О модернизации котельного агрегата ТГМЕ-464 Саратовской ТЭЦ-5 с целью снижения выбросов NOX путем применения труб с внутренним винтовым оребрением в подовой поверхности нагрева

О модернизации котельного агрегата ТГМЕ-464 Саратовской ТЭЦ-5 с целью снижения выбросов NOX путем применения труб с внутренним винтовым оребрением в подовой поверхности нагрева

К.т.н. В.А. Медведев, доцент, ФГБОУ ВПО СГТУ;

О.Ю. Мясникова, руководитель режимной

группы ПТО, Саратовская ТЭЦ-5

Как известно, оребренные трубы позволяют интенсифицировать процесс теплообмена между теплоносителями в изготовленных из них теплообменных поверхностях и таким образом успешно решать задачи повышения экономичности, надежности и экологичности различных энергетических установок, в том числе и паровых котлов ТЭС.

Существуют различные способы снижения выбросов оксидов азота от паровых котлов ТЭС — это снижение коэффициента избытка воздуха, ступенчатое сжигание топлива по ярусам горелок котельного агрегата, рециркуляция дымовых газов, впрыск влаги в зону горения, высокотемпературный подогрев мазута, которые достигаются теми или иными способами. В данной работе речь пойдет об установке и опыте применения в реальных условиях эксплуатации подовой поверхности нагрева котла из труб с внутренним винтовым оребрением (ВВО) на паровом котле ТГМЕ-464 ст. № 2 Саратовской ТЭЦ-5.

Внешний вид трубы с ВВО представлен на рис. 1.

паровой котел труба оребрение.

Анализ отечественных и зарубежных источников информации показывает, что применение труб с ВВО в котельной технике наиболее перспективно в испарительных поверхностях нагрева.

По данным фирмы ANSALDO представленный на рис. 1 тип оребрения позволяет не только разрушить пристенный пограничный слой жидкости, но и создать в пристенной области вращательное движение этой жидкости. Достигаемый за счет этого эффект по сравнению с гладкостенной трубой показан на рис. 2. Из рисунка видно, что при одинаковом паросодержании в пароводяной среде, начиная с относительного содержания пара в 20% температура металла у трубы с ВВО значительно ниже температуры металла гладкостенной трубы.

В испарительных поверхностях нагрева паровых котлов, в трубах которых движется пароводяная смесь, применение внутреннего винтового оребрения увеличивает критическую мощность в 2 раза, а выходное паросодержание до 0,8−0,9, что позволяет значительно повысить надежность работы таких поверхностей. Эффект увеличения критической плотности теплового потока и выходного паросодержания зависит от массовой скорости, угла закрутки и высоты ребер [1].

НПО ЦКТИ имени И. И. Ползунова совместно с Трубным институтом (г. Днепропетровск) и трубными заводами разработаны конструкция и технология изготовления труб с ВВО для парообразующих экранов котлов высокого давления размером 50×5 и 60×6 мм из стали 20. Трубы имеют на внутренней поверхности соответственно 8 и 10 винтообразных ребер высотой 1,1…1,6 мм, шириной на вершине 4…5 мм, с углом подъема винтовой линии ребер 20…26°. Проведены всесторонние исследования теплогидравлических и прочностных характеристик труб, а также их механических свойств. Гидравлическое сопротивление труб с ВВО на 30…40% выше гладкостенных, а граничное паросодержание не ниже 50…60%.

Экспериментальное производство труб с ВВО было освоено на Волжском трубном заводе (г. Волжский, Волгоградской области). Опытные образцы труб с ВВО впервые были установлены взамен гладкостенных, без ошиповки и огнеупорной обмазки, в 1981 году в вихревой топочной камере котла ТГМЕ-444 ст. № 6 Ростовской ТЭЦ-2. Они имели разный угол наклона к горизонту — 15^О, 45^О и 60^О на длине 1.5…2.0 м от входного коллектора. За 8-летний период наблюдений признаков пароводяной коррозии не обнаружено. При этом установлено, что количество отложений на обогреваемой стороне труб меньше, чем на тыльной, в то время как в гладкостенных трубах обычно на огневой стороне труб количество отложений в 2…3 раза больше, чем на необогреваемой. В 1989 г в аналогичном котле ТГМЕ-428 Волгоградской ТЭЦ-3 трубами с ВВО без ошиповки и обмазки экранированы полтора отсека вихревой топочной камеры, а на другом котле ТГМЕ-428 в 1990 г. полностью вся топочная камера. В эти же годы на котлах ТГМЕ-464 ст. № 1 и ст. № 2 Северодвинской ТЭЦ-2 подовые экраны из гладкостенных труб с огнеупорным покрытием были полностью заменены на поверхности из труб с ВВО без защитного покрытия. На этих котлах проведен большой комплекс исследований, результаты которых представлены [2, 3].

