Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Оценка энерготехнологических характеристик процессов водоподготовки 14
1.1. Анализ методов водоподготовки на теплоэнергетических установках 14
1.2. Возможности использования энергосберегающих технологий 27
Глава 2. Технология утилизации теплоты уходящих газов и продувки котлов в системах водоподготовки 35
2.1. Разработка схемы утилизации теплоты уходящих газов 35
2.2. Энергетический баланс схемы утилизации теплоты 43
2.3. Определение характеристик схемы утилизации теплоты уходящих газов 50
2.4. Оптимизация схемы продувки котлов для утилизации теплоты 56
Глава 3. Исследование процессов в испарительных установках при использовании утилизируемой теплоты 64
3.1. Особенности применения испарительных установок 64
3.2. Анализ тепловых процессов в установках мгновенного вскипания 72
3.3. Опытная оценка работы испарительных установок 83
Глава 4. Технические решения при внедрении энергосберегающих технологий 92
4.1. Использование насыщенного пара на технологические цели 92
4.2. Модернизация схемы впрыска котельного агрегата 100
4.3. Изменение режима работы экономайзера 107
Глава 5. Анализ технико-экономических показателей систем водоподготовки с утилизацией теплоты 114
5.1. Методы экономической оптимизации энергосберегающих систем 114
5.2. Оценка технико-экономических показателей испарителей 120
5.3. Повышение эффективности систем утилизации теплоты 131
Заключение 140
Список литературы 142
Приложения 150
- Возможности использования энергосберегающих технологий
- Определение характеристик схемы утилизации теплоты уходящих газов
- Анализ тепловых процессов в установках мгновенного вскипания
- Модернизация схемы впрыска котельного агрегата
Введение к работе
Теплоэнергетические установки являются постоянными потребителями значительного количества воды. Вода, применяемая на ТЭС и теплоснабжающих предприятиях, подвергается предварительной обработке, так как она должна соответствовать показателям, которые установлены «Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ», «Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов» [44, 45] и другими нормативными документами. Процессы обработки воды на ТЭС и котельных существенно влияют на надежность и экономичность эксплуатации теплоэнергетических установок.
Обработка воды на ТЭУ осуществляется обычно на специальных водоподготовительных установках (ВПУ). Используемые в РФ и за рубежом технологии водоподготовки, применяемые в теплоэнергетике, обеспечивают в большинстве случаев необходимый уровень очистки природных вод и доведение их качества до требований ПТЭ. Однако эти процессы требуют существенных затрат тепловой и электрической энергии. Разработка и активное использование в современных системах водоподготовки усовершенствованных методов ионного обмена, мембранных методов обработки и очистки воды, эффективных технологий термической дистилляции, новых типов аппаратов для дегазации воды, позволяет изменить подход к вопросам снижения расхода потребляемой аппаратами водоподготовки электрической и тепловой энергии.
Анализ современных решений по проблеме снижения энергетических затрат в процессах водоподготовки показывает, что оптимизация энергопотребления связана не только с применением на ВПУ новых технологий водоподготовки на базе обратноосмотических, электродиализных, термических, гидромагнитных и других аппаратов [3, 6, 16, 20, 39, 55, 61, 73], но и возможностью внедрения энергосберегающих технологий при совершенствовании систем водоподготовки на электростанциях и котельных.
Это направление исследований по совершенствованию ВПУ, применяемых в теплоэнергетике является одним из наиболее перспективных. В этой области знаний наиболее известными являются работы российских ученых: Голубцова В.А., Гребенюка В.Д., Дытнерского Ю.И., Заболоцкого В.И., Карелина Н.Ф., Кострикина Ю.М., Кремневской Е.А., Лапотышкиной Н.П., Мартыновой О.В., Мошкарина А.В., Паули Е.В., Седлова А.С., Смагина В.Н., Стермана Л.С., Субботиной Н.П., и др.
Разработка различных систем ВПУ для обеспечения высокого качества всех потоков теплоносителя на ТЭУ продолжается в ведущих организациях по проектированию и созданию теплотехнического оборудования: ВТИ, ИДТИ, ВНИИАМ, ВНИИВОДГЕО, ВНИИПИЭнергопром, Теплоэнергопроект и др. Основные научные исследования по оптимизации процессов водоподготовки развернуты в крупнейших университетах РФ: МЭИ, Ивановском ГЭУ, С-Пб ГТУ, Уральском ГТУ, Дальневосточном ГТУ, Казанском ГТУ, Кубанском ГУ, и др.
При этом основные задачи исследований в рассматриваемой области знаний чаще всего посвящены развитию базовых технологий водоподготовки, созданию новых агрегатов и их эффективному использованию при разработке перспективных схем ВПУ на электростанциях и котельных.
В то же время дальнейшее решение проблем, связанных с оптимизацией методов водоподготовки, невозможно без учета их взаимосвязи с технологией энегопроизводства. Особенно важным и актуальным является совершенствование на основе энергосберегающих технологий дистилляционных процессов, технологических схем и аппаратов для термического обессоливания воды и стокоЮценка термодинамической эффективности известных технологий водоподготовки показывает, что при комплексном подходе к созданию ВПУ на базе современных испарительных установок, существует техническая возможность обеспечить агрегаты ТЭС и котельных водой необходимого качества при минимальных затрата энергии на ее подготовку, а также повысить технико-экономические показатели ТЭУ в целом [13, 27, 37, 51, 52, 68].
