автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Расширение диапазона работы барабанного парового котла с сохранением номинальной температуры пара за счет совершенствования его тепловой схемы

На правах рукописи

ДЬЯКОНОВ ЕВГЕНИЙ МИХАЙЛОВИЧ

РАСШИРЕНИЕ ДИАПАЗОНА РАБОТЫ БАРАБАННОГО ПАРОВОГО КОТЛА С СОХРАНЕНИЕМ НОМИНАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПАРА ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЕГО ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ

05.14.14 - «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 2004

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

Кандидат технических наук, профессор Безгрешное Александр Николаевич ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор технических наук, профессор Карминский Валерий Давыдович кандидат технических наук, доцент Христич Леонид Михайлович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

ОАО "Научно-исследовательский институт ЮжВТИ"

Защита состоится п28"мая 2004 г. в 11-00часов в аудитории 107гл. корп. на заседании диссертационного совета ДР 212.304.17 при Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу: 346428 Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».

Автореферат разослан " 27 " апреля 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Ефимов Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Одной из проблем, стоящих перед энергетической отраслью страны, является замена физически и морально устаревшего оборудования, выработавшего свой ресурс. Ограниченные инвестиции в развитие энергетики предопределили наиболее перспективное направление в ее решении - разработку замещающих агрегатов, устанавливаемых в существующие котельные ячейки с сохранением главных корпусов, что значительно сокращает капитальные затраты на обновление оборудования. Требования, предъявляемые к замещающим агрегатам должны учитывать особенности, возникшие в связи с изменениями в режимах потребления и производства электроэнергии и в топливо-энергетическом балансе страны. К ним в первую очередь относится требование обеспечении работы паровых котлов на нескольких топливах, в связи с поставками на ТЭС топлив из разных регионов. Разуплотнение графика нагрузок требует расширения диапазона работы паровых котлов с сохранением номинального перегрева пара для обеспечения нижней части диспетчерского графика. Эта проблема остается актуальной и в настоящее время, несмотря на наличие в отечественной энергетике избыточной мощности. Кроме того, решение вопроса участия оборудования в регулировании частоты предполагает возможность его работы в широком диапазоне нагрузок. Поэтому удовлетворение требований обеспечения расширенного диапазона работы котлов с сохранением температуры перегрева при сжигании нескольких отличающихся по свойствам топлив является актуальной задачей при проектировании новых котлов для замены выработавших свой ресурс.

Причинами отклонений температуры перегретого пара (<пс) являются динамические возмущения и изменение нагрузки котла. Как в прямоточном (ППК), так и барабанном (БПК) паровых котлах для обеспечения постоянства /пе устанавливаются регуляторы перегрева. Однако их функции отличаются. В ППК регуляторы снимают последствия динамических возмущений, а постоянство при изменении нагрузки обеспечивается выдерживанием соотношения "вода-топливо". В БПК от расхода топлива зависит не только перегрев пара, но и паро-производительность котла. Поэтому проблема обеспечения постоянства температуры пара в заданном диапазоне нагрузок (назовем его диапазоном регулируемых нагрузок для барабанных паровых котлов сводится не только к снятию по-

следствий динамических возмущений, но и к поиску способов обеспечения постоянства при изменении нагрузки.

Выбор способа воздействия на зависит от вида статической характеристики котла, представляющей зависимость /пеот нагрузки. Определяющее влияние на статическую характеристику котла оказывает состав, последовательность расположения в потоке продуктов сгорания и включения по рабочему телу видов и типов поверхностей нагрева. Исследованию влияния тепловой схемы котла на температуру перегретого пара при изменении его нагру: работа.

Объектом исследования являются барабанные паровые котлы паропро-изводительностью 116,7-138,9 кг/с, давлением перегретого пара 9,8-13,8 МПа и температурой перегретого пара <пе=545°С.

Предметом исследований является тепловая схема котла.

Целью диссертационной работы является разработка научных и методических основ выбора состава, тепловосприятий, последовательности расположения в потоке продуктов сгорания видов и типов поверхностей нагрева, обеспечивающих расширенный диапазон регулируемых нагрузок котла как при сжигании одного, так и нескольких топлив, значительно отличающихся по свойствам.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• Разработать математическую модель условий саморегулирования барабанного парового котла.

• Выявить условия, при которых реализуется эффект саморегулируемости котла (обеспечение постоянства температуры перегрева при изменении нагрузки без участия регуляторов) при сжигании проектного топлива.

• Исследовать возможность расширения диапазона регулируемых нагрузок барабанного парового котла при сжигании проектного топлива с учетом ограничений по степени радиационности пароперегревателя.

• Исследовать возможность расширения диапазона регулируемых нагрузок барабанного парового котла при сжигании топлив, значительно отличающихся по свойствам.

• Разработать методические основы выбора состава, тепловосприятий и зон расположения поверхностей нагрева барабанного парового котла с заданным диапазоном регулируемых нагрузок.

Научная новизна работы

1. Научно обоснована возможность создания саморегулируемого парового котла. Установлено, что эффект саморегулирования возникает при оптимальных значениях степеней радиационности не только пароперегревательных, но и водосодержащих поверхностей нагрева.

2. Разработана математическая модель условий саморегулируемости барабанного парового котла.

3. Получены соотношения между тепловосприятиями радиационных и конвективных пароперегревательных и водосодержащих поверхностей нагрева, при которых возникает эффект саморегулирования барабанного парового котла.

4. Найдены условия, при которых в барабанных паровых котлах, сжигающих несколько топлив, расходы на впрыски на номинальной нагрузке не меняются при переходе от одного топлива на другое.

5. Выявлена эффективность влияния на расширение диапазона регулируемых нагрузок степени радиационности пароперегревательных поверхностей нагрева, исходного расхода на впрыск, состава, тепловосприятий, зон расположения элементов пароводяного тракта и доли рециркуляции при заданных температурах. уходяших газов иух, на выходе из топки ь' и горячего воздуха на номи-

6. Разработана методическая основа выбора состава, тепловосприятий и зон расположения пароперегревательных и водосодержащих поверхностей нагрева, позволяющая обеспечить заданный диапазон регулируемых нагрузок при сжигании одного или нескольких топлив.

Практическая значимость работы

1. Для барабанных паровых котлов с давлением перегретого пара 9,813,8 МПа определены возможные варианты тепловой схемы котла (состава, теп-ловосприятий, зон расположения в потоке продуктов сгорания поверхностей нагрева котла, доли рециркуляции продуктов сгорания и исходных расходов на впырски), позволяющие обеспечить расширенный диапазон работы с сохранением постоянной температуры перегрева пара..

2. Разработаны рекомендации по выбору степени радиационности паро-перегревательных поверхностей нагрева в зависимости от заданного диапазона регулируемых нагрузок.

3. Разработаны методика и программа расчета тепловой схемы барабанного парового котла.

4. Выведены условия, при которых в барабанных паровых котлах, сжигающих несколько топлив, расходы на впрыски на номинальной нагрузке меняются незначительно при переходе от одного топлива на другое.

5. Найдены граничные значения исходных расходов на впрыски, превышение которых оказывает малое влияние на расширение диапазона регулируемых нагрузок.

6. Разработаны методические основы по выбору тепловой схемы, обеспечивающей заданный диапазон регулируемых нагрузок при сжигании одного или нескольких отличающихся по свойствам топлив.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечены проведением расчетных исследований в соответствии с действующими в России стандартами, методиками и нормативными документами, широко используемыми проектными и научно-исследовательскими организациями.

Личный вклад автора заключается в разработке математической модели условий саморегулируемости барабанного парового котла; разработке алгоритма и программы расчета тепловой схемы барабанного парового котла в условиях различных ограничений; разработке дополнений к программному комплексу "Тракт", обеспечивающих проведение итерационных и циклических расчетов; разработке методики и проведении численного эксперимента по определению влияния различных факторов на диапазон регулируемых нагрузок и расходы на впрыск при сжигании одного или нескольких топлив; анализе полученных результатов; разработке методических основ выбора состава, тепловосприятий и зон расположения пароперегревательных и водосодержащих поверхностей нагрева, позволяющих обеспечить заданный диапазон регулирования при сжигании одного или нескольких топлив.

