Повышение надежности пароперегревателей котлов ТЭС для сжигания твердых бытовых отходов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, кандидат технических наук Зеликов, Евгений Николаевич

• Зеликов, Евгений Николаевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зеликов, Евгений Николаевич

Введение.

Глава

ГЭС па ТБО и пути повышениях их энерге тической эффективности.

1.1 Опыт использования ТЭС на ТБО и биомассе в России и за рубежом.

1.2 Особенности использования ТБО в качестве энергетического топлива на ТЭС.

1.3 Конструктивные особенности котельных установок для сжигания ТБО.

1.4 Основные пути повышения энергетической эффективнос ти ГЭС на ТБО.

1.5 Снижение влияния высокотемпературной газовой коррозии на металл поверхностей нагрева котлов как основной путь повышения эффективности ГЭС на ТБО.

1.5.1 Общие положения высокотемпературной газовой коррозии.

1.5.2 Процессы, лежащие в основе высокотемпературной газовой коррозии поверхностей нагрева котлов для сжигания ТБО.

1.5.3 Факторы, влияющие на процесс высокотемпературной коррозии.

1.5.4 Методы исследования процессов высокотемпературной коррозии.

Глава

Разработка методики проведения экспериментальных исследований на стендовой установке.

2.1 Описание экспериментального стенда.

2.2 Методика проведения лабораторных исследований по изучению влияния коррозионно-агрессивных факторов в среде продуктов сгорания ТБО.

2.3 Методика проведения стендовых и промышленных испытаний по изучению характеристик коррозионной стойкости котельных сталей в среде продуктов сгорания ТБО.

2.4 Методика подготовки образцов к испытаниям и их последующей обработки.

2.5 Метод газового анализа.

Глава

Результаты стендовых исследований по изучению влияния коррозионно-агрессивных факторов и характеристик коррозионной стойкости отечественных котельных сталей в среде продуктов сгорания ТБО.

3.1 Исследования по изучению влияния коррозионно-агрессивных факторов в среде продуктов сгорания ТБО.

3.1.1 Условия проведения исследований.

3.1.2 Анализ результатов исследований.

3.2 Стендовые испытания по определению характеристик коррозионной стойкости котельных сталей.

3.2.1 Условия проведения стендовых испытаний по определению характеристик коррозионной стойкости котельных сталей.

3.2.2 Анализ результатов стендовых испытаний по определению характеристик коррозионной стойкости котельных сталей.

3.2.3 Анализ влияния коррозионно-агрессивных факторов на скорость общей коррозии.

Глава

Промышленные испытания по определению характеристик коррозионной стойкости котельных сталей в среде продуктов сгорания ТБО.

4.1 Условия проведения промышленных испытаний.

4.2 Результаты микрорентгепоспектралыюго анализа структуры и элементного состава продуктов высокотемпературной коррозии.

4.3 Результаты определения скорости общей коррозии.

Глава

Анализ экспериментальных данных и разработка рекомендаций по снижению интенсивности высокотемпературной газовой коррозии и повышению надежности пароперегревателей котлов в среде продуктов сгорания ТБО.

5.1 Расчет характеристик коррозионной стойкости котельных сгалей и получение зависимостей глубины коррозии от температуры и времени эксплуатации.

5.1.1 Методика расчета характеристик коррозионной стойкости.

5.1.2 Расчет характеристик коррозионной стойкости исследованных котельных сталей в среде продуктов сгорания ТБО.

5.2 Оценка достоверности полученных результатов.

5.2.1 Сопоставление расчетных данных с результатами инструментального контроля вырезок груб из поверхностей нагрева КУ.

5.2.2 Оценка предельной относительной ошибки расчета глубины коррозии.

5.3 Разработка решений по повышению надежности пароперегревателей котлов с увеличенными параметрами пара на ТЭС для сжигания ТБО.

5.4 Оценка технико-экономического эффекта полученных результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение надежности пароперегревателей котлов ТЭС для сжигания твердых бытовых отходов»

Основной тенденцией энергетики 21 века является энергосбережение и повышение энергетической безопасности с использованием различных видов нетрадиционных, возобновляемых топлив и различных видов отходов (биомасса; древесные, твердые бытовые, промышленные и сельскохозяйственные отходы и т. д). В условиях постоянного роста цен на ископаемое топливо возрастает актуальность использования энергетического потенциала возобновляемых топлив и отходов в России. В связи с этим, одним из приоритетных направлений является создание высокоэффективных систем утилизации тепла для установок па нетрадиционных и возобновляемых топливах.

Анализ мировых тенденций и технико-экономических аспектов развития технологий энергетического использования отходов и возобновляемых топлив позволяет сделать вывод, что такие технологии должны быть ориентированы на выработку электрической энергии при высоких параметрах пара с целыо повышения КГЩ.