I I [>
t Актуальным остается^ вопрос разработки энергоэффективных схем приме-
f нения на ТЭС и котельных термических аппаратов для подготовки воды, работу
которых целесообразно рассматривать с учетом возможности утилизации
тепловой энергии, теряемой в окружающую среду.
і Особое значение имеет внедрение испарительных установок на ТЭУ для
f Дальневосточного региона РФ* [27, 28, 59, 60]. Это связано со спецификой
І источников-водоснабжения, качество воды в которых существенно отличается<от
показателей', характерных для других регионов страны. Системы
энергоснабжения, эксплуатируемые на Дальнем Востоке, отдалены, от основных
поставщиков, оборудования; реагентов, комплектующих материалов, что
приводит к существенному повышению эксплуатационных расходована ТЭУ при
применении ионообменных и мембранных систем водоподготовки. В то же время*
отсутствие в достаточном количестве недорогих высококалорийных видов
топлива (газ, каменный уголь) требует снижения доли топливной составляющей^
; себестоимости продукции энергопредприятий.
В этих условиях одним' из перспективных путей повышения технико-экономических показателей ТЭУ является применение методов энергосбережения* в сочетании с эффективными термическими аппаратами для обработки воды.
При разработке систем водоподготовки для ТЭС и котельных донастоящегої времени энергосбережению не уделялосьt достаточно внимания [5, 6, 16, 54, 55]. Это было связано в основном^ с тем, что характеристики энергопотребления на собственные нужды (в том числе и на ВПУ) для оборудования, ТЭС и котельных считались нормативными параметрами.
В тоже время, методы энергосбережения, основанные на снижении энергетических потерь, присущих действующим теплоэнергетическим установкам, могут давать большой экономический эффект, особенно если утилизируемую тепловую энергию использовать для термического обессоливания воды, деаэрации и других методов.водоподготовки. Исследования в области утилизации теплоты наг ТЭУ сегодня еще не дали желаемого результата. Например, потери теплоты с уходящими газами в котлах, работающих в Дальневосточном регионе, достигают
на котельных 10-15 %, а на тепловых электростанциях 8 - 12 %, что в 1,5-2 раза превышает рекомендуемые нормативные значения [30, 49, 64]. Известно, что утилизация теплоты уходящих газов обеспечивает существенное повышение КПД котлоагрегатов. Для рационального использования утилизированного теплового потока, можно применить специальные технические решения, способствующие повышению надежности работы теплоэнергетических установок и обеспечивающие снижение эксплуатационных расходов. Комплексный подход при использовании теплового потенциала уходящих из котла газов дает возможность решить ряд эксплуатационных задач, связанных с получением высококачественной воды для подпитки котлов.
Значительным энергетическим потенциалом обладает продувочная вода барабанных котлов. Высокая температура и давление продувочной воды не всегда эффективно используются на ТЭС и котельных. Внедрение новых технологий энергосбережения позволяет использовать продувку для получения термического дистиллята и обеспечить практически полную регенерацию теплоты в схеме непрерывной продувки барабанных котлов.
Дополнительное количество тепловой энергии, необходимое для работы испарительных установок и деаэраторов, может быть получено также за счет использования достаточно простых энергосберегающих мероприятий, обеспечивающих интенсификацию режима работы барабанного котла с целью повышения его КПД. К ним можно отнести перевод потребителей на питание насыщенным паром из барабана котла, увеличение расхода воды на впрыск для повышения производительности парогенератора, увеличения расхода воды через основной экономайзер котла и других методов.
Настоящее исследование направлено на решение важной народнохозяйственной проблемы применения энергосберегающих технологий для утилизации теплоты уходящих котловых газов, теплоты продувочной воды и других потерь тепловой энергии на ТЭУ с целью совершенствования систем водоподготовки на электростанциях и котельных. Работа выполнена в соответствии с плановой тематикой научно-исследовательских работ ДВГТУ по Программе «Энергосбережение
в отрасли "Электроэнергетика" на 1999-2000 годы и на перспективу до 2005 и 2010 гг.», а также по заявкам региональных энергетических компаний. В качестве базового объекта для исследований и применения рассматриваемых в работе методик и технических решений выбрана крупнейшая тепловая электростанция ДВ региона - Приморская ГРЭС.
Цель работы - разработка и методов и средств повышения энергоэффективности в системах водоподготовки энергетических комплексов.
На основе теоретических и экспериментальных исследований технологических процессов в схемах утилизации теплоты на ТЭУ, оценки и оптимизации характеристик специализированных установок для утилизации теплоты, определения термодинамической и технико-экономической эффективности предлагаемых технических решений, требуется: обосновать возможность более широкого и эффективного использования энергосберегающих технологий в системах водоподготовки, оснащенных испарителями мгновенного вскипания; разработать рекомендации по применению комбинированных схем утилизации тепла на ТЭС и котельных, и в конечном итоге, обеспечить внедрение новых научных результатов и технических решений в практику.
