ТЭП Заочники / Мазутное хозяйство котельных

Мазутное хозяйство отопительных котельных

Мазутное хозяйство - комплекс устройств, обеспечивающих приемку, хранение и подачу необходимого количества мазута в котельную и подготовку его для сжигания в топках котлов. Мазут может быть основным топливом, резервным (например, в зимнее время), аварийным, растопочным, когда основным является сжигаемое в пылевидном состоянии твердое топливо.

Основными элементами мазутного хозяйства являются: приемное устройство, мазутохранилище, резервуар для присадки мазута, расходный бак, фильтры грубой и тонкой очистки, подогреватели мазута, охладители конденсата, системы трубопроводов (мазутопроводы, паро- и конденсатопроводы, дренажный трубопровод), насосы различного назначения. Мазут к потребителю доставляется железнодорожным транспортом, нефтеналивными судами, по трубопроводам (если нефтеперерабатывающие заводы находятся на небольших расстояниях).Доставленный в железнодорожных и автомобильных цистернах мазут подогревают до температуры 30—60 °С в зависимости от его марки. Для этой цели чаще всего применяют сухой насыщенный или слабоперегретый пар с давлением 5—6 кгс/см², подаваемый непосредственно в цистерну. Возможно также использование для этой цели переносных змеевиковых подогревателей, что исключает обводнение мазута. Сливаемый из цистерны мазут должен пройти через специальный фильтр, предохраняющий от попадания механических примесей в мазутохранилище. Площадки, где расположены сливные устройства, должны иметь твердые покрытия со стоком для отвода пролитого мазута к местному очистному сооружению. Мазутное хозяйство при доставке мазута железнодорожным транспортом состоит из следующих сооружений и устройств: сливной эстакады с промежуточной емкостью; мазутохранилища; мазутонасосной станции; системы мазутопроводов между емкостями мазута, мазутонасосной и котельными установками, устройствами для подогрева мазута; установок для приема, хранения и ввода в мазут жидких присадок. Схема мазутного хозяйства с наземным мазутохранилищем приведена на рисунке 1. Из железнодорожных цистерн 1, располагающихся при сливе на эстакаде 2, мазут по переносному сливному лотку 3 поступает в сливной желоб 4 и затем по отводящей трубе 5 — в приемную емкость 6. Из нее мазут по мазутопроводам подается в фильтр 10 грубой очистки и насосами 9 через фильтры 8 гонкой очистки закачивается в емкость мазутохранилища 7. Из емкости мазутохранилища через фильтры 11 тонкой очистки и подогреватели 13 насосами 12 мазут подается в горелки 14 котельных агрегатов. Часть разогретого мазута направляется по линии рециркуляции 15 в мазутохранилище для разогрева находящегося там мазута. Рециркуляция мазута предназначена для предупреждения застывания мазута в трубопроводах при уменьшении или прекращении его потребления.

Рис.1.Схема мазутного хозяйства с наземным мазутохранилищем: 1-железнодорожная цистерна; 2-эстакада; 3-переносный сливной лоток; 4-сливной желоб; 5-отводящая труба; 6-приемная емкость; 7-мазутохранилище; 8, 11-фильтры тонкой очистки; 9, 12-насосы; 10-фильтр грубой очистки; 13-подогреватель; 14-горелки котлов; 15-линия рециркуляции.

При сливе из железнодорожной цистерны мазут самотеком движется по открытым лоткам (желобам) в приемные баки. По дну лотков проложены паропроводы. Слив мазута из цистерн происходит через нижний сливной прибор в межрельсовые желоба. Мазут из приемных резервуаров перекачивается погружными нефтяными насосами в основные резервуары для хранения- мазутохранилища, которых, как правило, не менее двух. Суммарная вместимость резервуаров выбирается в зависимости от производительности котельной, дальности и способа доставки (железнодорожный, трубопроводный и др.). Применяют нормальный ряд мазутохранилищ вместимостью 100; 200; 500; 1000; 2000; 3000; 5000; 10000 и 20000 м³.Выполняются мазутохранилища наземными, полуподземными (заглубленными) и подземными. Резервуары бывают основные, расходные и резервные. Все они должны обладать безопасностью хранения топлива в пожарном отношении; полной герметичностью; несгораемостью, долговечностью, коррозионной стойкостью против воздействия агрессивных грунтовых вод; удобствами обслуживания и очистки от отстоя и осадков; возможностью установки внутри резервуара подогревающих устройств и другого технологического оборудования. Резервуары мазутохранилища обычно выполняют железобетонными или металлическими. Последние применяют в районах Крайнего Севера и в сейсмически опасных районах. Теплоизоляция металлических хранилищ выполнена из полиуретана, обшитого металлическими листами. Резервуары и баки должны сообщаться с атмосферой и иметь отстойники для сбора воды.

