О развитии котлостроения для промышленных и отопительных котельных малой мощности
С.А.Цейтлин, генеральный директор АОЗТ «Сорок второй трест»
«Для развития новой гипотезы нет ничего вреднее
, чем выход за пределы ее применимости»
М.Планк (1858-1947 гг. - немецкий физик,
создатель квантовой теории, лауреат Нобелевской премии)
ТЭС высокого и сверхкритического давления пара укомплектованы, в отличие от малой энергетики, котлоагрегатами только отечественного производства. После перехода большой энергетики на современные технологии (с 01.01.73 - на цельносварные мембранные экраны), котлоагрегаты по своим конструктивным решениям не только стали соответствовать мировому уровню, но и в ряде решений заметно превосходить их, что подкреплено целым рядом авторских свидетельств на изобретения.
В малой же энергетике все необходимо начинать практически с нуля, ибо на сегодняшний день как не было, так и нет современных, отвечающих уровню развития ХХI века, паровых и водогрейных котлов малой мощности, отечественного и зарубежного производства. Зарубежные поставки котлов составляют в основном жаротрубные котлы, которые существенно уступают водотрубным котлам по вложенным в них техническим решениям и технико-экономическим показателям, но превосходят последние по внешнему дизайну и качеству комплектующего оборудования (автоматики, арматуры и т.д.).
Ощущается отсутствие качественных агрегатированных отечественных короткофакельных горелок от 0,1 до 10,0 МВт, а приобретаемые по импорту зарубежные горелки, рассчитанные для установки только в жаротрубные котлы при большой длине факела, оказались неприемлемы к водотрубным котлам с относительно короткой топкой. Укорочение длины факела может быть осуществлено в пределах только до 20% с существенным удорожанием горелки.
Наличие даже дорогих импортных длиннофакельных газомазутных горелок вынуждает конструкторов проектировать котлы под горелку, а не наоборот, компоновка котла при этом получается неоптимальной, что не всегда позволяет выдерживать рекомендации норм.
Количество котельных в Российской Федерации и в странах СНГ, оснащенных перечисленным выше оборудованием, исчисляется тысячами и в них сжигается топливо, не нашедшее своего применения в большой энергетике, что накладывает на малые котлы ряд специфических требований, усложняющих их конструкцию. К таким видам топлива могут быть отнесены: торф кусковой, торф фрезерный, древесное топливо (отходы леспромхозов - щепа, опилки, древесностружечная пыль) и т.д.
Рассмотрим, как же развивалось котлостроение за рубежом и у нас в стране
В 60-е годы в США получили распространение транспортабельные вертикально-водотрубные паровые котлы низкого давления паропроизводительностью от 3,0 до 27,0 т/ч, изготовленные известными котлостроительными фирмами США, такими как«Combustion Engineering», «Babcok Wilсoks», являющимися на сегодня основными поставщиками котлов большой мощности на тепловые электростанции всего мира.
Водогрейные котлы малой мощности выпускались специализированными и мало знакомыми в мире котлостроителей фирмами двух типов: чугунные секционные, такими как, например, «Smith» и т.д., и жаротрубные, разработанные в начале ХIХ века, и тогда же получившие распространение либо с одной жаровой трубой (корнвалийские), либо с двумя жаровыми трубами (ланкаширские). Эти котлы изготавливались из низкосортной стали и использовались в качестве водогрейных с температурой воды не выше 115 °С и паровые с давлением пара до 0,07 МПа; а в качестве топлива, для жаротрубных котлов, использовалось только высококалорийное - газ и легкое жидкое топливо, при сжигании которого мог бы быть получен максимальный КПД.
Следует отметить, что например в США, в интересующем нас диапазоне паропроизводительности котлов низкого давления, нашли исключительное применение вертикально-водотрубные двухбарабанные котлы как для сжигания твердого, так и для жидкого и газообразного топлив Жаротрубные котлы (как их в США называют «котлы с прямыми трубами») известными котлостроительными фирмами не изготавливаются и не изготавливались.
В СССР паровые котлы малой мощности выпускались с барабанами, с естественной циркуляцией, главным образом, Бийским (БиКЗ) и в малой степени Белгородским (БелКЗ) котельными заводами, так, начиная с 1951 г., на БиКЗ было организовано поточное производство серии котлов ДКВ (двухбарабанный котел водотрубный) паропроизводительностью от 2 до 10 т/ч, давлением от 8 до 14 ати и температурой перегретого пара до 350 °С (объем производства таких котлов на 1.01.58 года составил порядка 2000 штук в год с последующим ростом свыше 4000), поставляемых сначала россыпью, а потом и в сборе.
