Модернізація котлів опалення – чому це важливо?

Розвиток індивідуального будівництва, будівництво багатоповерхових житлових будинків, різних будівель і споруд комерційного призначення привели до необхідності використання для теплопостачання даних об’єктів транспортабельних котельних установок або стаціонарних котелень, що працюють, в основному, на природному газі і використовують в якості теплогенеруючих установок сучасних опалювальних котлів. Але, поряд з цим, на території України і країн колишнього СРСР велика кількість вже існуючого житлового фонду та промислових підприємств, побудованих в 50-80 ті роки минулого століття, застосовують для теплопостачання і приготування гарячої води котельне та насосне обладнання застарілого типу.

За даними Міністерства енергетики та вугільної промисловості України станом на березень 2021 року має бути проведена модернізація старих котлів кількістю не менше 21% або заміна котлів. При цьому як мінімум 25% котельного обладнання в Україні експлуатується більше 30 років. Ефективність багатьох даних котлів не перевищує 60-70%. Тут же відзначимо критичну ступінь фізичного зносу теплових мереж (за даними Міненерго і Асоціації «Укртеплокоммуненерго» станом на березень 2021 року не менше 35% всіх магістральних трубопроводів в Україні знаходяться в аварійному стані, а значення теплових втрат в них становить від 15 до 30% ) Безумовно те, що рішення даних проблем має проводитися в комплексі, однак в даній статті розглянемо питання, що стосуються саме теплогенеруючого котельного обладнання.

На території України, як і в країнах колишнього СРСР, функціонують 2 основних типи промислових газових (і твердопаливних) котлів, які характеризуються способом омивання продуктами горіння палива поверхонь нагріву: жаротрубні і водотрубні котли. У свою чергу, дані котли поділяються на водогрійні котли (нагрів теплоносія по різних температурних графіків, як приклад, 95/70˚С, 115/70 ˚С, 150/70 ˚С1) і парові котли, що застосовуються для виробництва насиченої або перегрітої пари .

Жаротрубні котли опалення являють собою циліндричну топкову камеру (жарову трубу), з розташованими навколо камери димогарними трубами, по яких циркулюють продукти горіння, забезпечуючи конвективний теплообмін. «Водяна сорочка» котла розташовується в просторі між димогарними трубами.

Види жаротрубних котлів

Існує 2 основних типи жаротрубних котлів:

1. Двоходові котли, або котли з реверсивною камерою згоряння, в яких першим ходом циркуляції продуктів горіння є власна топкова камера, а другим ходом – пучок димогарних труб.
2. Триходові котли – котли, в яких першим ходом є топкова камера, а другим і третім – 2 канали димогарних труб. Триходові котли, за рахунок більшої площі конвективних поверхонь теплообміну, мають більший рівень інтенсивності охолодження продуктів згоряння.

Жаротрубні котли сучасного типу мають ряд незаперечних переваг, таких як:

• Компактність конструкції за рахунок більш інтенсивного теплового потоку.
• Поставка котла в зборі у вигляді єдиного моноблока.
• Мінімальний гідравлічний опір (вимірюється в міллібарах), завдяки якому для циркуляції теплоносія через котел застосовується малопотужне насосне обладнання.
• Герметичність камери згоряння, яка дозволяє застосування дуттєвих пальників і, як наслідок, не робить обов’язковим застосування димососів.
• Невелика інерційність – швидке реагування на зміну теплового навантаження, що спрощує і оптимізує автоматизацію роботи даних котлів.
• Менше, на відміну від водотрубних котлів, витрати праці на виготовлення котлів.
• Відсутність необхідності в додатковій обмуровці.
• Загальне спрощення будівельно-монтажних робіт.

Досвід розробки жаротрубних котлів в СРСР показав, поряд з перевагами, ряд істотних недоліків, в основному і через помилки в проектуванні, що стало причиною прийняття рішення про відмову від їх виробництва на користь водотрубних котлів. Перші розроблені жаротрубні моделі мали низьке значення ККД, високу металоємність, обмеження в тепло- і паропродуктивності. Жарові труби не відрізнялися високою надійністю. Як показала практика, застосування Нормативного методу теплового розрахунку котельного теплоагрегату, актуального для водотрубних обладнання, для проектування жаротрубних котлів у багатьох випадках було некоректним.

