Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы в области энергосбережения в котельных установках за счет использования вторичных энергоресурсов 9
1.1. Состояние проблемы в области энергосбережения в котельных установках за счет использования теплоты уходящих продуктов сгорания 9
1.2. Обзор исследований в области утилизации воды непрерывной продувки барабанных котлов 26
1.3. Выводы по обзору и задачи настоящего исследования 31
Глава 2. Влияние коэффициента избытка воздуха в уходящих газах на экономичность котлов ТЭС 34
2.1. Экспериментальные исследования энергетических котлов Безы-мянской ТЭЦ и Саранской ТЭЦ-2 34
2.2. Исследование влияния коэффициента избытка воздуха в уходящих газах на экономичность энергетических котлов ТЭС 50
2.3. Способы утилизации теплоты вентилируемого воздуха дымовых труб ТЭС 54
2.4. Выводы 66
Глава 3. Повышение экономичности котельных установок за счет конденсационных теплоутилизаторов (КТ) поверхностного типа 68
3.1. Устройство КТ поверхностного типа, установленного за паровым котлом ДЕ-10-14 ГМ Ульяновской ТЭЦ-3 68
3.2. Натурные испытания КТ поверхностного типа на Ульяновской ТЭЦ-3 72
3.3. Математическая обработка результатов натурных испытаний КТ поверхностного типа 79
3.4. Экономическая эффективность от внедрения КТ на паровом котле ДЕ-10-14ГМ Ульяновской ТЭЦ-3 96
3.5. Снижение выбросов оксидов азота за счет глубокого охлаждения газов в КТ поверхностного типа 98
3.6. Выводы 102
Глава 4. Математическое моделирование процессов теплообмена при глубоком охлаждении продуктов сгорания 104
4.1. Теплообмен при конденсации водяных паров из продуктов сгорания в КТ поверхностного типа 104
4.2. Обобщение результатов натурных испытаний КТ поверхностного типа 106
4.3. Анализ работы дымовых труб в условиях глубокого охлаждения уходящих газов в конденсационных теплоутилизаторах 114
4.4. Методика теплового расчета КТ поверхностного типа 130
4.5. КПД котлов и конденсационных теплоутилизаторов 133
4.6. Выводы 136
Глава 5. Использование вторичных энергоресурсов в газифицированных котельных установках ТЭС 138
5.1. Получение конденсата водяных паров из продуктов сгорания природного газа при их охлаждении ниже точки росы 138
5.2. Котельная без водоумягчительной установки 142
5.3. Анализ ведения водно-химического режима энергетических котлов Безымянской ТЭЦ и Саранской ТЭЦ-2 147
5.4. Методика экономического расчета потерь теплоносителя и теплоты с непрерывной продувкой энергетических котлов ТЭС 150
5.4.1. Расчет потерь теплоносителей и теплоты с непрерывной продувкой котлов среднего давления Безымянской ТЭЦ 150 ОАО "Самараэнерго"
5.4.2. Определение потерь количества воды и теплоты с непрерывной продувкой энергетических котлов Саранской ТЭЦ-2 157
5.5. Способы автоматического регулирования расхода воды непрерывной продувки барабанных котлов 168
5.6. Выводы
Основные выводы и результаты
Список литературы
Приложения
- Обзор исследований в области утилизации воды непрерывной продувки барабанных котлов
- Исследование влияния коэффициента избытка воздуха в уходящих газах на экономичность энергетических котлов ТЭС
- Математическая обработка результатов натурных испытаний КТ поверхностного типа
- Анализ работы дымовых труб в условиях глубокого охлаждения уходящих газов в конденсационных теплоутилизаторах
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие энергетики в настоящее время характеризуется значительно возросшей стоимостью органического топлива и других природных ресурсов, а также постоянно возрастающими трудностями охраны окружающей среды от воздействия энергоустановок, ТЭС и промышленных предприятий. Анализ работы котельных установок показывает, что в энергетике РФ использование органического топлива в ближайшей и отдаленной перспективе будет доминирующим. Поэтому экономия топлива, энергосбережение, охрана окружающей среды являются важнейшими задачами в области энергетики.
Особенностью современного хозяйствования в энергетике является переход к рыночным отношениям в условиях формирования ФОРЭМ, выход на который для предприятий, вырабатывающих энергию, возможен лишь при способности конкурировать, что обеспечивается за счет снижения себестоимости продукции. Для снижения себестоимости электроэнергии особое внимание уделяется малозатратным технологиям, которые могут быть внедрены в кратчайшие сроки. К ним относятся технологии повышения экономичности котельных установок ТЭС путем использования вторичных энергоресурсов.
