автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение тепловой эффективности поверхностей нагрева мощных котельных агрегатов при сжигании шлакующих углей

На правах рукописи

ПОРОЗОВ Сергей Викторович

Повышение тепловой эффективности поверхностей нагрева мощных котельных агрегатов при сжигании шлакующих углей

05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Красноярск - 2006

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете и на Березовской ГРЭС-1

Научный руководитель:

кандидат технических наук Васильев Василий Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Скуратов Александр Петрович

кандидат технических наук Тугов Андрей Николаевич

Ведущая организация: Институт теплофизики им. С. С. Кутателадое СО РАН (г. Новосибирск)

Защита состоится 7 декабря 2006 г. в 14°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.098.05 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, г. Красноярск ул. Киренского, 26, ауд. Г224.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26, КГТУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.098.05;

факс (3912) 49-70-76 (для кафедры ТЭС)

е-таН: boiko@krgtu.ru

Автореферат разослан «7» ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Бойко Б. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В планах развития отечественной энергетики на ближайшее десятилетие предполагается увеличение выработки электроэнергии свыше 20% при росте потребления угля более чем на 40%. Рост угольной энергетики будет покрываться в основном за счет ввода энергоблоков с традиционным факельным сжиганием угля. В перспективе планируется строительство мощных угольных электростанций в зоне КАТЭКа с передачей электроэнергии в энергетически дефицитные районы Западной Сибири, Урала и Китая. Уже сегодня ставятся вопросы о замещении газа углем на бывших пылеугольных станциях в Европейской части России. Общие запасы угля Канско-Ачинского угольного бассейна, пригодные для открытой добычи, превышают 160 млрд. т. Одним из перспективных является Березовское месторождение, бурый уголь которого в связи С низкой зольностью и содержанием серы называют «экологически чистым». Близкими по характеристикам обладают угли новых Ново-Алгатского и Ключинского разрезов. Негативное отношение, препятствующее более широкому использованию этих углей в энергетике, связано с интенсивным шлакованием и загрязнением поверхностей нагрева котлов. На стадиях опытных Сжиганий березовского угля в различных котельных агрегатах, наладки, исследований и длительной эксплуатации головных котлов П-67 блоков 800 МВт Березовской ГРЭС-1 не удалось в полной мере устранить эти недостатки. Низкая тепловая эффективность поверхностей нагрева котлов привела к значительному повышению температур по газовому тракту с соответствующим снижением надежности и экономичности котельной установки с увеличением выбросов золы и оксидов азота в атмосферу. В результате вынужденной перемаркировки максимальная мощность блоков в 2000 г. была снижена на 100 МВт.

Реформирование российской электроэнергетики, связанное с преобразованием Федерального оптового рынка электроэнергии и мощности в конкурентный оптовый рынок электроэнергии и формированием розничных рынков путем отделения функций производства электроэнергии от ее передачи и сбыта, требует внимания к проблемам повышения базовой мощности, экономичности и надежности тепловых электростанций.

Цель работы - повышение бесшлаковочной мощности и экономичности крупных котельных агрегатов при сжигании шлакующих углей на основе экспериментальных исследований тепловой эффективности поверхностей нагрева котлов П-67 с применением современных средств очистки.

Основные задачи исследования:

1. Экспертная оценка качества, шлакующих, загрязняющих свойств березовского и других канско-ачинских углей и их влияния на экономичность котлов Березовской ГРЭС-1.

2. Разработка рекомендаций по модернизации комплексной системы очистки поверхностей нагрева от наружных отложений, оптимизация схем размещения обдувочных аппаратов, параметров и режимов их работы. Составление и реализация бизнес-плана.

3. Промышленные исследования тепловой эффективности поверхностей нагрева котлов П-67 при длительной эксплуатации до и после комплексной модерниза-

цни системы очистки поверхностей нагрева с повышением базовой мощности блока.

4. Разработка рекомендаций по проектированию поверхностей нагрева мощных котельных агрегатов с современными средствами очистки при сжигании шлакующих топлив.

Методы исследований Экспертная оценка изменения шлакующих и загрязняющих свойств топлива выполнялась с использованием программы «Coral», разработанной ВТИ по алгоритмам УралВТИ. Для сбора результатов испытаний использовались данные архива аналоговых сигналов современной информационной системы АСУТП ЗАО «Интеравтоматика» с тарировкой контрольных сечений по газовому тракту. Для обработки опытов применялась программа теплогидравличе-ского расчета «Тракт» (ЗиО). Визуальные оценки состояния поверхностей нагрева при работе котлов выполнялись видеозондом СибВТИ. Численные эксперименты для оценки неравномерности температурных полей на выходе из топки проводились с использованием программы «Furnace» (ВТИ). Расчеты нестационарного температурного режима металла обдувочных труб выполнялись с использованием компьютерных программ «Field» (ВТИ) и ANSYS, Бизнес-план инвестиционного проекта разрабатывался на основе рекомендованной РАО «ЕЭС России» программы «Energy-Invest».

Достоверность полученных результатов обеспечена использованием современных приборов, тестированных и широко применяемых компьютерных программ. Исследования элементного состава углей, а также химического состава их минеральной части выполнялись совместно с лабораторией СибВТИ, аттестованной Госстандартом. Промышленные исследования проводились с учетом требований к теплотехническим испытаниям котельных установок с применением современных методов сбора и обработки информации.

Научная новизна:

1. Определены критерии шлакования и загрязнения поверхностей нагрева котла П-67 с учетом изменения качества березовского и других канско-ачинеких углей.

2. Получены новые экспериментальные данные об изменении тепловой эффективности поверхностей нагрева при сжигании березовского угля, различных способах очистки и режимах работы мощных котельных агрегатов, необходимые при их проектировании и модернизации.

3. Впервые выполнен анализ нестационарного температурного режима сопловых головок глубоко выдвижных аппаратов паровой обдувки перед ширмами на выходе из топки, позволяющий выбрать параметры обдувочного пара, обеспечивающие надежность их работы.

4. Предложена новая методика расчета зон эффективной и безопасной паровой обдувки поверхностей нагрева.

Практическая значимость н реализация результатов работы: 1. Теплогидравлические расчеты котлов с учетом изменений коэффициентов тепловой эффективности поверхностей нагрева, полученных на основе экспертных оценок качества и шлакующих свойств канско-ачинских углей, позволяют разработать рекомендации по соотношению закупочных цен на топливо.

2. Данные по тепловой эффективности поверхностей нагрева котлов П-67 при длительной эксплуатации и расчеты зон эффективной обдувки легли в основу рекомендаций по модернизации проектной системы очистки топки, ширм на выходе из топки, первичного и вторичного пароперегревателей в конвективной шахте.

3. Численные исследования нестационарного температурного режима сопловой головки глубоковыдвижного аппарата на выходе из топки обосновали необходимость увеличения давления обдувочного пара для повышения надежности аппаратов.

4. Рекомендуемые коэффициенты тепловой эффективности для инженерной методики тепловых расчетов «Тракт» позволяют уточнить площади поверхностей нагрева с обеспечением необходимого регулировочного диапазона при реконструкции и создании новых котлов, предназначенных для сжигания березовского угля.

5. Разработаны рекомендации по модернизации ширмовых и конвективных поверхностей нагрева с системами очистки для существующих и проектируемых котельных агрегатов на шлакующих топливах.

6. Внедрение дополнительной системы очистки поверхностей нагрева обеспечило увеличение базовой нагрузки энергоблоков на 70 МВт и повышение КПД котлов на 0,5%.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспертной оценки качества, шлакующих, загрязняющих свойств березовского и других углей Канско-Ачинского бассейна и их влияния на экономичность котельных агрегатов.

2. Рекомендации по внедрению дополнительных средств очистки котлов П-67. Результаты расчета экономической состоятельности проекта,

3. Результаты балансовых испытаний и данные по тепловой эффективности поверхностей нагрева котлов П-67 до и после модернизации комплексной системы очистки за период свыше 15 лет.

. 4. Рекомендации по проектированию и реконструкции ширмовых и конвективных поверхностей нагрева с эффективной системой очистки.

Личный вклад автора Постановка задач, выбор методов исследований и результаты, вынесенные на защиту, представлены автором самостоятельно. Автор с момента пуска энергоблоков Березовской ГРЭС-1 совместно с наладочными и научно-исследовательскими организациями принимал творческое участие в организации и проведении балансовых испытаний котлов П-67, обработке и обобщении полученных результатов, исследовании и внедрении аппаратов комплексной очистки поверхностей нагрева, анализе результатов численного исследования неравномерности температурных полей газов на выходе нз топки и нестационарного температурного режима сопловых головок глубоко выдвижных обдувочных аппаратов. Оценка изменений качества товарного березовского угля, исследования элементного состава углей и химического состава их минеральной части проводились с Тимофеевой Н. А. Зональные расчеты топки и расчеты нестационарного температурного режима обдувочных труб выполнялись в соавторстве с Дектере-вым А. А., Васильевым В. В., Белым В. В., Назаровым М. Н. Вклад диссертанта в основные результаты по теме диссертации является определяющим. Совместные результаты представлены с согласия соавторов.

