Содержание к диссертации
Введение
1 Опыт эксплуатации пылеугольных паровых котлов при проблемах шлакования и загрязнения поверхностей нагрева и методы их очистки
1.1 Анализ причин повреждения котельных агрегатов в процессе эксплуатации
1.2 Влияние шлакования и загрязнения поверхностей нагрева на надежность работы котельных агрегатов
1.3 Существующие методы борьбы со шлакованием и загрязнением поверхностей нагрева
1.4 Описание объектов исследований 36
1.4.1 Описание котла П-67 (Пп-2650-255) Березовской ГРЭС 36
1.4.2 Описание котла П-57 (Пп-1650-255) Рефтинской ГРЭС 40
1.4.3 Описание котла ГЖ-39 (Пп-950-255) Рефтинской ГРЭС 41
1.4.4 Описание котла ПК-38 Назаровской ГРЭС 43
1.5 Основные характеристики и экспертная оценка шлакующих и загрязняющих свойств углей
1.6 Постановка цели и задач исследования 58
2 Разработка методики исследования процессов шлакования и загрязнения поверхностей нагрева пылеугольных котельных агрегатов 59
2.1 Разработка методики и алгоритма определения интенсивности шлакования и загрязнения поверхностей нагрева паровых котлов в режиме реального времени 59
2.2 Формирование исходных данных, необходимых для определения интенсивности загрязнения полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева 62
2.3 Методика проведения комплексных испытаний, измерений и обработки опытных данных
2.4 Результаты применения усовершенствованной методики и алгоритма оценки тепловой эффективности на объектах исследований
2.5 Выводы 72
3 Экспериментально-расчетные исследования интенсивности шлакования и загрязнения поверхностей нагрева пылеугольных паровых котлов 73
3.1 Исследование зависимости тепловой эффективности конвективных поверхностей нагрева от температуры газов
3.2 Влияние температуры газов и температуры рабочей среды (температура стенки) на интенсивность загрязнения полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева 75
3.3 Влияние температуры и скорости газов на интенсивность загрязнения полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева
3.4 Влияние конструктивных характеристик поверхностей нагрева и средств очистки на динамику шлакования и загрязнения поверхностей нагрева 85
3.5 Влияние качества угля на коэффициент тепловой эффективности поверхности нагрева
3.6 Оценка погрешности результатов экспериментальных исследований 92
3.7 Выводы 93
4 Разработка рекомендаций и мероприятий для обеспечения и повышения тепловой эффективности поверхностей нагрева 105
4.1 Использование результатов исследований тепловой эффективности поверхностей нагрева в практике решения проектных задач
4.2 Разработка алгоритмического и технологического обеспечения для технической диагностики процессов шлакования и загрязнения полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева в режиме реального времени
4.3 Разработка алгоритма прогнозирования периодичности проведения обдувки полурадиационных поверхностей нагрева
4.4 Практическое применение методического, алгоритмического и программного обеспечения для оценки эффективности очистки полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева котла П-67 108
4.5 Практическое применение методического, алгоритмического и программного обеспечения для оценки эффективности очистки конвективных поверхностей нагрева котла ПК-38 109
4.6 Выводы 112
Основные результаты и выводы 114
Список использованных источников 117
Приложение 1 125
Приложение 2 127
Приложение 3 133
Приложение 4 135
- Влияние шлакования и загрязнения поверхностей нагрева на надежность работы котельных агрегатов
- Формирование исходных данных, необходимых для определения интенсивности загрязнения полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева
- Влияние температуры газов и температуры рабочей среды (температура стенки) на интенсивность загрязнения полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева
- Разработка алгоритма прогнозирования периодичности проведения обдувки полурадиационных поверхностей нагрева
Введение к работе
Вопросы шлакования и загрязнения поверхностей нагрева паровых котлов сохраняют свою актуальность, несмотря на многочисленные исследования, а также большой опыт проектирования и эксплуатации котельного оборудования при сжигании различных углей. Интерес к проблеме образования отложений в газовом тракте котлов обусловлен наряду с наличием традиционных причин, также необходимостью постановки и решения новых задач. Традиционные проблемы характеризуются большим экономическим ущербом, связанным с образованием отложений из-за несовершенства конструкций котлов, методов их расчета и контроля. К числу новых задач относятся: освоение новых и нетрадиционных технологий сжигания топлива; улучшение экологических показателей путем изменения качества топлива, применением добавок и угольных смесей; сжигание непроектных углей, необходимость управления системами комплексной очистки поверхностей нагрева.
