Гладкотрубные водяные экраны котла

Когда говорят про гладкотрубные водяные экраны котла, часто думают, что это просто набор труб у стенки топки — дескать, ничего сложного. На практике же именно здесь кроется масса нюансов, от которых зависит не только КПД, но и срок службы всего агрегата. Сам видел, как на одной ТЭЦ из-за неправильного расчёта шага труб в экране за сезон выгорели целые участки, пришлось останавливать котёл в пик нагрузки. И ведь проблема была не в металле, а в гидравлике — распределение потока воды оказалось неравномерным, возник локальный перегрев. Такие истории заставляют смотреть на эти, казалось бы, простые элементы совсем иначе.

Конструкция: простота, которая обманчива

Взяться за гладкую трубу вместо ребристой — решение не всегда очевидное. Да, технология изготовления проще, да и сварка швов надёжнее. Но главный плюс, на мой взгляд, — в устойчивости к золовому износу. В топках с высокозольным топливом, тем же экибастузским углём, рифлёные поверхности быстро истираются, а гладкая труба держится дольше. Правда, есть и обратная сторона: тепловосприятие немного ниже. Приходится компенсировать увеличением поверхности, то есть ставить трубы чаще. Это уже вопрос экономики — металлоёмкость растёт.

Расчёт гидравлического сопротивления такого экрана — отдельная тема. Если в паровом котле с принудительной циркуляцией ещё можно точно смоделировать потоки, то в барабанных котлах с естественной циркуляцией часто полагаются на эмпирические формулы. И здесь случаются промахи. Помню проект модернизации котла БКЗ-320, где для повышения паропроизводительности решили заменить экраны на гладкотрубные с меньшим диаметром. В теории — всё сходилось. На практике — циркуляция в нижних ярусах почти встала, началось закипание на подъёме. Пришлось срочно переделывать коллекторы, уменьшать количество параллельных ходов. Вывод: даже проверенные решения требуют привязки к конкретным условиям работы.

Материал — ещё один камень преткновения. 20ГЛ, 12Х1МФ, 15Х5М — выбор зависит не только от температуры и давления, но и от состава дымовых газов. Например, при сжигании газа с высоким содержанием серы может резко возрасти коррозионный износ, и тут уже стойкость к окислению становится ключевым фактором. Мы как-то ставили экраны из 12Х1МФ на котёл, работающий на попутном нефтяном газе — через два года в зоне максимальных температур появились глубокие окалиновые раковины. Пришлось переходить на трубы с повышенным содержанием хрома. Такие тонкости редко прописаны в типовых альбомах чертежей, они приходят только с опытом, часто — горьким.

Монтаж и эксплуатация: где рождаются проблемы

Казалось бы, собрать пакет труб по чертежу — дело техники. Но на объекте всегда найдётся ?но?. Самая частая ошибка — несоосность отверстий в каркасе котла. Если трубу приходится ?вживлять? с усилием, создаются остаточные напряжения, которые при тепловом расширении могут вылиться в трещину сварного шва. Особенно критично это для нижних радиационных частей экрана, где термические нагрузки максимальны. Видел последствия на одном из заводов в Челябинске — после пуска по сварному стыку коллектора и семи труб пошла сетка трещин. Разбирались полгода, причина — монтажный стресс плюс жёсткое крепление к обвязке.

Промывка и опрессовка водяных экранов перед пуском — процедура, которую часто проводят для галочки. А зря. Остатки окалины, сварочной окалины, даже песка из труб после транспортировки — всё это оседает в нижних петлях, ухудшая циркуляцию и провоцируению перегрев. Один раз участвовал в пусконаладке котла, где после монтажа новый экран давал постоянный перепад давлений выше расчётного. Разобрали — в коллекторе нашли забытый монтажниками брезентовый рукав. Анекдотично, но такие случаи учат проверять каждый этап лично, не доверяя только актам.

В режиме эксплуатации главный враг гладких труб — наружная коррозия от контакта с футеровкой. Если огнеупорная кладка отсырела или в швах использован неподходящий раствор, содержащий хлориды, то в зоне контакта с трубой может начаться интенсивная коррозия под изоляцией. Её не видно до первой выработки. Контроль здесь — только регулярные внутренние осмотры топки с замерами толщины стенки ультразвуком. Но и тут есть ловушка: если доступ к экрану затруднён (например, в узких межтрубных пространствах), то данные могут быть неполными. Приходится закладывать повышенный запас по толщине на самых уязвимых участках, что опять же утяжеляет конструкцию.

Взаимосвязь с другими системами: не только топка

Эффективность гладкотрубных экранов сильно зависит от работы всей водоподготовки. Если в питательной воде есть даже незначительные превышения по железу или кремнию, то на внутренней поверхности труб, особенно в зонах с умеренной скоростью потока, начинает откладываться шлам. Со временем он спекается, ухудшая теплосъём. Был показательный случай на котле ТП-80, где после замены фильтров на ВПУ без изменения реагентного режима за полгода тепловосприятие экранов упало на 8%. Разборка показала плотные отложения силикатов почти по всей высоте. Пришлось проводить химическую промывку всей циркуляционной петли.