Для достижения поставленной цели рассмотрены и решены следующие научно-технические задачи:
Определение рациональных областей использования энергосберегающих технологий с учетом особенностей работы аппаратов водоподготовки на энергетических предприятиях.
Исследование методов утилизации теплоты уходящих котловых газов и продувочной воды котлов для снижения энергетических затрат в процессах водоподготовки.
Разработка методики расчета термодинамических характеристик схем утилизации теплоты и определение параметров технологических процессов, необходимых для проектирования и практического внедрения современных аппаратов термического обессоливания.
Определение энерготехнологических характеристик теплообменных аппаратов и испарителей мгновенного вскипания, предлагаемых к использованию в схемах утилизации теплоты на теплоэнергетических установках (ТЭУ).
Проверка в эксплуатационных условиях предлагаемых технических решений по модернизации котлов и автоматизации технологических процессов с целью повышения технико-экономических показателей производства тепловой и электрической энергии за счет снижения тепловых потерь.
6. Обосновано использование энергосберегающих технологий на базе испарителей мгновенного вскипания в схемах утилизации теплоты уходящих газов и продувочной воды котлов
При разработке методов утилизации теплоты и схем, обеспечивающих отбор высокотемпературного теплового потенциала уходящих газов и теплоты продувочной воды, реализованы следующие технические решения:
определены энерготехнологические характеристики теплообменных аппаратов и испарителей, рекомендованных для утилизации тепла;
подготовлены технические проекты узлов энергосберегающего оборудования;
проверены в эксплуатационных условиях схемные решения по модернизации котлов и автоматизации технологических процессов с целью повышения технико-экономических показателей котельных установок за счет снижения тепловых потерь;
обоснованы разработанные технические решения, обеспечивающие внедрение испарителей мгновенного вскипания на ТЭС и котельных в схемах утилизации теплоты уходящих газов и продувочной воды.
Научная новизна работы.
1. Определены условия наиболее эффективного применения энергосберегающих технологий с целью усовершенствования систем водопЗдгоШрздиожены новые методы оценки энергетического потенциала теплоносителя в системах утилизации теплоты, взаимосвязанных с установками термической дистилляции, регенеративного подогрева, деаэрации воды и теплофикации.
Разработана математическая модель испарителя мгновенного вскипания для расчета технологических характеристик аппаратов термического обессолива-ния при их включении в схемы утилизации теплоты на энергетических комплексах.
Разработана методика оценки термо-технологической эффективности методов энергосбережения, основанных на использовании утилизируемого тепла в схемах водоподготовки на объектах теплоэнергетики.
Достоверность результатов исследований подтверждена использованием современных методов моделирования и расчета процессов, обеспечивающих эффективное использование температурного потенциала в схемах утилизации теплоты при эффективном регулировании основных параметров барабанных котлов. Результаты подтверждены сопоставлением расчетных характеристик с экспериментальными и эксплуатационными данными, полученными на действующем оборудовании электростанций. Практическая значимость работы.
Подготовлены современные проектные и конструкторские решения, обеспечивающие внедрение энергосберегающих систем и испарительных установок мгновенного вскипания на энергетических предприятиях Дальневосточного региона.
Обосновано промышленное применение испарителей мгновенного вскипания, как основного узла схемы утилизации теплоты уходящих котловых газов и продувочной воды барабанных котлов на ТЭС и котельных.
3. Усовершенствованы и рекомендованы к внедрению на Приморской ГРЭС
новые автоматизированные схемы впрыска, генерации насыщенного пара,
подогрева питательной воды в экономайзерах, обеспечивающие использование
высокотемпературной теплоты газов по тракту котла с целью ее дальнейшей
утилизации в системах водоподготовки и на технологические нужды
энергетического предприятия.
Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований позволили рекомендовать к внедрению на котлах Приморской ГРЭС ряд новых технологических решений, способствующих повышению КПД котлов за счет применения комбинированных схем утилизации теплоты, снижающих эксплуатационные расходы на водоподготовку и обеспечивающих высокую надежность регулирования основных параметров агрегатов электростанции.
Апробация работы.
Результаты исследований представлены в 9 научных публикациях, включая 4 статьи, изданных в рекомендованных ВАК журналах.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции «Современное состояние и перспективы развития энергетики» (Ташкент, 2006 г.), IV семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока. «Теплофизика и теплоэнергетика» (Владивосток, 2005 г.), V семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока «Теплофизика и теплоэнергетика» (Иркутск, 2006 г.), международной конференции «Инновационные энергосберегающие технологии в странах АТЭС» (Владивосток, 2007 г.), региональной научно-практической конференции энергетиков «Проблемы реформирования и особенности развития электроэнергетики Дальнего Востока (Владивосток, 2006 г.). Структура и обьем диссертации.
Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 102
наименований, изложена на 149 страницах машинописного текста, включает 15
таблиц и 61 иллюстрацию (без учета приложения).
Публикации.
1. Милуш В.В. Применение испарительных установок в схеме утилизации тепла
уходящих газов на Приморской ГРЭС [Текст] / В.В.Милуш, В.В. Слесаренко // Энергосбережение и водоподготовка. - 2008. -№2 . - С. 10 - 12 .
