного палива такі, що
забезпечити регулювання температури перегріву пари; створити умови для
спалювання мазуту з мінімальними надлишками повітря ( α = 1,01... 1.02) і тим
самим знизити швидкість забруднення і корозії конвективної частини котла. За
довгі роки експлуатації цих котлів так і не вдалося забезпечити їх надійну
роботу на циклонних передтопках. Періодично вигорала передпічна обшивка
(особливо в районі передтопків, що примикають до екранів печі), горіли газові
сопла та інші елементи передтопка. Перехід від газового до спалювання мазуту
і навпаки ще більше прискорив процес руйнування вогнетривкої кладки в
передтопці. Це стало причиною появи великих теплових нерівномірностей і
збільшення локальних теплових потоків. В результаті спостерігалося кризове
погіршення роботи як гідравлічного, так і температурного режимів екранної
системи передтопків. З цих причин експлуатація котлів фактично
здійснювалася з високим ступенем їх аварійності. Вартість установки
циклонних передтопків на котел на 10-15% вище, ніж вартість аналогічного
котельного агрегату з газопаливними мазутними пальниками. Витрата
електроенергії на власні потреби в 2,5 рази вище, ніж у котла з пальниками, що
говорить про високий аеродинамічний опір передтопків. Концентрація викидів
оксидів азоту при спалюванні газу знизилася лише до 520-540 мг/м3, а при
спалюванні мазуту до 730-740 мг/м3, що значно перевищує нормативні
значення.
На початку 80-х років XX століття дослідники знову зацікавилися
циклонно-вихровою технологією спалювання палива. У Сполучених Штатах
такі котельні фірми, як Babcock & Wilcox (скорочено B&W), Thompson-Ramo-
Wooldridge (скорочено TRW) та інші почали вдосконалювати і винаходити
циклонні передтопкові конструкції, які спалювали вугілля в діючих котлах.
Метою цих досліджень було не тільки вдосконалення конструкції передтопка
і вихрової технології, а й переведення мазутних котлів на спалювання твердого
палива в циклонних передпечах. Американська компанія Babcock & Wilcox
розробила технологію циклонно-вихрового спалювання вугільного пилу з
низькою температурою плавлення золи (рисунок 1.2). Основним недоліком цієї
технології був швидкий знос внутрішніх поверхонь циклону. Конструктори-
дослідники приступили до активної розробки програми підвищення
надійності внутрішніх поверхонь циклонного передтопка з використанням
нових матеріалів і передових технологій.
Рисунок 1.2 – Схема руху потоків в циклонному передтопку
компанії Babcock & Вілкокс
Удосконалений і модифікований передтопок (рисунок 1.3) був виконаний
із застосуванням нових охолоджуючих поверхонь підвищеної механічної
міцності [4], що дозволило значно продовжити термін служби передтопку.
Конструктивно повітря в циклонний передтопок подається двома
незалежними потоками в вісь передтопка і тангенціально через один вхід.
Відносний діаметр затискача не більше 0,5. Виготовляються передтопки
одиничною потужністю від 44 до 125 МВт з водяним охолодженням, які мають
довжину від 6 до 10 м і діаметр від 1,8 до 3 м. Передтопки оснащують
пальниками для спалювання різних видів палива, таких як мазут, дизельне
паливо, природній газ, лігніт, шлами паперового виробництва, дерево, а також
є досвід по спалюванню коксового вугілля і використаних шин.
Рисунок 1.3 – Циклонний передтопок конструкції Babcock & Wilcox [4]:
1 – вхід вугільного пилу; 2 – рідкопаливний пальник; 3 – заслінка
регулювання швидкості вторинного повітря; 4 – газові пальники; 5 – зона
ошипованої поверхні; 6 – екранна панель топкового котла; 7 – вихідна
амбразура; 8 –шлаковідвід; 9 – екранна панель циклонного передтопку;
10 – ошипована амбразура; 11 – зносостійка обмуровка; 12 – радіальний
пальник; 13 – первинне повітря; 14 – третинне повітря
В 2010 році компанія Babcock & Wilcox подала патент [5] на циклонний
передтопок, в якому реалізований метод зменшення оксидів азоту при
спалюванні палива з надлишком повітря α ≤ 0,9. Нестехіометричне введення
повітря організовано як в камеру згоряння передтопку, так і в топку котла.
Babcock & Wilcox співпрацює з науково-дослідними центрами для
вдосконалення процесу утворення суміші та спалювання. Завдання спільних
зусиль полягає в підвищенні ефективності циклонно-вихрової технології в
умовах тривалої, надійної і стабільної роботи, прагнучи при цьому знизити
шкідливі викиди в атмосферу. Дослідження показують, що на процес
сумішоутворення і горіння легше впливати в обмеженому об’ємі. Для цього
необхідно знати, в яких зонах відбуваються реакції, пов'язані з горінням і
утворенням оксидів азоту. У цьому випадку постійний вплив води або
концентрація кисню дозволять досягти досить ефективних результатів без
використання дорогих систем рециркуляції димових газів і
нестехіометричного горіння з великою кількістю пальників.
Дослідження ведуться також в напрямку отримання і спалювання
вугільно-водних суспензій [6]. Зарубіжні дослідні і промислові топки
циклонного типу, що спалюють вугілля і вугільний пил, характеризуються
наступними особливостями:
• високе теплове форсування поперечного перерізу(Q/F) та об'єму
(Q/V) циклонної камери, відповідно (10÷13)·106 ккал/м3 год та
(3÷6)·106 ккал/м3 год;
• відношення довжини циклонної камери L до її діаметру D
становить ?̅? від 1 до 1,3, що дозволяє компонувати котли з компактними
передтопками великої одиничної потужності;
• регулювання часу перебування частини палива в камері циклону за
рахунок організації конічної форсунки-пастки і обертального руху в циклоні;
• осьовий закручений вхід або тангенціальний вхід вугільного пилу;
• високий аеродинамічний опір, що досягає при номінальних
навантаженнях значень 600-800 мм вод. ст.;
• низький коефіцієнт надлишку повітря в циклоні (α = 1,05-1,1), тоді
як висока температура нагрітого повітря досягає 370-430 ºС;
• стінки циклонного передтопку екрановані водоохолоджувальними
трубами, які включені в водопаровий контур котлового агрегату і покриті
вогнетривким термостійким покриттям, нанесеним на обшивку;
• процес виготовлення екранної частини циклонних камер
складний, трудомісткий і витратний;
• висока витрата енергії на дуття;
• необхідний висококваліфікований обслуговуючий персонал;
• автоматизація регулювання топочного процесу.
Ці недоліки передбачалося усувати за рахунок спалювання газу і мазуту
в ЦПВ на котлах малої і середньої потужності. Для промислової енергетики
було розроблено циклонні передтопки з водяним охолодженням. Відносний
діаметр пережиму передтопків становить dп = 0,5 і dп = 0,75 при тепловій
напрузі перерізу Q/F, що дорівнює (15÷16)·106 ккал/(м2·год) та об’єму Q/V
2·106 ккал/(м2·год). Потужність передтопку становила 25 Гкал/год при діаметрі
внутрішньої камери 1600 мм [7]. Вхідна швидкість повітря в циклон становила
від 40 до 60 м/с. Перпендикулярно потоку повітря, яке виходить з сопел,
встановлювалася форсунка Найкраще змішування було досягнуто при
використанні плоскофакельних форсунок [8].
Для парових котлів розроблена циклонно-вихрова форкамера, яка
показана на рисунку 1.4. Особливість форкамери полягає в повітряному
охолодженні торкретованих стін. Повітря подається в камеру через торцевий
завихрювач аксіально і через кільцевий зазор, що обладнаний лопатками для
тангенціального закручування потоку. Такий спосіб подачі тангенціально
закрученого повітря створює аеродинамічну компресію, а також зону
рециркуляції для газифікації і вигоряння частини палива в камері.
Поширеними недоліками таких котлів з циклонними передтопками є те, що не
досягається номінальна потужність, робота форкамери ненадійна [9].
а) б)
Рисунок – 1.4 Передтопок для котла ДЕ-25: а) циклонний передтопок;
б) зовнішній вигляд завихрювача, де 1 – газовий колектор, 2 – форсунка для
мазуту, 3 – запальник, 4 – аксіальний завихрювач, 5 – корпус, 6 –
тангенціальне введення повітря
Деякі котли оснащуються водоохолоджуваними циклонними
передтопками, наприклад, ПТВМ-50 і ПТВМ-100 [10]. Охолодження стінок
циклонного передтопку здійснюється за допомогою водоохолоджуваних труб,
які входять у водопаровий контур котла. Поверхня цих труб ошипована і
покрита складним вогнетривким покриттям. Товщина облицювання камери
становить 250 мм, яка виготовляється з хромомагнезитової цегли і витримує
обмежену кількість теплових перепадів. Зі збільшенням потужності
передтопку зростає теплова напруга перерізу камери, а при високій
вогнестійкості 250-міліметровий шар хромомагнезитової цегли має дуже
обмежене число теплових змін [11]. Крім цього недоліку, має місце
закоксовування завихрювача, зовнішній вигляд якого показаний на
рисунку 1.5.
Рисунок 1.5 – Загальний вигляд закоксованого завихрювача
передтопку котла ПТВМ-50
Проблема згоряння палива в малому об'ємі полягає в забезпеченні
ефективного захисту стінок від перегріву і руйнування за рахунок високого
об'ємного теплового напруження в передтопці при горінні. Неправильна
організація аеродинаміки і розпилення палива відразу ж призводить до
руйнування внутрішньої поверхні передтопку. У вогнетривкій цегляній кладці
відбувається місцевий перегрів окремих зон і подальше їх розплавлення, а при
водяному охолодженні утворюються свищі. В результаті порушується симетрія
факела, що призводить до закоксовування окремих ділянок обмуровки. Режим
пуску і прогріву передтопку вимагає особливої уваги, так як відбувається
утворення стабілізуючого факела зони зворотного потоку – зони ежекції. Не
всі конструкції передтопків дають можливість прогріву поступово, що сприяє
рівномірному входженню в стабільний режим роботи. Проблемою ряду
циклонних камер є «розмивання» зони рециркуляції продуктів згоряння і
перехід в режим роботи пальника при досягненні номінального навантаження
або при навантаженнях, близьких до номінальних. При таких умовах роботи
відбувається різке збільшення надлишку повітря і обмеження тягового
навантаження. На стабільність і ефективність згоряння впливає якість
розпилення і температура повітря. Будь-яке порушення при розпиленні палива
форсункою може привести до зривання факела або утворення коксових
відкладень на екранних поверхнях, особливо в районі передтопкової
амбразури.
Розробка і впровадження надійної конструкції з використанням
закручування потоків, що дозволяє інтенсифікувати процеси згоряння і
тепломасообміну в котлах, не знижує інтересу енергетиків до вивчення
специфіки вихрового спалювання палив. З початку 60-х років почали вивчати
і розвивати згоряння палива в розімкнутих вихорах, що створюються в об’ємі
топки. Запропоновано конструктивні рішення топочних пристроїв для
поліпшення згоряння різних видів палива за допомогою одного або декількох
розімкнутих вихорів [12].
Організація топочного процесу за допомогою вихрового руху в
основному здійснюється в двох напрямках: спалювання палива в
концентрованому високофорсованому вихорі; факельне спалювання палива в
поєднанні з розімкнутим вихровим рухом. Основні результати досліджень у
цих напрямках були проведені шляхом спалювання вугілля та мазуту. Даних
досліджень про спалювання газу практично немає. Деякі з останніх результатів
досліджень взаємодії палаючих вихрових потоків представлені в роботах [13].
1.3 Спалювання природного газу в пальниках
Переведення котлових агрегатів на спалювання газу і мазуту
здійснюється в основному за рахунок облаштування топки котла
газомазутними пальниками [7].
Для котлів середньої потужності найбільш використовуваними
пальниками є універсальні пальники без попереднього змішування, що
спалюють висококалорійний природний газ з низьким або високим тиском у
вільному факелі. У пальникових пристроях зовнішнього змішування активна
зона інтенсивного перемішування локалізується в корені факела, що стабілізує
процес горіння. Це характерно для будь-якої з численних різновидів
конструкцій пальників, особливо для тих, які прагнуть до створення вихрової
[10] або струменевої ежекції, що підсилює тепломасообмін. Конструкція
пальників дає можливість працювати при практично різних навантаженнях
котла, не побоюючись прориву полум'я, так як горіння всередині пальника без
повітря неможливо [14]. При цьому навантаження котла регулюється зміною
подачі газу або зміною числа працюючих пальників, так як стійкість пальників
характеризується її межею регулювання, яка строго обмежена тиском повітря.
Газомазутні пальники добре виконують свої завдання при оснащенні
ними котлів малої потужності [7]. Котел оснащений від однієї до трьох
пальників, що не ускладнює умови роботи та експлуатації котла [15].
На відміну від заявлених у паспорті характеристик, на практиці
пальники часто працюють зі значними надлишками повітря α=1,4-1,6 і більше,
які знижують температуру горіння [7]. При цьому повне згоряння газу
відбувається не завжди. Наприклад, факел полум'я, що світиться, отримується
довгим, що вимагає великої висоти (довжини) топкового простору. З метою
забезпечення ефективного сумішоутворення і високої рівномірної турбулації
продуктів згоряння у великому обсязі. Горіння палива проходить в топочному
об’ємі, але аеродинаміка топки котла не досконала, щоб забезпечити
ефективне сумішоутворення і високу рівномірну турбулізацію продукиів
горіння в великому об’ємі. В об'ємі топки збільшується нерівномірність
розподілу як кінетичної енергії потоку продукту згоряння, так і теплової
енергії факела. Особливості розташування пальника і умови регулювання
ускладнюють завдання по вирівнюванню витрат первинного і вторинного
повітря на пальниках. Поліпшити динаміку регулювання і створити рівномірне
заповнення об’єму топки при будь-якому навантаженні намагаються за
рахунок збільшення числа пальників на котлі. Підвищення ККД котлів,
обладнаних пальниковими пристроями, за рахунок зміни числа працюючих
пальників призводить до ускладнення роботи котла, зниження ККД котла в
цілому і значної складності в налаштуванні роботи кожного пальника зокрема.
Але навіть налагоджений режим горіння на пальниках і в котлі в цілому не
гарантує низьких емісійних викидів оксидів азоту, так як зокрема для
пальників типу ГМ-10 номінальні значення вмісту оксиду азоту NOх при α=1,4
становить 210 мг/м3, що майже вдвічі перевищує нормативні питомі викиди,
що дорівнює NOх = 125 мг/м3 при α =1,4. Експлуатаційні заходи на пальниках
не можуть придушити утворення паливних NOx, при цьому вартість сучасних
газомазутних пальників дуже висока, а при комплектації котла з декількома
пальниками нормативні амортизаційні відрахування не компенсують
капітальних витрат на модернізацію котла сучасними газомасляними
пальниками. Організація третинного дуття або рециркуляції інертних газів з
метою зниження викидів паливних NOx призводять до ускладнення не тільки
технологічної схеми котла, але і режиму його роботи в цілому, так як нерідко
доводиться оснащувати третинні дуттьові сопла направляючими для
регулювання потоку [16]. Альтернативним варіантом оптимізації роботи
котельних установок при спалюванні газу є застосування вихрового руху в
об’ємі топки або установка циклонно-вихрових передтопок [17].