Учитывая изложенное, разработка технологий совершенствования работы котельных установок за счет утилизации теплоты уходящих газов, горячего воздуха вентилируемых дымовых труб, снижения потерь теплоты и теплоносителя с непрерывной продувкой барабанных котлов является актуальной в области энергетики как в научном, так и в практическом отношениях.
Работа выполнена по гранту (шифр А 03-3.14-435) для поддержки НИР аспирантов ВУЗов Минобразования России, направление «Энергетика и электротехника» (тема «Повышение эффективности работы котельных установок путем глубокого охлаждения уходящих газов», № темы 909/03, 2003-2004 г.г.), а также в рамках плановых НИР СамГТУ по Договорам на проведение энергоаудита ТЭС ОАО "Самараэнерго" и ОАО "Мордовэнерго" (2002-2004 г.г.), выполненным в соответствии с Программой энергетических обследований предприятий РАО "ЕЭС России" (Постановление РАО "ЕЭС России" № 297 от 26.05.2000 г.).
Целью работы является разработка технологий совершенствования работы котельных установок ТЭС путем использования вторичных энергоресурсов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
Выполнены экспериментальные исследования энергетических котлов БТЭЦ и Саранской ТЭЦ-2, произведена оценка влияния коэффициента избытка воздуха в уходящих газах на КПД котла;
Разработан способ утилизации теплоты подогретого воздуха газоотво-дящих труб ТЭС с вентилируемым воздушным зазором;
Проведены натурные испытания конденсационного теплоутилизатора (КТ) поверхностного типа, выполнены анализ и обобщение результатов опытов, получено критериальное уравнение подобия для условий теплообмена при конденсации водяных паров из уходящих продуктов сгорания;
Получены аналитические зависимости, позволяющие рассчитывать температуру продуктов сгорания по высоте трубы, температурные поля и термические напряжения в стенках газоотводящих труб для различных условий их работы;
Разработана схема котельной без водоумягчительной установки, в которой комплексно утилизируются теплота уходящих газов, выпары атмосферного деаэратора и декарбонизатора;
Разработана методика экономического расчета потерь теплоносителя и теплоты с непрерывной продувкой барабанных котлов; произведена оценка влияния величины непрерывной продувки энергетических котлов на экономичность ТЭЦ;
Предложен способ регулирования расхода воды непрерывной продувки барабанных котлов и устройство для его реализации, обеспечивающие повышение экономичности и надежности работы котлоагрегатов.
Основные методы научных исследований. В работе использованы методы вычислительной математики, теории тепло- и массообмена, технико-экономических расчетов в энергетике. Для выполнения численных расчетов и построения графических зависимостей использовались пакеты прикладных программ Microsoft Excel и Q-Basic.
Научная новизна:
разработан способ утилизации теплоты подогретого воздуха газоотводя-щих труб ТЭС с вентилируемым воздушным зазором;
получено критериальное уравнение теплоотдачи при охлаждении уходящих газов ниже точки росы в теплоутилизаторах поверхностного типа;
получены аналитические зависимости, позволяющие рассчитывать теплообмен охлажденных ниже точки росы в КТ продуктов сгорания, движущихся в дымовой трубе;
разработана схема котельной без водоумягчительной установки, в которой комплексно утилизируются теплота уходящих газов, выпары атмосферного деаэратора и декарбонизатора;
разработана методика экономического расчета потерь теплоносителя и теплоты с непрерывной продувкой энергетических котлов ТЭС;
предложен способ регулирования расхода воды непрерывной продувки барабанных котлов и устройство для его реализации.
Практическая ценность и реализация работы. На Ульяновской ТЭЦ-3 внедрены результаты НИР "Экономия тепловой энергии за счет конденсационных теплоутилизаторов в газифицированных котельных и ТЭЦ": а) теплоутилизационная установка на базе биметаллического калорифера КСк-4-11 ХЛЗ для охлаждения ниже точки росы уходящих продуктов сгорания парового котла ДЕ-10-14 ГМ ст. № 2; б) методики и программы расчетов на ПЭВМ конденсационного теп-лоутилизатора и процесса теплообмена при движении продуктов сгорания в га-зоотводящих трубах.
На Безымянской ТЭЦ приняты к внедрению результаты НИР "Повышение экономичности барабанных котлов ТЭС": а) методика экономического расчета потерь теплоносителя и теплоты с непрерывной продувкой барабанных котлов; б) способ регулирования расхода воды непрерывной продувки барабанного котла по патенту № 2214559.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе СамГТУ и других ВУЗов РФ по специальностям "Тепловые электрические станции" и "Промышленная теплоэнергетика".