2. Милуш В.В. Утилизация теплоты уходящих газов в схемах деаэрации на
промышленно-отопительных котельных [Текст] / В.В.Милуш, В.В. Слесаренко,
А.А. Белоусов [Текст] // Промышленная теплоэнергетика. - 2008.-№ 9 - С. 8-11.
3. Милуш В.В. Оптимизация схемы продувки котлов на Приморской ГРЭС
[Текст] / В.В.Милуш, В.В. Слесаренко, А.А. Тымчук // Энергосбережение и во-
—^оподготовка^-~2008--№ -6——-ЄА 6-20.
Милуш В.В. Усовершенствование системы регулирования температуры перегрева пара на энергоблоках 210 МВт Приморской ГРЭС ГРЭС [Текст] / В.В.Милуш, В.В. Слесаренко, А.А. Белоусов // Теплоэнергетика. - 2008. - №6. - С. 71-73.
Милуш В.В. Особенности регулирования температуры перегрева пара на котлах БКЗ-670-140 Приморской ГРЭС [Текст] /В.В.Милуш, В.В. Слесаренко // Современное состояние и перспективы развития энергетики: материалы международной науч.-техн. конф. - Ташкент: Изд-во ТашГТУ. - 2006.- С. 86-88.
6. Милуш В.В. Моделирование процессов тепломассообмена при регулировании
температуры перегрева пара в котлах БКЗ-670-140 Приморской ГРЭС [Текст]
/В.В.Милуш, В.В. Слесаренко // Теплофизика и теплоэнергетика: материалы V
семинара вузов Сибири и Дальнего Востока. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ. - 2006.-
С.56-57 .
Милуш В.В. Исследование работы системы регулирования температуры перегрева пара в структуре АСУ ТП [Текст] / В.В.Милуш, В.В. Слесаренко, Л.Е. Андреев // Теплофизика и теплоэнергетика: материалы IV семинара вузов Сибири и Дальнего Востока. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ. - 2005.- С. 48-49.
Милуш В.В. О задачах технической диагностики энергоблока [Текст] /В.В.Милуш // Перспективные материалы, технологии, конструкции. - Сб. науч. трудов: Красноярск: СО РАН, 2001. - С.22-26
Милуш В.В. Синтез непараметрических систем управления динамическими объектами [Текст] / В.В.Милуш // Проблемы синтеза и проектирования систем автоматического управления. Материалы науч. - практ. семинара. - Красноярск: Изд-во КГТУ, 2001. - С. 14-16 .
Возможности использования энергосберегающих технологий
Для снижения энергетических потерь, усовершенствования технологии водоподготовки, улучшения качества воды и пара, а также возможности резервирования оборудования разработаны и исследованы комбинированные схемы ВПУ с обратноосмотической мембранной системой (рис. 1.6, 1.7), дополняющей испарители и обеспечивающей снижение содержания солей в осветленной воде до требуемого ПТЭ уровня[44, 45].
В комбинированной схеме ВПУ, рекомендованной к применению на Сахалинской ГРЭС (рис. 1.6), на вход обратноосмотической установки подается концентрат из последней ступени испарителя И-120. Смесь с высоким солесодержа-нием проходит через мембранные модули и частично обессоливается. Далее пер-миат из ООУ смешивается с исходной водой и после подогрева и деаэрации используется для питания испарительной системы. Источником тепловой энергии для испарителей является пар из отборов турбины. В такой схеме максимально утилизируется теплота продувки испарителя, кроме этого снижаются потребление тепловой энергии на нагрев исходной воды перед мембранной установкой. Известно, что повышение температуры воды перед ООУ способствует увеличению производительности и селективности обратно-осмотических мембран [74, 75]. Это позволяет понизить на 10 — 15 % рабочее давление за высоконапорными насосами, прокачивающими воду через ООУ и уменьшить расход электроэнергии на их привод.
В комбинированной схеме ВПУ с испарителями мгновенного вскипания, рекомендованной для Райчихинской ГРЭС (рис. 1.7), концентрат из испарителя поступает на одноступенчатую ООУ, где получается пермиат с солесодержанием не выше, чем концентрация солей в питательной воде на входе в ИМВ-16/20. Применение такой схемы позволяет снизить сброс продувочной воды испарите- лей на 75 - 80 % и обеспечивает снижение эксергетических потерь до минимального уровня.
Уровень снижения солесодержания обрабатываемой воды в обратно осмотических модулях при одной ступени предварительного обессоливания и высокой концентрации солей в продувке составляет 70 - 80 %. Снижение солесодержания (особенно жесткости) в питательной воде перед испарителями позволяет понизить стоимость термических обессоливающих установок за счет упрощения их конструкции, уменьшения количества ступеней испарения, повышения удельных термодинамических показателей и производительности [62, 75, 87, 88, 89; 3, руб/т
На основе приведенной методики выполнена технико-экономическая оценка процессов дистилляции при использовании комбинированных систем водоподготовки (рис. 1.8). Из графиков видно, что при производительности опресни-тельной системы меньше 100 м /час, наиболее выгодным является комбинированные схемы с мембранными аппаратами и ионообменными фильтрами. При расходе добавочной воды для котлов на ТЭУ более 100 м /часа рентабельнее применять мембранные системы в комбинации с испарителями.
