Экспериментальные исследования теплотехнических характеристик термосифонов котлов-утилизаторов : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.14.04

Актуальность выбранной темы.
Для энергоёмких отраслей промышленности России существенным
потенциалом развития является рационализация потребления топливно-
энергетических ресурсов. На предприятиях черной и цветной металлургии,
нефтехимической промышленности, в топливно-энергетическом комплексе и ряде
горно-обогатительных комбинатов для обеспечения технологических процессов
используются первичные энергоресурсы (природный газ, кокс, уголь, мазут,
продукты нефтепереработки и др.). Эти процессы сопровождаются выработкой
высокопотенциальных вторичных энергоресурсов (ВЭР) в виде отходящих
(технологических) газов с температурой от 400 до 1500 °С. К так называемым
тепловым ВЭР, помимо тепла отходящих газов технологических агрегатов, также
относится: тепло основной, побочной и промежуточной продукции, тепло рабочих
тел, систем принудительного охлаждения агрегатов, тепло горячей воды и пара,
отработанных в технологических и силовых установках [25].
Задача максимального использования вторичных энергоресурсов имеет не
только экономическое, но и экологическое значение, поскольку снижение расходов
топлива, обеспечиваемое использованием вторичных энергоресурсов, уменьшает
количество вредных выбросов и снижает загрязнение окружающей среды. Пределом
идеальной организации технологических и производственных процессов является
создание безотходной по материалам и энергии технологии.
Доля ТЭР в структуре себестоимости продукции варьируется в пределах от 10
до 25 % (в зависимости от специфики отрасли). Поэтому основные задачи в области
энергосбережения и повышения энергетической эффективности, в т.ч. по
утилизации ВЭР, за последние 10-15 лет по большей части решены. Для этого на
государственном уровне созданы законодательные предпосылки и механизмы
стимулирования, носящие как обязательный, так и рекомендательный характер.
Основные из них: Федеральный закон от 23.11.2009 г. № 261 «Об
энергосбережении…», Постановление Правительства РФ от 10.01.2015 г. № 400 «Об
утверждении требований к проведению энергетического обследования…»,
Постановление Правительства РФ от 17.06.2015 г. № 600 «Об утверждении перечня
объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой
энергетической эффективности…» и Постановление Правительства РФ от
25.08.2017 г. № 1006 «О внесении изменений в перечень…», ГОСТ Р ИСО 50001-
2012 «Системы энергетического менеджмента. Требования и руководство по
применению», ГОСТ Р 56828.24-2017 «НДТ. Энергосбережение. Руководство по
применению наилучших доступных технологий для повышения
энергоэффективности» и др.1
Решения по утилизации тепловых и горючих ВЭР общеизвестны. В
отраслевых проектных научно-исследовательских институтах накоплен большой
опыт проектирования и строительства котлов-утилизаторов. Стоит отметить, что в
настоящее время отсутствует четкое разграничение между наименованием
теплоутилизационных установок: УИО (установка испарительного охлаждения),
ГИО (газоход испарительного охлаждения), ТЭА (технико-энергетический агрегат),
ЭТА (энерготехнологический агрегат), КГ (кессонированный газоход), КУ (котел-
утилизатор). Ранее, до 90-х г.г. ХХ века, можно было провести разграничение,
например, при наличии хвостовых поверхностей нагрева, воздухоподогревателя
(ВЗП) или водяного экономайзера (ВЭК), такую конструкцию уже нельзя было
назвать УИО, поскольку в установке вырабатывается не только насыщенный, либо
перегретый пар, но и подогревается дутьевой воздух и техническая вода для нужд
установки, либо цеха. Такую установку уже называли котел-утилизатор. В последнее
время наименование установки в основном зависит от формулировки, указанной
заказчиком в задании на проектирование, исходя из собственного представления.
Поэтому в рамках данной работы термины КУ, УИО, ТЭА, ЭТА и КГ являются
синонимами, с обобщающим названием – теплоутилизационные установки.
Ссылки на ГОСТ приводятся отдельным списком в конце работы [94-103].
Так, согласно [24, 25] в промышленности используются следующие котлы-
утилизаторы:
1. Газотрубные котлы-утилизаторы (типа Г-250, Г-250П, Г-345, Г-345П, Г-
550П), в которых отходящие газы проходят внутри труб, размещенных в водяном
объеме барабана.
2. Водотрубные котлы-утилизаторы (КУ-40, КУ-60, КУ-100, КУ-100Б1,
КУ-125, КУ-150, ПКК-30/24-70-5, ПКК-30/45А, ПКК-75/24-150-5, ПКК-75/45-150-5,
ПКК-100/24-200-5, ПКК-100/45-200-5 и др.) с естественной и принудительной
циркуляцией теплоносителя, с разделением на несколько секций.