Концентрований вихровий рух з відцентровим полем генерується в
об’ємі циклонного передтопку. З урахуванням принципів самомоделювання
такі умови залишаються і в діапазоні зміни навантаження. Керуючи процесом
газифікації палива в циклонно-вихровій камері, можна отримувати високі
теплові напруги. Ступеневе спалювання палива в циклонному передтопку
створює умови для догорання факела в основному об’ємі топки котла, що
значно спрощує роботу екранної і хвостової поверхонь нагріву, підвищуючи
ККД котельної установки.
Особливості аеродинаміки вихрового процесу, вибір водяного
охолодження при складності виконання є основними причинами, що
уповільнили і зупинили впровадження циклонних передтопок у великій і малій
електроенергетиці. Детальні дослідження аеродинаміки закрученого потоку в
циклон-вихровій камері з повітряним охолодженням передтопка, з
полегшеною обмуровкою і з комбінованою генерацією вихря є основними
рішеннями, які були перспективними в удосконаленні циклонно-вихрової
технології спалювання. Схема моделі такого передтопка показана на
рисунку 1.6.
а) б)
Рисунок 1.6 – Схема циклонного передтопку: а – поздовжній переріз,
б – поперечний переріз. 1 – пережим; 2 – обмуровка; 3 – тангенціальна подача
повітря через обічайку; 4 – обічайка торцевої вихрової камери (ТВК);
5 – камера згоряння; 6 – повітряні обічайки; 7 – завихрювач; 8 – конус;
hсп – висота повітряних сопел
Експлуатація котлів з ЦВП з урахуванням багаторічного досвіду
експлуатації і останніх результатів, підтверджених випробуваннями роботи
котлів [18], характеризується наступними показниками:
- збільшення теплової потужності котельних установок на 10-20%;
- зниження питомої витрати палива на вироблення теплоти ≈1÷4%;
- зниження питомих витрат енергії на тягу і дуття ≈10÷20%;
- спрощення експлуатації котельного агрегату;
- підвищення надійності процесу горіння;
- зменшення відкладень у трубах;
- зниження оксидів азоту до 150 мг/м3 у перерахунку на α = 1,4 (при
нормативному значенні 250 мг/м3 при α =1,4);
- збільшення терміну служби поверхонь нагріву (не менше п'яти
років);
- збільшення ККД до 93,7%.
Успішний досвід циклонно-вихрового спалювання мазуту на
водогрійних і парових котлах середньої потужності послужив основою для
розробки проектів модернізації парових і водогрійних котлів для спалювання
природного газу в циклонно-вихрових передтопках.
Оснащення котелень середньої потужності газонафтовими ТСП
потужністю 65 МВт є одним з масштабних, перспективних, ефективних і
надійних варіантів модернізації котельного обладнання.
РОЗДІЛ 2. МОДЕРНІЗАЦІЯ ПАРОВИХ ТА
ВОДОГРІЙНИХ КОТЕЛЬНИХ УСТАНОВОК
НА ЦИКЛОННО-ВИХРОВЕ СПАЛЮВАННЯ
ПРИРОДНОГО ГАЗУ
МКР 24.144.28 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Сабанський Р.Р. Розділ 2. Модернізація парових та Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Беспалько С.А. водогрійних котельних установок на
Реценз.
циклонно-вихрове спалювання
Н. Контр. ЧДТУ, МТЕ-35
Затверд. природного газу
Калейніков Г.Є.
Розділ 2. Модернізація парових та водогрійних котельних установок на
циклонно-вихрове спалювання природного газу
2.1 Модернізація парового котла БКЗ-120-100
Перший досвід спалювання газу в ЦВП був отриманий на паровому котлі
БКЗ-120-100, де в якості резервного палива спалюється рідке паливо – нафта,
а в якості основного – природний газ.
Робота котла на газових пальниках супроводжувалася перегоранням труб
заднього екрану, ненадійністю роботи котельної установки на основному і
резервному паливі, обмеженням навантаження котла (паропродуктивність
котла не перевищувала 110 т/год).
Ці проблеми були вирішені завдяки циклонно-вихровій технології
спалювання палива. Технічне рішення модернізації котла передбачало заміну
наявних на котлі восьми вихрових пальників на два центральних ЦВП [3],
заміну третього ступеня трубчастого повітронагрівача (ПВН) на додатковий
ступінь економайзера відповідно до умов теплової схеми ТЕС. На рисунку 2.1
показана схема модернізованого котла [3].
Рисунок 2.1 – Схема модернізованого котла БКЗ-120-100 від пальникового до
циклонно-вихрового спалювання природного газу
Котел оснащений двома ЦВП, кожна з яких має одиничну потужність
65 МВт. Обидва передтопки розташовані на лівому бічному екрані топки в два
яруси на відмітках 6060 мм і 9060 мм.
Циклонно-вихрова передтопок являє собою камеру згоряння з
комбінованим введенням повітря для згоряння після повітряного підігрівача:
75% загального обсягу повітря на ЦВП подається в камеру згоряння
тангенціально по всій довжині передтопкової камери, а 25% аксіально.
Подача газу в ЦВП була організована через вісь передтопка з
закручуванням і змішуванням з повітрям в 20-лопатковому завихрювачі.
Подача газу в камеру згоряння ЦВП здійснюється через завихрювач по
кільцевому колектору. У колекторі були виконані три ряди сопел у вигляді
отворів Ø28 мм, другий ряд сопел складався з двадцяти шести отворів
діаметром Ø 13 мм і третій з вісімдесяти шести сопел діаметром Ø 6 мм.
Для спалювання нафти кожен передтопок обладнаний низьконапірною
відцентровою багатосопловою форсункою. Розпалювання передтопків на газі
і нафті здійснюється за допомогою електротермічного запальника (ЕТЗ).
При навантаженнях котла приблизно 60-80 т/год працює верхній
передтопок, при навантаженнях понад 80 т/год – два передтопки. Робочий
діапазон був встановлений під час пусконалагоджувальних випробувань.
Характер газового факелу, що спостерігався при розпалюванні, мав такі
візуальні характеристики: основне згоряння відбувалося в печі, всередині
передтопки був синювато-білий вихор у вигляді порожнистого циліндра по
діаметру завихрювача, який конічно розширювався до виходу з передтопки, як
показано на рисунку 2.2. Збільшення навантаження на котел і розрідження в
топці сприяли зміщенню факела з камери передтопка в топку котла. Форма
факелу була практично кільцева, факел притискався до стикового екрану і
бічних екранів, при цьому центр топки не заповнювався факелом. Газ, що
подавався в центральну зону передтопку, виходив окремим потоком, не
змішуючись з пристінним шаром повітря. Окислювальні процеси протікали за
передтопками в двох-трьох діаметрах від пережиму, при цьому надходження
гарячих димових газів в передтопок не відбувалося. Окремі ковзання полум'я
на межі перетискання призводили до пульсацій факелу, спроба знизити
витрату повітря на прогрів обмуровки і створення стабільного ядра горіння в
передтопці не дала позитивного результату. З'ясувалося, що осьова подача газу
не забезпечує ефективного переднього сумішоутворення у всьому діапазоні
зміни тиску газу на передтопок (від 0,05 до 0,5 кгс/см2) [19].
Рисунок 2.2 – Горіння газу в ЦВП котла БКЗ-120-100
при осьовій подачі газу в ЦВП
З метою приведення техніко-економічних показників котла до
розрахункових були внесені конструктивні зміни на верхньому і нижньому
передтопках з подальшим дослідженням процесів сумішоутворення. У верхню
передтопку внесені такі зміни:
- перерозподілено повітря по обечайкам ЦВП за рахунок зменшення
висоти тангенціальних входів сопла hсп з 90 до 70 мм.
- змінена конструкція конуса (висота конуса зменшена на 80 мм за
рахунок збільшення кута нахилу);
- Змінена геометрія завихрювача. Завихрювач був оснащений
другим рядом лопаток (10 штук), а перший ряд з двадцяти лопатей був
перетворений в десятилопатковий ряд;
- в газовому колекторі відкриті отвори середнього вінця;
- в газовому колекторі в отвори першого вінця приварені вставки з
внутрішнім діаметром 10 мм;
- виконана додаткова подача газу по торцю – навколо завихрювача
по колу. Торцевий вхідний отвір виконаний у вигляді трубок діаметром 19 мм
під кутом 30º і діаметром 15 мм під кутом 15º, з конусною вставкою для
поліпшення розпилення.
Вигоряння газу в передтопці помітно покращилося в діапазоні
навантажень від 25 до 70% від номінального, а форма і структура факела стала
схожа мазутному, що показано на рисунку 2.3.
Рисунок 2.3 – Горіння газу у верхній передтопці при осьовію і торцевій
подачі газу в ЦВП
У нижню передтопку були внесені такі зміни:
- перерозподіл повітря по обічайкам ЦВП за рахунок зменшення
висоти тангенціальних соплових вводів з 90 до 70 мм на чотирьох бічайках. На
останніх двох обічайках висота насадок зменшується до 40 мм;
- змінено конус в торцевій вихровій камері передтопка (висота
конуса зменшена на 80 мм);
- в конусі виконані три прямокутних вікна довжиною 150 мм і
шириною 40 мм для придушення зони ежекції в кореневій (центральнії)
області завихрювача;
- в газовому колекторі відкриті отвори середнього вінця;
- в газовому колекторі в отвори першого вінця були приварені
вставки з внутрішнім діаметром 19 мм;
- в газовому колекторі організована додаткова подача газу через
торцеві сопла. Сопла виконані з трубок з дисковими розпилювачами,
зовнішній вигляд яких показаний на рисунку 2.4 а.
Будова і форма факела сильно відрізняється від верхньої предтопки, що
наочно показано на рисунку 2.4 б. Обране введення газу дозволило
використовувати ближньоторцеві завихрення для поліпшення
сумішоутворення в момент займання.
а) б)
Рисунок 2.4 – Горіння газу в нижній передтопці при осьовій і торцевій подачі
газу: а – торцеві сопла з дисковими розпилювачами;
б – факел нижнього передтопку
За рахунок зменшення висоти тангенціальних входів повітряного сопла
збільшилася швидкість руху повітря через них, що дозволило перерозподілити
витрати повітряного потоку: збільшити витрату повітря до обічайку ЦВП і
зменшити її в останніх двох. Дослідження розподілу повітря по обічайках ЦВП
[19] показали, що збільшення витрати повітряного потоку в оболонку ЦВП
виявилося доцільним і наблизило величину витрати повітряного потоку до
проектних значень. З урахуванням процесу горіння в передтопці по розходним
характеристиками між повітряними обічайками перерозподіл становить ≈4%.
Пусконалагоджувальні випробування котельного агрегату проводилися
при спільній роботі передтопків на газові при навантаженнях 73% і 90% від
номінальних і при максимальних. Одиночна робота верхнього передтопку
досліджувалася при навантаженнях 43% і 52% від номінальних, нижнього на
44% і 60% від номінального і при максимальному навантаженні.
Дослідження рівнів максимальних теплових потоків в топці котла БКЗ120-
100 до і після модернізації [20] за результатами зондування показали, що
максимальний рівень теплових потоків в топці котла на 25-30% нижче в
порівнянні зі значеннями до модернізації, тобто при згоранні за допомогою
пальника. Збільшення продуктивності котла до 146 т/год було досягнуто за
рахунок інтенсифікації тепломасообміну в камері печі та заміни ПВН на
додатковий ступінь водяного економайзера. Заміна восьми пальників на котлі
БКЗ-120-100 на циклонні передтопки розширила діапазон управління підвищила
надійність роботи котла зі значними спрощеннями експлуатації і зниженням
викидів NOх [21]. Конструктивна особливість циклонного передтопку виключає
необхідність використання підігрівача повітря, при цьому з'являється можливість
розміщення додаткових поверхонь нагріву в конвективному тракті, що
призводить до значного збільшення потужності і економічності котла. Опір
повітряного тракту, після виключення з нього повітронагрівача, дозволяє знизити
питомі витрати на тягу і дуття на 15% і використовувати той же вентилятор при
більш високих навантаженнях (див. Рис. 2.5). Дані, представлені в таблиці 2.1,
дозволяють зробити висновок про ефективність проведеної модернізації.
Таблиця 2.1 – Техніко-економічні параметри котла БКЗ-120-100 до і після
модернізації
Параметр
��
Варіант D t α �� ����
��
пп вуг вуг бр
(при α=1,4)
т/год ºС - % мг/м3
Проект заводу 120 157 1,18 91,5 -
Перед модернізацією 113 159 1,38 92,6 160
Проект модернізації 140 174 1,25 91,2 125
Після модернізації 146 166 1,25 92,2 81
Рисунок 2.5 – Питомі витрати на тягу і дуття
З аналізу результатів випробувань можна зробити наступний висновок –
торцева роздача газу є більш прийнятна (в порівнянні тільки з осьовою), так як
паливо, потрапляючи в зону переходу від квазітвердого до квазіпотенційного
1
обертання по радіусу ≈ �� , рівномірно розподіляється по всій камері
2
згоряння. Дуже важливо відзначити, що при такій подачі газу по максимуму
використовуються торцеві перетоки, які дають стійке вигоряння газу в корені
факелу на місці виході осьового повітря.
Аналіз складу газів на виході з котла показав зниження надлишку повітря
до 1,25 при максимальному навантаженні котла 146 тон пари на годину.
Зниження концентрації NOх, показане на рисунку 2.6, показує, що процес
горіння краще організований в нижній передтопці, і це обумовлено
оптимізацією подачі тангенціального повітря до передостанньої і останньої
обічайки (за рахунок зміни висоти входів сопла). Детальне вивчення ефекту
розподілу повітря по довжині передтопку на зі швидкістю повітря на виході з
сопел дозволило значно поліпшити згоряння газу. У зв'язку з цим була
висловлена пропозиція роздавати частину газу через соплові коробки
тангенціального введення повітря [22].
Рисунок 2.6 – Зміна концентрації NOх в димових газах
2.2 Модернізація водогрійного котла ПТВМ-100
Удосконалення конструкції ЦВП було продовжено на котлоагрегаті
ПТВМ-100, який є першим модернізованим водогрійним котлом з ЦВП, в
якому газ спалюється як основний вид палива.
Водогрійні котли ПТВМ-100 мають стандартне рішення: димохід
розміщується на рамі; топка оснащена шістнадцятьма пальниками,
розташованими зустрічно в два яруси на задньому і фронтальному екранах
топки, кожний пальник оснащений індивідуальним вентилятором. Робота
котла на природній тязі характеризується підвищеною чутливістю до якості
процесу горіння як з точки зору підсосів холодного повітря, так і по витратам
потоку повітря, що подається. У зв'язку з великою кількістю пальникових
пристроїв (шістнадцять газомазутних пальників ГМГ-10) і дуттьових
вентиляторів автоматизація котлів трудомістка і дорога.
