На трубах поверхностей нагрева могут оседать также частицы в твердом состоянии, загрязняя их наружную поверхность как с лобовой, так и с тыльной стороны. Эти загрязнения могут иметь рыхлую структуру или прочно связываться с материалом труб, образуя трудноудалимые отложения.
Отложения на трубах уменьшают коэффициент теплопередачи (так как отложения имеют низкую теплопроводность и действуют подобно тепловой изоляции) и снижают эффективность отдачи теплоты, вызывая рост температуры уходящих газов. Подобно шлакованию, загрязнение поверхностей нагрева ведет к увеличению сопротивления газового трак та и ограничению тяги.
Рыхлые отложения образуются преимущественно с тыльной стороны труб. Для их уменьшения применяют шахматную компоновку тесно расположенных труб.
Связанные сыпучие отложения появляются при сжигании некоторых видов топлива, содержащих значительное количество соединений щелочноземельных (Са, Мg) или щелочных металлов (сланцы, фрезерный торф, угли Канско-Ачинского бассейна и некоторые другие), а также при сжигании мазутов. Они могут образоваться в результате сульфатизации, например, оксида Са:
СаО + SO 3 ® CaSO 4
Протекание этой реакции замедляется при снижении содержания свободной СаО и О 2 , что достигается сжиганием топлива при высоких температурах (например, при ЖШУ) и при работе с малыми избытками воздуха. Уменьшение образования связанных сульфатных отложений достигается также при снижении в зоне температуры газа менее 800 – 850 о С.
Для удаления отложений золы используются также различные способы очистки: обдувка паром или сжатым воздухом, вибрационный, дробевый, импульсный и др.
Вибрационный способ очистки преимущественно применяется для очистки ширмовых и конвективных пароперегревателей. Удаление отложений происходит под действием поперечных или продольных колебаний очищаемых труб, вызываемых специально устанавливаемыми вибраторами электромоторного (например С-788) или пневматического типа (ВПН-69).
На (см.рис.38) показан один из типов устройства виброочистки ширмового перегревателя с поперечными колебаниями труб. Возбуждаемые вибратором 3 колебания передаются виброштангам 2 и от них змеевикам труб 1. Виброштангу, как правило, приваривают к крайней трубе с помощью полуцилиндрических накладок. Аналогичным образом соединяются остальные трубы между собой и с крайней трубой. Виброочистка с продольным колебанием труб применяется преимущественно для вертикальных змеевиковых поверхностей нагрева, подвешенных (на пружинных подвесах) к каркасу котла.
Рис. 38. Установка виброочистки ширм:
1- трубы шары
2- виброштанга
3- вибратор.
Электромоторные вибраторы не позволяют поднять частоту колебаний выше 50 Гц , что оказывается недостаточным для разрушения связанных прочных отложений, образующихся на трубах при сжигании углей канско-ачинских, сланцев, фрезторфа и др. В этом случае целесообразно использовать пневматические генераторы колебаний (например ВПН-69), обеспечивающие достижение более высокого уровня (до 1500 Гц ) и широкого диапазона изменения частоты колебаний. Применение мембранных змеевиковых поверхностей значительно упрощает использование вибрационного метода очистки.
Дробевая очистка используется против прочносвязанных с трубами плотных отложений, удаление которых с помощью описанных выше методов не обеспечивается. На очищаемую поверхность равномерно разбрасываются с некоторой высоты стальные шарики (дробь) небольшого размера. При своем падении в результате удара о поверхность дробь разрушает отложения на трубах как с лобовой стороны, так и с тыльной (при отскоке от нижележащих труб) и с небольшой частью золы выпадает в нижнюю часть конвективной шахты. Эта зола может отсеиваться от дроби в специальных сепараторах, дробь же накапливается в бункерах, которые могут располагаться как под газоходом, в котором расположены очищаемые поверхности, так и над ним.
Основные элементы дробеочистки с нижним расположением бункеров показаны на (см.рис.39) .
Рис. 39. Принципиальная схема дробеочистки:
1 – бункер дроби
2 – сопло
4 – дробепровод
5 – дробеуловитель
6 – тарельчатый питатель
7 – входной трубопровод
8 – разбрасыватель дроби
9 – дробь
10 – очищаемая поверхность
11 – воздуходувка
При включении установки дробь из бункера 1 сжатым воздухом (из сопла 2 ) подается во входное устройство 3 дробепровода 4 (или в инжектор - в установках под давлением). Транспортируемая воздухом дробь отделяется в дробеуловителях 5 , из которых с помощью тарельчатых питателей 6 распределяется по отдельным трубопроводам 7 разбрасывающих устройств 8.
Дробевые установки с пневмотранспортом дроби работают под давлением или разрежением. В первом случае воздух из воздуходувки 11 нагнетается через устройство 3 в линию подъема дроби 4 .
В качестве разбрасывающих устройств могут при меняться обращенные вверх полусферические разбрасыватели 8 , на которые из трубопровода 7 с определенной высоты падает дробь 9 и, отскакивая под различными углами, распределяется по очищаемой поверхности. Расположение подводящих трубопроводов и отражателей в зоне высоких температур требует применения водяного охлаждения.
Наряду с полусферическими отражателями достаточно эффективное применение нашли пневматические разбрасыватели с боковым (на стенах) забросом дроби по разгонным соплам.
Ввиду более высокой скорости удара дроби о поверхность труб их износ при пневматическом разбросе с боковым подводом выше, чем при разбросе с использованием полусферических отражателей.
В системах импульсной очистки используют камеры импульсного горения, в которых создаются периодически выбрасываемые с большой энергией потоки продуктов сгорания. С помощью возникающих в импульсной камере и передаваемых в газоходы волновых колебаний происходит разрушение отложений и очистка труб.
При интенсивном загрязнении труб прочными связанными отложениями применяют комплексную очистку, включающую различные способы.