В 1956 году БиКЗ приступил к выпуску ограниченного количества котлов ДКВ в смонтированном виде (в сборе - трубы вместе с барабанами), а также вместе с обшивкой и облегченной обмуровкой, одновременно проведя реконструкцию котлов, получивших новое наименование - как котлы ДКВр, в которых, по сравнению с котлами ДКВ были изменены размеры барабанов, шаг кипятильных труб и внешние габариты котла.
Кроме паровых котлов ДКВ и ДКВр большое применение получили такие котлы, как КРШ (Курочко, Рассудов и Шафран), ВВД и ГВД (В.В.Добрина) вертикально-водотрубные, двухбарабанные с естественной циркуляцией, паропроизводительностью от 2 до 10 т/ч и рабочим давлением от 8 до 14 ати.
В качестве водогрейных котлов использовались в основном чугунные секционные, за исключением небольшого количества стальных вертикально-водотрубных как НР-17 и НР-18, это котлы Стреля, Стребеля, НР(ч) (Н.Н.Ревокатова), «Искитим - 1 (ТКВЗ), «Универсал - 3», «Универсал - 4», «Энергия -3» и Ча-1.
Большинство водогрейных котлов отличали предельно-низкие технико-экономические показатели:
- низкий КПД, из-за повышенных потерь с уходящими газами;
- большие потери от химического и механического недожога топлива;
- большие потери от охлаждения наружной тяжелой обмуровки;
- повышенные потери со шлаком(при сжигании твердого топлива)и т.д.
Котлы имели большие габаритные размеры, обладали повышенной металлоемкостью, обладали малой степенью автоматизации процессов горения, подачи топлива, золошлакоудаления и т.д. Другими словами, наблюдался низкий уровень развития малой энергетики, усугубляющийся по времени.
Для того чтобы разобраться в причинах такого катастрофического отставания в уровне развития котлов малой мощности сегодня, необходимо сделать небольшой экскурс в недалекое прошлое. Начиная с 1964 г. два ведущих котлостроительных завода СССР по производству мощных (для ТЭС) котельных агрегатов - Подольский машиностроительный завод им. С. Орджоникидзе (ЗиО) и Таганрогский котельный завод «Красный котельщик» (ТКЗ) с привлечением ЦКТИ и Всесоюзного теплотехнического института (ВТИ), провели большой комплекс научно-исследовательских, проектноконструкторских и технологических работ с разработкой расчетных методик и программ к ним, конструкций принципиально новых узлов, которых ранее не было, а так же совершенно новых технических решений по изготовлению для котельных агрегатов большой мощности так называемых цельносварных мембранных ограждающих поверхностей нагрева. По заявлению специалистов США внедрение этих поверхностей явилось своеобразной «технической революцией в котлостроении», что позволило выйти на совершенно новый и современный путь развития и перенести все работы с большим объемом сварки экранов с монтажа в цехи заводов.
К семидесятым годам все промышленно развитые страны мира (США, Франция, Англия, Германия) перешли на эту технологию, поэтому, с целью сокращения сроков внедрения такой совершенной технологии в нашей стране, в ФРГ было закуплено у фирмы VKW (Vereinigte Kessel Werke) по представлению ведущих котельных заводов отрасли -ЗиО, ТКЗ, БКЗ (Барнаульский котельный завод) сварочное и гибочное (панелегибы) оборудование по изготовлению мембранных экранов.
Начиная с 01.01.1972 года все мощные котельные агрегаты СССР для ТЭС выпускаются только в мембранном цельносварном исполнении, т.е. проблема перехода на качественно новый уровень развития, соответствующий мировому уровню, была полностью решена в течение 8 лет (до настоящего времени не было зафиксировано ни одной аварии с этими поверхностями).
В малой энергетике за эти годы изменения произошли только в худшую сторону. Возрос импорт зарубежных котлов, в основном жаротрубных (паровых и водогрейных), для сжигания природного газа и легкого жидкого топлива, также возрос импорт агрегатированных газожидкостных горелочных устройств с большой длиной факела (более 3-х метров). Также возрос импорт шведских и финских блочных котельных, предназначенных для сжигания калиброванных (размером 35-40 мм) древесных отходов, со шнековой подачей. Однако основное событие тех лет - это отказ единственного монополиста в СССР по производству малых паровых котлов - БиКЗ от внедрения в малую энергетику цельносварных мембранных экранов и поэтому от выделенной ему Правительством СССР технологической линии БиКЗ отказался и она была передана БелКЗ.