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечиваются: комплексным подходом и полнотой экспериментальных исследований; сходи-
мостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; экспериментальной проверкой предложенных технических решений в составе действующего оборудования ТЭС и длительным положительным опытом эксплуатации конденсационного теплоутилизатора на Ульяновской ТЭЦ-3. Автор защищает:
Результаты экспериментального и численного исследования влияния коэффициента избытка воздуха в уходящих газах на КПД энергетических котлов;
Способ утилизации теплоты подогретого воздуха газоотводящих труб ТЭС с вентилируемым воздушным зазором;
Обобщенные результаты экспериментальных и численных исследований процессов теплообмена продуктов сгорания в КТ поверхностного типа;
Результаты численного исследования процесса теплообмена охлажденных ниже точки росы в КТ продуктов сгорания, движущихся в дымовой трубе, направленные на создание оптимальных режимов работы газоотводящих труб;
Тепловую схему котельной без водоумягчительной установки, в которой комплексно утилизируются теплота уходящих газов, выпары атмосферного деаэратора и декарбонизатора;
Методику экономического расчета потерь теплоносителя и теплоты с непрерывной продувкой барабанных котлов;
Способ регулирования расхода воды непрерывной продувки барабанных котлов и устройство для его реализации.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в выполнении натурных испытаний энергетических котлов и теплоутилизационного оборудования, проведении численных расчетов, обработке, анализе и обобщении полученных результатов, выработке практических рекомендаций.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Научно-технических семинарах НИЛ "Теплоэнергетические системы и установки" (г. Ульяновск, УлГТУ, 20004-2002 г.г.); 3-й, 4-й и 5-й Российских научно-технических конференциях "Энергосбережение в городском хозяйстве, энерге-
тике, промышленности" (г. Ульяновск, УлГТУ, 2001, 2003, 2006 г.г.); Х-й и ХІІ-й Международных научно-технических конференциях "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Бенардосовские чтения) (г. Иваново, ИГЭУ, 2001, 2005 г.г.); Х-й и ХІ-й Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва, МЭИ, 2004, 2005 г.г.); 5-й и 6-й Международных конференциях молодых ученых и студентов "Актуальные проблемы современной науки" (г. Самара, СамГТУ, 2004, 2005 г.г.); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" (г. Новосибирск, НГТУ, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, в том числе 12 статей, тезисы 6 докладов, 7 патентов РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 157 наименований и 3 приложений; изложена на 185 страницах основного машинописного текста, содержит 46 иллюстраций и 37 таблиц.
Обзор исследований в области утилизации воды непрерывной продувки барабанных котлов
Сопоставление показателей работы конденсационных котлов контактного и поверхностного типов приведено в работе [135]. Отмечено, что за счет использования явной (то есть физической) теплоты дымовых газов и благодаря конденсации водяных паров КПД конденсационных котлов выше, чем традиционных на 15+20 %. В статье отмечена высокая эффективность и отсутствие высоких требований к качеству металла контактных экономайзеров с промежуточным теплообменником. К числу недостатков котлов с конденсационными приставками отнесены существенное аэродинамическое сопротивление установок и изготовление теплоутилизаторов из коррозионно-стойкого материала, поскольку рН конденсата составляет 3+5.
В России положительный опыт внедрения конденсационных теплоутилизаторов поверхностного типа получен институтом сантехпроект (г. Горький) и Ульяновским государственным техническим университетом, которые разработали установки утилизации теплоты уходящих газов паровых котлов типа ДЕ-10-14 ГМ при работе котельной на природном газе. Теплоутилизаторы выполнены на базе калориферов КСк-4-11 (№ 11) Костромского калориферного завода (Минстрой-дормаш), смонтированы на всасывающей стороне дымососа [63, 88].
Установка одной секции калорифера позволяет повысить производительность котла ДЕ-10-14 ГМ на 7+8 %. Температура газов на входе в экономайзер составляла 120+134 С, параметры нагреваемой воды - 5+22 С. Дополнительное аэродинамическое сопротивление, создаваемое теплоутилизатором преодолевается за счет уменьшения объема продуктов сгорания без замены дымососа. Результаты натурных испытаний теплоутилизатора на базе биметаллического калорифера КСк-4-11-02 ХЗЛ, выполненные на Ульяновской ТЭЦ-3, представлены в главе 3 настоящей работы.
При разработке установок для глубокого охлаждения продуктов сгорания необходимо обеспечить работу в "сухом" режиме наружных газоходов и дымовой трубы, а также решить вопрос возможности использования конденсата дымовых газов в системе теплоснабжения котельной.
Дымовые трубы тепловых электростанций являются важной составляющей основных сооружений ТЭС. Выход из строя одной дымовой трубы приводит к отключению значительных энергетических мощностей. Обследование дымовых труб ТЭС показало, что основные разрушения строительных конструкций происходят из-за нарушения режимов их эксплуатации и недостатков, допущенных в процессе проектирования и строительства.