Апробация работы Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на международных научно-практнческих конференциях «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение а очистка котлов», Челябинск, 2001 г.; «Эксплуатация и модернизация энергоблоков мощностью 800 МВт», Ша-рыпово, 2002 г.; международном семинаре-совещании «Опыт внедрения новой техники и технологий в энергетике», Шарыпово, 2003 г.; Научно-техническом Совете РАО «ЕЭС России», 2003 г.; X Всероссийском научно-практическом семинаре «Обеспечение безопасности и экономичности энергетического оборудования», Санкт-Петербург, 2004 г.; IV международной научно-технической конференции Достижения и перспективы развития энергетики Сибири», Красноярск, 2005 г.; международной научно-практической конференции «Инновационная энергетика», Новосибирск, 2005 г.; международной конференции «Угольная теплоэнергетика: проблемы реабилитации и развития», Алушта, 2005.

Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 18 работах.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, библиографического списка из 103 наименований и содержит 156 страниц, включая 95 рисунков и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель диссертационной работы.

В первом разделе представлен аналитический обзор результатов опытных сжиганий березовского угля на различных котлах и применяемых систем очистки поверхностей нагрева. Выполнен анализ основных технических решений, принятых при проектировании котла П-67, а также результатов наладочных и исследовательских работ в начальный период его эксплуатации. Определены задачи и методы исследований.

Котельный агрегат П-67 впервые в России был спроектирован с комплексной системой очистки поверхностей нагрева, включающей в себя: 158 маловыдвижных паровых обдувочных аппаратов типа ОГР-У, 12 дальнобойных аппаратов водяной обдувки типа ABO, 8 глубоко выдвижных аппаратов водяной обдувки типа ОВГ, 10 мощных сопл паровой «пушечной» обдувки (ОППС) для очистки ширм на выходе из топки, 58 глубоковыдвижных аппаратов паровой обдувки типа ОГ-12 для очистки ширм горизонтального газохода первичного и промежуточного перегрева пара, дробеочистку поверхностей нагрева конвективной шахты и пневмоимпульсную очистку газоходов до электрофильтров.

В процессе освоения котла в связи низкой эффективностью и надежностью были демонтированы аппараты ABO и ОГРУ, взамен которых было установлено 20 маловьшвижных аппаратов водяной обдувки типа ОВМ, число которых увеличивалось за период с 1989 до 2000 г. до 64 штук. Пушечная обдувка ширм позволяла сократить образование глыб, падающих в холодную воронку котла, но не обеспечивала существенного повышения их тепло восприятия. Для повышения надежности аппаратов ОГ-12 была сокращена глубина выдвижения обдувочных труб с 12 до 10 м, что привело к загрязнению центральных ширм, росту температурных разверок и повышению повреждаемости металла труб. Система уникальной дробеочистки в первые годы не была принята в эксплуатацию в связи с удов-

летворительным состоянием поверхностей нагрева конвективной шахты, а в последующие годы была демонтирована без каких либо испытаний в связи с опасениями высоких потерь дроби в загрязненных пакетах конвективной шахты. Позже для очистки поверхностей нагрева конвективной шахты по проекту УралВТИ была смонтирована система водородной газоимпульсной очистки (ГИО), эффективность которой оказалась недостаточно высокой для предотвращения прогрессирующего загрязнения выходной ступени конвективного первичного пароперегревателя (КПП), пакетов промперегрева (КВП) и водяного экономайзера (ВЭ). Опытные устройства вибрационной, ультразвуковой очистки и пушечной обдувки, установленные в конвективной шахте, не дали желаемых результатов. Ежегодно в период текущих и капитальных ремонтов котлоочисты вручную очищают конвективную шахту.

В нормативном методе теплового расчета котлов и, в частности, в широко применяемой программе теплогидравлических расчетов «Тракт» используются два метода оценки загрязнения поверхностей нагрева: с помощью коэффициента загрязнения б (отношение толщины загрязняющего слоя к коэффициенту его теплопроводности) и коэффициента тепловой эффективности ф, представляющего собой отношение коэффициентов теплопередачи загрязненных и чистых труб.

Анализ основных результатов исследований теплообмена в ширмовых и конвективных поверхностях нагрева головного котла П-67 в период пусконаладочных и научно-исследовательских работ (1988-1992 гг.) с участием автора и ряда ведущих организаций России (ЗиО, Сибтехэнерго, СибВТИ, ВТИ, УралВТИ, ЦКТИ и др.) показал существенное отличие проектных н фактических коэффициентов тепловой эффективности поверхностей нагрева, а также их существенное изменение во времени.

Одной из главных причин перемаркировки энергоблоков с 800 до 700 МВт в 2000 г. стала недостаточная эффективность проектной системы очистки поверхностей нагрева, падение глыб шлака в холодную воронку, рост максимальных температур газов в поворотной камере перед выходными пакетами конвективного пароперегревателя, образование прочных отложений, снижающих тепловую эффективность и повышающих аэродинамическое сопротивление пакетов труб в конвективной шахте. Уменьшающиеся по ходу газов поперечные шаги труб поверхностей нагрева конвективной шахты способствуют забиванию нижних пакетов труб кусками прочных отложений. «Шахматная» система подвесных труб исключает оптимальное размещение паровых обдувочных аппаратов в конвекгнвной шахте.

Таким образом, результаты анализа использованных источников и опытных данных в начальный период эксплуатации котлов П-67 показали необходимость дальнейших исследований, определенных в цели и задачах диссертации.

Во втором разделе описаны изменения характеристик бурого березовского угля за весь период эксплуатации котлов П-67, в том числе наиболее подробно за последний период по данным Березовской ГРЭС-1 и СибВТИ (рис. 1). Отмечены особенности его органической и минеральной массы. Представлена методика экспертной оценки н выполнен анализ изменения шлакующих и загрязняющих свойств березовского угля и других канско-ачинских углей с расчетной сравнительной оценкой КПД котла П-67.

Декабрь Апрель Август Декабрь Апрель Август Декабрь Апрель Август 2003 2004 2004 2004 2006 ZOOS 2005 2006 2006

|—ЕГРЭС-1 » Си6ВТИ|

Рисунок 1 - Изменение низшей теплоты сгорания Березовского угля в 2003-2006 гг.

Многочисленными исследованиями подтверждено существование критической температуры газов, названной температурой начала шлакования, выше и ниже которой отложения существенно отличаются по составу, свойствам и скорости роста. Как известно, к шлакованию обычно относится процесс образования отложений при температурных условиях выше указанных критических, а к загрязнению - при более низких температурах газов. Отложения отличаются по механизму, скорости формирования, прочности, составу н условно подразделяются на следующие типы: шлаковые; прочные железистые; сульфатно-кальциевые; на базе активных щелочей и рыхлые (мелкодисперсные). Последние три типа относятся к селективно обогащенным отложениям. Из результатов экспертной оценки березовского угля среднего качества (рис. 2) следует высокий уровень образования железистых отложений в топке (Fe), низкий - натриевых (Na) и сверхвысокий - кальциевых в конвективной шахте (Са), а также сверхвысокий уровень шлакования топочных экранов (ТЭ) и ширм на выходе из топки (ПР). Температура начала шлакования березовского угля за последние годы увеличилась с уменьшением зольности (рис. 3), что при относительно небольшом изменении остальных индексов создает предпосылки для повышения бесшлаковочной мощности котла при исключении образования глыб в топочной камере, опасных для холодной воронки.

В связи с тем, что в последнее время ставился вопрос о сжигании непроектных то пли в на Березовской ГРЭС-1, был выполнен анализ шлакующих характеристик углей Бородинского, ГТереясловского разрезов, высококонцентрированной водоугольной суспензии (ВВУС) березовского угля и др. Теплогидравлические расчеты котлов с учетом изменения коэффициентов тепловой эффективности поверхностей нагрева, полученных на основе экспертных оценок качества и шлакующих свойств канско-ачинских углей, позволяют сравнить расходы топлив, КПД котла (рис. 4) и разработать рекомендации по соотношению закупочных цен на топливо.

au ш <г * I * | ж в & \ »1. [<в

Д|М«||МИ|ф»М<М ПШММ

"3

I ¿О, (а.«о

tVwcHHigqn . L-

I (S««

ttnttfliHui Ч д (0.70 %

Дмяуикя»« а у* |tuw

t„ |55 *о

I, 11W3 I <с

Беемнс

tp» •»

К( |OJW ¡1.И0 ¡SÜ

& т juno fuoa [на

I'"" d

i»i "-J _

• —1 ■ F. N. Ca —

I ft j itj

Рисунок 2 - Результаты экспертной оценки шлакования н загрязнения березовского угля по программе «Coral»

"«г

Л

-к*'Л0 11

»2005г. а 1004 г. А 2003 г. «2002г. «200tr. ■2000 г • 1908 г. ■ 1»Тг. * 199)г, • 1989г. »1988 г »1987г.

Рисунок 4 — Расчетные КПД котла П-67 при сжигании различных топлив, (%)

Третий раздел посвящен разработке рекомендаций по модернизации комплексной системы очистки поверхностей нагрева, оптимизации схем размещения обдувочных аппаратов, обоснованию параметров и режимов их работы.