Для перекачки мазута в отопительных котлах наибольшее применение находят шестеренные и винтовые насосы. При вращении шестерен 2 в направлении, обозначенном на рисунке 2 стрелками, жидкость попадает во впадины, образованные зубьями шестерни и корпусом 4 насоса, и перемещается из всасывающей полости 3 в нагнетательную 1. Для бесшумной и плавной подачи перекачиваемой жидкости зубья шестерен часто выполняют косыми. Производительность шестеренных насосов обычно не превышает 20 м³/ч, а напор — 12 МПа (1 200 м вод. ст.).

Рис.2.Шестеренный (а) и винтовой (б) насосы: 1-нагнетательная полость; 2-шестерни; 3-всасывающая полость; 4-корпус; 5-винтовые роторы.

В винтовых насосах мазут подается путем выдавливания его роторами с винтовой нарезкой. Винтовые насосы по сравнению с шестеренными бесшумны и работают с большим числом оборотов. Наиболее распространены трехвинтовые насосы с центральным ведущим ротором. При вращении винтовых роторов 5 в раскрывающуюся впадину винтового канала из всасывающей полости 3 поступает мазут. При дальнейшем вращении роторов эта впадина закрывается и мазут, находящийся в ней, переносится в нагнетательную полость 1. Там впадина раскрывается, и мазут выдавливается выступами винтов роторов.

Чтобы обеспечить подогрев мазута в хранилище, необходимый для нормальной работы мазутных насосов, применяют следующие методы: установку паровых подогревателей погружного типа в нижней части резервуара; местные шахтные, секционные или электрические подогреватели; выносные подогреватели. Кроме подогрева в хранилищах предусматривают подогрев мазута в мазутопроводах и перед форсунками.

В настоящие время на котельных применяются подогреватели мазута - поверхностные теплообменники с противоточным движением сред , с трубчатой теплообменной поверхностью , с компенсацией температурного удлинения за счет нежестких конструкций . Например, используется кожухотрубный теплообменный аппарат конструкции Гипронефтемаша. Аппарат состоит из трех основных частей: корпуса 6, трубной доски 10 с развальцованными в ней U-образными трубками и крышки. К цилиндрическому корпусу с одной стороны приварен фланец, с другой стороны — днище 1 эллиптической формы. В центре корпуса подогревателя мазута снаружи приварены две опоры 9 сегментного типа и патрубки 8 для подвода и отвода мазута, движущегося в межтрубной полости.

Трубная доска в подогревателе с развальцованными в ней U-образными трубками представляет собой трубный пучок 5, который может выниматься из корпуса подогревателя мазута при разборке аппарата и снова вставляться после проведения осмотра и при необходимости чистки. Крышка (распределительная коробка) состоит из цилиндрической части, эллиптического днища, приваренного с одного конца, и фланца, приваренного с другого конца. К цилиндрической части крышки подогревателя приварены патрубки 2 с фланцами для присоединения трубопроводов подвода и отвода теплоносителя, движущегося в трубной полости. В крышке также предусмотрена перегородка 3, обеспечивающая двухходовой поток теплоносителя по трубкам аппарата.

Рис.3.Кожухотрубный теплообменный аппарат с U-образными трубками конструкции Гипронефтемаша: 1,7-днище; 2-патрубки для подвода и отвода теплоносителя; 3-перегородка; 4-фланец; 5-трубный пучок; 6-корпус; 8-патрубки для подвода и отвода мазута; 9-опора; 10-трубная доска.

Для подогрева небольших количеств жидкого топлива нашли достаточно широкое применение подогреватели типа «труба в трубе».