Исследования в области уменьшения энергетических затрат при использовании рассматриваемых технологий водоподготовки показывают, что электродиализный процесс и процесс обратного осмоса достигли высокого уровняі оптимизации [3, 84, 93]. Это обусловлено тем, что при реализации мембранных методов обработки воды потребляется в основном электрическая энергия, затрачиваемая на привод высоконапорных и циркуляционных насосов и генерацию электромагнитного поля в модулях ЭДУ. Известно, что потери энергии в этих системах минимальны и связаны в основном с гидравлическими потерями давления среды в трактах аппаратов. В этом случае снижения расхода энергии можно добиться следующими способами: - уменьшением гидравлических потерь на мембранах и в тракте ООУ или ЭДУ; - за счет оптимизации схемы подключения мембранных аппаратов при двух или трехступенчатой обработке воды; - утилизации гидравлического напора за аппаратами в специальных гидротурбинах; - снижения требуемой условиями эксплуатации комбинированной ВПУ глубины обессоливания за мембранными аппаратами. Использование многоступенчатых мембранных установок на ТЭС и котельных оказывается мало эффективным и приводит к значительному увеличению капиталовложений и усложнению технологической схемы ВПУ [65]. Поэтому выбор обычно остается за одноступенчатой установкой с заданным уровнем энергопотребления. Утилизация гидравлического напора за модулями ООУ целесообразна при высоком давлении исходной воды (6-8 МПа) перед мембранными аппаратами, которые применяются, например, для опреснения морской воды [62, 99]. В ООУ, проектируемых и изготовляемых для обессоливания воды на ТЭС и котельных рабонее.давление.за.мембранными,модулями_значительно_меньше.(незыше_1,5_г1_ 3,5 МПа) Кроме того, применение специальных гидромашин существенно увеличивает затраты на закупку и монтаж установок, снижается надежность работы всей системы водоподготовки на ТЭУ. Поэтому следует производить детальный технико-экономический анализ эффективности такого решения. 5 Рм,Мпа Эффективность удаления солей и выход пермиата в мембранных установках зависит от начального давления воды (рис. 1.9, рис 1.10). Сочетание мембранных аппаратов с фильтрами ионного обмена дает значительное снижение затрат на во-доподготовку. Основная составляющая экономии приходится на уменьшение расхода реагентов для регенерации фильтров. На рис 1.11 показана зависимость изменения расхода реагентов (кислоты и щелочи) на регенерацию фильтров ионного обмена при предварительном обессоливании воды в мембранных аппаратах. Требуемый экономический эффект достигается при предварительном обессоливании воды в ООУ на уровне 95 - 98 %. Это требует включения в схему мембран- зование дорогостоящих мембранных аппаратов, рассчитанных на высокое давление (более 3,0 - 4,0 МПа), оказывается не эффективным в комбинированных схемах ВПУ на ТЭУ. Из выполненного анализа следует, что снижения энергетических затрат на процесс мембранного обессоливания возможно добиться только за счет совершенствования конструкции мембранных или их использования в структуре комбинированных ВПУ. Р Второй составляющей рассматриваемых комбинированных ВПУ являются испарительные установки различного вида. Используемые на ТЭУ дистилляционные системы имеют высокие технологические показатели, однако они достигнуты в основном за счет существенного усложнения конструкции аппаратов [37, 55, 63]. Технико-экономические расчеты показывают (рис. 1.8), что затраты на водоподготовку в испарительных установках могут быть сведены к минимуму (до 10 - 15 руб/тонну дистиллята) при использовании теплоты, утилизируемой в парогенераторах котельных и ТЭС за счет применения энерМай риаЕшщрепшиалгожшые технические решения, обеспечивающие работу испарителей в тепловой схеме ТЭС или котельной. В таблице 1.1. приведены источники теплоты и значения эксергетического КПД испарителя типа ИМВ для каждого рассмотренного варианта. Расчеты выполнены по зависимости эксергия подводимой теплоты Рассматривая тепловой баланс испарителя без учета затрат энергии на привод циркуляционных насосов и внутренних необратимых потерь теплоты, можно отметить, что наиболее термодинамически эффективными являются аппараты, позволяющие утилизировать низкопотенциальную тепловую энергию. В тоже время следует учитывать, что снижение температурного потенциала греющей среды лимитировано условиями теплообмена, поэтому, например, утилизация тепла в системе гидрозолоудаления (ГЗУ) котлов требует создания специализированных вакуумных испарителей.
