Сравнительный анализ различных подходов к проектированию котлов малой и средней мощности

Р.В. Журавлев, аспир. МЭИ; 2007 год

В последние годы газотрубные паровые и водогрейные котлы (рис.1 – 3) в России и странах постсоветского пространства устанавливаются в большинстве вновь строящихся котельных, на реконструируемых объектах или заменяют водотрубные котлы. Намечаются тенденции роста потребности в малых ТЭЦ, укомплектованных соответствующими котлами. Данные обстоятельства совместно с другими причинами экономического и организационного характера привели к расширенному применению паровых и водогрейных газотрубных котлов относительно небольшой мощности.

Газотрубные котлы имеет целый ряд неоспоримых преимуществ перед водотрубными. Подавляющее большинство мировых производителей котлов уже десятки лет ориентируются на выпуск газотрубных котлов производительностью до 30МВт.

В нашей стране использование газотрубных котлов было запрещено в связи с тем, что в 60– 70-е годы произошло несколько аварий, причины и последствия которых, подробно изложены в литературе [6], [7].

Однако, как показал зарубежный опыт, широкое внедрение средств автоматизации и приборов безопасности, а также осуществление ряда других мероприятий позволяют обеспечить достаточно высокую надежность газотрубных котлов.

Тем не менее, аварии имеют место, как с котлами отечественного производства, так и с продукцией признанных мировых лидеров в области газотрубного котлостроения, которая в настоящее время поставляется на отечественный рынок в большом количестве.

Например, в журнале “Безопасность труда в промышленности” за март 1998г, (раздел “Трибуна инспектора”) подробно разбираются причины аварии котла Тurbomat-RHDD компании VIESSMANN производства Германии, установленном в котельной одной из гостиниц Санкт-Петербурга. Обобщение результатов данного расследования, проведенного специалистами ГГТН (сейчас - РТН) РФ и АО НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова, в целях предупреждения и исключения подобных аварий, наложило ограничения на проектирование и изготовление газотрубных котлов более высоких параметров и внесло дополнительные конструктивные требования (отбортовка, максимальная толщина стенки жаровой трубы, плотности тепловых потоков и др.) до момента разработки уточненной методики расчета на прочность, позволяющей получать данные по фактическим нагрузкам и расчетным характеристикам металла и сварных швов при переменных нагрузках.

Имеется множество сообщений о волне аварий «жаротрубников», разрушающих отдулинах в жаровых трубах и трещинах в трубных доках (рис.4, 5), накрывшей после первых лет эксплуатации тепловые сети Прибалтики, где было заменено большое количество отечественных водотрубных котлов. Необходимо отметить, что водоподготовка на этих объектах обеспечивала требуемое качество подпиточной воды [2].

К подобным последствиям и примерам быстрее всего приводят не столько недостаточно продуманные действия проектировщиков, монтажников и эксплуатационников, но и бездействие или ошибочные действия конструкторов. Прежде всего, в силу отсутствия

глубокого понимания сущности происходящих процессов и внимательного последующего подхода к проектированию. Подхода, который лежит в основе последующего изготовления, монтажа и надежной эксплуатации будущих изделий.

Совершенно очевидно, что данные обстоятельства косвенно указывают на факты недоработки отдельных теорий и руководящих документов в области обеспечения надежности, долговечности и безотказности работы конструкций этих котлов, а также на сложность реальных процессов, происходящих внутри данных объектов и взаимодействующих между собой.

В этой связи был проведен сравнительный анализ различных подходов к проектированию с позиций обеспечения надежности работы газотрубных котлов. Сущность этих подходов изложена в следующих регламентирующих документах: РД 10-249-98 «Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды», EN 12953-3:2002 «Shell boilers», «Design and Calculation for pressure part».

Принимая во внимание опубликованные материалы маркетингового отдела ОАО «Дорогобужкотломаш» по специфике конъюнктуры рынка и исследования данных Госкомстата РФ по отопительным котельным (кроме ведомственных) по федеральным округам [1], [13], сопоставление РД 10-249-98 производилось с едиными Нормами расчета на прочность стран Европейского сообщества.
Основные результаты анализа отечественных и европейских Норм расчета на прочность сведены в табл. 1.