Автор защищает

1. Математическую модель условий саморегулируемости барабанного парового котла

2. Методику и алгоритм расчета тепловой схемы барабанного парового котла.

3. Результаты численного эксперимента по влиянию состава, тепловосприя-тий, зон расположения, исходных расходов на впрыски и долей рециркуляции продуктов сгорания на расширение диапазона регулируемых нагрузок.

4. Методику выбора тепловой схемы барабанного парового котла, обеспечивающего заданный диапазон регулируемых нагрузок.

5. Методику выравнивания расходов на впрыски на номинальной нагрузке и обеспечения расширенного диапазона регулируемых нагрузок при работе котла на нескольких топливах.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались:

• на XXII сессии семинара "Диагностика энергооборудования" (г. Новочеркасск 2000 г.);

• на межрегиональной конференции "Молодые ученые России-теплоэнергетике " (Новочеркасск 2001 г),

• на международной научно-практической конференции "Современные энергетические системы и комплексы управления ими" (г. Новочеркасск 2002 г),

• на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЮРГТУ (НПИ),

• на техническом совете ОАО ТКЗ "Красный Котельщик"

• на техническом совете ОАО НИИ ЮжВТИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы из 74 наименований и приложений. Работа содержит 152 страниц машинописного текста, иллюстрирована 38 рисунками и 25 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обоснована актуальность рассматриваемой в работе темы, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна, практическая значимость и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе_ проводится обзор существующих способов расширения диапазона нагрузок работы котла с сохранением постоянной температуры перегрева пара и делается вывод о перспективности изменения с этой целью статической (регулировочной) характеристики котла путем подбора состава, тепловос-приятий и зон расположения поверхностей нагрева в потоке продуктов сгорания. В дальнейшем этот комплекс будем называть тепловой схемой котла.

Вторая глава посвящена разработке математической модели условий саморегулируемости барабанного парового котла.

Для этого барабанный паровой котел рассматривается с позиций систем-

ного подхода как элемент более сложной системы, и как элемент, который сам представляет сложную систему. Системой более высокого уровня для парового котла является тепловая электрическая станция (ТЭС). В соответствии с ее функциональной схемой, паровой котел рассматривается как элемент ТЭС, обеспечивающий турбину паром с заданными параметрами и расходом, закон изменения которых от нагрузки задается режимом эксплуатации паротурбинной установки. Взаимодействия парового котла с внешней для него средой (ТЭС) здесь проявляется в виде задания входных (расход и свойства топлива, расход и параметры питательной воды, температура холодного воздуха) и выходных (расход и параметры перегретого пара, коэффициент полезного действия, величина выбросов оксидов азота) параметров. Чтобы использовать паровой котел как элемент системы ТЭС достаточно представить его модель в виде зависимостей от нагрузки (В) температуры перегретого пара /пс = /(Л), коэффициента полезного действия котла концентрации оксидов

азота В условиях поставленной задачи экологический аспект

выделен в самостоятельный и в дальнейшем не рассматривается.

Декомпозиция парового котла как сложной системы представлена на рис. 1 в виде совокупности газовоздушного (ГВТ) и пароводяного (ПВТ) трактов.

В газовоздушном тракте генерируется теплоноситель, который, проходя поверхности нагрева, установленные в газоходах котла, снижает свою температуру от максимальной до температуры уходящих газов

Рис. 1 Схема декомпозиции котла

При дальнейшей декомпозиции ГВТ представлен двумя типами газоходов - топкой и конвективными газоходами, в которых передача теплоты к поверхностям нагрева происходит в основном или излучением или конвекцией. В распределении теплоты на радиационную и конвективную основную роль

играют температура на выходе из топки температура горячего воздуха и доля рециркуляции продуктов сгорания

Интенсивность процессов передачи теплоты в конвективных газоходах за-

висит от типа поверхностей нагрева, температурных зон их расположения, схем включения и параметров теплоносителя и рабочей среды на входе и выходе из них. Определение плотностей тепловых потоков в газоходах парового котла возможно на следующем уровне декомпозиции, где рассматриваются конкретные поверхности нагрева в каждом газоходе котла.

Подсистема пароводяного тракта представляет собой систему поверхностей нагрева и определяет схему их включения по рабочему телу. По фазовому состоянию рабочего тела все поверхности подразделяются на подогревательные, парообразующие и пароперегревательные, а по виду теплообмена- на радиационные и конвективные. Из-за трудностей, возникающих при разделении в топке подогревательных и парообразующих частей экранов, в дальнейшем принято называть совокупность подогревательных и парообразующих поверхностей нагрева водосодержащими поверхностями.

Учитывая, что целью работы является ввшвление зависимости изменения температуры перегретого пара от нагрузки, как функции состава, тепловосприя-тий и зон расположения поверхностей нагрева котла, ограничимся представлением ПВТ в виде радиационных и конвективных пароперегревательных и водосо-держащих поверхностей нагрева. Замена отдельных поверхностей нагрева в газоходах на группы конвективных и радиационных водосодержащих и пароперегре-вательных поверхностей нагрева позволяет использовать для моделирования упрощенную функциональную схему барабанного парового котла (рис. 2). Система уравнений для расчета схемы котла приведена в таблице 1.

Рис. 2. Функциональная схема котла I- паровой котел в целом; И-топка; Ш- конвективные газоходы; 1,2- конвективные и радиационные водосодержащие поверхности нагрева; 3,4- конвективные и радиационные пароперегревательные поверхности нагрева; 5- воздухоподогреватель.

Таблица 1

Система уравенений для расчета тепловой схемы котла

Элемент схемы Уравнение

I 2пк_0пе(,пе-/пв); 0пк=еР.„пк; (Зпк=епе+ев. ВР

II Ст=е^(1оо-?з-?б)/(юо-94)+(?в-еввн+грец-/грец; елт=е^е+й

III бк =^т'-/ух-бвп); евп=М;г°в -4); е*

1,2 £?■=ке(<" -'пв)- • г]/вр ;ев=еа ; <21 = //? • ; Qi="вл • =<=/йЛ) •

3,4 бпе = [Опе ('пе ~'")+ V г У Яр : = + ; Опе = Ога; ем-лйе-й-ям/вр; 7пе=/(йпеАт); 0п*е = .9п%/яр .

На основе представленной системы уравнений, выведем условия, при которых температура перегретого пара /пе будет оставаться постоянной при изменении нагрузки котла без участия регуляторов перегрева.

Условие саморегулируемости подразумевает, что при изменении нагрузки расходы на впрыски не меняются, если отсутствуют динамические возмущения,

т.е. разница расходов на впрыск Д<^кна номинальной с/® и текущей с1к нагрузках

близка или равна нулю. Выразим энтальпию перегретого пара через тепловос-приятие пароперегревательных поверхностей нагрева расход пара и

энтальпию пара на входе в пароперегреватель (/*): гпе = /'*+ @пе/Впе .

Для саморегулируемого барабанного парового котла дифференциал

^пе = ('/°пе)• [(Э&е/ЭДр)• (Э{?в/ЭЯр]будет равен нулю, если

выполнится условие:Я£еД^е +^пеА9пе = ^в^в ^в ). (О

где У-('пе~'о )Д'о -'пв)_ функция давления при заданных температурах пара и питательной воды; = - ; = ?пе° ~ 9пе ^и = ~ 9в!

- разница плотностей тепловых потоков на радиационных и конвективных пароперегревательных и водосодержащих поверхностях нагрева при изменении нагрузки котла; НЦе, Н*е, НЦ, Я£ - площади радиационных и конвективных пароперегревательных и водосодержащих поверхностей нагрева. Индекс "О" относится к параметрам на номинальной нагрузке.

В условие (1) входит четыре регулируемые величины: (Я„е, Яде, Яд ), две из которых Н") взаимосвязаны, т.к. их сумма равна лучистой поверхности топки Яд . Для получения однозначного решения введем дополнительные связи для тепловосприятий перегревательных и водосодержащих поверхностей нагрева на номинальной нагрузке:

^пе 'Япе' + ^пе 'Яле* = £?пе• '<7в ° + ° = £?в • (2)

Решение системы уравнений (1)и (2) с учетом условия Н£с + = Яд дает следующие величины регулируемых параметров, при которых котел будет обладать свойствами саморегулируемости:

"ifc = -^¿eVn'e "<4)+Г Л "4)1 (3)

"п'е = (&/«£)" = (¡2в%в°)- "в1; Я8Л = ^ - И*. .

