Совершенствование газовоздушного тракта энергетических котлов с целью повышения надежности и экономичности энергетического оборудования

Созидательная деятельность почти всегда направлена на получение позитивного результата с меньшими затратами. Это обстоятельство в полной мере соотносится с развитием промышленности, в том числе энергетики.

Использование огромного парка энергетического оборудования ранних выпусков, не отвечающих современным технико-экономическим требованиям, вызывает необходимость постоянного совершенствования технологических процессов тепловых электростанций.

Основная доля энергетических мощностей по прежнему сосредоточена на тепловых электростанциях, использующих в качестве топлива газ, мазут, уголь. Необходимость совершенствования процессов сжигания топлива и процессов утилизации тепла уходящих газов ни у кого не вызывает сомнений.

Тепловая часть электростанции имеет два основных тракта: пароводяной и топ л ивно-газовоз душный. Поскольку водяной пар является рабочим веществом основного цикла теплоэнергетических установок, постольку естественно повышенное внимание в литературе, которое уделяется вопросам, связанным с совершенствованием пароводяного тракта.

Газовоздушный тракт (ГВТ) является важной составляющей частью электростанции, однако совершенствованию его элементов уделяется значительно меньше внимания. Между тем ГВТ существенно влияют на размеры и компоновку ТЭЦ, их сооружение связано с затратами большого количества материалов и средств, на транспортировку по ним воздуха и газов затрачивается большое количество энергии, а от качества их выполнения и состояния зависит надежность работы электростанции. ГВТ включает в себя значительное число элементов электростанции. К ним относятся газовоздухопроводы и теплообменные поверхности нагрева, тягодутьевые машины (ТДМ), воздухоподогреватели (РВПТВП). Они связаны в определенной последовательности в единый тракт, и поэтому при разработке их конструкций возникают некоторые общие для всех элементов вопросы, например вопросы организации движения потока и обеспечения минимальных гидравлических потерь, технико-экономического обоснования скоростей и обеспечения высокой надежности работы. Вместе с тем каждый элемент имеет свою специфику. Так, в поверхностях нагрева воздухоподогревателей решающее значение имеет теплообмен при оптимальном сопротивлении и низкой коррозии, а в тягодутьевых машинах — самодостаточность на номинальном режиме и экономичность работы в условиях переменных режимовв газоходах — оптимальное сопротивление, равномерное поле скоростей, отсутствие коррозии.

Элементы газового тракта оказывают взаимное влияние друг на друга и только комплексное решение всех перечисленных вопросов позволит найти эффективное решение. Между тем до последнего времени не всем вопросам уделялось достаточное внимание, что привело к тому, что газовоздушные тракты многих электростанций имеют серьезные недостатки.

Прежде всего следует отметить сложность и разнообразие форм газовоздухопроводов и газоходов. Они связывают между собой различные элементы тепловой электростанции и поэтому зависят от выбранного оборудования и его компоновки. Близкое расположение отдельных элементов определяет их взаимное влияние друг на друга. Конфигурация газовоздушных трактов современной электростанции имеет очень сложные формы, поэтому наибольшая часть напора затрачивается на преодоление местных сопротивлений и требует дополнительных расходов энергии на тягодутьевые машины.

Сечения газовоздухопроводов измеряются десятками квадратных метров, что в сочетании с требованиями минимизации строительной площадки ТЭЦ и вытекающих отсюда компоновочных решений приводит к значительной неравномерности полей скоростей, существенно снижающих интенсивность теплообмена в регенеративных воздухоподогревателях, которые являются одним из важнейших теплотехнических элементов схемы ТЭЦ. Именно это оборудование определяет высокий уровень коэффициента полезного действия (КПД) парогенератора и сильно влияет на долговечность работы газоходов.

Рациональное построение ГВТ включает вопросы выбора ТДМ и регулирующих устройств с учетом заданного графика нагрузки ТЭЦ.