Сравнительный анализ различных подходов к проектированию газотрубных котлов

Таблица 1

РД 10-249-98		EN12953-3:2002		Примечание
1	2		3
1. Общие положения
	P ≤ 1,6 МПа		- для котлов небольшой производительности с диаметром корпуса до 1500 мм допускается повышение уровня давления до 4,0 МПа	Уровень давления в газотрубных котлах
10 МВт			15 МВт	Производительность однотрубного котла

2. Конструкция
- гладкие жаровые трубы допускается применять в котлах, имеющих корпус длиной менее 4м и рабочее давление менее 0,9 МПа			- нет ограничений	Ограничение уровня давления в газотрубных котлах с гладкими жаровыми трубами
			- 7,0 м, как для гладких, так и для волнистых	Ограничение длины жаровой трубы

Обечайки, днища, работающие под внутренним давлением
	[n]^РД ≡ [n]^EN			Подход к проектированию наиболее ответственных элементов
	[σ] = min{σ₀_,2_t/1,5;σ_в,20/2,4}

Жаровые трубы, обечайки огневых поворотных камер
[n] ~ 1,5			[n] ~ 2,0 ÷ 3,0 - для давления более 0,6МПа принимается максимальное значение запаса прочности
[1%] овальности			[2%] овальности
			- даны допуски на изготовление волнистых жаровых труб (отклонения по высоте волны, внутреннего диаметра и утонению стенки)

Анкерные, угловые связи и трубы
			- имеется ограничение на уровень средних растягивающих напряжений (по терминологии ПНАЭ Г-7 -002-86 мембранных напряжений)
	- ограничение толшины стенки угловых связей		- введены ограничения на диаметры и толщину стенки связей
			- обязательное требование обеспечения плавного перехода в зоне стыка угловой связи с обечайкой и трубной доской

Таблица 1. Продолжение

РД 10-249-98		EN12953-3:2002		Примечание
1	2		3

Проектирование отверстий в обечайке и днищах
			- эффективная длина укрепляющих элементов в ряде случаев принимается меньшей величины (так, при использовании наружного штуцера, протяженность зоны укрепления на 25% меньше, чем по РД)	Компенсация возможных конструктивных ослаблений
d = 0,25√d _S			d = 0,14√d _S	Допустимый диаметр одиночного неукрепленного отвестия

Защита от усталостного разрушения
- расчет на малоцикловую усталость с учетом разностей температур различных элементов *	ПБ10–574–03 НП–045–03		- предусматривается расчет только на статическую прочность, обеспечение прочности при циклическом нагружении предусматривается только за счет обеспечения податливости конструкции

Технический контроль и диагностирование
			- специальный раздел Норм посвящен расположению и количеству отверстий для контроля, которые условно разделены на лазовые отверстия для прямого визуального осмотра и для осмотра с помощью специальных приспособлений

Термообработка корпусных деталей
			- изложены требования о необходимости и режимах термообработки корпусных деталей

- возможность проведения подобного расчета появляется лишь при достоверно известных распределениях температур основных элементов котла, т.к. поэлементные расчеты не обеспечивают соответствия реальной расчетной схеме нагружения.

Приложение 1

Рисунок 1 – Продольный разрез парового трехходового котла

1 – жаровая (огневая) труба
2 – наружная обечайка корпуса
3 – подвод питательной воды
4 – выход пара
5 – пароприёмное устройство
6 – отбор пара на собственные нужды
7 – продувка непрерывная
8 – резервный патрубок
9 – воздушник
10 – предохранительный клапан (2 шт)
11 – смотровой люк (1÷2 шт)
12 – поворотная камера дымовых газов
13 – дымогарные трубы
14 – анкерные стержни
15 – угловые связи
16 – короб дымовых газов
17 – взрывной люк
18 – теплоизоляция котла
19, 20 – подвижная и неподвижная опоры котла
21 – передний люк (дверца), 1÷2 шт
22 – вставка жаровой трубы (футеровка горелки)
23 – выносной коллектор
24 – площадка обслуживания
25 – подъемные уши
26 – патрубок чистки паром
27 – патрубок дренажа (периодической продувки), 1÷2 шт
28 – люк-лаз
29 – патрубок отвода дымовых газов
30 – патрубок регулирования уровня воды
31 – патрубки подсоединения указателей уровня воды (прямого действия)