J _ „л /„лО „л__л /„лО „к__к /„кО „к__к /лкО __„,

Здесь tfne = ?пс/<7пе » «п = <7п/?в » «пя = <7тте / ?пе . "ДОЛИ

плотностей тепловых потоков при минимальном режиме.

Как видно из (3) эффект саморегулируемости наступает только тогда, когда не только пароперегревательные, но и водосодержащие поверхности будут иметь определенные соотношения между радиационным и конвективным тепловос-приятиями.

Проверка возможности реализации эффекта саморегулирования, применительно к котлу паропроизводительностью 138,9 кг/с, Рпе = 13,8 МПа, /пе = 545 °С показала, что саморегулируемость котла достигается при следующих значениях площадей поверхностей нагрева: //£е=385м2; #пе=1793м2; //в=525м2;

При этом разница расходов на впрыски на номинальной нагрузке и нагрузке 0,5.Dne составляет 0,17 кг/с. Таким образом, подтверждена принципиальная возможность разработки тепловой схемы котла, работающего в заданном диапазоне нагрузок при пренебрежимо малом изменении расходов на впрыск.

В третьей главе проведено исследование влияния тепловой схемы котла на диапазон регулируемой нагрузки в зависимости от степени радиационное™ пароперегревательных поверхностей нагрева

У большинства энергетических котлов не удается реализовать условие саморегулируемости при малой степени радиационное™ пароперегревателя из-за

трудности выполнения условия [//]+ [tf в j = Н^ • Здесь [//£е|["в|~ лучистые пароперегревательные и водосодержащие поверхности нагрева, при которых возникает эффект саморегулирования. Приблизиться к саморегулируемости можно, изменяя температуру на выходе из топки или соотношение между плотностями тепловых потоков на номинальной и минимальной нагрузках. Однако, т.к. Vj не может быть выбрана произвольно, то дальнейшие исследования были сконцентрированы на поиске вариантов тепловой схемы котла, с более благоприятными зависимостями изменения плотностей тепловых потоков от нагрузки. Для этого потребовалось проведение численного эксперимента, объектом исследования которого, выбран паровой котел паропроизводительностью 138,9 кг/с, Рпе = 13,8 МПа, /пе=545 0С. Выбор объекта обусловлен

наметившейся тенденцией замены котлов ТЭЦ с такими параметрами на замещающие с повышением паропроизводительности с 116,7 кг/с до 138.9 кг/с.

При постановке задачи исследований принималось, что топка, аэродинамическая схема сжигания, технологические способы снижения выбросов оксидов азота, температура продуктов сгорания на выходе из топки v^, и котла ИуХ, температура горячего воздуха выбраны и должны оставаться постоянными во всех вариантах тепловых схем котла. Цель исследований - выявить влияние на

диапазон регулируемых нагрузок котла степени радиационности пароперегревателя, исходного расхода на впрыск и доли рециркуляции продуктов сгорания.. Методика проведения эксперимента.

1. Принималась топология расположения поверхностей нагрева. Было рассмотрено два варианта:

• с пароперегревательными ширмами (традиционная для барабанных котлов высокого давления).

с испарительными ширмами на выходе из топки.

2. Задавалась величина исходного расхода на впрыск <1К и определялись

необходимые (потребные) тепловосприятия пароперегревательных и водо--.0

содержащих Qв поверхностей нагрева. Исследования проводились при расходах на впрыски, изменяющихся от 0 до 0,24£>пе.

3. По принятой степени радиационности пароперегревателя Мпе' определялись тепловосприятия и поверхности настенного пароперегревателя и водо-содержащих экранов топки. Исследовались варианты с /¿Цс от 0 до 0,650.

4. Выбиралась доля рециркуляции продуктов сгорания вниз топки грец

и проводился расчет тепловой схемы котла. Для этого использовалась специальная программа, реализующая алгоритм на основе системы уравнений табл. 1.

5. Аналогичные расчеты проводились для других значений /¿¡1е, с!к,

'рец

. При этом выдерживались одинаковые значения для всех вариантов

ух> 'гв

тепловой схемы котла. Так при переходе на вариант с новым значением доли рециркуляции, возникала необходимость корректировки поверхностей нагрева таким образом, чтобы оставались без изменения.

6. Сформированные варианты решений по паровому котлу рассчитывались на номинальную нагрузку по программе "Тракт" и определялась наименьшая нагрузка, при которой еще выдерживалась заданная температура перегрева. Для этого использовалось специально разработанное дополнение к программе "Тракт", позволяющее автоматизировать тепловые расчеты и обрабатывать их результаты для большого количества вариантов исходных данных.

Результаты исследований обрабатывались в виде зависимостей AD = f[dK, /рец] для всех вариантов Характерный вид полученных функций

для случая fint~0.257 показан на рис. 3, а обобщенные результаты представлены на рис. 4.

Анализ результатов показал следующее.

Наибольшее влияние на диапазон регулируемых нагрузок оказывает Так изменение увеличивает в зависимо-

сти от доли рециркуляции. Наибольшая эффективность проявляется в зоне умеренных значений свойства котла приближаются к саморегулируемым и при этот эффект обнаружен при всех значениях

'рец-

Рис. 3 Изменение диапазона регулир) емых нагрузок для различных значений доли рециркуляции:

♦ -грец=0,«-грец

=о,15; А-Грец=о,з;х-

'рец

= 0,45

радиационное™ пароперегревателя

Рис. 4. Влияние //¡¡е на показатели работы котла при сжигании одного топлива

= 0,15; ■ ГОТЦ = 0,3; х- г„ , = 0,45

♦ •г =0.»"г рсц V ре:1

Увеличение исходного расхода на впрыск с/к расширяет ДО . С ростом <1К эффективность его влияния на ДО снижается. В результате могут быть определены (рис. 3) граничные значения превышение которых не приводит к заметному изменению

диапазона регулируемых нагрузок. Значения граничных впрысков для рассматриваемых вариантов представлены на рис. 4.

• Введение рециркуляции способствует расширению диапазона регулируемых нагрузок. Так при граничных расходах на впрыски, увеличение грец с О до 0,45 приводит к росту ДО на 38% при //¿.=0,128 и на 22% при ^„е=0,39..

• Введение испарительных ширмы снижает ДО при заданных граничных условиях. Так увеличение их тепловосприятия на 0,0405 снижает ДО на 10% при малых

Для проверки влияния на диапазон регулируемых нагрузок было проведено сопоставление результатов эксплуатации двух котлов ТП-87 (№7), (№9) ТЭЦ-20 Мосэнерго. При их модернизации на котле №7 //¡¡е принята равной 0,1, на котле №9 /¿пе=0,27. при сжигании мазута ДО на котле №7 составил 3%, а на котле №9 40%, что соответствует точке, отмеченной на рис. 3 0

В четвертой главе анализируются возможности расширения диапазона регулирования барабанного парового котла, сжигающего топлива, значительно отличающиеся по свойствам, за счет изменения состава, тспловосприятий и зон расположения поверхностей нагрева.

Для отработки методологии выбора тепловой схемы при проектировании паровых котлов, сжигающих несколько топлив, был выбран котел, сжигающий природный газ и мазут - топлива, наиболее отличающиеся по свойствам.

Анализ показателей работы существующих газомазутных барабанных паровых котлов показал значительные различия в диапазонах регулируемых нагру-

зок и в расходах на впрыски при переходе от сжигания одного топлива на другое. Обусловлено это существенными различиями в плотностях тепловых потоков на радиационных и конвективных поверхностях нагрева при сжигании природного газа и мазута.

В сложившейся практике проектирования основные технические решения по котлу выбираются по условиям сжигания наиболее тяжелого топлива- мазута. При переходе на сжигание природного газа уменьшается генерация пара в радиационных водосодержащих поверхностях и повышается тепловосприятие в конвективных поверхностях нагрева. Температура перегретого пара значительно возрастает, что приводит к росту расходов на впрыски на номинальной нагрузке

IjnrO jmO / >пгО

по сравнению с может достигать

30-40% от При такой разнице на впрыски AdK = обеспечение

сопоставимых показателей работы котла в части диапазона регулируемых нагрузок на обоих топливах становится большой проблемой. Этот анализ определил следующие пути поиска решений по расширению диапазона регулируемых нагрузок для котлов, сжигающих разные топлива.