В процессе эксплуатации котла для очистки экранных поверхностей нагрева применяют паровую и пароводяную обдувку, а также вибрационную очистку, а для конвективных поверхностей нагрева - паровую и пароводяную обдувку, вибрационную, дробевую и акустическую очистку или самообдувку.
Наибольшее распространение имеют паровая обдувка и дробевая очистка. Для ширм и вертикальных пароперегревателей наиболее эффективной является вибрационная очистка. Радикальным является применение самообдувающихся поверхностей нагрева с малым диаметром и шагом труб, при которых поверхности нагрева непрерывно поддерживаются чистыми.
Паровая обдувка. Очистка поверхностей нагрева от загрязнений может быть осуществлена за счет динамического воздействия струй воды, пара, пароводяной смеси или воздуха. Действенность струй определяется их дальнобойностью.
Наибольшей дальнобойностью и термическим эффектом, способствующим растрескиванию шлака, обладает струя воды. Однако обдувка водой может вызвать переохлаждение труб экранов и повреждение их металла. Воздушная струя имеет резкое снижение скорости, создает небольшой динамический напор и эффективна только при давлении не менее 4 МПа.
Применение воздушной обдувки затруднено необходимостью установки компрессоров высокой производительности и давления.
Наиболее распространена обдувка с применением насыщенного и перегретого пара. Струя пара имеет небольшую дальнобойность, но при давлении более 3 МПа ее действие достаточно эффективно. При давлении пара 4 МПа перед обдувочным аппаратом динамический напор струи на расстоянии примерно 3 м от сопла составляет более 2000 Па.
Для удаления отложений с поверхности нагрева динамический напор струи должен составлять примерно 200-250 Па для рыхлых золовых отложений, 400-500 Па для уплотненных золовых отложений, 2000 Па для оплавленных шлаковых отложений.
Обдувочные аппараты. Конструктивная схема обдувочного аппарата приведена на рис. 101.
Рис. 101. Обдувочный аппарат:
1, 5 – электродвигатели; 2 – обдувочная труба; 3, 6 – редуктора;
4 – каретка; 7 – монорельс; 8 – звездочка; 9 – бесконечная цепь;
10 – запорный клапан; 11 – тяга с клином; 12 – рычаг;
13 – неподвижный паропровод; 14 – стержень
Обдувочный аппарат включает в себя:
· электродвигатель 1, укрепленный на каретке 4;
· редуктор 3, предназначенный для вращения обдувочной трубы 2;
· электродвигатель 5 и редуктор 6, укрепленные на монорельсе 7, предназначенные для поступательного движения обдувочной трубы 2;
· механизм поступательного перемещения обдувочной трубы, состоящий из каретки 4, которая перемещается по полкам монорельса 7, звездочек 8 и бесконечной цепи 9;
· запорный клапан 10, автоматически открывающий пар в обдувочную трубу после ее выхода на позицию обдувки; механизм, управляющий запорным клапаном 10 и состоящий из тяги с клином 11 и рычага 12.
Обдувочная труба соединена при помощи сальника с неподвижным паропроводом 13, подводящим к ней пар от запорного клапана. Двутавровый монорельс 7 несет на себе все указанные механизмы, а сам крепится к каркасу котла. При получении импульса от предыдущего обдувочного аппарата, закончившего свою работу, пускатель включает электродвигатели 1 и 5. При этом включается сигнальная лампа, расположенная на щите программного управления обдувкой. Каретка 4, перемещаясь по монорельсу, вводит обдувочную трубу 2 в газоход. Когда обдувочная труба выходит на позицию обдувки, стержень 14, воздействуя на рычаг, увлекает при помощи тяги клин 11, который через толкатель отжимает запорный паровой клапан, открывающий доступ пара в обдувочную трубу. Пар из обдувочной трубы выходит через сопла, обдувая поверхность нагрева.
При поступательно-вращательном движении трубы 2 обдувка производится по винтовой линии. После полного ввода обдувочной трубы внутрь газохода штифт, установленный на приводной цепи 9, воздействуя на концевые выключатели электродвигателя 5, переключает прибор на обратный ход. При этом обдувка поверхности нагрева производится так же, как и при движении обдувочной трубы внутрь газохода.
До того как сопловая головка будет выведена из газохода, стержень 14, воздействуя через рычаг 12 на клин 11, выведет его в исходное положение, и запорный паровой клапан под действием пружины закроется, прекратив доступ пара в обдувочную трубу.
С возвратом обдувочной трубы в исходное положение штифт, установленный на приводной цепи 9, воздействуя на концевые выключатели, отключает электродвигатели 1 и 5, и следующий по схеме прибор получает импульс на включение.
Зона действия обдувочного аппарата до 2,5 м, а глубина захода в топку до 8 м. На стенах топки обдувочные аппараты размещаются так, чтобы зона их действия охватывала всю поверхность экранов.
Обдувочные аппараты для конвективных поверхностей нагрева имеют многосопловую трубу, не выдвигаются из газохода и только вращаются. Число сопл, расположенных с двух сторон обдувочной трубы, соответствует числу труб в ряду обдуваемой поверхности нагрева.
Для регенеративных воздухоподогревателей применяются обдувочные аппараты с качающейся трубой. Пар или вода подводится к обдувочной трубе, и вытекающая из сопла струя очищает пластины воздухоподогревателя. Обдувочная труба поворачивается на определенный угол так, что струя попадает во все ячейки вращающегося ротора воздухоподогревателя. Для очистки регенеративного воздухоподогревателя парогенераторов, работающих на твердом топливе, в качестве обдувочного агента применяется пар, а парогенераторов, работающих на мазуте - щелочная вода. Вода хорошо промывает и нейтрализует сернокислотные соединения, имеющиеся в отложениях.
Пароводяная обдувка. Рабочим агентом обдувочного аппарата служит вода парогенератора или питательная вода.