Статистический анализ видов и причин отказов паровых котлов при сжигании твердых органических топлив показывает, что одной из основных причин аварийных остановов котельных агрегатов является низкая надежность работы полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева, вследствие интенсивного шлакования и загрязнения с ростом температур по газовому тракту котлов. В первую очередь это вызвано особенностями компоновки и жесткими температурными условиями работы поверхностей нагрева. В связи с этим существенно возрастает роль научно-обоснованного подхода при выполнении проектных расчетов, наладке и технической диагностике эксплуатационных режимов полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева паровых котлов.
Одним из определяющих факторов эффективного проектирования современных энергетических котельных агрегатов является нахождение рациональных конструктивных характеристик и компоновочных решений поверхностей нагрева, обеспечивающих высокий уровень их тепловой эффективности при работе средств очистки и надежность эксплуатации. Выбор таких решений зависит во многом от вида сжигаемого топлива, характера теплообмена, ряда конструктивных и режимных параметров.
В настоящее время для оценки тепловосприятия поверхностей нагрева котельных агрегатов при решении проектных задач используется коэффициент тепловой эффективности (vj/), обобщенный по результатам стендовых и промышленных тепловых испытаний котельных агрегатов, рекомендации по выбору которого представлены в нормативном методе «Тепловой расчет котлов» (НТР). Однако, как показывает опыт эксплуатации, значения коэффициентов тепловой эффективности, полученные на действующих котельных агрегатах, значительно отличаются от рекомендованных нормативных значений, что как следствие приводит к повышению проектных рисков и ограничению номинальной паропроизводительности котлов вследствие превышения температур металла труб поверхностей нагрева. В этой связи работа по исследованию и определению тепловой эффективности полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева при различных конструктивных и режимных параметрах работы
паровых котлов при сжигании твердых органических топлив является особенно актуальной.
Объект исследования — полурадиационные и конвективные поверхности нагрева пылеугольных котельных агрегатов П-67 Березовской ГРЭС, П-57 и ПК-39 Рефтинской ГРЭС, ПК-38 Назаровской ГРЭС, БКЗ-500-140 Красноярской ТЭЦ-2, БКЗ-220-100Ф Улан-Удэнской ТЭЦ-1 и Читинской ТЭЦ-1, ТП-87м Кемеровской ГРЭС.
Предметом исследования являются характеристики тепловой эффективности поверхностей нагрева пылеугольных паровых котлов.
Научная новизна работы:
Усовершенствованы методика и алгоритм определения интенсивности шлакования и загрязнения поверхностей нагрева в режиме реального времени в части оценки коэффициентов теплопередачи чистой и загрязненной поверхности теплообмена, учитывающие конструктивные и режимные особенности как отдельной поверхности, так и котла в целом, что обеспечивает адекватную оценку показателей тепловой эффективности полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева пылеугольных паровых котлов.
Получены многофакторные экспериментальные зависимости интенсивности шлакования и загрязнения полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева паровых котлов от химического состава минеральной части сжигаемых топлив, температуры газов и рабочей среды, паропроизводительности котла и конструктивных параметров исполнения поверхности нагрева, что позволяет повысить точность и достоверность поверочно-конструкторских расчетов котельных агрегатов.
Разработаны методика прогноза процесса шлакования и алгоритм применения средств очистки полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева от наружных отложений в режиме реального времени при различных режимах работы котла, основанные на анализе данных оперативного контроля показателей тепловой эффективности до и после использования обдувочных аппаратов, что позволяет повысить надежность и экономичность эксплуатации котла, а также эффективность применяемых средств очистки.
Практическая значимость работы:
Разработано и внедрено в практику (котельный агрегат П-67 Березовской ГРЭС-1) алгоритмическое и программное обеспечение для оценки интенсивности шлакования и загрязнения поверхностей нагрева котлов в режиме реального времени, что позволяет снизить затраты на проведение котлоочистных мероприятий, повысить экономичность и надежность работы оборудования.
Создан банк данных значений коэффициентов тепловой эффективности полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева при сжигании широкого класса углей на котлах разных типов, практическое использование которого позволяет повысить точность определения площади поверхности нагрева с обеспечением необходимого регулировочного диапазона при создании новых, а также модернизации, реконструкции и наладке действующих паровых котлов.