Для предупреждения конденсации остаточных водяных паров в газоходах и в дымовой трубе на практике применяют байпасирование горячих газов. В теплоутилизационной установке, разработанной на Ульяновской ТЭЦ-3 [63], защита наружных газоходов и железобетонной дымовой трубы от конденсации водяных паров производится наиболее простым и надежным способом - байпа-сированием 2(Ь-30 % неохлажденных продуктов сгорания (см. главу 4 настоящей работы).
В устройстве для отопления теплицы [153] подогрев охлажденных ниже точки росы продуктов сгорания осуществляется в смесительной камере, установленной в канале отвода продуктов сгорания в атмосферу. В смесительной камере охлажденные газы перемешиваются с раскаленными продуктами сгорания, образующимися при сжигании газовоздушной смеси, подготовленной в газовой горелке. Установка в канале отвода продуктов сгорания в атмосферу смесительной камеры с подключенной к ней газовой горелкой позволяет весь поток уходящих из котла продуктов сгорания направить в конденсационный поверхностный утилизатор и тем самым повысить его теплопроизводительность. Качественную топливовоздушную смесь можно получить в горелочных устройствах, конструкции которых представлены в работах [154-157].
Для повышения надежности железобетонных дымовых труб имеется целый ряд предложений. Одним из наиболее важных следует считать разделение функций газоотводящего и несущего стволов. Газоотводящий ствол должен на дежно ограждать поток дымовых газов и противостоять воздействию повышенных температур и агрессивных компонентов. Задачей несущей конструкции является восприятие ветровых и весовых нагрузок, достигающих для высоких дымовых труб больших значений.
Устройство прижимной футеровки к железобетонному стволу не обеспечивает достаточной надежности трубы, особенно при агрессивных дымовых газах. Через футеровку может происходить фильтрация вначале газов, а по мере охлаждения и конденсации паров также и жидких веществ, которые могут проникнуть в железобетонный ствол и разрушить последний, поскольку он не рассчитан на воздействие агрессивной среды.
С целью повышения надежности железобетонных дымовых труб конструкции, ограждающие газовый поток и воспринимающие температурные напряжения, стали отделять от наружных конструкций, воспринимающих внешние нагрузки (ветровые) и собственную массу.
К числу первых предложений следует отнести схему, разработанную ОРГРЭС, по которой между футеровкой и железобетонным стволом по всей высоте создается узкий канал (ширина 100-К200 мм) и выполняются окна в железобетонном стволе для забора воздуха внизу трубы и выброса вверху [99]. Движение воздуха в этом случае осуществляется за счет естественной вентиляции при нагревании воздуха от футеровки.
Эта схема, имея преимущества по сравнению с трубами с прижимной футеровкой, не свободна от некоторых недостатков. Одним из них является контакт холодного воздуха с нагретой футеровкой, что связано с большим градиентом температур между внутренней и наружной поверхностями футеровки. Другим недостатком является отсутствие противодавления, которое могло бы воспрепятствовать проникновению газов в железобетонный ствол, а также малая интенсивность движения слабонагретого воздуха.
Следующим шагом в повышении надежности работы дымовой трубы является организация в воздушном канале принудительного движения предварительно подогретого воздуха, причем температура подогрева воздуха, подаваемого в воздушный канал дымовой трубы, принимается в зависимости от температуры наружного воздуха [102]. Разработанные способы утилизации теплоты вентилируемого воздуха дымовых труб ТЭС представлены в пункте 2.3 диссертации.
В работах [144, 148] представлены схемы газифицированных котельных установок, которые содержат контактный воздухоподогреватель и контактный экономайзер. При работе установки воздух в контактном воздухоподогревателе насыщается водяными парами до допустимого по условиям горения влагосо-держания. Дымовые газы, проходя через контактный экономайзер, охлаждаются, избыточная влага конденсируется и сливается через декарбонизатор в бак, откуда через деаэратор подается в котел или внешнему потребителю. Установка позволяет значительно увеличить производство собственного конденсата и работать без химводоочистки для подпитки системы теплоснабжения при возврате из нее более 66 % конденсата. Дополнительным эффектом является сниженный в несколько раз выброс из дымовой трубы в атмосферу оксидов азота.
Широкое распространение контактных и поверхностных конденсационных экономайзеров к традиционным котлам обусловлено, наряду с энергосбережением, также и уменьшением вредных выбросов в атмосферу, вызванным при использовании поверхностных конденсационных экономайзеров растворением в конденсате продуктов сгорания определенного количества оксидов углерода, азота и серы (если она содержится в топливе). Именно благодаря этому и снижается рН конденсата. Снижение вредных выбросов достигается также и за счет уменьшения расхода топлива.
