Модернизация котлов отопления – почему это важно?

Развитие индивидуального строительства, строительство многоэтажных жилых домов, различных зданий и сооружений коммерческого назначения привели к необходимости использования для теплоснабжения данных объектов транспортабельных котельных установок или стационарных котельных, работающих, в основном, на природном газе и использующих в качестве теплогенерирующих установок современных отопительных котлов. Но, наряду с этим, на территории Украины и стран бывшего СССР большое количество уже существующего жилого фонда и промышленных предприятий, построенных в 50-80 е года прошлого столетия, применяют для теплоснабжения и приготовления горячей воды котельное и насосное оборудование устаревшего типа.

По данным Министерства энергетики и угольной промышленности Украины по состоянию на март 2021 года должна быть проведена модернизация старых котлов количеством не менее 21% или замена котлов. При этом как минимум 25% котельного оборудования в Украине эксплуатируется более 30 лет. Эффективность многих данных котлов не превышает 60-70%. Здесь же отметим критическую степень физического износа тепловых сетей (по данным Миненерго и Ассоциации «Укртеплокоммуненерго » по состоянию на март 2021 года не менее 35 % всех магистральных трубопроводов в Украине находятся в аварийном состоянии, а значение тепловых потерь в них составляет от 15 до 30 % ) Безусловно то, что решение данных проблем должно проводится в комплексе, однако в данной статье рассмотрим вопросы, касающиеся именно теплогенерирующего котельного оборудования.

На территории Украины, как и в странах бывшего СССР, функционируют 2 основных типа промышленных газовых (и твердотопливных) котлов, характеризующиеся способом омывания продуктами горения топлива поверхностей нагрева: жаротрубные и водотрубные котлы. В свою очередь, данные котлы подразделяются на водогрейные котлы (нагрев теплоносителя по различным температурным графикам, как пример, 95/70˚С, 115/70 ˚С, 150/70 ˚С1) и паровые котлы, применяющиеся для производства насыщенного или перегретого пара.

Жаротрубные котлы отопления являют собой цилиндрическую топочную камеру (жаровую трубу), с расположенными вокруг камеры дымогарными трубами, по которым циркулируют продукты горения, обеспечивая конвективный теплообмен. «Водяная рубашка» котла располагается в пространстве между дымогарными трубами.

Виды жаротрубных котлов

Существует 2 основных типа жаротрубных котлов:

1. 1) Двухходовые котлы, или котлы с реверсивной камерой сгорания, в которых первым ходом циркуляции продуктов горения является собственно топочная камера, а вторым ходом – пучок дымогарных труб.
2. 2) Трехходовые котлы – котлы, в которых первым ходом является топочная камера, а вторым и третьим – 2 канала дымогарных труб. Трехходовые котлы, за счет большей площади конвективных поверхностей теплообмена, имеют больший уровень интенсивности охлаждения продуктов сгорания.

Жаротрубные котлы современного типа имеют ряд неоспоримых преимуществ, таких как:

• • Компактность конструкции за счет более интенсивного теплового потока.
• • Поставка котла в сборе в виде единого моноблока.
• • Минимальное гидравлическое сопротивление (измеряемое миллибарами), благодаря которому для циркуляции теплоносителя через котел применяется относительно маломощное насосное оборудование.
• • Герметичность камеры сгорания, которая позволяет применение дутьевых горелок и, как следствие, не делает обязательным применение дымососов.
• • Небольшая инерционность – быстрое реагирование на изменение тепловой нагрузки, что упрощает и оптимизирует автоматизацию работы данных котлов.
• • Меньше, в отличии от водотрубных котлов, затраты труда на изготовление котлов.
• • Отсутствие необходимости в дополнительной обмуровке.
• • Общее упрощение строительно-монтажных работ.

Опыт разработки жаротрубных котлов в СССР показал, наряду с преимуществами, ряд существенных недостатков, в основном и из-за ошибок в проектировании, что стало причиной принятия решения про отказ от их производства в пользу водотрубных котлов. Первые разработанные жаротрубные модели имели низкое значение КПД, высокую металлоемкость, ограничение в тепло- и паропроизводительности. Жаровые трубы не отличались высокой надежностью. Как показала практика, применение Нормативного метода теплового расчета котельного теплоагрегата, актуального для водотрубного оборудования, для проектирования жаротрубных котлов во многих случаях являлось некорректным.