До модернізації котел ПТВМ-100 мав такі недоліки:
- максимальна продуктивність котла була обмежена тягою на рівні
90 Гкал/год на початку опалювального періоду у вересні при температурі
повітря tпв від 0 до 5ºС;
- фактичний середньорічний коефіцієнт корисної дії брутто котла
був на 2% нижчим за стандартний;
- середній термін служби топочних поверхонь становив 3 роки, а
нижнього конвективного блоку – 2 роки.
Конструктивне рішення передбачало заміну шістнадцяти пальників і
шістнадцяти дуттєвих вентиляторів на дві передтопки одиничною потужністю
65 МВт кожний на бічних екранах топки на позначці 5950 мм, що схематично
показано на рисунку 2.7. На котлі були встановлені два дуттєвих вентилятора
ДВ-17 з індивідуальним принципом роботи для кожного передтопку. Трубна
система топкової камери реконструйована. Кут розкриття поду зменшений з
45º до 15º. У верхній частині печі встановлений додатковий пакет труб
діаметром Ø38х3 мм, який виконує дві техніко-економічні задачі: підвищення
єкономічності котла і зміну його енергетичних характеристик з пікових на
практично основні; підвищення надійності нижнього пакета труб діаметром
Ø28х3 мм за рахунок екрануючої здатності більш надійного пакета труб
діаметром Ø38х3 мм. В розрахунковому варіанті очікується приріст ККД
брутто котла з 88 до 92%.
а) б)
Рисунок 2.7 – Водогрійний котел ПТМВ-100: а – схема котла до модернізації;
б – схема модернізованого котла
Повітря на горіння подається з температурою, що дорівнює температурі
оточуючого середовища. Подача газу в камеру згоряння була виконана
комбінованою – аксіальна, торцева і тангенціальна – з незалежними
газопроводами і розподільними колекторами. Таким чином, реалізована
комбінована подача газу на спалювання з можливістю регулювання і
від'єднання будь-якого входу газу [23]. Конструкція газового передтопка
потужністю 65 МВт водогрійного котла ПТВМ-100 показана на рисунку 2.8.
Рисунок 2.8 – Газовий ЦВП потужністю 65 МВт котла ПТВМ-100:
1 – камера згоряння ЦВП; 2 – сопла тангенціального введення повітря в
камеру згоряння ЦВП; 3 – аксіальний завихрювач осьового введення повітря;
4 – сопла тангенціального введення газу; 5 – сопла торцевого введення газу;
6 – сопла осьового введення газу; 7 – багатосоплова відцентрова форсунка
Газ в камеру згорання ЦВП подається на завихрювач по кільцевому
осьовому колектору через двадцять чотири соплових газових отвори діаметром
11 мм.
Газ змішується з повітрям, і закручується в десятилопаточному
аксіальному завихрювачі, і подається в камеру згоряння передтопка, де
змішується з газом, що подається через торцеві сопла. Торцевий колектор
розподіляє газ через один ряд осьових сопел діаметром 19 мм в кількості
двадцяти п'яти штук. Частина газу подається в аеродинамічні сопла камери
згоряння тангенціально. Для цього в другі і треті повітряні тангенціальні сопла
були введені три газові трубки діаметром 38х3 мм. Для дослідження впливу
тангенціального підводу газу на сумішоутворення з повітрям було виконано
одностороннє введення газу через повітряні трубки-сопла, хоча в ЦВП котла
реалізовано чотирьохстороннє тангенціальне підведення повітря.
Вид ЦВП зсередини котла, де видно завихрювач, торцеві і тангенціальні
сопла, показаний на рисунку 2.9.
2
3
1
Рисунок 2.9 – Вид на ЦВП А з топки котла ПТВМ-100: 1 – аксіальний
завихрювач осьового вводу повітря і газу; 2 – сопла тангенціального вводу
газу; 3 – сопла торцевого вводу газу
Для спалювання дизельного палива в якості резервного кожний
передтопок оснащений відцентровою багатосопловою форсункою низького
тиску (див. п. 7 на рисунку 2.8).
В результаті проведених робіт було отримано значне поліпшення умов
вигоряння газу, що було досягнуто за рахунок удосконалення конструкції
передтопку, а саме розробки системи тангенціальної подачі частини газу в
камеру згоряння. Остаточні результати випробувань котлів, представлені в
таблиці 2.2.
Також були виконані роботи з аналізу техніко-економічних показників
котельного агрегату і, зокрема, по вивченню роботи передтопку з
трьохпотоковою подачею газу (тангенціально, аксіально і через торцеві сопла).
Основною метою дослідних робіт [24] було визначення оптимальних
режимів роботи котельної установки при комбінуванні газу, що вводиться в
ЦВП, і вивчення змішування газу з повітрям. З цією метою в період планового
ремонту були проведені монтажні роботи на лівій передтопці А, що дозволили
провести пневмометричні дослідження в камері згоряння передтопка [14].
Зовнішній і внутрішній вигляд підготовленого до дослідження передтопка,
показані на рисунку 2.10.
2
1
2
1
Рисунок 2.10 – Підготовлений до дослідження ЦВП А:
1 - пневмометричний зонд; 2 – досліджувані перетини
Для вивчення впливу режимних умов вводуи газу в ЦВП на ефективність
роботи котельної установки були проведені експериментальні комбінації
подачі газу в камеру згоряння [11]. Результатами оптимальної роботи котла
стали не тільки задовільні значення техніко-економічних показників, а й умови
для утворення факела в топці котла. Умови експлуатації і трьохстороння подача
газу сприяють створенню і регулюванню довжини факела, що виходить з ЦВП
в топку. Збільшення осьової і торцевої подачі витрати газу утворює
короткофакельне розкриваюче полум'я, подальше відкриття якого призводить
до «прилипання» факела до екранних поверхонь. Найбільш прийнятним і
оптимальним варіантом є робота топки при взаємодієї довгофакельних
зустрічних потоків полум'я, що утворюються з ЦВП. Досягнення оптимальної
структури факелу в топці котла супроводжувалося регулюванням режиму
роботи.
Таблиця 2.2 – Результати випробувань модернізованого котла ПТВМ-100
Одиниця
Найменування Фактична величина
вимірювання
індикатора 2 ЦП 1 ЦП
Тестовий блок - Водогрійний котел ПТВМ-100
Паливо - Природний газ
Теплове
Гкал/год 106 97 88 74 55 45 32
навантаження
Витрата води т/год 1470 1470 1470 1460 1450 1480 1450
Тиск води на
кг/см2 16 16 16 16 16 16 16
вході
Тиск води на
кг/см2 15 15 15 15 15 15 15
виході
Температура
ºС 55 55 54 54 53 52 52
води на вході
Температура
ºС 127 121 114 105 91 82,5 74
води на виході
Розрідження у
кг/м2 20 20 25 25 30 30 30
верху топки
Температура
ºС 132 125 116 109 94 88 76
димових газів
Температура
холодного ºС -10 -10 -8 -8 -5 -5 -5
повітря
Втрати тепла
при з газами, що % 6,7 6,43 5,85 5,49 4,62 4,34 3,75
відходять, q2
Втрати тепла в
навколишнє % 0,1 0,11 0,12 0,14 0,19 0,23 0,33
середовище q5
ККД (брутто) % 93,2 93,4 94,0 94,3 95,2 95,4 95,9
Витрата палива м3/год 17360 15870 14340 12050 8850 7250 5100
Нижня теплота ккал/ /Нм3
8531
згорання
Густота кг/нм3 0,7666
Об'єм топки
м3
244
котла
Глибина топки мм 6230
Ширина топки мм 6400
Відмітка
розміщення мм 5250
ЦВП
Продовження таблиці 2.2
Одиниця
Найменування Фактична величина
вимірювання
індикатора 2 ЦП 1 ЦП
Кількість
працюючих шт. 2 2 2 2 1 1 1
передтопок
Тиск
природного
кгс/см2 0,395 0,325 0,266 0,26 0,39 0,265 0,2
газу перед
передтопками
Споживання
природного м3/год 17360 15870 14340 12050 8850 7250 5100
газу
Тиск повітря:
перед
передтопком A кгс/м2 135 125 95 75 100 75 30
перед
передтопком B 145 140 100 85 0 0 0
Температура
повітря перед ºС -10 -10 -8 -8 -5 -5 -5
передтопкоми
Мінімальний
коефіцієнт
надлишку - 1,21 1,22 1,21 1,2 1,19 1,19 1,18
повітря в
режимній топці
Вміст оксиду
вуглецю в
сухих
мг/м3 100 30 80 150 110 120 200
продуктах
згоряння (при
α=1,4)
Вміст оксидів
азоту (NOx) в
сухих
мг/м3 120 115 112 110 98 95 90
продуктах
згоряння (при
α =1,4)
Рівень звуку дБ А 82 - - - 77 - -
Таким чином, були визначені режими з тиском газу по вводам і тиском
повітря, що подається в передтопку для спалювання, що дозволило
забезпечити найбільш ефективні режими спалювання газу при оптимальних
показниках котельної установки [14], а саме:
• режим 1 – подача газу через тангенціальний, торцевий і осьовий
входи (комбінований);
• режим 2 – подача газу через тангенціальний вхід (з організацією
мінімальної подачі частини газу через осьовий вхід);
• режим 3 – подача газу через торцевий і осьовий вхід.
Результати режимно-налагоджувальних випробувань на котлі ПТВМ-100
при суміщенні впорскування газу в камеру згоряння передтопку зведені в
таблицю 2.3. Комбінована подача газу в камеру передтопку дозволила
отримати найбільш ефективний режим горіння при роботі котла в основному
діапазоні навантажень [25].
Таблиця 2.3 – Основні показники ефективності роботи котла ПТВМ-100
Режим 1 Режим 2 Режим 3
Показник
2 ЦВП 2 ЦВП 2 ЦВП
Теплове навантаження, Qk, 89 89 89
Гкал/год
Коефіцієнт надлишку повітря
1,3 1,46 1,4
відпрацьованих газів, α
Температура відпрацьованих газів,
137 140 145
tг, ºС
Вміст NOх при α=1,4, мг/м3 55 60 62
Вміст СО при α =1,4, мг/м3 9 15 16
ККД брутто котла, ��бр, % 93,7 93,55 93,4
В процесі експлуатації котельної установки ПТВМ-100 з ЦВП основні
показники ефективності її роботи покращилися в порівнянні з котлом,
оснащеним пальниками, а саме:
- потужність котла збільшилася за рахунок більш ефективного
спалювання палива при мінімальному надлишку повітря. Котел здатний
видавати номінальну потужність 100 Гкал/год. Збільшення потужності на
ПТВМ-100 було досягнуто за рахунок розміщення додаткових поверхонь
нагріву в об’ємі печі і збільшення обсягу топки;
- покращилося сприйняття тепла в топці, так як сумішоутворення і
процес формування факелу здійснюються в основному в ЦВП [26]. Поліпшене
сприйняття тепла дозволяє знизити температуру газів, що відходять до 109-76ºС
при мінімальних навантаженнях і до 150ºС при максимальному навантаженні
(при стандартному значенні температури відпрацьованих газів 185°С);
- ККД котла підвищився за рахунок низького надлишку повітря і
відсутності хімічного недопалювання. Експлуатаційний ККД брутто котла
ПТВМ-100 варіюється в діапазоні від 93,2 до 94,3% (стандартний ККД котла в
заводському виконанні становить 88,6%);
- екологічні характеристики котла були поліпшені за рахунок
зниження викидів NOx на 30-50% і виключення продуктів неповного згоряння
палива за котлом. Вміст оксидів азоту [27] на котлі вдалося знизити при α=1,4
до 33 мг/м3;
- спростилися управління та експлуатація котельною установкою.
Крім визначення оптимальних режимів роботи котла при комбінованому
введенні газу була вивчена аеродинаміка циклонно-вихрової камери котла
ПТВМ-100, визначалися гідродинамічні характеристики при холодній (без
спалювання природного газу) і при гарячій продувках (при спалюванні
природного газу в КЗ ЦВП) [28]. Схема ЦВП котла ПТВМ-100 з розташуванням
експериментальних перерізів і основними розмірами показана на рисунку 2.11.
Калібр ЦВП на котлі ПТВМ-100 ?̅? дорівнює 1,0. Довжина камери
згоряння передтопки L=1750 мм, діаметр камери згоряння D=1750 мм. Заміри
проводилися в трьох перерізах. Для дослідження був виготовлений
дослідницький циліндричний зонд [29], який дозволив виміряти швидкість
(динамічний тиск) вихрового потоку за допомогою пневмометричного методу
[30], напрямок вихрових «холодних» і «гарячих» потоків, статичний тиск і
температура потоку.. Навантаження котельного агрегату при трьох режимах
комбінації вводу газу в КЗ ЦВП становило 89 Гкал/год.
Рисунок 2.11 – Схема ЦВП котла ПТВМ-100 з розташуванням
експериментальних перерізів і основними розмірами
Вихровий рух потоку характеризується головним чином профілем зміни
тангенціальної складової швидкості ����. На рисунку 2.12 показана зміна ���� в
об'ємі камери при спалюванні природного газу при різних умовах подачі (три
режими) в порівнянні з продувками без горіння.
Аналізуючи графіки, можна виділити наявність областей, в яких
швидкість зростає від стінки, а потім зменшується до нульових значень у
напрямку до осі. Ці області утворені як «гарячими», так і «холодними»
вихорами і відокремлені один від одного максимальними тангенціальними
швидкостями і називаються, відповідно, областю квазіпотенціального і
квазітвердого обертання. При тангенціальному введені газу (режим 1, режим 2)
біля стінки зразу спостерігається зростання ���� . У цій зоні газ змішується з
повітрям з подальшим згорянням. Найбільша деформація ядра вихрового
потоку спостерігається при осьовому нагнітанні газу (режим 3). Наявність
скручування потоку підтверджується профілем зміни тангенціальних
швидкостей як «гарячих» вихорів у всіх режимах, так і «холодного» вихору, але
процес горіння впливає на зміну ����, зменшуючи ступінь скручування потоку в
осьовій зоні за рахунок збільшення осьової складової швидкості потоку.
Рисунок 2.12 – Зміна ���� в КЗ котла ПТВМ-100:
а – режим 1; б – режим 2; в – режим 3; RЗ – радіус завихрювача; RТ – радіус
торцевих сопел; RП – радіус пережиму
Інтенсивність протікання «холодних» і «гарячих» вихорів в топку котла
чітко відображає зміну осьової складової вектору швидкості Wх по радіусу
камери ЦВП (рис. 2.13). Осьова швидкість «холодного» вихору на трьох
перерізах має однаковий характер зміни, а саме: Wх зростає з 0-6 м/с в
пристінній зоні до 10-15 м/с при радіусі 200-500 мм і не перевищує 5-7 м/с в
осьовій області передтопку. Швидкість гарячого потоку по мірі наближення до
виходу із передтопка суттєво збільшується. Збільшення Wх «гарячого» вихору
в осьовій частині передтопки в 2÷7 разів, відповідно, перевищує значення Wx
«холодного» вихору.
Збільшення швидкості «гарячих» вихорів пояснюється тим, що в процесі
згоряння палива обсяг середовища збільшується як мінімум в чотири рази, що
викликає необхідність осьового виштовхування потоку з камери згоряння в
топку котла, тим самим істотно змінюючи скручування потоку в приосьовій
області, перетворюючи його в основному в прямоточний потік.
