Промишлени двуходови и триходови котли

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2010

Видове, конструкция, използвани материали, ефективност, изисквания към системата

     Котлите са стационарни съоръжения, използвани за добив на топлина в отоплителни, вентилационни и климатични системи. В ролята на топлоносител обикновено се използва вода или пара. Благодарение на непрекъснатото усъвършенстване на конструкцията им, ефективността и екологичността на отоплителните котли достига и дори надхвърля 90%. На българския пазар се предлага голямо разнообразие от промишлени котли с различни характеристики. Обект на разглеждане в настоящата статия са котлите с два и три хода на димните газове, които се използват в промишлеността за подготовка на пара или топла вода.

Класификация на отоплителните котли
Класификацията на котлите се осъществява на базата на различни признаци. Разделянето им на двуходови и триходови котли се базира на траекторията на пламъка и движението на димните газове в котела. Двуходовите и триходовите котли са сред най-масово предлаганите и използваните в практиката. Сред причините за това е високият им коефициент на полезно действие. Следва да се отбележи, че някои производители предлагат и четириходови котли, но те все още не са широко разпространени на пазара.
Характерно за конструкцията на двуходовите и триходовте котли е наличието на горивна камера. Те разполагат и с отделни димни канали или тръби, през които преминават горещите димни газове. Загряваната вода се намира от външната страна на горивната камера. В зависимост от конструктивното си изпълнение, котлите могат да бъдат с хоризонтално или вертикално изпълнение.
Двуходовите и триходовите котли работят с твърдо, течно или газообразно гориво, както и с електрическа енергия. Според вида на използваното гориво се определят някои специфични особености  в конструкцията на котела. Най-често използвани са котлите, работещи с газ или течно гориво. Котлите на твърдо гориво не намират толкова широко приложение. Двуходовите и триходовите котли се предлагат с различни мощности, подходящи както за бита, така и за промишлеността.
В зависимост от топлопроизводителността си, отоплителните котли се разделят в три категории: малки отоплителни котли - до 60 kW, средни отоплителни котли – до 600 kW, и големи отоплителни котли – над 600 kW. Двуходовите и триходовите котли се предлагат и в трите диапазона, като използваните в индустриални приложения могат да достигнат много високи мощности, от порядъка и дори над 30 - 40 MW.
Основни материали, използвани за изработване на топлоразмерните повърхности на двуходовите и триходовите котли, са чугунът и стоманата. Обикновено чугунените котли се използват при по-ниски мощности, докато използването на стоманените е препоръчително при по-високи мощности.

Котли, изработени от чугун
Предимство на чугуна е устойчивостта на корозия и дългият живот на материала. Негови недостатъци в сравнение със стоманата са по-малката устойчивост на удари и механични повреди, дължащи се на крехкостта му. Като недостатък на чугунените котли се приемат и ?по-големите им габарити в сравнение със стоманените при една и съща мощност.
Както вече бе споменато, използването на определен материал за изработване на котела определя някои специфични особености в конструкцията му, например техническото изпълнение на отделните ходове. При чугунените котли отделните ходове се реализират чрез специални секции. Отделните чугунени секции са със сложна конфигурация и голямо външно оребряване. Посредством секциите се формират горивна камера, скара, ходове на димните газове и водно пространство. В големи котли от този тип парата от всяка секция постъпва в надлъжен горен колектор, а кондензатът се връща по два долни надлъжни колектора. Основното предимство на тези котли са лесните им монтаж и демонтаж. Чугунените котли могат да се доставят сглобени или да се сглобяват на място, в зависимост от спецификите и размерите на котелното помещение. Също така, при необходимост мощността на котела би могла лесно да се увеличи чрез добавяне на допълнителни секции. Важно е да се познават и недостатъците на чугунените котли. При твърде бързо разгаряне, както и при студен пуск, чугуненият котел би могъл да се пукне. Секционните котли работят с висок КПД, но чугунените секции на този тип котли не гарантират безопасна работа при високи налягания на парата. Използването на специални сплави, устойчиви на топлинни разширения и изменения, увеличава дълготрайността им. За да се намалят топлинните загуби, котлите се изолират. Коефициентът им на полезно действие обикновено е около 90%, като конкретните стойности зависят от използваното гориво.