Исследование влияния коэффициента избытка воздуха в уходящих газах на экономичность энергетических котлов ТЭС
В некоторых конструкциях железобетонных дымовых труб с целью повышения надежности их работы вместо тепловой изоляции между железобетонным стволом и футеровкой, образующей газоотводящий канал, создан воздушный вентилируемый кольцевой канал [99, 102]. Во избежание растрескивания футеровки подаваемый в воздушный канал дымовой трубы воздух подогревают в калорифере до требуемой температуры, которую принимают из условия получения допустимого перепада температур в конструкции футеровки.
На Самарской ТЭЦ дымовая труба ст. № 2 высотой 240 м конструктивно состоит из несущего железобетонного ствола и внутренней кислотостойкой футеровки, разделенных воздушным вентилируемым кольцевым каналом переменной ширины. В основании трубы (на отметке 0 м) наружный диаметр ствола равен 24,1 м, толщина его стенки - 600 мм. Внутренний диаметр в оголовке трубы равен 8,4 м. На отметке 5 м железобетонный ствол имеет два окна для газоходов размером 16700x8800 мм. Начиная с высоты 5 м дымовая труба имеет воздушный канал. На высоте 5 м ширина канала 380 мм, на высоте 25 м - 490 мм. С высотой ширина канала постепенно уменьшается, причем до //=150 м его ширина больше толщины несущего монолита трубы. На высоте 220 м толщина стенки ствола 200 мм, ширина канала 60 мм. На высоте 236,5 м в железобетонном стволе имеются 12 вентиляционных окон с ветрозащитными коробами. На отметках 56 и 176 м в железобетонном стволе и в футеровке выполнены смотровые окна размером 640x350 мм - в стволе и 400x250 мм - в футеровке.
Для защиты железобетонного ствола от коррозии необходимо, чтобы статическое давление в воздушном канале по всей его высоте было больше давления в газоотводящем канале. Разность этих давлений называют противодавлением. Противодавление создается путем поступления в воздушный канал подогретого воздуха под действием естественной тяги или принудительной вентиляции. Поэтому предусмотрены две отопительные вентиляционные установки, причем каждая установка состоит из воздухозаборной камеры, калориферной установки и вентиляторной установки. Последняя включает вентилятор та Ц4-76-10 производительностью 27000 м /ч. Но, несмотря на наличие венти ляторных установок дымовая труба ст. № 2 Самарской ТЭЦ работает на режиме естественной вентиляции с подогревом воздуха, причем работа трубы на естественной вентиляции с подогревом воздуха допускается при обеспечении противодавления между воздушным и газоотводящим каналами по высоте трубы. Возможность работы трубы на естественной вентиляции определяется по показаниям приборов. Согласно инструкции по эксплуатации дымовой трубы ст. № 2 статическое давление в воздушном канале должно быть на 5 кгс/м (50 Па) больше, чем давление в газоотводящем канале. Для контроля перепада давления установлены два прибора, находящиеся в помещении КИП дымовой трубы, датчики от них установлены в дымовой трубе на отметках 41 и 236 м.
При аварийном режиме работы, выходе из строя вентиляционной установки (если труба работает на режиме принудительной подачи подогретого воздуха) или нарушении плотности футеровки, когда приборы фиксируют нулевой перепад давления между воздушным и газоотводящим каналами, вентиляционные окна в железобетонном стволе должны быть закрыты, а неисправности футеровки или вентиляционной установки устранены в кратчайший срок. Согласно инструкции по эксплуатации дымовой трубы ст. № 2 температура воздуха, подаваемого в воздушный канал, назначается в зависимости от температуры наружного воздуха.
На отметках 41 и 236 м в дымовой трубе установлены датчики для определения перепада температур в конструкции футеровки. При перепаде температур равном 90 С на отметке 41 ми 100 С на отметке 236 м должны быть приняты меры по увеличению температуры воздуха, подаваемого в воздушный канал дымовой трубы.
Суточное количество тепловой энергии в денежном выражении, необходимое для нагрева воздуха, подаваемого в воздушный канал дымовой трубы, Т , тыс.руб/сут, определяется по формуле:
В процессе проведения энергетического обследования Самарской ТЭЦ было установлено, что температура воздуха на выходе из воздушного канала дымовой трубы равна его температуре на входе в воздушный канал, тогда суточная потеря теплоты в денежном выражении с отводимым из воздушного канала дымовой трубы подогретым воздухом будет равна Тсут .
Среднее значение величины Тсут равно (см. формулу 2.1): где 3,8 С - среднегодовая температура наружного воздуха для г. Самары; 66,2 С - температура подогрева воздуха, подаваемого в воздушный канал дымовой трубы, соответствующая tHe =3,8 С (см. табл. 2.13). Таким образом, годовые затраты на подогрев воздуха, подаваемого в воздушный канал дымовой трубы ст. № 2 Самарской ТЭЦ, в среднем составляют 2,75 10"3 365=1,004 млн.руб.
