Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1 Типы котлов применяемых в сельскохозяйственном производстве 7
1.2 Причины возникновения и последствия накипных отложений на поверхностях нагрева котлов
1.3 Способы и средства очистки поверхностей нагрева котлов от накипных отложений
1.4 Применение средств подогрева очищающего раствора 28
1.5 Характер и оценка режимов удаления накипи 29
1.6 Выводы. Цель и задачи исследований 34
ГЛАВА 2. Теоретические исследования по обоснованию параметров и режимов работы малогабаритной установки для очистки котлов от накипи с электри ческим саморегулируемым устройством подогрева раствора (МУОК с УПР)
2.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы МУОК с УПР 36
2.2 Теоретический анализ режимных параметров процесса удаления накипи
2.3 Обоснование параметров конструктивных элементов МУОК 44
2.4 Разработка математической модели тепломассобменных процессов 57
МУОК с УПР и обоснование параметров УПР
ГЛАВА 3. Программа и методики экспериментальных исследований
3.1 Программа исследований 80
3.2 Методики экспериментальных исследований 80
3.2.1 Методика исследования режимных параметров процесса удаления накипи с поверхностей нагрева огневых котлов
3.2.2 Методика исследования уровня пенообразования и параметров МУОК в процессе очистки котлов от накипи
3.2.3 Методика исследования динамики энергетических параметров саморегулируемого УПР МУОК
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ
4.1 Исследование режимных параметров процесса удаления накипи с поверхностей нагрева огневых котлов
4.2 Исследования уровня пенообразования и параметров МУОК в процессе очистки котлов от накипи 114
4.3 Исследование динамики энергетических параметров 118
саморегулируемого УПР МУОК
ГЛАВА 5. Практическое использование и экономическал эффективность результатов исследований
5.1 Результаты производственных испытаний 124
5.2 Методика инженерного расчёта МУОК с УПР 127
5.3 Технико-экономическая оценка применения МУОК с УПР 133
Общие выводы 137
Литература
- Способы и средства очистки поверхностей нагрева котлов от накипных отложений
- Теоретический анализ режимных параметров процесса удаления накипи
- Методика исследования режимных параметров процесса удаления накипи с поверхностей нагрева огневых котлов
- Исследования уровня пенообразования и параметров МУОК в процессе очистки котлов от накипи
Введение к работе
В сельском хозяйстве редко какой-либо технологический процесс происходит без использования тепловой энергии, большая часть которой вырабатывается паровыми и водогрейными котлами.
Децентрализованное расположение сельскохозяйственных объектов по территории хозяйств не позволяет сосредоточить выработку пара и горячей воды мощными котельными, где для предотвращения накипи целесообразно применять химводоподготовку. В сельском хозяйстве в основном применяют котлы малой мощности с производительностью по пару до 1 т/ч и объемом до 1,15 м3. Применение химводоподготовки для них экономически не выгодно, так как стоимость оборудования превышает стоимость котла, кроме того, требуется дополнительный дежурный персонал - высококвалифицированные лаборанты. В результате в котельных сельхозпредприятий водоподготовки практически нет, что ведёт к образованию накипи на поверхностях нагрева котлов.
В связи с тем, что накипь обладает слабой теплопроводностью 0,08 -2,3 Вт/(м-К) возникает перегрев металла теплопередающих поверхностей, а при большой её толщине нарушается циркуляция воды, пережигается металл и сокращается срок службы котла. Кроме того, увеличивается пережог топлива. По многочисленным данным каждый миллиметр накипи приводит к перерасходу до 2 и более процентов топлива.
Проблеме борьбы с накипеобразованием посвятили свои труды: Каган Д. Я., Маргулова Т. X., Сагань И. И., Лайхтер Л.Б., Гурвич С. М., Бала-бан-Ирменин Ю. В., Кострикин Ю. М., Богорош А. Т., Балезин С. А., Гликина Ф.Б., Казуб В.Т., Чаусов Ф.Ф., Куршаков А.В., и многие другие учёные.