Зміна температури потоку показана на графіках, представлених на
рисунку 2.14. Слід зазначити, що максимальні значення тангенціальної
складової швидкості практично збігаються зі збільшенням температурних
значень в області стінки, а максимальні значення осьової швидкості зростають
у міру зростання температури потоку на площі, що утворилася по радіусу від
осі до точки перетискання (радіус защемлення Rn дорівнює 630 мм).
Рисунок 2.13 – Зміна Wх в КС ЦВП котла ПТВМ-100:
а – режим 1; б – режим 2; в – режим 3; RЗ – радіус завихрювача; RТ – радіус
торцевих сопел; RП – радіус пережиму
Збільшення тангенціальної складової швидкості в квазіпотенційній
області обумовлено активним процесом перемішування і початком згоряння
паливно-повітряної суміші. При подачі газу аксіально і через торцеві сопла –
режим 3, збільшення тангенціальної складової швидкості ���� аналогічно
профілю зміни ���� холодного закрученого потоку в квазіпотенційній області,
так як процес горіння починається на радіусі ≈500 мм, а в Температура
закрученого потоку істотно не змінюється від 60 до 100°С що показано на
рисунку 2.14 в.
Рисунок 2.14 – Зміна температури горіння закрученого потоку в КС
ЦВП котла ПТВМ-100: а – режим 1; б – режим 2; в – режим 3; RЗ – радіус
завихрювача; RТ – радіус торцевих сопел; RП – радіус пережиму
Інтенсивність виділення тепла визначається швидкістю згоряння.
Підвищення температури в ЦВП дозволяє досягти максимального згоряння
палива в передтопковому об’ємі. Утворена таким чином сильно
турбулізований факела сприяє ефективному теплообміну з
теплопоглинаючими поверхнями топкового об'єму [20], що визначає основну
перевагу циклонно-вихрового горіння. Максимальні температури гарячого
закрученого потоку за результатами досліджень становлять:
- 570-600 °C для режимів 1 і 2;
- 640 °C для режиму 3.
Необхідність підтримки високої температури в камері передтопка для
успішного процесу горіння пояснюється тим, що при низьких температурах
важко домогтися повного згоряння природного газу. Наведені на рисунку 2.14
температурні значення палаючого закрученого потоку в ЦВП котла ПТВМ-100
свідчать про неповне згоряння основної частини газу в передтопку. При цьому
процес горіння прискорює переміщення закрученого потоку з передтопки в
топку котла, скорочуючи час перебування недогорівшої паливно-повітряної
суміші в передтопці. Подальше змішування газу і продуктів згоряння з
окислювачем дозволяє частинам палива і оксидам вуглецю згоріти вже в об’ємі
топки котла. Оксид вуглецю змішуючись з окислювачем О2 згорає в печі з
виділенням великої кількості тепла Q [31], перетворюючись в вуглекислий газ
СО2:
2CO+O2=2CO2+Q (2.1)
Про ефективність роботи котельної системи свідчить вміст СО у
відпрацьованих газах за котлом, який при α=1,4, становить лише від 9 до 15
мг/м3.
Процес неповного згоряння паливно-повітряної суміші в передтопці в
умовах аеродинаміки топки котла викликає утворення місцевих відкладень
сажі на екранних трубах. Про це свідчить стан бічних екранів печі зліва від
ЦВП А і праворуч від ЦВП Б, що добре видно на рисунку 2.15. Слід зазначити,
що такі умови виникають при роботі котла на максимальних навантаженнях, а
також при запуску котла.
При пуску котла з холодного стану не рекомендується включати
тангенціальну подачу газу в ЦВП протягом перших 30 хвилин, так як стінки
КЗ ЦВП поступово прогріваються і тим самим знижують температуру факела,
що призводить до неповного згоряння газу. Локальні ділянки проекції оксиду
вуглецю на екранні поверхні показані на рисунку 2.15.
а) б)
Рисунок 2.15 – Стан бічних топочних екранів котла ПТВМ-100:
а – зліва від передтопку А; б – праворуч від передтопку Б
При максимальних навантаженнях котла трубки діаметром 38х3 мм, що
розподіляють газ тангенціально, не забезпечують повного перемішування
максимальної витрати газу з повітрям в передтопкі навіть при високих
швидкостях газу ≈ 70 м/с. Основне і найкраще потоку газу з окислювачем
проходить на границі взаємодії газових середовищ (повітряної і топливної), де
і відбувається горіння. Змішування центральної частини газового струменя з
недостатньою кількістю окислювача сприяє генерація оксиду вуглецю СО,
реакція окислення якого описується рівнянням:
2C+O2=2CO (2.2)
При виштовхуванні закрученого потоку в топку котла виникає
заповнення простору топки і ділянок біля екранних поверхонь, де локально
(див. Рис. 2.15) і виникає накидання на екрани оксиду вуглецю закрученим
потоком. З урахуванням різниці температур теплоносія в екранних трубках і
факелу створюються зони з низьким рівнем температури, де при низькій
локальній концентрації кисню (О2 = 0-2%) створюються умови для
відновлення діоксиду вуглецю (СО2) до оксиду вуглецю:
C+CO2=2CO (2.3)
Реакція носить ендотермічний характер, і вже при температурі полум'я
800ºС і нижче ступінь перетворення СО2 в СО досягає 80% при викиданні
оксиду вуглецю на екрани (див. Рис. 2.15) [18].
Рівномірний розподіл газу по всіх тангенціальних повітряних соплах в
процесі згоряння дозволить посилити тепломасообмін палива і повітря в ЦВП
і домогтися повного згоряння в об’ємі КЗ ЦВП, що є головною перевагою
циклонно-вихрового спалювання в порівнянні з пальниковим методом.
Важливим результатом, отриманим після модернізації газового
водогрійного котла ПТВМ-100, є те, що визначена можливість організації
ефективного комбінованого спалювання газу в діапазоні температур холодного
повітря від мінусових значень до плюс 30°С з високою енергетичною та
екологічною ефективністю. Збільшилася потужність котельного агрегату,
спростилася схема управління котлом. Автоматика котла ПТВМ-100 дозволила
максимально спростити режими регулювання навантаження, в той час як
автоматика шістнадцяти пальників на котлі не тільки більш витратна, але і
менш функціональна при автоматичному запуску котла.
В ході досліджень, проведених на котлі, були отримані наступні
результати [32]:
- досліджено, як відсоткове співвідношення газу, що вводиться в
камеру згоряння з різних сторін, впливає на утворення факелу в топці котла;
- визначено режими оптимального співвідношення між різними
входами газу;
- досліджено умови початку горіння та подальшого розвитку
процесу горіння в КЗ ЦВП;
- досліджено ділянки руху вихрового потоку та визначено ділянки
майже прямого руху потоку в передтопці;
- оцінено переваги тангенціального введення газу, а також виявлено
недоліки одностороннього тангенціального впорскування газу.
Перевагою модернізованого котла є також збереження цілісності
внутрішньої обмуровки передтопків за довгі роки експлуатації.
2.3 Удосконалена конструкція промислового циклонно-вихрового
передтопка для спалювання природного газу
В результаті модернізації парового котла БКЗ-120-100 і водогрійного котла
ПТВМ-100 встановлено, що в вихрових передиопках за рахунок аеродинамічної
схеми забезпечується досить ефективне спалювання палива, що практично
повністю виключає можливість утворення внутрішньотопкових і
внутрішньотрубних відкладень, характерних для високотемпературних процесів
горіння. Багатоступінчаста комбінована схема подачі повітря забезпечує низький
опір циклонного передтопку (до 2000 Па), хорошу маневреність котла, високу
ефективність процесу згоряння і широкий діапазон регулювання навантаження
(від 10 до 100%). Двоступеневе спалювання газу не вимагає від топочного об’єму
котла спеціальних заходів для сумішоутворення і розпалювання. Продукти
згоряння в основному реагують до виходу з передтопки за екологічно
ефективною схемою поетапної подачі повітря в камеру згоряння. У топковому
об’ємі котла завершується згоряння газу і відбувається охолодження продуктів
згоряння, що закінчується в конвективних пакетах.
З урахуванням результатів досліджень і досвіду експлуатації котлів БКЗ-
120-100 і ПТВМ-100 була розроблена вдосконалена конструкція ЦВП
потужністю 65 МВт з повітряним охолодженням і комбінованою генерацією
вихрового руху в КЗ, представлена на рисунку 2.16. Основне паливо, що
спалюється – природний газ, резервне – мазут.
Конструкція ЦВП забезпечує ефективне змішування повітря і газу.
Подача повітря здійснюється через розподільний повітряний короб (поз. 1 на
рисунку 2.16) в камеру згоряння ЦВП (п. 2 рис. 2.16) двома основними
потоками – аксіально і тангенціально. Аксіально (близько 25% від загального
обсягу повітря) повітря подається через торцеву повітряну камеру (поз. 3 на
рисунку 2.16) з закручуванням повітря в завихрювачі (поз. 4 на рисунку 2.16),
а тангенціально (близько 75% від загального обсягу повітря) розподіляється
через сопла тангенціального входу (поз. 5 на рисунку 2.16). Комбінована
подача повітря дозволяє значно знизити аеродинамічний опір ЦВП.
Повітря нагрівається при проходженні в «равлику» (поз. 15 на рис. 2.16)
за рахунок відведення тепла від зовнішньої поверхні обмуровки (поз. 14 на
рисунку 2.16) камери згоряння ЦВП (поз. 2 на рисунку 2.16). Потрапляючи в
камеру згоряння через тангенціальні сопла, повітря створює пристінну завісу,
що оберігає цегляну кладку обмуровки від перегріву і руйнування.
Газоподібне паливо подається в камеру згоряння на 70% через
тангенціальні входи сопла (поз. 8 на рисунку 2.16), на 20% через сопла
торцевого входу газу (поз. 10 на рисунку 2.16) і на 10% через осьові сопла
впорскування газу (поз. 11 на рисунку 2.16). Тангенціальні соплові входи
виконані з шістнадцяти сталевих трубок з внутрішнім діаметром 25 мм.
Газомазутний ЦВП оснащений багатосопловим відцентровою мазутною
форсункою (поз. 13 на рисунку 2.16) для спалювання резервного палива –
мазуту. Від тангенціального колектора (поз. 9 на рисунку 2.16) відходять
чотири лінії для розподілу газоподібного палива через сопла тангенціального
входу газу (поз. 8 на рисунку 2.16). Через торцевий колектор (п. 12 рис. 2.16)
газ рівномірно подається в торцеву і осьову частини ЦВП. Згоряння паливно-
повітряної суміші відбувається в камері згоряння з подальшим виходом
продуктів згоряння і незгорілого палива через виходну амбразуру – пережим
(поз. 6 на рисунку 2.16) в топку котла, для чого виконано розведення екранних
труб котла (поз. 7 на рисунку 2.16).
Описана конструкція ЦВП була взята за основу для модернізації
котельних установок КВГМ-100-150.
Вузол I Вузол II
Рисунок 2.16 – Конструкція газо-мазутного ЦВП потужністю 65 МВт
(поперечний і поздовжній розрізи): 1 – розподільчий короб повітря;
2 – камера згоряння; 3 – торцева вихрова камера; 4 – аксіальний завихрювач;
5 – сопла тангенціального введення повітря; 6 – пережим; 7 – поверхні
нагріву котла; 8 – сопла тангенціального введення газу; 9 – тангенціальний
газовий колектор; 10 – сопла торцевого введення газу; 11 – сопла осьового
введення газу; 12 – торцевий газовий колектор; 13 – багатосоплова
відцентрова форсунка; 14 – обмуровка; 15 – «Равлик»
2.4 Результати модернізації водогрійних котлів КВГМ-100-150
Модернізація котлів КВГМ-100-150 проводилася за проектами, які
враховують конструктивні та експлуатаційні особливості даного типу котлів
[33]. Конструктивне рішення модернізації КВГМ-100-150 передбачає заміну
трьох пальників РГМГ-30 на дві передтопки потужністю 65 МВт кожна на
бічних екранах топки [3], схема наведена на рисунку 2.17.
рисунок 2.17 – Водогрійний котел КВГМ-100-150: 1 – ЦВП; 2 – конвективні
поверхні нагріву; 3 – пневмоімпульсне очищення
Було прийнято рішення розподіляти природний газ в КЗ ЦВП з
використанням вдосконаленої циклонно-вихрової технології, як показано на
рисунку 2.16, зі збереженням існуючої системи подачі мазуту в котли в якості
резервної. На котлах розроблена і впроваджена циркуляційна схема
«протипоточка», яка показана на рисунку 2.18, з можливістю переходу на
прямий потік шляхом включення запірної арматури на вході/виході мережевої
води в котел. Ця схема дозволить суттєво збільшити ККД котла при пікових
режимах роботи. З'ясувалося, що експлуатацію котла КВГМ-100-150 за
схемою «протитечія» не рекомендується проводити при навантаженнях менше
70% від номінальних і при температурі води в мережі нижче 70°С через
конденсацію водяної пари в останньому конвективному пакеті. З метою
підвищення надійності роботи котлів при змінних режимах циркуляції води
протягом опалювального сезону всі конвективні поверхні нагріву виконані з
труб dу=32мм.
Рисунок 2.18 – Схема циркуляції «протипоточна»
Виявлено конструктивну особливість цього типу котельних установок,
яка проявляється під час їх експлуатації. Область примикання промекрану є
«слабким елементом», в цій зоні відбуваються перетоки продуктів згоряння з
топки в конвективну шахту котла, про що свідчить підвищення температури в
міжтрубному просторі до 650 °С, яке показане на рисунку 2.19, і відмічається
значне підвищення температури обмуровки котла до 90 °С (рисунок 2.20). У
свою чергу, це призводить до часткового, а при високих значеннях розрідження
до значних перетоків продуктів згоряння з високою температурою і масовою
концентрацією оксидів азоту в конвективній вихідній частині котла. Тому
важливо своєчасно проводити ремонт ділянки примикання бічного екрану до
заднього екрану топки котла, а також стежити за розрідженням в топці, що
дозволяє підвищити ККД котлів.
Робочі значення техніко-економічних показників котлів, що працюють за
схемами «прямий потік» і «протитечія» на мазуті і газоподібному паливі
наведені в таблиці 2.4. Як видно з даних таблиці, експлуатаційна перевага
роботи котлів, що спалюють природний газ, в ЦВП за схемою «протитечія» в
порівнянні зі схемою «прямий потік» виражається в збільшенні ККД на 2 -
4,4%. При роботі котла за схемою «прямий потік» ККД котла становить 94,1%,
що вище нормативного значення ККД котла, що дорівнює 92,7% при роботі на
природному газі.
Рисунок 2.19 – Тепловізійне обстеження площі примикання бічного екрану
до заднього екрану топки котла КВГМ-100 -150 (вид через люк)
Рисунок 2.20 – Права бокова сторона котла КВГМ-100-150
- область примикання промекрану
Конструктивні рішення, реалізовані в ЦВП, дозволяють оптимізувати
сумішоутворення в камері згоряння ЦВП і домогтися значного зниження
оксидів азоту [34] в термонапруженому об’ємі передтопку. Нормативні питомі
викиди при α = 1,4 при спалюванні рідкого палива за вмістом оксиду азоту не
повинні перевищувати 250 мг/м3, а оксидів сірки не більше 2000 мг/м3.