Водотрубные паровые и водогрейные котлы были основным типом котлов, изготавливаемых в СССР. Данные котлы, в зависимости от модификации, предназначались для сжигания природного газа или твердого топлива (в основном – угольного) Конструктивно водотрубные котлы являют собой пучок большого количества труб, которые сводятся в один или несколько барабанов, которые служат резервуарами для воды или пара. Трубный пучок с барабаном размещаются над топочной камерой. Внутри трубного пучка циркулирует теплоноситель. Установленные в топочной камере перегородки обеспечивают многократное прохождение продуктов сгорания топлива через трубные пучки, что обеспечивает качественную теплопередачу от продуктов горения к теплоносителю.

Так же во многих моделях водотрубных паровых котлов предусматриваются такие поверхности нагрева, как радиационные трубные экраны, теплообмен через которые осуществляется не конвекцией, а излучением. Теплоноситель, проходящий через большое количество экранных труб, преобразовывается в пар.

Преимущества водотрубных котлов отопления

Водотрубные котлы обладают рядом преимуществ, таких, как:

• • Скорость циркуляции теплоносителя в трубных пучках – не менее 1 м/сек, что защищает трубы котла от возможного вскипания теплоносителя и отложения шлама.
• • Отсутствие жестких требований к качеству теплоносителя.
• • Возможность нормального длительного функционирования в форсированном режиме.
• • Быстрота выхода работы котла в номинальный режим.
• • Полная взрывобезопасность.
• • Долговечность эксплуатации.

Однако, помимо положительных характеристик, водотрубные котлы так же обладают и рядом недостатков:

• • Указанная выше высокая скорость теплоносителя приводит к высокому гидравлическому сопротивлению данных котлов, что требует значительно более высоких затрат электрической энергии на работу циркуляционных насосов котлов.
• • Сложность конструкции котлов, большое количество различных узлов, затрудняющих их транспортировку, монтаж и проведение ремонтных работ.

Массовость производства водотрубных котлов в СССР привела к тому, что на территории Украины функционирует большое количество котлов типа НИИСТУ, ДКВР, ПТВМ, КВГМ и прочих аналогичных, которые морально и физически устарели и требуют модернизации. Безусловно, данные котлы в свое время изготавливались в соответствии со строгими требованиями тогдашних ГОСТов и многие из работающих котлов отличаются высоким качеством котловых труб и сварных швов. Однако длительный срок их эксплуатации требует постоянного ремонта данных котлов, замены трубных пучков, экранов, проведения обмуровочных работ.

Модернизация котлов водотрубных

Если говорить именно про модернизацию котлов водотрубных, то здесь, в первую очередь поднимается вопрос характеристик и безопасности работы газогорелочных устройств данных котлов, степень их автоматизации и, как следствие, экологические параметры по выбросам вредных веществ не соответствуют современным нормативам. Достаточно распространенной практикой на сегодняшний день является замена устаревших горелок на современные газогорелочные устройства европейского производства. Группа компаний «Украинская энергопромышленная группа» имеет опыт внедрения подобных решений на базе горелочного оборудования итальянского производства CIBITAL UNIGAS.

Завод CIBITAL UNIGAS разработал специальные модели газовых горелок для водотрубных котлов. Одной из особенностей таких котлов является небольшая глубина и значительный объем топочного пространства, что требует наличия у горелок короткого факела. Потому было принято решение изготавливать данные горелки не с одним соплом, как в стандартных горелках, а с четырьмя короткофакельными огневыми патрубками. Подобное техническое решение обеспечило качественное приготовление и сжигание газо-воздушной смеси, упростило пуско-наладочные работы, а, самое главное, обеспечило полную автоматизацию работы котлов и модуляцию их мощности в широком диапазоне. Как следствие, КПД котлов повышался минимум на 10-15% Опционально доступны модели горелок UNIGAS с частотным регулированием оборотов двигателя (для экономии электроэнергии) и контролем содержания кислорода в уходящих газах (для дополнительной экономии газа и уменьшения выбросов вредных веществ).