В настоящее время существует множество способов и устройств для очистки котлов от накипи. Однако наиболее распространённым и в некоторых случаях незаменимым является растворение образовавшихся на тепло-передающих поверхностях отложений различными реагентами с использова-
5 ниєм специальных установок. Известные специализированные установки для очистки котлов от накипи имеют габариты, не позволяющие заносить их в помещение котельной, что при эксплуатации их в осенне-зимний период может привести к размораживанию оборудования. По этим причинам и из-за высокой стоимости они не имеют широкого применения в сельскохозяйственных предприятиях. К тому же, в настоящее время нет методик инженерного расчёта и серийно не выпускаются установки данного назначения. Кроме того, отсутствуют научно обоснованные рекомендации по оптимальным режимам очистки. Поэтому совершенствование процесса очистки котлов от накипи с обоснованием режимов и конструктивных параметров малогабаритной установки для удаления накипи являются актуальными.
Цель работы
Целью настоящей работы является повышение эффективности технического обслуживания котельных установок, используемых в сельскохозяйственном производстве путём применения специализированной малогабаритной установки для очистки котлов от накипи с обоснованием режимов её работы и конструктивных параметров.
Объект исследований
Объектом исследований является процесс удаления накипи с поверхностей нагрева котлов, используемых в сельскохозяйственном производстве.
Методика исследований. Поставленные задачи решены путем использования в работе положения теорий химической кинетики, тепло- и массооб-мена, теоретических основ теплопередачи, электротехники, а также теории планирования многофакторного эксперимента, методов физического моделирования, математической обработки экспериментальных данных и современного компьютерного моделирования.
Научная новизна 1. Обоснована и разработана конструктивно-технологическая схема малогабаритной установки для очистки котлов от накипи с электрическим саморегулируемым устройством подогрева раствора (МУОК с УПР);
Обоснованы конструктивные параметры малогабаритной установки для очистки котлов от накипи;
Разработана математическая модель тепло- и массообмена при разогреве циркулирующего раствора и установлены закономерности изменения теплового потока с учетом особенностей регулирования потребляемой мощности УПР;
Оптимизированы режимы очистки и получены аналитические зависимости степени изъязвления металла, относительной скорости растворения накипи и металла за время очистки, продолжительности удаления накипи и пенообразования от режимных параметров очистки.
Практическая значимость Практическую значимость имеют:
конструктивно-технологическая схема МУОК с УПР защищенная патентом РФ № 2210711 от 01.03.2002;
зоны рациональных режимных параметров процесса очистки котлов от накипи;
алгоритм и методика инженерного расчета основных параметров МУОК с УПР.
На защиту выносятся
Конструктивно-технологическая схема МУОК с УПР, обеспечивающим автоматическое управление режимом разогрева раствора без применения терморегулирующей, пусковой, установочной аппаратуры;
Аналитические зависимости степени изъязвления металла, относительной скорости растворения накипи и металла за время очистки, продолжительности удаления накипи от режимных параметров очистки;
Зоны рациональных режимных параметров процесса очистки котлов от накипи;
Математическая модель процесса тепломассообмена в МУОК с саморегулируемым УПР;
5. Основные положения методики инженерного расчета параметров МУ
ОК с УПР.
Способы и средства очистки поверхностей нагрева котлов от накипных отложений
В процессе выработки котлами тепловой энергии в качестве теплоносителя используется вода. Вода при работе котлов подаётся в их внутренний тракт, где происходит её нагрев или преобразование в пар.
Природная вода в силу множества причин не бывает физически и химически чистой. В ней всегда имеются примеси, состоящие из глины, песка, мелких водорослей и других частиц во взвешенном состоянии нерастворимых в воде, а так же в её состав входят различные соли и газы естественного происхождения. Кроме того, загрязнение воды может происходить из-за коррозии водоподогревательного и пароводяного тракта, неплотностей в вальцовочных соединениях и сальниковых уплотнениях теплотехнического оборудования [5,6].