Котли, изработени от стомана
Стоманените котли, използвани в промишлеността, обикновено са с цилиндричен корпус, по дължината на който са разположени пламъчната тръба и димогарните тръби, които образуват нагревната повърхност на котела и съответно втория и третия им ход. Димогарните тръби могат да бъдат разположени симетрично около горивната камери или над нея. Широко разпространени са стоманените котли с елипсовидна форма, благодарение на която се постига по-малка ширина на котела. Това подпомага неговото транспортиране и монтаж в котелното помещение. В този случай димогарните тръби обикновено се разполагат над горивната камера, което спомага за намаляване на образуването на конденз.
За изработване на съвременните модели дву- и триходови котли често се използват специални легирани стомани, отличаващи се с висока корозионна устойчивост. Това допринася за удължаване на експлоатационния живот на котлите. По-голямата пластичност на стоманата в сравнение с чугуна осигурява по-добри възможности за оптимизиране и усложняване на конструкцията на котела. По този начин се постига постигането на по-ефективен топлообмен.

Видове котли според обръщателната камера
В конструктивно отношение двуходовите и триходовите котли могат се класифицират и в зависимост от вида на задната обръщателна камера. На базата на този критерий се предлагат два вида конструкции.
Едната обхваща пламъчнотръбен котел с т. нар. суха конструкция, при който обръщателната камера, използвана за насочване на димните газове от пламъчната тръба към димогарните тръби, е външна. С тази конструкция се осигурява лесен достъп до всички вътрешни зони на котела, включващи тръби, горелка, пещ и др. Това предопределя лесната поддръжка и по-ниските им експлоатационни разходи.
Втората конструкция е с вътрешна водноохлаждаема обръщателна камера. С тази конструкция се постигат по-ниски експлоатационни разходи, независимо от по-трудното поддържане и почистване на котела. Също така, пламъчнотръбните котли с такава конструкция са по-склонни към отлагането на утайки във вътрешната им част.

Дву- и триходови котли за производство на пара
Двуходовите и триходовите котли намират най-широко индустриално приложение за производството на пара с ниско и високо налягане. Затова и са познати като парни котли. Принципно, парният котел е съд под налягане, в който водата се нагрява, превръщайки се в пара. Характерни за парните котли са високата производителност, икономичността и малките загуби на топлина.
Гамата от дву- и триходови парни котли включва модели, покриващи широк мощностен диапазон, производителност и работно налягане. Сред масово предлаганите модели дву- и триходови котли са тези с работно налягане до около 12 или 15 bar. Произвеждат се и модели с максимално допустимо налягане 22 bar. Производителността на пара при различните модели обикновено варира в диапазона от 120 kg/h до 20 000 kg/h, но може да достигне и много по-високи стойности - от порядъка на
55 000 kg/h.

Двуходови и триходови котли за производство на топла вода
Двуходовите и триходовите котли се приемат като много подходящи и за подготовка на топла вода. Голяма част от използваните двуходови и триходови котли са нискотемпературни и произвеждат топла вода с температура, не по-висока от 115 °С. Допустимото работно налягане при тази температура на водата обикновено не превишава 0,6 МРа. Подобни котли са подходящи основно за работа в закрити системи за топлоснабдяване. Предпочитани са за използване в големи отоплителни и вентилационни системи, за горещо водоснабдяване на промишлени, административни, комунално-битови и други обекти, както и за осигуряване на топлинна енергия за технологичното оборудване в дадено производство. Предлагат се и котли, произвеждащи топла вода с по-висока температура.
За поддържане ефективността на работа на водогрейните котли следва да се има предвид необходимостта от контрол на температурата на връщащата се в котела вода. Препоръчително е тя да е с температура над 50 - 55 °С.
Сред препоръките за оптимална поддръжка на котлите е всекидневно измерване на нивото на водата в системата. При констатиране на понижение на нивото, котелът се допълва, като условието е това да не се прави, докато системата е гореща. Ако в системата има течове, те трябва да бъдат отстранени незабавно.
Някои модели водогрейни котли биха могли да се използват и през топлите месеци за производство на гореща вода. Ако котелът не се използва дълго време, например през летните месеци, се препоръчва той да бъде включван 1 - 2 пъти в месеца за по 5 минути. По този начин се избягват възможни проблеми с циркулационните помпи, причинени от твърдостта на водата.