Усовершенствована система технической диагностики процессов шлакования и загрязнения полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева
в режиме реального времени, позволяющая определить уровень загрязнения как отдельной поверхности нагрева с учетом их индивидуальной компоновки, так и котла в целом, а также обеспечить оптимальный режим их очистки. Основные положения, выносимые на защиту:
Методика и алгоритм оперативного определения интенсивности шлакования и загрязнения поверхностей нагрева паровых котлов.
Экспериментально-расчетные зависимости для оценки коэффициентов тепловой эффективности поверхностей нагрева от конструктивных и эксплуатационных параметров работы котла при стационарных и нестационарных режимах, в том числе при работе средств очистки.
Система технической диагностики процессов загрязнения и шлакования поверхностей нагрева в режиме реального времени и управления обдувочными аппаратами.
Алгоритм оперативного контроля и прогнозирования тепловой эффективности полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева пылеугольных паровых котлов и оптимизации работы средств их очистки.
Личный вклад автора состоит в совершенствовании алгоритмического и программного обеспечения для оценки интенсивности шлакования и загрязнения поверхностей нагрева котлов; в организации и проведении балансовых испытаний котлов П-67 (ст. №№1, 2) Березовской ГРЭС, П-57 (ст. №9) и ПК-39 (ст. №6) Рефтинской ГРЭС, ПК-38 (ст. №№1-6) Назаровской ГРЭС и др., проведении вычислительных и натурных экспериментов, формулировании основных выводов.
Влияние шлакования и загрязнения поверхностей нагрева на надежность работы котельных агрегатов
Эффективность и надежность работы современных энергетических котлов, работающих на твердом топливе, во многом определяется интенсивностью протекания процессов шлакования различных поверхностей нагрева. Среди традиционных причин аварийной работы котлов по условиям шлакования и загрязнения является нестабильный топливный баланс электростанций, освоение новых углей и технологий их переработки, отсутствие или неполнота сведений для ряда используемых топлив. Интенсивное загрязнение поверхностей нагрева оказывает влияние на снижение коэффициента полезного действия котельного агрегата и его установленной мощности, уменьшение срока межремонтного периода и увеличение затрат на расшлаковку поверхностей нагрева. В настоящее время определение пути решения указанной проблемы возможно лишь при рассмотрении всех взаимосвязей факторов, определяющих процесс образования и роста золовых отложений на основе их системного анализа по положениям различных теорий и гипотез.
Базовой работой, положившей начало большому циклу различных исследований в этом направлении, является монография [3], в которой сделана качественная оценка процесса массопереноса твердой фазы в газе под воздействием различных сил, и показано, что интенсивность загрязнения подчиняется экспоненциальному закону согласно уравнению т = m0e kT, где т0- поток загрязнений, падающий на чистую поверхность нагрева в момент времени т = 0; к- коэффициент пропорциональности, зависящий от величины теплового радиационного потока др, проходящего через слой отложений, коэффициента теплопроводности Х3 и удельного веса у3 загрязнений. Установленная зависимость сформулирована на основе системы уравнений, описывающих молекулярный перенос для процессов теплопроводности, вязкости и диффузии в газах и жидкостях (уравнения Фурье, Ньютона, Фика в одномерной постановке). Впервые была предпринята попытка дать математическое описание сил термофореза Fm, светового давления Fc, электростатического F3 и межмолекулярного FM притяжения, гравитационных F, и турбулентных пульсаций Fn. Особую ценность в работе имеют аналитические зависимости изменения коэффициентов теплопроводности отложений от химико-минералогического состава топлива, температуры сжигания в топке, темпа нагрева и аэродинамики пылеугольного факела, состава топочной среды, тонины помола и температуры поверхности труб.
Влияние направления и скорости газового потока, фракционного состава золовых частиц на коэффициент загрязнения сыпучих отложений конвективных поверхностей в зависимости от конструктивных характеристик их исполнения (диаметра труб, шага между трубами, типа трубного пучка и места его расположения) рассмотрены в [4]. Выявлены закономерности, изложеные в виде численных соотношений и номограмм. Универсальной характеристикой образования отложений на взгляд авторов является температура стенки, при достижении которой возникают плотные загрязнения золой и шлаком на лобовой поверхности труб, определяемой по эмпирической формуле: Кот = 554-5,8со,+1,7 ,,, С, где со,- скорость газов; du- наружный диаметр труб. Отмечается, что формула вполне работоспособна для диапазонов: температуры газов /, =600-1200 С; юг=5-20 м/с; /,,=32-57 мм. При этом повышение температуры газов на 100 С приводит к росту teojll приблизительно на 30 С. Из предложенного соотношения видно, что с ростом скорости газа и уменьшением диаметра труб создаются более благоприятные условия для оседания мелких фракций золы, которые значительно активней в отношении процессов связывания.