Это может быть объяснено 
следующим. Выпускаемые БиКЗ котлы ДКВр по своей конструкции не могли быть приспособлены без коренной переделки для установки в них мембранных поверхностей нагрева и поэтому требовалось создание принципиально новой конструкции котла, которая могла бы заменить собою котлы ДКВр. Одновременно с этим следовало решить большой комплекс проблем по созданию научного задела и проведения комплекса научно-исследовательских и проектноконструкторских работ по разработкам новых конструкций котлов малой мощности.
Очевидно, решение этих проблем оказалось не под силу для конструкторов БиКЗ и поэтому, они предположили: что обеспечение газоплотности в виде мембранного экранирования для котлов малой мощности неперспективно и может быть обеспечено за счет выполнения плотного шага экранирования (труба к трубе с зазором между трубами 1,5 мм), с приваркой снаружи труб стальной обшивки, что и было выполнено заводом в последующем. Были разработаны паровые котлы серии КЕ от 4-х до 25 т/ч, 14 ата, предназначенные для сжигания твердого топлива. Топки были оснащены забрасывателями и моноблочными цепными решетками обратного хода типа ТЛЗМ. Особенностью конструкции котлов КЕ (по заявлению БиКЗ) «является наличие плотных боковых экранов в области топочной камеры и ограждающих стен в конвективном пучке(трубы 051 х2,5 мм с шагом 52,5 мм)». В качестве изоляции используется шамотобетон, толщиной 30 мм, наносимый на сетку, натягиваемую на экраны, поверх которой устанавливаются теплоизоляционные плиты толщиной 100 мм, закрываемые металлической обшивкой. Аналогично выполнена и серия паровых котлов ДЕ с газомазутными топочными устройствами также от 4-х до 25 т/ч, т.е. конструкция новых котлов принципиально мало чем отличается от ранее выпускаемых котлов ДКВр с такой же конструкцией обмуровки.
Отечественные паровые котлы малой мощности выпускались БиКЗ в достаточном количестве, а на водогрейные ощущался явный дефицит. Это объяснялось тем, что котлы Стреля, Стребля и НРч физически и морально устарели и их массовый выпуск был прекращен. Перевод паровых котлов ДКВ и ДКВр в водогрейный режим также не решил проблему. Появление цельносварных автоматизированных водотрубных прямоточных котлов ЦКТИ типа КВ-ГМ от 0,63 до 7,56 МВт, выпускаемых в ограниченных количествах вручную, не совершило «техническую революцию в малом котлостроении».
Хотелось бы несколько слов посвятить «проблеме» жаротрубных котлов, на которые нами часто делаются ссылки в настоящей статье. Созданные еще в ХIХ веке конструкции жаротрубных котлов, имеющие ряд существенных недостатков, до сих пор изготавливаются и до «дефолта» 1998 года практически только одна эта конструкция ввозилась в Россию из многих стран.
Такая «живучесть» жаротрубных котлов может быть объяснена тем, что жаротрубные котлы стали конкурентоспособными по отношению к любым другим конструкциям из-за низкой стоимости металла (низкосортной стали), используемого при изготовлении жаротрубных котлов, из-за простоты конструкции и отработанности технологического процесса изготовления, а также поставкой на опорной раме единым блоком со всем необходимым комплектом котельновспомогательного оборудования. После «дефолта» закупка импортных котлов практически сократилась до нуля, чем воспользовались отечественные производители, наладив серийный их выпуск, но с качеством изготовления, которое оставляет желать лучшего.
К основным недостаткам жаротрубных котлов можно отнести следующие:
- повышенная взрывоопасность, вызываемая использованием толстостенных сварных элементов, находящихся под давлением, где возможно возникновениеи развитие трещин, а в котлах в больших цилиндрических объемах находится несколько тонн кипятка с температурой до 115 °С и при раскрытии трещин возможенего разлив;
- низкий коэффициент теплопередачи в поверхностях нагрева, при их продольном омывании;
- КПД котла (брутто) при сжигании газа не достигает рекламируемых 92%, а составляет, в лучшем случае, 86 - 88% при номинальной нагрузке;
- повышенная металлоемкость, за счет использования толстостенных элементов;
- морально устаревшая конструкция, не способствующая повышению прогресса;
- повышенное гидравлическое и аэродинамическое сопротивления, увеличивающиеся с ростом теплопроизводительности котла;
- максимальный КПД может быть получен лишь при сжигании газаи легкого жидкого топлива.
Разработкой конструкций котлов малой мощности в РФ занимаются многие организации, большая часть которых не владеет знаниями предмета разработки и использует кустарные методы их изготовления. Такие разработки пущены на самотек, без какого-либо контроля со стороны головного института ЦКТИ.