Аппарат представляет собою сопла, установленные между трубами экранов. Вода в сопла подается под давлением, и в результате падения давления при прохождении через сопла из нее образуется пароводяная струя, направленная на противоположно расположенные участки экранов, фестонов, ширм. Высокая плотность пароводяной смеси и наличие недоиспарившейся в струе воды оказывают эффективное разрушающее действие на отложения шлака, который удаляется в нижнюю часть топки.
Вибрационная очистка. Вибрационная очистка основана на том, что пpи колебании труб с большой частотой нарушается сцепление отложений с металлом поверхности нагрева. Наиболее эффективна вибрационная очистка свободно подвешенных вертикальных труб, ширм и пароперегревателей. Для вибрационной очистки преимущественно применяют электромагнитные вибраторы (рис. 102).
Трубы пароперегревателей и ширм прикрепляются к тяге, которая выходит за пределы обмуровки и соединяется с вибратором. Тяга охлаждается водой, и место ее прохода через обмуровку уплотнено. Электромагнитный вибратор состоит из корпуса с якорем и каркаса с сердечником, закрепленных пружинами. Вибрация очищаемых труб осуществляется за счет ударов по тяге с частотой 3000 ударов в минуту, амплитуда колебаний 0,3-0,4 мм.
Дробеочистка. Дробеочистка применяется для очистки конвективных поверхностей нагрева при наличии на них уплотненных и связанных отложений. Очистка происходит в результате использования кинетической энергии падающих на очищаемые поверхности чугунных дробинок диаметром 3-5 мм. В верхней части конвективной шахты парогенератора помещаются разбрасыватели, которые равномерно распределяют дробь по сечению газохода. При падении дробь сбивает
Рис. 102. Вибрационное устройство для очистки вертикальных труб:
а - вид сбоку; б - сопряжение виброштанги с обогреваемыми
трубами, вид сверху; 1 - вибратор; 2 - плита; 3 - трос;
4 - противовес; 5 - виброштанга; 6 - уплотнение прохода
штанги через обмуровку; 7 - труба
осевшую на трубах золу, а затем вместе с ней собирается в бункерах, расположенных под шахтой. Из бункеров дробь вместе с золой попадает в сборный бункер, из которого питатель подает их в трубопровод, где масса золы с дробью подхватывается воздухом и выносится в дробеуловитель, из которого дробь по рукавам вновь подается в разбрасыватели, а воздух вместе с частицами золы направляется в циклон, где происходит их разделение. Из циклона воздух сбрасывается в газоход перед дымососом, а зола, осевшая в циклоне, удаляется в систему золоудаления котельной установки.
Транспорт дроби осуществляется по всасывающей или нагнетательной схеме. При всасываемой схеме разрежение в системе создается паровым эжектором или вакуум-насосом. При нагнетательной схеме транспортирующий воздух подается в инжектор от компрессора. Для транспорта дроби необходима скорость воздуха 40 – 50 м/с.
В последнее время дробеочистка практически не используется. Это связано с деформацией поверхностей нагрева и относительно низкой эффективностью.
А.П. Погребняк, заведующий лабораторией, В.Л. Кокорев, главный конструктор проекта, А.Л. Кокорев, ведущий инженер, И.О. Моисеенко, инженер 1 категории, А.В. Гультяев, ведущий инженер, Н.Н. Ефимова, ведущий конструктор, ОАО «НПО ЦКТИ», г. Санкт-Петербург
Разработка импульсных средств очистки поверхностей нагрева была начата специалистами НПО ЦКТИ в 1976-1978 гг. в связи с тем, что длительный опыт эксплуатации котлов промышленной и коммунальной энергетики, котлов-утилизаторов и энерготехнологических аппаратов различных производств, оборудованных традиционными средствами очистки, показал их недостаточную эффективность и надежность, которая в значительной мере снижала экономичность работы агрегатов (уменьшение КПД на 2-3%).
С момента создания в НПО ЦКТИ первых промышленных устройств газоимпульсной очистки (ГИО) началось сотрудничество с ведущими котлостроительными заводами (Белэнергомаш, БиКЗ, ДКМ). Так, например, в 1986 г. ГИО ЦКТИ был оборудован головной образец котла-утилизатора РКЖ-25/40 производства Белгородского котлостроительного завода, установленного за печью плавки медных концентратов в жидкой ванне на Балхашском горно-металлургическом комбинате , что обеспечило эффективную очистку его радиационных и конвективных поверхностей нагрева . Применение ГИО ЦКТИ для очистки поверхностей нагрева котлов-утилизаторов производства БЗЭМ за печами кипящего слоя обжига колчедана в линии производства серной кислоты на ПО «Азот» города Мелеуз (КС-250 ВТКУ, КС-450ВТКУ) решило проблему охлаждения дымовых газов до уровня, позволяющего создать условия надежной работы электрофильтров .
Положительный опыт стал предпосылкой для выбора ГИО в качестве средства очистки при разработке НПО ЦКТИ проектов унифицированной серии котлов-утилизаторов для БЗЭМ, к выпуску которых было решено приступить в начале 90-х годов. .
ГИО также широко внедрялась взамен устройств дробевой очистки и паровой обдувки на котлах производства Бийского котлостроительного завода (котлы ДЕ, КЕ, ДКВР) и завода Дорогобужкотломаш (котлы КВ-ГМ, ПТВМ) . Было налажено промышленное производство экономайзеров, оборудованных устройствами ГИО на Кусинском машиностроительном заводе.
В 1986 г. ГИО ЦКТИ была принята в промышленное производство на заводе «Ильмарине» (г. Таллин), а в 1990 г. начались поставки заводских систем ГИО на объекты промышленной и коммунальной энергетики СССР . Однако, в 1991 г. эти поставки были прекращены, и многие котлостроительные заводы для комплектации своего оборудования начали выпуск устройств ГИО собственного производства, как правило, обладавшими рядом конструктивных недостатков.