Расчеты экономической состоятельности проектов, предложенных совместно с фирмой Clyde-Bergemann GmbH, позволили принять вариант внедрения дополнительного комплекса очистки, уровень дисконтированного дохода от которого с учетом стоимости топлива (франко-ТЭС), издержек эксплуатации, капитальных затрат с прогнозированными процентными ставками на заемный капитал и уровнем инфляции обеспечил приемлемые сроки окупаемости и возврата заемного капитала.

На основании бизнес плана было принято решение о дополнительном монтаже на первом котле 12 дальнобойных аппаратов водяной обдувки топки типа WLB с системой диагностики шлакования и управления аппаратами «Facos», 12 глубоковыдвижных аппаратов паровой обдувки типа RK-SL для очистки ширм на выходе из топки (Ш-2) и 76 многосопловых паровых обдувочных аппаратов типа RK-SB для очистки конвективных пакетов первичного пароперегревателя (КПП), вторич-

Рисунок 5 - Система дополнительной очистки поверхностей нагрева котла П-67

На втором котле дополнительно к существующей системе комплексной очистки было установлено 8 дальнобойных аппаратов водяной обдувки типа ОВД-1, 34 температурные вставки для диагностики шлакования с системой пирометрического контроля положения факела «ПИК-5», 12 глубоковыдвижных паровых обдувочных аппаратов типа О Г-12 (позже ИК-БЬ) для очистки Ш-2, 50 многосопловых паровых обдувочных аппаратов ОКШ для очистки КПП, КВП и 24 сопла паровой «пушечной» обдувки для очистки КПП.

Надежность и долговечность глубоковыдвижных паровых обдувочных аппаратов зависит в значительной степени от нестационарного температурного режима обдувочных труб в зоне высоких температур, поэтому до монтажа аппаратов ШС-

12 шт. WLB

БЬ на выходе из топки были выполнены расчеты, показавшие необходимость повышения давления обдувочного пара. Для определения краевых условий для решения нелинейной нестационарной задачи теплопроводности использовались результаты математического моделирования топки котла П-67. Расчеты показали, что снижение давления обдувочного пара с 2,0 до 1,0 МПа приводит к недопустимому росту максимальной температуры стенки сопловой головки (рис. 6).

Время паровой овдуми цмрч, ымн

Рисунок 6 - Расчетное изменение во времени максимальной температуры сопловой головки глубокое ыдвижно го парового обдувочного аппарата КК-ЗЬ, установленного перед ширмами на выходе из топки

Для оптимизации размещения многосопловых аппаратов КК-ЭВ в конвективной шахте по комплексной методике, учитывающей особенности алгоритмов ВТИ и С1у<1е-Ве^етапп, были выполнены расчеты зон эффективной очистки с учетом снижения динамического напора струи по глубине трубных пакетов, вектора скорости газов и эффективного динамического напора струи, связанного с прочностными свойствами отложений (рис. 7).

Рисунок 7- Расчетные зоны паровой обдувки пакетов конвективной шахты

(КПП, КВП, ВЭ)

Суммарная расчетная доля очищаемых поверхностей конвективной шахты при установленных исходных параметрах пара (0,8 МПа) не превышала 23%. Выполненные расчеты интенсивности износа труб КПП и КВП показали, что минимально допустимое расстояние до очищаемой поверхности или подвесных труб при давлении обдувочного пара 3,0 МПа составляет 340 мм при сжигании березовского угля, характеризующегося низкоабразивной золой. В связи с этим было рекомендовано установить давление 1,6 МПа с регулярным контролем локального износа с целью увеличения до 45% расчетной доли очищаемой поверхности. Контрольные зачистки труб КПП и КВП в зонах регулярной обдувки показали возможность предупреждения упрочнения слабосвязанных отложений. Паровая обдувка слабосвязанных отложений, образующихся в плотных шахматных пакетах водяного экономайзера (зазор «в свету» между трубами 21 мм против 78 мм на мощных немецких блоках) оказалась недостаточно эффективна.

В четвертом разделе описана методика и приведены результаты экспериментального исследования тепловой эффективности поверхностей нагрева при периодических балансовых испытаниях котла П-67 до и после модернизации комплексной системы очистки с повышением базовой мощности блоков. Предложены рекомендации по проектированию поверхностей нагрева мощных котельных агрегатов с современными средствами очистки при сжигании шлакующих топлнв.

В период балансовых испытаний при нагрузках блоков свыше 700 МВт котлы эксплуатировались при работе семи-восьми пылесистем, двух дымососов рециркуляции газов, трех основных дымососов н двух дутьевых вентиляторов. Система избыточного воздуха работала без сброса в атмосферу с пропуском сетевой воды через воздуховодяной теплообменник и работой четырех вентиляторов рециркуляции воздуха. Комбинированная система очистки поверхностей нагрева в основном работала в штатном оптимизированном режиме: водяная обдувка топочных экранов - 2 раза в сутки; пушечная или паровая обдувка ширм горизонтального газохода глубоковыдвижными аппаратами 1-2 раза в сутки; газоимпульсная очистка конвективной шахты - один раз в сутки; с 2003 г. паровая обдувка многосопловыми обдувочными аппаратами НК-5В и ОКШ - два раза в сутки.

Для создания базы данных каждого опыта была использована программа СибВТИ «8!теп5_<]ек», позволяющая выполнять преобразование файла с результатами запроса, сформированного в архивном модуле АСУ ТП, в отчеты н графики с возможностью простой навигации по временному диапазону. Тепловая эффективность поверхностей нагрева (у) определялась путем вариантных теппогидрав-лических расчетов по программе «Тракт». Расчеты адаптировались к результатам экспериментальных данных.

Испытания показали отсутствие существенных ограничений для увеличения базовой электрической нагрузки блоков с 700 до 770 МВт после внедрения в 2003 г. дополнительного комплекса очистки и других рекомендованных мероприятий, направленных на повышение бесшлаковочной мощности.

Паровая обдувка глубоковыдвижными аппаратами ширм горизонтального газохода два раза в сутки достаточно эффективна и приводит к снижению температуры газов в поворотной камере до 50°С (рис. 8).

»»1 775 750 725 идл 1 г^ 1\ Ю 620 всо 730 7(0 740 720 700 у* л-Л"*' 00

щ п. *С

700 0: » 4; 00 & 00 12 Ч» 16 00 20 оа а 600 а оа 4 00 & -1- 00 12:00 1® 00 2С 00 0

Мощность Блока

Температура газов в ПК перед КПП

Рисунок 8 - Характерное изменение нагрузки блока и температуры газов в поворотной камере (774 МВт)

В результате было достигнуто существенное снижение температур по газовому тракту (рис. 9).

Рисунок 9 - Температуры газов после модернизации системы комплексной очистки

(774 МВт)

На рисунках 10-12 представлены изменения во времени коэффициентов тепловой эффективности поверхностей нагрева котла ст. Ха 1 за весь период эксплуатации. Последние опыты проводились при длительном сжигании пыли «угрублён-ного» помола с увеличенной загрузкой топливом первого и второго ярусов горелок при расходе воздуха на нижнее дутье 5% от теоретически необходимого.

Рисунок 10 - Изменение коэффициентов тепловой эффективности топочных экранов и ширм первичного пара котла П-67

Рисунок 11 - Изменение коэффициентов тепловой эффективности ШВП, КПП

и КВП котла П-67

Рисунок 12 - Изменение коэффициента тепловой эффективности водяного экономайзера и коэффициента использования ТВП котла П-67

Коэффициент тепловой эффективности топки после механической очистки в 2003 г. увеличился с 0,26 до 0,34, достигая 0,387, и поддерживался в период зимнего максимума нагрузок (рис. 10). Коэффициент тепловой эффективности ширм на выходе из топки (Ш-2) после летнего останова на ремонт в 2003 г. увеличился с 0,30 до 0,45, а в период зимнего максимума нагрузок при эффективной работе глубоковыдвижных аппаратов паровой обдувки увеличивался до 0,56. Коэффициент тепловой эффективности ширм третьей ступени (Ш-3), очищаемых глубоко выдвижным и аппаратами паровой обдувки ОГ-12 завода «Ильмарине», после останова на ремонт увеличился с 0,62 до 0,71, но за период длительной эксплуатации было зафиксировано снижение коэффициентов тепловой эффективности до 0,51 при выходе из строя нескольких аппаратов. Коэффициент тепловой эффективности ширм первой ступени (Ш-1), очищаемых аппаратами ОГ-12, после останова на ремонт увеличился с 0,64 до 0,81 и за период длительной эксплуатации снижался до 0,51 в связи с низкой надежностью аппаратов.

Коэффициенты тепловой эффективности ширм вторичного пара (ШВП), очищаемые аппаратами ОГ-12, после останова на ремонт остались загрязненными (рис. 11), но после повышения параметров обдувечного пара и более частого включения аппаратов (1 раз в сутки против 1 раза в трое суток) зафиксировано повышение коэффициента тепловой эффективности с 0,4 до 0,65, а в 2005 г. до 0,71.

Коэффициент тепловой эффективности поверхностей нагрева шахматного конвективного пароперегревателя (КПП) после механической очистки увеличился с 0,31 до 0,47, но стабилизации уровня загрязнений не произошло: было зафиксировано снижение ц/ до 0,22 (рис. 11) в связи с низкой надежностью многосопловых

паровых обдувочных аппаратов КК-5В. Коэффициент тепловой эффективности шахматного конвективного вторичного пароперегревателя (КВП) после механической очистки увеличился с 0,46 до 0,53 (максимум до 0,56) и в эксплуатации мог снизиться до 0,4, но в 2006 г. после увеличения числа опор обдувочных труб аппаратов КК-БВ достигал 0,56.