Определение характеристик схемы утилизации теплоты уходящих газов
Технология золоулавливания, физические свойства дымовых газов и температурные условия защиты тракта от обводнения делят располагаемый энергетический баланс уходящих дымовых газов в котлах на две части, а сам газовый тракт на два характерных участка. На первом участке (от ВЗП до ММК) располагаемый тепловой поток в котлах Еп-670-140Ф составляет 32 Гкал/ч, при этом работоспособная часть равна 19,5 Гкал/ч. На втором участке (от ММК до дымовой трубы), располагаемый тепловой поток составляет 26 Гкал/ч (работоспособная часть равна 17,4 Гкал/ч). Выбор технологии утилизации тепла определяется физическими свойствами дымовых газов на этих участках. На участке 1 определяющим фактором является высокая запыленность дымовых газов очаговыми остатками горения твердого топлива, которая позволяет регенерировать избыточное тепло только с помощью рекуперативной поверхности нагрева. На участке 2 дымовые газы очищены от очаговых остатков горения, но имеют высокую влажность, поэтому решающее значение приобретает проблема осушения дымовых газов, что требует применения контактных тепло-обменных аппаратов для регенерации избыточного тепла газов. Нами рассматриваются варианты системы утилизации теплоты уходящих газов на первом участке, как наиболее просто осуществимой технически, а также дающей более высокие температурные показатели используемых теплоносителей.
Осуществить утилизацию тепла уходящих дымовых газов на участке "ВЗП-ММК" и выполнить требуемые эксплуатацией технические условия, позволяют следующие решения: - для отбора тепла уходящих газов в габаритах конвективной шахты, ниже подвесных кубов 1 ступени ВЗП, устанавливается экономайзерная ступень низкого давления для нагрева циркулирующей воды; - для изменения рабочего давление теплоносителя в диапазоне 0,6- 1,0 МПа в схеме утилизации используется регулируемый электропривод для насоса, создающего циркуляцию теплоносителя в дополнительной поверхности нагрева. Нижний предел рабочего давления теплоносителя определяется условиями предотвращения его вскипания. В зависимости от качества теплоносителя, подаваемого в ЭСНД, схема утилизации тепла уходящих газов может быть выполнена в двух вариантами: - одноконтурный вариант в случае использования химочищенной и деаэрированной подпиточной воды теплосети в качестве теплоносителя; - двухконтурный вариант в случае использования сырой осветленной воды в качестве теплоносителя. На основании предлагаемых технологий, с учетом технических условий их реализации, разработана комплексная принципиальная технологическая схема утилизации тепла уходящих газов (рис.2.8), рекомендованная к внедрению на Приморской ГРЭС. При расчете ЭСНД конструктивные характеристики принимались по проектному варианту установленных котлоагрегатов с учетом оптимизации условий эксплуатации оборудования, применяемого в схеме утилизации тепла уходящих газов. Теплотехнические характеристики уходящих газов принимались по заводским расчетам котлоагрегатов, а нормативные параметры и коэффициенты — по нормативному методу теплового расчета котельных агрегатов. Характеристики ЭСНД, полученные в результате расчета, приведены в таблице П2 (приложение 1). Предлагаемая схема утилизации тепла уходящих газов требует посто янного отвода утилизируемого в ЭСНД тепла и его потребления на собствен ные нужды электростанции. При работе схемы возможно отключение испари теля и водо-водяного подогревателя, с переводом ее в режим повышенного давления, которое станет причиной повреждения отдельных элементов. В це лях обеспечения постоянного потребления утилизированного тепла, в схеме предусмотрены водо-воздушные нагреватели во всасывающем тракте дутьевого вентилятора (ДВ). Для расчетной схемы утилизации теплоты выбраны нагреватели ВНВ 123-412-5ОАТЗ, соответствующие по своим техническим характеристикам требованиям условий эксплуатации оборудования. Режим работы рассматриваемой схемы утилизации тепла (рис. 2.8) и величина энергетического потенциала уходящих газов определяются диспетчерским графиком нагрузок Приморской ГРЭС. Переменный характер диспетчерского графика нагрузок требует обязательного регулирования количества тепла, регенерируемого в ЭСНД промежуточным теплоносителем. В разработанной схеме предложено двойное регулирование степени утилизации теплоты дымовых газов: количественное регулирование до 30% -расходом промежуточного теплоносителя в контуре, изменением частоты вращения электропривода циркуляционного насоса и качественное регулированиє до 20% - изменением температуры промежуточного теплоносителя за счет байпасирования ЭСНД. На основе выполненного детальных теплового и гидравлического расчетов узлов рассматриваемой схемы утилизации тепла (рис. 2.8) определены параметры работы насосов циркуляционного контура и предложены к установке конденсат-ные насосы типа КсВ-320-160 [47]. Поверочный тепловой расчет теплообменного аппарата для нужд утилизации тепла уходящих газов в системе теплофикации производился для выбора типа теплообменника и определения потребного количества аппаратов. Температурный график тепловой В результате расчета теплофикационного узла получены данные (таблица П4, приложение 1 ) подтверждающие возможность использования ЭСНД для нагрева сетевой воды при температурном графике первого контура 145-80 С Такое решение позволяет снять с одного котла Еп-670-140 тепловой поток мощностью 19,5 Гкал/ч при расходе циркуляции около 300 т/ч. Суммарная производительность теплофикационного узла, подключенного к ЭСНД, установленных на 5 котлах электростанции составляет 97,5 Гкал/ч, что превышает требуемую отопительную нагрузку и нужды ГВС. При работе системы утилизации теплоты для нагрева воды для ГВС в летний период подогреватели будут работать по последовательной схеме с нагрузкой 5 Гкал/ч при использовании потенциала уходящих газов от 5-или 4-котлоа1регатоВгЕп-67 Ы40.Х уле_ уходящих газах всю теплофикационную нагрузку ГВС в летний период можно покрыть одним котлом энергоблока 210 МВт. В этом случае группу водо-водяных подогревателей следует подключить к первому контуру параллельно (рис. 2.9). Таким образом, для утилизации тепла уходящих газов с максимальной эффективностью необходимо применить совокупность технологических решений. Наиболее приемлемым следует признать комбинированную схему утилизации теплоты, которая позволяет использовать тепловой потенциал уходящих газов на котлах Еп-670-140Ф в полном обьеме (95 - 100 Гкал/час от 5 работающих котлов). Кроме технологических преимуществ, получаемых за счет оптимизации работы системы ГЗУ, утилизация теплоты уходящих газов дает возможность применить ряд технических решений, позволяющих принципиально изменить схему водоподготовки на электростанции за счет внедрения испарительных установок и обеспечить работу теплофикационного узла при значительном снижении расхода пара из отборов турбин или от РОУ.