Значительное развитие вопросов, связанных с изучением натрубных отложений получено в [5]. Исследованы процессы формирования различных слоев отложений, их физико-химические характеристики, фазовые превращения минеральных составляющих при упрочнении золовых отложений, процессы кристаллизации, спекания и сульфатизации кальциевых соединений в среде дымовых газов. Согласно изложенной гипотезе процесс образования отложений можно разделить на три стадии: перенос массы через пограничный слой, сцепление частиц с поверхностью нагрева и увеличение толщины слоя. Первичный слой образуется за счет щелочно-силикатных соединений, частицы которых по условиям гравитационно-термофорезно-аэродинамической сепарации первыми десублимируются на чистой поверхности нагрева. Формирование промежуточного слоя во многом определяется селективным отложением легкоплавких эвтектик. Причинами неравномерного распределения по слою легкоплавких элементов являются следующие факторы: а) более высокий удельный вес или более высокая теплопроводность окислов этих элементов по сравнению с этими же показателями у окислов Fe203, А1гОг, CaO, MgO, R20; б) неравномерность распределения температуры по толщине слоя отложений. Наружный, вторичный слой отложений начинает образовываться после достижения внутренним слоем размеров, достаточных для термоизоляции трубы. Обеспечение на внешней поверхности промежуточного слоя такой температуры, при которой оседающие частицы летучей золы могут оставаться в липком состоянии, и служит определяющим фактором для инициализации дальнейшего роста отложений, называемых вторичными. Обобщением результатов всех вышеперечисленных исследований явля ется работа [6], в которой экспериментально на примере сжигания канско ачинских углей доказано влияние особенностей состава минеральной части топлива, конструктивных характеристик элементов котельного агрегата, аэро динамики факела и температуры газов в его ядре на процесс шлакования. Дос таточно широко представлены данные по высокотемпературному сжиганию топлив разного качества в топках с жидким шлакоудалением. Показано, что при таких условиях переработки угля происходит деструкция и выгорание се ры, которая в свою очередь приводит к образованию в основном рыхлых на трубных отложений, легко поддающихся удалению в процессе паровой или водяной обдувки загрязненных поверхностей нагрева. Условия для протека ния процесса сульфатизации становятся неблагоприятными для взаимодейст вия сернистого ангидрида и золы. Если ранее склонность летучей золы к сульфатизации оценивали по приросту в весе или по увеличению S03 в про бах, прокаливающихся в лабораторных печах, а также по сопротивлению при сжатии образцов спрессованной летучей золы после прокаливания их в среде S02, то в данном подходе доказано, что наиболее объективной величиной сте пени сульфатизации следует считать параметр KSOs = [S03 ]д /(\,428СаО + \,9S6MgO + 0,85К2О +1,29 Wa20), представляющей отно шение действительного содержания S03 в пробах к теоретически возможному, которое рассчитывается по содержанию активных по отношению к S02 оки слов, предполагая, что они полностью могут сульфатизироваться.
Формирование исходных данных, необходимых для определения интенсивности загрязнения полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева
Ступенчатое сжигание топлив (с золой кислого состава) с избытками воздуха в основных горелках, меньшими единицы, приводит к снижению Тшл и усилению шлакующих свойств топлива. Последнее особенно заметно при снижении Тшл на 15 С по отношению к базовой зависимости.
Предельно допустимое значение температуры на выходе из топки опре-деляется как Тт = Тшл +АТ. Расчетная прибавка AT, также как и Тшл, зависит в основном от состава минеральной части топлива, но в определенной степени могут оказывать влияние содержание пиритной серы и адиабатическая температура сгорания топлива.
При сравнительно небольших значениях рейтингового параметра Rca (не более 0,4) предельно допустимое значение температуры на входе в конвективную шахту котла оценивается в зависимости от К/О. При больших значениях Rca допустимое значение этой температуры целиком определяется интенсивностью образования сульфатно-кальциевых отложений.