Специалисты НПО ЦКТИ продолжали внедрять ГИО собственной разработки на котлах различного назначения, а с 1989 г. и на камерах конвекции нефтенагревательных печей. При этом шло совершенствование ГИО в направлении повышения их технического уровня, надежности и безопасности, в результате чего были созданы полностью автоматизированные системы ГИО.
Первые опытные и промышленные устройства ГИО были рассчитаны на практически полностью ручную схему управления исполнительными механизмами, что значительно затрудняло процесс их эксплуатации, вызывая необходимость частых настроек оборудования, требовало специальных навыков и дополнительной подготовки обслуживающего и эксплуатирующего персонала. Для устранения этих факторов были начаты разработки технических средств для автоматизации систем ГИО. Первая полностью автоматизированная система ГИО была внедрена в 1998 г. в рамках выполнения контракта с котлостроительной фирмой «AALBORG KEYSTONE» (Дания) на котле-утилизаторе, установленном за дизельгенераторами мощностью 30 МВт на электростанции Заводов Мертвого моря в Израиле (фото 1).
Фото 1. ГИО на котле-утилизаторе электростанции Заводов Мертвого моря (Израиль).
ГИО была установлена взамен ненадежных и малоэффективных устройств воздушной обдувки на пароперегревателе котла-утилизатора, работающего под наддувом до 3000 Па, что, в свою очередь, потребовало разработки конструктивных решений по защите узлов и трубопроводов ГИО от дымовых газов. При этом система ГИО устойчиво работала как в автоматическом (с пульта управления станции), так и в ручном режимах, выполняя все заданные программы на всех режимах работы котла во всем диапазоне давлений дымовых газов (от 0 до 3000 Па) без переналадки. Узлы аспирации, установленные на выхлопных соплах импульсных камер, обеспечивали надежную защиту камер и трубной системы ГИО от дымовых газов. ГИО обеспечила эффективную очистку поверхностей нагрева пароперегревателя, расположенных вне зоны шлакования и холодную расшлаковку пакетов пароперегревателя, находящихся в зоне шлакования .
В 1999 г. автоматизированной системой ГИО был оборудован котел OL-20 фирмы «Рафако» (Польша) с топкой для сжигания подсолнечной лузги, который был сдан в промышленную эксплуатацию на Запорожском МЖК.
В процессе внедрения ГИО на оборудовании отечественных и зарубежных предприятий котлостроения в период с 2000 по 2005 г. в ОАО «НПО ЦКТИ» были созданы системы с унифицированными узлами и комплексами автоматического управления (фото 2).
Фото 2. Унифицированные узлы системы ГИО для котельного агрегата.
В 2006 г. на нефтенагревательной печи ВДМ-1, проекта и поставки фирмы «Foster Wheeler» для завода «ЛУКОЙЛ – Нефтохим – Бургас» АД (Болгария), система ГИО была установлена взамен предусмотренной проектом печи системы очистки с использованием паровых обдувочных аппаратов (фото 3) и обеспечила эффективную очистку оребренных змеевиков камеры конвекции при значительном сокращении металлоемкости, габаритов и эксплуатационных затрат по сравнению с паровой обдувкой .
Фото 3. Элементы системы ГИО на печи ВДМ-1 «ЛУКОЙЛ – Нефтохим-Бургас» АД (Болгария).
Работы с зарубежными котлостроительными фирмами способствовали повышению технического уровня и надежности систем ГИО, что внесло свой вклад при внедрении ГИО ЦКТИ и для объектов в России.
С 2006 г. действует договор между ОАО «Дорогобужкотломаш» и ОАО «НПО ЦКТИ» на поставку технологических блоков для систем ГИО водогрейных котлов, выпускаемых заводом. В настоящее время осуществлена поставка около 40 технологических блоков. При этом импульсные камеры и трубопроводы производятся на заводе. Такая форма сотрудничества выгодна для обеих сторон.
С середины 2000-х г.г. возобновились поставки автоматизированных систем ГИО ЦКТИ на ведущие котлостроительные заводы России и стран СНГ. Для Белозерского энергомашиностроительного завода (Белоруссия) были разработаны проекты для серии головных образцов котлов Е-30-3,9-440ДФ, Е-20-3,9-440ДФ, Е-10-3,9-440ДФ, сжигающих торф и древесные отходы. ГИО котла Е-30-3,9-440ДФ была сдана в эксплуатацию на Белорусской ГРЭС-1 в марте 2013 г. В ближайшее время планируется поставка ГИО для котлов Е-20-3,9-440ДФ и Е-10-3,9-440ДФ. Для данных типов котлов был разработан новый комплекс управления коллекторной схемой с общим технологическим блоком и электромагнитными клапанами подачи газовоздушной смеси к нескольким группам импульсных камер. В мае 2013 года для вновь строящегося котла КВГМ-139,6-150, Новосибирской ТЭЦ-2 была выполнена поставка на Бийский котлостроительный завод. В настоящее время разработан проект и планируется поставка для ОАО «Сибэнергомаш» двух ГИО для котлов Е-100-1,6-535ГМН, работающих под наддувом 4000 Па, предназначенных для установки на ТЭЦ Ангарского нефтехимического комбината. Подача воздуха на аспирацию предусмотрена от котельного вентилятора.
В 2008 г. автоматизированная система ГИО была внедрена на двух водогрейных котлах КВГМ-100 котельной №1 ФГУП «Горно-химический комбинат» (г. Железногорск, Красноярский край), работающих на высокосернистом мазуте.