В 1996 г. НПО ЦКТИ совместно с ОАО ТКЗ «Красный котельщик» предложили установку подового экрана из труб с внутренним винтовым оребрением без огнеупорного покрытия на одном из котлов ТГМЕ-464 Саратовской ТЭЦ-5. К этому времени рассматриваемое техническое решение было защищено авторским свидетельством на изобретение [4]. Согласно выполненным в НПО ЦКТИ расчетным исследованиям [5], снятие защитного слоя шамотного кирпича с пода позволяет снизить тепловую нагрузку экранов в топке более чем на 10% и, как следствие, уменьшить выбросы оксидов азота на 25…30%. Температура уходящих газов на выходе из котла при этом остается практически неизменной. Кроме того, создаваемая с помощью ВВО гидродинамическая структура потока способствует уменьшению количества внутренних железоокисных отложений на обогреваемой поверхности труб, что позволяет увеличить период между химическими промывками экранов.

В 1998 г. предложение НПО ЦКТИ и ТКЗ было реализовано на котле энергоблока ст. № 2. Схематично общий вид топочной камеры котла ТГМЕ-464 показан на рис. 3.

В марте 2000 г НПФ «Градиент-С» СГТУ были проведены теплотехнические испытания котла ТГМЕ-464 ст. № 2 с целью получения экспериментальных данных о влиянии пода из труб с ВВО без огнеупорного покрытия на работу котла. Испытания проведены на паровых нагрузках 250, 320 и 405 т/ч при сжигании природного газа.

Через год были проведены испытания с целью экспериментального определения выбросов оксидов азота. Они проведены режимной группой производственно-технического отдела Саратовской ТЭЦ-5 при паровых нагрузках 370, 410, 460 и 475 т/ч и загрузке дымососа рециркуляции дымовых газов (ДРГ) по указателю положения (УП) на 60%. Измерения оксидов азота выполнялись при помощи газоанализатора Testo 342−3.

Полученные результаты промышленных испытаний сравнивались с отчетными данными службы наладки и автоматики теплотехнических испытаний (СНАТИ) ОАО «Саратовэнерго» при нагрузках котла 250, 300, 360, 400 и 460 т/ч с закрытым подом от апреля 1990 г. При сравнении полученных результатов испытаний выявлено, что снижение выбросов оксидов азота, приведенных к коэффициенту избытка воздуха 1,4, составляет в среднем 23,7% (при загрузке ДРГ по УП на 60%).

Результаты измерений выбросов оксидов азота NO_x показаны на рис. 4.

Также персоналом режимной группы ПТО проведен сравнительный анализ изменения выбросов оксидов азота при сжигании природного газа на котле ст. № 2 и на таких же котлах марки ТГМЕ-464 ст. № 3, 4. Анализ показал, что при сопоставимых паровых нагрузках и положении направляющего аппарата ДРГ снижение содержания NO_x в дымовых газах составляет от 12…15 до 27…31% (рис. 5).

Не менее важным показателем работы новой техники является показатель надежности. С этой целью авторами настоящих тезисов проведен анализ статистики отказов в работе котла с новым подом с момента его установки, т. е. начиная с октября 1998 г. по настоящее время. Первый останов энергоблока непосредственно из-за свища в подовой поверхности нагрева котла произошел 1.02.2007 года. Следовательно, наработка на отказ составила почти 9 лет. За это время было зафиксировано 8 остановов энергоблока № 2 с обнаружением свищей экранных и подовых поверхностей нагрева котла, однако ни один из них не явился первопричиной останова. В основном это были свищи экранных труб — 6 из 8, что составляет лишь 8,8% от общего количества остановов энергоблока. Затем свищи в подовой части топки были обнаружены 16.04.2007 и 2.06.2007 года. Далее свищи в подовой поверхности нагрева стали регулярными.