Рис.4.Секционный подогреватель топлива типа ПТС: 1-опора подвижная; 2-опора неподвижная; 3-клапан выхода топлива; 4-паровой клапан; 5-клапан выхода конденсата; б-клапан входа топлива;7-трубка нагревательная; 8-корпус подогревателя; 9-фланец корпуса; 10-болт;11-крышка; 12-изоляция;13-ребра нагревательной трубки; А и Б-вход и выход топлива; В-вход пара; Г-выход конденсата.

Принцип работы подогревателя мазута заключается в следующем. Топливо из магистрали через запорный клапан поступает в межтрубное пространство (между корпусом и нагревательной трубкой), омывает наружную поверхность и ребра нагревательной трубки, нагревается и через крышку переходит в другую секцию или через клапан на выход. Греющий пар из паропровода через паровой клапан 4 попадает в нагревательную трубку; через стенку трубки подогревателя и ребра теплота пара передается топливу, далее пар конденсируется и в виде конденсата через клапан 5 удаляется из подогревателя в систему подготовки питательной воды.

В процессе длительной эксплуатации на ряде предприятий выявлены серьезные недостатки в работе данных подогревателей , к которым следует отнести :

• невозможность использования данных подогревателей на высоковязких мазутах с УВ° >100 с температурой подогрева до 120-135 °С ;

• повышенную скорость отложений на внутренней поверхности труб со снижением тепловой мощности (коэффициент теплопередачи снижается по оценкам ЦКТИ до 70%);

• трудности, связанные с очисткой внутренней поверхности труб от отложений окисленных продуктов полимеризации мазута при температурах пара на стенке свыше 120 °С;

• относительно низкие скорости движения мазута (0,2-0,5 м/с);

• низкая гидравлическая плотность (как по пару, так и по мазуту) не позволяет повторно использовать конденсат греющего пара в технологической схеме котельной, который после охлаждения сбрасывается через очистные сооружения в канализацию;

• обводнение мазута за счет возможного попадания пара или конденсата в топливо в случаях появления свищей в трубной системе подогревателей.

Для подачи мазута к котлам применяют три схемы: циркуляционную (при использовании высоковязких мазутов, когда котельная работает постоянно на мазуте и кратковременно на газе); тупиковую (при сжигании маловязких мазутов, когда котельная работает на стабильных нагрузках, превышающих средние); комбинированную (при работе котельной на переменных нагрузках и частых переходах с газового топлива на мазут). Регулирование подачи мазута (давления) осуществляется с помощью клапана с импульсом по производительности котлов или давлению пара в котле. При циркуляционной схеме мазут отбирается в нижней части резервуара, насосом перекачивается через выносной подогреватель в котельную, а затем в резервуар. При этом улучшается разогрев мазута и уменьшается отложение примесей в резервуаре. Для перекачки мазута применяют поршневые и винтовые насосы. Мазутопроводы от хранилищ до котельной и рециркуляционный мазутопровод прокладывают в траншеях или туннелях совместно с паропроводами и покрывают их общей изоляцией. Паропроводы должны иметь надежный отвод конденсата. Чтобы обеспечить давление мазута перед форсункой около 20 кгс/см², применяют специальные насосы (шестеренные, лопаточные, винтовые, плунжерные).