Коэффициент тепловой эффективности плотных шахматных пакетов водяного экономайзера (ВЭ) после механической очистки составлял 0,68-0,75, но в период длительной эксплуатации снижался до 0,48 (рис. 12). Коэффициент использования воздухоподогревателя после эффективной мехочисткн повышался с 0,65 до

0.81. а в длительной эксплуатации вновь снижался до 0,65-0,68.

Для плотных шахматных пакетов водяного экономайзера целесообразно использование газоимпульсной очистки и дробеочистки с боковыми разбрасывателями дроби.

Длительные испытания показали, что ресурс обдувочных труб многосопловых аппаратов ШС-5В в высокотемпературной зоне (в первую очередь над КПП) не превышает одного года, поэтому для последующих котлов целесообразно применение глубоковыдвижных аппаратов паровой обдувки с изменением трассировки внешних трубопроводов и «шахматной» подвески пакетов конвективной шахты.

При проектировании новых котлов на шлакующих углях наибольшие преимущества имеет башенная компоновка с ширмовыми пароперегревателями и коридорными пакетами водяного экономайзера, очистка которых при увеличенных поперечных шагах труб (не менее 120 мм на немецких блоках мощностью 6001000 МВт) должна быть более эффективной. Глубину ширм или конвективных пакетов необходимо определять расчетом эффективного радиуса очистки по методике, предложенной автором, с учетом вектора скорости газов. Для существующих котлов П-67 предложен вариант Ь-образных ширм. При П-образной компоновке котла поперечный шаг труб водяного экономайзера целесообразно не уменьшать по ходу газов или выносить его за пределы опускного газохода, иначе неизбежно появляются скопления отложений, которые можно удалить только в период останова.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ результатов балансовых испытаний в начальный период эксплуатации котла П-67 показал существенное различие проектных и фактических коэффициентов тепловой эффективности поверхностей нагрева в связи с тем, что при проектировании, кроме нормативного метода теплового расчета котлов, были использованы результаты стендовых и недостаточных по длительности опытных сжиганий березовского угля на котлах малой мощности при отсутствии данных о росте в течение нескольких лет прочных отложений.

2. Из результатов экспертной оценки углей, поступающих на Березовскую ГРЭС-1, следует высокий уровень образования железистых отложений в топке, низкий — натриевых и сверхвысокий - кальциевых в конвективной шахте, а также сверхвысокий уровень шлакования топочных экранов и ширм на выходе из топки. Данные по шлакующим и загрязняющим свойствам березовского и других канско-ачинских углей используются для оценки изменения коэффициен-

тов тепловой эффективности при выполнении тешгогидравлических ранетов с целью формирований ценовой политики в зависимости от качества топлива, а также при подготовке опытных сжиганий на других ТЭС.

3. Установлено, что одной из главных причин перемаркировки энергоблоков с 800 до 700 МВт в 2000 г. стала недостаточная эффективность проектной системы очистки поверхностей нагрева, падение глыб шлака в холодную воронку, рост максимальных температур газов в поворотной камере перед выходными пакетами конвективного пароперегревателя, образование прочных отложений, снижающих тепловую эффективность и повышающих аэродинамическое сопротивление шахматных пучков труб в конвективной шахте. Уменьшающиеся по ходу газов поперечные шаги труб поверхностей нагрева конвективной шахты способствуют забиванию нижних пакетов труб кусками прочных межтрубных отложений с верхних пакетов,

4. Разработана и внедрена дополнительная система очистки топочной камеры, ширм на выходе из топки и поверхностей нагрева конвективной шахты. Оптимизированы схемы размещения обдувочных аппаратов, параметры и режимы их работы.

5. Впервые выполненные расчеты нестационарного температурного режима сопловых головок глубоко выдвижных обдувочных аппаратов на выходе из топки с использованием результатов математического моделирования топки позволили обосновать необходимость повышения давления обдувочного пара за счет возврата от схемы отбора пара из линии промперегрева к схеме от первого отбора турбины.

6. При эффективной системе комплексной очистки котла П-67 рекомендуется принимать следующие коэффициенты тепловой эффективности: для топочных экранов 0,3-0,4; для ширм на выходе из топки 0,45-0,55; для ширм горизонтального газохода 0,6-0,7; для поверхностей нагрева конвективной шахты: Vкпп =0,3-0,4; ^квпН),45-0,55; увэ=0,5-0,6; коэффициент использования трубчатого воздухоподогревателя - i;TBn=0,65-0,75.

7. Для новых мощных котлов, предназначенных для сжигания шлакующих углей, с целью повышения эффективности очистки рекомендуется применять башенную компоновку, использовать ширмовые поверхности пароперегревателей с поперечным шагом труб не менее 120 мм и очисткой глубоковыдвижными аппаратами, исключить «шахматную» подвеску пакетов конвективной шахты. Глубина ширм или пакетов должна определяться расчетом эффективного радиуса очистки по методике, предложенной автором с учетом вектора скорости газов. Для вынесенного водяного экономайзера целесообразно дополнительно использовать газоимпульсную очистку, дробеочистку с боковыми разбрасывателями дроби, а для воздухоподогревателя с потолочными.

8. Внедрение на основе разработанного автором бизнес-плана дополнительного комплекса очистки поверхностей нагрева котлов П-67 обеспечило увеличение на 70 МВт бесшлаковочной мощности блока и повышение КПД котла на 0,5%. Чистый дисконтированный доход составил 349 млн. руб. со сроком окупаемости 4,5 года.

Основные результаты работы представлены в следующих публикациях:

1. Порозов, С. В. Анализ технических предложений по реконструкции котла П-67 энергоблока № 3 Березовской ГРЭС-1 / Пронин М. С., Васильев В. В., Козлов С. Г., Белый В. В., Петере В. Ф„ Порозов C.B., Богомолов С. В., Дектерев А. А.//Сб. докл. III научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов». Челябинск. 2001. т. 2. с. 3-17.

2. Порозов, С. В. Очистка топочных экранов котла П-67 / Васильев В. В., Гре-беньков П, Ю., Майданик М. Н., Порозов С. В., Орлов В. Г., Никитин Н. В., Демб

3. П., Сокач Г. П., Веселов О. Н., Кукарцев С. В., Эйхман Е. В. // Электрические станции. 2002. Кя 4. с. 85-88.

3. Порозов, С. В. Системы профилактической очистки поверхностей нагрева котлов П-67 Березовской ГРЭС-1 / Порозов С. В., Кардашов А. С., Сокач Г. П., Тка-ченко В. В., Демб Э. П. // Сб. докл. Международной научно-практической конференции «Эксплуатация и модернизация энергоблоков мощностью 800 МВт». Ша-рыпово. 2002. с. 83-86.

4. Порозов, С. В. Ширмы L-образного типа на выходе из топки дня котла П-67 / Демб Э. П., Петере В. Ф., Порозов С. В. // Сб. докп. Международной научно-практической конференции «Эксплуатация и модернизация энергоблоков мощностью 800 МВт». Шарыпово. 2002. с. 87-91.

5. Порозов, С. В. Нестационарный температурный режим глубоковыдвижного парового обдувочного аппарата на котле П-67 Березовской ГРЭС-1 / Rogalla В., Messing M., Юрвес А., Белый В. В., Порозов С. В. // Сб. докп. Международной научно-практической конференции «Эксплуатация и модернизация энергоблоков мощностью 800 МВт». Шарыпово. 2002. с. 92-106.

6. Порозов, С. В. Оценка эффективности паровой обдувки КПП аппаратом ОКШ / Петере В. Ф., Порозов С. Усачев В. В., Орлов В. Г., Замышляев С. М., Хватов Н. И., Сидоренко В. Т., Ннктин Н. В., Райхель С. А., Сокач Г. П., Васильев В. В. // Сб. докл. Международной научно-практической конференции «Эксплуатация и модернизация энергоблоков мощностью 800 МВт». Шарыпово. 2002. с.107-108.

7. Порозов, С. В. Результаты математического моделирования топочной камеры котла П-67 / Васильев В. В., Дектерев А. А., Козлов С. Г., Белый В. В., Порозов С. В. // Сб. докл. Международной научно-практической конференции «Эксплуатация и модернизация энергоблоков мощностью 800 МВт». Шарыпово. 2002. с. 202-208.

8. Порозов, С. В. Результаты испытаний котла П-67 при нагрузках свыше 700 МВт / Васильев В. В., Белый В. В., Порозов С. В., Усачев В. В., Петере В. Ф., Гре-беньков П. Ю., Петров В. Н., Сокач Г. П. // Электрические станции. 2003. №7. с. 812.

9. Порозов, С. В. Опыт освоения и модернизации котлов П-67 БГРЭС-1 / Демб Э. П., Петере В. Ф., Порозов С. В. // Электрические станции. 2003. № 7. с.12-15.