1. Разработать решения по сближению расходов на впрыски при сжигании разных топлив;

2. Добиться благоприятной регулировочной характеристики котла при работе как на одном, так и на другом топливе.

Равенство расходов на впрыски при сжигании разных топлиз может быть

выполнено, если тепловосприятия пароперегревательных и водосодержащих QB поверхностей нагрева при сжигании этих топлив не изменится т.е.

Qne = Que = £2пе > Св ~ Qb = Qb >

где - потребные тепловосприятия пароперегревательных и водосодер-

жащих поверхностей нагрева.

Учитывая, что тепловосприятия пароперегревательных и водосодержащих поверхностей нагрева представляют собой сумму тепловосприятия их радиационных и конвективных составляющих, расходы на впрыски при сжигании природного газа и мазута будут равны, если отклонения тепловосприятий в радиационных перегревательных и водосодержащих поверхностях нагрева компенсируются соответствующими отклонениями тепловосприятий в конвективных поверхностях нагрева, т. е. если будут выполнены условия:

\ij.1 li ЛМ лпг\ |„к f КПГ км). 1гтЛ I лм ЛПГ 1 IvsK if кпг км)

где |//пе1 l^ne 1 1"в]> 1яв J~ граничные площади радиационных и конвективных пароперегревательных и водосодержащих поверхностей нагрева, при кото-

л к л к

рых выравниваются расходы на впрыски; ?пе>9пе> Чъ - средние плотности тепловых потоков на радиационных и конвективных пароперегревательных и во-

досодержащих поверхностях нагрева. Индексы "м" и "пг" соответствуют значениям величин при сжигании мазута и природного газа.

Для определения граничных величин поверхностей нагрева к системе уравнений (4) необходимо добавить два условия, выражающие равенства потребных и действительных тепловосприятий пароперегревательных и водосодержа-щих поверхностей нагрева при граничных значениях их площадей:

kekV + kekKeM = ßn°e i k Jtf " + kti " = Öb° • (5)

Система уравнений (4) и (5) представляет математическую модель условий, при которых выравниваются расходы на впрыски при сжигании разных топлив.

„ л к л к

Считая заданными средние плотности тепловых потоков ,

решим систему уравнений (4) и (5) относительно граничных значений площадей этих поверхностей:

г ,,Л л _ rfi L,КПГ / «Мч , 1/1 Л М / кпг/ КМч „Л пг .

f пс1 Qne'К?пс /Чпе M/Iine '(Чпе /Япе )~Япе J5

#пе = (öne/ine" [#пе!' (?пеМ 1 ine" ); (6)

[//в1]=ев°-к пг/?вк м) - Шм • tä ш!ч1м) - ?ВЛ пг J ЯвХ=Ь%вКМ)-[Явл]-(^мАвКМ)-

Как видно из уравнений (6), граничные значения площадей радиационных и конвективных паро-перегревательных и водосодержащих поверхностей нагрева зависят от отношения средних плотностей тепловых потоков на этих поверхностях при сжигании природного газа и мазута. На рис. 5 показано, при каких

„пг / м „пг /„м

отношениях мож-

но добиться равенства расходов на впрыск в зависимости от степени ра-диационности пароперегревателя.

Для реально существующих ß¡¡е сблизить расходы на впрыски можно, если изменить зону расположения конвективных водосодержаших поверхностей нагрева, переместив их в газоход ширм, где наиболее сильно изменяются плотности тепловых потоков при переходе от сжигания мазута на природный газ. Изме-„пг/м „пг/м

нить соотношения можно также вводом газов рециркуляции. С

целью выявления характера влияния тепловой схемы на разницу расходов на впрыски и диапазон регулируемых нагрузок при сжигании мазута и природного газа в зависимости от степени радиационности пароперегревателя, был проведен численный эксперимент на выбранном ранее объекте исследования. Методика и, программа исследований, по сравнению с рассмотренными ранее в гл.З, расширена за счет необходимости изучения влияния испарительных ширм на показате-

1,1 \1 1 06 ,337 ,012 1 Д41 1( Nl 1, 029^,—"""Г1 1 11 J- 83 1,13 1,09

1 1 1 1 1

Рис. 5. Оптимальные отношения средних плотностей тепловых потоков I- дК пг/^к м ' И- дк пгм

ли работы котла.

Результаты исследований обрабатывались в виде зависимостей диапазона регулируемых нагрузок (ДОм,ДОпг) и расходов на впрыск при сжигании при-

Ijnr jM /-)

ак и мазута ак от тепловосприятия испарительнои ширмы {/ШИс,

степени радиационности пароперегревателя и исходного расхода на впрыск

при сжигании мазута

ADnr= f[dK, 2шис> Мпе); ADM= flftк > Qiпис. Mne)i

< = /(^к. (?шис » Апе )> ^к' = /(^к » бшис > Апе )

Характерный вид этих зависимостей для доли рециркуляции /рец=0.3 и

/4=0,128 показан на рис. 6, а обобщенные результаты расчетов представлены на рис. 7 а, б, в.

Рис. 6 Влияние исходного расхода на впрыск на показатели работы котла: «• йшис^ОС?Сшкс =0.04056?; А- 0шмс=О.О11>С!;х- йлис=О,12!0?.

-мазут, — — природный газ

Анализ результатов исследований показал следующее.

• Установка испарительной ширмы снижает разницу в расходах на впрыск во всех рассмотренных вариантах. Увеличение ее тепловосприятия с 0 до 10

позволяет снизить разницу в расходах на впрыск с 0,120°, до 0,010°е при /4=0,128 и с 0,190°, до 0,02О®, при /4=0,39.

•Для варианта Ошие в интервале изменения ОТ 0,128

до 0,650 и ГрСЦ от 0,15 до 0,45 паровой котел имеет близкие показатели работы как на газе, так и на мазуте. Разница расходов на впрыски Дс{к при этом не превышает а диапазон регулируемой нагрузки практически совпадает.

257 0,39 0и528 депень радиационмосУи

пароперегрев ателя б)

• Влияние тепловосприя-тия испарительной ширмы на диапазон регулирования наиболее сильно проявляется при малых значениях ,л . „„„ ............л _/,

для вариантов с /г,'1е-0,128 и введение испарительной 0

'рец=0'3

ширмы с тепловосприятием 0,121 2в сужает АО С 41% ДО 11% при сжигании мазута ис52%до 12% при сжигании природного газа. С ростом эффект влияния испарительной ширмы уменьшается, и для вариантов с

диапазон регулирования

Сюпань рдищпнв™ паропергревагая как для газа, так и для мазуи нахо-в) дится в пределах, близких к 70%.

• Увеличение степени радиационное™ пароперегревателя при

'рец

—0,3 приводит к росту разницы

расходов на впрыск (для варианта с 0шис=О с 0,12£°е при /£¿=0,128,

до 0,14£>пе при //£,= 0,650).

Введение газов рециркуляции увеличивает разницу граничных расхо-

дов на впрыск для вариантов С 0,128 И (?Шис=® с 0,0750дС при Грец—0.15 до 0,13£>„е при /рец -0.45.

В пятой главе рассматривается методология применения результатов исследований при проектировании новых и реконструкции существующих паровых котлов. В случае, когда в качестве топлива используется природный газ и мазут, на стадии принятия исходных положений по тепловой схеме для паровых котлов с давлением 9,8-13,8 МПа и температурой перегретого пара /пе=545°С непосредственно могут быть использованы результаты проведенных исследований по расширению диапазона регулируемых нагрузок при сжигании одного или двух топлив. Для этого первоначально принимаются решения по схеме сжигания, технологическим способам снижения оксидов азота, температурам на выходе из топки, уходящих газов (если она не задана в техническом задании) и температуре горячего воздуха, т.е. определяются граничные условия для поиска наиболее рационального решения по выбору состава, тепловосприятий и зон расположения поверхностей нагрева. Это позволяет также определить уровень доли газов рециркуляции, снижение которого приведет к росту образования оксидов азота. Следует отметить, что полученные закономерности влияния расходов на впрыски, доли рециркуляции и степени радиационности пароперегревателя, могут быть использованы и для случаев, когда г?ух И /Г, не совпадают с вариантами схем, исследованных в работе. Так отклонение на 25°С И на 30°С практически не сказывается на изменении диапазона регулирования.

