В качестве генераторов тепловой энергии на котельных установлены двух- и трехходовые, стальные жаротрубные котлы фирм Германии, США, Дании и Финляндии, России (ООО «Тепло-газпрогресс» и компании «ЗиОСаб» г. Подольск), чугунные котлы (фирм «Buderus», «Ferroli», «De Dietrich» «Фултон», «Либерти») и водогрейные котлы типа КВА российского производства. Кроме того, имеется котельная, где эксплуатируются котлы-модули UTM-50 французского производства. В основном котлы укомплектованы горелками фирм «Oilon», «ELCO» и «Weishaupt».
Длительный срок эксплуатации чугунных котлов фирмы «Buderus» подтвердил их преимущество по надежности и экономичности по сравнению с котлами других зарубежных и отечественных фирм. Секции чугунных котлов изготовлены из специального, устойчивого к коррозии и высоким температурам, серого чугуна марки GL 180M, разработанного фирмой «Buderus». Конструктивные особенности котлов позволяют эксплуатировать их с высоким КПД и с минимальным количеством вредных выбросов в атмосферу. Как известно, слабым местом чугунных котлов является их повышенная чувствительность к разнице температур воды на входе и выходе из котла. Если разница температур (при усиленной подпитке контура отопления) переходит за критическую отметку, котел может дать трещину. К примеру, максимальный перепад температуры в различных моделях De Dietrich, российских фирм составляет 25-30 ОС. Для устранения этого недостатка на котлах фирмы «Buderus» используется принцип Thermostream. Суть технологии Thermostream состоит в смешивании внутри котла холодной воды, поступающей в котел из обратного трубопровода тепловой сети с теплой водой, идущей в тепловую сеть. Повышение температуры этой воды происходит в верхней части отопительного котла прежде, чем она достигнет отопительных поверхностей. Таким образом, даже при внезапном поступлении в котел холодной воды исключается появление критических температурных напряжений, приводящих к разрушению секций.
К положительным качествам чугунных котлов можно отнести низкую чувствительность к качеству циркулируемой воды, применение облегченной теплоизоляции, большую ремонтопригодность, за счет их сборки и разборки без сварки.
Основное преимущество стальных котлов по сравнению с чугунными котлами - более высокий коэффициент полезного действия (КПД).
Конструкции стальных жаротрубных котлов иностранных и российских изготовителей не имеют между собой каких-либо существенных отличий. Современные зарубежные и отечественные котлостроительные заводы выпускают жаротрубные котлы, которые наиболее эффективны при тепловой мощности от 0,5 до 7 МВт.
Котлы данной конструкции, установленные на предприятии, работают на смесительных газовых горелках под наддувом с минимальными избытками воздуха а =1,03-1,05. Необходимо отметить, что у импортных горелок производители часто для увеличения устойчивости горения используют более завышенные коэффициенты избытка воздуха (1,2-1,25), что приводит к снижению КПД на 1,5- 2,0%.
Учитывая, что в жаротрубных котлах поверхность труб уменьшена, по сравнению с водотрубными котлами, за счет большего использования листовой стали, стоимость современных жаротрубных котлов значительно ниже, чем водотрубных. При этом надежность их работы выше. Стальные жаротрубные котлы значительно в меньшей степени боятся перепада температур, чем чугунные, и легко выдерживают At до 50-60 ОС.
Жаротрубные котлы имеют преимущество перед водотрубными в том, что они имеют незначительное гидравлическое сопротивление, а следовательно снижение расхода электрической энергии на перекачку теплоносителя. Суммарное гидравлическое сопротивление котла составляет примерно 0,02-0,03 МПа.
Другим преимуществом жаротрубных котлов по сравнению с водотрубными котлами является их ремонтопригодность и технологичность изготовления, а также возможность использования легких дешевых теплоизоляционных материалов, которые работают при более низких температурах наружных поверхностей.
К недостаткам жаротрубных котлов можно отнести сравнительно низкие коэффициенты теплоотдачи, как со стороны газов, так и со стороны воды. Однако за счет применения различного рода завихрителей, расположенных внутри газовых труб, коэффициент теплоотдачи от газов к стенке увеличивается с 30 до 100-120 Вт/(м.ч.К). Низкие значения коэффициента теплоотдачи со стороны воды (500 Вт/(м.ч.К)) объясняются наличием свободного движения воды около поверхностей газотрубных пучков в объеме котла. Учитывая, что на поверхности жаровой трубы и поворотной камеры в жаротрубных котлах происходит поверхностное кипение, для обеспечения высокой эксплуатационной надежности, особенно при работе на жидком и твердом топливе, необходимо жесткое соблюдение норм качества подпиточной воды.