Следует отметить то, что установка современных газогорелочных устройств актуальна не только в плане замены горелок устаревшего типа, но и при переводе водотрубных котлов, работающих на угле. В зависимости от текущего физического состояния теплообменных поверхностей таких котлов их перевод на газовое топливо влечет за собой увеличение кпд газового котла на 5-15 %

Что касается жаротрубных котлов, то данный тип котельного оборудования начал массово внедряться для теплоснабжения объектов ЖКХ и промышленности с конца 1990-х – начала 2000-х годов в рамках реализации проектов по децентрализации систем теплоснабжения. Жаротрубные котлы как украинского, так и иностранного производства, которые начали внедряться уже не имели выше перечисленных недостатков, поскольку их конструкции разрабатывалась каждым производителем на базе современных компьютерных программ. Практически каждый из крупных производителей жаротрубных котлов уже имел собственные научно-исследовательские организации, основной задачей которых стал вопрос модернизации конструкции котлов еще на этапе их проектирования, а так же разработка рекомендаций и требований, касающихся эксплуатации котлов. Сюда относят:

1. 1) Увеличение коэффициента полезного действия котлов — выбор оптимальной площади поверхностей нагрева котлов, исследование работы котлов с дополнительными утилизаторами тепла (экономайзерами) от продуктов сгорания, а также определение экономической эффективности и срока окупаемости внедрения экономайзеров.
2. 2) Уменьшение выбросов вредных веществ в продуктах горения – расчет конструкции топок жаротрубных котлов, использование специальных горелочных устройств с низким уровнем выбросов NOx
3. 3) Обеспечение максимального срока службы котлов и эксплуатации оборудования, сохранение целостности конструкций жаротрубного моноблока – использование в котельных установок водоочистки (удаление солей жесткости, железа), сепараторов шлама и микропузырьков, удаление растворенного кислорода, повышение уровня pH теплоносителя и прочее. Плюс регулярное техническое обслуживание.
4. 4) Оптимизация габаритных размеров котлов в целом и отдельных узлов, а также их материалоемкости. Сюда относится экономический аспект, а именно – уменьшение себестоимости изготовления котлов при сохранении высоких параметров качества оборудования.
5. 5) Выбор оптимального решения по использованию газогорелочных устройств – подбор и определение типоразмеров горелок, их теплофизических характеристик, цикличности их работы и необходимые функции. Современные газовые горелки, при правильном их выборе, имеют длительный ресурс эксплуатации, а затраты на их обслуживание – относительно небольшие.
6. 6) Максимальная автоматизация работы оборудования. Сюда относят в первую очередь применение самых современных средств автоматизации и визуализации работы котлов и вспомогательного оборудования – котловых контроллеров, управляющих работой котлов и горелок с контролем рабочих параметров оборудования ( температура и давление теплоносителя, контроль разрежения дымовых газов и их температура, контроль циркуляции теплоносителя, автоматическая остановка работы котлов при аварийных ситуациях и прочее ) Котловая автоматика способствует экономии энергоресурсов, поскольку с ее помощью современный отопительный котел отпускает ровно то количество тепловой энергии, которое необходимо в конкретный временной промежуток.
7. 7) Максимальная безопасность работы оборудования. Данная задача тесно связана с вопросом автоматизации работы котлов, поскольку именно системы управления работой котлового оборудования отвечают за безопасность функционирования котельных агрегатов, отслеживая параметры, приведенные в предыдущем пункте. Современные жаротрубные котлы оборудованы полным комплектом функциональных устройств, необходимых для безопасной работы.

Таким образом, на сегодняшний день именно жаротрубные котлы занимают основную нишу в линейке промышленного котельного оборудования мощностью до 30 МВт. В Украине среди национальных производителей подобных котлов основную нишу занимает котельное оборудование КОЛВИ, на базе которого реализовано множество строительных проектов. Как пример, самый масштабный проект подобного плана был реализован на базе оборудования КОЛВИ в курортном городе Трускавец, где за 2001-2011 гг. было построено или реконструировано 21 котельную суммарной мощностью 51 МВт, которые отапливают 158 объектов различного назначения. С 2019-го года Группа компаний «Украинская энергопромышленная группа» начала реализацию большого проекта по строительству 17 модульных транспортабельных котельных с газовыми жаротрубными котлами КОЛВИ.

Проанализировав все вышеперечисленное можно сделать выводы про следующие три аспекта актуальности услуги модернизация котлов отопления:

• • Экономический аспект – уменьшение затрат на энергоресурсы (газ, твердое топливо, электричество), на расходы по обслуживанию и ремонту котлов.
• • Экологический аспект – уменьшение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
• • Аспект безопасности – обеспечение бесперебойного и безаварийного теплоснабжения в отопительный период.