10. Порозов, С. В. Системы очистки поверхностей нагрева фирмы «Клайд Берге-манн ГмбХ» / Порозов С. В., Александров А. Д., Котляревскнй В. А. // Тез. докл. Международного семинара «Опыт внедрения новой техники и технологий в энергетике». Шарыпово. 2003. с. 25-28.

11. Порозов, С. В. Реализация проекта и первый опыт эксплуатации системы очистки поверхностей нагрева фирмы «Клайд Бергеманн ГмбХ» / Белый В. В., Порозов С. В., Усачев В. В., Петере В. Ф., Савостьянов В, А., Петров В. Н., Васильев В. В., Гребеньков П. Ю., Свипок М. Н., Майданнк М. Н. // Тез. докл. Международного семинара «Опьгг внедрения новой техники и технологий в энергетике». Шары-пово. 2003. с. 41-49.

12. Порозов, С. В. Тепловая эффективность поверхностей нагрева котла П-67 блока 800 МВт / Белый В. В., Порозов С. В., Петров В. Н., Пронин М. С., Васильев В. В., Гребеньков П. Ю. II Материалы X Всероссийского научно-практического семи* нара «Обеспечение безопасности и экономичности энергетического оборудования». С-Пб. 2004. с. 112-118.

13. Порозов, С. В. Петлевая ширмовая поверхность нагрева: Патент РФ

Ха 2229655, МПК 7Р 22 В 37/00 / Демб Э. П., Петере В. Ф„ Порозов С. В Л Бюлл. №15, опубл. 27.05.2004.

14. Порозов, С. В. Исследование теплообмена в ширмовых и конвективных поверхностях нагрева котла П-67 / Порозов С. В., Васильев В. В. // Сб. докл. IV Международной научно-технической конференции ^Достижения и перспективы развития энергетики Сибири». Красноярск. 2005. с. 173-198.

15. Порозов, С. В. Диагностика шлакования и загрязнения поверхностей нагрева энергетических котлов / Белый В. В., Порозов С. В., Борисов В. Н, Петров В. Н., Васильев В. В., Гребеньков П. Ю., Назаров М. Н., Янов С. Р. // Сб. докл. IV Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития энергетики Сибири». Красноярск. 2005. с. 277-286.

16. Порозов, С. В. Результаты испытаний котла П-67 Березовской ГРЭС-1 в 2004 г. при малых избытках воздуха / Богомолов С. В., Козлов С. Г., Васильев В. В., Гребеньков П. Ю., Назаров М. Н., Свипок М. Н,, Останин Л. В., Белый В. В., Порозов С. В., Петров В. Н., Кардашов А. С., Сокач Г. П. // Сб. докл. IV Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития энергетики Сибири». Красноярск. 2005. с. 102-107.

17. Порозов, С. В. Исследование теплообмена в топочной камере котла П-67 блока 800 МВт при сжигании шлакующего березовского угля / Порозов С. В., Васильев В. В. // Сб. докл. Международной научно-практической конференции «Инновационная энергетика». ИТ СО РАН. Новосибирск. 2005.

18. Порозов, С. В. К вопросу о сжигании углей Бородинского, Переясловского разрезов и водоугольной суспензии березовского угля в котле П-67 / Васильев В. В., Тимофеева Н. А., Белый В. В., Порозов С. В. // Тез. докл. международной научной конференции «Угольная теплоэнергетика: проблемы реабилитации и развития», вып. 2, ч. 1. Национальная академия наук Украины. Институт угольных энерготехнологий. Алушта. 2005. с. 25-26.

Порозов Сергей Викторович Повьциение тепловой эффективности поверхностей нагрева мощных котельных агрегатов при сжигании шлакующих углей Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 3.11.2006. Заказ № 524 Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Типография Красноярского государственного технического университета

Введение.

1 Объект исследований, постановка задач.

1.1 Основные результаты исследований, полученные при опытных сжиганиях березовского угля.

1.2 Краткое описание котла П-67 блока 800 МВт.

1.3 Системы очистки поверхностей нагрева.

1.4 Результаты исследований теплообмена в период освоения котла Пи опыт его длительной эксплуатации.

1.5 Задачи и методы исследований.

2 Экспертная оценка качества, шлакующих, загрязняющих свойств березовского и других канско-ачинских углей и их влияния на экономичность котлов Березовской ГРЭС

2.1 Основные характеристики углей.

2.2 Экспертная оценка шлакующих и загрязняющих свойств углей.

3 Разработка рекомендаций по модернизации комплексной системы очистки поверхностей нагрева.

3.1 Бизнес-план внедрения дополнительного комплекса очистки.

3.2 Обеспечение надежности паровых обдувочных аппаратов, нестационарный температурный режим сопловой головки.

3.3 Результаты расчета зон очистки поверхностей нагрева конвективной шахты.

4 Промышленные исследования тепловой эффективности поверхностей нагрева котлов П-67.

4.1 Методика испытаний.

4.2 Результаты испытаний котла ст. № 1.

4.3 Результаты испытаний котла ст. № 2.

Основные результаты работы.

Выход российской экономики из кризиса в начале XXI века и надежды на ее последующее устойчивое развитие однозначно связываются с возрастанием спроса на электрическую и тепловую энергию.

В планах развития отечественной энергетики на ближайшее десятилетие предполагается увеличение выработки электроэнергии свыше 20% при росте потребления угля с 2005 по 2015 гг. более чем на 40% [1, 2]. Это согласуется с мировой тенденцией роста потребления угля, в частности на 25,3% за последние три года, в то время как приросты использования атомной энергии за этот период составили 3,9%, нефти - 5,9%, гидроэнергетики - 7,6%), природного газа - 9,1%) [3]. Последние данные по развитию топливно-энергетического комплекса России представлены на рисунках 1,2 [4, 5].

160.4

91.6 ЖЕ

171.1

У

1223

1073 иг

15.6

1928 213,1

200 1 г.

2005г.

2010 г.

2001 г.

2005 г.

2010г.

2015 г. пмлн. Гнал ирллрд .кВт«.м

2015 г.

Рисунок 1 - Планы выработки электрической и тепловой энергии в РФ

Пгаз □нефтетоплиео Рцтоль!

Рисунок 2 - Потребность в топливе РФ, млн. т условного топлива

В структуре относившихся к (рисунок 3).

4%

ЕЗ Кузнецкий Ш Черемховсгаш □ Азейскнй □ Забайкальский □ КАУ 9 Экибастузскнп И другиеИ МазутРГаз

Рисунок 3 - Топливный баланс тепловых электростанций Сибири

Большинство экспертов считает, что рост угольной энергетики будет покрываться в основном за счет ввода крупных котлов с традиционным факельным сжиганием угля. В перспективе планируется строительство мощных угольных электростанций в зоне КАТЭКа с передачей электроэнергии в энергетопливного баланса тепловых электростанций Сибири, ранее ОАО «Сибирьэнерго», твердое топливо составляет свыше 90%

КАУ

29% тически дефицитные районы Западной Сибири, Урала и за рубеж. В частности, РАО «ЕЭС России» и Государственной электросетевой корпорацией Китая в 2006 г. подписано соглашение о разработке технико-экономического обоснования проекта поставки электроэнергии из России в Китай в объеме около 60 млрд. кВтч в год. Этот проект предполагает широкомасштабное строительство новых генерирующих объектов, в том числе на канско-ачинских углях.

Общие запасы угля Канско-Ачинского угольного бассейна, пригодные для открытой добычи, превышают 160 млрд. т. Одним из наиболее перспективных среди добываемых открытым способом канско-ачинских углей (рисунок 4) является Березовское месторождение, бурый уголь которого в связи с низкой зольностью и низким содержанием серы часто называют «экологически чистым». Близкими по характеристикам считаются угли новых Ново-Алтатского и Ключинского разрезов, поставляемых в ограниченных количествах на Березовскую ГРЭС-1.

Негативное отношение, препятствующее более широкому использованию этих углей в энергетике, связано с интенсивным шлакованием и загрязнением поверхностей нагрева котлов. На стадиях опытных сжиганий березовского угля в различных котельных агрегатах, наладки, исследований и длительной эксплуатации специально разработанных «головных» котлов П-67 блоков 800 МВт Березовской ГРЭС-1, не удалось в полной мере устранить эти недостатки. Образование шлаковых глыб на топочных экранах, разрушающих холодную воронку, комоды и шнеки при падении, низкая тепловая эффективность ширм и конвективных поверхностей нагрева котлов привела к значительному повышению температур по газовому тракту с соответствующим снижением надежности и экономичности котельной установки, увеличению выбросов золы и оксидов азота в атмосферу. В результате перемаркировки максимальная мощность блоков Березовской ГРЭС-1 в 2000 г. была снижена на 100 МВт. ашю-НащрзаисиД

Рисунок 4 - Разрезы канско-ачинских углей (КАУ)

Реформирование российской электроэнергетики, связанное с преобразованием Федерального оптового рынка электроэнергии и мощности в конкурентный оптовый рынок электроэнергии и формированием розничных рынков электроэнергии, созданием Федеральной сетевой компании, Системного оператора,

Администратора торговой системы, реформированием региональных вертикально-интегрированных энергокомпаний (АО-энерго) путем отделения функций производства электроэнергии от ее передачи и сбыта, требует повышения внимания к проблемам надежности и экономической эффективности ТЭС [4-8].

