Повышение эффективности теплотехнологических схем растопочных мазутных хозяйств ТЭС

Свыше 30% добываемой нефти в процессе ее переработки переходит в топочный мазут, основным потребителем которого являются электростанции и котельные.

Согласно проектам энергетической стратегии России, в XXI веке, даже в случае самых жестких ограничений, добыча нефти в 2010 г. будет на уровне 280−290 млн.т., а в 2030 г. — 235−245 млн.т.

Более мягкие сценарные варианты развития топливно-энергетического комплекса России предусматривают увеличение добычи нефти в стране в 2030 г. до 600 млн. т/год.

Прогноз структуры топливно-энергетического баланса России показывает, что нефть и газ останутся доминирующими энергоносителями. Суммарная их доля в 2030 г. будет приходиться на 70% производимой энергии.

Разумеется, при этом будет происходить изменение структуры топливно-энергетического баланса с постоянным вытеснением нефти и газа и увеличением доли угля и ядерной энергии. И даже несмотря на значительные объемы экспорта нефти и нефтепродуктов, значительная часть электростанций и котельных России будет еще, как минимум, несколько десятилетий работать на жидком органическом топливе. При этом, разумеется, следует помнить, что большое число электростанций и крупных котельных используют мазут в качестве основного топлива, на всех электростанциях и котельных, работающих на газовом топливе, имеются резервные мазутные хозяйства, а электростанции и котельные, работающие на угле, часто используют мазут для растопки и подсвечивания факела.

Несмотря на эти в какой-то мере известные и ранее прогнозы, к настоящему времени сложилась ситуация, когда в стране практически исчезли публикации, посвященные разработкам в области методов расчета и проектирования мазутных хозяйств.

Одной из главных причин является начавшееся с 70-х годов масштабное строительство электростанций и крупных котельных, работающих на газе. Одновременно также шел не менее масштабный процесс перевода действующих электростанций и котельных на газовое топливо.

Второй очевидной причиной является сложившаяся в те годы практика планирования поставок топлива и регулирования цен на него. В настоящее время, когда цены на жидкое органическое топливо и газ достаточно высоки, вопросы повышения эффективности теплотехнологических схем мазутных хозяйств становятся актуальными.

Следует отметить большой вклад, особенно в части описания комплекса оборудования мазутных хозяйств, виднейших специалистов в этой области — З. И. Геллера, В. А. Адамова, Б. С. Белосельского, И. М. Ляндо, Н. М. Оленева, Б. М. Кривоногова, А. К. Сильницкого и многих других. Работы этих ученых и специалистов в 60−70-х годах заложили фундамент действующих и по сей день на электростанциях систем подготовки жидкого топлива.

К сожалению, действующие по сегодняшний день отраслевые методики расчета и проектирования мазутных хозяйств далеко не в полной мере отражают все особенности тепловых процессов, происходящих на всех стадиях подготовки мазута к сжиганию.

Непосредственной составной частью тепловых схем паротурбинных и котельных установок являются теплообменные аппараты для охлаждения и нагревания вязких жидкостей: турбинных масел, мазута и др. Процессы теплообмена в них протекают с относительно небольшой интенсивностью. Поэтому важной задачей является повышение значений коэффициентов теплоотдачи между обрабатываемой вязкой жидкостью и поверхностью теплообмена.

В то же время, повышение коэффициентов теплоотдачи между вязкой жидкостью и стенкой аппарата или коэффициента теплопередачи в аппарате в целом применительно к мазутному хозяйству ТЭС является, естественно, не самоцелью.

Метод интенсификации теплообмена может и должен быть весьма эффективным инструментом повышения эффективности всей теплотехнологической схемы мазутного хозяйства ТЭС.

Актуальность этих разработок очевидна — общепризнанно и доказано на практике, что внедрение методов интенсификации теплообмена позволяет значительно уменьшить габаритные размеры и массу теплообменных аппаратов. На существующих станциях применение способов интенсификации теплообмена может рассматриваться как метод модернизации установленного теплообменного оборудования. При этом, конечно, не следует ожидать эффекта уменьшения массы оборудования. Возможные эффекты — это вывод части теплообменного оборудования в резерв, экономия электроэнергии на прокачку рабочей среды, экономия и снижение параметров греющей среды и тому подобные мероприятия.

Конечной целью этих мероприятий и разработок применительно к мазутным хозяйствам ТЭС должно быть снижение расходов на содержание мазутного хозяйства станции или котельной в статье «собственные нужды» станции.