Низкая эксплуатационная экономичность ТДМ может быть следствием выбора машин с излишне большими запасами по производительности и давлению, что обуславливает работу их в глубоко нерасчетных режимах с низким КПД. Недостаточный выбор напора или производительности ТДМ в сочетании с эксплуатационным увеличением местных сопротивлений элементов ГВТ из-за заноса или реконструкции, например РВП с целью интенсификации теплообмена сопровождающейся повышением местного сопротивления, ограничивает мощность парогенератора. Переход на сжигание другого вида топлива, реконструкция парогенератора или его золоулавливающей установки, внедрение природоохранного оборудования и мероприятий часто требуют внесения изменений в конструкцию ТДМ.

Современные экономичные аэродинамические схемы радиальных ТДМ с лопатками загнутыми назад обладают низкими коэффициентами давления, что требует увеличивать диаметры и окружные скорости колес для получения необходимых расходов и давлений. Для поддержания высокой экономичности ТДМ, в том числе, на частичных нагрузках, применяются различные способы регулирования. Эффективное регулирование ТДМ с лопатками загнутыми назад может быть обеспечено только изменением скорости вращения ротора. Дешевого по капитальным затратам и простого в эксплуатации привода, дающего возможность плавного изменения числа оборотов ротора ТДМ отечественная теплоэлектроэнергетика пока не имеет. В стремлении решить этот вопрос руководство ОАО «Мосэнерго» закупает дорогостоящие приводы канадской фирмы «Ален-Бредли», но финансовые возможности ограничивают их широкое внедрение.

Применение машин с лопатками загнутыми назад имеет ограниченную область в связи с тем, что на тыльной стороне лопатки у дымососов на газомазутных и пылеугольных котлах происходит налипание золы топлива, приводящее к небалансу колеса. На ТЭЦ-21, 23 ОАО «Мосэнерго» дважды были аварии дымососов из-за большого небаланса, созданного отложениями. В результате высокоэкономичные колеса дымососов ДН-26×2, выполненные по схеме 70−160-П с выходным углом лопатки (32=20° были заменены на колеса, разработанные на схеме 0,62−40 с (32=40°, которые имеют пониженный КПД на номинальном режиме и не решают вопроса экономичной работы в нерасчетном режиме, что особенно актуально для ОАО" Мосэнерго", имеющего ограниченные пиковые мощности и вынужденного осваивать режимы скользящих давлений работы пароводяного тракта, позволяющих энергоблокам электростанций нести нагрузку, например на ТЭЦ-26 на парогенераторе ТГМП-344А производительностью Бном = 1000 т/ч с турбиной Т-250/240−3, до 0,40Бном.

По нашему мнению, в условиях нового строительства следует выбирать аэродинамическую схему с наивысшим КПД в номинальном (расчетном) режиме. Но внедрение подобных схем подразумевает увеличение массогабаритных характеристик при значительном уменьшении экономичности ТДМ в нерасчетных режимах при регулировании производительности аэродинамическими способами. Использование частотно-регулируемого привода (ЧРП) полностью устраняет потери при работе ТДМ на частичных нагрузках. Как сказано выше, на сегодняшний день отечественная электротехническая промышленность не в состоянии поставить на рынок ЧРП конкурентно-способных аналогов зарубежной продукции, а главное, отвечающим современным требованиям к оборудованию данного класса. Закупка импортных ЧРП сопряжена с чрезмерными финансовыми затратами, и что важно, налагает на отечественного потребителя обязательства по дальнейшему сервисному обслуживанию. Эта ситуация является нежелательной, как с точки зрения защиты российских производителей, так и с позиции промышленной безопасности.

Принципиально новое решение, предложенное профессором Рихтером Л. А. и автором настоящей работы, заключается в использовании более сложного профиля лопаток центробежных машин.

ЦАГИ совместно с автором разработали и впервые в ОАО" Мосэнерго" начали использовать аэродинамические схемы ТДМ с 8-образными лопатками и вращающимся диффузором. Новые схемы в номинальном режиме работы имеют пониженный КПД в сравнении со схемами, имеющими лопатки загнутые назад. Однако коэффициент давления и экономичность в нерасчетных режимах существенно выше.