Предусмотренная проектом дробеочистка не эксплуатировалась ввиду ее низкой эффективности и надежности. До внедрения ГИО каждые два месяца котлы останавливали для проведения очистки вручную, методом водяной обмывки поверхностей нагрева по причине значительного роста температуры уходящих газов (более чем на 60° С) и сопротивления газового тракта, что приводило к невозможности работы котлов с нагрузкой выше 50% от номинала. Водяная обмывка в условиях отложений серы на элементах конвективных пакетов вызывала сернокислотную коррозию металла, что сокращало срок службы поверхностей нагрева примерно в два раза. Кроме того, возникала проблема нейтрализации кислой обмывочной воды.
При выполнении этой работы в рассечках конвективных пакетов каждого котла были установлены по шесть импульсных камер диаметром 325 мм, соединенных в три группы. Газовоздушная смесь была подведена к каждой группе камер от технологических блоков (по 3 шт. на каждом котле), выполняющих все необходимые функции в соответствии с алгоритмом работы. Управление системой ГИО осуществляется из блока управления, выполненного на основе промышленного контроллера и расположенного в помещении операторной. Очистка конвективных пакетов производится при последовательной работе импульсных камер по ходу дымовых газов.
В результате внедрения систем ГИО КПД на каждом котле увеличилось на 1-1,5%, а регулярное включение ГИО один раз в сутки обеспечивает содержание поверхностей нагрева в эксплуатационно-чистом состоянии и поддерживает температуры уходящих газов на уровне регламентных значений. Снижение сопротивления по тракту дымовых газов позволяет обеспечить работу котлов с номинальной нагрузкой. Отказ от водных обмывок существенно увеличивает срок службы поверхностей нагрева. Увеличилась выработка тепловой энергии за счет исключения останова котлов на проведение трудоемких ручных очисток. Эксплуатационные расходы на ГИО незначительны: один баллон с пропаном емкостью 50 л обеспечивает работу системы ГИО в течение трех недель, а потребляемая электрическая мощность не превышает 2 кВт при длительности цикла очистки 10-12 мин.
Продолжается сотрудничество и с зарубежными заказчиками. Так, в августе 2013 г. закончены работы по проектированию системы ГИО для котла-утилизатора К-35/2,0-130, предназначенного для установки за блоком регенерации катализатора в линии каталитического крекинга завода «ЛУКОЙЛ – Нефтохим-Бургас» АД (Болгария). Котел-утилизатор должен работать под наддувом до 10000 Па, что потребовало при разработке проекта предусмотреть защиту узлов и трубопроводов ГИО от проникновения в них дымовых газов за счет постоянной подачи воздуха от собственного вентилятора ГИО в узлы аспирации, расположенные между импульсными камерами и газоходом котла, в связи с чем были приняты новые конструктивные и схемные решения по совершенствованию комплекса управления для применения в конкретных условиях эксплуатации. В настоящее время ведутся работы по изготовлению и комплектации системы ГИО, сертификации ее на соответствие требованиям Директивы Европейского Союза 97/23/EC с целью получения международного сертификата и права нанесения СЕ маркировки. Ввод в эксплуатацию намечен в апреле 2014 г.
Наряду с совершенствованием и внедрением систем ГИО, специалисты НПО ЦКТИ продолжили работы по исследованию и разработке систем пневмоимпульсной очистки (ПИО), начало которым было положено около 35 лет назад . Широкое применение системы пневмоимпульсной очистки получили в странах Западной Европы и США . В последние годы некоторые фирмы вышли на отечественный рынок. Началом возобновления российских работ в этой области стала разработка ОАО «НПО ЦКТИ» технического проекта системы ПИО в опытно-промышленном варианте для котлов КВ-Р-8-115 ОАО «Ковровкотломаш». При разработке этого проекта был использован ряд новых технических решений, повышающих надежность, эффективность, простоту эксплуатации системы ПИО, расширяющих сферу ее применения .
Литература
1. Погребняк А.П., Вальдман А.М. Опыт освоения котлов-утилизаторов для печей плавки цветных металлов // Труды ЦКТИ. 1989. Вып. 250.
2. Гдалевский И.Я., Гришин В.И., Погребняк А.П., Вальдман А.М. Опыт промышленного внедрения газоимпульсной очистки на водогрейных, паровых котлах и котлах-утилизаторах // Труды ЦКТИ. 1989. Вып. 248.
3. Изотов Ю. П., Голубов Е. А., Кочеров М. М. Повышение эффективности работы поверхностей нагрева котлов-утилизаторов для печей обжига колчедана в кипящем слое.
4. Котлы утилизаторы и котлы энерготехнологические: Отраслевой каталог. М., 1990.
5. Романов В.Ф., Погребняк А.П., Воеводин С.И., Яковлев В.И., Кокорев В.Л. Результаты освоения автоматизированных систем газоимпульсной очистки (ГИО) конструкции ЦКТИ на котлах промышленной и коммунальной энергетики и на технологических печах нефтеперерабатывающих заводов // Труды ЦКТИ. 2002. Вып. 287.
6. Аппараты и устройства очистки поверхностей нагрева: Отраслевой каталог. М., 1987.
7. Погребняк А. П., Кокорев В. Л., Воеводин С. И., Кокорев А. Л., Гультяев А. В. Ефимова Н. Н. Результаты внедрения автоматизированных систем ГИО ЦКТИ на нефтенагревательных печах, котлах-утилизаторах и водогрейных котлах // Труды ЦКТИ. 2009. Выпуск 298.
8. А. с. № 611101 СССР Устройство для импульсной очистки поверхностей нагрева парогенераторов от наружных отложений / Погребняк и др., 1978.
9. Погребняк А.П., Кокорев В.Л., Воеводин С.И., Кокорев А.Л., Семенова С.А. Устройства импульсной и акустической очистки теплообменных и технологических поверхностей. Создание, освоение и перспективы // Труды ЦКТИ. 2009. Вып. 298.
10. Пат. 123509 РФ. Устройство для импульсной очистки поверхностей нагрева от наружных отложений / Погребняк А.П., Кокорев В.Л., Кокорев А.Л., Моисеенко И.О. Опубл. 27.12.2012. Бюл. № 36.