Надежность жаротрубных котлов зависит также от конструктивных решений. Так, например, для трехходовых котлов надежная работа обеспечивается при минимальной нагрузке не менее 40%, для двухходовых - 25%. Это связано с тем, что при более низкой загрузке в трехходовых котлах, работающих на жидком и твердом топливе, происходит резкое охлаждение дымовых газов, и как следствие активное выпадение конденсата, которое приводит к быстрому износу котлов. Другим недостатком является увеличенные габариты по сравнению с водотрубными котлами.
Водотрубные котлы имеют меньшую металлоемкость котла за счет применения труб малых диаметров, что позволило значительно интенсифицировать процессы теплопередачи в котле. Они имеют меньший водяной объем и, следовательно, позволяют более быстро их растапливать. Повышается также и безопасность работы котлов, т.к. даже при аварийном разрыве кипятильных труб взрыва котла в целом не бывает. Средний срок службы водотрубного котла составляет 18-25 лет. Для обеспечения высокой эксплуатационной надежности водотрубных котлов необходимо, также как и для жаротрубных котлов, жесткое соблюдение норм качества подпиточной воды. Соответствующей водоподготовкой обеспечивается безнакипной режим в котле.
В последнее время появились российские и зарубежные гидронные или высокоскоростные малоемкостные котлы. В этих котлах применены специальные устройства (струйные насосы), вызывающие многократную циркуляцию воды. Многократная циркуляция воды улучшает в котлах процессы теплообмена, снижает процесс образования накипи и шламообразования на внутренних поверхностях нагрева труб (за счет больших скоростей воды они выносятся из котла). Котлы имеют низкое аэродинамическое сопротивление уходящих газов, изготовлены в газоплотном исполнении, что позволяет работать с использованием естественной тяги, не допустить произвольных подсосов воздуха, компоновать различными горелочными устройствами как импортного, так и отечественного производства. Котлы имеют высокий КПД (94% и выше).
К сожалению, далеко не любой импортный котел в состоянии длительно и эффективно работать в условиях российской действительности. Технические условия заводов требуют, чтобы вода в системе отопления была мягкой, очищенной. Давление в газопроводе было постоянным, не меньше 20 мбар.
Проблема использования жесткой воды в условиях г. Санкт-Петербурга стоит еще не так остро, невская вода - мягкая. Однако для некоторых пригородов Санкт-Петербурга эта проблема актуальна. Если система отопления смонтирована правильно и эксплуатируется без утечек циркулируемой воды, то, применив небольшую установку химической обработки подпиточной воды, данную проблему можно закрыть. Кремниевый осадок если и выпадет однажды, то, конечно, укоротит жизнь котла, но не надолго. Ведь производители дают на свою продукцию пятилетнюю гарантию, а срок службы декларируют 25-30-летний. Гораздо хуже, если из-за технического состояния система часто подпитывается водой или имеется не санкционированный отбор воды на нужды горячего водоснабжения. Тогда срок службы стальных котлов резко сокращается.
Опыт эксплуатации в других регионах России показывает, что для этих котлов характерны следующие повреждения: на барабанах жаротрубных котлов возникают выпучины в их нижней стенке, обогреваемой снаружи горячими газами, вследствие внутреннего скопления в этих местах шлама и грязи и перегрева стенки барабана. Возникают
вмятины или прогиб в сторону газохода металла верхней стенки жаровых труб из-за перегрева при упуске воды или скоплении на трубе накипи и шлама; иногда наблюдаются трещины в местах отбортовки звеньев жаровых труб или в загибах днищ; причина их появления - жесткость соединений элементов котла.
На нашем предприятии ремонтные работы на жаротрубных котлах (срок эксплуатации 7 лет) проводились только на одной котельной после появления течи в трубах. При этом возникали большие сложности по ремонту дефектных труб. Так, например, ремонты котла «Витермо-2,5» (финская фирма «HOYRYTYS») проводились без учета требований заводской инструкции, которую фирма-поставщик эксплуатационной организации не предоставила. Отсутствие заводской технологии на ремонт котла привело к образованию трещин в трубных решетках и необходимости их замены. Изготовление и замена осуществлялись специалистами предприятия.