К настоящему времени в России и бывших республиках СССР сложились известные во всем мире научные школы, занимающиеся проблемами интенсификации конвективного теплообмена, во главе которых стоят видные ученые А. И. Леонтьев, В. Е. Алемасов, Г. А. Дрейцер, В. А. Кирпиков, JI.M. Коваленко, В. К. Щукин, Ю. Г. Назмеев.

Широко известны работы и монографии А. А. Гухмана, В. К. Мигая, А. А. Жукаускаса и многих других, посвященные этой проблеме.

Из зарубежных ученых следует отметить большой вклад в постановку и разработку проблемы А. Берглса и Б. Сполдинга.

Исторически сложилась ситуация, когда большинство работ в этой области посвящено исследованию интенсификации теплообмена применительно к аппаратам и теплоносителям, работающим в условиях турбулентного или переходного режимов течения, и только в последние годы был проявлен конкретный интерес к области ламинарного режима течения.

Появились достаточно строгие обоснования того, что именно ламинарный и переходный режимы течения являются наиболее перспективной областью применения методов интенсификации конвективного теплообмена.

Работа посвящена анализу и повышению эффективности теплотехнологических схем растопочных мазутных хозяйств ТЭС за счет применения конкретного метода интенсификации конвективного теплообмена — поперечной дискретной шероховатости в каналах серийных подогревателей мазута ПМ-40−30 и ПМ-10−60.

Цель настоящей работы заключается:

— в проведении структурного анализа теплотехнологических схем растопочных мазутных хозяйств электростанций с целью идентификации и определения оптимальных последовательностей их расчета;

— в проведении тепловых и гидродинамических расчетов всего комплекса оборудования теплотехнологических схем растопочных мазутных хозяйств электростанций с целью оценки их тепловой эффективности и затрат энергии на эксплуатацию;

— в выполнении термодинамических расчетов всего комплекса оборудования теплотехнологических схем растопочных мазутных хозяйств электростанций с целью оценки их термодинамической (эксергетичес-кой) эффективности, затрат и потерь энергии при их эксплуатации;

— в выявлении наиболее энергоемких видов оборудования. и элементов теплотехнологических схем растопочных мазутных хозяйств и определении путей повышения их эффективности, в том числе и при сезонной пиковой нагрузке;

— в определении максимально возможных характеристик серийных стационарных подогревателей мазута серии ПМ применительно к растопочным мазутным хозяйствам электростанций;

— в проведении расчетов и определении характеристик серийных стационарных подогревателей мазута серии ПМ с интенсифицированными поперечной дискретной шероховатостью поверхностями теплообмена;

— в выработке рекомендаций по практическому применению поперечной дискретной шероховатости в мазутоподогревателях для повышения эффективности теплотехнологической схемы мазутного хозяйства.

Научная новизна:

К наиболее существенным научным результатам следует отнести следующее:

1. Проведен структурный анализ, идентификация контуров и определена оптимальная последовательность расчета теплотехнологических схем растопочных мазутных хозяйств электростанций.

2. Проведен комплекс тепловых и термодинамических расчетов теплотехнологических схем и отдельных элементов растопочных мазутных хозяйств электростанций.

3. Выполнен весь комплекс тепловых и термодинамических расчетов всех элементов теплотехнологических схем растопочных мазутных хозяйств с сезонной пиковой нагрузкой.

4. Проведен анализ эффективности работы серийно выпускаемых мазутоподогревателей ТЭС.

5. Выполнен анализ вариантов повышения тепловой и термодинамической эффективности растопочных мазутных хозяйств за счет применения конкретных методов интенсификации теплообмена в мазутоподогревателях.

Практическая ценность работы: l. Bce расчеты в рамках проведенного структурного, теплового и термодинамического анализа проведены на примерах теплотехнологических схем растопочного мазутного хозяйства Черепетской ГРЭС и комбинированного (растопочного с дополнительной пиковой сезонной нагрузкой) мазутного хозяйства Казанской ТЭЦ-2. Предложенные рекомендации позволяют значительно уменьшить долю затрат на собственные нужды ТЭС, приходящихся на содержание мазутного хозяйства, упростить за счет уменьшения числа 8 теплообменных аппаратов саму теплотехнологическую схему, предусмотреть возможность использования в мазутном хозяйстве пара с более низкими параметрами.

2. Результаты работы использованы при практическом внедрении интенсифицированных мазутоподогревателей на Казанской ТЭЦ-2 ПЭО «Татэнерго».

