Конструкция утилизационного парового котла

5.2 Расчёт на прочность

Наименование	обозначение; размерность	Расчётная формула  или источник
Расчётное давление для труб и коллекторов  парогенератора	P, МПа	Pн + Pк	0,28 +0,8 = 1,08
расчётная температура для испарительных  труб	, С		169,61 + 30 = 199,61
допустимое  напряжение для материала труб	, МПа	/n	181,8/1,7 = 107
допустимое  напряжение для материала коллекторов  и сепаратора	, МПа	/n	213,6/1,7 = 126
Толщина стенки трубы парогенератора (расч.)	, мм		29 1,08/(2 107 1,0 + 1,08) + 1,0 = 1,15
толщина стенки трубы парогенератора (конструктивная)	, мм	Принимаем	2,5
шаг отверстий в коллекторе	t,мм		2 42=84
к-т  ослабления стенки коллектора		(t – d)/t	(84-29)/84 = 0,655
толщина стенки коллектора (расчётная)	, мм		133 1,08/(2 213,6 0,655 + 1,08) + 0 = 0,51
толщина стенки коллектора (конструктивная)	, мм	Принимаем	8
Внутренний  диаметр коллектора парогенератора	, мм	- 2	133 - 2 8 = 117
Толщина донышка коллектора парогенератора ( расчётная)	, мм		0,45 117 (1,08/213,6)^(1/2)+2,0 = 5,7
Толщина донышка коллектора парогенератора ( конструктивная)	, мм	принимаем	8.0
Толщина обечайки сепаратора (расчётная)	, мм		1200 0,8/(2 213,6 0,8 – 0,8) + 0 = 2,8
Толщина обечайки сепаратора (конструктивная)	, мм	Принимаем	12
наружный  диаметр сепаратора	, мм	- 2	1200 + 2 12,0 = 1224
к-т  ослабления формы днища сепаратора	у	Принимаем	2,9
к-т ослабления днища сепаратора		Принимаем	0,8
толщина днища сепаратора (расчётная)	, мм		1224 0,8 2,9/4*213,6*0,8 +2,0 = 6,15
толщина днища сепаратора (конструктивная)	, мм	Принимаем	12,0

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

      6 Результаты расчета 

      Полученные  данные по расчету котлоагрегата  и сепаратора необходимо проанализировать. Для этого сравним характеристики проекта и прототипа, которые  представлены в таблице.

      Основной  показатель, по которому выбирается утилизационный котел – это расход газов G_г. Эта характеристика у проекта меньше чем у прототипа (7,98 кг/с и 11,8 кг/с). Давление пара одинаково (0,8 МПа). Различие в характеристиках котлов объясняется, прежде всего, разницей температур газов до и после котлоагрегата. Этим объясняется разница в производительности  
(2232 кг/ч и 2800 кг/ч) и коэффициенте использования тепла (44,64 % и 34,4 %) и тепловой мощности.

      Разница поверхностей нагрева ( на 29м² ) получилась из-за более низкой производительности (Dк) и более низкой средней температурой газов проекта, что обусловило снижение перепада температур, а также низкой скоростью движения газов и соответственно низким коэффициентом теплоотдачи. У прототипа она значительно выше. На это указывает предельное для ДВС аэродинамическое сопротивление (2 кПа).

      Различие  характеристик сепаратора у проекта  и прототипа объясняется более  просто, разница в диаметрах сепаратора обусловлена производительностью  утилькотла, а высота сепаратора зависит, в основном, от количества воды, находящейся  в змеевиках испарительного пучка  и пропорциональна «дыхательному  объему» (hв). Пропорционально габаритам и водяному объему меняется и масса сепаратора (М_СВ и М_СЕ).

      Следует обратить внимание на соотношение высоты парового объема (hпо) и влажности насыщенного пара (w). У прототипа влажность на порядок больше, при той же hпо. Объясняется это различными сепарационными устройствами. У прототипа предусмотрена только грубая очистка пара: пароводяная смесь от утилькотла подается в корпус сепаратора тангенциально и в результате возникающих центробежных сил крупные капли отделяются на стенках сепаратора, а более мелкие на потолке в пароотводную трубу.

      У проекта более совершенная схема  – двухступенчатая сепарация: основная масса крупных капель отделяется в отбойном козырьке, а мелкие –  в вертикальном жалюзийном или сетчатом сепараторе. При проектировании сепаратора всегда нужно стремиться к достижению возможно более низкой влажности 0,5 – 0,05 %. Это важно не только в утилькотле пароперегревателя, но и для предотвращения эрозии паропровода и для уточнения  расхода пара. 
 
 
 
 
 

      7. Перечень мероприятий по повышению  эффективности и надежности утилизационной  котельной установки 

      При эксплуатации утилизационной установки  возникает ряд явлений, которые  могут снизить эффективность  использования тепла выхлопных  газов двигателя внутреннего  сгорания, а также вывести ее из строя.

      Главным бедствием утилькотлов являются сажевые пожары. Продукты неполного  сгорания топлива (сажа) и капли цилиндрового масла, уносимые выхлопными газами, оседают  на трубах поверхности нагрева и  существенно уменьшают коэффициент  теплопередачи. Толщина этих отложений 3 – мм снижает эффективность  теплопередачи в два раза и  увеличивает гидравлическое сопротивление  в четыре раза из-за уменьшения «живого  сечения» для прохода газов.

      Одновременно  увеличивается температура наружной стенки трубок, что при определенных условиях, приводит к возникновению  пожара. Поэтому необходимо регулярно, 1 раз в сутки, проводить сажеобдувку. Показателем сильного загрязнения  следует считать снижение температурного перепада t_Г – t_ух более чем на 20 % после работы сажеобдувочного аппарата. Для обмыва загрязненных труб подается дистиллят от опреснительной установки, так как он не загрязняет солями поверхности нагрева.