Схемы с 8-образными лопатками позволяют создавать компактные машины повышенного давления, необходимые для увеличения тяги в ГВТ при реконструкции парогенераторов, РВП, золоуловителей и улучшения компоновочных решений. Там, где дымососы с осевыми машинами ограничивают мощность блоков, новые схемы обеспечивают возможность их реконструкции, так как позволяют создавать центробежные дымососы двухстороннего всасывания при сохранении имеющегося электропривода осевых машин. 8-образная схема широко используется в ТДМ ТЭЦ-21, 23, 26 ОАО" Мосэнерго", и других технологиях в т. ч. для котлов с кипящим слоем.

Исторически, работы в направлении создания и совершенствования отечественных аэродинамических схем ТДМ проводились в ЦАГИ, в ведущих институтах отрасли ВНИИАМ (МО ЦКТИ), ОРГРЭС, ЦКТИ, на Барнаульском и Бийском котельных заводах. Они основаны на исследовании А. Д. Брука, И. М. Готфельда, С. И. Ивянского, И. Р. Клейса, Т. С. Соломаховой, М. И. Невельсона, С. Н. Постоловского, И. А. Раскина, Л. А. Рихтера, Б. Экка, Ю. П. Коробанова, И. М. Левина, И. А. Боткачика и др., которые внесли существенный вклад в теорию, проектирование и создание высокоэкономичных ТДМ и ГВТ.

По-прежнему значительные резервы повышения экономичности и надежности парогенератора кроются в совершенствовании подогрева воздуха за счет уходящих газов. Воздухоподогреватель является последний поверхностью нагрева парогенератора, поэтому он определяет, с одной стороны, температуру уходящих газов и соответствующую потерю теплоты, а с другой температуру нагреваемого воздуха. Таким образом, работа воздухоподогревателя в значительной степени определяет эффективность и полное сгорание топлива в топке, и КПД парогенератора.

Впервые подогрев воздуха, поступающего в топку для улучшения процесса горения, предложил Джемс Уатт в 1785 г., а Роберт Стерлинг в 1816 году впервые осуществил подогрев воздуха за счёт тепла уходящих газов в регенеративной печи.

Снижение температуры уходящих газов на каждые 10 °C повышает КПД парогенератора примерно на 0,5% [42].

Применение воздухоподогревателей в современных котельных агрегатах обеспечивает экономию топлива до 15%. Увеличение температуры в топочной камере за счет подачи на горение горячего воздуха приводит к повышению теплопередачи к экранным поверхностям нагрева. Кроме того большинство твердых и жидких топлив могут эффективно сжигаться только при условии подогрева воздуха, идущего на горение. Помимо высокого уровня подогрева воздуха (охлаждения уходящих газов) воздухоподогреватель парогенератора должен отвечать следующим требованиям:

1) компактность;

2) высокая степень готовности;

3) минимальные присосы воздуха;

4) небольшие весовые показатели;

5) простота в ремонте (высокая ремонтопригодность) и обслуживании;

6) доступность осмотра и простота методов очистки от отложений;

7) низкая скорость коррозии.

В современном парогенераторостроении применяются два типа воздухоподогревателей: рекуперативные трубчатые (ТВП) и регенеративные (РВП).

ТВП просты по конструкции, надежны в работе, обладают высокой плотностью, т. е. работают с меньшей потерей воздуха, перетекающего в газовую часть, однако эта плотность относится к первому периоду эксплуатации. В дальнейшем из-за коррозии возникают трудно обнаруживаемые неплотности в трубной системе, сопровождаемые потерями воздуха и ростом потери тепла с уходящими газами. В свою очередь недостаток горячего воздуха в топке увеличивает потери с физическим и химическим недожогами и q4) .