Использование результатов исследования (рис. 7) позволяет определить исходные значения граничного расхода на впрыски величину доли ре-

циркуляции при которых обеспечится заданный в техническом задании диапазон регулируемых нагрузок. Эти параметры являются основой для расчета тепловой схемы котла и оценки геометрических характеристик его поверхностей нагрева. Окончательные решения по тепловой схеме принимаются по результатам тепловых расчетов котла с учетом уточненных при разработке конструкций его элементов

При проектировании котлов, сжигающих другие топлива, рекомендуется следующая методология выбора рационального состава, тепловосприятий и зон размещения поверхностей нагрева. При этом, если котел предназначен для сжигания нескольких топлив, следует выбрать два топлива со значительно отличающимися свойствами. Для наиболее "тяжелого" топлива принимаются технические решения по топке, аэродинамической схеме сжигания, способам подавления оксидов азота и выбору 1)^, Уух> 'гв (если не указано в техническом задании). Дальнейшее формирование тепловой схемы разбивается на два этапа - поиск решений по обеспечению наибольшего диапазона регулируемой нагрузки и поиск решений по сближению показателей работы котла на втором топливе.

Если при проектировании используется прототип котла с известной геометрией поверхностей нагрева, то первоначально проводится поверочный тепловой расчет на "тяжелом" топливе и на основе анализов результатов расчета кор-

ректируют геометрические характеристики поверхностей нагрева с целью приведения в соответствие параметров пара и выбранных решений по Фиксируются значения полученного расхода на впрыски, определяются средние плотности тепловых потоков на радиационных и конвективных пароперегревателях и водосодержащих поверхностях нагрева.

Определяются условия, при которых возможен эффект саморегулирования и оценивается возможность его достижения. В случае невыполнения этого условия принимается решение о предельной степени радиационности пароперегревателя с учетом конструктивных возможностей топки. При этом поиск рациональной тепловой схемы котла сужается и ограничивается вариантами, у которых отличаются исходные расходы на впрыск. Задаваясь расходом на впрыск и долей рециркуляции, выбранной из условия снижения оксидов азота, рассчитываются тепловые схемы для этих вариантов и оцениваем геометрические характеристики поверхностей котла. При этом в качестве рекомендаций используются значения граничных расходов из рис. 7. После проведения тепловых расчетов котлов по сформированным вариантам их тепловых схем, определяется диапазон нагрузок, в котором температура перегрева пара выдерживается постоянной . В случае, если диапазон нагрузок не соответствует заданию, разрабатываются варианты тепловой схемы с увеличенными значениями долей рециркуляции на номинальной нагрузке. Изменение граничного расхода на впрыски при этом можно оценить по зависимостям рис. 7. Из сформированных вариантов тепловых схемы котла после проведения их тепловых расчетов выбираются те значения при кото-

рых диапазон регулируемых нагрузок наибольший. В случае, если оказался меньше заданного, пересматриваются граничные условия по 1>уХ> 'гв- При этом

следует учесть, что увеличение /ге при сохранении и^ увеличивает степень ра-диационности пароперегревательных и водосодержащих поверхностей нагрева, но ухудшает эффект снижения выбросов оксидов азота.

Для сближения показателей работы котла на втором топливе используется найденный вариант по рационализации тепловой схемы лри сжигании более "тяжелого" топлива. При этом проводятся тепловые расчеты котла на новое топливо и строится гистограмма плотностей тепловых потоков в газоходах котла при сжигании обоих топлив. Используя графики рис. 5 и гистограмму плотностей тепловых потоков по газоходам, определяем целесообразность изменения зоны расположения водосодержащих поверхностей нагрева. В случае, если принято решение о размещении испарительных ширм, оцениваем предварительно величину ее теп-ловосприятия, используя результаты рис. 7. Так как введение испарительной ширмы снижает диапазон регулирования котла, но сближает разницу расходов на впрыски, то возникает необходимость в изменении исходной доли рециркуляции в сторону ее увеличения, что требует корректировки тепловой схемы и геометрических характеристик поверхностей нагрева котла.

Методика поиска рациональной тепловой схемы котла с позиций расширения диапазона регулирования была применена на ОАО ТКЗ "Красный Котельщик" при проектировании котлов ТГМЕ-221, ТГМЕ-222. Материалы работы внедрены в учебном процессе в виде разделов курсов лекций "Тепловые схемы кот-

лов" и при выполнении дипломных проектов по специальности 101300 "Котло- и реакторостроение".

Выводы

1. На основе характера изменения радиационных и конвективных характеристик пароперегревательных и водосодержащих поверхностей нагрева от нагрузки доказана возможность разработки саморегулируемого барабанного парового котла при ограничивающих условиях по Уу*, 1п.

Установлено, что эффект саморегулирования возникает при оптимальной степени радиационности не только пароперегревательных, но и водосодержащих поверхностей нагрева

2. Получены соотношения между тепловосприятиями радиационных и конвективных пароперегревательных и водосодержащих поверхностей нагрева, при которых возникает эффект саморегулирования барабанного парового котла.

3. Для барабанных паровых котлов с давлением перегретого пара 9,813,8 МПа найдены варианты рациональных решений по их тепловым схемам, позволяющие обеспечить расширенный диапазон регулируемых нагрузок котла.

4. Показано, что только с помощью проектных решений по структуре тепловой схемы, составу и тепловосприятию ее поверхностей нагрева, можно расширить диапазон регулируемых нагрузок котла при сжигании топлив, значительно отличающихся свойствами.

5. Выведены условия, при которых в барабанных паровых котлах, сжигающих несколько топлив, расходы на впрыски на номинальной нагрузке незначительно меняются при переходе от одного топлива на другое.

6. Установлен характер влияния степени радиационности пароперегре-вательных поверхностей нагрева, зон расположения элементов, исходных расходов на впрыски и доли рециркуляции продуктов сгорания на диапазон регулируемых нагрузок при выбранных температурах уходящих газов, на выходе из топки и горячего воздуха на номинальной нагрузке.

7. Разработана методика выбора структуры тепловой схемы, состава и тепловосприятий пароперегревательных и водосодержащих поверхностей нагрева, позволяющая обеспечить работу в заданном диапазоне нагрузок с постоян-. ными значениями температуры перегретого пара.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Безгрешное А.Н., Дьяконов Е.М. Исследование влияния степени ра-диационности пароперегревателя на минимальную регулируемую нагрузку барабанного парового котла ТП-87 при сжигании природного газа. Совершенствование конструкций и режимов эксплуатации паровых котлов. Сб. науч. тр. /Юж-Рос. гос. техн. ун-т., Новочеркасск: ЮРГТУ 2000г.

2. Безгрешное А.Н., Дьяконов Е.М. Исследование влияния состава поверхностей нагрева барабанного парового котла на величину впрысков при сжигании природного газа и мазута. Совершенствование конструкций и режимов эксплуатации паровых котлов. Сб. науч. тр. /Юж-Рос. гос. техн. ун-т., Новочеркасск: ЮРГТУ 2000г.

3. Безгрешное А.Н., Озеров А.Н., Белов А.А., Дьяконов Е.М. Изменение тепловой схемы котла ТП-87 при переводе его на сжигание природного газа и мазута. Совершенствование конструкций и режимов эксплуатации паровых котлов. Сб. науч. тр. /Юж-Рос. гос. техн. ун-т., Новочеркасск: ЮРГТУ 2000г.

4. Федоров B.C., Дьяконов Е.М. Разработка программы для итерационных расчетов паровых котлов с использованием программного комплекса "Тракт". Совершенствование конструкций и режимов эксплуатации паровых котлов. Сб. науч. тр. /Юж-Рос. гос. техн. ун-т., Новочеркасск: ЮРГТУ 2000г.

5. Дьяконов Е.М., Федоров B.C., Белов А.А. Применение метода Брой-дена в итерационных расчетах с использованием программного комплекса "Тракт". Совершенствование конструкций и режимов эксплуатации паровых котлов. Сб. науч. тр. /Юж-Рос. гос. техн. ун-т., Новочеркасск: ЮРГТУ 2000г.

