Котлы на высокотемпературном теплоносителе

С. Тишаев

Цель данной статьи – ознакомить специалистов с одним из типов широко используемого в Европе оборудования, позволяющего эффективно снабжать промышленный объект различными видами теплоносителя одновременно и без потерь на фазовые переходы

Возможные потребители

Tish_200 Прогресс в химической, деревообрабатывающей, пищевой и легкой промышленности, а также развитие сферы обслуживания привели к появлению ряда новых материалов, требующих для своего производства или обработки технологических процессов с высокими (свыше 180–200°С) температурами и стабильными параметрами. Достичь подобных параметров в традиционных котлах можно, однако это повлекло бы за собой целый ряд неудобств, связанных с высокими параметрами теплоносителя. Так, для температуры 300 °С давление насыщенного парадолжно быть не менее 90 бар. Трудно себе представить технологическую линию, рассчитанную на такое рабочее давление. Другим традиционным решением стало бы применение котла с пароперегревателем. Однако при этом теплоноситель (перегретый пар) будет опять иметь достаточно большое давление (хотя и гораздо меньшее, чем давление насыщенного пара). Кроме того, цена котла с пароперегревателем значительно превышает стоимость обычного парового котла. Для применения на малых (до 20 кВт) мощностях традиционным для нас решением является использование электрических нагревателей (ТЭНов), однако с увеличением потребляемой тепловой мощности величина затрат на электроэнергию растет, и конечная продукция или услуга перестает быть конкурентоспособной.

Выход из ситуации был найден в применении котлов на высокотемпературном теплоносителе – минеральном или синтетическом масле.
Одно из основных преимуществ, обеспечиваемых применением систем подогрева на высокотемпературных теплоносителях (иначе именуемых горячим маслом), заключается в минимизации трубопровода, соединяющего котел и теплообменник. По сравнению с другими традиционными системами, система подогрева горячим маслом отличается простотой монтажа и не требует дорогостоящей герметизации повышенным давлением, интенсивных мер обеспечения безопасности и подготовки теплоносителя. Кроме того, технология полностью предотвращает возможность образования конденсата в газоходах котла и на трубах, а также уменьшает теплоперепад между горячими газами и экранными трубами.

Такие котлы не представляют собой что-то совершенно новое для нашего рынка. Они штатно используются на нефтеперерабатывающих заводах и перекачивающих станциях. Поскольку трубопроводы являются приоритетным способом поставки сырой нефти, очищенного толива и производных продуктов с места добычи и портов на нефтеперерабатывающие заводы, то для перекачки этих вязких материалов нужны насосные станции, работающие на дизельных двигателях. Каждая из таких станций оснащается котлами, которые подогревают сырую нефть на входе на станцию и поддерживают постоянную температуру резервуаров с нефтью. Другое известное в нашей стране применение котлов такого типа – битумноприготовительные и асфальтные заводы. Несомненный интерес для предприятий, использующих технологическое тепло, могут представлять новые возможности, обеспечившие широкое применение котлов на горячем масле в европейских странах, – широкий мощностной ряд и комплектация энергоустановки вспомогательным оборудованием «под конкретного заказчика». Большое число типоразмеров дает возможность оптимального выбора мощности котла практически для любого потребителя. Вот далеко не полный список таких потребителей:

прачечные с гладильными прессами, химчистки, другие предприятия бытовой сферы;
предприятия общественного питания, включая кафе сети быстрого питания (например, «Макдоналдс», где подобные котлы обеспечивают стабильную высокую температуру во фритюрницах);
предприятия текстильной промышленности (термохимическое нанесение рисунка или каландрирование ткани);
деревообрабатывающие предприятия (прессовое оборудование для склейки (сращивания) древесины или отделочных материалов);
заводы и комбинаты по производству клееной многослойной и ламинированной фанеры, использующие технологические прессы и сушилки;
предприятия, производящие илиобрабатывающие пластмассы методом литья или формовки;
фармацевтические и косметические предприятия (автоклавы для варки (обработки) мазей, кремов и т.д.);
госпитали и больницы (стерилизаторы различных типов);
заводы по производству растительных и индустриальных масел, смазок;
нефтеперерабатывающие заводы и предприятия химической промышленности;
стекольные заводы и т.д.

