книги из ГПНТБ / Шур И.А. Перевод отопительных котлов на газовое топливо

к преждевременному выходу из строя отдельных элемен­ тов поверхностей нагрева или искусственному снижению теплосъема с котла. Соприкасание факела с поверхно­ стями нагрева приводит не только к их перегреву, но и к возможности образования на наружной поверхности слоя сажи.

Для того чтобы отопительный котел работал с макси­ мальным к. п. д. и отсутствием химического недожога при различных тепловых нагрузках, перед вводом его в эксплуатацию должны быть проведены наладочные работы. Во время наладки отрабатываются оптимальные режимы работы котла во всем эксплуатационно необхо­ димом диапазоне регулирования теплопроизводительно­ сти и составляются режимные карты. Во время эксплуа­ тации оператор должен следовать указаниям режимных карт, регулируя в соответствии с ними расход газа и воз­ духа и разрежение в топке. Опыт эксплуатации отопитель­ ных котлов на газовом топливе показывает, что несоблю­ дение правильных режимов может приводить к наличию химического недожога (до 10—15%). Последний может иметь место и при высоком коэффициенте избытка воз­ духа за котлом при неправильной организации подачи воздуха для горения газа.

В условиях эксплуатации отопительных котельных для определения полноты сжигания газа пользуются газоанализаторами ГХП (Орса—Фишера), однако точность этого прибора невелика, а наличие в уходящих газах метана, водорода и других горючих он не показывает. Поэтому прибором ГХП можно пользоваться только для ориентировочного контроля, а во время наладочных работ для составления режимных карт надлежит производить полный анализ продуктов сгорания с помощью хромато­ графического метода или, при отсутствии хроматографа, на газоанализаторе типа ВТИ-2.

Для определения наличия в продуктах сгорания горю­ чих составляющих на практике широко применяется переносный газовый индикатор типа ПГФ-11. С его по­ мощью нельзя точно установить, сколько и какие горю­ чие газы имеются в продуктах сгорания, однако выявля­ ется их примерное суммарное количество. Если индика­ тор типа ПГФ-11 показал наличие некоторого количе­ ства горючих газов, то для определения величины хими­ ческого недожога проба должна быть направлена для анализа на газоанализаторах. Так как работа газового индикатора типа ПГФ-11 основана на дожигании горю-

24

Шх составляющих на раскаленной платиновой проволоке, им нельзя пользоваться во взрывоопасной среде. В этих случаях используются индикаторы во взрывозащищенном исполнении типа ПГФ2М-И1А (для метановых газов) или ПГФ2М-ИЗГ (для сжиженных углеводородных газов).

Для удобства проведения наладочных работ на котлах, а также для периодического контроля за полнотой сго­ рания газа и величиной коэффициента избытка воздуха на боровах за котлами должны устанавливаться трубки, через которые можно вести отбор пробы продуктов сго­ рания. Трубки должны устанавливаться на участках газоходов до общего борова котельной, желательно до шиберов котла. Если от котла к общему борову имеются 2 газохода, то трубки следует установить на каждом. На котлах с кирпичной кладкой топки целесообразно иметь трубки для отбора пробы также в газоходе за топ­ кой. При эксплуатации котла трубки должны быть за­ крыты во избежание подсоса воздуха через них в газо­ ходы котла.

На величину к. п. д. оказывает влияние состояние обмуровки топки котла и его газоходов. Так как в топке и газоходах в большинстве случаев поддерживается раз­ режение, то через трещины и другие неплотности в кладке проникает вторичный воздух, практически не участву­ ющий в горении газа, но отбирающий тепло и бесполезно уносящий его в атмосферу с уходящими газами. Кроме того, воздух, попадая в топку, снижает температуру горения газа, в результате чего уменьшается количество тепла, передаваемого за счет излучения. Поэтому следует всегда заботиться о герметичности кладки и периодически проверять ее состояние. Источником прососов в топку холодного воздуха являются зазоры между фронтовыми листами и кирпичной кладкой топки и места установки предохранительных взрывных клапанов, лючков и гля­ делок, шиберов, трубок для отбора проб продуктов сго­ рания и ввода запальных устройств, плоскости сопряже­ ния горелок и фронтовых листов и т. д.

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В КОТЛАХ

Все тепло, воспринимаемое водой в котле, передается через поверхности нагрева, которые подразделяются на радиационные (главным образом экранные, обращенные в топку котла) и конвективные (расположенные в осталь­ ных газоходах). Такое деление условно, так как экранные

25

Поверхности частично воспринимают Тепло За счет кон­ вективного теплообмена, а конвективные — за счет луче­ испускания трехатомных газов и горячих кирпичных стеиок, образующих газоходы.