Вращающиеся регенеративные воздухоподогреватели (РВП) появились позже рекуперативных трубчатых (ТВП) и основательно потеснили последние. Особенно ярко преимущества РВП, проявились при широком использовании топочных мазутов в энергетике. ТВП оказались весьма ненадежными при работе парогенераторов на мазуте: они забивались и, отличаясь высокой скоростью коррозии, быстро теряли плотностьтягодутьевые механизмы (ТДМ) перегружались, производительность парогенераторов падала. Ремонт ТВП затруднителен и высокозатратен, эффективных, независимо от сложности способов очистки ТВП не существует. В РВП также наблюдалась заметная коррозия, но существуют средства защиты от неё, которые постоянно совершенствуются. Здесь также отмечается интенсивное забивание, но созданы и совершенствуются средства очистки: паровая и термоволновая обдувка, высокотемпературный отжиг, отмывка водой с различным давлением и присадками. Ремонт РВП оказался относительно простым и не требует длительных остановов оборудования. [37].

РВП для парогенераторов, впервые были изготовлены в 1923 году шведской фирмой «Антиболаген Юнгстрем ангтурбин». По мере совершенствования конструкций и освоения технологии изготовления РВП они стали основным типом воздухоподогревателей, применяемых в зарубежном парогенераторостроении [44]. Первые отечественные образцы РВП были изготовлены на Таганрогском котельном заводе (ТКЗ) и введены в эксплуатацию в эксплуатацию в 1945 г. С1961 года начинают выпускать РВП на заводе имени Орджоникидзе (ЗиО) в г. Подольске и на Барнаульском котельном заводе (БКЗ).

К началу проектирования РВП на отечественных заводах имелись лишь теоретические работы, в которых анализировалось влияние различных конструктивных факторов (скорость вращения ротора, толщина листов набивки и др.) на тепловую эффективность РВП, приводились общие соображения по тепловому расчету РВП. Методика теплового и аэродинамического расчета базировалась всего лишь на двух сериях лабораторных опытов, проведенных в ЦКТИ и МВТУ в 1946 и 1947 годах. [42].

Начиная с 1957 года, работы по РВП существенно расширились. В ЦКТИ проводятся лабораторные исследования различных типов набивок, систематически осуществляются промышленные испытания воздухоподогревателей. На ЗиО проведены подробные исследования уплотнений заводской конструкции на холодной модели, а затем на натурном РВП — создан горячий стенд, позволивший ЗиО и ЦКТИ выполнить комплекс работ по исследованию температурного режима РВП и теплообмена при различных скоростях вращения ротора.

В ВТИ и ОРГРЭС проводятся испытания РВП и исследование процессов коррозии и очистки поверхностей нагрева, разрабатываются мероприятия по предупреждению коррозионных разрушений и повышению эффективности средств очистки.

По сравнению с ранее применявшимися ТВП регенеративные вращающиеся воздухоподогреватели имеют ряд существенных достоинств, несмотря на более сложное конструктивное исполнение. К таковым относятся:

1) в 2,-2,5 раза меньшая металлоемкость поверхностей нагрева за счет её изготовления из стальных листов толщиной 0,6−1,2 мм и применения профилей листов, характеризующих более высокой тепловой эффективностью по сравнению с продольным омыванием гладких каналов;

2) относительная простота замены изношенной части поверхности нагрева, а именно холодных пакетов РВП;

3) меньшие габаритные размеры;

4) наличие эффективной очистки РВП от золовых отложений при сжигании твердого и жидкого топлив;

5) возможность применения коррозионностойких (эмалированных, керамических и др.) поверхностей нагрева при работе котлов на серосодержащих топливах;

6) коррозионные и абразивные разрушения поверхности нагрева не приводят к повышенным перетокам воздуха в газовую часть.

Недостатками РВП в сравнении с ТВП являются:

1) расход электроэнергии на вращение ротора;

2) быстрый износ подшипников и приводного механизма;

3) низкие коэффициенты теплоотдачи и, как следствие, необходимость резкого увеличения площадей теплопередающих поверхностей;

4) более высокий уровень присосов в исходном состоянии после монтажа;

5) более сложная конструкция РВП, как любого вращающегося механизма, и системы уплотнительных устройств.