Следовательно, недостатком котельных установок, в которых дымовые газы выбрасываются в верхние слои атмосферы через дымовую трубу с воздушным каналом является то, что подогретый воздух из воздушного канала дымовой трубы отводится в атмосферу, то есть теряется его теплота. Для устранения этого недостатка предложено выходящий из воздушного канала дымовой трубы подогретый воздух направлять в короб подвода воздуха к калориферу [42, 146]. Причем с целью уменьшения охлаждения подогретого воздуха, которое может происходить при его отводе из воздушного канала дымовой трубы в короб под вода воздуха к калориферу, предложено установить в воздушном канале дымовой трубы две вертикальные перегородки, разделяющие его на две равные части, а также установить кольцевой короб отвода подогретого воздуха из одной части воздушного канала дымовой трубы в его другую часть.
Предложенный способ утилизации выходящего из воздушного канала дымовой трубы подогретого воздуха осуществляется следующим образом (см. рис. 2.3).
Математическая обработка результатов натурных испытаний КТ поверхностного типа
Газифицированные котельные установки имеют сравнительно высокие технико-экономические показатели, что обусловлено отсутствием потерь теплоты от химической и механической неполноты сгорания природного газа. Однако потери теплоты с уходящими газами значительны и составляют 16-48 %, а в установках без хвостовых поверхностей - 25 % и более при сведении теплового баланса по высшей теплоте сгорания топлива [5, 8].
Одним из путей существенного улучшения использования топлива в теп-логенерирующих установках является глубокое охлаждение (ниже точки росы) уходящих продуктов сгорания в конденсационных теплоутилизаторах (КТ) контактного или поверхностного типов. Особенно эффективно применение КТ при утилизации продуктов сгорания природного газа, что объясняется повышенным содержанием в них водяных паров (более 20 % по объему при коэффициенте избытка воздуха ос=1,0) и высоким качеством выделяющегося из продуктов сгорания конденсата водяных паров (обессоленной воды), который после дегазации (удаления растворенных в нем СОг и Ог) используется в качестве питательной воды котлов.
В настоящей главе представлены описание и результаты натурных испытаний конденсационного теплоутилизатора поверхностного типа, смонтированного в газоходе за паровым котлом ДЕ-10-14 ГМ ст. № 2 Ульяновской ТЭЦ-3.
Теплоутилизатор предназначен для более полного использования тепла уходящих газов парового котла ДЕ-10-14 ГМ ст. № 2 путем глубокого их охлаждения с целью повышения коэффициента использования топлива котельной установки. При этом тепло уходящих газов используется для подогрева сырой воды, поступающей на химводоочистку. Основным элементом теплоутилизатора является биметаллический калорифер КСк-4-11-02 ХЛЗ Костромского калориферного заво-да (площадь поверхности нагрева - 114,5 м ; площадь живого сечения - 0,685 м ). Калорифер 1 установлен в существующем газоходе 2 диаметром 0,5 м между водяным экономайзером и дымососом парового котла ДЕ-10-14 ГМ ст. № 2 Ульяновской ТЭЦ-3 (см. рис. 3.1).
Для регулирования расхода уходящих газов через КТ предусмотрен байпасный газоход 3 диаметром 0,5 м. На байпасном и существующем газоходах установлены регулирующие клапаны 4 поворотного типа, приводимые в действие исполнительными механизмами МЭО-250/25-0,25. В верхнем коробе, соединяющем существующий газоход с КТ, смонтирован люк 5 диаметром 0,45 м для осмотра и очистки калорифера. Байпасный газоход расположен на высоте 2,05 м от уровня пола и врезается в основной газоход на расстоянии 3 м от центра калорифера (от центра существующего вертикального газохода). В нижней части вертикального участка существующего газохода предусмотрен цилиндрический конденсатосборник 6 высотой 0,4 м для сбора конденсата дымовых газов и последующего непрерывного отвода его через гидрозатвор 7 в бак чистых стоков. Гидрозатвор выполнен из цилиндрического трубопровода диа метром 32 мм.