Нерастворимые в воде примеси оседают в котле в виде ила или грубо-дисперсных частиц (шлама). Растворимые соли в процессе кипения и испарения воды в пароводяном тракте огневого котла выпадают на теплопередаю-щих стенках твёрдыми отложениями, называемыми первичной накипью, а частицы накипи не закрепившиеся на стенках (шлам) оседают на поверхностях нагрева, образуя вторичную накипь [7, 8, 9 и др].
Для того чтобы предотвратить выпадение ила, шлама и накипи производят специальную водоподготовку предусмотренную СНиП [10]. При очистке воды от нерастворимых в ней примесей используют разнообразные отстойники, фильтры и другие устройства [11, 12 и др.].
Более сложно очистить воду от химических примесей. В настоящее время используются следующие методы противонакипной подготовки воды: - реагентные (введение в подогреваемую среду как химически активных (подкисление, подщелачивание, содоизвесткование, ионообменная обработка и др.), так и химически нейтральных веществ - затравок (гипс, мел, алебастр, песок, антинакипины или парафины и др.)); - безреагентные (различные механические приспособления такие, как вибраторы, турбулизаторы, применяют также магнитную и ультразвуковую обработки, оптимизируют конструкции теплообменников и режимы их работы и др-); - газожидкостные (вдув газообразного реагента в нагреваемую среду) и др. [8 -10, 12-27 и др.].
Отдельной мерой борьбы с накипеобразованиями является применение материалов для изготовления поверхностей нагрева теплотехнического оборудования со слабой адгезией к накипи [15, 28-30]. Известно, что накипь сцепляется сильнее с поверхностью, обладающей большей шероховатостью, так как такая поверхность обладает большей поверхностной энергией. Адгезия накипи минимальна к поверхности титана, немного больше к поверхности из нержавеющей стали и увеличивается на сплавах Си — Ni и монель-металле. 11 )
Тефлон с минимальной поверхностной энергией 17-10" Дж/м характеризуется самой низкой величиной адгезии к накипи. По данным работы [28] влияние материала стенки продолжается до тех пор, пока толщина слоя накипи не достигнет 0,8 мм.
Применение дорогостоящего специального оборудования водоподго-товки экономически не выгодно на небольших источниках тепловой энергии, да и как показала практика, все приведенные меры борьбы и предотвращения накипеобразования не обеспечивают 100%-ого безнакипного режима работы котлов. Наличие накипных отложений на теплопередающих стенках котлов опасно. Из-за низкой теплопроводности накипи 0,08 - 2,3 Вт/(м-К) [8, 31] происходит перегрев металла теплопередающих поверхностей, а при большой её толщине нарушается циркуляция воды и пережигается металл, вследствие чего сокращается срок службы котлоагрегата. Шлам, скапливающийся в нижних коллекторах и в трубах с малыми скоростями движения воды, также может вызвать нарушение циркуляции. Кроме того, увеличивается пережог топлива. По многочисленным данным [8, 32, 33] каждый миллиметр накипи приводит к перерасходу до 2 и более процентов топлива. Встречаются данные, что общие потери топлива достигают 10% и более [2].
Наряду с потерями топлива и затратами на ремонты отложения увеличивают гидравлическое сопротивление внутреннего тракта котла, что требует дополнительной затраты энергии на прокачивание теплоносителя [33]. Существуют рекомендации по необходимости проведения очистки в зависимости от состояния поверхностей нагрева огневых котлов [34 - 36]:
1) появление пережогов труб, вызванных наличием на их внутренних поверхностях не растворимых в воде отложений в количестве более 50- 70 г/м2;
2) среднее количество отложений превышает 300 г/м , которое может привести к серьёзным затруднениям в проведении последующих очисток.
В настоящее время ведутся работы по созданию устройств для автоматического определения межпромывочного периода, методов и средств контроля состояния внутренних поверхностей нагрева теплотехнического оборудования [37-40, http://www.uzk.ru].
На практике периодические очистки огневых котлов проводят в среднем один раз за 1-2 сезона эксплуатации. При 20-ти летнем сроке службы котлов до списания [41] очистка проводится порядка 10-15 раз.