В настоящее время в качестве борьбы с интенсивным загрязнениям и шлакованием в процессе эксплуатации паровых котлов существует несколько подходов к решению данных задач, которые можно классифицировать на активные и пассивные. Суть активных методов заключается в совершенствовании топочно-горелочных устройств, а также компоновки и конструктивного исполнения различных поверхностей нагрева котельных агрегатов [28-33]. В свою очередь, пассивные методы направлены на использование в пьшеугольных котлах средств очистки с комплексными системами технической диагностики. Как показала практика создания, внедрения и эксплуатации методов и средств по обеспечению тепловой эффективности поверхностей нагрева паровых котлов исходя из соотношения качества получаемого результата и стоимости реализации, наиболее предпочтительным считается комплексный подход, при котором зоны эффективной очистки поверхностей нагрева рассчитываются при проектировании котла с определением минимально допустимых поперечного и продольного шага труб конвективных поверхностей нагрева.
На сегодняшний день на существующих отечественных котлах широкое распространение борьбы с интенсивным шлакованием и загрязнением получил пассивный метод, в виде установки средств очистки поверхностей нагрева. Средства очистки были разработаны более чем столетие назад, как способ уменьшения роста отложений во время работы котельного агрегата. За это время было разработано большое количество видов средств очистки, отличающихся как конструктивом, так и выбором среды очистки (рисунок 1.13) [34-52].
Для очистки топочных экранов используются маловыдвижные (рисунок 1.15 в, г) и дальнобойные аппараты (рисунок 1.15 а, б), использующие в качестве рабочей среды воду. Маловыдвижные аппараты используют в случае шлакования в четко акцентированных зонах, одной из таких зон являются топочные экраны возле амбразур горелочных устройств. Применение дальнобойных аппаратов позволяет очищать зашлакованные зоны различной площади. В настоящий момент средства очистки постоянно совершенствуются. Например, ОКБ «Зенит» проводит опытную эксплуатацию ОВД-02 (рисунок 1.15 б). По сравнению с аппаратом ОВД-1, который эксплуатируется уже в течение 20 лет, ОВД-2 может производить очистку как всей топки, так и локальную очистку заданной зоны. Данный аппарат является аналогом немецкого аппарата WLB фирмы «Clyde Bergemann» (рисунок 1.15 а). Для очистки полурадиационных (далее ширмовых) и конвективных поверхностей нагрева применяются глубоковыдвижные аппараты обдувки (рисунок 1.15 д, ж) различной номенклатуры (рисунок 1.14), использующие в качестве рабочей среды пар.
В случае отсутствия места для установки глубоковыдвижных аппаратов очистки для конвективных поверхностей нагрева используют многосопловой аппарат, обдувочная труба которого располагается внутри котла. На рисунке 1.15 ж) представлен аппарат RK-SB, разработанный фирмой «Clyde Bergemann». Данные аппараты установлены на котле П-67 ст.№ 1 Березовской ГРЭС для очистки конвективных поверхностей нагрева.
Как показала практика, высокий эффект очистки ширмовых поверхностей нагрева достигается, когда в качестве рабочей среды применяют воду, а не пар. Однако использование в качестве рабочей среды воды приводит к быстрому разрушению оксидной пленки метала труб и впоследствии появлению свищей. В связи с этим в настоящее время в качестве борьбы с интенсивным загрязнением ширмовых поверхностей нагрева применяют средства очистки, использующие в качестве рабочей среды пар. Данные аппараты значительно снижают эффект очистки, но их использование исключает интенсивное разрушение оксидной пленки метала труб. Однако, в настоящее время фирмой «Clyde Bergemann» разработан аппарат, который в качестве рабочей среды использует как пар, так и воду (рисунок 1.15 з). Применение данного аппарата позволит повысить эффект очистки вследствие использования воды в качестве рабочего агента и повысить надежность оксидной пленки метала труб путем сокращения периодичности включения аппарата с водой.
Так же для очистки конвективных поверхностей нагрева и трубчатых воздухоподогревателей используют дробеочистку. Сущность дробеочистки заключается в том, что на поверхности нагрева конвективной шахты разбрасывается сверху стальная дробь со средним диаметром 4-5 мм. Дробь, ударяясь последовательно о трубы, сбивает с них золовые отложения. При нижнем повороте потока дымовых газов после всех поверхностей нагрева дробь собирается в свой бункер и питателем подается в подъёмный дробепро-вод на дальнейшее использование. Транспортирующей вверх средой для дроби является воздух.