Количество тепла, которое передается в котле от го­ рячих продуктов сгорания или излучателей к воДе через і м2 поверхности нагрева в течение 1 ч при разности температур между нагревающей и нагреваемой средами в 1°С, называют коэффициентом теплопередачи. Чем он больше, тем лучше организован процесс передачи тепла в топке и газоходах котла.

Наиболее эффективным способом передачи тепла явля­ ется радиационное излучение факела и различного рода раскаленных керамических излучателей в топке. Коэффи­ циент теплопередачи в топке за счет излучения значитель­ но превышает среднюю его величину за счет конвектив­ ного теплообмена в газоходах котла, поэтому в современ­ ных котлах стараются развивать экранные поверхности, воспринимающие тепло излучения факела и вторичных излучателей.

Сжигание газа в топках котлов может происходить как в прозрачном, так и в светящемся факеле. Прозрач­ ный факел возникает в том случае, когда в топку выдается однородная газовоздушная смесь с а > 1 ,0 , светящийся — когда в топку подается неоднородная газовоздушная смесь и в ней параллельно протекают процессы смешения и горения. Свечение факела вызывается образованием за счет термического распада углеводородов громадного количества сажистых частиц.

Имеющиеся в некоторых литературных источниках указания о преимуществе светящихся (сажистых) пламен сравнительно с прозрачными обычно не подтверждаются практикой сжигания газа в топках секционных и экрани­ рованных котлов. Объясняется это тем, что повышение светимости в обычных условиях сжигания связано с рас­ тянутостью процесса смешения и горения и, как следствие, с некоторым снижением температуры пламени. Количе­ ство же тепловой энергии, передаваемое излучением, ккал/(м2 • ч),

Е = еС0Т*,

где е — степень черноты пламени; С0 — коэффициент излучения абсолютно черного тела; С0 = 4,96 X X ІО-8 ккал/(м2 • ч • °К4); Т — абсолютная температура пламени, °К. В качестве примера можно указать, что

26

для несветящегося газового пламени е ^ 0,4, а для светящегося мазутного факела — 0,85.

Расчеты по приведенной формуле с учетом экспери­ ментальных данных показывают, что увеличение е в 1,5— 2 раза ые приводит к увеличению передачи тепла излу­ чением, так как температура пламени при этом сни­ жается не менее чем на 10—20%. Вместе с этим такое

сажи на теплообменных поверхностях.

Загрязнения на наружных поверхностях экранов при­ водят к повышению их температуры, которая может стать соизмеримой с температурой продуктов горения. В этом случае количество тепла, передаваемого экрану излучением, резко уменьшается. При работе на твердом и жидком топливах экраны очень быстро покрываются налетом золы и сажи; при сжигании газового топлива на поверхностях нагрева также обнаруживается сероватый налет, имеющий высокое термическое сопротивление и сни­ жающий эффективность радиационного теплообмена.

Если излучателем является твердое тело, то величина результирующего теплообмена между ним и экранами зависит от формы, взаимного расположения и размеров, степени черноты, температуры и расстояния между этими поверхностями. Увеличение теплоотдачи лучеиспусканием имеет место при увеличении температуры излучающего тела, повышении степени черноты излучающей и воспри­ нимающей поверхностей, уменьшении расстояния между ними и таком взаимном расположении, при котором обе эти поверхности параллельны. На практике невозможно добиться такого положения, чтобы все тепло, которое излучает раскаленное тело, воспринималось экранами котла. Часть тепла отражается ими обратно, что снижает эффективность результирующего теплообмена.

В топке котла кроме факела и раскаленных излуча­ ющих поверхностей и тепловоспринимающих экранов в процессе лучистого теплообмена участвуют продукты горения, заполняющие топку, так как они тоже обладают способностью излучать и поглощать тепловые лучи. Если говорить о продуктах горения горючих газов, то практическое значение имеет излучательная способность углекислоты СО, и водяных паров Н 20. Если твердые тела излучают и поглощают лучистую энергию всех длин

27

излучают и не поглощают лучистую энергию, а трехатом­ ные газы (углекислота и водяные пары) излучают и по­ глощают энергию только определенных длин волн в до­ вольно узком диапазоне.

В технических расчетах принимают, что их излучение также пропорционально четвертой степени их абсолют­ ной температуры, однако количество излучаемого газами

слоя газов. Это отличие от излучения твердого тела объяс­ няется тем, что излучение в газах происходит не только с поверхности, но и со всего объема.