3. Котлы-утилизаторы с кипящим слоем, установленные на производствах
за обжиговыми печами серного колчедана, за печами обжига цинковых
концентратов. Данные установки однобарабанные, водотрубные с естественной
циркуляцией. Для создания условий, необходимых для проведения
технологического процесса, часть испарительной поверхности и пароперегреватель
установлены в кипящем слое; они обеспечивают снижение температуры слоя до
необходимого уровня – 850-900 °С. В зависимости от технологических условий в
кипящий слой также могут быть помещены пароперегреватель и кессоны.
4. Котлы-утилизаторы в установках сухого тушения кокса,
сталеплавильных и медеплавильных конвертеров, в прокатном производстве, в
целлюлозно-бумажной промышленности. Информацию по ним можно также найти
в специализированной литературе [26-28].
К вышеперечисленным типам стоит добавить котлы-утилизаторы с
термосифонами, исследованию которых посвящена настоящая работа. Более
подробное описание конструкций, принципов действия и особенностей приводится в
главе 1.
В рамках существующих рыночных отношений между хозяйствующими
субъектами усилился разрыв между специалистами-проектировщиками и
конструкторами со стороны проектной организации и специалистами
промышленных предприятий, занимающимися непосредственной эксплуатацией
установок. Отсюда возникает «рецидив» повторения ошибок при проектировании и
вводе в эксплуатацию новых объектов. Одной из задач настоящего исследования
было систематизировать опыт эксплуатации котлов-утилизаторов с термосифонами,
выявить положительные и отрицательные аспекты в принятых технических
решениях.
В связи с вышеизложенным можно резюмировать, что несмотря на то, что
большинство источников ВЭР уже оснащено теплоутилизационными установками,
актуальность вопросов энергосбережения не снизилась, а перешла в новую
плоскость – в эффективную эксплуатацию установок в рамках текущей
операционной деятельности, а также в повышение требований к проведению ППР
(планово-предупредительным ремонтам), капитальным ремонтам, формирование
технических задач для тех. перевооружения и модернизации действующих
установок.
В настоящей работе сделана попытка систематизировать накопленный опыт и
обозначить наилучшие технические решения при проектировании и эксплуатации
котлов-утилизаторов с термосифонами.
Термосифоны являются перспективными теплопередающими элементами в
различных системах, требующих повышенной надёжности. Обладая простотой
конструкции, автономностью и наличием двойного высокотеплопроводного барьера
между нагреваемым и охлаждаемым теплоносителем, они позволяют существенно
повысить надёжность и безопасность работы теплоутилизационных установок,
включающих термосифоны в качестве поверхностей нагрева. Термосифоны
обладают малым термическим сопротивлением, просты и автономны в работе и не
требуют дополнительных затрат энергии на перекачку теплоносителя.
В ряде случаев для промышленного использования применение термосифонов
обосновано, особенно для крупногабаритного оборудования, поскольку при высокой
эффективности они дешевле в изготовлении. Перемещение рабочей жидкости из
конденсатора в испаритель осуществляется самотеком за счет сил гравитации, что
исключает потребность в пористом покрытии. Термосифоны могут успешно
использоваться в широком спектре задач, когда требуются эффективная передача
тепла с минимальными потерями, либо высокая степень изотермичности
поверхностей и/или окружающего внешнего пространства.
Степань разработанности темы.
Исследования тепловых труб и термосифонов выполняются в ведущих
научных центрах ближнего и дальнего зарубежья. Широко известны работы
М. Гроля (Германия) [31-33], представителей уральской научной школы
Ю. Ф. Майданика [34-36] и В. М. Кисеева [37-39], Г. В. Кузнецова [49-51]
М. Б. Х. Мантелли (Бразилия) [52-54], М. К. Безродного (Украина) [55-59],
И. Л. Пиоро (Канада) [59-61].
В Институте тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН (Национальной
академии наук) Беларуси накоплен значительный научно-исследовательский
материал, опыт разработки и внедрения теплообменных рекуператоров с
термосифонами, о чем также имеются опубликованные статьи Л. Л. Васильева [2,
40-42].