Возможность гибкой комплектации, обеспечивающей специальные нужды конкретного потребителя, характеризует способность современных котлов на высокотемпературном носителе снабжать потребителя:

высокотемпературным теплоносителем при низких давлениях (прямое тепло);
насыщенным паром или перегретой водой без использования длинных паропроводов;
различной комбинацией теплоносителей (горячее масло – пар, горячее масло – перегретая/горячая вода).

«Призма» или «цилиндр»?

В зависимости от необходимой тепловой мощности, котел на горячем масле может иметь как цилиндрическую, так и призматическую камеру сгорания. В обоих случаях трубные решетки выполняются из стальных бесшовных горячедеформированных стандартных труб.

В первом случае рекомендуемый диапазон используемых мощностей составляет 100–5000 кВт тепловой мощности, разбитый (в зависимости от производителя) на 10–15 типоразмеров.

В котлах цилиндрической конструкции поверхность теплосъема представлена одним или несколькими рядами концентрических колец, образованных из труб, заполняемых высокотемпературным теплоносителем. Первый их ряд, обращенный к пламени горелки и воспринимающий основное радиационное теплоизлучение, формирует собой камеру сгорания. Второй ряд колец образует тракт для второго и третьего хода газов, для обеспечения более полного использования тепла уходящих газов, что позволяет повысить эффективность (КПД) котла и снизить эмиссию NOx. Газоплотная топка котла теплоизолирована слоем минеральной ваты высокой плотности и защищена стальной листовой обшивкой, что обеспечивает низкие потери тепла в окружающее пространство путем рассеяния.

За счет использования небольшого объема керамических материалов (жаростойкая теплоизоляция дымовых камер и дверей) такая конструкция отличается малой тепловой инерционностью и высокой скоростью выхода на рабочий режим. В связи с малой тепловой инерционностью такие котлы рекомендуется оснащать горелками, работающими на высококалорийном, малозольном топливе – природном или сжиженном газе, дизтопливе.

В случае применения котлов на горячем масле для тяжелых промышленных условий работы – при мощности выше 3 МВт, низкокалорийном топливе с повышенной зольностью – рекомендуются котлы призматической конструкции. Их отличают высокий КПД, надежность и долгий срок эксплуатации. Преимущества обеспечивают следующие элементы и особенности конструкции:

встроенный подогреватель дутьевого воздуха (вплоть до мощности 12 МВт);
полностью маслоохлаждаемая поверхность камеры сгорания с пониженной (в среднем менее 400 кВт/м³) тепловой нагрузкой при высокоэффективном сгорании;
люки и лазы больших размеров, предоставляющие полный доступ для осмотра и обслуживания (чистки) всех поверхностей нагрева как изнутри, так и снаружи;
трубная решетка, образующая экран с большой площадью теплообмена и теплонапряженностью менее 26 кВт/м², который при необходимости полностью опорожняется. Его коллекторы обеспечивают гидравлическое балансирование системы. Трубы экранированы от радиационного тепла;
газоплотная внутренняя обшивка из нержавеющей стали, которая придает коррозионную стойкость против временного наличия конденсата (при первом запуске или после длительного простоя котла);
увеличенное подрешеточное пространство, допускающее накопление большего объема золы в межрегламентный период.

Котлы призматической конструкции могут работать как на традиционном топливе (газ, дизтопливо) при установке соответствующих горелок, так и на мазуте. При использовании специальной топки могут также применяться нетрадиционные, малокалорийные виды топлива – отходы деревообработки, сельскохозяйственные отходы и прочая биомасса.