Обычно РВП выполняют с вертикальной осью вращения диаметром до 10 м, а в отдельных случаях 15−17 м. Такие размеры требуют изготовления сверхтяжелых радиально-упорных подшипников качения. РВП с горизонтальной осью позволяют распределить нагрузку ротора на два подшипника меньших размеровтакие РВП лучше компонуются с парогенератором и позволяют упростить газо-воздушные тракты.

Существуют конструкции РВП, поверхность нагрева которых расположена в неподвижном статоре («Ротемюлле»), а газы и воздух подводятся и отводятся при помощи вращающихся патрубков.

В обеих конструкциях поверхности нагрева попеременно омывается непрерывно движущимися потоками дымовых газов и нагреваемого воздуха, которые разделяются системой уплотнений.

Совершенствование конструкции и улучшение эксплуатационного обслуживания дают большой экономический эффект. Затраты на модернизацию РВП, при которой улучшается их плотность, уменьшаются потери воздуха или увеличивается теплосъём быстро окупаются. В настоящее время накоплен большой опыт проектирования, изготовления, монтажа, исследований и эксплуатации РВП.

Помимо котлостроительных заводов ТКЗ (Носов В.М. и др.) и ЗиО (Боткачик И.А. и др.), наибольший вклад в разработку и освоение отечественных конструкций РВП внесли ЦКТИ (Мигай В.К., Назаренко B.C., Добринов Т. С. и др.), ВТИ (Надыров И.И., Петросян P.A., Локшин В. А. и др.), ОРГРЭС (Крук М.Т., Гойхман Л. А., Мадоян Л. Г. и др.).

Число публикаций по проблемам, связанным с воздухоподогревателями во всем мире значительно. В тоже время остаётся ещё ряд вопросов, требующих своего разрешения.

На протяжении более 30 лет никаких принципиальных изменений в конструкцию РВП не вносилось, а исходные недостатки при простом увеличении габаритов нарастали достаточно интенсивно.

На современном уровне теплоэнергетики и непрерывно растущими требованиями к надежности, экономичности, экологичности теплотехнического оборудования уже в принципе невозможно базироваться на технических решениях ранней эпохи развития конструкции воздухоподогревателей.

Исходя из вышеуказанных соображений нами предложена [106] и разработана новая отечественная конструкция двухпоточного регенеративного воздухоподогревателя (ДРВП). Под руководством и непосредственном участии автора проведен комплекс научно-исследовательских работ по изучению и исследованию ДРВП на специально созданной промышленной экспериментальной установке, работающей параллельно действующему РВП-68 с парогенератором барабанного типа ТГМ-96 ТЭЦ-26 ОАО «Мосэнерго». Перед собой мы поставили основополагающую цель: поиск новых эффективных теплопередающих поверхностей и новых конструктивных решений.

В диссертационной работе содержатся итоги многолетних исследований, результатами которых явилось создание новой высокоэффективной теплопередающей поверхности, позволившей решить многие принципиально важные вопросы и заложить основы создания нового поколения вращающихся регенеративных двухпоточных воздухоподогревателей.

Использование ДРВП позволяет на 40% сократить радиальные габариты установки, уменьшить утечки воздуха за счет резкого снижения температурного коробления ободов подогревателя в области расположения уплотнений и существенно упростить компоновку.

Для реализации поставленной задачи необходимо в первую очередь интенсифицировать процесс теплопередачи, чтобы максимально снизить массогабаритные характеристики теплопередающих поверхностей.

Именно эта проблема и была решена нами на пером этапе проводимых исследований, что позволило уже в настоящее время в рамках обычных однопоточных РВИ перейти к широкой модернизации энергетических подогревателей на крупнейших электростанциях России.

На основании полученных результатов разработана конструкция промышленного ДРВП и методика его теплового и аэродинамического расчета.