Нормативні питомі викиди при α =1,4 при спалюванні природного газу в
перерахунку на оксиди азоту не повинні перевищувати 125 мг/м3.
Таблиця 2.4 – Експлуатаційні значення техніко-економічних показників котлів
Параметри Мазут Газоподібне паливо
Прямий Протитечія Прямий Протитечія
потік потік
Теплове навантаження, Q,
65-109 98 44,7-106 76,8-101,6
Гкал/год
Температура вихідних
134-175 124 102-156 74,6-86
газів за котлом, tвих, ºС
ККД брутто,��бр, % 90-91 93,9 91,7-94,1 95,79-96,1
Питома витрата умовного
158,73- 148,14-
палива, bпт.у.п, кг.у.т/Гкал 151,3 151,8-155,6
156,93 149,65
Коефіцієнт надлишку
1,17-1,37 1,4 1,11-1,49 1,11-1,16
повітря за котлом, α, -
Вміст оксидів азоту, CNOx
при α=1,4, мг/м3 150-237 - 83-120 -
Вміст оксиду сірки при
1691 - 1,2 -
α=1,4, CSOx, мг/м3
Дані вимірювань по вмісту NOx і SO2 наведені в таблиці 2.4. За
результатами досліджень можна зробити висновки, що удосконалена
циклонно-вихрова технологія дозволяє знизити викиди забруднюючих
речовин нижче нормованих значень на 10-25%. При спалюванні резервного
палива (мазут М-100) у ЦВП викиди забруднюючих речовин на 15-40% нижчі
за нормовані значення.
Режимні і технологічні заходи, що полягають в перерозподілі газових
потоків по вводах, є гарантованим механізмом відновлення оксидів азоту.
Результати показали, що концентрація оксидів азоту при α=1,4 у всьому
діапазоні навантажень не перевищує 125 мг/м3, а при організації вприску води
в камеру згоряння ЦВП CNOx знижується до 70 мг/м3 [21].
Для підвищення надійності та ефективності роботи котельної установки
були проведені роботи по автоматизації процесів розпалювання і ведення
режимів горіння на газоподібному і рідкому паливі.
РОЗДІЛ 3. ПОСТАНОВКА ДОСЛІДЖЕНЬ
ЗАКОНОМІРНОСТЕЙ ФОРМУВАННЯ
ВИХРОВОГО РУХУ В ЦИКЛОННО-ВИХРОВИХ
ПЕРЕДТОПКАХ
МКР 24.144.28 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Сабанський Р.Р. Розділ 3. Постановка досліджень Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Беспалько С.А.
закономірностей формування
Реценз.
вихрового руху в циклонно-
Н. Контр. ЧДТУ, МТЕ-35
Затверд. Калейніков Г.Є. вихрових передтопках
Розділ 3. Постановка досліджень закономірностей формування вихрового
руху в циклонно-вихрових передтопках
При спалюванні твердого палива і мазуту основою розрахункових
залежностей для вихрового потоку були дослідження без урахування впливу
горіння, так як вимірювання в таких умовах виконати дуже складно [3]. Як
правило, передбачалося, що холодне продування вихрових камер відображає
основні закономірності вихрового потоку при згорянні, що не вносить
принципових змін в розподіл усереднених параметрів закрученого потоку.
Спалювання газу значно спрощує вимірювання, тому в даній
магістерській кваліфікаційній роботі значна увага приділяється впливу
процесу горіння на структуру закрученого потоку.
3.1 Опис дослідної промислової установки і схеми вимірювань
Проведення досліджень по визначенню параметрів закрученого потоку
при горінні здійснювалося на промисловому ЦВП. Для проведення досліджень
підготовлений водогрійний котел КВГМ-100-150 [10]. Котел оснащений двома
вдосконаленими ЦВП потужністю 65 МВт кожен (див. рис. 2.16). Переведення
котла на спалювання газу дало можливість провести внутрішньоциклонні
дослідження при горінні. При спалюванні мазуту подібні дослідження були
суттєво обмежені, оскільки вони супроводжувалися залипанням імпульсних
отворів зонда палаючими краплями [3]. Для вивчення характеру зміни
параметрів закрученого потоку, що утворюється при згорянні газу, в
експериментальному ЦВП було змонтовано два отвори для введення
досліджуваного зонда. Схема ЦВП з розташуванням дослідних ділянок
наведена на рисунку 3.1. Довжина камери згоряння передтопки L=1460 мм,
діаметр D=1800 мм. Калібр ЦВП ?̅? дорівнює 0,81. Вимірювання проводилися
в двох перерізах. Перший переріз на відстані Х1, що дорівнює 510 мм
(безрозмірна відстань ̅̅��̅1 = ��1⁄�� = 0,283) від кінця КЗ ЦВП, друга на відстані
Х2, що дорівнює 990 мм (безрозмірна відстань ��̅̅ ̅2 = ��2⁄�� = 0,55) від торця.
Основні розмірні і відносні геометричні характеристики експериментального
ЦВП представлені в таблиці 3.1.
Рисунок 3.1 – Схема ЦВП котла КВГМ-100-150
з розташуванням дослідних перерізів
Для аналізу і порівняння параметрів закрученого потоку дослідження
проводилися в «холодному» і «гарячому» режимах роботи. Дослідження при
подачі повітря в ЦВП без процесу згоряння будуть називатися далі по тексту
«холодними» продувками, а при згорянні паливно-повітряної суміші в ЦВП і
котлі, відповідно, «гарячими» продувками. Подача повітря в камеру згоряння
котла ЦВП здійснювалася за допомогою дуттєвого вентилятора. Типи
механізмів тяги, що встановлюються на котел, і їх основні характеристики
наведені в таблиці 3.2. Подача повітря здійснювалася з приміщення котельної
станції та/або з навколишнього середовища. Тиск повітря на ЦВП регулювався
направляючим апаратом нагнітача і регулюючим шибером перед ЦВП.
Параметри повітря перед ЦВП при «холодних» продувках представлені в
таблиці 3.3.
Таблиця 3.1 – Геометричні характеристики експериментального ЦВП
Назва ЦВП котла КВГМ-100
Діаметр камери згоряння, D, мм 1800
Довжина камери згоряння, L, мм 1460
Об'єм КС передтопка, Vп, м
3 3,71
Діаметр пережиму, Dп, мм 1290
Діаметр завихрювача, Dз, мм 500
Діаметр ТВК, Dтвк, мм 900
Висота тангенціального сопла, hсп, мм 70
Кількість тангенціальних ввводів 4
Калібр КЗ ?̅? = ��⁄�� 0,81
Відносний діаметр пережиму dп = Dп / D 0,72
Таблиця 3.2 – Типи тягодуттєвого обладнання котла КВГМ-100-150
Назва КВГМ-100-150
Тип обладнання ВДН-18 ДН-22x2-0,62
Потужність двигуна, кВт 315 325
Продуктивність, м3/год 200 000 280 000
Частота обертання, об/хв 750 750
Кількість, шт 1 1
Таблиця 3.3 – Режим «холодної» продувки
Назва КВГМ-100-150
Статичний тиск повітря перед ЦВП, ��вимст , Па 490,3
(мм.вод.ст.) (50)
Динамічний тиск повітря перед ЦВП, ��вимдин , Па 31,4 (3,2)
(мм.вод.ст.)
Температура повітря, t
вим, °C від 10 до 12
Температура закрученого потоку, т, °С від 10 до 12
Витрата повітря, V 3 3
п·10 , м /год 34,720
Розрідження в топці котла, S, Па (мм.вод.ст.) - 29,4 (- 3)
Для дослідження використовувався зонд з водяним охолодженням.
Схема підключення аеродинамічного зонда при проведенні «холодних» і
«гарячих» досліджень показана на рисунку 3.2.
Рисунок 3.2 – Принципова експериментальна схема вимірювань:
1, 2, 3 – імпульсні отвори для вимірювання динамічних і статичних зусиль,
4 – імпульсні отвори для вимірювання складу газів, 5 – імпульсний отвір для
вимірювання температури закрученого потоку
Параметри закрученого потоку, які вимірювалися в «холодних»
дослідженнях, такі: статичний тиск потоку ��вимст , динамічний тиск потоку
��вимдин , напрямок вектора швидкості закрученого потоку (кут φ) і температура
потоку tвим.
Для визначення впливу умов вводу газу на формування вихрових потоків
у ЦВП були проведені дослідження утворених «гарячих» вихорів при
комбінуванні введення газу в ЦВП. Основними режимами проведення
досліджень були:
- режим 1 – комбінована подача газу – через тангенціальний,
аксіальний і торцевий газові вводи, основний режим роботи;
- режим 2 – підведення газу через тангенціальні вводи;
- режим 3 – підведення газу через аксіальні і торцеві вводи.
Навантаження котельного агрегату при трьох режимах введення газу в
КЗ ЦВП склало ≈50 Гкал/год. У таблиці 3.4 наведені параметри газу і повітря
на вході в досліджуваний ЦВП, другий ЦВП працював в базовому режимі, і
показання штатних приладів, і основні техніко-економічні показники роботи
котла. Вимірювання параметрів, що виконувалися на котлі в ході досліджень,
схематично представлені на рисунку 3.3.
Рисунок 3.3 – Схема вимірюваних параметрів на котельній установці
Параметри потоку, що утворюється в камері згоряння ЦВП,
вимірювалися наступні: статичний ��вимст і динамічний ��вимдин тиск потоку,
напрямок закрученого потоку - кут φ. Температуру подачі вимірювали
всмоктуючим пірометром, попередньо відкаліброваним на стенді в умовах
згоряння газоподібного палива, з метою визначення витрати газів через канал
термопари. Значення температури потоку виводилися на екран вимірювача
двоканального 2TРMOA. Концентрацію кисню О2 в потоці в досліджуваній
точці поперечного перерізу вимірювали газоаналізатором КГА-8М. При
проведенні досліджень і вимірювань використовувалося обладнання, перелік
якого з характеристиками наведено в таблиці 3.5.
Таблиця 3.4 – Режими гарячої продувки
Назва КВГМ-100-150
Режим 1 Режим 2 Режим 3
Навантаження котла, Q, Гкал/год 49,5 50,9 52,9
Витрата газу на котел, м3/год 6 196 6 391 6 790
ККД котла, ��бр, % 93,8 93,5 93,4
Температура вихідних газів, tвих, ºС 107,5 108,5 110
Температура навколишнього
12 12 10
середовища, tнс, °C
Надлишок повітря за котлом 1,28 1,36 1,37
Масова частка кисню в вихідних
4,7 5,6 5,7
газах, %
Масова концентрація NOx у вихідних
газах при α=1,4, C , мг/м3 120 122 80,4
NOx
Тиск газу на вводах ЦВП дослідному,
2
кгс/см
осьове введення
0,068 0 0,209
торцеве введення
тангенціальне введення 0,072 0,086 0
Тиск газу на вводах в ЦВП в
базовому режимі, кгс/см2
осьове введення
0,068 0,077 0,209
торцеве введення
тангенціальне введення 0,071 0,073 0,178
Статичний тиск повітря до ЦВП 565,8 588,4 637,4
дослідного, ��вимст , Па (мм.вод.ст.) (57,7) (60,1) (65)
Динамічний перепад тиску до ЦВП
29,2 30,5 28,0
дослідного, ��вимдин , Па (мм.вод.ст.)
(2,98) (3,11) (2,86)
Витрата газу на ЦВП дослідному, 3,100 3,350 2,600
Вг·103, м3/год (м3/с) (0,86) (0,93) (0,72)
Витрата повітря на ЦВП дослідному,
3 3 33,502 34,225 33,106
Vп·10 , м /год
Навантаження ЦВП дослідного,
25 27 21
Гкал/год
Статичний тиск повітря при другому 568,8 588,4 637,4
ЦВП, ��вимст , Па (мм.вод.ст.) (58) (60) (65)
Розрідження в топці котла, S, Па -22,55 -25,49 -24,51
(мм.вод.ст.) (-2,3) (-2,6) (-2,5)
Таблиця 3.5 – Характеристики вимірювальних приладів
Назва приладу Параметр Характеристики приладу
вимірювання
1 Барометр-анероїд Атмосфер- Межа основної допустимої похибки
метеорологічний ний тиск вимірювання, не більше ±0,2 кПа (1,5
БАММ-1 мм.вод.ст.)
ціна поділки шкали, 0,1 кПа
2. U-подібний Орієнтація Діапазон вимірювання -250...+250 мм;
манометр потоку в ціна поділки 1 мм.вод.ст.;
просторі абсолютна похибка вимірювання ±0,5 мм.
3. Лімб Напрямок Діапазон вимірювань 0...3600;
швидкості ціна поділки 10;
потоку, кут φ абсолютна похибка вимірювання ±0,50.
4. Манометр Статичний Діапазон вимірювання, Па (мм.вод.ст.) 0...
диференціальний тиск Рст, 2000 (0… 200)
цифровий ДМЦ- мм.вод.ст.
01М (виконання А) Межа основної допустимої абсолютної
Динамічний похибки вимірювань, не більше ±(1+0,005ΔP)
тиск ΔРдин, Па або ±(0,1+0,005ΔP) мм.вод.ст.
мм.вод.ст.
Межа допустимої варіації, % від межі основної
допустимої абсолютної похибки, не більше
50%
5. Термометр Температура Діапазон вимірювання температури мінус
контактний холодного 40...+200, °C
цифровийТК-5.09 повітря для Межі допустимої основної абсолютної
горіння tп похибки, ±0,5 °C в діапазоні від мінус 40 до
+50 °C.
Межі допустимої основної відносної похибки,
±0,5 °C в діапазоні понад +50°С.
Межа допустимої додаткової похибки
вимірювання температури, викликаної зміною
температури навколишнього повітря на кожні
10 °С від нормальної (20±5)°С... 0.5 Основна
похибки
6. Термопара Температура діапазон вимірювань – 0...+2500 °C;
ТВР А1 потоку tпот значення одиниці меншого розряду 0,1 °C,
при температурі вище 1000 °C значення
одиниці меншого розряду 1 °C;
абсолютна похибка вимірювання – ±0,005t, °C.
7. Двоканальний Значення Межа допустимої приведеної похибки при
вимірювач температури вимірюванні термопарою 0,5 %
2ТРМ0А tпот на екрані
3.2 Обробка експериментальних даних. Оцінка похибки вимірювань
При вивченні процесів формування закрученого в ЦВП потоку були
виміряні наступні характеристики цього потоку:
- температура закрученого потоку, tвм, °C;
- температура повітря, tп.вм, ºС;
- статичний ��вимст і динамічний ��вимдин тиску;
- напрямок вектору швидкості закрученого потоку – кут φ;
- вміст кисню О2 (газовий аналіз потоку згоряння).