      Возгорание  высококалорийных отложений (сажа, гудрированное  масло) в газовом тракте утилизационных котлов приводит к выходу из строя, о чем свидетельствуют частые аварии на танкерах типа «Леонардо  да Винчи».

      «Наиболее тяжелая авария произошла на танкере  «Джордано Бруно». На этом судне  после длительной работы главного двигателя  на режимах малых нагрузок в утилизационном котле скопилось много отложений.

      При сочетании таких факторов как  переход двигателя на режим произошло  возгорание накопившихся отложений. Будучи не замеченным, своевременно, возгорание обернулось в пожар такой большой  силы, что даже остановка главного двигателя, усиление циркуляции воды в  котле и действие всех судовых  средств пожаротушения не смогли его прекратить. Утилизационный котел  был полностью уничтожен».

      Отложения накипи на внутренних поверхностях труб испарительного пучка и экономайзера также снижает коэффициент теплопередачи, однако не так сильно, как при  наружных загрязнениях, из-за высокого коэффициента теплопроводности кристаллизирующихся  солей (0,5 – 0,7 Вт/м·К). Однако, при попадании в котловую воду нефтепродуктов термическое сопротивление накипи возрастает в 5 – 7 раз и оказывает заметное влияние на условия передачи тепла.

      Безнакипный режим работы котла будет обеспечен  при следующих показателях качества воды. 

Наименование	Обозначение	Единицы измерения	Численное значение
Питательная вода
Жесткость общая	Жо	мг-экв/кг	0,3
Хлориды	Сl	мг/кг	15
Масло	М	мг/кг	3
Котловая  вода
Общее солесодержание	Sобщ.	мг/кг	3000
Хлориды	Сl	мг/кг	1200
Щелочное  число	Щ	мг/кг NaOH	150 - 200
Фосфатное число	Р	мг/кг HO-34	20 - 50
Нитратное число	N	мг/кг NaNO3	10 - 25
Жесткость остаточная	Жост.	мг-экв/кг	0,2

 

     Для этого в водяной объем сепаратора вводится тринатрийфосфат NaPO₄ и нитрат натрия NaNO₃.

     Образовавшийся  в результате химических реакций  шлак необходимо периодически, не реже одного раза в сутки продувать  за борт. Величина обдувки зависит  от количества поступающих в котел  солей жесткости. Обычно она поддерживается в пределах 2 – 5 %/

     Определяется  эта характеристика по формуле:

      ,

     где Sпв – соленость питательной воды, мг/кг Na Сl;

     Sкв – соленость котловой воды, мг/кг Na Сl;

     у – влажность пара. Теоретическая производительность утилькотла вычислена для условия, когда нет потерь конденсата в системе, т.е Dк = Dконд. На практике часть конденсата теряется безвозвратно (протечки в соединениях трубопроводов и арматуре, смещение пара с холодным теплоносителем в некоторых технологических и бытовых потребителях, сброс загрязненного конденсата и т.д.).

     Очевидно, что в этом случае паропроизводительность будет снижаться: при потере 10 % конденсата на 1 – 2 % (в зависимости от его температуры). Для определения возврата конденсата рекомендуется формула:

      ;

     где Sдоб – соленость добавочной воды, мг/кг Na Сl;

     Sпв – соленость питательной воды, мг/кг Na Сl;

     Sконд – соленость конденсата, мг/кг Na Сl;

     р – продувка котла, %;

      Dконд – количество конденсата, возвращаемого в теплый ящик, кг/ч;

     Dк – производительность утилькотла, кг/ч.

     Соленость воды и другие ее показатели определяются с помощью судовой лаборатории  СКЛАВ – 1. Максимальная частота  замеров – 1 раз в сутки.

     Выход из строя котельной установки  возможен при сильной коррозии. Наиболее характерным видом коррозии для  утилизационных котлов является химическая 9 –сернистая и кислородная. Сернистая  возникает при работе двигателя  внутреннего сгорания на мазуте 5, где  содержание серы доходит до 2 %. В  данном примере она маловероятна, так как топливно-моторное. Кислородная  коррозия возникает из-за отсутствия в составе судовой котельной  установки деаэратора, который трудно разместить на большинство промысловых  судов. Интенсивность ее зависит  от многих факторов: конструкции утилькотла, способа подготовки добавочной воды и ее соленосодержания, потери конденсата в системе и т.д. Проявляется она в виде язвин диаметром до 5 мм и поражает трубки и коллекторы экономайзера. В зависимости от места размещения утилизационной установки, ее конструкции, мощности и других характеристик можно рекомендовать:

     - установку атмосферного деаэратора;

     - установку вакуумного деаэратора (или соответствующая реконструкция  тнплового ящика);

     - введение в питательную среду  воду гидразингидрата N₂H₄Н₂O или сульфита натрия Na₂SO₃; - предотвращение потерь конденсата и подпитка котла дистиллированной в термическом опреснителе водой.

     При использовании последнего мероприятия  в данном примере скорость кислородной  коррозии будет сведена к минимуму.

     Не  реже одного раза в три месяца необходимо проводить осмотр наружных и внутренних поверхностей утилькотла и сепаратора, а также испытывать котел на герметичность  для обнаружения протечек воды. Последнее  обстоятельство также может служить  причиной снижения эффективности утилькотла и вывода его из эксплуатации. При  работе котла протечки можно заменить в появлении «белого дыма»  в дымовой трубе.