В условиях г. Санкт-Петербурга особенно актуальна проблема качественного газоснабжения (стабильность давления и отсутствие взвешенных частиц). Для устойчивой и безаварийной работы горелочных устройств давление в газопроводе должно быть постоянным и не меньше 20 мбар.
Горелки с принудительной подачей воздуха выпускаются газовыми, дизельными, мазутными и комбинированными, поэтому котлы «под них» делают универсальными. Но покупать приходится отдельно и котел, и горелку, а в сумме выходит дороже. К тому же, горелка с принудительной подачей воздуха более шумная и более сложна в наладке.
Атмосферные горелки, имеющие большое распространение в Европе, работают только на газе, допускают работу на более низком давлении по сравнению со смесительными горелками, конструктивно проще и дешевле. В то же время, КПД котла с атмосферной горелкой находится в пределах не выше 90%. В период низких температур наружного воздуха на котельных, расположенных в исторической части города, давление газа может понижаться ниже нормы. Когда давление в газопроводе уменьшается, горелка продолжает гореть. Пламя при этом становится низким - садится на горелку, и мощность котла падает. Но это еще не самое страшное - гораздо хуже, что прогорают сопла горелки. И если котел длительное время работает при таких режимах, то ее придется менять гораздо раньше положенного времени.
Горелки фирм «Oilon» и «Weishaupt» с принудительным дутьем воздуха, установленные на котлах мощностью от 0,5 МВт и более, требуют применения шумопоглощающих кожухов, если котельная расположена на территории жилого массива. По горелкам производства «Weishaupt» существенных замечаний по их работе нет. При эксплуатации горелок фирмы «Oilon» возникали неисправности:
■ прогорания электродов зажигания;
■ неудовлетворительная работа регуляторов соотношения «газ-воздух»;
■ неустойчивая работа в режиме «большого горения»;
■ периодический выход из строя регулятора мощности КS 90;
■ разрушение подшипников дутьевого вентилятора.
О КПД котлов
По данным иностранных и отечественных производителей КПД чугунных и жаротрубных котлов нового поколения находится в пределах 92-95%, а при наличии конденсационного экономайзера может достигать 98-99% при расчете по принятой в России низшей теплоте сгорания топлива. Однако здесь следует учесть, что специалисты иностранных фирм при определении потерь в котле считают, что относительные потери в окружающую среду на всем диапазоне нагрузок остаются величиной постоянной или меняются незначительно. Таким образом, в соответствии с нормативными расчетами по российским методикам их КПД завышен на 1-2%. Кроме того, для водогрейного котла максимальный КПД достигается при малых нагрузках (20-30%) и с ростом тепловой загрузки падает. Причина заключается в том, что температура уходящих газов растет более интенсивно по сравнению со скоростью снижения коэффициента избытка воздуха. Поскольку в реальных условиях эксплуатации котлы работают в режимах 50-100% загрузки их эксплуатационный КПД снижается на 2-4% от КПД заявленного фирмами-изготовителями.
Анализ представленных на российском рынке стальных водогрейных котлов показал, что российские жаротрубные и водотрубные котлы мощностью до 2 МВт с автоматизированными горелками ведущих иностранных фирм по надежности, ремонтопригодности и энергоэффективности не уступают зарубежным котлам.
Теплообменные аппараты
В качестве теплообменных аппаратов для отопления и горячего водоснабжения на большинстве котельных установлены разборные пластинчатые подогреватели производства 10 фирм из 6 стран. На трех котельных установлены пластинчатые паяные теплообменники типа SWEP Reheat шведского производства.
На двух котельных в схеме ГВС установлены подогреватели емкостного типа «Rudo Cel l/2» фирмы «Viessmann» (Германия) для горячего водоснабжения.
Право на жизнь имеют и пластинчатые, и кожухотрубные теплообменники. Зарубежные фирмы поставляют на российский рынок большое количество пластинчатых теплообменников. Российские производители осуществляют только изготовление вспомогательных деталей, а пластины, уплотнительную резину приобретают у иностранных фирм. Причина заключается в том, что в России не изготовляется необходимая для штамповки пластин «мягкая» коррозионно-стойкая, устойчивая к хлору сталь.