6. Безгрешное А.Н., Дьяконов Е.М. Влияние степени рециркуляции дымовых газов на показатели работы парового котла ТП-87. //Кибернетика электрических систем: Материалы XXII сессии семинара "Диагностика энергооборудования". Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ред. Журн. "Изв. вузов. Электромеханика". 2000г.

7. Безгрешное А.Н., Дьяконов Е.М. Влияние тепловой схемы на показатели работы барабанного парового котла. //Молодые ученые России-теплоэнергетике: Материалы межрегиональной конф.-Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ) 2001г.

8. Безгрешное А.Н., Дьяконов Е.М. Сергеев В.В. Способ расширения регулировочного диапазона работы котла при переводе его на сжигание непроектного топлива. //Современные энергетические системы и комплексы и управление ими: Материалы международной научно-практической конференции. Часть 1, - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ). 2001г.

9. Дьяконов Е.М. Расширение диапазона регулирования барабанного парового котла без промежуточного пароперегревателя. //Современные энергетические системы и комплексы и управление ими: Материалы II международной научно-практической конференции.- г. Новочеркасск: В 3 ч., Юж-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ООО НПО "ТЕМП" 2002г. Ч. 1.

Подписано в печать 26.04.2004. Формат 60x84 '/i6. Бумага офсетная. Печать оперативная.

Печ.л. 1..2. Тираж 100. Заказ 619._

Южно-Российский государственный технический университет (НИИ) Центр оперативной полиграфии ЮРГТУ 346428, Новочеркасск, ул. Просвещения, 132

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОСТОЯНСТВА ТЕМПЕРАТУРЫ ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА ПРИ СНИЖЕНИИ НАГРУЗКИ КОТЛА

1.1 Основные способы газового регулирования

1.2 Основные способы парового регулирования

1.3 Способы расширения диапазона регулируемых нагрузок

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УСЛОВИЙ

САМОРЕГУЛИРУЕМОСТИ БАРАБАННОГО ПАРОВОГО КОТЛА

2.1 Основные положения по формированию тепловой схемы барабанного парового котла

2.2 Разработка математической модели условий саморегулируемости барабанного парового котла

2.3 Методика формирования тепловой схемы саморегулируемого парового котла

2.4 Выводы

Глава 3. РАСШИРЕНИЕ ДИАПАЗОНА РЕГУЛИРУЕМЫХ НАГРУЗОК БАРАБАННЫХ ПАРОВЫХ КОТЛОВ ПРИ РАБОТЕ НА

ПРОЕКТНОМ ТОПЛИВЕ

3.1 Объект и программа расчетных исследований

3.2 Методика расчетных исследований

3.3 Результаты исследований и методика их обработки

3.4 Анализ результатов

3.5 Выводы

Глава 4. РАСШИРЕНИЕ ДИАПАЗОНА РЕГУЛИРУЕМЫХ

НАГРУЗОК ПРИ СЖИГАНИИ ТОПЛИВ, ОТЛИЧАЮЩИХСЯ ПО СВОЙСТВАМ

4.1 Исследование возможности обеспечения равенства суммарных расходов на впрыск при сжигании природного газа и мазута.

4.2 Исследование возможности расширения диапазона регулируемых нагрузок барабанного парового котла при сжигании нескольких топлив.

4.2.1 Объект и программа расчетных исследований

2.2 Методика и последовательность проведения расчетных исследований

4.2.3 Результаты исследований и методика их обработки

4.3 Анализ результатов

4.4 Выводы

Глава 5 МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ БАРАБАННОГО ПАРОВОГО КОТЛА С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ РЕГУЛИРУЕМЫХ НАГРУЗОК

5.1 Формирование тепловой схемы барабанного парового котла при сжигании проектного топлива.

5.2 Формирование тепловой схемы барабанного парового котла при сжигании гаммы топлив.

ВЫВОДЫ

Ситуация, сложившаяся в настоящее время в энергетической отрасли страны в первую очередь характеризуется наличием большого количества физически и морально устаревшего оборудования, выработавшего свой ресурс. Наиболее остро данная проблема стоит для паровых котлов электростанций. Ограниченность инвестиций в развитие энергетики не позволяет решить существующие проблемы наиболее эффективным методом — заменой устаревшего оборудования на современное. В существующих условиях наиболее перспективным решением данной проблемы является разработка замещающих агрегатов, устанавливаемых в существующие котельные ячейки с сохранением главных корпусов, что значительно сокращает капитальные затраты на обновление оборудования. При этом, при разработке замещающих котлов должны быть учтены особенности эксплуатации оборудования, возникшие в связи с изменениями в режимах потребления и производства электроэнергии, а также в топливно-энергетическом балансе страны

В первую очередь должны быть учтены особенности, определяемые наметившейся в энергетике нашей страны тенденцией к разуплотнению графиков нагрузки, несмотря на наличие в энергетике "избыточной" мощности. Объективными причинами этого являются увеличение в суммарной нагрузке доли высокоэкономичных электростанций, работающих в базисном режиме, а также увеличение доли теплоэлектроцентралей (ТЭЦ)» работающих в режимах комбинированной выработки тепла и электроэнергии. Это требует повышения маневренности тепловых электростанций (ТЭС), работающих в ЕЭС России в переменной части графика нагрузки и по скорости изменения нагрузки и по диапазону регулируемых нагрузок (диапазону нагрузок котла, в котором возможно поддержание температуры перегретого пара на заданном уровне) [33], [35]. Причинами отклонений температуры перегретого пара (гпе) являются динамические возмущения и изменение нагрузки котла. Как в прямоточном (ППК), так и барабанном (БПК) паровых котлах для обеспечения постоянства /пе устанавливаются регуляторы перегрева. Однако их функции отличаются. В ППК регуляторы снимают последствия динамических возмущений, а постоянство /пе при изменении нагрузки обеспечивается выдерживанием соотношения "вода-топливо". В БГЖ от расхода топлива зависит не только перегрев пара, но и паропроизводительность котла. Поэтому проблема обеспечения постоянства температуры пара в заданном диапазоне нагрузок для барабанных паровых котлов сводится не только к снятию последствий динамических возмущений, но и к поиску способов обеспечения постоянства /пе при изменении нагрузки.

Задача расширения диапазона регулируемых нагрузок котлов осложняется требованиями сжигания в котлах различных топлив, что связано с поставками на ТЭС топлив из разных регионов. Кроме того, введение "газовой паузы" позволило перевести большое количество паровых котлов с твердого топлива на сжигание природного газа (особенно это касается ТЭЦ, расположенных в пределах городской черты). При этом проведенные мероприятия позволили обеспечить приемлемые показатели на газе, однако переход на резервное топливо (в'большинстве случаев - мазут) приводит на таких агрегатах к резкому ухудшению экологических и экономических показателей работы. Эти особенности должны быть учтены при разработке замещающих агрегатов.

Учитывая значительный вклад в производство электроэнергии ТЭЦ, задача участия в регулировании частоты и мощности актуальна и для них [35]. На территории нашей страны находится большое количество ТЭЦ, работающих по схеме с поперечными связями, оборудованными в большинстве своем барабанными паровыми котлами высокого давления без промежуточного пароперегревателя. Расширение диапазона регулируемых нагрузок паровых котлов ТЭЦ позволяет увеличить срок их службы за счет сокращения числа пусков-остановов, улучшить мобильность в части сокращения времени обеспечения задания системного диспетчера по отпуску электроэнергии и теплоты потребителю. В связи с этим необходимо, чтобы агрегаты, работающие на газе и мазуте позволяли снижать нагрузку до 30—40% от номинальной, а работающие на твердом топливе по крайней мере до 60% [21].

Обеспечение требуемого диапазона регулирования парового котла означает, в первую очередь, поддержание температуры перегретого пара на заданном уровне в требуемом диапазоне нагрузок: DH0M ~ DMm, где DH0M-номинальная нагрузка парового котла, %; DMHH-минимальная нагрузка парового котла, при которой необходимо обеспечить номинальное значение температуры перегретого пара, %.