В настоящее время дробеочистка используется на котлах БКЗ-500-140 ст.№4-6 Красноярской ТЭЦ-2 и ПК-38 ст.№1-6 Назаровской ГРЭС. В настоящий момент представлен широкий выбор аппаратов очистки для различных поверхностей нагрева фирмой ОКБ "Зенит" и немецкой фирмой «Clyde Bergemann». Для очистки регенеративных воздухоподогревателей используют траверсные аппараты на примере системы «DENOX», разработанной фирмой «Clyde Bergemann» (рисунок 1.15 и).
Влияние температуры газов и температуры рабочей среды (температура стенки) на интенсивность загрязнения полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева
Сульфатно-кальциевые отложения — прочные, медленно растущие отложения на конвективных поверхностях нагрева, которые при отсутствии эффективной обдувки упрочняются во времени за счет процессов сульфатизации. Сульфатно-кальциевые отложения относительно медленно упрочняются во времени, поэтому их удаление современными средствами очистки в сыпучем или рыхлом виде наиболее предпочтительно.
Отложения на базе активных щелочей образуются при сжигании "соленых" углей и при сжигании углей, рассматриваемых в настоящей работе, не встречаются.
Оценка шлакующих и загрязняющих свойств (ранжирование) углей выполнена с использованием показателей, рассчитываемых по химическому составу зольного остатка, как для отдельных проб, так и для среднего состава (по программе ВТИ-УралВТИ «Coral»). Экспертная оценка шлакующих и загрязняющих свойств энергетических топлив основывается на анализе поведения минеральной части при пылеуголь-ном сжигании и выполняется по следующим параметрам: - рейтингу топлива, дающему качественную оценку склонности топлива к шлакованию поверхностей нагрева и образованию золовых отложений; - температуре начала шлакования; - предельно допустимым значениям (по условиям шлакования и загрязнения поверхностей) расчетных реперных температур газов в котле и тепловых напряжений сечения топки. Шлакующие и загрязняющие свойства топлив определяются и оцениваются в зависимости от физико-химических характеристик топлива и состава его минеральной части (зольного остатка). В связи с тем, что угольное топливо в балансе ТЭС постепенно начинает отвоевывать доминирующие позиции у природного газа, разработка методов борьбы с интенсивным шлакованием и загрязнением поверхностей нагрева котлов остается актуальной.
В настоящее время экспертная оценка изменения качества топлива не дает возможность определить изменение тепловосприятия различных поверхностей нагрева паровых котлов. В связи с этим возникает необходимость в создании зависимости, с помощью которой определялась бы величина изменения тепловосприятия поверхностей нагрева по причине изменения качества топлива. Кроме того, опыт эксплуатации показывает, что значения коэффициентов тепловой эффективности и загрязнения, полученные на действующих котельных агрегатах, значительно отличаются от рекомендованных нормативных значений, что, как следствие, приводит к повышению проектных рисков (подтверждение гарантийных показателей) и ограничению номинальной паропроизводительности котла вследствие превышения температур металла труб поверхностей нагрева допустимых значений. В связи с этим для повышения надежности эксплуатации паровых котлов необходимо выявить и обосновать факторы, влияющие на показатели тепловой эффективности при сжигании различных топлив в зависимости от типа и конструктивных характеристик поверхностей нагрева котельных агрегатов.
Как показала практика создания, внедрения и эксплуатации методов и средств по обеспечению тепловой эффективности поверхностей нагрева паровых котлов исходя из соотношения качества получаемого результата и стоимости реализации наиболее предпочтительным считается комплексный подход, при котором зоны эффективной очистки поверхностей нагрева рассчитываются при проектировании котла с определением минимально допустимых поперечного и продольного шага труб конвективных поверхностей нагрева. Данные системы получили широкое применение не только за рубежом, но и успешно эксплуатируются на отечественных электростанциях. Например, система диагностики шлакования и автоматического управления обду-вочными аппаратами «FACOS» немецкой фирмы «Clyde-Bergemann GmbH» установлена на таких котлах, как П-67 (ст. №1) Березовской ГРЭС и ПК-39 (ст. №6Б) Рефтин-ской ГРЭС. Применение системы «FACOS» на котле П-67 (ст. №1) позволило повысить КПД на 1 % и повысить бесшлаковочную мощность более, чем на 50 МВт. Тем не менее, как показывает практика эксплуатации, в таких системах не учитьгоается ряд факторов, которые в свою очередь могут повлиять на эффективность их работы и котельного агрегата в целом. При этом высокая стоимость зарубежных систем диагностики приводит к необходимости создания отечественных систем, работающих в режиме реального времени, которые бы учитывали конструктивные особенности, как отдельной поверхности нагрева, так и их совокупности, эксплуатационные факторы и особенности работы вспомогательного оборудования.