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на:

— 5-ой национальной конференции по теплообмену (Великобритания, Лондон, 1997 г.);

— научно-технических советах ПЭО «Татэнерго «(г.Казань);

— техсоветах Казанской ТЭЦ-2 (г.Казань);

— заседаниях кафедры ТЭС КГЭУ (г.Казань).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 работ: Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и списка использованных источников. Работа изложена на 158 стр. машинописного текста, содержит 44 рисунка и 24 таблицы.

Список использованных источников

содержит 104 наименования.

Основные выводы по результатам диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Разработана универсальная методика и предложена программа комплексного анализа теплотехнологических схем растопочных мазутных хозяйств электростанций.

Данная методика позволяет выявить структуру внутренних связей рассматриваемой теплотехнологической схемы, идентифицировать ее контуры, организовать оптимальную последовательность расчета схемы и решение основных задач проводимого анализа.

2. Проведен структурный анализ теплотехнологических схем растопочного мазутного хозяйства электростанции, работающей на угле (на примере мазутного хозяйства Черепетской ГРЭС) и растопочного мазутного хозяйства с сезонной пиковой нагрузкой (на примере Казанской ТЭЦ-2).

В результате на типовой теплотехнологической схеме растопочного мазутного хозяйства (Черепетская ГРЭС) идентифицированно 17 замкнутых контуров различного ранга, определены наилучшие места их разрыва, найдена оптимальная последовательность расчета схемы.

3. Проведен полный тепловой анализ теплотехнологических схем мазутных хозяйств электростанций.

Определены конкретные расходы энергии на всех стадиях подготовки мазута к сжиганию в зимний и летний периоды эксплуатации электростанций. Рассчитано полное потребление энергии на содержание мазутных хозяйств и доли, приходящиеся на отдельные группы оборудования.

Для типовой теплотехнологической схемы растопочного мазутного хозяйства (на примере Черепетской ГРЭС) выявлено, что 75,8% всей потребляемой энергии в зимний период приходится на парк подогревателей мазута, расположенных в основном и в циркуляционном контуре подогрева. В летний период времени эта доля составляет 77%.

Для теплотехнологической схемы растопочного мазутного хозяйства с сезонной пиковой нагрузкой эти доли, соответственно, составляют 91% и 90%, а без пиковой нагрузки — 88%".

4. Проведен полный термодинамический анализ теплотехнологических схем растопочных мазутных хозяйств электростанций.

Для всех стадий подготовки мазута к сжиганию и для всех групп оборудования определены количества и доли подведенной и отведенной эксергии, рассчитаны значения эксергетических коэффициентов полезного действия. Аналогичные характеристики определены в целом по мазутным хозяйствам.

Для типовой теплотехнологической схемы растопочного мазутного хозяйства (на примере Черепетской ГРЭС) выявлено, что на парк подогревателей мазута приходится в зимний период 35,5% подведенной и 30,7% отведенной эксергии, а в летний период, соответственно: 72,% И 71%. Соответственно, эксергетические коэффициенты полезного действия Т|ек равны 0,867 и 0,775.

Для всех типов теплотехнологических схем растопочных мазутных хозяйств построены оценочные эксергетические диаграммы всех основных контуров подготовки и хранения мазута, а также отдельных процессов.

5. С помощью уточненного теплогидравлического расчета уточнены предельно возможные характеристики мазутоподогревателей, а также определены основные характеристики (число ходов, диаметры и шаг оребрения и т. п.) вариантов модернизации подогревателей серии ПМ.

Выявлено влияние геометрических характеристик периодической дискретной шероховатости на тепловые и гидродинамические показатели работы подогревателей.

6. Проведенный комплекс численных исследований показал, что модернизация серийных стационарных подогревателей мазута серии ПМ и замена подогревателей серии ПМР на модернизированные подогреватели в типовой теплотехнологической схеме растопочного мазутного хозяйства дает экономию 4605 т.у.т./год или позволяет вывести в резерв по одному подогревателю ПМ-13−120 и ПМ-40−30.

При этом одновременно происходит увеличение эксергетического к.п.д. всей схемы в зимний период на 3,3%, а в летний на 6,1%.

Для теплотехнологической схемы растопочного мазутного хозяйства с сезонной пиковой нагрузкой (на примере Казанской ТЭЦ-2) модернизация серийных стационарных подогревателей мазута дает экономию 1636 т.у.т./год или позволяет вывести в резерв один подогреватель ПМ-40−30. При этом одновременно происходит увеличение эксергетического к.п.д. всей схемы мазутного хозяйства в зимний период на 2%, а в летний на 3%.

Заключение

.