В ОАО «НПО «ЦКТИ» (г. Санкт-Петербург), под руководством
Б. Ф. Балунова [43-46] с 1996 г. были организованы уникальные ресурсные
испытания термосифонов, находящихся под постоянной тепловой нагрузкой вплоть
до 2018 г. В ОАО «НПО «ЦКТИ» проработаны «концепт-проекты» котлов-
утилизаторов (разработана проектно-конструкторская документация, проведены
тепловые и аэродинамические расчеты), накоплен существенный научно-
экспериментальный опыт по определению теплогидравлических характеристик
наклонных термосифонов, термосифонов с циркуляционной вставкой,
термосифонов с разными теплоносителями, с титановым геттером и др. [47, 48].
Накопленный опыт исследований и экспериментов не учитывает
производственные факторы, которые присутствуют в условиях эксплуатации
промышленных установок с термосифонами отрасли цветной и черной металлургии,
в частности: высокую запыленность отходящих газов, налипание отложений на
поверхности нагрева, воздействие систем очистки и систем охлаждения на
теплопередающие характеристики термосифонов.
Цель работы заключается в повышении тепловой эффективности
термосифонов при утилизации тепловых отходов ВЭР и эксплуатационной
надежности работы термосифонов котлов-утилизаторов на протяжении всей
кампании металлургической печи (источника ВЭР). Отсюда можно сформулировать
основные задачи исследования:
 постановка и реализация промышленных экспериментов с обеспечением
комплекса измерений требуемых параметров термосифонов при различных режимах
работы котла-утилизатора;
 адаптация алгоритмов теплового расчета применительно к
термосифонам и последующая их верификация с данными, полученными при
проведении промышленных экспериментов;
 разработка модели и получение расчетных характеристик (постоянные
времени и коэффициент усиления) термосифона как объекта регулирования;
 разработка мероприятий по повышению энергетической эффективности
работы термосифонов и рекомендаций по их безаварийной эксплуатации.
Методология и методы исследования:
 эксперименты проведены в условиях действующей промышленной
установки, на блоке из 42 термосифонов натурной конструкции и размеров, при
натурных параметрах пароводяной смеси и параметров нагрузки
теплоутилизационной установки;
 разработаны и сконструированы измерительные системы, фиксирующие
с требуемой точностью количественные характеристики рассматриваемых
процессов. Разработанные алгоритмы и порядок проведения исследований
базируются на современных достижениях в области теплообмена, массообмена и
гидродинамики;
 в эксперименте использованы современные средства измерения и
регистрации измеряемых параметров.
Автор защищает:
1. Экспериментальные данные, полученные в процессе проведения
промышленных экспериментов по охлаждению отходящих высокотемпературных
газов медеплавильной печи и утилизации их тепла с помощью замкнутых
двухфазных теплопередающих устройств (термосифонов), отражающие изменения
теплотехнических характеристик системы в связи с накоплением пылевых
отложений, налипающих на поверхности испарителей термосифонов.
2. Результаты вычисления теплопередающих характеристик двухфазного
термосифона.
3. Модель расчета переходных процессов с полученными
характеристиками термосифона как объекта регулирования при ступенчатом
возмущении изменением температуры газов.
4. Наилучшие технические решения, обобщенные из опыта
проектирования в эксплуатации теплоутилизационных установок с термосифонами.
5. Порядок заполнения двухфазных термосифонов рабочей жидкостью,
включающий ее дозированное заполнение, дегазацию внутренней полости путем
вакуумирования и герметизацию объема с помощью двойного сварного шва, и
проверку на герметичность.
Научная новизна работы и теоретическая значимость:
 Впервые измерены фактические параметры работы термосифонов в
котле-утилизаторе конструкции ОАО «Уралэнергоцветмет» за отражательной
печью.
 Получена совокупность установленных в результате экспериментальных
исследований закономерностей, технических и технологических рекомендаций,
конструкторских решений, связанных с повышением надёжности работы
термосифонов.
 Предложена модель переходных процессов в термосифоне с расчетом
постоянной времени и коэффициента усиления термосифона как объекта
регулирования при ступенчатом возмущении изменением температуры газов.
 Предложен новый порядок заполнения и герметизации термосифонов
разработки ОАО «Уралэнергоцветмет, с внесением изменений в их конструкцию.
Практическая ценность и реализация результатов работы состоит в том,
что полученные зависимости и расчетные характеристики были использованы
ОАО «Уралмеханобр» в проектных проработках котлов-утилизаторов за печью
«Ausmelt» ОАО «Святогор» и за печами Ванюкова ОАО «Среднеуральский
медеплавильный завод» (Приложение 1). Результаты проведенных НИОКР
подтверждаются актом оценки и использования результатов внедрения НИОКР
(Приложение 2).