За необходимостта от използване на разширителен съд
За да се компенсират температурните разширения на водата във водогрейните котли и инсталациите към тях, се монтира разширителен съд. Между него и котела не трябва да има спирателни и регулиращи органи. Подходящо е използването както на отворени, така и на затворени разширителени съдове. В инсталации, в които се предвижда отворен разширителен съд, е добре височината на хидростатичната колона да бъде поне 3 m над капака на котела. Капацитетът й следва да позволява увеличаване на обема на водата в инсталацията. Някои специалисти препоръчват използването на тесни съдове поради по-малката повърхност, която влиза в контакт с въздуха, т. е. подобни съдове се характеризират и с по-малко изпарение.
Използването на затворен разширителен съд изисква изчисляване на капацитета на съда в зависимост от общия обем на водата в инсталацията, максималното работно налягане на инсталацията, максималното работно налягане на разширителния съд. Предимство на затворените разширителни съдове е възможността за предотвратяване на натрупване на прах и варовик. Причината е, че те запазват постоянно ниво на водата в системата, чрез което отпада необходимостта от добавянето на прясна вода.

Триходовите котли са с вентилаторни горелки
Характерна конструктивна специфика на триходовите котли е използването на вентилаторни горелки, т. е. въздухът в тях се подава принудително. Предварително образуваната в горелката горивна смес от въздух и гориво се нагнетява под налягане, създавано от вентилатора в горивната камера.
Сред недостатъците на котелния агрегат, включващ триходов котел и вентилаторна горелка, е шумът, с който понякога е съпроводена работата му. Източник на шума е не толкова вентилаторът на горелката, колкото факелът, който излиза от нея под налягане. За решаване на проблема с шума, някои производители включват в конструкцията на котелния агрегат редица технически мерки, включително шумозаглушители. Шумозаглушителят обикновено се монтира в мястото на свързване на димохода с котела.
Основни параметри, на основата на които се избира вентилаторна горелка са: мощност на котела, аеродинамично съпротивление на горивната камера и габарити, с отчитане на размерите на вече изградено котелно помещение.

КПД на дву- и триходовите котли е над 90%
Както вече бе подчертано, коефициентът на полезно действие на двуходовите и триходовите котли обикновено е над 90%. Сред конструктивните им специфики, оказващи влияние върху ефективността, са пламъчната тръба и запазването на турбулентността на димните газове. С цел постигане на по-високо КПД производителите разработват различни технически решения, например използване на вълнисти пламъчни тръби. Чрез профилиране на пламъчната тръба се постига увеличаване на нейната повърхност, облекчава се поемането на термичните удължения и се подпомага запазването на турбулентността на газовия поток. Използването на гладки пламъчни тръби се приема като не особено добро техническо решение, поради сравнително по-лошите им характеристики. Запазването на турбулентността на димните газове в димогарните тръби също се явява фактор, оказващ влияние върху тяхната ефективност. За да се запази турбулентния режим, в димогарните тръби се поставят завихрители (турбулизатори), което спомага за увеличаване интензивността на топлообмена и за повишаване на коефициента на полезно действие на котела.
Друго често използвано техническо решение за постигане на по-висока ефективност е и възможността за инверсия на пламъка в горивната камера. Пламъкът, който горелката произвежда в горивната камера, се обръща по периферията й към предната част, откъдето димните газове навлизат в димогарните тръби.

Проблемът с корозията
Химичните характеристики на водата в инсталацията и допълнително вливаната вода са от важно значение за доброто функциониране и безопасността на котела. Това налага използването на специални системи за тяхното регулиране и обработка. В много големи инсталации използването на необработена вода за отоплителната инсталация е недопустимо. Предварителна обработка е необходима и при повишена твърдост на водата, както и при чести вливания на нова вода в инсталацията В случай на необходимост от частично или цялостно изпразване на инсталацията, се препоръчва пълненето й след това с обработена вода.
Сред най-честите проблеми, дължащи се на използваната питателна вода, са: натрупване на котлен камък и корозия на металните повърхности на котела, която се дължи на разлагането на желязото на йони. В този процес е много важно наличието на разтворени газове и особено на кислород и карбонен анхидрид. Ако се използва омекотена и/или деминерализирана вода, вероятността от натрупване на котлен камък е почти нулева, но опасността от корозия остава.
Котлен камък обикновено се образува в места, в които температурата на стената е най-висока. Отлагането му възпрепятства топлообмена между димните газове и водата, което води до повишаване на температурата и би могло да доведе до спуквания.
Сред мерките, които се предприемат за предотвратяване попадането на варовик и други вещества в котела или от котела в канализацията, е поставяне на филтри на входа и на изхода на системата.