Водотрубні парові і водогрійні котли були основним типом котлів, що виготовляються в СРСР. Дані котли, в залежності від модифікації, призначалися для спалювання природного газу або твердого палива (в основному – вугільного) Конструктивно водотрубні котли являють собою пучок великої кількості труб, які зводяться в один або кілька барабанів, які служать резервуарами для води або пари. Трубний пучок з барабаном розміщуються над топковою камерою. Усередині трубного пучка циркулює теплоносій. Встановлені в котельній камері перегородки забезпечують багаторазове проходження продуктів згорання палива через трубні пучки, що забезпечує якісну теплопередачу від продуктів горіння до теплоносія.

Так само в багатьох моделях водотрубних парових котлів передбачаються такі поверхні нагрівання, як радіаційні трубні екрани, теплообмін через які здійснюється не конвекцією, а випромінюванням. Теплоносій, що проходить через велику кількість екранних труб, перетворюється в пар.

Переваги водотрубних котлів опалення

Водотрубні котли мають ряд переваг, таких, як:

• Швидкість циркуляції теплоносія в трубних пучках – не менше 1 м / сек, що захищає труби котла від можливого скипання теплоносія і відкладення шламу.
• Відсутність жорстких вимог до якості теплоносія.
• Можливість нормального тривалого функціонування в форсованому режимі.
• Швидкість виходу роботи котла в номінальний режим.
• Повна вибухонебезпечність.
• Довговічність експлуатації.

Однак, крім позитивних характеристик, водотрубні котли так само мають і низку недоліків:

• Зазначена вище висока швидкість теплоносія призводить до високого гідравлічного опору даних котлів, що вимагає значно більш високих витрат електричної енергії на роботу циркуляційних насосів котлів.
• Складність конструкції котлів, велика кількість різних вузлів, що ускладнюють їх транспортування, монтаж і проведення ремонтних робіт.

Масовість виробництва водотрубних котлів в СРСР призвела до того, що на території України функціонує велика кількість котлів типу НІІСТУ, ДКВР, ПТВМ, КВГМ і інших аналогічних, які морально і фізично застаріли і потребують модернізації. Безумовно, дані котли свого часу виготовлялися у відповідності зі строгими вимогами тодішніх ГОСТів і багато хто з працюючих котлів відрізняються високою якістю котлових труб і зварних швів. Однак тривалий термін їх експлуатації вимагає постійного ремонту даних котлів, заміни трубних пучків, екранів, проведення обмурувальних робіт.

Модернізація котлів водотрубних

Якщо говорити саме про модернізацію котлів водотрубних, то тут, в першу чергу піднімається питання характеристик і безпеки роботи газопальникових пристроїв даних котлів, ступінь їх автоматизації і, як наслідок, екологічні параметри щодо викидів шкідливих речовин не відповідають сучасним нормативам. Досить поширеною практикою на сьогоднішній день є заміна застарілих пальників на сучасні газопальникові пристрої європейського виробництва. Група компаній «Українська Енергопромислова група» має досвід впровадження подібних рішень на базі горілчаного обладнання італійського виробництва CIBITAL UNIGAS.

Завод CIBITAL UNIGAS розробив спеціальні моделі газових пальників для водотрубних котлів. Однією з особливостей таких котлів є невелика глибина і значний обсяг топкового простору, що вимагає наявності у пальників короткого факела. Тому було прийнято рішення виготовляти дані пальники не з одним соплом, як в стандартних пальниках, а з чотирма короткофакельними вогневими патрубками. Подібне технічне рішення забезпечило якісне приготування і спалювання газоповітряної суміші, спростило пуско-налагоджувальні роботи, а найголовніше, забезпечило повну автоматизацію роботи котлів і модуляцію їх потужності в широкому діапазоні. Як наслідок, ККД котлів підвищувався мінімум на 10-15% Опціонально доступні моделі пальників UNIGAS з частотним регулюванням обертів двигуна (для економії електроенергії) і контролем вмісту кисню у вихідних газах (для додаткової економії газу і зменшення викидів шкідливих речовин).

Слід зазначити те, що установка сучасних газопальникових пристроїв актуальна не тільки в плані заміни пальників застарілого типу, але і при перекладі водотрубних котлів, що працюють на вугіллі. Залежно від поточного фізичного стану теплообмінних поверхонь таких котлів їх переклад на газове паливо тягне за собою збільшення ККД газового котла на 5-15%.