Проблемы подготовки мазута к сжиганию

По существующей традиционной технологии подготовки к сжиганию и транспортировке температура мазута в резервуарах находится в пределах 80-95 °С и поддерживается за счет местного подогрева паровыми подогревателями , расположенными на днище мазутной емкости . Затем , при помощи рециркуляционного разогрева выносными подогревателями, разогретый мазут , с необходимой вязкостью , подается в котельную к котлам . Остатки мазута поступают по рециркуляционной линии обратно в мазутные емкости. Растекание в резервуаре турбулентных затопленных струй и сопутствующие им вихревые токи обеспечивают перемешивание мазута в резервуарах и равномерное распределение температур в объеме резервуаров . В то же время, за счет многократного прокачивания мазута, получается грубая водотопливная смесь (эмульсия), качество которой не соответствует требованиям по условиям горения. Низкое качество топливной смеси приводит к пульсирующему горению мазута в топке котлов. С другой стороны , используемая технология подготовки находящегося на хранении в резервуарах мазута с переменным влагосодержанием не позволяет в должной мере обеспечить качественный процесс отстаивания и удаления воды из мазута до влагосодержания, обеспечивающего условия экономичной и экологичной работы котлов . Другой проблемой, существенно влияющей на экономическую эффективность работы котельной, является то, что в существующих схемах мазутного хозяйства котельных отработанный конденсат пара из мазутоподогревателей выносных и находящихся в емкостях после охлаждения водой городского водопровода до требуемой температуры (40 °С ) сбрасывается в систему производственно - дождевой канализации и после очистки в городской коллектор. Применяемые сейчас методы очистки сточных вод от нефтепродуктов являются дорогостоящими и не всегда эффективными. Особенно это относится к очистке сильно загрязненных нефтепродуктами вод , которые могут появиться при разрывах или свищах в мазутных подогревателях. Поэтому возврат загрязненного нефтепродуктами конденсата в питательный контур паровых котлов может привести к выходу их из рабочего состояния. Потеря конденсата от подогревателей мазута приводит к необходимости дополнения подпиточной химочищенной водой котлового контура и дополнительного топлива .

Сжигание мазута.

Современные методы промышленного сжигания мазута в топках котлов основаны на факельном сжигании мелкораспыленного топлива при обязательном условии предварительного его нагрева и принудительного распыливания при помощи форсунок. Для распыления мазута в отопительных котлах чаще всего используются форсунки с механическим или паровым распыливанием, а также с комбинированным паромеханическим распылом. Механические форсунки требуют высокого давления и даже при этих условиях не могут обеспечить широкий диапазон регулирования нагрузки. Форсунки с паровым распылом требуют расход пара, что трудно осуществить в котельной с водогрейными котлами. В последние годы на российском рынке появились ротационные форсунки, лишенные таких недостатков, как сложность конструкции и шум в работе. Одним из таких образцов являются форсунки фирмы «ЗААКЕ» (г. Бремен, Германия). Они могут сжигать любое жидкое котельное топливо, в том числе мазуты марок 40 и 100, остатки тяжелых минеральных масел , гудрон и т.д. Они не требуют тщательной фильтрации мазута. Однако все вышеперечисленные форсунки не обеспечивают устойчивость пламени при сжигании сильно обводненного мазута , полноту сгорания грубодисперсных фракций, которые скапливаются в донных отложениях при длительном хранении мазута. Решить эти проблемы путем совершенствования конструкции форсунок не представляется возможным .

Существенным недостатком работы котлов на мазуте является загрязнение поверхностей нагрева котла, что вызывает ухудшение условий теплопередачи по сравнению с работой на газе. Несколько выше и коэффициент избытка воздуха, что приводит к снижению КПД котла. В котельных, где мазут является резервным (аварийным) топливом, наибольшее распространение получили короткофакельные горелки ГМГМ. Мазут подается к распыливающей головке, в которой установлены: шайба распределительная с одним рядом отверстий, завихрители топливный и паровой, имеющие по три тангенциальных канала. Шайба и завихрители крепятся с помощью накидной гайки. Количество и диаметр отверстий в шайбе распределительной следующие: в горелках ГМГ-1,5М и ГМГ-2М— 8 диаметром 2,5, в горелках ГМГ-4М и ГМГ-5М — 12 диаметром 3 мм. Мазут проходит через отверстия шайбы, по каналам попадает в камеру завихрителя и выходит из сопла, распыливаясь за счет центробежной силы. Если требуемая тепловая мощность находится в пределах 70—100% от номинальной, можно работать без подачи пара, так как достаточно механического распыливания мазута. При тепловой мощности ниже 70% от номинальной подается пар давлением 1,5—2 кгс/см², который проходит через каналы парового завихрителя и закрученным потоком участвует в распыливании мазута.

При сжигании мазута необходимо следить за тем, чтобы на внутренних поверхностях форсунок не накапливались нагарообразования, смолистые и другие отложения, ухудшающие условия распыливания мазута, что вызывает неполноту его сгорания. О наличии таких отложений можно судить по появлению в топке летающих капель — «звездочек». Поэтому форсунки следует периодически вынимать из горелок, очищать их от отложений и промывать соляровым маслом или другим легким топливом.

Устройства и способы для сжигания и очистки мазута.