Классификация наружных отложений
В составе золы имеются в небольшом количестве легкоплавкие соединения с температурой плавления 700 – 850 о С. Это в основном хлориды и сульфаты щелочных металлов . В зоне высоких температур ядра факела они переходят в парообразное состояние и затем конденсируются на поверхности труб, так как температура чистой стенки всегда менее 700 о С.
Среднеплавкие компоненты золы с температурой плавления 900 – 1100 о С могут образовать первичный липкий слой на экранных трубах и ширмах, если в результате не налаженного топочного режима факел будет касаться стен топки, и вблизи экранных труб будет находиться высокотемпературная газовая среда.
Тугоплавкими компонентами золы являются, как правило, чистые окислы . Температура их плавления (1600 – 2800 о С) превышает максимальную температуру ядра факела, поэтому они проходят зону горения без изменения своего состояния, оставаясь твердыми. Ввиду малых размеров частиц эти компоненты в основном уносятся потоком газов и составляют летучую золу.
В зоне высоких температур газов (выше 700 – 800 о С) на поверхности чистой трубы вначале происходит конденсация из газового потока легкоплавких соединений и образуется первичный липкий слой на трубах. На него одновременно налипают твердые частицы золы. Затем он отвердевает и становиться плотным первоначальным слоем отложений, крепко сцепленным с поверхностью трубы. Температура наружной поверхности слоя повышается и конденсация прекращается.
Далее на шероховатую поверхность этого слоя набрасываются мелкие и твердые частицы тугоплавкой золы, образуя внешний сыпучий слой отложений. Таким образом, в этой области температур газов на поверхности труб чаще всего присутствуют два слоя отложений: плотный и сыпучий .
Сыпучие отложения распространены в зоне относительно низких температур газового потока (менее 600 – 700 о С), характерных для поверхности конвективной шахты.
Сыпучие отложения преимущественно образуются на тыльной стороне трубы по отношению к направлению газового потока, в образующейся сзади трубы вихревой зоне (рисунок 3.32). На лобовой стороне сыпучие отложения образуются лишь при малых скоростях потока (менее 5 – 6 м/с) или при наличии в потоке очень тонкой летучей золы.
Частицы золы, участвующие в образовании сыпучих отложений разделяют на три группы.
К первой группе относят самые мелкие фракции, так называемые безынерционные частицы, которые настолько малы, что двигаются по линиям тока газов, и поэтому вероятность их осаждения на трубах мала. Предельный размер частиц, относящихся к этой группе, составляет около 10 мкм.
Ко второй группе относятся крупные фракции размером свыше 30 мкм. Эти частицы обладают достаточно большой кинетической энергией и при контакте с сыпучими отложениями разрушают их.
Третью группу составляют фракции золы размером от 10 до 30 мкм. При обтекании газовым потоком трубы эти частицы преимущественно оседают на ее поверхности и образуют слой отложений. В результате размер слоя сыпучих отложений определяется динамическим равновесием процессов постоянного оседания средних фракций золы и разрушения осевшего слоя более крупными частицами.
Рисунок 3.32 – Загрязнение труб сыпучими отложениями при разных направлениях и скоростях движения газов
Одним из методов очистки поверхностей нагрева является использование динамического воздействия на слой отложений струи пара, воды или воздуха. Действенность струй определяется их дальнобойностью, в пределах которой струя сохраняет достаточный динамический напор для разрушения отложений. Наибольшей дальнобойностью и термическим эффектом воздействия на плотные отложения обладает водяная струя.
Аппараты этого типа находят применение для очистки экранов топочных камер. Однако обдувка водой требует строго расчета, чтобы исключить резкое переохлаждение металла после удаления отложений.
Для очистки радиационных поверхностей нагрева и конвективных перегревателей широкое распространение получили многосопловые выдвижные аппараты, работающие на насыщенном или перегретом паре с давлением около 4 МПа.
Для очистки ширм и коридорных трубных пакетов в области горизонтального газохода применяют вибро-очистку. Ее действие основано на том, что при колебании труб с большой частотой нарушается сцепление отложений с металлом. В этих целях используют вибраторы с водоохлажденными штангами, передающими воздействие на очищаемую поверхность.
Наиболее эффективным способом очистки конвективных поверхностей в опускной шахте парового котла от сыпучей золы является дробеочистка . В этом случае используют кинетическую энергию падающих чугунных дробинок диаметром 3 – 5 мм. Дробь подается вверх воздушным потоком и распределяется по всему сечению шахты. Расход дроби на очистку определяют исходя из оптимальной интенсивности «орошения» дробью – 150 – 200 кг/м 2 сечения конвективной шахты. Время очистки составляет обычно 20 – 60 с.
Обязательным условием успешного использования дробевой очистки является регулярность ее применения сразу после пуска котла в эксплуатацию при еще практически чистых поверхностях нагрева.
В последнее время находит распространение метод термоволновой очистки поверхностей нагрева конвективной шахты при помощи акустических низкочастотных волн, генерируемых в специальной импульсной камере взрывного горения.
Очистку вынесенных за пределы котла регенеративных воздухоподогревателей (РВП) осуществляют путем обдувки теплообменной набивки РВП перегретым паром (на 170 – 200 о С выше температуры насыщения), реже применяют обмывку водой (липкие отложения она удаляет, но увеличивает коррозию), а также применяют метод ударной волновой очистки и термический способ очистки . Последний основан на периодическом повышении температуры набивки до 250 – 300 о С за счет отключения подачи воздуха в аппарат РВП. При этом высушиваются липкие отложения и испаряется сконденсировавшаяся серная кислота.
Как уже отмечалось неоднократно, работа котла на твердом топливе сопровождается такими нежелательными явлениями, как шлакованием и загрязнением поверхностей нагрева. При высоких температурах частицы золы могут переходить в расплавленное или размягченное состояние. Часть частиц соударяется с трубами экранов или поверхностей нагрева и может налипать на них, накапливаясь в большом количестве.