Способность трехатомиых газов, составляющих (если не считать азота) основную массу продуктов сгорания природного газа, поглощать лучистую энергию приводит к тому, что они являются своеобразным препятствием на ее пути от раскаленных твердых поверхностей и фа­ кела к радиационным тепловоспринимающим поверхно­ стям. Поглощение лучистой энергии продуктами сгора­ ния происходит, так же как и лучеиспускание, не только наружным пограничным слоем, а всем объемом. В резуль­ тате, чем толще слой продуктов сгорания менаду излуча­ телем и экранными поверхностями нагрева, тем большее количество тепла будет поглощено газами и, соответственно, меньше воспринято поверхностями нагрева топки. Вели­ чина лучеослабления в газах зависит кроме длины пути луча от длины волны, парциального давления лучепоглощающих газов и их температуры. При достаточно большой толщине газового слоя количество тепла, пере­ даваемого излучением через этот слой, может приближаться к нулю. В топке длина пути лучей в разных направлениях различна, и потому так называемая эффективная толщина

Температура газов также не может быть одинаковой по всему объему и при определении коэффициента тепло­ отдачи лучеиспусканием от дымовых газов к стенкамтрубного пучка для практических расчетов принимается как среднеарифметическая величина.

Таким образом, организация качества подготовки газо­ воздушной смеси, формирование температурного поля

28

факела, заполнение факелом и продуктами сгорания объема топки, выбор геометрических характеристик факела и вторичных излучателей и их расположения по отношению к тепловоспринимающим экранным поверхностям опре­ деляют собой эффективность радиационного теплообмена

втопке.

Вгазоходах котла передача тепла от продуктов горе­

ния к поверхностям нагрева осуществляется в основном конвективным путем (соприкосиовением). Конвективный теплообмен представляет собой совместное действие теп­ лопроводности и конвекции, причем если теплопровод­ ность имеет место в твердых, жидких веществах и газах, то конвекция, связанная с переносом самой среды, воз­ можна только в жидкостях и газах.

Коэффициент теплоотдачи определяет собой количе­ ство тепла, которое передается через 1 м2 поверхности нагрева в течение 1 ч при разности температур поверх­ ности и жидкости или газа в 1° С. Величина коэффициента теплоотдачи конвекцией зависит от ряда конструктивных и физических параметров системы: формы поверхностей нагрева и их расположения, метода омыванпя их продук­ тами горения, их состава и температуры, средней скоро­ сти движения в газоходах и загрязнения поверхностей нагрева как снаружи,, так и внутри (зола, сажа, накипь). Накипь оказывает примерно в 10 раз меньшее влияние на уменьшение коэффициента теплоотдачи, чем сажа (1 мм накипи соответствует по термическому сопротивле­ нию 40 мм стальной стенки, а 1 мм сажи — 400 мм стенки), однако даже небольшой слой накипи приводит к сильному повышению температуры стенки поверхности нагрева и может вызвать аварию. Поэтому при переводе котла на газ, когда внешние поверхности нагрева значительно чище, чем при сжигании твердого и жидкого топлив, а теплопроизводительность котла может быть увеличена, особое значение приобретает подготовка питательной воды и своевременная чистка от накипи внутренних по­ верхностей.

Для существующего котла, конструкция которого за­ дана заранее, при известном составе продуктов горения, движущихся в газоходах за топкой, и величине загряз­

и скорости движения. При прочих равных условиях коэффициент теплоотдачи растет с увеличением темпе­ ратуры и скорости движения газового потока.

29

ВЗРЫВНЫЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ КЛАПАНЫ

В соответствии с действующими правилами безопас­ ности каждый котел, его топка, газоходы и борова должны быть оборудованы предохранительными взрывными кла­ панами. Их устанавливают в местах наиболее вероятного скопления газа, где возможно образование «газовых мешков». Клапаны следует располагать таким образом, чтобы при возможном взрыве газовоздушиой смеси ис­ ключалось травмирование обслуживающего персонала. Если это невозможно, то должны быть предусмотрены специальные защитные устройства (защитные козырьки, отбойные щиты, отводы, ограждения и т. и.) на случай срабатывания клапана. При газах, имеющих плотность меньше плотности воздуха, клапаны следует устанавли­ вать по возможности в верхних частях топок и газохо­ дов.

меньшее усилие. Площадь одного взрывного клапана целе­ сообразно принимать не меньше 0,15—0,18 м2. Согласно действующим правилам взрывные клапаны должны уста­ навливаться в обмуровке топки, последнего газохода котла, экономайзера и золоуловителя.

Для котлов паропроизводительностыо менее 10 т/ч количество взрывных клапанов, их размеры и размеще­ ние устанавливает проектная организация. Практика эксплуатации котельных, работающих на газовом топливе, показала, что при установке на этих котлах предохрани­ тельных взрывных клапанов с общей суммарной поверх­ ностью не меньше 250 см2 на каждый кубометр объема топки, газохода или борова, взрыв газовоздушной смеси приводит в основном к разрушению клапанов и иногда к небольшим нарушениям кладки. В котлах паропроиз­ водительностью от 10 до 60 т/ч в верхней части топки должны устанавливаться взрывные клапаны общим се­ чением не менее 0,2 м2. На последнем газоходе котла, экономайзере и золоуловителе должно устанавливаться не менее двух клапанов с минимальным общим сечением 0,4 м2.