Що стосується жаротрубних котлів, то даний тип котельного обладнання почав масово впроваджуватися для теплопостачання об’єктів ЖКГ та промисловості з кінця 1990-х – початку 2000-х років в рамках реалізації проектів по децентралізації систем теплопостачання. Жаротрубні котли як українського, так і іноземного виробництва, які почали впроваджуватися вже не мали вище перерахованих недоліків, оскільки їх конструкції розроблялася кожним виробником на базі сучасних комп’ютерних програм. Практично кожен з великих виробників жаротрубних котлів вже мав власні науково-дослідні організації, основним завданням яких стало питання модернізації конструкції котлів ще на етапі їх проектування, а також розробка рекомендацій і вимог, що стосуються експлуатації котлів. Сюди відносять:

1. Збільшення коефіцієнта корисної дії котлів – вибір оптимальної площі поверхонь нагріву котлів, дослідження роботи котлів з додатковими утилізаторами тепла (економайзерами) від продуктів згоряння, а також визначення економічної ефективності і терміну окупності впровадження економайзерів.
2. Зменшення викидів шкідливих речовин в продуктах горіння – розрахунок конструкції топок жаротрубних котлів, використання спеціальних пальників з низьким рівнем викидів NOx.
3. Забезпечення максимального терміну служби котлів і експлуатації обладнання, збереження цілісності конструкцій жаротрубного моноблока – використання в котельних установок водоочистки (видалення солей жорсткості, заліза), сепараторів шламу і мікропухирців, видалення розчиненого кисню, підвищення рівня pH теплоносія та інше. Плюс регулярне технічне обслуговування.
4. Оптимізація габаритних розмірів котлів в цілому і окремих вузлів, а також їх матеріаломісткості. Так само як економічний аспект, а саме – зменшення собівартості виготовлення котлів при збереженні високих параметрів якості обладнання.
5. 5) Вибір оптимального рішення по використанню газопальникових пристроїв – підбір і визначення типорозмірів пальників, їх теплофізичних характеристик, циклічності їх роботи і необхідні функції. Сучасні газові пальники, при правильному їх виборі, мають тривалий ресурс експлуатації, а витрати на їх обслуговування – відносно невеликі.
6. Максимальна автоматизація роботи обладнання. Сюди відносять в першу чергу застосування найсучасніших засобів автоматизації та візуалізації роботи котлів і допоміжного обладнання – котлових контролерів, які керують роботою котлів і пальників з контролем робочих параметрів обладнання (температура і тиск теплоносія, контроль розрідження димових газів і їх температура, контроль циркуляції теплоносія, автоматична зупинка роботи котлів при аварійних ситуаціях та інше). Котлова автоматика сприяє економії енергоресурсів, оскільки з її допомогою сучасний опалювальний котел відпускає рівно ту кількість теплової енергії, яка необхідна в конкретний часовий проміжок.
7. Максимальна безпека роботи обладнання. Дане завдання тісно пов’язане з питанням автоматизації роботи котлів, оскільки саме системи управління роботою котельного обладнання відповідають за безпеку функціонування котельних агрегатів, відстежуючи параметри, наведені в попередньому пункті. Сучасні жаротрубні котли обладнані повним комплектом функціональних пристроїв, необхідних для безпечної роботи.

Таким чином, на сьогоднішній день саме жаротрубні котли займають основну нішу в лінійці промислового котельного обладнання потужністю до 30 МВт. В Україні серед національних виробників подібних котлів основну нішу займає котельне обладнання КОЛВІ, на базі якого реалізовано безліч будівельних проектів. Як приклад, наймасштабніший проект подібного плану був реалізований на базі обладнання КОЛВІ в курортному місті Трускавець, де за 2001-2011 рр. було побудовано або реконструйовано 21 котельню сумарною потужністю 51 МВт, які опалюють 158 об’єктів різного призначення. З 2019 го року Група компаній «Українська Енергопромислова група» розпочала реалізацію великого проекту з будівництва 17 модульних транспортабельних котелень з газовими жаротрубними котлами КОЛВІ.

Проаналізувавши все вищеперераховане можна зробити висновки про наступні три аспекти актуальності послуги модернізація котлів опалення:

• Економічний аспект – зменшення витрат на енергоресурси (газ, тверде паливо, електрику), на витрати з обслуговування і ремонту котлів.
• Екологічний аспект – зменшення викидів забруднюючих речовин в атмосферу.
• Аспект безпеки – забезпечення безперебійного та безаварійного теплопостачання в опалювальний період.