Согласно Правил технической эксплуатации в процессе эксплуатации котельного агрегата не допускается превышение над заданной температуры пара более чем на 5°С или снижение более чем на 10°С [36]. Эти требования имеют под собой веские основания.

Выдерживание номинальной температуры перегретого пара обеспечивает повышение КПД цикла, поэтому температуру перегрева стремятся принимать максимально возможной по условиям длительной прочности работы металла пароперегревателей, турбины и паропроводов пара. В таких условиях даже незначительное увеличение температуры пара по сравнению с номинальной может вызывать резкое снижение срока службы пароперегревателя. Например, повышение температуры стенки труб с 550°С до 590°С для стали 12Х1МФ уменьшает номинальные допустимые напряжения [сг] с ббМПа до 41МПа при расчетном ресурсе работы 100 000 часов [55].

Снижение температуры перегретого пара приводит к значительному увлажнению пара в последних ступенях турбин, что может привести к эрро-зии лопаток турбин и в конце концов к выходу турбины из строя. Вместе с тем снижение температуры перегрева ведет к снижению КПД паросилового цикла.

Выбор способа воздействия на температуру перегретого пара /пе зависит от вида статической характеристики котла, представляющей зависимость /пе от нагрузки. Определяющее влияние на статическую характеристику котла оказывает состав, последовательность расположения в потоке продуктов сгорания и включения по рабочему телу видов и типов поверхностей нагрева. Исследованию влияния тепловой схемы котла на температуру перегретого пара при изменении его нагрузки посвящена настоящая работа.

Цель работы: разработка научных и методических основ выбора состава, тепловосприятий, последовательности расположения в потоке продуктов сгорания видов и типов поверхностей нагрева, обеспечивающих расширенный диапазон регулируемых нагрузок котла как при сжигании одного, так и нескольких топлив, значительно отличающихся по свойствам.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

Разработать математическую модель условий саморегулирования барабанного парового котла.

Выявить условия, при которых реализуется эффект саморегулируемости котла (обеспечение постоянства температуры перегрева при изменении нагрузки без участия регуляторов) при сжигании проектного топлива.

Исследовать возможность расширения диапазона регулируемых нагрузок барабанного парового котла при сжигании проектного топлива с учетом ограничений по степени радиационности пароперегревателя.

Исследовать возможность расширения диапазона регулируемых нагрузок барабанного парового котла при сжигании топлив, значительно отличающихся по свойствам.

Разработать методические основы выбора состава, тепловосприятий и зон расположения поверхностей нагрева барабанного парового котла с заданным диапазоном регулируемых нагрузок.

Научная новизна работы.

1) Научно обоснована возможность создания саморегулируемого парового котла. Установлено, что эффект саморегулирования возникает при оптимальных значениях степеней радиационности не только паропере-гревательных, но и водосодержащих поверхностей нагрева.

2) Разработана математическая модель условий саморегулируемости барабанного парового котла.

3) Получены соотношения между тепловосприятиями радиационных и конвективных пароперегревательных и водосодержащих поверхностей нагрева, при которых возникает эффект саморегулирования барабанного парового котла.

4) Найдены условия, при которых в барабанных паровых котлах, сжигающих несколько топлив, расходы на впрыски на номинальной нагрузке не меняются при переходе от одного топлива на другое.

5) Выявлена эффективность влияния на расширение диапазона регулируемых нагрузок степени радиационности пароперегревательных поверхностей нагрева, исходного расхода на впрыск, состава, тепловосприя-тий, зон расположения элементов пароводяного тракта и доли рециркуляции при заданных температурах уходящих газов иух, на выходе из топки и горячего воздуха на номинальной нагрузке /гв.

6) Разработана методическая основа выбора состава, тепловосприя-тий и зон расположения пароперегревательных и водосодержащих поверхностей нагрева, позволяющая обеспечить заданный диапазон регулируемых нагрузок при сжигании одного или нескольких топлив.

Практическая значимость работы.

1) Для барабанных паровых котлов с давлением перегретого пара 9,8-13,8 МПа определены возможные варианты тепловой схемы котла (состава, тепловосприятий, зон расположения в потоке продуктов сгорания поверхностей нагрева котла, доли рециркуляции продуктов сгорания и исходных расходов на впырски), позволяющие обеспечить расширенный диапазон работы с сохранением постоянной температуры перегрева пара.

2) Разработаны рекомендации по выбору степени радиационности пароперегревательных поверхностей нагрева в зависимости от заданного диапазона регулируемых нагрузок.

3) Разработаны методика и программа расчета тепловой схемы барабанного парового котла.

4) Выведены условия, при которых в барабанных паровых котлах, сжигающих несколько топлив, расходы на впрыски на номинальной нагрузке меняются незначительно при переходе от одного топлива на другое.

5) Найдены граничные значения исходных расходов на впрыски, превышение которых оказывает малое влияние на расширение диапазона регулируемых нагрузок.

6) Разработаны методические основы по выбору тепловой схемы, обеспечивающей заданный диапазон регулируемых нагрузок при сжигание одного или нескольких отличающихся по свойствам топлив.

ВЫВОДЫ

1. На основе характера изменения радиационных и конвективных характеристик пароперегревательных и водосодержащих поверхностей нагрева от нагрузки доказана возможность разработки саморегулируемого барабанного парового котла при ограничивающих условиях по Uj, Vyк, trB.

Установлено, что эффект саморегулирования возникает при оптимальной степени радиационности не только пароперегревательных, но и водосодержащих поверхностей .нагрева

2. Получены соотношения между тепловосприятиями радиационных и конвективных пароперегревательных и водосодержащих поверхностей нагрева, при которых возникает эффект саморегулирования барабанного парового котла.

3. Для барабанных паровых котлов с давлением перегретого пара 9,8-13,8 МПа найдены варианты рациональных решений по их тепловым схемам, позволяющие обеспечить расширенный диапазон регулируемых нагрузок котла.

4. Показано, что только с помощью проектных решений по структуре тепловой схемы, составу и тепловосприятию ее поверхностей нагрева, можно расширить диапазон регулируемых нагрузок котла при сжигании топлив, значительно отличающихся свойствами.

5. Выведены условия, при которых в барабанных паровых котлах, сжигающих несколько топлив, расходы на впрыски на номинальной нагрузке незначительно меняются при переходе от одного топлива на другое.

6. Установлен характер влияния степени радиационности пароперегревательных поверхностей нагрева, зон расположения элементов, исходных расходов на впрыски и доли рециркуляции продуктов сгорания на диапазон регулируемых нагрузок при выбранных температурах уходящих газов, на выходе из топки и горячего воздуха на номинальной нагрузке.

7. Разработана методика выбора структуры тепловой схемы, состава и тепловосприятий пароперегревательных и водосодержащих поверхностей нагрева, позволяющая обеспечить работу в заданном диапазоне нагрузок с постоянными значениями температуры перегретого пара.

1. Адрианов В.Н. Основы радиационного и сложного теплообмена. - М.: Энергия, 1972.-464 с.

2. Ахмедов Р.Б. Основы регулирования топочных процессов. М., "Энергия". 1977. 280с.

3. Ахмедов Р.Б. Регулирование топочных процессов при сжигании природного газа на тепловых электростанциях. М.,ВНИИЭГазпром, 1969, 42 с.

4. Аэродинамический расчет котельных установок. Под ред. В.В. Лебедева. Ленинград., "Энергия", 1977.

5. Батенин В.М. О некоторых нетрадиционных подходах к разработке стратегии развития энергетики России.- Теплоэнергетика, 2000, №10. с. 5-13

6. Ю.Безгрешнов А.Н., Дьяконов Е.М. Влияние тепловой схемы на показатели работы барабанного парового котла. //Молодые ученые России-теплоэнергетике: Материалы межрегиональной конф.-Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ) 2001г.

7. Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых котлов. JL: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1984. - 240 е., ил.

8. БычковскийА.Л., ХайкинИ.Б. Регулирование перегрева поворотными горелками.- "Электрические станции", 1954, №4, с. 17-23.

9. Внуков А.А. Надежность и экономичность котлов для газа и мазута. М, "Энергия", 1966. 268с.

10. Гойхман Л.А., Мигалкин Ю.А., Мадоян Л.Г. Исследование работы котла ТМ-84 при сжигании сернистого мазута. — "Теплоэнергетика", 1966, №2. с. 32-38.

