Форсирование теплопроизводительности теплоэлектроцентрали за счет отборов тепла от энергетических котлов

Форсирование теплопроизводительности теплоэлектроцентрали за счет отборов тепла от энергетических котлов В. И. Щелоков А.У. Липец Предлагаемый способ отбора тепла, разработанный заводом совместно с НПО ЦКТИ, требует минимальных капиталовложений и уменьшенных затрат на топливо по сравнению с производством тепла в водогрейных котлах. По сравнению же с отбором от ТЭЦ он не вызывает потерь мощности турбины и способствует улучшению экологических характеристик котла по выбросам золы и оксидов азота.

Выработка электроэнергии на тепловом потреблении является наиболее дешевым и простым способом повышения эффективности паротурбинных энергоблоков. Если имеется потребность в тепле, например для теплоснабжения, то вместо того чтобы производить его в специальных мазутных водогрейных котлах, можно получать его из турбины путем отбора вырабатываемого на дешевом топливе пара, который в противном случае сбрасывается в конденсатор. На этом принципе строятся ТЭЦ со специальными турбинами для отбора пара на подогрев воды в бойлерах. Они были широко распространены в бывшем СССР, а ныне продолжают распространяться в России.

Удельные расходы топлива ТЭЦ на производство в них электроэнергии составляют примерно 150…170 г. у.т./(кВт ч) вместо 340 г. у.т.(кВт ч) на конденсационных станциях, топливо электроэнергия котел економайзер Сравнительно небольшое распространение ТЭЦ во многих странах Запада объясняется в основном не техническими причинами, а общественным укладом западного общества. Впрочем, есть и экономические причины, связанные главным образом с тепловыми сетями.

Казалось бы, преимущества теплофикации очевидны. Однако она имеет и определенные недостатки, о которых упоминают значительно реже, чем о достоинствах:

сезонность выработки тепла с получением соответствующего эффекта и отсутствие эффекта в остальное время года, даже некоторое ухудшение экономичности по сравнению с конденсационной станцией;

заметное ухудшение, экономичности ТЭЦ при производстве высокопотенциального тепла для дальнего теплоснабжения;

снижение электрической мощности энергоблока при неизменной паропроизводительности котла в случае отбора пара от турбины и соответственно необходимость восполнения потерянной мощности в энергосистеме строительством новых электростанций.

Указанные недостатки не всегда полностью осознаются научно-технической общественностью. Поэтому особого внимания заслуживает другой способ отбора тепла от энергоблоков — не от турбин, а от котлов. Скорее, его можно рассматривать как способ отбора дополнительного тепла, но иногда он может выступать и как альтернативный.

Широко известен способ отбора тепла от котлов в низкотемпературных экономайзерах (НЭКО), когда за воздухоподогревателем котла устанавливается поверхность нагрева НЭКО, где нагревается сетевая вода для теплоснабжения. Для этого способа характерно то, что тепло НЭКО является полностью утилизационным, не требующее дополнительных затрат топлива; кроме того, отсутствуют потери электрической мощности энергоблока.

Вместе с тем, НЭКО присущи и серьезные недостатки:

количество вырабатываемого тепла невелико в пределах возможного снижения температуры уходящих газов;

потенциал отбираемого тепла ограничен располагаемой температурой уходящих газов с учетом приемлемого температурного напора в НЭКО;

поверхность нагрева непомерно велика из-за низкого температурного напора;

надежность НЭКО, — и это главное, — низка, они склонны к коррозии, износу, забиванию.

Из-за указанных недостатков НЭКО мало распространены в мировом котлостроении: как правило, они не выдержали проверки временем Решающий шаг, который сделал завод в вопросе отбора тепла от котлов, — это размещение поверхности нагрева для отбора тепла не за воздухоподогревателем, а перед ним. Эту поверхность можно назвать высокотемпературным теплофикационным экономайзером (ВТЭ) или встроенным водогрейным котлом (ВВК) — рис. 1.

Установка ВТЭ перед воздухоподогревателем позволяет отобрать в нем значительно большее количество тепла, чем в НЭКО, при одинаково глубоком снижении температуры уходящих газов. Его можно увеличить, если одновременно сократить тепловосприятие водяного экономайзера, вплоть до его отключения на период потребления тепла.