Анализ тепловых процессов в установках мгновенного вскипания
В качестве базовых вариантов при определении параметров ИМВ нами приняты три вида аппаратов: многоступенчатая установка прямоточного типа с общей рециркуляцией рассола (рис. 3.5) и многоступенчатая установка с охлаждением на трех ступенях и регенерацией (рис. 3.6). Такой подход к выбору метода исследования объясняется тем, что это позволяет в более полной мере проанализировать все тепловые потоки, участвующие в процессе термического обессоливания. В основу анализа положена модель одной ступени ИМВ, так как все установки компонуются из необходимого числа аналогичных ступеней. Использование уравнений массового и солевого баланса для одноступенчатой схемы упрощает математическое описание процесса обессоливания и позволяет определить величину коэффициента относительной выработки на установке. Уравнения солевого и материального баланса имеют вид Энергетический баланс в головном подогревателе и конденсаторе представлен уравнением Величина теплопередачи в головном подогревателе и конденсаторе определяется выражениями Grnrn = krn FrnAtrn и Одгвп = кК FKAtK. Тогда коэффициент относительной выработки равен dH = — —-. Температурный перепад в ступени АТСТ = Т0 — Тр, а величина Т0 - ti равна сумме температурного перепада в ступени, термодинамических потерь (недогрев и депрессия) Atn0T, а также перепада температур на конденсаторе AtK, так что Т0- ti= АТСТ + Atn0T + AtK, откуда находим коэффициент d„ для одной ступени установки Расчеты показали, что одноступенчатое исполнение ИМВ термодинамически и экономически не эффективно, поэтому нами рекомендуются к использованию на ТЭС аппараты прямоточного типа (рис. 3.5), для которых удельный коэффициент выработки d„ 6.
Установлено, что, так как в многоступенчатой ИМВ не используют для удаления излишков теплоты в головном подогревателе охлаждающую воду, снижаются в 4-5 раз температурные перепады Atn и AtK. При одновременном увеличении значения d„ удельная поверхность нагрева в установках прямоточного типа понижается. В тоже время возрастают поверхности нагрева конденсаторов, увеличивается расход охлаждающей воды по отношению к количеству получаемого дистиллята. Снижение расхода исходной воды, поступающей в ИМВ, достигается в схемах с рециркуляцией. Такое решение сокращает расход реагентов и упрощает процессы предварительной подготовки питательной воды. Поток в тракте рециркуляции имеет более высокую температуру, чем исходная вода, что сказывается на снижении тепловых затрат в установке. В качестве простейшего решения для реализации этого процесса предлагается схема со смешиванием потоков исходной воды и рассола на выходе из последней ступени (рис. 3.5, с линией рециркуляции). В такой установке энергетические потоки в камере испарения связаны уравнением Grnrn = Gp св(Тп - tn„) + Ga св(Тд - tnB). Для головного подогревателя Grnrn = Gu св(Т0 - ti).
Общий баланс для испаряющегося рассола Gu св(Т0 - Т„) = Одгвп. Смеситель, как самостоятельный элемент установки по балансу энергетиче ских потоков описывается зависимостью Если пренебречь термодинамическими потерями в последней ступени и по С учетом последних уравнений можно найти соотношение Последнее уравнение показывает, что падение температуры испаряющейся исходной воды равно возрастанию температуры движущегося рассола в трубках конденсатора, а величина температурного перепада в конденсаторе изменяется одинаково как для многоступенчатой, так и для одноступенчатой установки. При этом удельная поверхность нагрева головного подогревателя при из г вестных значениях dH, гвп и АТП рассчитывается fr = вп Основное преимущество, достигаемое в ИМВ с рециркуляцией - повышение температуры циркулирующего рассола на последней ступени способствует снижению количества теплоты на испарение рассола и возрастанию относитель ной величины gu= —- из-за уменьшения Т0 - Т„. При применении рециркуляции растут расходы энергии на привод насосов и концентрация солей в первой ступени, что сказывается на ухудшении условий эксплуатации установки, вызванных выпадением накипи на поверхностях конденсатора и головного подогревателя. Высокое содержание солей в рассоле способствует росту термодинамических потерь.