11. ГОСТ Р 50831-95. Установки котельные. Тепломеханическое оборудование. Общие технические требования. М., Госстандарт России, 23 с.

12. Гурвич A.M., Митор В.В. Расчет теплообмена в газомазутных и пыле-угольных топках. — Энергомашиностроение, 1963, №2, с. 9-16.

13. Давыдов Н.И., Тюпина Т.Г. Исследование системы регулирования температуры пара с двумя опережающими скоростными сигналами. — Теплоэнергетика. 2002, №10, с. 17-21.

14. ДвойнишниковВ.А., Изюмов М.А., Супранов В.М., Щелоков В.И., Евдокимов С.А. Обоснование и выбор основных проектных решений по котлу Е-160-3,9-440 для ГЭС-1 АО "Мосэнерго". Теплоэнергетика. 2003, №12, с. 26-32.

15. Долежал Р. Новый метод регулирования перегрева пара впрыском конденсата насыщенного пара. "Электрические станции", 1953, №3, с. 2531.

16. Дураченко Л.И., МагидейП.Л. Влияние аэродинамического поворота факела на теплообмен в газомазутной топке. "Труды ЛПИ. Энергомашиностроение", 1970, № 316, с. 100-105.

17. Ефимов Н.Н., Митин Н.А. Проблемы поддержания температуры перегретого пара в заданных пределах. //Повышение эффективности производства электроэнергии: Материалы IV Междунар. конф. — Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2003. 204 с.

18. Зарайский С.И., Резник В.И., Розенгауз И.Н. О применении схемы конвективных поверхностей нагрев с разделенными газоходами в мощных котлоагрегатах. "Теплоэнергетика", 1967, №11, с. 40-44.

19. Змачинский А.В., Антропов Г.В. Определение оптимальной температуры рециркулирующих газов. "Теплоэнергетика", 1971, №2, с. 30-32.

20. ЗЗ.Зоммергад Ф.М., БывшевС.В. Требования к характеристикам мощных блоков при работе их в переменной части графика нагрузки энергостистем. //Теплоэнергетика, 1968, №6, с.30-34.

21. Казарновский Е.М. Регулирование температуры перегретого пара в паровых котлах. M.-JL, "Энергия", 1966. 384с.

22. Касьянов Л.Н., Ительман Ю.Р., Коган Ф.Л. Проблемы активизации участия тепловых электростанций в России в регулировании частоты и перетоков мощности в ЕЭС. Теплоэнергетика, 2002, №10, с. 9-16.

23. Ковалев А.П. и др. Парогенераторы. М.: Энергоатомиздат, 1985 — 376 с.

24. Кофман Л.М, Рудаков Я.Д, Мартынов А.В. и др.Повышение и регулирование перегрева пара при помощи рециркуляции газов на мазутном котле. — "Электрические станции", 1962, №6, с. 41-45.

25. Кроль Л,Б., Стерман Л.С. и др. Анализ некоторых особенностей котельных агрегатов с разделенными газоходами. — "Электрические станции", 1971, №11, с. 26-30.

26. Кроль Л.Б., Кемельман Г.Н Промежуточный перегрева пара и его регулирование в энергетических блоках. М., "Энергия", 1970. 317 с.

27. Кнорре Г.Ф. Топочные процессы. М., Госэнергоиздат, 1959. 395 с.

28. Кузнецов Н.В., Лившиц Э.М. и др. Котельный агрегат с разделенными газоходами. "Электрические станции", 1966, №6, с. 32-36.

29. Кучеров Ю.Н., Волков Э.П. Стратегические направления и приоритеты развития электроэнергетики. — Промышленная энергетика, 2002, №2, с. 2-12.

30. Липов Ю.М. и др. Компоновка и тепловой расчет парогенератора. Учеб. Пособие для вузов. М., "Энергия", 1975.

31. Лин М.К., Шустер С.Л. О методе теплотехнических расчетов при совместном сжигании трех газообразных видов топлива. "Промышленная энергетика", 1968, №1. с. 19-23.

32. Магидей П.Л., Воротников Е.Г. Некоторые результаты экспериментального исследования особенностей тепловой работы газомазутной топки при рециркуляции газов. "Известия вузов. Энергетика", 1969, №5,с. 62-68.

33. Методические указания по проектированию топочных устройств энергетических котлов. СПб., ЦКТИ, 1996, 270 с. с ил.

34. МиторВ.В. Теплообмен в топках паровых котлов. М.гМашгиз, 1963, 177с.

35. Наладка систем автоматического регулирования котлоагрегатов. Клюев А.С., Товарное А.Г. М., "Энергия", 1970.

36. Определение экономического эффекта технических решений в пароге-нераторостроении. Глебов В.П., Перевалов В.П., Карелов B.J1./ Под ред. В.А. Двойнишникова. м.: Моск. энерг.ин-т, 1985. - 64с.

37. Основные положения по первичному и вторичному регулирования ас-тоты и активной мощности в ЕЭС России. Методические указания. Приложение 3 к приказу РАО "ЕЭС России" от 18.09.2002 № 524

38. Парилов В.А. Сравнение регулирования первичного перегрева впрыском собственного конденсата и рециркуляцией дымовых газов. — Энергомашиностроение, 1968, №12, с. 52-57.

39. Применение технологии трехступенчатого сжигания для подавления оксидов азота на твердотопливных котлах в Европе и СНГ. Под ред. А.Г. Тумановского, В.Р. Котлера. Сборник докладов научно-практического семинара. М.: 2000, 139 с. с ил.

40. Профос П. Регулирование паросиловых установок. М.: Энергия, 1967.

41. РД 153-34.1-09,321-2002. Методика экспресс-оценки экономической эффективности энергосберегающих мероприятий на ТЭС.

42. РД 10-249-98 "Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды".

43. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. М.: "Энергия", 1976, 376с.

44. С. Я. Корницкий. Тепловая схема котельных агрегатов высокого давления. //Известия ВТИ, 1947, №11, с. 17-25.

45. Сергеев В.В., Левченко Г.И., Безгрешнов А.Н., Новиков Ю.С. Совершенствование тепловой схемы котла ТП-87 ТЭЦ-20 Мосэнерго при переводе его на сжигание природного газа и мазута. // Тяжелое машиностроение. 2000, №5, с. 2-5.

46. Спейшер В.А., Горбаненко А.Д. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках. М., Энергоатомиздат, 1991. 183 с.сил.

47. Стырикович М.А., Попырин Л.С. Зарубежный опыт применения паротурбинных электростанций для покрытия пиковой и полупиковой частей графиков нагрузки энергосистем. // Теплоэнергетика, 1971, №3, с. 84-89.

48. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод). Под ред. Н.В. Кузнецова и др., М., "Энергия", 1973.

49. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод. Издание 3-е, переработанное и дополненное. Изд-во НПО ЦКТИ, СПб, 1998.

50. Тепловые схемы котлов/ А.А. Паршин, В.В. Митор, А.Н. Безгрешнов и др. М.: Машиностроение, 1987. 224с.

51. Хзмалян Д.М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства. М., 1976. 487 с.

52. Холщев В.В. Испытания барабанного котла высокого давления на минимальных нагрузках. Электрические станции, 1998, №6. с. 13-17.

53. Холщев В.В. Температурный режим и контроль состояния экранных труб. Учебно-методическое пособие. М.: ИУЭ ГУУ, ВИПКэнерго, ИПКгосслужбы, 2003. - 43с.

54. Холщев В.В. Повышение надежности ступеней пароперегревателя от промежуточной до выходной. Электрические станции, 2001, №9. с.28-32.

55. Eberhardt Н., Frochlich P. Spitzenlastkessel in den USA.- "Energie" (BRD), 1968, №6, s. 18-22.

56. Черняк B.H., Шварц A.JI. Работа впрыскивающих пароохладителей в тракте промперегрева котлов энергоблоков условиях применения технологических методов снижения выбросов оксидов азота. Электрические станции. 2000, №10, с. 6-9.

57. Dettmers Geerd. Einflus von Temperaturuberschreitungen bei der Uberwa-chung von Hochtemperaturkesseln.- "Technische Uberwachung ", 1964, №10, Bd 5, №10, S. 18.