Наряду с организационно-финансовыми причинами неудовлетворительного состояния систем теплоснабжения, имеют место серьезные причины технического характера. В настоящее время неизвестен соответствующий современным требованиям  рациональный и экономически обоснованный способ высококачественного  распыла мазута без распыливающего агента. Нормативные документы, регламентирующие режимы эксплуатации  ТЭС разработаны десятки лет назад, в период относительно дешёвого топлива. Вероятно, низкая экономичность оборудования для сжигания мазута (механических форсунок) и энергорасточительность существующей технологии сжигания мазута объясняется временем  разработки. В настоящее время, по некоторым данным, отраслевые НИИ  не ведут  работы в этом направлении. При нарастающем дефиците газа, с ростом доли мазута в общем балансе топлива, с ростом стоимости мазута, необходимо  совершенствование технологии его сжигания и внедрение новейших разработок.  Сжигание  мазута с условным отсутствием химического недожога, потери тепла на испарение влаги обводненного топлива и т.п. не могут быть оправданы при сегодняшних взглядах на энергосбережение и на экономию энергоресурсов.

 

    Следует подчеркнуть, что предлагаемый способ распыла мазута с использованием кавитационных эффектов является новым в теории проектирования и в практике эксплуатации  ТЭС, не имеющий, по некоторым данным, аналогов  в России.

 

    Форсунка  предназначена для высококачественного механического распыла и сжигания мазута в энергетических котлах и установках. Кавитационная форсунка является современной техникой, не имеющей аналогов в России. Отличительными особенностями данной разработки по сравнению с традиционными механическими форсунками  являются её высокая экономичность, надежность и простота в обслуживании.

 

    Высокая надежность достигается благодаря простоте конструкции и применению материалов, рассчитанных на многолетнюю длительную эксплуатацию. Все обслуживание форсунки заключается только в периодическом контроле за состоянием деталей.  Поэтому применение «Фрезы» позволит потребителю одновременно решить две проблемы – энергосбережения и ресурса.

 

Принцип работы кавитационной форсунки.

 

          Форсунка состоит из корпуса, сопла, завихрителя и основания. Основным элементом форсунки Фреза является кавитатор, который представляет собой цилиндрический корпус, оснащенный профилированными каналами специальной зависимости.

При прокачивании под давлением мазута через кавитатор в нем формируется вихревой поток, в котором под действием переменных давлений в местах неоднородностей топлива возникают ее разрывы, что приводит к появлению мельчайших пузырьков. При последующем схлопывании пузырьков происходят резкие скачки давления (абсолютная величина давления зависит от сил поверхностного натяжения жидкости и других факторов), образуются поперечные составляющие скорости потока, существенные сдвиговые напряжения потока  и значительное локальное повышение температуры. Непрерывное образование и схлопывание пузырьков в жидкости, известное как явление кавитации, приводит к  разрыву мазутных цепочек (кластеров), генерации высокочастотных колебаний и неустойчивости топливной плёнки перед сопловым отверстием. Вязкость топлива, за счёт разрыва цепочек молекул и местных повышений температуры резко снижается,  а вода, содержащаяся в топливе,  под воздействием кавитации частично подвергается диссоциации на водород (идеальное горючее) и кислород, а частично образует с топливом водомазутную эмульсию. При выходе из соплового отверстия, неустойчивая  пульсирующая газоводомазутная плёнка мгновенно разваливается на мельчайшие капельки, внутри которых находится  мельчайшая частица воды, водород или кислород. Вылетая в область низких давлений газ расширяется взрывом, а  вода мгновенно прогревается и взрывается, что и приводит к вторичному мелкодисперсному дроблению мазута до уровня 40…60 мкм. Наилучшие результаты достигаются при дисперсности водяных частиц от 3 до 8 мкм.  Горение мазута и водорода в присутствии паров воды и активного кислорода проходит при предельно низких избытках воздуха, без гарантированного недожога топлива с полнотой сгорания близкой к единице, что и приводит к экономии топлива при сжигании. Снижение удельного расхода мазута теоретически может достигать 2,5… 3,0 % и более, а это сотни миллионов рублей.

 

Сегодня, когда во всех государствах мира энергосбережение введено в ранг государственной политики, необходимо всемерное совершенствование технологии сжигания мазута на ТЭС и котельных, необходима модернизация и совершенствование действующего оборудования.  