Вивченню внутрішньої структури закрученого потоку передувало
термічне та аеродинамічне калібрування пневмометричного зонда. Мета
термічного калібрування полягала в отриманні залежності справжньої
температури закрученого потоку t від вимірюваної температури tвим. Метою
аеродинамічного калібрування є визначення значень калібровочних
дин
коефіцієнтів ��ст
кал = ��(��) і ��кал = ��(��) для очікуваного діапазону
вимірюваних швидкостей. При цьому істинні (еталонні) значення швидкості
��ет і стичного тиску ��етст вимірюються за допомогою еталонної трубки
Прандтля, а шукані калібрувальні коефіцієнти знаходять з виразів:
��вим ет
Кст = ст −��ст
кал (3.1)
0,5∙��п∙��ет
вим
Кдин
∆��
= дин
кал (3.2)
0,5∙��п∙��ет
де ��вимст – статичний тиск, виміряний зондом, Па;
��етст – статичний тиск, виміряний еталонною трубкою Прандтля, Па;
��п – густина закрученого потоку в заданій точці поперечного перерізу
при дійсній температурі середовища t, кг/м3;
��ет – швидкість, виміряна еталонною трубкою Прандтля, м/с;
∆��вимдин – динамічний тиск, виміряний зондом, Па.
Щільність закрученого потоку ��п, кг/м3 розраховується за формулою:
273
��п = 1,293 ∙ (3.3)
��+273
де 1,293 – густина повітря за нормальних фізичних умов, кг/м3;
t – температура закрученого потоку, °С.
Для якісної оцінки характеру розподілу температури в КЗ ЦВП
температура потоку при згорянні природного газу t, °C, була розрахована за
результатами термічного тарування з урахуванням поправки на виміряні
температурні показники tвим за формулою:
�� = 8 ∙ 10−7��вим − 0,021��2вим+2,7494��вим − 21,006 (3.4)
де ��вим – виміряні показники температури закрученого потоку, °С.
Густина завихреного потоку ��п при згорянні природного газу в ЦВП
визначається за формулою (3.3), при цьому t розраховується за формулою (3.4),
а температурою «гарячого» закрученого потоку ��вим вимірюється термопарою
TBP A1. Густина закрученого «холодного» потоку ��п без згоряння природного
газу в ЦВП визначається за формулою (3.3), при цьому t = tв.вим. Температура
повітря закрученого потоку tв.вим. вимірюється контактним цифровим
термометром ТК-5.09.
За результатами калібрування були отримані калібрувальні коефіцієнти
для досліджень на котлі КВГМ-100-150:
Ксткал = 0,0037�� + 0,0894 (3.5)
Кдинкал = −0,00312�� − 0,1028 (3.6)
де W – вектор швидкості закрученого потоку, м/с.
Вектор швидкості вихрового потоку W, м/с, обчислюється за формулою:
2∆��вим
�� = √ дин
(3.7)
��п
Результати вимірювань обробляються з метою розрахунку параметрів
закрученого потоку. Статичний тиск Pст, Па, розраховується за формулою:
�� ��2
��ст = ��вим ст п
ст + Ккал (3.8)
2
де ��вимст – величина статичного тиску, виміряна зондом, Па;
Ксткал – статичний калібрувальний коефіцієнт зонда, розрахований за
формулою 3.5;
W – вектор швидкості закрученого потоку, м/с.
Динамічний тиск ∆��дин, Па, розраховується за формулою:
2
∆�� = ∆��вим + Кдин
���
дин дин кал (3.9)
2
де ∆��вимдин – величина динамічного тиску, виміряна зондом, Па;
Кдинкал – динамічний калібрувальний коефіцієнт зонда, розрахований за
формулою 3.6.
Повний тиск Рповн, Па, розраховується за формулою:
��повн = ��ст + ∆��дин (3.10)
Тангенціальна Wφ, м/с, і осьова Wx, м/с, складові вектора повної
швидкості потоку W, м/с, обчислюють за формулами:
���� = �� ∙ �������� (3.11)
���� = �� ∙ �������� (3.12)
де �� – напрямок векторe швидкості щодо горизонтальної площини, град.
Кутова швидкість ω, 1/с, обчислюється за формулою:
����
�� = (3.13)
����
де Ri – поточний радіус, на якому проводяться вимірювання на
експериментальному розрізі, м.
Швидкість циркуляції Г, м2/с, обчислюється за формулою:
Г = ���� ∙ ���� (3.14)
Максимальна захаращеність зондом КЗ ЦВП котла КВГМ-100-150
становила 1,17 % площі поперечного перерізу КЗ ЦВП (або 0,8 % від обсягу
КЗ ЦВП). Таким чином, оцінка похибок вимірювань свідчить про достатню
точність експериментальних даних.
3.3 Чисельне моделювання процесів горіння в циклонно-вихрових
передтопках
Паралельно з дослідженнями було проведено моделювання процесів
вихрового спалювання газу на основі твердотільної моделі ЦВП котлів БКЗ-
120-100, ПТВМ-100 та КВГМ-100. Використовувалася програма Fluent, яка
призначена для моделювання потоку рідин і газів з урахуванням
турбулентності, теплопередачі і хімічних реакцій.
Математична модель створювалася в чотири етапи: побудова
твердотільної моделі; генерація сітки на основі побудованої твердотільної
моделі; введення граничних режимів роботи і параметрів; розрахунок.
Побудова твердотільної моделі проводилася за кресленнями реального
ЦВП, але були внесені зміни, щоб позбутися від дуже гострих кутів, щоб
побудувати якісну сітку і зменшити кількість слотів. Твердотільна модель
котла КВГМ-100-150 показана на рисунку 3.4.
Рисунок 3.4 – Твердотільна модель ЦВП
Моделювання в програмі Fluent проводилося за допомогою тетраєдерної
сітки, згенерованої на основі твердотільної моделі. Для моделювання
необхідно було дотримуватися критеріїв якості сітки і її щільності в місцях
великих градієгтів, які можна визначити на підставі тестових розрахунків [33].
Для збереження якості сітки використовувався критерій «Aspect radio» – це
співвідношення максимальної і мінімальної відстані між відрізками, що
з'єднують центри мас сусідніх слотів сітки. Значення цього критерію має бути
більше 0,3. Значні градієнти швидкостей і турбулентності, що вимагають
ущільнення сітки, розташовані в тангенціальній і торцевій зонах введення газу,
а також в області завихрювача (рис. 3.5).
Рисунок 3.5 - Тетраєдерна сітка твердотільної моделі циклонно-вихрового
передтопка: 1 – тангенціальне введення газу; 2 – торцеве введення газу;
3 – завихрювач
На основі усереднених по Рейнольдсу рівнянь Нав'є-Стокса та енергії
було чисельно змодельовано тривимірний турбулентний потік, який
насамперед визначає структуру факелу. Турбулентний пернос описується
моделлю RNG k-ε моделлю. Вибір цієї моделі турбулентності обумовлений
більшою стійкістю в цій задачі в порівнянні з моделлю k-ε і моделлю
напруженості Рейнольдса. Ця модель турбулентності використовується для
розрахунків, пов'язаних з вихорами, з урахуванням потреб до ресурсів. Дана
модель була розв'язана чисельно методом скінченних елементів з
використанням програмного комплексу Fluent. Достовірність результатів
моделювання турбулентного переносу порівнювали з розрахунковим профілем
тангенціальної складової швидкості та з даними експериментальних
вимірювань при гарячих продувках ЦВП котла ПТВМ-100 при відносному
аепетисканні, що дорівнює 0,72. Запропонована модель показала хороші
результати збіжності (рисунок 3.6).
Рисунок 3.6 – Порівняння зміни розрахункового профілю тангенціальної
швидкості по радіусу камери з експериментальними даними
Для розрахунку горіння була використана модель «Species Transport», яка
дозволяє моделювати змішування і транспортування хімічних речовин шляхом
вирішення рівнянь збереження, що враховують процеси конвекції, дифузії та
хімічних реакцій для кожного компонента.
Граничні умови, на підставі яких проводився розрахунок, визначаються
параметрами повітря і газу на вводі в КЗ ЦВП, представлені в таблицях 3.3 і
3.4.
Результати розрахунку математичної моделі циклонно-вихрового
передтопку котла КВГМ-100-150 узгоджуються з експериментальними
даними, отриманими в ході досліджень в удосконаленій конструкції ЦВП.
РОЗДІЛ 4. ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В
НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ
МКР 24.144.28 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Сабанський Р.Р. Розділ 4. Охорона праці та Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Цікановський В.Л
Реценз. безпека в надзвичайних
Н. Контр. ситуаціях ЧДТУ, МТЕ-35
Затверд. Калейніков Г.Є.
Розділ 4 Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях
4.1 Загальні положення
До обслуговування котлів допускаються особи не молодше 18 років, які
пройшли медичний огляд, навчання, атестовані та мають посвідчення на право
обслуговування котлів.
Машиніст, що приймається на роботу, повинен пройти вступний
інструктаж з охорони праці, виробничої санітарії, пожежної безпеки, прийомів
та способів надання долікарської допомоги потерпілим, бути ознайомленим
під розпис з умовами праці, правами та пільгами за роботу в шкідливих та
небезпечних умовах праці, про правила поведінки при виникненні аварій.
До початку роботи безпосередньо на робочому місці машиніст повинен
пройти первинний інструктаж з безпечних прийомів виконання робіт.
Про проведення вступного інструктажу та інструктажу на робочому
місці робляться відповідні записи в Журналі реєстрації вступного інструктажу
з питань охорони праці і Журналі реєстрації інструктажів з питань охорони
праці. При цьому обов’язкові підписи як того, кого інструктували, так і того,
хто інструктував.
Навчання та атестацію машиністів (операторів) котельної дозволяється
проводити з дозволу органів Держнаглядохоронпраці України в професійно-
технічних училищах, в учбово-курсових комбінатах (курсах), а також на
курсах, які спеціально створюються на підприємствах.
Програми підготовки повинні складатися на основі Типових програм,
узгоджених з Держнаглядохоронпраці України.
Індивідуальна (самостійна) підготовка персоналу не допускається.
Атестація машиніста (оператора) котлів проводиться комісією за участю
інспектора Держнаглядохоронпраці України.
Машиністу повинно бути видано посвідчення за підписом голови
комісії, інспектора Держнаглядохоронпраці України.
Періодична перевірка знань машиніста, який обслуговує котли, повинна
проводитись не рідше 1 разу на 12 місяців.
Позачергова перевірка знань проводиться:
– в разі переводу на обслуговування котлів іншого типу;
– при переводі котла на спалювання іншого виду палива;
– за рішенням адміністрації або на вимогу інспектора
Держнаглядохоронпраці України.
Машиніст, обслуговуючий котли, після первинного інструктажу на
робочому місці повинен перед допуском до самостійної роботи пройти
стажування (2–15 днів) для відновлення практичних навичок за програмою,
яка затверджена керівництвом організації.
Допуск машиніста до самостійного обслуговування котлів повинен
оформлюватись наказом по організації.
Машиніст котельної повинен виконувати роботу в спецодязі і спец-
взутті, передбачених Типовими галузевими нормами.
При роботі котельної на твердому мінеральному паливі:
– при механічному завантаженні – костюм бавовняний, рукавиці
комбіновані, окуляри захисні;
– при ручному завантаженні – костюм бавовняний з вогнезахисним
просоченням, черевики шкіряні, рукавиці комбіновані, окуляри захисні;
– при роботі котельної на рідкому паливі – костюм бавовняний,
рукавиці комбіновані, окуляри захисні;
– при роботі котельної на газі – комбінезон бавовняний.
Забороняється доручати машиністу (оператору) котельної, який
знаходиться на чергуванні, виконувати будь-які інші роботи, не передбачені
цією інструкцією.
Забороняється залишати котел без постійного спостереження машиніста
як під час роботи котла, так і після його зупинки до зниження тиску в ньому
до атмосферного.
Допускається експлуатація котлів без постійного спостереження за їх
роботою машиніста при наявності автоматики, сигналізації та захисту, які
забезпечують ведення нормального режиму роботи, ліквідацію аварійних
ситуацій, а також зупинку котла при порушеннях режиму роботи, які можуть
визвати пошкодження котла.
При переведенні машиніста на обслуговування котлів, що працюють на
газоподібному паливі, він повинен пройти навчання та перевірку знань в
порядку, встановленому “Правилами безпеки систем газопостачання
України”.
При вступі на чергування машиніст котельної повинен ознайомитися з
записами у змінному журналі і перевірити справність обслуговуваних котлів
та їх обладнання, а також справність аварійного освітлення і сигналізації для
виклику адміністрації.
Прийняття і здача чергування в котельній повинні оформлятись
старшим по зміні з записом у змінному журналі із зазначенням результатів
перевірки котлів та їх обладнання, водовказівних приладів, сигналізаторів
граничних рівнів води, манометрів, запобіжних клапанів, живильних приладів
і засобів автоматики.
Не дозволяється приймати і здавати чергування під час ліквідації аварій
у котельній. Під час чергування забороняється спати і розпивати спиртні напої.
Забороняється залишати котли без нагляду до повного припинення
горіння в топці, видалення з неї залишків палива і зниження тиску до нуля.
Приміщення котельної, котли і все обладнання треба тримати у
справному стані і належній чистоті. Забороняється захаращувати приміщення
котельної або зберігати в ньому будь-які матеріали і предмети. Проходи в
котельному приміщенні і виходи з нього мають бути завжди вільні. Двері для
виходу з котельної повинні легко відкриватись.
Відкривати люки та лючки, а також ремонтувати елементи котла
дозволяється тільки при повній відсутності тиску. Перед відкриванням люків
і лючків, розміщених у межах водяного простору, воду з елементів котла
необхідно видалити.
Виконувати роботи всередині топок і газоходів можна тільки при
температурі не вище 50–60°С за письмовим дозволом (наряд-допуском)
відповідальної особи, який видається після відповідної перевірки місця
роботи. Перебування робітника всередині котла або газоходу при цих
температурах не повинно перевищувати 20 хв.
На вентилях, засувках та заслінках при відключенні ділянок
трубопроводів і газоходів, а також на пускових пристроях димососів,
дуттьових вентиляторів і живильниках палива повинні бути вивішені плакати
“Не включати, працюють люди”. При цьому з пускових пристроїв димососів,
дуттьових вентиляторів і живильників палива повинні бути зняті плавкі
вставки. Встановлення і зняття вставок проводяться за наряд-допуском.
При роботі в котлі, на його площадках і в газоходах для
електроосвітлення слід застосовувати напругу не вище 12 В.
Перед закриттям люків і лазів необхідно перевірити, чи немає всередині
котла людей або сторонніх предметів, а також наявність і справність
пристроїв, встановлюваних всередині котла.
Машиніст котельної не повинен виконувати вказівки адміністрації, які
суперечать інструкції, що стосується виконуваної ними роботи, і можуть
призвести до аварії або нещасного випадку.
4.2. Вимоги безпеки перед початком роботи
Машиніст перед початком роботи повинен надіти належний спецодяг.