Выбор объектов исследований объясняется: наличием большого количества развитых полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева; использованием на исследуемых котлах современных АСУ ТП, что позволяет определять изменение показателей тепловой эффективности в режиме реального времени; применением современных средств очистки от наружных отложений поверхностей нагрева, что дает возможность проводить независимую оценку эффективности проведения очистки каждой поверхности нагрева котла.
Полученные результаты экспертных оценок шлакующих свойств углей объектов исследований, подтверждаются опытом эксплуатации. Как показывает опыт, сжигания березовских, назаровских, ирша-бородинских и переясловских углей сопровождается интенсивным шлакованием и загрязнением поверхностей нагрева. Однако свойства образующихся наружных отложений при сжигании данных углей значительно отличаются между собой. Сжигание березовского угля сопровождается образованием прочных трудноудаляемых отложений. Сжигание назаровского и переясловского углей сопровождается образованием рыхлых отложений, удаление которых происходит при резких разгрузках котлов. Сжигание экибастузского угля сопровождается умеренным загрязнением поверхностей нагрева. Из-за низкого содержания оксидов железа и кальция при сжигании данного угля происходит саморасшлаковка котлов при изменении их паропроизводительности.
На основе сделанных выводов целью работы является разработка проектных, прогнозных и управленческих решений для обеспечения тепловой эффективности и эксплуатационной надежности полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева пылеугольных котлов. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Совершенствование методики, алгоритмического и программного обеспечения для оценки уровня шлакования и загрязнения поверхностей нагрева паровых котлов. 2. Проведение экспериментально-расчетных исследований по влиянию химического состава минеральной части топлива и конструктивно-режимных параметров работы поверхностей нагрева паровых котлов на интенсивность их шлакования и загрязнения. 3. Разработка проектных, прогнозных и управленческих решений по обеспечению и повышению тепловой эффективности полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева пылеугольных паровых котлов.
Разработка алгоритма прогнозирования периодичности проведения обдувки полурадиационных поверхностей нагрева
Усовершенствованы методика и алгоритм определения интенсивности шлакования и загрязнения поверхностей нагрева в режиме реального времени в части оценки коэффициентов теплопередачи чистой и загрязненной поверхности теплообмена, учитывающие конструктивные и режимные особенности, как отдельной поверхности, так и котла в целом, что обеспечивает адекватную оценку показателей тепловой эффективности полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева пылеугольных паровых котлов.
На базе усовершенствованной методики и алгоритма был разработан перечень необходимых исходных данных, требуемых для определения уровня загрязнения и шлакования как отдельной поверхности нагрева, так и котла в целом.
На основе необходимых исходных данных выбрана методика проведения экспериментально-расчетных исследований для их получения.
Использование программного обеспечения в экспериментально-расчетных исследованиях позволит оценить изменения коэффициента тепловой эффективности, как поверхности в целом, так и отдельных ее элементов в зависимости от качества топлива, режимных параметров, очистки, состояния и состава вспомогательного оборудования парового котла. Все вышеперечисленное позволит создать банк данных значений коэффициентов тепловой эффективности полурадиационных и конвективньгх поверхностей нагрева при сжигании широкого класса углей на котлах разных типов, практическое использование которого позволяет повысить точность определения площади поверхности нагрева с обеспечением необходимого регулировочного диапазона при создании новых, а также модернизации, реконструкции и наладке действующих паровых котлов.
В настоящее время для оценки тепловосприятия поверхностей нагрева котельных агрегатов при решении проектных задач используют коэффициенты тепловой эффективности (\/) или загрязнения (є), рекомендации по выбору которых представлены в «Нормах теплового расчета (НТР) паровых котлов» [22].