 

  Учитывая компактность, надёжность и простоту конструкции, кавитационные форсунки механического распыливания мазута в горелках котлоагрегатов по совокупности экономических и эксплуатационных параметров превосходят любые другие известные устройства и способы сжигания топлива.                                                                                              

Применение форсунок «Фреза» позволит:

 

1.  Снизить удельный расход мазута на 0,5…1,0% и  до 1,5% на малых нагрузках в сравнении с механическими форсунками ГРФМ.

2. Обеспечит диапазон регулирования нагрузки котла от 50 до 100%.

 

3. Снизить избытки воздуха в топке;

 

4. Снизить  занос поверхностей нагрева котла;

 

5. Повысить К.П.Д. котла;

6. Повысить надёжность и безопасность эксплуатации котлоагрегата при сжигании низкосортного мазута.

ТЕРРА М

Установка предназначена для выделения из мазутов воды и мехпримесей. Данный процесс происходит за счет разделения смеси на 3 фазы на основе их разности плотностей с применением различных диапазонов высоких скоростей и вращающих моментов. Сырье (загрязненный продукт) подается через трубу механизма подачи во вращающуюся часть шнекового конвейера, где под действием центробежной силы происходит разделение на очищенный продукт и осадок. Очищенный мазут выводится из цилиндрической части ротора, а осадок за счет разницы скоростей шнека и ротора поступает в коническую часть, где происходит его обезвоживание. Обезвоженный осадок выгружается в узком конце конической части через специальные порты и с помощью транспортера может выгружаться напрямую в самосвалы или контейнеры для отходов. Управление декантером и насосом осуществляется со встроенного пульта управления. Центрифуга и насос имеют взрывозащищенное исполнение. Остаток воды в очищенном мазуте — не более 1,5%. Остаток мехпримесей — не более 1%. Установка смонтирована на прочной металлической раме.

Применяемые сегодня в котельных технико-технологические и организационно - технические мероприятия по хранению и использованию поставляемого низкосортного жидкого топлива не только не обеспечивают уровень современных требований по экономическим и экологическим показателям , но и усугубляют их за счет :

• повышенного образования шлама с резким увеличением термического сопротивления на поверхностях нагрева ;

• повышенной коксуемости мазута ;

• снижения качества его распыливания ;

• ухудшения функционирования горелочных устройств ;

• снижения качества процесса горения топлива в топках котлов ;

• снижения надежности , маневренности производительности котельного агрегата и уменьшения его межремонтного ресурса в целом ;

• значительных потерь топлива , электроэнергии и воды .

Совершенствование эксплуатации мазутного хозяйства в новых экономических условиях требует комплексного подхода по внедрению нового оборудования и технологий хранения , подготовки к сжиганию мазута и его учета .

Это достигается за счет применения таких технологий , которые бы обеспечивали требуемый уровень нагрева , фильтрации , гомогенизации , давления и постоянства качества подаваемого на горение мазута , а также приборного контроля расхода и приема топлива с минимальными эксплуатационными затратами . К таким технологиям следует отнести :

• «холодное» хранение мазута с выделением прогретой зоны в объеме резервуара по линии всасывания ;

• многоступенчатую подготовку мазута с получением высококачественной топливной ( водотопливной ) смеси ( эмульсии ) путем диспергирования топлива содержащейся в ней водой ( или нефтесодержащими водами ) и топливными составляющими ;

• циркуляционный подогрев мазута с повышенными скоростями в выносных подогревателях - гомогенизаторах , многократную фильтрацию на фильтрах - подогревателях ;

• технологию замкнутой схемы нагрева мазута с возвратом конденсата в цикл котельной .

Необходимо разработать аппаратно - программный комплекс измерительных устройств , позволяющих с учетом динамики изменения свойств поступающего и расходуемого мазута определять автоматически его массу .

В энергетической стратегии развития России до 2020 г . предусматривается не только рост объемов добычи нефти , но и одновременное увеличение глубины ее переработки , что приведет к ухудшению качества мазута .

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Политехнический Институт

Кафедра : «Т и ГГД»

МАЗУТНОЕ ХОЗЯЙСТВО КОТЕЛЬНЫХ