Зарубежные поставщики пластинчатых теплообменников привыкли к тому, что в европейских странах водопроводная (исходная) вода для ГВС обязательно умягчается. В России холодная (исходная) вода в большинстве регионов, а также в пригородах Санкт-Петербурга имеет повышенную жесткость. В этих случаях необходимо предусматривать установку для умягчения исходной воды. Известно, что наиболее интенсивное образование карбонатных отложений происходит в диапазоне температур от 60 ОС до 70 ОС. Поэтому необходима стабилизация температуры теплоносителя на входе в теплообменник ГВС, которая может быть осуществлена насосом со встроенным частотным преобразователем. Он устанавливается на перемычке между подающим и обратным трубопроводами. Система ГВС должна быть автоматизирована. Управление частотным преобразователем и, следовательно, насосом осуществляет электронный автоматический регулятор, контролирующий температуру теплоносителя на входе в теплообменник ГВС. Применение такой схемы позволяет продлить межремонтный цикл промывки теплообменников в несколько раз.
Пластинчатые подогреватели обладают эффектом самоочистки. Однако при снижении циркуляции по первичному или вторичному контуру подогревателя ниже 65% от номинальной циркуляции эффект самоочистки пластин исчезает.
Так как во многих случаях реконструируемая котельная работает на старые внешние и внутридомовые трубопроводы, в которых постоянно протекают коррозийные процессы внутренних поверхностей и выпадение различных солей оседающих на внутренних поверхностях оборудования, трубопроводов, в том числе и на пластинчатых подогревателях. Кроме того, зачастую исходная вода часто поступает из городских водопроводов, где осуществляется механическая и химическая обработка водопроводной воды, в том числе и хлором. В то же время нержавеющая сталь в присутствии хлора подвергается коррозии. Поэтому, в этом случае, необходимо учитывать возможность загрязнения (которое увеличивает термическое сопротивление теплопередачи) по следующим причинам:
■ обеспечение многолетнего надежного срока эксплуатации с учетом формирования накипи и других видов отложения на теплопередающих поверхностях;
■ введение запаса, гарантирующего заданные рабочие параметры сравнительно с теоретической моделью, полученной при разработке уравнений теплопередачи и потерь давления, которые имеют ограниченную точность;
■ обеспечение заданных параметров при определенных отклонениях температуры или расхода сред от заданных параметров.
В то же время, некоторые производители пластинчатых теплообменников в рекомендуемых расчетах производительности не применяют или применяют явно заниженные коэффициенты загрязнения. Исследование работы пластинчатого теплообменника фирмы Альфа Лаваль, установленного на одной из ЦТП предприятия, показало, что снижение тепловой эффективности составило:
■ после первого года эксплуатации - 5%;
■ после второго ~15%;
■ после третьего - более 25%.Уменьшение коэффициента теплопередачи,
при работе аппарата на номинальной нагрузке после трех лет, составило более 30%.
Некоторые производители подогревателей, в целях удешевления, используют пластины из менее качественной стали - AISI 304, а уплотнительные прокладки NBR. В этом случае срок службы теплообменников значительно снижается, уплотнительные прокладки придется менять гораздо чаще. Поэтому, пластины в теплообменниках должны быть выполнены из коррозионно-стойкой, устойчивой к хлору стали AISI 316, а уплотнительные прокладки - из термостойкой резины EPDM. Тогда срок службы теплообменников составит не менее 30 лет, а прокладки придется менять не чаще, чем раз в 7-9 лет. Следует отметить, что у многих производителей стоимость уплотнительных прокладок составляет большую долю от общей стоимости теплообменника. Кроме того, при выборе подогревателей необходимо обращать внимание на форму сечения прокладок, способы их установки. Необходимо также отметить, что пластины одного типоразмера у одного или разных изготовителей могут иметь угол наклона гофр к горизонтальной оси 30О (так называемые «жесткие» пластины) и 60О («мягкие» пластины). Для жестких пластин характерна большая тепловая производительность и большие потери напора, для мягких пластин -меньшие потери напора и меньшая тепловая производительность. Потери напора потребуют увеличенного расхода электроэнергии, а меньшая тепловая производительность - относительно большие габариты и металлоемкость.