Теоретический анализ режимных параметров процесса удаления накипи
В соответствии с приведёнными данными литературных источников [8, 9 16, 34, 57 и др.] касающимися технологии очистки котлов от накипи, а так же теоретическим анализом и экспериментальными исследованиями (см. п. 1.5, 2.2, 3.2.1, 4.1) , процесс очистки проходит следующие стадии:
а) удаление накипи (технологическая среда - раствор соляной кислоты или другие кислотные реагенты; концентрация кислоты от 2 до 10%; ингибиторы - уротропин, уникол ПБ-5(ПБ-6), формалин, КИ-1МР [www.sofex.ru], ВНПП-2-В [http://rosinkor.rostovcity.ru] и др.; температура раствора от 20 до 100 С в зависимости от вида ингибитора; метод очистки — принудительная циркуляция раствора);
б) щелочение (технологическая среда - раствор едкого натра или тринатрийфосфата; концентрация раствора от 1 до 2%; температура раствора от 70 до 90 С);
в) нейтрализация отработавших кислотных реагентов (технологическая среда - раствор едкого натра или другого щелочного реагента).
На основе технологии очистки в схеме установки должно быть предусмотрено: - приготовление растворов реагентов нужной концентрации; - подача раствора реагента в очищаемое оборудование с последующей циркуляцией раствора; - подогрев растворов; - нейтрализация отработанных растворов. Схематически малогабаритную установку очистки котла от накипи можно представить в виде отдельных блоков (рис. 2.1.)
В качестве рабочей ёмкости 1 используется бак цилиндрической формы из материала (нержавеющая сталь 12Х18Н10Т) стойкого к агрессивному воздействию применяемых реагентов и обладающего достаточно высоким коэффициентом теплопередачи для обеспечения эффективного нагрева очищающих растворов электрическим УПР 3. Кроме того, рабочая ёмкость совместно с устройством приготовления растворов 2 и устройством подачи растворов в очищаемый котёл 4 служит для качественного приготовления промывочных растворов и обеспечения их надёжной циркуляции по промывочному контуру. В качестве устройства для подачи реагента и приготовления растворов 2 применён струйный насос (СН), обеспечивающий эффективное смешивание реагентов и обладающий свойствами (простота конструкции, надёжность в эксплуатации и др.) выгодно отличающимися от других типов устройств подобного рода. Для подачи растворов в очищаемый котёл применим циркуляционный центробежный насос (ЦН) 4 с проточной частью из материалов стойких к агрессивному воздействию реагентов и абразивному износу твёрдыми частицами накипи.
На основе блок-схемы и предложенной комплектации разработана конструктивно-технологическая схема МУОК с УПР (рис. 2.2).
Очистка котлоагрегатов моющими растворами с использованием малогабаритной установки для очистки котлов от накипи с УПР проходит следующим образом. С применением ЦН через вентиль В1 заполняется водой очищаемый котёл (ОК) и рабочая ёмкость. Включается в работу устройство подогрева раствора. Для подачи реагента в котёл при циркуляции подогреваемой воды открывают вентиль В2 и обеспечив тем самым разрежение в полости струйного насоса опускают трубопровод Т в мерную ёмкость. Подав необходимое количество кислоты в промывочный контур вентиль В2 закрывается. Отвод, выделяющихся при реакциях растворения накипи, газов из рабочей ёмкости осуществляется через газоотводный патрубок (ГО). Затем, продолжая циркуляцию раствора кислоты, контролируют его концентрацию и температуру, забирая пробы через вентиль ВЗ. При необходимости производится доливка новых порций кислоты. По завершении процесса удаления накипи отключается УПР, нейтрализуется не сработавшая кислота, подав через СН жидкий щелочной реагент. Нейтрализованный раствор из котла вытесняется чистой водой и сливается в промгрязную канализацию или специально вырытую яму.
Более подробно об устройстве и работе отдельных конструктивных элементов МУОК см. в п. 2.3, 2.4.