Ещё один часто упускаемый момент — влияние горелочных устройств. Современные вихревые горелки формируют длинный факел. Если его контур неправильно спроектирован, то локальный перегрев стенки в зоне завершения факела неизбежен. Гладкие трубы здесь менее терпимы, чем мембранные, так как у них нет рёбер, перераспределяющих тепло по плоскости. Решение — либо корректировать угол установки горелок, либо устанавливать дополнительные экранирующие пояса в расчётных зонах. Это, конечно, усложняет конструкцию, но предотвращает аварийные ситуации.

Система очистки дымовых газов, как ни странно, тоже вносит свой вклад. Например, при внедрении систем впрыска сорбента для улавливания серы может увеличиться абразивный износ труб в конвективной шахте. Но и для радиационных экранов есть последствие: изменение температуры газов на выходе из топки. Если температура снижается слишком сильно (например, из-за избыточного впрыска), может начаться низкотемпературная сернокислотная коррозия хвостовых поверхностей. Это уже вопрос балансировки всей технологической цепочки. Компании, которые занимаются комплексным оснащением, например, ООО Чэнду Нэнцзе Экологические Технологии (их сайт — https://www.western-turbo.ru), часто подходят к вопросу системно. В их сфере, как указано в описании, — поставка частей для турбин и котлов, включая вспомогательные компоненты и системы очистки дымовых газов. Такой подход позволяет видеть котельную не как набор узлов, а как единый организм, где состояние экранов зависит и от работы газоочистки, и от качества питательной воды.

Ремонт и модернизация: практические соображения

Когда речь заходит о замене участка экрана, многие стремятся сделать это максимально быстро — вырезать дефектный блок и вварить новый. Но здесь важно учитывать состояние соседних труб. Если их остаточная толщина также близка к предельной, то локальная замена лишь перенесёт механические напряжения на соседние участки, и через пару циклов ?поедет? уже следующая труба. Гораздо надёжнее, хоть и дороже, менять целыми секциями, от коллектора до коллектора. Это даёт гарантию на новую гидравлическую цепь.

Сварка в полевых условиях — всегда риск. Предварительный подогрев, строгое соблюдение режимов, контроль межпроходных температур — всё это в условиях ремонтной площадки часто нарушается. Особенно сложно со сплавами типа 15Х5М. Без правильной термообработки после сварки в зоне шва формируется хрупкая структура. Однажды наблюдал, как после такого ?ремонта? шов на экране котла ДКВР-10 лопнул не под нагрузкой, а при остывании после останова. Металл просто раскрошился. С тех пор настаиваю на лабораторном контроле каждого ответственного шва, особенно на котлах среднего и высокого давления.

Модернизация с целью повышения КПД — отдельная история. Часто предлагают увеличить поверхность нагрева экранов за счёт добавления труб или замены на плавниковые. Но без перерасчёта аэродинамики топки это может привести к падению температуры газов на выходе из топки и, как следствие, к ухудшению работы перегревателя. Нужен комплексный тепловой расчёт. Иногда выгоднее оставить старые гладкотрубные экраны, но улучшить обмуровку или систему рециркуляции дымовых газов для выравнивания температурного поля. Решение всегда индивидуально.

Мысли вслух о качестве и поставках

Рынок сегодня насыщен предложениями, но качество труб и коллекторов сильно колеблется. Важно не только наличие сертификата, но и происхождение заготовки. Сталкивался с ситуацией, когда трубы, заявленные как 12Х1МФ отечественного производства, на деле оказывались китайской маркой с похожим, но не идентичным химическим составом. Разница выявлялась только при микроструктурном анализе после первой выработки. Поэтому сейчас работаем только с проверенными поставщиками, которые готовы предоставить полную прослеживаемость металла.

В этом контексте интересен опыт компаний, которые специализируются на критически важных компонентах. Возьмём, к примеру, ООО Чэнду Нэнцзе Экологические Технологии. Судя по информации на их сайте western-turbo.ru, их экспертиза охватывает широкий спектр систем, включая котлы и их вспомогательные компоненты. Для профессионала в нашей области такая комплексность — большой плюс. Потому что когда один поставщик понимает взаимосвязь между, скажем, состоянием лопаток турбины, работой котла и системой водоочистки, он может предложить более сбалансированное решение. Не просто продать трубы для экрана, а оценить, как они впишутся в конкретную схему с учётом специфики воды и топлива. Это уровень сервиса, который экономит много времени и средств на этапе эксплуатации.

В конце концов, гладкотрубный водяной экран — это не просто деталь. Это элемент, который живёт в жёстких условиях, и его поведение зависит от сотни факторов. От проекта, от металла, от монтажа, от воды, от того, как жгут топливо и как чистят газы. Универсальных рецептов нет. Есть накопленный опыт, часто на ошибках, и понимание, что мелочей в котельной не бывает. И когда видишь, как после грамотной модернизации экраны работают стабильно годами, без перегревов и течей, понимаешь, что все эти нюансы, все эти расчёты и проверки — они того стоят.