Автоматизация на дву- и тритръбните котли
Дву- и триходовите котли не правят изключение по отношение на строгите изисквания към използваните предпазни устройства, арматура и контролни уреди. Необходимо е да се гарантира висока експлоатационна надеждност чрез програмируема система за контрол и автоматично регулиране. Системата за управление, защита и контрол на работата на автоматизираните котли трябва да осигурява възможност за автоматично поддържане на зададения топлинен режим, за регулиране на мощността в установени граници, а също така и за автоматично изключване на котела при аварийни ситуации или когато стойността на температурата или налягането на флуида в котела достигне максимални допустими работни стойности.
В съответствие с нормативните изисквания, минималният набор от средства за измерване, които е необходимо да бъдат монтирани на котела, включва манометър за измерване налягането на флуида вътре в котела. Той следва да бъде с клас на точност до 1,6 и горна граница на обхват в диапазона от 1,5 пъти до 2,5 пъти по-голям от максималното работно налягане. Системите се оборудват и с термометър за измерване температурата на водата, с която се захранва котелът, като за водогрейните котли е необходим и термометър за измерване температурата на водата, излизаща от котела. Парните котли трябва да бъдат оборудвани с нивопоказатели. Котлите на течно и газообразно гориво са оборудвани още с: манометър за измерване налягането на горивото пред горелката на котела, както и с термометър за измерване температурата на мазута пред горелката на котела. Необходимо е всички средства за измерване да бъдат защитени от висока температура, вибрации и други вредни въздействия, както и да са достъпни и безопасни за обслужване.

Изисквания към котелното помещение
Тъй като обикновено котлите не са предвидени за работа на открито, се изисква обособяване на специално котелно помещение, отговарящо на съответните технически и законови норми. Размерите на помещението трябва да бъдат съобразени с габаритните размери на самия котел, така че около котела да остава достатъчно пространство за безпроблемното му обслужване. Това включва осигуряване на възможност за безпроблемно отваряне на вратата на котела. Обикновено, при монтиране на горелката върху вратата на котела, условието е разстоянието да е равно поне на дължината на горелката.
Котелът се поставя върху равна хоризонтална повърхност. Често се препоръчва той да бъде монтиран върху бетонен фундамент, който не трябва да бъде покрит с хлъзгави материали, като керамика например. В случаите, в които се предвижда шумоизолация, е добре тя да се направи преди фундамента.
С цел източване на котела се създават необходимите условия за връзка към канализацията. Добре е котелното помещение да разполага с естествена или принудителна вентилация. Добрата вентилация би осигурила необходимия въздух за горене на горелката; като също така предотвратява натрупването на прах и замърсявания, осигурява проветряване от газове и изпарения на горивото. Също така добрата вентилация предотвратява прегряване на котелното помещение, особено когато котелът работи през лятото. Максималната температура в котелното следва да не превишава 32 °С. Освен от прегряване, котелното е добре да бъде защитено и от замръзване.

Изхвърляне на отпадъчните продукти от горенето
Каналът за димните газове и свръзката с димоотводната тръба трябва да бъдат реализирани в съответствие с действащите законови норми. За целта се използват здрави тръби, устойчиви на висока температура, конденз, механични напрежения, които са с подходящ размер. Неподходящи или не добре оразмерени димоотводни тръби и канали могат до доведат до: по-висок шум при горенето, да създадат проблеми с конденза и да повлияят отрицателно на горивния процес. Коминът следва да е изолиран. Неизолираните тръби за отвеждане на димните газове са потенциален източник на опасности. Спойките трябва да бъдат направени от материали, устойчиви на температура от порядъка и по-висока от 250 °С. В участъка на свързване на котела с димоотводната тръба се препоръчва предвиждането на пунктове за измерване на температурата на димните газове и за анализ на продуктите на горенето.
При наличие на хоризонтални части, те трябва да бъдат свързани с наклон от поне 5%, а дължината им да не надвишава 1/4 от общата дължина на комина. Възможни причини на проблемите с комина са: ниска шапка, дебело тяло, влага, пукнатини, включване на друг котел към същия комин, наличие на предмети, спиращи хода на газа, прекалено дълга тръба и др.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top