К возобновляемым топливам относятся все виды биомасс -древесина, солома, топливные древесные гранулы. К отходам, в первую очередь, относятся наиболее распространенные твердые бытовые отходы (ТБО), различные виды сельскохозяйственных отходов, кородревесные отходы (КДО) и горючие промышленные отходы. Следует подчеркнуть, что ТБО - это практически неисчерпаемый вид топлива, равномерно распределенный пропорционально плотности населения и готовый к применению. В долгосрочной динамике морфологический и фракционный составы ТБО меняются, что, в свою очередь, приводит к росту низшей теплоты сгорания.

Оценивается, что 5 % энергопотребления стран ЕС может быть покрыто за счет использования энергетического потенциала ТБО1. По

1 Urban waste generated energy. Report 1995. World Energy Council, - 1995. - 84 p. данным Мирового энергетического совета, к 2020 г. объем использования возобновляемых топлив и отходов в мировом топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) возрастет до 6 %. В России энергетический потенциал возобновляемых топлив и отходов составляет 35-50 млп.т.у.т./год, из них доля ТБО составляет порядка 10 млн.т.у.т./год. В настоящее время этот потенциал используется па 1,5 %, причем в основном для выработки тепловой энергии.

В «Основных положениях (Концепции) технической политики в электроэнергетике России на период до 2030 г.», разработанных ОАО РАО «ЕЭС России» в 2007 г., особое место уделяется использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В Концепции отмечено, что по прогнозу Института энергетической стратегии общая установленная мощность ВИЭ к 2030 году должна составить более 18 ГВт. При этом наибольшая доля в этом объеме должна приходиться па ТЭС, сжигающие возобновляемые топлива и отходы - б ГВт (около 33 %). Одним из основных направлений технической политики в области использования возобновляемых топлив и отходов является освоение экологически чистых технологий переработки ТБО и биомассы с производством тепловой и электрической энергии.

Следует также отмстить, что сжигание ТБО па ТЭС позволяет решить проблему санитарной очистки городов. Вследствие этого существует устойчивая мировая тенденция увеличения доли ТБО, используемых на ТЭС в качестве энергетического топлива.

Большинство ТЭС, сжигающих ТБО и биомассу, имеют невысокие параметры пара и КПД. Отечественные ТЭС на отходах отличаются от зарубежных наиболее низкими параметрами пара и значениями электрического КПД нетто. ГТизкая энергетическая эффективность таких ТЭС существенно снижает экологический эффект, связанный с вытеснением из ТЭБ традиционных топлив за счет вовлечения ТБО и биомассы. Экологический эффект в этом случае связан с тем, что около половины всех газовых выбросов в местах складирования органосодержащих промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов приходится па метан, который в 21 раз опаснее, с точки зрения парникового эффекта, чем С02. Соответственно при сжигании ТБО и биомассы снижаются выбросы парниковых газов, во-первых, за счет экономии традиционного топлива, во-вторых, за счет предотвращения выброса в атмосферу метана.

Трудности при сжигании ТБО связаны со сложным элементным, морфологическим и фракционным составом. Трудности при сжигании биомассы обусловлены значительными колебаниями составов рабочей массы и минеральной части. В результате котельные установки, сжигающие ТБО и биомассу, вследствие особенностей конструкции и специфических свойств топлив, имеют низкий КПД и ограничение по параметрам пара. Это является основной причиной низкого электрического КПД ТЭС, использующих ТБО и биомассу. Ограничение по параметрам пара па выходе из котла обусловлено чрезвычайной коррозионной агрессивностью продуктов сгорания ТБО и биомассы.

Экономичное и надежное сжигание в котлах ТБО и биомассы связано с решением проблемы интенсивной высокотемпературной газовой коррозии пароперегревателей. В пашей стране до настоящего времени данный вопрос в полной мере не изучен. В этой связи особую актуальность приобретает задача разработки высоконадежной конструкции котла для сжигания ТБО и биомассы.

В частности, вопрос о влиянии различных факторов па коррозионные процессы в среде продуктов сгорания ТБО и биомассы является недостаточно изученным на сегодняшний день. Также не удалось найти какие-либо данные по характеристикам коррозионной стойкости отечественных марок котельных сталей в среде продуктов сгорания рассматриваемых топлив. По видимому, таких исследований до настоящего времени пе проводилось.

Таким образом, цслыо настоящей работы является разработка решений по повышению надежности пароперегревателей котлов для сжигания ТБО па 'ГЭС с увеличенными параметрами пара па основании результатов стендовых и промышленных исследований процессов высокотемпературной коррозии и характеристик коррозионной стойкости котельных сталей.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- Разработать методику стендовых исследований высокотемпературной газовой коррозии в условиях, идентичных условиям работы пароперегревателей котлов для сжигании ТБО.