В вертикальных цилиндрических котлах взрывные клапаны не устанавливают. Однако в тех случаях, когда дымовая труба не расположена непосредственно над вертикальным котлом, взрывные клапаны целесообразно

30

устанавливать па горизонтальном участке трубы как можно ближе к котлу.

Предохранительные взрывные клапаны могут быть кон­ структивно выполнены в виде:

1) чугунной откидной крышки, закрепляемой на ме­ таллической раме с помощью петель и откидывающейся при взрыве газовоздушной смеси;

2) асбестовой мембраны из листового асбеста толщи­ ной 2—3 мм, закрепленной в раме из уголков и разрыва­ ющейся при взрыве;

3) плиты (из смеси огнеупорной глины с асбестом, армированной металлической сеткой), свободно лежащей над отверстием в кладке или закрепленной в металличе­ ской рамке с помощью петель. В первом случае при взрыве она отбрасывается, во втором — открывается на петлях;

4) специальных металлических мембран, рассчитанных на разрыв при повышении давления в стальных газо­ ходах до определенной величины.

На практике при переводе отопительных котлов с твер­ дого топлива на газовое устанавливают чаще всего предо­ хранительные взрывные клапаны из асбестовых мембран, размеры и толщина которых определяются проектной организацией в соответствии с местными условиями. С внутренней стороны (со стороны газохода) под асбесто­ вой мембраной к раме клапана прикрепляется сетка из металлической проволоки диаметром 1 мм и разме­ рами ячеек 50 X 50 мм. Эта сетка служит для придания клапану механической прочности при возможном при­ косновении к асбесту снаружи.

Асбестовые предохранительные клапаны дешевы и просты в изготовлении, однако во время эксплуатации они могут выходить из строя даже при отсутствии взрывов газовоздушной смеси. Одна из причин этого — пульсация в топке и газоходах котла, наблюдающаяся при сжигании газового топлива. Пульсация в газоходах вызывает вибрацию асбестовой мембраны и разрушение ее у мест закрепления в раме. Для уменьшения влияния вибрации на стойкость асбестового листа снаружи его покрывают тонким слоем глины, которая образует твердую корочку, незначительно увеличивающую его прочность и жест­ кость.

Второй причиной разрушения асбестовых клапанов является неправильное их размещение в топке или первом газоходе котла, где они подвергаются нагреву за счет излучения пламени или раскаленных участков кладки.

31

Длительная служба асбестового клапана возможна лишь в случае, если он не подвержен лучистому нагреву и дви­ жущийся поток продуктов сгорания непосредственно не соприкасается с ним. Для этого клапан размещается на уровне наружной поверхности кладки котла или с по­ мощью металлического патрубка отодвигается от газо­ хода наружу. Образующийся при этом за счет толщины кладки и высоты патрубка «газовый мешок» создает есте­ ственный изолирующий слой между потоком движущихся газов и асбестом.

Третьей причиной выхода из строя асбестовых клапа­ нов являются неплотности как в самой мембране, так

ив заделке клапана в кладку. За счет разрежения в топке или газоходе через неплотности в них проникает воздух

ипри наличии в продуктах сгорания несгоревшего газа

исоответствующей температуре газ догорает у взрывного

клапана, пережигая его. Однако если даже в продуктах сгорания отсутствуют горючие составляющие, асбесто­ вая мембрана все равно быстро выходит из строя, так как образующиеся из-за неплотности потоки воздуха ликвидируют застойную защитную зону у взрывного клапана, создается циркуляция высокотемпературных продуктов сгорания, соприкасающихся с асбестом и раз­ рушающих его.

Причинами подсоса воздуха в топку и газоходы явля­ ются, конечно, и клапаны всех других конструкций. Так, если взрывной клапан выполнен в виде чугунной откидной крышки, то последняя висит на петлях в на­ клонном положении, прижимаясь за счет собственного веса к ребрам основной рамы. В местах соприкосновения крышки с ребрами всегда имеются зазоры, которые уплот­ няются асбестовыми листами и промазываются дополни­ тельно мятой огнеупорной глиной.

СТАБИЛИЗАТОРЫ ГОРЕНИЯ

Сжигание газа в коротком высокотемпературном фа­ келе осуществимо только при предварительной подго­ товке газовоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха, равном или несколько большем единицы. Устой­ чивость пламени в отношении отрыва для такой смеси достигается только при устройстве специальных ста­ билизирующих устройств. Для инжекционных горелок среднего давления и горелок с принудительной пода­ чей воздуха наибольшее распространение получил

32