Модернизация схемы впрыска котельного агрегата
Нами исследована работа схема впрысков в первичный пароперегреватель, показанная на рис. 4.7. Питательная вода из деаэратора двумя питательными электронасосами подаётся в напорную магистраль, которая имеет ответвление на впрыск котла. В пароохладителе первой ступени для надежного распыления воды установлена труба «Вентури».
Наличие двух впрысков на каждую ступень объясняется конструктивным исполнением котельного агрегата (два потока пара). Вода на впрыск подается из на-порной магистрали питательных электронасосов с давлением Рпн = 21 мПа. На регулирующих клапанах впрыска 1 -ой и 2-ой ступени перепад давления АРкл = 6,5- 7,0 МПа при работе котла на постоянном давлении. При пусках и остановках, а также в режиме скользящего давления перепад на клапанах возрастает еще в 2-ь2,5 раза. Оптимальное значение перепада давления на клапанах, при котором может выполняться необходимая при регулировании перегрева пара зависимость GBn = ДАРкл), составляет 1,0- 2,0 МПа. Таким образом, давление питательной воды, подаваемой на клапана регулирования впрыска, должно быть понижено на 5,0+6,0 МПа.
Высокое давление (Рпв = 21 МПа) и недогрев питательной воды до температуры насыщения (іпв = 245 С ) сокращают расход впрыска по условиям работы клапанов регуляторов температуры перегрева пара, поэтому расход по ступеням впрыска на номинальном режиме работы котла в действующей схеме впрыска составляет Gr = 30 т/час, G и — 5 т/час. К достоинствам узла регулирования, подающего на впрыск питательную воду, можно отнести более простую систему регулирования температуры перегрева пара. Однако питательная вода, идущая на впрыск, имеет температуру значительно ниже температуры насыщения, что вызывает нарушения в работе узлов пароохладителя. На рис. 4.8 показано состояние форсунки впрыска, снятой с котла №7 Приморской ГРЭС при его ремонте. На фотографии ясно видны последствия работы форсунки в условиях большого температурного перекоса, а также существенного перепада давления.
Результатом перечисленных недостатков является невыполнение требований, предъявляемых к автоматическим системам регулирования температуры пара [42], а именно: не гарантируется устойчивая работа автоматических регуляторов; не поддерживается заданная температура пара на выходе из котла при нагрузке (70ч-100)%, с максимальным отклонением менее 1% от её номинального значения.
Нами установлено, что увеличение температуры воды впрыска одновременно с увеличением надежности работы системы впрыска позволяет повысить расход впрыска и изменить режим работы пароперегревателя [26].
Для регулирования температуры первичного пара на блоках 210 МВт используется два типа клапанов: игольчатые и поворотные. Из-за недостаточно эффективной конструкции клапанов и высокого перепада давления расход воды достигает максимума уже при 30 % открытия клапанов впрыска. Наличие у регулятора впрыска "мертвой зоны", возникающей за счет люфтов в самом исполнительном механизме и в узлах клапана, затрудняет стабилизацию температуры пара в автоматическом режиме регулирования, поскольку наблюдаются дополнительные выбеги по температуре перегретого пара. Игольчатые и поворотные клапаны часто выходят из строя из-за интенсивного износа рабочих частей, что снижает надежность процесса регулирования.
Эта проблема требует решения, так как вынужденные простои оборудования из-за выхода из строя клапанов приносят убытки Приморской ГРЭС, особенно в пусковых режимах (расход условного топлива на один пуск составляет более 90 тут). Из-за неустойчивой характеристики узлов системы регулирования котлов настроечные параметры регулятора температуры пара не вписываются в нормативный диапазон регулирования. В таблице П4.1 (приложение 2) приведены результаты испытаний котлов, которые показывают, что отклонение температуры перегрева пара при ручном регулировании может составлять от 10 до 20 С. Установлено, что из-за имеющихся отклонений температуры острого пара (в ос- новном из-за его недогрева) наблюдается перерасход условного топлива на всех котельных агрегатах Еп-670-140Ф Приморской ГРЭС.
Анализ способов регулирования температуры пара показал, что возможна модернизация линии впрыска с одновременным изменением характеристики клапанов-впрыска.
Рассмотрены два наиболее простых и надежных варианта модернизации линии впрыска. Первый вариант (рис.4.9) предусматривал перенос местазаборапи-тательной воды за клапана регулятора питания, при этом почти два раза понизилась величина перепада давления на клапанах впрыска. Однако это решение не позволило наладить работу регулятора и отказаться от режимаручного регулирования температуры пара. Модельными исследованиями было установлено, что АСР имеет высокий коэффициент усиления и большое время запаздывания, при этом устойчивый процесс регулирования можно получить только за счет значительного увеличения температуры воды, подаваемой на впрыск. На внедренной схеме необходимого в переходных процессах изменения нагрузки увеличения расход воды на впрыск добиться не удалось из-за высокого гидравлического сопротивления тракта.