В схемах котельных применяются моноблоки пластинчатых теплообменников. Они несколько дешевле, чем групповые (1 и 2 ступень), однако имеют ряд существенных недостатков:
■ в моноблоке на одной раме объединены 1-я и2-я ступени ГВС. Это двухходовой теплообменник, в котором каждый теплоноситель движется сначала вниз, затем вверх. Такая U-образная конструкция приводит к быстрому засорению нижнего коллектора моноблока;
■ при установке моноблока потребитель полностью лишается горячей воды в случае его ремонта. При раздельной установке теплообменников в случае отключения одной ступени часть нагрузки ГВС обеспечивается при помощи оставшейся в работе ступени;
■ в моноблоке трубопроводы присоединяются и к неподвижной, и к подвижной плитам. При разборке моноблока требуется демонтаж трубопроводов, что усложняет ремонт и увеличивает сроки его проведения.
Несмотря на требования СП 41-101-95 п. 4.37 на ряде котельных отсутствуют магнитные шламоотделители, что приводило к загрязнению теплообменников. Имеются случаи, когда в течение одного года эксплуатации проводились чистки подогревателей с их разборкой.
Правда, в настоящее время на российском рынке появились кожухотрубные малогабаритные подогреватели с улучшенными теплообменными свойствами, например, типа ТТАИ (тонкостенный теплообменный аппарат интенсифицированный), выпускаемые фирмой «Теплообмен», г. Севастополь. Эти аппараты, согласно данным фирмы, на сопоставимые параметры имеют массогабаритные характеристики почти в 10 раз лучшие, чем современные разборные пластинчатые аппараты, имеется возможность их индивидуального, почти бесступенчатого подбора. Аппараты в процессе эксплуатации по прямому назначению обладают эффектом самоочистки, легко и полностью разборны с обеспечением извлечения пучка из корпуса, термически разгружены в месте сопряжения корпуса с трубными решетками. Теплообменники типа ТТАИ могут размещаться вдоль стен, как полотенцесушитель и в ванной, располагаться под потолком и укладываться в каналах или располагаться просто как элемент трубопровода в пучке труб, не требуя для своего крепления иных опор, кроме предусмотренных штатных путевых креплений трубопроводов. Еще одним из преимуществ теплообменников ТТАИ является присущая им исключительно малая тепловая инерция, почти всегда находящаяся в пределах одной минуты. На предприятии нет опыта эксплуатации таких подогревателей. Однако, судя по конструкции, они очень чувствительны к гидроударам, которые могут возникнуть в эксплуатационных режимах.
Насосы
Большинство котельных оснащено иностранными насосами одиночного и сдвоенного исполнения фирм «Wilo» и «Grundfos» «сухого» типа и с «мокрым ротором» исполнения. У «мокрых» насосов ротор электродвигателя вместе с рабочим колесом погружен в перекачиваемую среду. Жидкость смазывает подшипники вала и одновременно охлаждает мотор. Герметичность электрической обмотки обеспечивает разделительный стакан, выполненный из нержавеющей немагнитной стали. Вал ротора может быть изготовлен из керамики; подшипники - из керамики или графита. Корпус насосов для систем отопления в большинстве случаев отливается из чугуна. Насосы данного типа практически бесшумны и могут годами работать без технического обслуживания; их монтаж, ремонт и замена не требуют таких трудоемких операций, как, например, центровку. Отрицательной стороной насосов с «мокрым» ротором является их низкий КПД (10-50%). Для устройств «сухого» типа этот показатель составляет 40-80%, поэтому им следует отдавать предпочтение в больших системах отопления и горячего водоснабжения. Как уже было упомянуто, смазка подшипников насоса и охлаждение электродвигателя с «мокрым» ротором осуществляется водой циркуляционного контура. Поэтому циркуляция жидкости должна быть непрерывной. Это возможно лишь при горизонтальном положении вала. Установка мотора вертикально или в подвешенном состоянии может стать причиной быстрого выхода насоса из строя.
По информации фирмы «Grundfos» она освоила выпуск насосов GRUNDFOS MAGNA. В конструкции этих насосов применены постоянные магниты, что позволило повысить КПД насосного агрегата на 30%. Кроме того, появились насосы со встроенным фильтром. Иностранные насосы боятся грязной воды, особенно металлических частиц и других твердых вкраплений. Применение встроенных фильтров или магнитных шламоотделителей в подающем тракте насоса снимает эту проблему.