Перед розпалюванням необхідно перевірити готовність котла і всього
допоміжного обладнання до роботи шляхом ретельного огляду. При цьому
необхідно перевірити:
– справність топки і газоходів, запірних та регулюючих пристроїв;
– справність контрольно-вимірювальних приладів, арматури,
живильних пристроїв, димососів і вентиляторів, а також наявність природної
тяги;
– справність обладнання для спалювання рідкого і газоподібного палива
у котлів, які працюють на цих видах палива;
– заповнення котла водою до позначки нижчого рівня;
– чи тримається рівень води в котлі і чи немає пропускання води через
лючки, фланці та арматуру;
– чи немає заглушок перед і після запобіжних клапанів, на паро-,
мастило-, газопроводах, на живильній, спускній та продувальній лініях;
– відсутність у топці та газоходах людей або сторонніх предметів.
Якщо в котлі не було води, заповнювати його водою треба поступово,
спочатку відкривши всі повітряні клапани та закривши продувальну і спускну
арматуру.
При температурі обмурівки нижче 0°С заповнювати котел треба
підігрітою водою.
Безпосередньо перед розпалюванням котла необхідно провести
вентиляцію топки і газопроводів протягом 10–15 хв шляхом відкриття дверцят
топки, піддувала, шиберів для регулювання подачі повітря, заслінок природної
тяги, а при наявності димососів і вентиляторів – шляхом їх включення. До
включення димососів для вентиляції топки і газоходів у котлів, які працюють
на газоподібному паливі, необхідно переконатись, що ротор не зачіпає
корпусу димососа, для чого ротор прокручується вручну. Включення
димососів у вибухонебезпечному виконанні допускається тільки після
провітрювання котлів природною тягою і після перевірки справності
димососів.
При підготовці до розпалювання котла, що працює на газоподібному
паливі слід:
– перевірити справність газопроводу і встановлених на ньому кранів та
засувок (вся запірна арматура на газопроводах повинна бути закрита, а крани
на продувальних газопроводах відкриті);
– продути газопровід через продувальну свічку, поступово відкриваючи
засувку на відгалуженні газопроводу до котла. Якщо після перевірки з
газоаналізатором (або іншим надійним способом) виявиться, що в газопроводі
відсутня вибухонебезпечна газоповітряна суміш, свічку слід закрити;
– переконатись у відсутності витоку газу з газопроводів, газообладнання
та арматури шляхом омилювання їх. При виконанні цієї роботи користуватись
відкритим вогнем забороняється;
– перевірити по манометру відповідність тиску газу, а при двопровідних
пальниках, крім того, відповідність тиску повітря перед засувками пальників
при працюючому дуттьовому вентиляторі встановленому тиску;
– відрегулювати тягу розпалюваного котла, встановивши розрідження в
топці 20–30 Па (2–3 мм вод. ст.).
Нормально парові котли повинні працювати безперервно. В тих окремих
випадках, коли була допущена перерва в роботі котла, який працює на мазуті,
температура мазуту має бути доведена до 40–50°С, для чого парова лінія до
форсунок має бути прогріта. З цією метою, як виняток, допускається пуск
котла на дизельного паливі тривалістю до 50 хв. з витратою 15–20 л
дизельного палива.
Як тільки мазутопровід буде розігрітий до температури 40–50°С,
необхідно негайно перевести роботу котла на мазут.
Розпалювати можна тільки за розпорядженням особи, відповідальної за
котельну, яке записується у змінний журнал. У розпорядженні слід зазначити
тривалість заповнення котла водою та її температуру.
Персонал котельної треба заздалегідь попередити про час розпалювання
котлів.
Розпалювати котли слід при слабкому вогні та зменшеній тязі (так, щоб
топка і всі розташовані в ній поверхні нагріву прогрівались рівномірно), при
закритому парозапірному вентилі і відкритому запобіжному клапані або
вентилі (крані) для випуску повітря. Відкритий запобіжний клапан (або
повітряний вентиль) закривають, як тільки з нього почне виходити пара. Після
цього збільшують горіння палива, стежачи за підвищенням тиску в котлі по
манометру, а також за рівнем води в котлі, і повторно перевіряють справну дію
всієї арматури.
Розпалюють котел до досягнення робочого тиску.
При механічному розпиленні мазуту необхідно після внесення в топку
вогню розпалювальним факелом трохи відкрити повітряний шибер і, поволі
відкриваючи вентиль подачі палива, подати мазут в топку. Після того, як
загориться паливо, відрегулювати горіння. Розпалювальний факел слід
видаляти з топки, коли горіння стане сталим. Якщо розпалювання
проводилося дизельним паливом, то при переведенні роботи котла на мазут (а
також при розпалюванні котла мазутом), якщо не загорівся мазут, слід негайно
перекрити подачу його в форсунку, забрати з топки розпалювальний факел
(якщо він там був) і провентилювати топку, газоходи та повітропроводи
протягом 10–15 хв, встановити причину, чому не загорівся мазут, слід негайно
перекрити подачу його в форсунку. Тільки після цього можна знову
приступати до запалювання форсунки (тобто до розпалювання котла).
При наявності біля котла кількох форсунок запалюють їх послідовно.
Якщо при розпалюванні погаснуть усі працюючі форсунки, слід негайно
припинити подачу в них палива, забрати з топки ручні розпалювальні факели
і провентилювати топку, димоходи та повітропроходи протягом 10–15 хв при
працюючому димососі та вентиляторі. Після цього можна знову запалювати
форсунки.
Якщо погасне частина працюючих форсунок, треба негайно припинити
подачу палива в ці форсунки, а потім запалити їх за допомогою ручного
розпалювального факела.
Пальник котла, що працює на газовому паливі, слід запалювати так:
внести в топку запальник до устя пальника, який включається, подати газ,
поволі відкриваючи засувку перед пальником і стежачи за тим, щоб він
загорівся відзразу, тут же почати подачу повітря, потім збільшити подачу газу
і повітря, водночас регулюючи розрідження в топці і полум’я в пальнику.
Вийняти запальник з топки після одержання сталого факела.
Якщо до розпалювання пальника полум’я запальника погасло, необхідно
негайно припинити подачу газу в пальник, вийняти запальник з топки і
провентилювати топку та газоходи протягом 10–15 хв. Тільки після цього
можна повторно запалювати пальники.
При наявності в котлі кількох пальників запалюють їх послідовно.
Якщо при розпалюванні погаснуть усі або частина запалених пальників,
слід негайно припинити подачу газу до них, забрати з топки запальник і
провентилювати топку та газоходи протягом 10–15 хв. Тільки після цього
можна повторно запалювати пальники.
Забороняється:
– запалювати в топці газ, коли він погас, спочатку не провентилювавши
топку і газоходи;
– запалювати газовий факел від сусіднього пальника.
Запалюючи пальники або розпалюючи форсунки, не слід стояти проти
оглядових отворів (розпалювальних люків), щоб не дістати опік від полум’я, що
випадково викинеться з топки.
Обережно проводити підтягування болтів, лазів, люків під час
розпалювання котла тільки нормальним ключем, не застосовуючи
подовжуючих важелів – у присутності особи, відповідальної по котельній.
Перед включенням котла в роботу мають бути проведені:
– перевірка справності дії запобіжних клапанів, водовказівних приладів,
манометрів і живильних пристроїв;
– перевірка показань знижених показників рівня води за показниками
рівня води прямої дії;
– перевірка і включення автоматики безпеки, сигналізаторів і апаратури
автоматичного управління котлом;
– продування котла.
Забороняється пуск у роботу котлів з несправними арматурою,
живильними приладами, автоматикою безпеки та засобами протиаварійного
захисту і сигналізації.
Включати котел у паропровід треба поволі, після старанного
прогрівання та продування паропроводу. При прогріванні необхідно стежити
за справністю паропроводу, компенсаторів, опор і підвісок, а також за
рівномірним розширенням паропроводу.
При виникненні вібрації або різких ударів необхідно припинити
прогрівання до усунення дефектів.
Парозапірний вентиль при ослабленому горінні плавно, повільно і
обережно відкривають на 1/8 оберту (в паропроводі має бути чутний шум
пари), по припиненні шуму вентиль відкривають ще на 1/8 оберту і т.д. У
повністю відкритого парозапірного вентиля маховичок повертають трохи
назад.
4.3. Вимоги безпеки під час виконання роботи
Під час чергування машиніст котельної повинен стежити за справністю
котла і всього обладнання котельної, точно додержувати режиму роботи котла.
Виявлені в процесі роботи обладнання несправності треба записувати у
змінний журнал. Машиніст повинен вживати негайних заходів до усунення
несправностей, які загрожують безпечній і безаварійній роботі обладнання.
Якщо усунути несправності власними силами неможливо, необхідно
повідомити про це особу, відповідальну за безпечну експлуатацію котлів.
Особливу увагу під час роботи треба приділяти:
– підтриманню нормального рівня води в котлі та рівномірному
живленню його водою. При цьому не можна допускати, щоб рівень води
опускався нижче допустимого нижчого рівня або піднімався вище
допустимого вищого рівня;
– підтриманню нормального тиску пари (підвищення тиску в котлі вище
дозволеного не допускається);
– підтриманню температури перегрітої пари, а також температури
живильної води після економайзера;
– нормальній роботі пальників (форсунок).
Перевіряти справність дії манометра за допомогою триходових кранів
або запірних вентилів, що заміняють їх, треба не рідше одного разу за зміну із
записом у змінний журнал.
При роботі котла на газовому паливі для збільшення навантаження слід
поступово добавити спочатку подачу газу, потім повітря і відрегулювати тягу;
для зменшення – спочатку зменшити подачу повітря, потім газу, після чого
відрегулювати тягу.
Якщо при роботі котла на газі погаснуть усі пальники або частина з них
(припиниться подача повітря в пальники, які працюють з примусовою
подачею повітря, або різко підвищиться тиск газу перед пальниками), слід
негайно припинити подачу газу в пальники, перекривши для цього
відключаючу арматуру перед пальниками, провентилювати топку, газоходи і
повітропроходи, з’ясувати і усунути причину порушення нормального режиму
горіння.
При роботі котла на рідкому паливі для збільшення навантаження слід
добавити тягу, збільшити подачу повітря і потім мазуту; для зменшення –
спочатку зменшити подачу мазуту і повітря, а потім зменшити тягу.
В разі, якщо при роботі котла на рідкому паливі погаснуть усі форсунки,
слід негайно припинити подачу палива, зменшити дуття і тягу та усунути
причину припинення горіння.
Для видалення з котла шламу, підтримання постійного вмісту солей у
котловій воді (для зменшення їх відкладень на поверхнях нагріву)
застосовують продування котлів, при цьому з найнижчих частин котла
періодично видаляють частину котлової води, найбільш насиченої шламом.
Періодичне продування має проводитись у строки, встановлені
адміністрацією, в присутності відповідальної по зміні особи.
Про наступне продування котла повинні бути попереджені персонал
котельної та інші особи, що перебувають у ній.
Перед продуванням пуск пари в паромагістраль припиняється.
Порядок продування:
– перевіряють справність продувальної лінії та спускних кранів. Відвід
між котлом і продувальним краном має бути гарячий; холодний стан є ознакою
засмічення, при цьому проводити продування небезпечно, бо при відкритті
продувального крана тиском котлової води може пробити бруд у відводі і в
результаті гідравлічного удару можуть зруйнуватись відвід і продувальний кран,
що призведе до вибуху котла;
– перевіряють справність живильних насосів і наявність достатньої
кількості води в живильному баку;
– встановлюють справність водовказівного склу і водопровідних кранів;
– рівень води в котлі перед продуванням має бути дещо вищий за
нормальний. Підкачують воду в котел приблизно до 3/4 висоти водовказівного
скла.
Виконувати продування можна не раніше, ніж через 8–10хв після
останнього підкачування води в котел;
– ослаблюють горіння в топці;
– під час продування котла необхідно спостерігати за рівнем води в
котлі.
Продування виконують, як правило, два машиністи або оператори, один
з яких спостерігає по водовказівному склу за рівнем води і по манометру за
тиском, а другий поперемінно відкриває і закриває крани, роблячи це плавно,
без ривків, обережно і поступово;
– при наявності двох продувальних кранів спочатку відкривають другий
від котла кран, потім перший. Після припинення продування спочатку
закривають перший від котла кран, а потім другий;
– за одне відкриття не рекомендується випускати більше 2 см води (по
водовказівному склу). В кінці продування рівень води має бути вищий за
нижчий допустимий рівень не менше, ніж на 3 см. Під час продування
підкачувати воду в котел забороняється;
– в разі появи в продувальній лінії гідравлічних ударів, вібрації
трубопроводу тощо продування треба негайно припинити;
– по закінченні продування слід пересвідчитись, що запірні пристрої на
продувальній лінії надійно закриті і не пропускають воду, і включити котел у
нормальну роботу;
– забороняється продування при несправній продувальній арматурі,
відкривання і закривання арматури ударами молотка чи інших предметів, а
також за допомогою подовжених важелів;
– час початку і закінчення продування записується у змінному журналі.
Забороняється під час роботи котла правка заклепочних швів,
заварювання елементів котла і т.п.
Всі пристрої і прилади автоматичного управління і безпеки котла треба
підтримувати у справному стані і регулярно перевіряти. Порядок і строки
перевірки має встановлювати адміністрація.
Зупинки котла у всіх випадках, крім зупинки при аварії, мають
проводитись тільки за письмовим розпорядженням адміністрації.
При зупинці котла необхідно:
– підтримувати рівень води в котлі вище середнього;
– припинити подачу палива в топку;
– відключати котел від паропроводів після повного припинення горіння
в топці і припинення відбору пари;
– в разі тривалої зупинки (і тільки за розпорядженням відповідальної за
котельну особи) провести розхолоджування котла і спуск з нього води тільки
після повного зниження тиску в котлі (до нуля по манометру), а також після
достатнього остигання кладки (при відкритому і заклиненому запобіжному
клапані та відкритих повітряних клапанах);
– забороняється залишати непрацюючий котел приєднаним до парової
магістралі.
При зупинці котла, що працює на рідкому паливі, слід:
– припинити подачу палива в форсунку;
– припинити подачу повітря при повітряному розпиленні;
– провентилювати топку, газоходи, після чого закрити дуття і тягу.
При зупинці котла, що працює на газовому паливі з примусовою
подачею повітря, треба зменшити, а потім зовсім припинити подачу в
пальники газу, а слідом за цим – повітря. При інжекційних пальниках слід
спочатку припинити подачу повітря, а потім – газу. Після відключення всіх
пальників необхідно відключити газопроводи котла від загальної магістралі,
відкрити продувальну свічку на відводі, а також провентилювати топку,
газоходи і повітропроводи.
При зупинці котла, що працює на твердому паливі, слід:
– допалити при зменшених дутті і тязі рештки палива, що залишилися в
топці. Забороняється гасити паливо, засипаючи його свіжим паливом або
заливаючи водою;
– припинити дуття і зменшити тягу;
– очистити топку і бункери;
– припинити тягу, закривши димову заслінку, топкові та піддувальні
дверцята (при механічній топці припинити тягу після охолодження решітки).
Порядок консервації зупинених котлів має відповідати інструкції
заводу-виготовлювача по монтажу та експлуатації котлів.