О типах масла

Высокотемпературным теплоносителем, осуществляющим съем тепла, производимого горелкой при сжигании топлива, и передачу его потребителю для полезного использования, может быть минеральное (при температуре до 300°С) или синтетическое (до 350°С) масло.

Современные типы масла отличаются рядом особенностей. Они имеют большое значение точки возгорания, хорошую тепловую стабильность, устойчивость к окислению, большое значение температуры начала испарения (что позволяет ему оставаться в жидком виде даже при высоких температурах), хорошие температурные характеристики и сохранение свойств при низких температурах.

Для диатермических установок пред почтительно использовать масло парафинового или нафтенового типа (а не на ароматической основе) – невысокой (2–3 град. Е при 50°С) вязкости, с узким диапазоном испарения и высокими эксплуатационными параметрами. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев используются всего два типа масла:

масло вязкостью около 3 град. Е (20 сСтокс) при 50°С (чаще всего – парафинового типа). В основном его применяют в промышленных установках;
масло вязкостью 2 град. Е (10 cСтокс)при 50°С, как правило, нафтенового типа. Используется либо в промышленных установках, где имеется потребность в особых характеристиках текучести по холодному контуру, либо в тех установках, где нужна высокаястабильность и допустима большая текучесть при низких рабочих температурах.

В то же время в особых условиях эксплуатации находят применение и более вязкие (до 6–8 град. Е и более) масла, которые еще традиционно производятся.

Интервал рабочих температур диатермического масла определяется значениями предельно высокой и предельно низкой температуры. На ее ограничение влияют два фактора:
1) температура крекинга, которая ма ло зависит от давления и составляет для нормальных типов диатермического масла около 360°С. Для нормального функционирования установки и предотвращения нарушений в составе масла необходимо обеспечить сохранение рабочей температуры на уровне ниже температуры подгорания как минимум на 30°С;
2) температура начала испарения, которая значительно возрастает при повышении давления; например, если при использовании диатермического масла при атмосферном давлении этот показатель составляет 310°С, то при давлении 3 бар он повышается до 340°С. Кроме того, чтобы избежать излишнего образования паров масла, способных вызвать нарушения циркуляции в контуре (паровые пробки, перегрев трубок котла и пр.), необходимо убедиться, что рабочая температура на несколько градусов ниже температуры испарения.

Из вышеизложенного следует: рабочая температура использования диатермического масла может быть повышена в герметических установках с сохранением ее на 30 °С ниже значения температуры крекинга. В таких установках ограничительное значение имеет температура крекинга, а не испарения. Следует отметить, что точка возгорания масла не имеет ничего общего с предельно высокой рабочей температурой. Действительно, во всех установках с диатермическим маслом рабочая температура намного превышает точку возгорания используемого масла. Однако при эксплуатации установки значение точки возгорания имеет большое значение для оценки поведения масла.

Выбор типа масла влияет на эксплуа тационные характеристики и периодичность регламентных работ. При рабочих температурах до 300°С минеральное масло имеет значительные преимущества перед синтетическим в сроке эксплуатации до замены (период старения минерального масла в среднем в 6 раз выше, чем синтетического). Но при повышении температуры эти преимущества уступают свойству термической стабильности (крекинг минерального масла при высоких температурах).

Срок службы диатермического масла в нормально спроектированной и функционирующей установке обычно составляет 12–16 тыс. ч работы. Он может быть и более продолжительным: это зависит от очень многих факторов, которые мы не рассматриваем. Необходимо подчеркнуть: особое значение имеет анализ проб масла, который обычно следует производить один раз в полгода, как это указывает производитель в своих инструкциях по эксплуатации, прибегая к полной замене масла в том случае, если его состояние не позволяет произвести регенерацию. Операции по сливу следует производить в емкость для сбора или непосредственно в автоцистерну при температуре масла не ниже 50°С.

Схема обвязки котла на диатермическом масле включает целый ряд специальных элементов, которые описаны в статье «Обвязка теплогенераторов на высокотемпературном теплоносителе»

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!