При существующих темпах ввода генерирующего оборудования и объемов выбытия, принятых в схеме развития РАО «ЕЭС России», дефицит мощности с учетом обеспечения необходимого резерва может возникнуть к 2010 г. [9] (рисунок 5).

Рисунок 5 - Ожидаемый дефицит мощности в Российской Федерации t

Объект исследования - головной котел сверхкритического давления П-67 паропроизводительностью 2650 т/ч блока 800 МВт Березовской ГРЭС-1 с комплексной системой очистки его поверхностей нагрева.

Предмет исследования - процессы теплообмена при сжигании березовского и ряда других углей Канско-Ачинского бассейна.

Цель работы - повышение бесшлаковочной мощности и экономичности крупных котельных агрегатов при сжигании шлакующих углей на основе экспериментальных исследований тепловой эффективности поверхностей нагрева котлов П-67 с применением современных средств очистки.

Основные задачи исследования: 1. Экспертная оценка качества, шлакующих, загрязняющих свойств березовского и других канско-ачинских углей и их влияния на экономичность котлов Березовской ГРЭС-1. 2. Разработка рекомендаций по модернизации комплексной системы очистки поверхностей нагрева от наружных отложений, оптимизация схем размещения обдувочных аппаратов, параметров и режимов их работы. Составление и реализация бизнес-плана. 3. Промышленные исследования тепловой эффективности поверхностей нагрева котлов П-67 при длительной эксплуатации до и после комплексной модернизации системы очистки поверхностей нагрева с повышением базовой мощности блока.

----------------------------------------1,—- ' , иjь auuiuAd . .

Потребность в доп. мощностях, ГВт ,/ ' " L л! Г с

HI Дефицит мощности, 2010 г. ■■''"У / V'--, .- У—

H3J Дефицит мощности, 2020 г. Выбытие мощностей на 2030 г, ГВт -------

Е£Э Дефицит мощности, 2030 г. 45 экономическое 61 техническое Итого: более 300 ГВт

4. Разработка рекомендаций по проектированию поверхностей нагрева мощных котельных агрегатов с современными средствами очистки при сжигании шлакующих топлив.

Методы исследований включают в себя численные (компьютерные программы Coral, Тракт, Furnace, aFlow, Field, ANSYS, Energy-Invest) и экспериментальные исследования с использованием современной информационной системы АСУТП ЗАО «Интеравтоматика» с тарировкой контрольных сечений по газовому тракту.

Научная новизна заключается в определении критериев шлакования и загрязнения поверхностей нагрева котла П-67 с учетом изменения качества березовского и других канско-ачинских углей; получении новых экспериментальных данных об изменении тепловой эффективности поверхностей нагрева при сжигании березовского угля, различных способах очистки и режимах работы мощных котельных агрегатов, необходимых при их проектировании и модернизации; в результатах анализа с использованием математического моделирования топочного процесса нестационарного температурного режима сопловых головок глубоковыдвижных аппаратов паровой обдувки перед ширмами на выходе из топки, позволяющего выбрать параметры обдувочного пара, обеспечивающие надежность их работы; в разработке инженерной методики расчета зон эффективной и безопасной паровой обдувки поверхностей нагрева.

Практическая значимость работы заключается в следующем: результаты длительного изучения характеристик товарного березовского угля, база данных по коэффициентам тепловой эффективности котлов П-67 и рекомендации по конструкции конвективных поверхностей нагрева с учетом размещения и расчетной эффективности средств очистки используются при модернизации существующих и проектировании новых котельных агрегатов; разработка и успешное внедрение дополнительной системы очистки топочной камеры, ширм на выходе из топки и поверхностей нагрева конвективной шахты обеспечили увеличение на 70 МВт бесшлаковочной мощности блока и повышение КПД котла П-67 на 0,5%. Выполнение этой работы в комплексе с другими мероприятиями позволило к 2005 г. Березовской ГРЭС-1 стать одной из самых экономичных федеральных электростанций РАО «ЕЭС России» [10, 11].

На защиту выносятся:

1. Результаты экспертной оценки качества, шлакующих, загрязняющих свойств березовского и других углей Канско-Ачинского бассейна и их влияния на экономичность котельных агрегатов.

2. Рекомендации по внедрению дополнительных средств очистки котлов П-67. Результаты расчета экономической состоятельности проекта.

3. Результаты балансовых испытаний и данные по тепловой эффективности поверхностей нагрева котлов П-67 до и после модернизации комплексной системы очистки за период свыше 15 лет.

4. Рекомендации по проектированию и реконструкции ширмовых и конвективных поверхностей нагрева с эффективной системой очистки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ результатов балансовых испытаний в начальный период эксплуатации котла П-67 показал существенное различие проектных и фактических коэффициентов тепловой эффективности поверхностей нагрева в связи с тем, что при проектировании, кроме нормативного метода теплового расчета котлов, были использованы результаты стендовых и недостаточных по длительности опытных сжиганий березовского угля на котлах малой мощности при отсутствии данных о росте в течение нескольких лет прочных отложений.

2. Из результатов экспертной оценки углей, поступающих на Березовскую ГРЭС-1, следует высокий уровень образования железистых отложений в топке, низкий - натриевых и сверхвысокий - кальциевых в конвективной шахте, а также сверхвысокий уровень шлакования топочных экранов и ширм на выходе из топки. Данные по шлакующим и загрязняющим свойствам березовского и других канско-ачинских углей используются для оценки изменения коэффициентов тепловой эффективности при выполнении теплогидравличе-ских расчетов с целью формирования ценовой политики в зависимости от качества топлива, а также при подготовке опытных сжиганий на других ТЭС.

3. Установлено, что одной из главных причин перемаркировки энергоблоков с 800 до 700 МВт в 2000 г. стала недостаточная эффективность проектной системы очистки поверхностей нагрева, падение глыб шлака в холодную воронку, рост максимальных температур газов в поворотной камере перед выходными пакетами конвективного пароперегревателя, образование прочных от

1 ложений, снижающих тепловую эффективность и повышающих аэродинамическое сопротивление шахматных пучков труб в конвективной шахте. Уменьшающиеся по ходу газов поперечные шаги труб поверхностей нагрева конвективной шахты способствуют забиванию нижних пакетов труб кусками прочных межтрубных отложений с верхних пакетов.

4. Разработана и внедрена дополнительная система очистки топочной камеры, ширм на выходе из топки и поверхностей нагрева конвективной шахты. Оптимизированы схемы размещения обдувочных аппаратов, параметры и режимы их работы.

5. Впервые выполненные расчеты нестационарного температурного режима сопловых головок глубоковыдвижных обдувочных аппаратов на выходе из топки с использованием результатов математического моделирования топки позволили обосновать необходимость повышения давления обдувочного пара за счет возврата от схемы отбора пара из линии промперегрева к схеме от i первого отбора турбины.

6. При эффективной системе комплексной очистки котла П-67 рекомендуется принимать следующие коэффициенты тепловой эффективности: для топочных экранов 0,3-0,4; для ширм на выходе из топки 0,45-0,55; для ширм горизонтального газохода 0,6-0,7; для поверхностей нагрева конвективной шахты: Укпп=0,3-0,4; 1|/Квп=0,45-0,55; ц/Вэ=0,5-0,6; коэффициент использования трубчатого воздухоподогревателя - ^тпп=0,65-0,75.

7. Для новых мощных котлов, предназначенных для сжигания шлакующих углей, с целью повышения эффективности очистки рекомендуется применять башенную компоновку, использовать ширмовые поверхности пароперегревателей с поперечным шагом труб не менее 120 мм и очисткой глубоковыдвижными аппаратами, исключить «шахматную» подвеску пакетов конвективной шахты. Глубина ширм или пакетов должна определяться расчетом эффективного радиуса очистки по методике, предложенной автором с учетом вектора скорости газов. Для вынесенного водяного экономайзера целесообразно дополнительно использовать газоимпульсную очистку, дробеочистку с боковыми разбрасывателями дроби, а для воздухоподогревателя с потолочными.

8. Внедрение на основе разработанного автором бизнес-плана дополнительного комплекса очистки поверхностей нагрева котлов П-67 обеспечило увеличение на 70 МВт бесшлаковочной мощности блока и повышение КПД котла на 0,5%. Чистый дисконтированный доход составил 349 млн. руб. со сроком окупаемости 4,5 года. t

1. Об энергетической стратегии России на период до 2020 г. // Электрические станции. 2003. - № 7. - с. 2-7.

2. Концепция технической политики ОАО РАО "ЕЭС России". М., 2005. 58 с.

3. Robert A. Beck. Coal: The cornerstone of America's energy future. // Power. -2006. No. 5. - p. 42-46.

4. Ольховский, Г. Г. Перспективные технологии для угольных ТЭС / Г. Г. Ольховский, А. Г. Тумановский // Сб. докл. Международной научно-технической конференции: Достижения и перспективы развития энергетики Сибири. Красноярск: 2005.

5. Ольховский, Г. Г. Применение новых технологий при техперевооружении угольных ТЭС. Новые технологии сжигания твердого топлива: их текущее состояние и использование в будущем / Г. Г. Ольховский, А. Г. Тумановский // Сборник докладов. М.: ВТИ, 2001. 302 с.

6. Будущее рождается сегодня // Росэнергоатом. 2006. № 5. С. 8-10.

