Расширение диапазона работы барабанного парового котла с сохранением номинальной температуры пара за счет совершенствования его тепловой схемы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, кандидат технических наук Дьяконов, Евгений Михайлович

• Дьяконов, Евгений Михайлович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дьяконов, Евгений Михайлович

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расширение диапазона работы барабанного парового котла с сохранением номинальной температуры пара за счет совершенствования его тепловой схемы»

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.

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

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дьяконов, Евгений Михайлович, 2004 год

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.