ГВТ включает в себя основные элементы: газовоздуховоды, ТДМ, РВП, определяющие КПД и надежность работы парогенератора. Отсюда и вытекает круг тех задач, которые и рассматриваются в настоящей работе. К их числу относится совершенствование тягодутьевых машин, газовоздухопроводов, и поиск новых решений, позволяющих на мощных энергетических парогенераторах снизить массогабаритные показатели регенеративных воздухоподогревателей.

Особое место в диссертационной работе отведено теоретическому обоснованию необходимости пути интенсификации теплообмена набивок РВП, технико-экономическому обоснованию перехода к новым набивкам в традиционных РВП. Приведены результаты исследований новой теплопередающей набивки из шаровых решеток. Показаны: возможность и необходимость перехода к двухпоточным РВП, результаты модернизации традиционных РВП и перспективные направления в развитии энергетических воздухоподогревателей.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Проведен комплекс научных исследований и конструктивных разработок по совершенствованию газовоздушного тракта газомазутных энергетических котлов с целью повышения их эконмичности и надежностию.

2. Разработаны исследованы и установлены в ГВТ котла принципиально новые колеса центробежных ТДМ с Э-образными лопатками, позволяющие иметь высокие напоры при сравнительно высоком КПД и обеспечивающие устойчивую характеристику в нерасчетных режимах. Новые вентиляторы позволили увеличить степень рециркуляциюи и снизить за счет этого содержание окислов азота в уходящих газах, что одновременно со снижением шума благоприятно сказывается на улучшении экологической обстановки в зоне влияния тепловой электростанции.

3. Разработана и подробно исследована новая шаростержневая поверхность нагрева, которая обеспечивает восьмикратное увеличение теплопередачи в РВП, что позволяет на 40−60% сократить рабочую массу набивки и, таким образом, резко увеличить ресурс работы подшипниковых узлов, снизить расход электроэнергии на привод РВП и обеспечить более плавное вращение ротора.

4. Разработана новая технология изготовления шаростержневой теплопередающей поверхности, позволяющая изготавливать ее с помощью литья из относительно дешевого чугуна, что обеспечивает длительную эксплуатацию новой набивки при работе котла на высокоскрнистом топливе.

5. Предложена методика расчета регенеративного воздухоподогревателя, оснащенного шаростержневой поверхностью, позволяющая по заданным параметрам газа и воздуха надежно оценивать необходимую массу новой теплопередающей поверхности.

6. Для обеспечения равномерного распределения теплоносителей по теплопередающей поверхности разработаны, исследованы и установлены в подводящих патрубках РВП поверхности, позволяющие резко снизить входную неравномерность и за счет этого поднять на шесть градусов температуру воздуха на выходе из РВП. Эти данные со всей очевидностью показывают на необходимость совершенствования не только теплообменных поверхностей, но и всего газовоздушного тракта РВП.

7. Новая набивка обладает высокой ремонтопригодностью, легко очищается от отложений продуктов сгорания, возникающих при работе котла на жидком топливе, и позволяет таким образом сохранить все проектные показатели РВП в течении длительного срока эксплуатации.

8. Преимущества новой шаростержневой поверхности нагрева в полной мере подтверждены ее эксплуатацией в промышленном исполнении на ТЭЦ-21 и ТЭЦ-26 АО МОСЭНЕРГО.

9. Разработан и создан уникальный, не имеющим аналогов в мировой практике, полупромышленный двухпоточный регенеративный воздухоподогреватель, проведены его всесторонние исследования с новой шаростержневой набивкой, позволяющие уже в ближайшие годы перейти к новому поколению двухпоточных регенеративных воздухоподогревателей, имеющих существенно сниженные массогабаритные показатели, и улучшить компоновку их в схеме энергетических котлов, снизить затраты электроэнергии на привод подогревателя, существенноуменьшить утечку воздуха и резко повысить надежность этого важнейшего узла котельной установки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.