Естественно, что тепло, которое производится в ВТЭ, лишь частично утилизационное, а в остальном оно содержит тепло дополнительно сожженного топлива. При ограниченном количестве получаемого тепла и искусном проектировании эффективность отбираемого тепла (доля утилизационного тепла) в ВТЭ может составлять от 30 до 70%.

По сравнению с отбором тепла от турбины, отбор тепла от котла в ВТЭ может быть не менее теплотехнически эффективным, однако количество отбираемого тепла в нем безусловно уступает количеству тепла, которое можно получить от турбины.

На газовом котле СКД, работающем в блоке с теплофикационной турбиной Т-250, в ВТЭ можно отобрать до 100 Гкал/ч тепла, тогда как отбор тепла от турбины составляет примерно 360 Гкал/ч.

На аналогичном газовом котле СКД, работающем в блоке с конденсационной турбиной.

К-300, от котла удается отобрать 50 Гкал/ч, используя в качестве ВТЭ часть поверхности котельного экономайзера.

Сжигание в котлах одного только газа позволяет отобрать в них тепло со снижением температуры уходящих газов до Тух. == 80…90 °С.

Сжигание в котлах низкокалорийных высоковлажных топлив, например лигнитов, сопряжено, особенно при высоких параметрах пара, с высокой температурой уходящих газов, что позволяет обеспечить значительную тепловую эффективность отбора тепла.

Таким образом, при сжигании газа и низкокалорийных влажных топлив ситуация благоприятствует отбору тепла от котлов, которое при ограниченных потребностях в нем может быть конкурентоспособным с отбором тепла от турбин по тепловой эффективности и превосходить его по отсутствию потерь электрической мощности.

Наиболее важным преимуществом отбора тепла от котлов по сравнению с его отбором от турбин является возможность электрической разгрузки энергоблока (путем снижения паропроизводительности котла) практически без потерь теплопроизводительности.

Что же касается сопоставления отборов тепла от энергетических котлов с отбором от специальных водогрейных, то превосходство первых очевидно по следующим причинам:

тепло, отбираемое от энергетических котлов, зачастую производится на дешевом твердом топливе, а не на мазуте;

отбор тепла не требует строительства котельной со вспомогательным оборудованием и специального обслуживания;

ВТЭ представляет собой дешевую конвективную поверхность нагрева;

отбор тепла от энергетических котлов обеспечивает снижение удельных расходов топлива на производство электроэнергии.

Но работы завода выявили возможность отбора тепла не только от дымовых газов, но и от дутьевого воздуха, а также от питательной воды.

Для всех вариантов отбора тепла завод располагает специальными высокоинтенсифицированными теплообменниками.

Ниже приведены некоторые примеры модернизации котлов с целью отбора от них тепла. Из этих примеров будет видно, что реализовать отбор тепла от котла достаточно просто.

Завод готов принять на себя проектирование и изготовление оборудования для отбора тепла. Некоторые разработки завода в этом направлении запатентованы, другие содержат «ноу-хау» и подлежат патентованию.

Мы приглашаем коллег к совместным работам и совместному патентованию.

Березовская ГРЭС-1.

Блок № =800 Мвт с котлом П-76, Д=2650 т/час Основная цель — снижение температуры уходящих газов для повышения эффективности электрофильтров — уменьшение выбросов золы в 2 раза.

Этот вопрос решен путем отбора от избыточного воздуха тепла Q=50 Гкал/ч для целей теплоснабжения. Это позволило сократить по одному водогрейному котлу на каждый энергоблок и снизить температуру уходящих газов до 140″ С.

Модернизация котла заключается в оснащении трубчатого воздухоподогревателя системой избыточного воздуха с встроенным в воздуховод воздухо-водяным теплообменником, который включен в тракт сетевой воды.

Затраты на установку — 160 тонн металла и вентиляторы воздушной рециркуляции.

Установкой оснащены 2 блока, головная установка работает более десяти лет.

Эффективность:

снижение температуры уходящих газов на 20 °;

уменьшение выбросов золы из электрофильтров в 2 раза;

уменьшение затрат топлива на производство тепла более чем в 2 раза Омская ТЭЦ-5.