Нагреваемая вода подается в калорифер и отводится от него по трубопроводам диаметром 50 мм. Теплоутилизационная установка снабжена следующими контрольно-измерительными приборами: 1) Ртутным термометром с ценой деления 0,1 С, предназначенным для измерения температуры подогреваемой воды и установленным на трубопроводе на выходе из КТ. 2) Ртутными термометрами с ценой деления 1 С, предназначенными для измерения температуры уходящих продуктов сгорания на выходе из КТ и перед дымососом (после смешения охлажденных в КТ газов и газов, прошедших по байпасному газоходу). 3) Стандартной диафрагмой (0=50 мм), установленной на подающем трубопроводе подогреваемой воды и предназначенной для измерения ее расхода. Температура воды на входе в КТ измеряется штатным прибором U 001, установленным на тепловом щите ХВО; температура уходящих газов на входе в теплоутилизатор измеряется штатным прибором 2К-6, установленным на ГРЩУ-1; расход газа на котел определяется по штатному прибору 2К-75, а расход пара - 2К-67, установленными на ГРЩУ-1; количество конденсата водяных паров из дымовых газов измеряется мерным способом с помощью секундомера и сосудом емкостью 3 л; количество оксидов азота (NOx) в продуктах сгорания перед КТ и после него определяется переносным газоанализатором. В процессе проведения испытаний КТ производится отбор проб конденсата водяных паров из дымовых газов для проведения его химического анализа с целью решения вопроса о возможности использования конденсата в тепловом цикле котельной установки. Коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания перед КТ определяется расчетным путем по показаниям кислородомера - прибора 2К-76, установленного на ГРЩУ-1. Конденсационный теплоутилизатор работает следующим образом. Продукты сгорания природного газа после водяного экономайзера при температуре 135-И 50 С и влагосодержании 0,11-Ю, 12 кг/кг с.г. поступают в основной газоход 2 и затем разделяются на две части. Основная часть (около 80 %) продуктов сгорания по основному газоходу поступает в калорифер 1, остальная часть (около 20 %) направляется в байпасный газоход 3. В калорифере осуществляется глубокое охлаждение продуктов сгорания до 354-40 С, при этом происходит конденсация части (504-60 %) содержащихся в газах водяных паров. Влагосо-держание продуктов сгорания снижается до 0,0354-0,046 кг/кг с.г., а их точка росы становится равной 354-40 С (при 0( =1,25 / =55,24 С, см. п. 4.3 настоящей диссертации). Таким образом, полезно используются как физическая теплота продуктов сгорания, так и скрытая теплота конденсации части содержащихся в них водяных паров. На выходе из калорифера поток продуктов сгорания изменяет направление движения на 90, что способствует отделению от газов капельной влаги. Затем охлажденные продукты сгорания смешиваются с проходящими по байпасному газоходу неохлажденными газами и при температуре 654-70 С отводятся через дымовую трубу в атмосферу. Влагосодержание продуктов сгорания на входе в дымовую трубу становится равным 0,044-Ю,093 кг/кг с.г., а их точка росы -39-f45 С. Водяные пары, сконденсировавшиеся из продуктов сгорания, под действием силы тяжести поступают в конденсатосборник 6, а затем конденсат через гидрозатвор 7 отводится в бак чистых стоков котельной установки. Исходная сырая вода в количестве 204-40 т/ч при температуре 34-5 С подается в калорифер, подогревается до температуры 204-22 С и направляется на химводоочистку.
Анализ работы дымовых труб в условиях глубокого охлаждения уходящих газов в конденсационных теплоутилизаторах
При расчете экономической эффективности за счет улавливания конденсата водяных паров из продуктов сгорания Эк учтена только стоимость химически очищенной воды и не учитывалась стоимость тепловой энергии, затрачиваемой на нагревание сырой воды в количестве GK от температуры /в=3-т-7 С до /к=40 45 С.
В третьей главе диссертации (см. п. 3.4) представлен расчет экономической эффективности от внедрения КТ на паровом котле ДЕ-10-14 ГМ Ульяновской ТЭЦ-3 с учетом теплоты конденсата водяных паров, выделившегося из продуктов сгорания при их глубоком охлаждении. Стоимость тепловой энергии, затрачиваемой на нагревание сырой воды в количестве GK=450 кг/ч от 5 С до 45 С, составила 8,866 тыс.руб/год.