Шлакование - это процесс интенсивного налипания на поверхности труб и обмуровки частиц золы, находящихся в расплавленном или размягченном состоянии. Образующиеся значительные наросты время от времени отслаиваются от труб и выпадают в нижнюю часть топки. При падении шлаковых наростов возможна деформация или даже разрушение трубной системы и обмуровки топки, а также шлакоудаляющих устройств. Прн высоких температурах упавшие глыбы шлака могут расплавиться и многотонными монолитами заполнить нижнюю часть топки. Подобное зашлаковывание топки требует останова котла и проведения расшлаковочных работ.
Шлакованию подвержены также трубы поверхностей нагрева, расположенные на выходе из топки. В этом случае рост шлаковых отложений приводит к забиванию проходов между трубами и к частичному или полному перекрытию сечения для прохода газов. Частичное перекрытие приводит к возрастанию сопротивления поверхностей нагрева и увеличению мощности дымососов. Если мощности дымососов недостаточно для вывода продуктов сгорания из зашлакованного котла, то необходимо снизить его нагрузку.
Расшлаковывание топки и очистка поверхностей нагрева - длительный и трудоемкий процесс, требующий привлечения значительных людских и материальных ресурсов. На трубах поверхностей нагрева могут оседать также частицы в твердом состоянии, загрязняя их наружную поверхность как с лобовой, так и с тыльной сторон. Эти загрязнения могут образовывать рыхлые или трудноудалимые отложения. Отложения на трубах уменьшают коэффициент теплопередачи (отложения имеют низкую теплопроводность и являются своего рода тепловой изоляцией) и эффективность отдачи теплоты. В результате этого температура уходящих газов возрастает.
Подобно шлакованию, загрязнения поверхностей нагрева котла приводят к увеличению сопротивления его газового тракта и ограничению тяги. При проектировании котельной установки предусматриваются специальные устройства и мероприятия по контролю за состоянием поверхностей нагрева и очистки их от шлака и загрязнений. На остановленных котлах используют преимущественно механические способы очистки с применением различных скребков и водяную обмывку. Регулярно используемый в эксплуатации способ - очистка поверхностей нагрева при помощи паровой или пневматической обдувки, водяной (термоциклической) обмывки, дробе- и виброочистки, а также импульсную очистки.
Обдувка труб 2 топочных экранов или поверхностей нагрева происходит в результате динамического и термического воздействия на слой шлака или загрязнения струи пара или воздуха, вытекающего из сопл 3, расположенных на вращающихся насадках (рис. 92). По отношению к оси насадки сопла расположены под углом 90°, обеспечивающим движение струй вдоль поверхности обдуваемых труб экранов или поверхностей нагрева. При обдувке насадки перемещают вглубь газохода по оси отверстия, выполненного в обмуровке 1, обдувая все змеевики. Для обдувки используется пар давлением 1,3-4 МПа с температурой 450 ’С или сжатый воздух.
В зависимости от назначения и зоны установки применяют обдувочные аппараты невыдвижного (ОН), маловыдвижного (ОМ) и глубоковыдвижного типа (ОГ). Аппараты невыдвижного типа (рис. 93, а) устанавливают в зоне относительно невысокой температуры газов (до 700 °С). Труба I насадки с соплами 2 свободно подвешивается с помощью хомутов 3 к трубам 4 обдуваемой поверхности. При обдувке труба 1 начинает вращаться и одновременно в нее подается пар или сжатый воздух. Корпус аппарата с помощью фланцевых соединений 6 крепится неподвижно к раме 5 каркаса котла. Длина насадки и расстояние между соплами зависят от соответствующих размеров обдуваемой поверхности нагрева.
Очистка поверхностей нагрева с помощью обдвочных аппаратов маловыдвижного типа (рис. 93, б) применяется преимущественно для наружной очистки экранов топки (ОМ-0,35). Обдувку проводят в следующем порядке. Насадка 1 с соплами 2 через резьбовое соединение шпинделя получает от электродвигателя вращательное и поступательное движение. Преобразование вращательного движения в поступательное достигается с помощью направляющей планки с храповым механизмом (закрыт кожухом 7). При полном вводе насадки в топку (ход 350 мм) приводом 8 открывается клапан 9 и обдувочный агент поступает в насадок и сопла. Для обеспечения эффективной обдувки аппараты устанавливают таким образом, чтобы в рабочем положении сопла отстояли от труб на 50-90 мм. По окончании обдувки клапан 9 закрывается лпч |,и насадка выводится из топки.
Количество обдувочных аппаратов, устанавливаемых в топке, выбирают из условия, что радиус действия одиночной обдувочной струи составляет около 3 м. Для очистки фестонов, ширмовых и конвективных пароперегревателей, расположенных в зоне температур газов 700-1000 °С, применяют глубоковыдвижные обдувочные аппараты (рис. 93, в). По принципу действия аппарата они подобны только что рассмотренному типу. Отличие состоит лишь в длине трубы - насадки 1 и ее хода, а также в применении раздельного привода для вращательного и поступательного движения.
При включении аппарата обдувочная труба 1 с соплами 2 приводится в поступательное движение, обеспечиваемое электродвигателем через редуктор 10 и цепную передачу 11. Вращательное движение труба получает от электродвигателя с редуктором 10. При подходе сопл к первым трубам открывается клапан 9 и выходящий из сопл пар начинает обдувать трубы поверхности нагрева. Обдувочный аппарат с помощью специальных передвижных опор 12 крепится к несущей балке (опирается или подвешивается). Совмещением на одной несущей балке двух обдувочных аппаратов (подвесного и опорного) с поступательным движением в противоположных направлениях обеспечивается возможность обдувки сразу двух котлов, т. е. получается аппарат двустороннего действия (типа ОГД).