- Провести стендовые исследования с целыо изучения влияния основных коррозиопно-агрессивных факторов па процесс высокотемпературной газовой коррозии в среде продуктов сгорания ТБО.

- Провести стендовые и промышленные испытания по определению коррозионной стойкости котельных сталей в сре/^ продуктов сгорания ТБО.

- Получить зависимости глубины коррозии от времени и температуры вида АБ^ДТ,г) для каждой исследованной марки сталей.

- Па основе полученных результатов разработать решения по снижению негативного влияния высокотемпературной газовой коррозии на надежность работы пароперегревателей и котлов в целом при сжигании ТБО.

Результаты настоящей работы при разработке и эксплуатации паровых котлов на ТБО и биомассе должны обеспечивать повышение надежности пароперегревателя в условиях длительной эксплуатации прежде всего за счет выбора оптимальной котельной стали, а также за счет оценки предельного эксплуатационного ресурса и межремонтного периода применительно к различным котельным сталям и параметрам пара. Эти данные, в свою очередь, позволят определять экономическую и техническую целесообразность повышения параметров пара при использовании па 'ГЭС

ТБО, а также при применении для пароперегревателя различных марок котельных сталей. Также оценка предельного эксплуатационного ресурса в каждом случае позволит предотвращать внеплановые остановы котлов и простои энергоблоков, что в настоящее время является одной из актуальных проблем повышения эффективности работы ТЭС на ТБО.

При решении задач, поставленных в диссертации, использовались методы экспериментального изучения коррозионных процессов па стендовой установке и промышленном котле.

Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность научному руководителю: канд.техн.наук, зав. ОПТ ВТИ - Тугову А.Н.

Выполнение работы стало возможным благодаря участию в пей научных работников ОПТ ВТИ: канд.техн.паук, зав. сектором золы и шлака ОПТ ВТИ - Дика Э.П., канд. техн.наук — Москвичева В.Ф., канд. техн.наук - Соболевой А.Н., инж. - Спичкиной Н.И., инж. - Титова М.С. инж. - Овсянникова Д.В. сотрудников ОМ ВТИ: канд.техн.паук - Школьниковой Б.Э., канд. техн.наук - Урусовой Г.А.

Также хотелось выразить благодарность научным работникам ЦНИИТМАШ: канд.техн.наук - Хариной И.Л., инж. - Змиеико Д.С.

Отдельные этапы работы обсуждались па научно-технических советах ОПТ ВТИ. Основные результаты диссертации изложены в отчете ВТИ, опубликованы в 17 статьях и материалах научно-технических конференций.

11

Заключение диссертации по теме «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты», Зеликов, Евгений Николаевич

Выводы но главе 5.

- Для сталей Сталь 20, 09Г2С, 15ГС, 12МХ, 15ХМ, 12Х1МФ, ДИ 82, ДИ 59, 08Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 16МоЗ, 2350Н на основе проведенных экспериментальных исследований получены зависимости глубины общей коррозии от температуры и времени эксплуатации в среде продуктов сгорания ТБО. Для сталей Сталь 20 и 12Х1МФ расчетные результаты, полученные с использованием приведенных зависимостей, подтверждены результатами эксплуатационного контроля вырезок из поверхностей нагрева парового котла (КУ СЗ №4), сжигающего ТБО.

- Практическая ценность и экономическая значимость работы заключаются главным образом в том, что полученные результаты позволяют определять оптимальный рабочий температурный диапазон для каждой марки исследованной котельной стали, а также оценивать предельный ресурс и межремонтный период пароперегревателя паровых котлов на ТБО для любых эксплуатационных параметров пара. Это, в свою очередь, позволит предотвращать внеплановые остановы котлов по причине выхода из строя пароперегревателей.

- При температуре пара/стенки 435/490 °С полученные результаты позволяют повысить эксплуатационный ресурс выходной ступени пароперегревателя как минимум до 20 тыс.ч.

- Для энергоблока, сжигающего 48 т/ч ТБО среднего состава ((¡>¡'=7500 кДж/кг) повышение параметров пара с 1,3 МПа, 310 °С до 3,4 МПа, 435 °С приведет к увеличению располагаемой электрической мощности с 17,4 до 23,5 МВт. При Киу=70-75 % дополнительная выработка электроэнергии составит около 40 млн.кВт-ч/год. За рабочую компанию длительностью 20 тыс.ч с учетом затрат на замену выходной ступени пароперегревателя (масса ступени 43,7 т, труба 60x7 ДИ 82) экономический эффект составит порядка 100 млн. руб. (примерно 100 руб. на 1 т сожженного ТБО).

172