7. Федеральный закон "Об электроэнергетике" № 35-Ф3 от 26 марта 2003 г.

8. Разработка Концепции технической политики в электроэнергетике // Энергетик. 2005. №7. С. 6-12.

9. Материалы IV Всероссийского энергетического форума «ТЭК России в XXI веке» // Роэнергоатом. 2006. № 5. С. 8-10.

10. Баринов, В. А. Проблемы обеспечения надежности ЕЭС России в условиях развития конкурентных отношений в электроэнергетике / В. А. Баринов, Г.

11. А. Волков, А. С. Маневич // Электрические станции. 2005. № 8. С. 5-16.

12. Белый, В. В. ТЭК Красноярского края. ОАО "Березовская ГРЭС-1". Перспективы развития / В. В. Белый, В. Ф. Петере, В. А. Савостьянов // Электрические станции. 2003. № 12. С. 28-30.

13. Топки. Загрязнение поверхностей нагрева. Переводы с английского и немецкого. M-JL: Госэнергоиздат. 1957. С. 60.

14. Кузнецов, Н. В. Загрязнение золой поверхностей нагрева / Н. В. Кузнецов, А. 3. Щербаков // Теплоэнергетика. 1954. № 1. С. 33.

15. Кузнецов, Н. В. Рабочие процессы и вопросы усовершенствования конвективных поверхностей котельных агрегатов / Н. В. Кузнецов // M.-JI.: Госэнергоиздат, 1958.

16. Эпик, И. П. Влияние минеральной части сланцев на условия работы котло-агрегата / И. П. Эпик // Эстонгиз. Таллин. 1961. С. 250.

17. Вдовенко, М. И. Влияние минеральной части энергетических углей на рабо-t ту котлоагрегатов / М. И. Вдовенко, В. С. Бадакер, Н. Б. Киселев и др. // Алма-Ата.: Наука. 1990. 148 с.

18. Маршак, 10. J1. Основные положения проектирования парогенераторов для сжигания березовского угля /10. JI. Маршак, Н. В. Кузнецов, Э. П. Дик и др. //Теплоэнергетика. 1976.№6. С. 18-23.

19. Дик, Э. П. К вопросу шлакования паровых котлов мощных энергоблоков Э. П. Дик, В. И. Доброхотов, И. Я. Залкинд //Теплоэнергетика. 1980. № 3.

20. Кузнецов, Н. В.Основные направления развития паровых котлов для кан-ско-ачинских и экибастузских углей / Н. В. Кузнецов, 10. Л. Маршак, Э. П. Дик // Теплоэнергетика. 1981. № 5. С.7-16.

21. Процайло, М. Я. Исследование качества и совершенствование методов сжигания углей Канско-Ачинского бассейна/: Дис. .докт. техн. наук. / М. Я. Процайло. Москва, 1985. 52 с.

22. Пронин, М. С. Совершенствование технологий пылеугольного сжигания канско-ачинских углей с учетом особенностей поведения их органической и минеральной массы / М. С. Пронин. Красноярск: ИПЦ КГТУ. 2004. 224 с.

23. Маршак, Ю. Л. Основные вопросы сжигания углей Канско-Ачинского бассейна на тепловых электростанциях / Ю. Л. Маршак, М. Я. Процайло, В. М. Иванников и др. // Электрические станции. 1981. - № 1.

24. Отс, А. А. Исследование загрязнений низкотемпературных поверхностей нагрева при сжигании эстонских сланцев / А. А. Отс, А. Ф. Гаврилов, Р. Э. Рандманн //Теплоэнергетика. 1972. №2.

25. Отс, А. А. Процессы в парогенераторах при сжигании сланцев и канско-ачинских углей / А. А. Отс. М.: Энергия, 1977. 312 с.

26. Карасина, Э. С. Учет загрязнений радиационных поверхностей нагрева / Э. С. Карасина//Теплоэнергетика. 1968. № 6. С. 14-18.

27. Деринг, И. С. Влияние высокотемпературного сжигания на поведение минеральной части топлива в газоходах котла / Процессы сжигания канско-ачинских углей./И. С. Деринг//. Красноярск: КрПИ, 1970. ч.1. С.22-31.

28. Алехнович, А. А.Образование железистых отложений при сжигании углей с отличающимися железосодержащими минералами / А. А. Алехнович, В. Е. Гладков // Теплоэнергетика. 1989. № 8. С. 4.

29. Алехнович, А. Н. Вероятностная модель формирования шлаковых отложений / А. Н. Алехнович // Электрические станции. 1995. № 2. С. 16.

30. Алехнович, А. Н. Прогнозирование шлакующих и загрязняющих свойств углей / А. Н. Алехнович, В. В. Богомолов, В. Е. Гладков и др. // Электрические станции. 1998. № 4. С. 2.

31. Алехнович, А. Н. Выбор температуры газов на выходе из топки по условиям шлакования / А. Н. Алехнович, В. В. Богомолов // Теплоэнергетика. 1994. № 8.

32. Алехнович, А. Н. Оценка склонности углей к образованию железистых отложений / А. Н. Алехнович, В. В. Богомолов // Электрические станции. 1993. № 10.

33. Алехнович, А. Н. Прогнозирование и контроль шлакования котлов: Дис. . докт. техн. наук. А. Н. / А. Н. Алехнович Челябинск, 1995. 68 с.

34. Маршак, Ю. J1. Опытное сжигание березовского угля в полуоткрытой вихревой топке с жидким шлакоудалением котлов БКЭ-320-140 ПТ / 10. J1. Маршак, М. С. Пронин, М. Я. Процайло и др. // Теплоэнергетика. 1982. № 5.

35. Маршак, Ю. J1. Опытное сжигание березовского угля повышенной зольности /10. J1. Маршак, А. И. Гончаров, М. Я. Процайло и др. // Теплоэнергетика. 1978. №8.

36. Маршак, Ю. JI. Исследование горения березовского угля в тангенциальной топочной камере с газовой сушкой топлива / Ю. J1. Маршак, В. Н. Верзаков // Теплоэнергетика. 1985. № 1. С. 4-9.

37. Маршак, Ю. J1. Шлакование топочной камеры при сжигании березовского 1 угля / Ю. J1. Маршак, С. Г. Козлов, Э. П. Дик и др. // Теплоэнергетика. 1980.1. С. 16-22.

38. Маршак, 10. Л. Исследование сжигания малозольного березовского угля в низкотемпературной тангенциальной топочной камере /10. J1. Маршак, С. И. Сучков, Э. П. Дик и др. // Теплоэнергетика. 1981. № 7.

39. Пронин, М. С. Опытное сжигание березовского угля в полуоткрытой вихревой топке с жидким шлакоудалением / М. С. Пронин, М. Я. Процайло, Ю. JI. Маршак и др. // Теплоэнергетика. 1982. № 5. С. 24-28.

40. Котельные и турбинные установки энергоблоков мощностью 500 и 800 МВт. Создание и освоение / Сост. Н. Ф. Комаров, Г. И. Мосеев, Р. А. Петро-сян и др.; под общ. Ред. В. Е. Дорощука и В. Б. Рубина. М.: Энергия, 1979. 680 с.

41. Процайло, М. Я. Освоение и исследование опытно-промышленного котла БКЗ-500-140-1 с тангенциальной топкой для низкотемпературного сжигания канско-ачинских углей / М. Я. Процайло, Ю. J1. Маршак, М. С. Пронин и др. //Теплоэнергетика. 1988. № 1. С. 5-12.

42. Белов, С. 10. Тепловая эффективность поверхностей нагрева котла БКЗ-500-140-1 при сжигании канско-ачинских углей / С. Ю. Белов, М. Я. Процайло, В. А. Ослонович и др. // Теплоэнергетика. 1989. № 8. С. 19-22.

43. Мещеряков, В. Г. Структура факела в тангенциальной топочной камере котла БКЗ-500-140-1 при сжигании березовского и ирша-бородинских углей /

44. B.Г. Мещеряков и др. // Теплоэнергетика. 1989. № 8. С. 13.

45. Аппараты и устройства очистки поверхностей нагрева: отраслевой каталог НИИЭинформэнергомаш. М., 1987. 88 с.

46. Методические указания по применению средств наружной очистки поверхностей нагрева паровых котлов. (МУ 34-70). М. Н. Майданик, В. В. Васильев, В. Я. Лысков и др. М., 1985. 36 с.

47. Васильев, В. В. Методы очистки поверхностей нагрева от наружного загрязнения / В. В. Васильев, М. Н. Майданик // Сб. докладов на симпозиуме СССР-ФРГ. М„ 1987.

48. Методические указания по расчету и эксплуатации аппаратов водяной обдувки поверхностей нагрева паровых котлов (МУ 34-70-124-86). М. Н. Майданик, В. В. Васильев, JI. Ю. Воробьева, А. А. Отс. и др. М., 1985. 60 с.

49. Шориков, Д. Б. Внедрение обдувочных аппаратов / Д. Б. Шориков, В. А. Уваричев, А. В. Юдин, В. В. Васильев // Сб. IV международной научно-технической конференции: Достижения и перспективы развития энергетики Сибири/ Красноярск, 2005. С. 89-92.