В этой связи вызывает удивление беспринципная позиция ЗиО, являющегося в РФ пионером внедрения самой передовой технологии ХХ века - цельносварных мембранных экранов в котлостроении, который «передал» свое имя фирме СаБ (арендующей несколько участков цехов завода ЗиО), назвав выпускаемые этой фирмой морально устаревшие жаротрубные котлы «ЗиО Саб».
Из приведенных выше матери 
алов становится ясным, что промышленные и отопительные котельные РФ находятся сегодня в закритичном состоянии и им необходима существенная помощь.
Суть этой помощи может заключаться в следующем:
В 1995 году ведущими специалистами-котельщиками в вопросах гидродинамики и сепарации пара котлов низкого давления, а также владеющими вопросами проектирования и расчетов сложнонапряженного и деформированного состояния цельносварных коробок котлов (многие решения по котлам большой мощности могли найти свое применение и в конструкциях малых цельносварных котлов), была предложена конструкция котлов, получивших наименование АГ-42, конструктивно простая и необычная по вложенным в нее решениям современная конструкция унифицированных безбарабанных паровых и водогрейных вертикально-водотрубных котлов, выполненная в газоплотном цельносварном исполнении с мембранными ограждающими поверхностями нагрева.
Теоретические концепции, заложенные авторами в эти конструкции, ранее нигде ими не публиковались.
Так как отдел промышленных котлов НПО ЦКТИ совместно с БиКЗ в свое время отказались от внедрения в малую энергетику цельносварных мембранных экранов, все научно-исследовательские и проектноконструкторские работы по котлам малой мощности с такими экранами ими не проводились и материалы каких-либо разработок по ним полностью отсутствует. Поэтому говорить серьезно о появлении в НПО ЦКТИ и на БиКЗ современного, нетрадиционного в своих решениях, парового и водогрейного котла малой мощности в ближайшем будущем, ожидать не приходится.
На эти котлы были получены свидетельства Роспатента РФ за № 543 с приоритетом от 26.10.1986 г. на «Водотрубный котел» и № 5845 с приоритетом от 10.01.1997 г. «Секционный водогрейный котел». Котлы типа АГ-42 - вертикально-водотрубные, секционные, цельносварные с мембранными ограждающими поверхностями нагрева, выполненные с большими шагами труб, с многократной принудительной циркуляцией (МПЦ) воды, создаваемой струйными насосами (в водогрейных котлах) в каждой из прямоугольных секций, из которых (по длине) набирается котел. Секция набирается из горизонтальных потолочных и подовых труб большего диаметра, например, 076 мм, между которыми вварены две (топочные секции) прямые вертикальные трубы 057x3,5 мм, а в конвективных пучках - также ряд прямых вертикальных труб с определенными шагами образуют собственно конвективные пучки (в паровых и водогрейных котлах все трубы поверхностей нагрева как топки, так и конвективных пучков - прямые, одинаковой длины).
Горизонтальные (верхние потолочные и нижние подовые) трубы диаметром до 108 мм ввариваются в нижний раздающий и верхний собирающий коллекторы. Все наружные ограждающие (как вертикальные, так и горизонтальные) трубы по периметру соединены между собой сваркой через металлические пластины (проставки) толщиной до 4 мм в цельносварную коробку, закрываемую легкой 20-50 мм изоляцией типа «URSA» и декоративной металлической обшивкой толщиной до 1,0 мм.
Паровые котлы выполнены без обычных барабанов, которые заменены камерами диаметром не более 426 мм. Цельносварная коробка парового и водогрейного котла - идентичны, только в паровом котле она устанавливается под углом в 5° к горизонту (для надежности циркуляции), а снаружи котла установлены дополнительно вертикальные сепараторы пара с уравнительной емкостью между ними (сепараторы пара и уравнительная емкость, с соответствующим запасом воды в ней, могут устанавливаться не непосредственно на котле, а в любом другом, удобном для установки месте).
Так называемые «струйные насосы» - это обычные трубки малого диаметра (0вн от 10 до 30 мм), куда подается обратная сетевая вода, что создает в каждой секции котла увеличенный до 3-х раз расход воды по отношению к среднему, пропорциональный тепловосприятию каждой из секций.