4.4. Вимоги безпеки під час виконання ремонтних робіт
При виконанні ремонтних робіт оператор повинен:
1. До початку проведення будь-яких робіт всередині котла, з’єднаного з
іншими працюючими котлами загальними трубопроводами (паропровід,
поживні, дренажні, спускні лінії і т.п.), а також перед оглядом чи ремонтом
елементів, що працюють під тиском, відключити котел від усіх трубопроводів
заглушками.
При цьому допускається відключення котлів з тиском понад 39 кгс/см2
двома запірними органами, якщо між ними є дренажний пристрій з діаметром
умовного проходу не менше 32 мм, що має пряме сполучення з атмосферою.
В цьому випадку приводи запірних органів, а також вентилів відкритих
дренажів закривати на запір так, щоб виключалася можливість ослаблення їх
щільності при закритому замку. Ключ від замка повинен зберігатися у особи,
яка відповідає за справний стан і безпечну експлуатацію котлів (начальника
котельної). При роботі на газовому, рідкому і пиловидному паливі котел
надійно роз’єднати із загальним топливопроводом.
2. Відкривання люків і лючків, а також ремонт елементів котлів
проводити тільки за повної відсутності тиску. Перед відкриванням люків і
лючків, розміщених у межах водяного простору, воду з елементів котлів і
економайзерів видалити.
3. Виконання робіт всередині топок і газоходів котла проводити тільки
при температурі 50–60 оС і за письмовим дозволом (наряд-допуск) особи,
відповідальної за справний стан і безпечну експлуатацію котлів (начальник
котельної), після відповідної перевірки місця роботи.
4. Перед початком роботи топку і газоходи слід провентилювати,
освітити і надійно захистити від можливого проникнення газів і пилу з
газоходів працюючих котлів. При цьому чистота повітря в топці і газоходах
повинна відповідати вимогам санітарних норм.
При роботі котла на газо- або пиловидному паливі необхідно також
надійно відключити його заглушкою від загального газо- або пилопроводу.
5. На вентилях, засувках і заслінках при відключенні дільниць
трубопроводів і газоходів, а також на пускових пристроях димососів,
дуттьових вентиляторах і живильниках палива вивісити плакати: «Не вмикати
– працюють люди». При цьому на пускових пристроях димососів, надувних
вентиляторах і живильниках палива зняти плавкі вставки. Установку і зняття
заглушок проводити за нарядом-допуском.
6. При роботі в котлі, на його майданчиках і в газоходах для
електроосвітлення застосовувати напругу не вище 12 В.
7. Перед закриттям люків і лазів перевірити і переконатися у відсутності
всередині котла людей і сторонніх предметів, а також у наявності та
справності приладів, що встановлюються всередині котла.
8. Якщо в котельній, яка працює на газоподібному паливі, не працювали
всі котли, то при вході до неї перевірити газоаналізатором (або іншим
надійним засобом) наявність газу в приміщенні.
При виявленні ознак загазованості приміщення котельної включення і
виключення електроосвітлення та електрообладнання, зробленого не у
вибухозахисному виконанні, розпалення котлів, а також користування
відкритим вогнем забороняється.
Включення електроосвітлення і штучної примусової вентиляції
дозволяється тільки після того, як перевіркою буде встановлено, що
приміщення котельної не загазовано.
4.5. Вимоги безпеки в аварійних ситуаціях
Машиніст або оператор повинен в аварійних випадках негайно зупинити
котел і повідомити про це відповідальну за котельну особу (або особу, яка її
заміняє), зокрема у випадках:
– перестало діяти більше, ніж 50% запобіжних клапанів;
– тиск піднявся вище дозволеного більше, ніж на 10% і продовжує
зростати, незважаючи на припинення подачі палива, зменшення тяги і дуття
та посилене живлення котла водою;
– стався випуск води з котла (нижче нижньої кромки водовказівного
скла). Підживлення котла водою при цьому забороняється;
– рівень води швидко знижується, незважаючи на посилене живлення
котла водою;
– рівень води піднявся вище верхньої кромки водовказівного скла і
продуванням котла не вдається знизити його;
– припинена дія всіх живильних пристроїв (насосів та ін.);
– виявлені в основних елементах котла (барабані, колекторі, камері,
жаровій трубі, вогневій коробці, кожусі топки, трубній решітці, зовнішньому
сепараторі, паропроводі тощо) тріщини, випинання, пропуски у зварних швах,
обриви двох і більше зв’язків, розміщених поряд;
– виявлена загазованість котельної з котлами, які працюють на газовому
паливі, припинена подача газу, стався вибух газоповітряної суміші в топці
котла або газоходах;
– припинена дія всіх водовказівних приладів;
– припинена подача електроенергії при штучній тязі, а також
пошкоджені елементи котла та його обмурівки, що створює небезпеку для
обслуговування персоналу або загрозу руйнування котла;
– виникла пожежа в котельній або загорілася сажа чи частинки палива в
газоходах, що загрожує обслуговуючому персоналу і котлу.
Причини аварійної зупинки повинні бути записані у змінному журналі.
При появі течі в заклепочних швах або в місцях вальцівки труб свищів
на трубах поверхонь нагріву котла, а також при інших пошкодженнях і
несправностях котла, арматури, манометрів, приладів безпеки і допоміжного
обладнання, які не вимагають негайної зупинки котла, машиніст або оператор
повинен негайно повідомити про це особу, відповідальну за котельну.
При аварійній зупинці котла необхідно:
– припинити подачу палива і повітря, різко ослабити тягу;
– якомога швидше видалити паливо, що горить, із топки, у виняткових
випадках при неможливості зробити це, паливо, що горить, залити водою,
стежачи за тим, щоб струмінь води не потрапляв на стінки котла та обмурівки;
– після припинення горіння в топці відкрити на деякий час димову
заслінку, а в ручних топках – топкові дверцята;
– відключити котел від головного паропроводу.
При зупинці котла через загоряння сажі або винесення палива в
пароперегрівачі чи газоходи слід негайно припинити подачу палива і повітря
в топку, перекрити тягу, зупинити димососи і вентилятори і повністю
перекрити повітряні та газові заслінки; після припинення горіння
провентилювати топку.
В разі виникнення в котельній пожежі машиніст або оператор повинен
негайно викликати пожежну охорону і вжити всіх заходів до гасіння її, не
припиняючи спостереження за котлами.
При пожежі в котельній з котлами, які працюють на газовому паливі,
треба негайно відключити газопровід котельної за допомогою засувки,
встановленої поза приміщенням котельної.
Якщо пожежа загрожує котлам і неможливо гасити її швидко, необхідно
зупинити котли в аварійному порядку, посилено живлячи їх водою і
випускаючи пару в атмосферу (поза приміщенням). Машиністи або оператори
можуть залишити котельну тільки після зупинки котлів і погашення топок.
Під час пожежі, будь-яких аварій або нещасних випадків, що сталися
поза котельним приміщенням, машиністи або оператори повинні залишатись
на своєму робочому місці.
ВИСНОВКИ
1. Вперше проведено дослідження динаміки газу в камері згоряння
промислового циклонного передтопку з повітряним охолодженням при
спалюванні природного газу, які виявили значну зміну складових вектору
швидкості закрученого потоку, а також статичного тиску в порівнянні з
холодними продувками.
2. Визначено зони інтенсивного сумішоутворення та згоряння
паливно-повітряної суміші. Були отримані дані про оптимальні режими роботи
циклонно-вихрового передтопку і котельної установки в цілому у всьому
діапазоні навантажень.
3. Розроблена і впроваджена вдосконалена конструкція ЦВП
потужністю 65 МВт для спалювання основного палива – природного газу і
резервного – мазуту.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Волощук В.А., Денісов А.К., Трофимчук І.П. Котельні установки
промислових підприємств : навчальний посібник / В.А. Волощук, А.К.
Денисов, І.П. Трофимчук. Рівне : НУВГП, 2013. 227с.
2. Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. Котельні установки промислових
підприємств: 5-е видання. – К., 2015. – 548 с.
3. Алабовський О. М. Проектування котелень промислових
підприємств./ О. М. Алабовський . – К. : Вища школа, 1992. – 270с
4. Pat. 6,021,724 United States, Int. Cl.7 F23D 1/02; F22B 37/00, Cyclone
furnace for retrofit applications / Manvil O. Dahl and oth. // New Orleans. Babcock
& Wilcox Company; McDermott Technology, Inc., Appl № 08/966,110; filed: Nov.
7, 1997; date of patent: Feb. 8, 2000.
5. Pat. 7,926,432 B2 United States, Int. Cl.7 F23D ½(20060101), Low
NO.sub.x cy-clone furnace steam generator / Gerald J. Maringo; and oth. // Babcock
& Wilcox Power Generation Group, Inc., Appl № 11/720,506; filed: Feb. 6, 2006;
date of patent: Apr. 19, 2011.
6. Bondarenko A.V., Brunetkin O.I., Lysyuk A.V. Determining the quantitative
composition of an unknown gaseous fuel and combustion products from the
measured process parameters in the fuel combustion process. Odes’kyi
Politechnichnyi Universytet Pratsi. 2014. Vol. 1(43). P. 127–136. URL:
https://www.pratsi.opu.ua/articles/show/1073
7. Б.Х. Драганов, О.С. Бесараб, А.А. Долінський, В.О. Лазаренко, А.В.
Міщенко, О.В. Шелімонова (за ред. Б.Х. Драганова). Теплотехніка: Підручник.
– 2-е вид., перероб. і доп. – Київ: Фірма “ІНКОС”, 2005. - 400 с.
8. Brunetkin O.I., Demidenko V., The method of determining the composition
of hydrocarbon fuel by the ratio of fuel and air consumption and temperature of
combustion products. Odes’kyi Politechnichnyi Universytet Pratsi. 2019. Vol. 2(58).
P. 51–59. URL: https://www.pratsi.opu.ua/articles/show/18440
9. Степанов Д. В. Котельні установки промислових підприємств : навч.
посібн. / Д. В. Степанов, Є. С. Корженко, Л. А. Боднар. – Вінниця : ВНТУ, 2011.
– 120 с.
10. Сірий О.А., Бутовський Л.С., Абдулін М.З. Навчальний посібник з
дисципліни «Горіння палива та обладнання для його спалювання». Київ: КПІ
ім. Ігоря Сікорського, 2023.
11. Енергетичні ресурси та потоки За заг. ред. А.К. Шидловського. – К.:
Українські енциклопедичні знання, 2003. – 472 с.
12. Алабовський О.М., Боженко М.Ф. Проектування котелень
промислових підприємств. Київ : Вища школа, 1992. 207 с.
13. Satoru Ishizuka, Derek Dunn-Rankin, Robert W. Pitz, Robert Jj. Kee,
Yyuyin Zhang, Huayang Zhu, Tadao Takeno, Makihito Nishioka, Daisuke
Shimokuri Tubular combustion. – N.Y., 2013. – 281 p.
14. Степанов Д.В. Котельні установки : навчальний посібник / С. Й.
Ткаченко, Д. В. Степанов, Л. А. Боднар. – Вінниця : ВНТУ, 2016. – 185 с.
15. Абдулін М., Сірий О. Принципи організації робочого процесу камер
згоряння. Авіаційно-космічна техніка та технологія. 2014. № 35. С. 22–25.
16. Ткаченко С. Й. Розрахунки теплових схем і основи проектування
джерел теплопостачання : навч. посібн. / С. Й. Ткаченко, М. М. Чепурний , Д.
В. Степанов – Вінниця: ВНТУ, 2005. – 137с.
17. Абдулін М. Струменево-нішева система сумішоутворення та
стабілізації полум'я : автореф. дис. … канд. : 05.04.01. Київ. : КПІ, 1986. 20 с.
18. Комп'ютерне моделювання процесу сумішоутворення в пальникових
пристроях стабілізаторного типу з подачею газу впровадженням в потоці
повітря /Н. Фіалко та ін. Промислова теплотехніка. 2011. № 11. С. 51–57. 48.
19. Абдулін М., Дворцін Г., Жученко А. Технологія спалювання –
визначальний чинник ефективності вогнетехнічних об'єктів. Науково-
технічний журнал "Новини теплопостачання". 2009. С. 23–27.
20. Буляндра О.Ф. Технічна термодинаміка. – К.: Техніка, 2006. – 320 с.
21. ГКД 34.02.305–2002. Викиди забруднювальних речовин у атмосферу
від енергетичних установок. Методика визначення. – 40 с.
22. Котельні установки теплових електричних станцій. Аеродинамічний
розрахунок котельних установок [Електронний ресурс] : методичні вказівки до
курсового проекту студентів напряму підготовки 6.050601 «Теплоенергетика»
/ НТУУ «КПІ» ; уклад. В. А. Рогачов. – Київ : НТУУ «КПІ», 2010.
23. Чепурний М. М. Теплові розрахунки парогенераторів / М. М.
Чепурний, Д. В. Степанов, Є. С. Корженко . – Вінниця : ВНТУ, – 2005. -155 с.
24. Варламов Г. Б. Теплоенергетичні установки та екологічні аспекти
виробництва енергії / Г. Б. Варламов – К. : ІВЦ “Видавництво «Політехніка»”,
2003. – 232 с.
25. Чепурний М. М. Теплові розрахунки парогенераторів : [навчальний
посібник] / М. М. Чепурний, Д. В. Степанов, Є. С. Корженко. – Вінниця : ВНТУ,
2006. – 155 с
26. Константінов С.М. Теплообмін: Підручник.- К.: ВПІ ВПК
„Політехніка”, 2015.- 304с.
27. Степанов Д. В. Енергетична та екологічна ефективність водогрійних
котлів малої потужності. Монографія / Д. В. Степанов, Л. А. Боднар. Вінниця :
ВНТУ, 2011 р. – 148 с.
28. Мариненко, В. І. Розрахунок на міцність та аеродинамічний
розрахунок елементів котельних установок [Електронний ресурс] : навчальний
посібник для студентів спеціальностей 142 «Енергетичне машинобудування»;
144 «Теплоенергетика» / В. І. Мариненко, О. О. Васечко, В. С. Кулинич ; КПІ
ім. Ігоря Сікорського. – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2019. – 47 с.
29. Чепурний М. М. Тепломасообмін в прикладах і задачах : навч. пос. /
М. М. Чепурний, Н. В. Резидент. – Вінниця : ВНТУ, 2011. – 128 с.
30. Гнатишин Я.М., Криштапович В.І. Теплотехніка: Навч. Посіб. – К.:
Знання, 2008. – 364 с.
31. Чепурний М. М. Розрахунки теплових схем ТЕЦ та їх ефективності
при модернізації /М. М. Чепурний, С. Й. Ткаченко. – Вінниця: ВДТУ, 1997. –
61с.
32. Білуха М.Т. Методологія наукових досліджень: Підручник. – К.: АБУ,
2002. – 480 с.
33. CFD-моделювання процесів теплообміну і гідродинаміки засобами
програмного комплексу : монографія / О. В. Баранюк, М. В. Воробйов, А. Ю.
Рачинський. – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, Вид-во «Політехніка», 2023. –
164 с.
34. Шейко В.М., Кушнаренко Н.М. Організація та методика науково-
дослідницької діяльності: Підручник. – 2-ге вид., перероб. і доп. – К.: Знання-
Прес, 2002. – 295 с.