Исследования повреждений подового экрана из труб с ВВО, в том числе вырезки образцов труб, показали, что основной причиной повреждения является низкое качество геометрии ребер на внутренней поверхности труб. Кроме того, в котле ст. № 2 Саратовской ТЭЦ-5 оребрена только подовая поверхность нагрева, а остальные экранные поверхности топки выполнены гладкостенными. За рубежом практикуют оребрение всех топочных поверхностей нагрева котлов. За счет лучшего качества оребрения и применения в котлах однотипных испарительных поверхностей нагрева, надежность работы этих поверхностей нагрева выше, чем на нашей станции.

Основные выводы

• 1. Установленный в топке котла ТГМЕ-464 ст. № 2 Саратовской ТЭЦ-5 подовый экран из труб с ВВО надежно отработал с октября 1998 г по февраль 2007 г. Причиной последовавших после этого свищей, по мнению авторов статьи, является низкое качество изготовления труб, в первую очередь нарушение геометрии ребер. Улучшение качества геометрии ребер за счет совершенствования технологии изготовления труб с ВВО позволит значительно повысить в котлах эксплуатационную надежность испарительных поверхностей нагрева из таких труб.
• 2. Установка подовой поверхности нагрева из труб с ВВО позволила снять огнеупорное покрытие с пода, тем самым снизить температурный максимум в зоне горения, за счет чего, как известно, снижаются термические выбросы оксидов азота. Выполненные измерения содержания оксидов азота в продуктах сгорания топлива с помощью газоанализатора Testo-342−3, в контрольном сечении за пароперегревателем, и их сравнительный анализ с результатами измерений на котлах ТГМЕ-464 ст. № 3 и ст. № 4 Саратовской ТЭЦ-5, на которых подовые экраны изготовлены из гладкостенных труб и имеют огнеупорное покрытие, показали, что при сопоставимых условиях в котле ТГМЕ-464 ст. № 2 содержание NO_х в среднем ниже на 21,3%, снижение NO_x относительно работы этого котла до замены пода составило 23,7%. Полученные результаты исследований в реальных промышленных условиях хорошо согласуются с расчетными данными НПО ЦКТИ [5].
• 3. Анализ результатов измерений температуры стенки металла труб с ВВО, полученных с помощью специальных температурных вставок, не выявил превышения допустимого уровня для стали 20, составляющего 450 ^ОС. Это указывает на удовлетворительный температурный режим работы металла труб с ВВО в рассмотренных условиях.

• 1. Ланкевич В. И., Перепелица Н. И., Сапанкевич А. П. Интенсификация теплосъема в трубах с внутренним винтовым оребрением. //Теплоэнергетика № 4, 1980 г. С. 22−24.
• 2. Холщев В. В., Жадзилко М. И., Добряков А. А. О работе котла ТГМЕ-464 с обогреваемым слабонаклонным подовым экраном. //Теплоэнергетика № 1, 1990 г. С. 53−57.
• 3. Полонский В. С., Холщев В. В., Криуля А. С., Клевайчук К. А. и др. Комплексное исследование теплохимических условий работы наклонных труб подовой части фронтового экрана газоплотного котла ТГМЕ-464. //Теплоэнергетика № 9, 1996 г. С. 35−39.
• 4. А.С. 1 772 517 (SU). Котел. /В.В. Соколов, В. Б. Гололобов, Л. И. Скаковский, В. В. Холщев.- Опубл. в Б.И., 1992, № 10.
• 5.

  Заключение

  по работе «Расчетная проверка надежности топочных экранов котла ТГМЕ-464 Саратовской ТЭЦ- 5 при выполнении подового экрана из внутриоребренных труб без огнеупорного покрытия» //Санкт-Петербург: НПО ЦКТИ, 1993. 74 с.