Основные из преимуществ котлов серии АГ-42:
- КПД котла (брутто) при сжигании газа - 94% и выше;
- оптимальная технологичность изготовления;
- котлы состоят только из одного типоразмера прямой трубы, безгибов;
- используется минимальное количество труб, за счет увеличенных размеров проставок;
- минимальное гидравлическое сопротивление водогрейного котла, не превышающее 0,08МПа (0,8 кгс/см2);
- в котле отсутствуют перегородки в коллекторах для создания необходимой массовой скорости среды в трубах, обеспечиваемой в котлах АГ-42 струйными насосами;
- котлы легко компонуются практически со всеми известными топочными устройствами;
- примерно до 95% котлов могут изготавливаться машинным способом в цехах;
- все мембранные поверхности нагрева предполагается выполнять из предварительно оребренных труб, выполненных либо радиочастотной приваркой, либо сваркой под слоем флюса;
- паровые котлы АГ-42, единственные в мире котлы, допускающие работу на вспениваемой воде при обычной продувке до 3-5%, вместо применяемой в этих котлах 35% продувки и более;
- 100%-ная ремонтопригодность конвективных поверхностей нагрева, осуществляемая либо путем отрезки секций от коллекторов (раздающего и собирающего) и их выема наружу, либо путем глушения секций;
- котлы АГ-42 не имеют мировых аналогов, которые по нашему мнению могут появиться не ранее чем через 30 - 50 лет (в лучшем случае).
Учитывая изложенное, новизну, неординарность технических решений, технологичность изготовления, а также перспективу по замене морально и физически устаревших котлов малой мощности, нами на одном из наших заводов сантехнического оборудования было организовано специальное конструкторское и технологическое подразделения и налажено мелко-серийное производство котлов серии АГ-42 с индивидуальными для каждого «Заказчика» габаритами.
В 1996 году нами, практически кустарным способом, «вручную», был изготовлен и пущен в эксплуатацию первый безбарабанный секционный паровой котел нового поколения АГ-42, паропроизводительностью 500 кг/ч, давлением 0,07 МПа, с температурой пара 114 °С, работающий на природном газе с отечественной газовой горелкой завода «Старорусприбор» (мы выражаем искреннюю благодарность главному инженеру Нарвского хлебокомбината г-ну Кессельману И.Н., давшему путевку в жизнь нашему котлу). Котел и сегодня надежно работает без капремонта с высокими технико-экономическими показателями.
На сегодняшний день в эксплуатации находятся: 23 котла типа АГ-42:
- безбарабанный секционный цельносварной паровой котелD=500 кг/час, давлением 0,07МПа, температурой насыщенного пара 114 °С на природном газе, горелка агрегатированная «Старорусприбор», г. Санкт-Петербург;
- два водогрейных секционных цельносварных котла теплопроизводительностью каждый по 1,1 МВт на интинском каменном угле при ручном его забросе с температурным графиком 95-115 °С, колосники чугунные, собственного изготовления (племхоз «Петровское», Выборгский р-н.); - 20 водогрейных секционных цельносварных котлов теплопроизводительностью 2,5 МВт, работающих на природном газе с температурным графиком 115-70 °С, горелки агрегатированные Борисоглебского котельно-механического завода, г. Волгоград.
Учитывая перспективность использования котельных, сжигающих древесные отходы, нами проводится большой объем проектно-конструкторских работ по разработке оборудования котельных «под ключ» с водогрейными секционными цельносварными котлами типа АГ-42 и с цельносварными предтопками, предназначенными для сжигания высоковлажных, свыше 60%, древесных отходов с низкой теплотворной способностью (порядка 1400-1700 ккал/кг).
Нами разработана котельная в Псковской области с тремя водогрейными котлами типа АГ-42 и цельносварными предтопками мощностью каждого по 1,6 МВт для сжигания высоковлажных древесных отходов (см. рис. 1).
По нашему мнению из всех видов топлива, сжигаемого в малой энергетике, наиболее перспективным с точки зрения воспроизводства (дерево для промышленной переработки «созревает» в течение 80-120 лет) и наиболее сложным в его сжигании, являются древесные отходы.
В заключение следует отметить следующее. Бытует мнение, что чем меньше стоимость самого котла, тем существенней это отражается на стоимостных показателях котельной в целом (хотя стоимость котла составляет всего 10-12% от стоимости котельной). С другой стороны, чем дешевле котел, тем ниже, при
прочих равных условиях, его технико-экономические показатели. Так, если сопоставить, например, водогрейный котел при сжигании природного газа Q=4,65 МВт, где КПДбр хорошего «жаротрубного» котла (например фирмы «ЗиО СаБ») составляет порядка 88% при часовом расходе газа Вр=575 м3/час по сравнению с котлом АГ-42, у которого КПД=94,0% и Вр=538 м3/час (при стоимости 1м3 газа в 0,39 руб.), то за отопительный сезон, составляющий 199 суток, годовой экономический эффект только за счет разницы в расходах газа на один котел составит 69476 рублей в год.
Журнал «Новости теплоснабжения» №01, 2001 г.; https://www.ntsn.ru