Рисунок 2 – Продольный разрез водогрейного двухходового котла

1-корпус
2-дверца топки
3-короб дымовых газов
4-опора
5-теплоизоляция
6-облицовка
7-строповая серьга
8-коллектор
9-дымогарные трубы
10-завихрители
11-настил
12-переходник
13-горелка

Рисунок 3 – Продольный разрез водогрейного трехходового котла

1 –жаровая (огневая) труба
2 –обечайка корпуса котла
3 –патрубок входа воды
4 –патрубок выхода воды
5 – патрубок слива (дренажа)
6 – штуцер донного обогрева
7 – люк-лаз
8 – поворотная камера дымовых газов
9 – дымогарные трубы
10 – анкерные стержни
11 – короб дымовых газов
12 – взрывной люк
13 – теплоизоляция котла
14, 15 – подвижная и неподвижная опоры котла
16 – передний люк (дверца)
17 – вставка жаровой трубы (футеровка горелки)
18 – площадка обслуживания
19 – подъемные уши
20 –смотровой люк
21 –патрубок отвода дымовых газов
22 –турбулизаторы (опция)

Рисунок 4 – Пример образования трещин в зоне расположения св. швов

Рисунок 5 – Пример развития отдулин в жаровых трубах

Литература

Агафонова С., Семочкин М. Российский рынок отопительных котельных: Южный, Приволжский, Северо-Западный и Центральный федеральные округа, ж-л: «АКВАТЕРМ», №2 (18), 2004
Васильев А.В., Антропов Г.В., Баженов А.И. и др./Повышение надежности жаротрубных водогрейных котлов / / Промышленная энергетика, 1998, №7 с. 28-32
Волочай В.Ф. Разработка и исследование малогабаритных водогрейных котлов для систем автономного теплоснабжения: Дис. … канд.техн. наук: 05.2314.03 Ростов н/Д, 1998
ГОСТ 14249 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность
ГОСТ Р 50831-95. Установки котельные. Тепломеханическая часть. Общие технические требования. М.: Изд-во стандартов, 1996
Либерман Г.Р. Предупреждение аварий и неполадок котельного оборудования. Изд. 2, М., 1966, с-236
Муромский С.Н. Техника безопасности при эксплуатации котельных установок малой производительности, М., 1969, с-202
Науменко А.В. Оптимизация конструкции и режимов работы газовоздушных теплогенераторов и жаротрубно-дымогарных водогрейных котлов: Дис. … канд.техн. наук: 05.14.04 Екатеринбург, 1999
НП-045-03 Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов для объектов использования атомной энергии
Панин В.И. Котельные установки малой и средней мощности, М., 1968,с-430
ПБ 10-574-03 Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов
ПНАЭ Г -7-002-86 «Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов АЭС»
Пузенков В. Российский рынок отопительных котельных: Дальневосточный, Сибирский, Уральские федеральные округа, ж-л: «АКВАТЕРМ», №1 (17), 2004
Ракитин А.Ю. Повышение эффективности водогрейных котлов малой мощности путем установки промежуточных излучателей: Дис. … канд.техн. наук: 05.23.03, 03.00.16 Пермь, 2004
РД 10-69-94 «Типовые технические условия на ремонт паровых и водогрейных котлов промышленной энергетики»
РД 10-249-98 «Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды»
РТМ 108.031.111-80 «Котлы стационарные газотрубные. Расчет на прочность»
EN 12953-3:2002 «Shell boilers», «Design and Calculation for pressure part»