Котел БКЗ-420 работает на экибастузском угле 0= 3450 ккал/кг.

Модернизация заключается в замене гладкотрубного экономайзера второй ступени на оребренный, исключении гладкотрубного экономайзера первой ступени из гидравлической схемы котла и замене его оребренным высокотемпературным теплофикационным экономайзером с предвключенным воздушным подогревателем сетевой воды, а также в повышении температуры предварительного подогрева воздуха.

Израсходовано — 240 тонн металла.

Результаты:

рекордное (до 97 'С) снижение температуры уходящих газов;

уменьшение выбросов золы из электрофильтров в 2,7 раза;

получение 14,3 Гкал/ч тепла для теплоснабжения пои затрате тепла топлива.

Q = (В-Во) * О^р_н * h = (73.70 — 71,54) * 3450 *0,938 = 7,0 Гкал/час повышение надежности работы экономайзеров по условиям золового износа.

Модернизированный котел эксплуатируется свыше 6 лет.

Снижение температуры газов на выходе из котла привело к существенному повышению его КПД (около 2,5%), росту эффективности электрофильтров (за счет уменьшения объема и скорости газов и улучшения электрофизических свойств золы), выработке большого количества дополнительной тепловой энергии (свыше 14 Гкал/ч) только за счет утилизации низко потенциального тепла.

Основой данной системы является использование теплообменников из труб с приварным спирально-ленточным оребрением, успешно изготавливаемых ОАО «ЗиО-Подольск», а также современные методы проектирования котлов.

Отборы тепла от газовых котлов Сургутских ГРЭС-1 и ГРЭС-2.

На Сургутской ГРЭС-1 сетевая вода греется отборным паром турбин до 112⁰. Догрев воды до 150⁰ осуществляется в водогрейных котлах городских газовых котельных.

Удовлетворение растущих потребностей города в тепле тривиальными методами требует увеличение расхода сетевой воды, прокладки нового трубопровода и реконструкции турбин с увеличением отбора от них пара при соответствующем снижении электрической мощности.

Разработанное предложение (см. рисунок) решает эту задачу по-другому.

— В котле перед РВП устанавливается дополнительная оребренная поверхность нагрева — высокотемпературный теплофикационный экономайзер — ВТЭ, в котором байпас сетевой воды нагревается от 112⁰ до 160⁰, после чего он смешивается с основным потоком сетевой воды, повышая ее температуру до 133⁰.

При указанных в схеме величинах теплопроизводительность станции возрастает в -1,35 раза без увеличения расхода сетевой воды и без уменьшения электропроизводительности.

Отбор тепла от котла осуществляется с тепловой эффективностью ~ 35%, на производство дополнительного тепла расходуется только 65% требуемого по балансу газа.

Соответственно, в водогрейных котельных расход природного газа сокращается на 35%, что является чистой эксплуатационной экономией.

Затраты на ВТЭ существенно меньшие, чем затраты на дополнительные трубопроводы. Да и сама стоимость ВТЭ во много раз меньше стоимости необходимых дополнительных водогрейных котлов.

По нашим расчетам окупаемость затрат не превышает 3-х месяцев.

Разработанные заводом схемы отбора тепла для Сургутской ГРЭС-2 (рис. 1,2,3) предусматривают возможности отбора тепла от дымовых газов, от дутьевого воздуха, от питательной воды.

Новые схемы отбора тепла от котлов обладают рядом достоинств.

Тепловая эффективность отбора тепла достаточно высока и составляет обычно 30−50%.

Капитальные затраты на отбор тепла от котлов в 5−10 раз ниже, чем затраты на водогрейные котлы.

Температурный потенциал отбираемого от котлов тепла может быть сколь угодно высок.

Отбор тепла от котлов позволяет поддерживать теплопроизводительность станции при снижении электрической нагрузки.

Отбор тепла от котлов обычно сопровождается экологическими эффектами: снижением выбросов оксидов азота в газомазутных котлах, повышением эффективности электрофильтров в угольных котлах.

Окупаемость затрат обычно не превышает 1−2-х лет.