Методика исследования режимных параметров процесса удаления накипи с поверхностей нагрева огневых котлов
При сборе и обработке информации (п. 1.5, п.2.2) о процессе удаления накипи с поверхности нагрева огневых котлов раствором соляной кислоты установлено, что нет однозначных рекомендаций по режимам их кислотной очистки. В связи с этим возникла задача оценки совместного влияния режимных параметров процесса на конечный результат очистки. Эта задача и решалась нами проведением многофакторного эксперимента [138, 140, 141].
Кроме основных режимных параметров процесса (концентрация инги-бированной соляной кислоты в промывочном растворе, С; температура промывочного раствора, Т; скорость движения промывочного раствора, U), выявлено начальное условие.
За начальное условие принята площадь поверхности взаимодействия реагирующих веществ, которая влияет на скорость процесса растворения независимо от режима его протекания [82-84]. Однако при проведении реальной химической очистки увеличить скорость растворения за счёт увеличения поверхности взаимодействия реагирующих веществ невозможно без механического разрушения накипи, так как она распределена сплошным слоем по поверхности нагрева. Поэтому, площадь поверхности взаимодействия веществ во время проведения эксперимента была зафиксирована на одном уровне. Исходя из выше изложенного, при проведении экспериментальных исследований по многофакторной методике в качестве основных факторов были приняты: концентрация ингибированной соляной кислоты в водном растворе, температура промывочного раствора, скорость движения промывочного раствора, а поверхность взаимодействия раствора кислоты с накипью определена, как начальное условие.
Для оценки влияния факторов на продолжительность очистки были взяты образцы экранной трубы покрытой накипью (рис.3.1), вырезанной из работавшего котла Е-1/9 в зоне наибольшей теплонапряжённости, то есть в месте, где образуется наиболее труднорастворимая накипь [8].
Образец трубы покрытой накипью Состав и характеристика накипных отложений на стенках образцов показаны в табл.3.1. Анализ проводился в соответствии с методиками приведёнными в [8, 143] н.с. ВИИТиН Ликсутиной А.П . Удельное количество отложений составляет 9600 г/м\ Металл трубы согласно [20] Ст.20.
Для сравнительной оценки коррозии металла был взят чистый образец новой стальной водогазопроводной трубы ГОСТ 3262-75, изготовленной из углеродистой стали ГОСТ 380-94. Такие трубы применяются при изготовлении трактов теплотехнического оборудования и подвергаются воздействию кислоты при химических очистках. пор благодарит н.с. Ликсутину А.П. за проведение химического анализа накипи Таблица 3.1 Послойный состав накипных отложений Для проведения исследований был разработан экспериментальный стенд, показанный на рис. 3.2, 3.3. Экспериментальный стенд представляет собой рабочую ёмкость, к которой с помощью соединительных трубопроводов подсоединены насос, вентили, патрон и образец трубы. Под рабочей ёмкостью расположен нагревательный элемент. Рабочие параметры установки контролируются измерительными приборами.
Кислотный раствор заливается в ёмкость 1 через заливную горловину 4. Нагревательным элементом 3 раствор подогревается до заданной температуры. Циркуляция моющего раствора осуществляется насосом 2. С помощью вентилей 5, 6 устанавливается расход кислотного раствора через опытный образец с накипью, расположенный в патроне 8, и опытный образец коррозии 12. Отвод газов, образующихся в процессе растворения накипи, осуществляется через газоотводный шланг 10.
Исследования уровня пенообразования и параметров МУОК в процессе очистки котлов от накипи
Количество выделившейся из промывочного раствора пены зависит от многих факторов, основные из которых: площадь взаимодействия накипи и кислоты, температура раствора, концентрация ингибированной кислоты в растворе.
Чтобы дать правильную оценку влияния перечисленных параметров на количество выделившейся пены, необходимо было провести эксперименты взаимодействия накипи и кислоты в условиях приближенных к реальным химическим очисткам.