50. Порозов, С. В. Системы очистки поверхностей нагрева фирмы «Клайд Бер-f геманн ГмбХ» / С. В. Порозов, А. Д. Александров, В. А. Котляревский //

51. Тез. докл. Международного семинара: Опыт внедрения новой техники и технологий в энергетике. Шарыпово, 2003. С. 25-28.

52. Белый, В. В. Реализация проекта и первый опыт эксплуатации системы очистки поверхностей нагрева фирмы «Клайд Бергеманн ГмбХ» / В. В. Белый,

53. C. В. Порозов, В. В. Усачев и др.// Тез. докл. Международного семинара: Опыт внедрения новой техники и технологий в энергетике. Шарыпово, 2003. С. 41-49.

54. Еременко, JI. Я. Вопросы очистки поверхностей нагрева котлов / J1. Я. Еременко, В. И. Гришин, Г. Г. Левицкий и др. // Энергомашиностроение. 1988. №6.

55. Васильев, В. В. Аппараты водяной и паровой очистки на рынке России / В. В. Васильев, А. Н. Алехнович // Сб.: Минеральная часть топлив, шлакование, загрязнение и очистка котлов. Челябинск. 2001. т. 2 С. 131.

56. Майданик, М. Н. Результаты испытаний маловыдвижного аппарата водяной обдувки топочных экранов / М. Н. Майданик, В. В. Васильев, Г. Г. Левицкий и др // Электрические станции. 1988. №7. 26 с.

57. Левицкий, Г.Г. Создание новых маловыдвижных аппаратов паровой и водяной очистки / Г. Г. Левицкий, М. Н. Майданик, В. В. Васильев / Тр. ЦКТИ № 248. Л, 1989. С. 49-56.

58. Vasilijev, V. Ein System zur kontrolle der verschlacung von feuerkammerschirr-men und reeinigungaapparatesfeuerung / V. Vasilijev, I. Kovalevtsch // XXI Kraftwerrkstehhnsches kolloquim. Dresden, 1989.

59. Майданик, M. H. Водяная обдувка топочных экранов с использованием дальнобойных аппаратов / М. Н. Майданик, В. В. Васильев, Ю. П. Борисов и др. // Электрические станции. 1994. № 4.

60. Майданик, М. Н. Результаты исследований паровой обдувки поверхностей нагрева котлов / М. Н. Майданик, В. В. Васильев, С. Ю. Белов // Электрические станции. 1998. № 4.

61. Майданик М.Н., Щелоков В.И., Пухова Н.И. Проектирование и схемы наружной очистки поверхностей нагрева котлов ЗиОМАР // Электрические станции. 2002. № 4.

62. Майданик, М. Н. Очистка поверхностей нагрева котлов / М. Н. Майданик, В. В. Васильев // Электрические станции. 2006. № 7. С. 29-32.

63. Алехнович, А. Н. Шлакование энергетических котлов: Учебное пособие / ЧФПЭИпк. Челябинск, 2006. 129 с.

64. Васильев, В. В. Обзор материалов конференции: Влияние золовых отложений на работу энергетических котлов / В. В. Васильев // Отчет СибВТИ. арх. № 921. Солихалл, Бирмингем. Великобритания. 1993, 121 с.

65. Обобщение мирового опыта в вопросах шлакования пылеугольных котлов: отчет о НИР; исполн.: Алехнович А. Н. / Челябинск: УралВТИ, арх. № 8864. 1993.86 с.

66. Блох, А. Г. Диагностика и управление топочным процессом на основе данных о распределении потоков падающего излучения / А. Г. Блох, О. А. Геращенко, 10. А. и др. // Промышленная энергетика. 1987. № 1. С. 84-89.

67. Михлевский, А. А. Автоматизированная система технической диагностики паровых котлов на базе персонального компьютера / А. А. Михлевский // Энергетика и электрификация. 1992. № 1. С. 8-10.

68. Белов, С. 10. Разработка и внедрение системы диагностики загрязнения поверхностей нагрева котла П-67 / С. 10. Белов, В. В. Васильев, М. Н. Майда-ник и др. // Электрические станции. 1998. № 4. С.7-9.

69. Журавлев, 10. А. Разработка системы технической диагностики энергетической топки как основа принятия управленческих решений / Ю. А. Журавлев,

70. A. П. Скуратов, А. Г. Блох, Ю. В. Ковалев // Электрические станции. 2001. №4. С. 9-12.

71. Исследование основного и вспомогательного оборудования блока 800 МВт Березовской ГРЭС-1. Исследование тепловой эффективности котла: отчет о НИР; исполн.: Пронин М.С. и др./ Красноярск: СибВТИ арх. № 660. 1990. 109 с.

72. Исследование влияния шлакования и очистки на гидродинамический и температурный режимы: отчет о НИР; исполн.: Белов С.Ю. и др. / Красноярск: СибВТИ, арх. № 758. 1991. 46 с.

73. Оценка надежности работы поверхностей нагрева топки и конвективной шахты с точки зрения загрязнения: отчет о НИР; исполн.: Ефименко А.Н. и др. / Красноярск: СибВТИ, арх. № 523 1988. 79 с.

74. Исследование шлакования и поведения минеральной части угля в топке и конвективной шахте: отчет о НИР; исполн.: Пронин М.С. и др. / Красноярск: СибВТИ, арх. № 743.1991. 55 с.

75. Проведение заключительных испытаний с целью уточнения экспериментальных данных с учетом длительной эксплуатации котла П-67: отчет о НИР; исполн.: Пронин М.С и др. / Красноярск: СибВТИ арх. № 811. 1992. 68 с.

76. Обобщение опыта освоения головного котлоагрегата П-67 блока 800 МВт на березовском угле: технический отчет / ОАО «Сибтехэнерго», Новосибирск: ОАО «Сибтехэнерго», ОАО «СибВТИ» инв.№ 9837. 1992.

77. Серант, Ф. А. Результаты освоения головного котлоагрегата П-67 блока 800 МВт Березовской ГРЭС-1: техническая записка /Ф. А. Серант, А. Н. Ловцов,

78. B. В. Харченко и др. Новосибирск: Сибтехэнерго, 1991. 49 с.

79. Освоение и исследование основного и вспомогательного оборудования котла П-67 блока 800 МВт Березовской ГРЭС-1:отчет о НИР; исполн.: Кругли» ков П.А. Л.: НПО ЦКТИ, 1988. 120 с.

80. Ковалевич, И. А. Эффективность очистки топочных экранов котла П-67 при сжигании березовского угля / И. А. Ковалевич, В. В. Васильев, М. Н. Май-даник // Теплоэнергетика. 1992. № 4. С. 58-62.

81. Васильев, В .В. Тепловая эффективность поверхностей нагрева котла П-67 блока 800 МВт Березовской ГРЭС-1 в условиях комплексной очистки / В. В. Васильев, С. 10. Белов, М. Н. Майданик //Электрические станции. 1993. № 10. С. 5-10.

82. Пугач, JI. И. Освоение головных и опытно-промышленных котельных уста! новок при сжигании углей сибирских месторождений / JI. И. Пугач, Ф. А.

83. Серант, А. Н. Волобуев и др. // Электрические станции. 1995. №11.3.

84. Серант, Ф. А. Проблемы сжигания бурых углей и лигнитов при использовании мельниц-вентиляторов и пути их решения / Ф. А. Серант, В. В. Гордеев, Ю. А. Ершов, и др. // Теплоэнергетика. 1999. № 9. С. 23-28.

85. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод). М.: Энергия, 1973.295 с.

86. Пронин, М. С. Анализ изменения характеристик качества товарного угля, поставляемого разрезом «Березовский-1 /М. С. Пронин, В. В. Васильев, Н.

87. A. Тимофеева // Сб. международной конференции: Эксплуатация и модернизация энергоблоков мощностью 800 МВт. Шарыпово, 2002. С. 2-4.

88. Энергетические угли восточной части России и Казахстана: Справочник / В.

89. Карасина, Э. С. Алгоритм и программа зонального расчета теплообмена в топочных камерах паровых котлов / Э. С. Карасина, 3. X. Шраго, Т. С. Александрова, Е. С. Боревская//Теплоэнергетика. 1982. №7. С. 42-47.

90. Абрютин, А. А. Развитие метода и программы трехмерного зонального расчета теплообмена в топочных камерах пылеугольных котлов / А. А. Абрюч тин, Э.С. Карасина, Б. Н. Лившиц и др. // Теплоэнергетика. 1998. № 6. С. 2025.

91. Дубовский, И. Е. Исследование и расчет сопловых устройств обдувочных аппаратов / И. Е. Дубовский, М. П. Песелев // Энергомашиностроение. 1973. № 10.

92. Alekseenko, S.V. Jet Flow in Bank of Cilinders / S. V. Alekseenko, D. M. Markovich // Engineering Thermophisics. 1993. v.3.#2. p. 173-184.

93. Патент РФ № 2229655, МПК 7 F 22 В 37/00 Петлевая ширмовая поверхность нагрева: / Демб Э. П., Петере В. Ф., Порозов С. В.// опубл. 27.05.2004. Бюлл. №15.

94. Савостьянов, В. А. Полная автоматизация технологических операций на энергоблоке 800 МВт на Березовской ГРЭС-1 / В. А. Савостьянов // Электрические станции. 2005. № 5. С. 76-78.