Результаты работы также могут быть использованы
ОАО «Уралэнергоцветмет», ООО «Белэнергомаш – БЗЭМ», АО «Калугин»,
ОАО «ВНИИМТ» при проведении проектных, научно-исследовательских и
конструкторских работ теплоутилизационных установок с термосифонами, а также
промышленными предприятиями в рамках текущей эксплуатации и при проведении
пуско-наладочных работ и модернизации действующих теплоутилизационных
установок.
Результаты проведенных исследований также используются в Уральском
энергетическом институте ФГАОУ ВПО «УрФУ им. первого Президента России
Б.Н. Ельцина» при ведении занятий по дисциплине «Энергосбережение в
энергетике и теплотехнологиях».
Тема диссертации соответствует приоритетному направлению развития науки
и техники в Российской Федерации: «Энергоэффективность, энергосбережение,
ядерная энергетика».
Достоверность научных положений и выводов по работе основывается на
следующем:
 в исследованиях использованы современные средства измерения,
методы исследования и обработки опытных данных;
 используются апробированные методики измерений и метрологически
поверенных приборов при проведении экспериментальных исследований;
 проверкой результатов теоретического и экспериментального
исследования, статистической обработкой результатов измерений.
Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты
экспериментальных исследований и расчетов, выполненных автором и при его
непосредственном участии. При этом автор самостоятельно разработал систему
измерений параметров работы термосифонов в промышленных условиях,
организовал проведение экспериментов с помощью систем измерения, разработал
вспомогательные устройства для измерения параметров (в т.ч. термозащитный чехол
для термопары с отсосом газа с помощью эжектора, устройство для измерения
теплового потока, устройство для измерения температуры по высоте полости
термосифона и др.). Автором подготовлены публикации, патенты на полезную
модель и отчеты по выполненной работе.
Апробация результатов работы. Исследования автора по данной проблеме
проводились с 2012 г. по 2018 г. Основные научные положения и результаты работы
представлялись на следующих мероприятиях:
 Всероссийская научно-практическая конференция студентов,
аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и
ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые
источники энергии», г. Екатеринбург, 18–21 декабря 2012 г.;
 Всероссийская выставка научно-технического творчества студентов,
аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение.
Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»
(VII Универсальная выставка «Энерго-ПромЭкспо 2012»), г. Екатеринбург, 18–21
декабря 2012 г.;
 Девятнадцатая Школа-семинар молодых ученых и специалистов под
руководством академика А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и
тепломассообмена в энергетических установках», г. Орехово-Зуево, Московская
область, 20–24 мая 2013 г.;
 Международная научно-практическая конференция «Создание
высокоэффективных производств на предприятиях горно-металлургического
комплекса, г. Верхняя Пышма, 3–4 сентября 2013 г.;
 VІІІ Международная конференция «Проблемы промышленной
теплотехники, г. Киев, 8–11 октября 2013 г.;
 VIII Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике, г.
Екатеринбург, 12–14 ноября 2013 г.;
 VIII ежегодная Международная научно-практическая конференция
«Повышение эффективности энергетического оборудования – 2013», МЭИ, г.
Москва, 11–13 декабря 2013 г.;
 VI Всероссийская научно-практическая конференция студентов,
аспирантов и молодых учёных «Теплотехника и информатика в образовании,
науке и производстве» (ТИМ 2017) с международным участием, г. Екатеринбург,
11–12 мая 2017 г.;
 XX Минский международный семинар «Тепловые трубы, тепловые
насосы, холодильники, источники энергии», г. Минск, 10–13 сентября 2018 г.;
 Объединенные научные семинары кафедры «Промышленная
теплоэнергетика» Уральского энергетического института (УралЭНИН),
г. Екатеринбург.
Публикации. Результаты диссертации изложены в 19 печатных работах [1-
3, 6-21], включая 3 статьи в рецензируемых изданиях из списка ВАК при
Министерстве образования и науки РФ и 1 коллективную монографию [6]. В
рамках проведения научных исследований получено 2 патента РФ на полезную
модель: «Устройство для измерения температуры» и «Устройство для
вакуумирования термосифонов» (№ 127458 и № 146019 соответственно) [4-5],
подготовлено два отчета по договору о проведении НИР [22-23].
Структура и объём работы. Диссертация содержит 146 страниц основного
текста (введение, 5 глав с выводами, заключение по работе), 56 рисунков, 20
таблиц, 5 приложений на 16 страницах. Список литературных источников
содержит 103 наименования (включая труды автора). Общий объем диссертации
составляет 178 страниц.
ГЛАВА 1. КОТЛЫ-УТИЛИЗАТОРЫ С ТЕРМОСИФОНАМИ