В результате проведённых экспериментов (см. Приложение 2) была получена зависимость (рис.4.12) среднего количества образовавшейся пены от соотношения SH /VH соответствующего трём типам котлов (котлоагрегаты паровые малой мощности среднего давления, котлоагрегаты паровые малой мощности низкого давления, котлоагрегаты водогрейные секционные малой мощности низкого давления) при максимальных используемых значениях концентрации и температуры.
Из рис.4.12 видно, что наибольшее количество пены до 37,7м3 (при увеличении опытных данных в масштабе 1:10000 согласно п.3.2.2) выделяется при соотношении SH /VH соответствующем параметрам водогрейных секционных котлов малой мощности низкого давления (п. 3.2.2). Отсюда следует вывод что, чем больше площадь нагрева очищаемого оборудования, тем большее количество пены образуется в ходе очистки.
Согласно методике проведения эксперимента (п. 3.2.2), полученные в результате следующей серии опытов данные были аппроксимированы и представлены формулой (4.25), выражающей зависимость объёма пены (V) в процентах к общему объёму промывочного раствора для секционных котлов малой мощности низкого давления от начальной концентрации кислоты в промывочном растворе при 20С и 70С [132, 133]:
Таким образом, используя формулу (4.25) можно определить объём образовавшейся пены в зависимости от начальных концентраций при различных температурах, а, следовательно, определить запас объёма рабочей ёмкости для предотвращения выброса пены из неё.
С учётом экспериментальных данных по пенообразованию при очистке котлов с внутренним объёмом VK = 0,5; 1; 1,5 м3 необходимо предусматривать минимальный запас на пену (Vn mjn) рабочей ёмкости МУОК при различных начальных концентрациях кислоты в растворе и температуре 20С равным величинам, приведённым в таблице 4.6.
Результаты экспериментальных исследований подтвердили теоретические предпосылки о том, что саморегулируемое УПР без специальной автоматики обеспечивает изменение мощности пропорционально потребляемой тепловой нагрузке. Это важное преимущество УПР перед традиционными устройствами (ТЭНами) используемыми [33] при нагреве очищающих растворов.
Так при запуске установки в работу рис. 4.14, 4.15 раствор в циркуляционном контуре был холодным (15С точка 1). Через 1 мин УПР развило максимальную мощность 32 кВт (точка 2), после чего в результате закипания воды в электродной камере произошло частичное снижение мощности до 25 кВт (точка 3). В ходе дальнейшей работы УПР его мощность постепенно снижалась из-за вытеснения части воды из электродной камеры в компенсатор давлением образованным паровоздушной смесью (участок 3-4). На начальном этапе этого снижения мощность падала сравнительно медленно из-за того, что практически вся тепловая энергия передавалась от пара через стенку рабочей ёмкости циркулирующему раствору. В дальнейшем при повышении температуры раствора 75 - 80 С произошло существенное снижение теплового потока через теплообменную стенку, так как скорость изменения температуры и температурного напора на этом участке снизилась до минимальной величины и приблизилась к нулю, а, следовательно, и тепловая нагрузка на разогрев раствора также приблизилась к нулю. На участке 4-5 мощность УПР расходовалась на компенсацию теплопотерь в циркуляционном контуре и поддерживалась постоянной.
Полученные экспериментальные зависимости имеют отклонение от теоретических (рис.4.14, 4.15) не более 8%, что свидетельствует об удовлетворительном описании данного процесса математической моделью полученной в п.2.4.
На начальном этапе (участок 1-4) разогрев циркулирующего раствора проводился при условиях соответствующих первому эксперименту (рис.4.16, 4.17). При достижении температуры раствора 70С (точка 4), путём снижения уровня подвеса компенсатора и перетекания в него воды из электродной камеры по принципу сообщающихся сосудов и под действием давления со стороны паровоздушной смеси, снижался уровень заливки электродов и соответственно потребляемая УПР мощность до 1 кВт (точка 5). В результате, температура раствора стабильно оставалась на уровне 70 С в ходе дальнейшей работы УПР (участок 5-6), так как 1 кВт мощности хватало только на компенсацию теплопотерь (рис. 4.16, 4.17).
