Для реконструкции был взят водогрейный котел ПТВМ-100 (рис. 1), теплопроизводительность которого при работе на природном газе составляет 90-95, при работе на мазуте – 60-70 ГКал/ч. Среди основных недостатков котла можно выделить следующие:

•   -   относительно маленькая камера сгорания с высоким коэфициентом объемной тепловой нагрузки;
•   -   высокие адиабатные температуры в камере сгорания, обусловливающие повышенную концентрацию  NOx в уходящих газах (при использовании природного газа – 500-600, мазута – 800-900 мг/м³);
•   -   неполное сгорание топлива при сжигании мазута;
•   -   высокая температура продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания, обуславливающая перегрев труб первого конвективного пакета;
•   -   недостаточная регулировка соотношения «воздух-топливо»;
•   -   низкие производительность и КПД;
•   -   низкая скорость воды на элементах высокого давления, ведущая к их перегреванию;
•   -   ненадежное конструкционное выполнение блокировки и защиты

       Для анализа работы котла и разработки плана его реконструкции было применено математическое (компьютерное) моделирование с использованием вычислительной гидродинамики. Цель исследований – расчет гидродинамических параметров, давления, температуры в выбранной геометрии. Стоит отметить, что применение вычислительной гидродинамики значительно уменьшает потребность в пробных испытаниях и делает возможным оптимизацию и стимуляцию различных процессов. Следовательно, экономятся значительные средства и, что немаловажно, время.

     
       Современная вычислительная гидродинамика занимается разработкой таких актуальных направлений, как расчет движений вязкой жидкости, численное исследование течений газа с физико-химическими превращениями, изучением распространения ударных волн в различных средах, решение газодинамических задач при наличии излучения. Наиболее важный объект в исследовании вычислительной гидродинамики – применение горелочной техники для сжигания жидкого и газообразного топлива. С большой точностью можно рассчитать внутренний реактивный турбулентный поток в большом котле, что делает возможным подробное сравнение различных вариантов установки горелок.

      При создании горелок больших мощностей роль метода вычислительной гидродинамики значительно возрастает  по причине невозможности проведения испытаний в реальном топочном объеме и с использованием дурнопахнущих газов. Проведение исследований в производственных помещениях заказчика также является трудной задачей. В этих случаях моделирование практически незаменимо.

На основании результатов математического моделирования разработано подробное конструктивное решение для каждой специфической проблемы. Так, например, проблему так называемой холодной воронки (непрогретой области Б нижней части котла) решили исключить за счет правильного распределения конвективных потоков при замене горелок.

В конструкцию котла добавлены дополнительные конвективные поверхности (пакеты). Кроме того, угол наклона горелок был изменен - принят как 10° вниз по горизонтали.

       Результаты моделирования приведены на рис. 2 и 3.

При замене были использованы низкоэмисионные мазутно-газовые горелки Lenox GRT фирмы Oilon с современной автоматикой на базе микропроцессорных контроллеров. Принцип работы горелок (рис. 4) основан на фазовом сжигании топлива, которое подается в разные зоны факела. Воздух для горения распределяется в разных частях воздушного короба и направляется на факел фазировано, в несколько этапов. Таким образом, достигается регулируемое смешивание топлива и воздуха, низкая температура горения и минимальные выбросы вредных веществ в атмосферу. С помощью горелки Lenox реализована также циркуляция дымовых газов. При реконструкции котла применена автоматика BMS (Burner Management System), обеспечивающая безопасность, контроль и оптимизацию горения.

В результате применения новых устройств, а также внесения изменений в конструкцию котла (рис.5) количество горелок было сокращено с 16 до 6. Кроме того, увеличена скорость воды в поверхностях нагрева, что повысило эксплуатационную надежность установки. В целом, в результате реконструкции котла ПТВМ-100, удалось добиться следующих результатов:

•   ♦    увеличения КПД котла на 9-10 % (экономия горючего – 5168 т мазута или 6,25 млн м³ газа за один сезон);
•   ♦    уменьшения ремонтных часов приблизительно на 30 %;
•   ♦   увеличения производительности (на мазуте – до 122, на природном газе – до 128ГКал/ч).

Кроме того, по итогам проведенной работы увеличен (до 99 %) уровень безопасности и снижены выбросы вредных веществ в атмосферу: при использовании газа эмиссия NOx составила менее 120, при использовании мазута – менее 340 мг/м³.

К другим достоинствам реконструкции котла ПТВМ
– 100 с использованием современных горелочных устройств можно отнести:

•   ♦    низкие капиталовложения (приблизительно 30 % стоимости нового котла);
•   ♦    короткое (1,5 года) время окупаемости вложенных средств за счет уменьшения     эксплуатационных и ремонтных расходов, энергоэффективности;
•   ♦    увеличение периода безремонтной эксплуатации трубной системы котла (трубы старой системы меняются каждые три года, новая же гарантирует срок эксплуатации от восьми до десяти лет).