Очистка поверхностей нагрева при помощи водяной обмывки используется при очистке экранов котлов, работающих на сильношлакующих топливах (сланцы, фрезерный торф, канско-ачинские и другие угли). Разрушение отложений в этом случае достигается в основном под действием внутренних напряжений, возникающих в слое отложений, при периодическом их охлаждении водяными струями, истекающими из сопловых насадков 2 головки 1 (рис. 94, а). Наибольшая интенсивность охлаждения наружного слоя отложений имеет место в первые 0,1 с воздействия водяной струи. Исходя из этого выбирается частота вращения сопловой головки. За цикл обдувки сопловая головка совершает 4-7 оборотов. Сопла располагают обычно в два ряда, на противоположных образующих сопловой головки. Этим обеспечивается равномерное охлаждающее действие струй (различного диаметра) на всей орошаемой водой площади очищаемых прилегающих экранов и необходимое чередование процессов охлаждения и нагрева при вращении головки, в результате чего повышается эффективность очистки.
Обмывку противолежащей и боковых стен производят аппаратом (рис. 94, б), содержащим установленное в шаровом шарнире 3 сопло, в которое подается вода из рукава 4. Сопло совершает подъемно-спускное и горизонтальное движение с помощью привода 5, соединенного с электродвигателем, размещенным на опорной плите 6. Водяная обмывка более эффективна по сравнению с паровой и пневматической обдувками, ее использование не приводит к сильному золовому износу очищаемых труб, так как скорости истечения воды из сопл невысоки. В то же время следует иметь в виду, что при водяной обмывке необходима система защиты, прерывающая подачу воды в аппарат, так как при длительном охлаждении отдельных труб экранов водой вследствие снижения их тепловосприятия может произойти нарушение циркуляции. При водяной обмывке повышается вероятность разрыва экранных труб, испытывающих циклические тепловые нагрузки.
Очистка поверхностей нагрева вибрационным способом применяют преимущественно для очистки ширмовых и конвективных перегревателей. Удаление отложений происходит под действием поперечных или продольных колебаний очищаемых труб, вызываемых специально устанавливаемыми вибраторами электрического (например, С-788) или пневматического типа (ВПН-69).
На рис. 95, а показана схема устройства виброочистки ширмового перегревателя с поперечными колебаниями труб. Возбуждаемые вибратором 3 колебания передаются виброштангами 2, соединенными непосредственно с вибратором 3 (рис. 95, а) или через опорную раму 4 (рис. 95, б) и от них змеевикам труб I. Виброштангу1, как правило, приваривают к крайней трубе с помощью полуцилиндрических накладок. Аналогичным образом остальные трубы соединяют между собой и с крайней трубой. Виброочистку с продольным колебанием труб чаще используют для вертикальных змеевиковых поверхностей нагрева, подвешенных (на пружинных подвесках) к каркасу котла (рис. 95, б).
Электрические вибраторы не позволяют повысить частоту колебаний выше 50 Гц, что оказывается недостаточным для разрушения связанных прочных отложений, образующихся на трубах при сжигании канско-ачинских углей, сланцев, фрезерного торфа и др. В этом случае целесообразнее пневматические генераторы колебаний, например ВПН-69. Они обеспечивают частоту колебаний до 1500 Гц и более широкий диапазон ее изменения. Применение мембранных змеевиковых поверхностей значительно упрощает использование вибрационного способа очистки.
Дробевая очистка поверхностей нагрева используется при сжигании мазута и топлив с большим содержанием в золе соединений щелочных (К, Na) и щелочно-земельных (Са, Mg) металлов. На трубах появляются прочносвязанные плотные отложения, удаление которых описанными выше способами невозможно. В случае дробевой очистки на очищаемую поверхность с некоторой высоты падают стальные шарики (дробь) небольшого размера. При падении и соударении с поверхностью дробь разрушает отложения на трубах как с лобовой стороны, так и с тыльной (при отскоке от нижележащих труб) и вместе с небольшой частью золы выпадает в нижней части конвективной шахты. Золу отделяют от дроби в специальных сепараторах, дробь накапливается в бункерах как под очищаемым газоходом, так и над ним.
Основные элементы дробеочистки с нижним расположением бункеров показаны на рис. 96. При включении установки дробь из бункера 1 питателем 2 подается во входное устройство дробепровода 4 (или в инжектор в установках под давлением). Наиболее распространенным способом подъема дроби является пневмотранспорт. Транспортируемая воздухом дробь отделяется в дробеуловителях 5, из которых с помощью тарельчатых питателей 6 распределяется по отдельным разбрасывающим устройствам 7. Дробевые установки с пневмотранспортом дроби работают под разрежением или под давлением. В первом случае воздуходувная машина или эжектор соединены всасывающим патрубком с линией сброса, а во втором воздух из воздуходувки нагнетается через инжектор 3 в линию 4 подъема дроби.
Из трубопровода 1 на полусферические разбрасыватели 2 (рис. 97, а) с определенной высоты падает дробь. Она отскакивает под различными углами и распределяется по очищаемой поверхности. Расположение подводящих трубопроводов и отражателей в зоне высоких температур требуют применения водяного охлаждения. Наряду с полусферическими отражателями применяют пневматические разбрасыватели (рис. 97, б). Их устанавливают на стенах газохода. Дробь из трубы 1 разбрасывается сжатым воздухом или паром, поступающим по подводящему каналу 4 в разгонный участок 3 разбрасывающего устройства. Для увеличения площади обработки изменяют давление воздуха (пара). Одним разбрасывателем могут быть обработаны 13-16 м 2 площади при.ширине 3 м. Следует отметить, что удар дроби с поверхностью труб при пневматическом разбрасывании сильнее, чем при использовании полусферических отражателей. В случае интенсивного загрязнения поверхностей нагрева можно комбинировать различные способы очистки.