Величины \/ или s в НТР представлены в виде однофакторных зависимостей от температуры газов (см. рисунки 3.1, 3.2). верхностеи нагрева в зависимости от вида сжигаемого топлива и температуры газообразных продуктов сгорания топлива. Однако, как показывает опыт эксплуатации, значения коэффициентов тепловой эффективности и загрязнения, полученных на действующих котельных агрегатах рядом авторов [23], значительно отличаются от рекомендованных нормативных значений (рисунок 1.10) [17,22], что как следствие приводит к повышению проектных рисков и ограничению номинальной паропроизводительности котла вследствие превышения температур металла труб поверхностей нагрева. В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал [87-101] (в частности исследования проводимые под руководством Н. В. Кузнецовым [105]). При проведении экспериментов не создавались реальные условия, при которых эксплуатируются поверхности нагрева, а именно температура рабочей среды и температуры газов. В свою очередь применение программного комплекса TEF дает возможность выполнить оценку коэффициентов тепловой эффективности полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева в зависимости от режимных и конструктивных данных, полученных на существующих пылеугольных котлах.
На основе экспериментальных данных, полученных на объектах исследования, были построены однофакторные зависимости идентичные «нормативным» значениям. Для построения кривых, аналогичных «нормативным», использовались значения коэффициентов тепловой эффективности полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева, полученные только при номинальных нагрузках котлов. Обработка полученных результатов осуществлялась с использованием многофакторного корреляционно-регрессионного анализа экспериментальных данных. Полученные зависимости коэффициентов тепловой эффективности от температуры газов в сопоставлении с «нормативными» зависимостями представлены на рисунке 3.3.
Из рисунка 3.3 видно, что экспериментальные кривые имеют значительное отличие как друг от друга, так и от нормативных зависимостей; при этом практически все они попадают в соответствии с требованием НТР под определение «сильношлакующих» топлив. В области низких температур газов (600-700 С) отклонения в значениях коэффициентов тепловой эффективности от нормативных составляют 0,25-0,3, в области высоких температур (850-950 С) -0,45-0,5.
Во многом, такой результат объясняется тем, что исследуемый процесс носит сугубо многофакторный характер, а также то, что классификация топлив на «сильно» и «умеренно шлакующие» в нормативной трактовке требует своего развития по содержанию в минеральной части угля оксидов кальция (СаО ).
Известно, что температура среды (температура стенки) может оказывать влияние на интенсивность шлакования и загрязнения полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева паровых котлов [7]. В этой связи на котлах П-67 и П-57 были проведены специальные экспериментальные исследования с целью выявления многофакторной зависимости коэффициента тепловой эффективности от температуры газов и температуры стенки поверхности нагрева при номинальных нагрузках. В связи с тем, что величина температуры стенки поверхности является косвенной, но при этом зависящей от температур рабочей среды, было принято решение для построения зависимостей использовать температуры газов и температуры рабочей среды. При данных условиях было получено, что при постоянном значении температуры газов, но при разной температуре пара значение \[/ будет выше на той поверхности, где ниже температура рабочей среды. Данный вывод подтверждают результаты, полученные для полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева котлов П-67 и П-57. Установлено, что выявленная двухфакторная зависимость определяется типом поверхности нагрева и видом сжигаемых углей, которая с удовлетворительной точностью описывается уравнением множественной квадратичной регрессии: где &г- температура продуктов сгорания, С; t — температура рабочей среды, параметры модели. Параметры модели многофакторной зависимости для каждого типа поверхности представлены в таблице 3.1.
Анализ полученных зависимостей показывает, что для котла П-67 увеличение температуры среды на 50 С при постоянной температуре газов приводит к снижению коэффициента тепловой эффективности конвективных поверхностей нагрева на 4,5-7 % (при $г = 440-820 С, tcp = 250-530 С), для полурадиационных на 3-5 % (при Sr= 860-1190 С, 4Р= 390-500 С); для котла П-57 влияние температуры пара в конвективных поверхностях нагрева не выявлено (при г = 420-960 С, tcp — 290-520 С), а для полурадиационных увеличение температуры среды на 10 С приводит к уменьшению коэффициента тепловой эффективности на 5-6 % (при Зг= 1040-1080 С, tcp = 450-500 С).
На рисунке 3.5 представлена многофакторная зависимость \/ конвективных поверхностей нагрева котла, сжигающего березовский уголь, от температуры газов и температуры среды. Данная зависимость справедлива при скорости газов 10-11 м/с и количестве рядов z2 =20-24 шт. с применение паровой очистки. В случае, если количество рядов более z2 24 допускается разбивка данной поверхности на пакеты с допустимым числом рядов с оснащением паровой обдувкой между ними. В случае, если количество рядов по ходу газов будет значительно выше, то величина \/ поверхности будет значительно ниже в независимости от установки паровой очистки поверхности.