Анализ результатов вычислений позволяет сделать следующие выводы: 1. При номинальной паропроизводительности котла (10 т/ч) теплопроизво-дительность КТ составляет 0,48-г-0,52 МВТ (0,416 -0,445 Гкал/ч). Дополнительная экономия получена за счет улавливания конденсата водяных паров из уходящих газов в количестве 420-г450 кг/ч при температуре 43-5-47 С и снижения потребляемой электродвигателем дымососа мощности на 0,56 кВт. 2. Внедрение КТ позволяет повысить к.и.т. парового котла ДЕ-10-14 ГМ на 6,6-5-9,1 % (по высшей теплоте сгорания топлива). При номинальной паропроизводительности котла 10 т/ч Ат] =6,6-7-7,05 %. Возрастание к.и.т. котла, а также КПД теплоутилизатора при малых паропроизводительностях котла объясняется более глубоким охлаждением уходящих газов и относительным ростом при этом количества конденсата водяных паров из дымовых газов. Например, для условий проведенных испытаний при охлаждении продуктов сгорания до температуры 45,5 С из 1 м3 газов конденсируется 0,0557 кг водяных паров, а при охлаждении газов до температуры 41,5 С - 0,0701 кг, то есть на 20,5 % больше. 3. Годовой экономический эффект от внедрения КТ (в ценах на тепловую энергию, химически очищенную воду и электроэнергию на февраль 1998 г. соответственно 119,5 руб/Гкал, 4 руб/т и 0,25 руб/(кВт ч)) при номинальной паропроизводительности котла 10 т/ч составляет 212,7 тыс.руб. Срок окупаемости приведенных затрат в данное энергосберегающее мероприятие составляет 1,5-5-2,0 месяца. 4. При всех паропроизводительностях котла и на всех режимах работы КТ снижается содержание оксидов азота в уходящих продуктах сгорания на 27-4-29 %. Использование конденсата водяных паров из дымовых газов в системе теплоснабжения котельной установки обеспечивает экономию химически очищенной воды в количестве 1730-И850 тонн в год и средств (реагентов и электроэнергии) на ее приготовление. При этом сокращаются сбросы продуктов регенерации от натрий-катионитных фильтров в окружающую среду благодаря уменьшению числа регенераций. 5. Для КТ поверхностного типа впервые получены числовые значения коэффициентов теплопередачи Кт от продуктов сгорания к нагреваемой воде в условиях конденсации водяных паров из газов. При скоростях газов 1,89+3,78 м/с и плотностях орошения наружной поверхности КТ конденсатом продуктов сгорания 3,19+4,03 кг/(м ч) значения составляют 57,64+64,14 Вт/(м К). Установлено, что значения Кт в условиях конденсации водяных паров из газов превышают значения Км при сухом теплообмене для водяных экономайзеров ВТИ и ЦККБ соответственно в 4,6 и 6,8 раза. Анализ результатов экспериментальных исследований, проведенных в апреле 1999 г., позволяет сделать следующие выводы. 1) При паропроизводительности котла 8 т/ч и для случая, когда 80 % уходящих продуктов сгорания пропускалось через теплоутилизатор, теплопроизводитель-ность КТ QM составила 0,4133 МВт (0,3554 Гкал/ч) при направлении выпара ДСА-25 в атмосферу и 0,4538 МВт (0,3901 Гкал/ч) при направлении выпара в теплоутилизатор. Возрастание Q за счет утилизации выпара составило 0,0405 МВт (0,0347 Гкал/ч), при этом расход конденсата увеличился на 68 кг/ч. Теплота конденсации выпара составляет 0,0424 МВт (0,0365 Гкал/ч). 2) Суммарная экономическая эффективность теплоутилизационной установки при паропроизводительности котла 8 т/ч составляет 207,519 тыс. рублей в год. При этом экономическая эффективность за счет утилизации выпара двух ДСА-25 в количестве 68 кг/ч равна 15,192 тыс. рублей в год. 3) Теплотехнические показатели конденсационного теплоутилизатора на базе калорифера КСк-4-11-02 ХЛЗ после трех лет эксплуатации снизились на 4+5 %, что обусловлено образованием накипи на внутренних поверхностях рабочих трубок калорифера, а так же за счет уменьшения теплообменной поверхности КТ, так как в марте 1999 г. при проведении предварительных испытаний было обнаружено нарушение герметичности и одна трубка калорифера была заглушена. Расчет экономической эффективности от внедрения КТ Ульяновской ТЭЦ-3 представлен в п. 3.4 настоящей диссертации. Для снижения вредных выбросов оксидов азота в окружающую атмосферу необходимо стремиться к рациональному использованию топлива в котельных установках, так как уменьшение количества сжигаемого топлива всегда ведет к снижению загрязнения среды. Природный газ является наиболее экологически чистым топливом, однако при его сжигании концентрации токсичных оксидов азота в уходящих газах велики и составляют (в пересчете на диоксид) в среднем 2,7 тонны за один час работы электростанции с установленной мощностью 1000 МВт [8].
Использование способов снижения образования оксидов азота в топках котлов всегда целесообразнее и экономичнее, чем очистка продуктов сгорания уже после их удаления из котла. Наиболее распространенными способами снижения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания топлива являются: сжигание с малыми избытками воздуха; ступенчатое сжигание; рециркуляция продуктов сгорания; впрыскивание влаги в топку; комбинированное применение рециркуляции дымовых газов и двухступенчатого сжигания топлива. Однако эти методы обуславливают снижение КПД котлов, поэтому более эффективными следует признать способы, которые одновременно ведут к уменьшению количества сжигаемого топлива и сокращению вредных выбросов.
