Разработка комплексной методики расчета процессов подогрева мазута в резурвуарах мазутных хозяйств ТЭС

Мазутное хозяйство является одним из основных потребителей энергии идущей на собственные нужды тепловой электростанции. Резерву арный парк в свою очередь является основной энергоемкой частью мазутного хозяйства.

Основное назначение мазутного хозяйства тепловой электрической станции или котельной — обеспечение бесперебойной подачи к котлам подогретого и отфильтрованного мазута в необходимом количестве и с соответствующими давлением и вязкостью.

Поскольку сами котельные установки должны удовлетворять требованиям надежности, экономичности и безопасности, в том числе санитарной и экологической, то естественно, все эти требования переносятся и на мазутное хозяйство.

Но ряд требований для мазутных хозяйств ТЭС и котельных имеют свою специфику. Это, прежде всего, требование надежности системы подготовки и подачи топлива к котельным агрегатам. Оно заключается в создании таких условий, которые сделали бы невозможным даже кратковременное прекращение подачи топлива к котлам.

Это, прежде всего, относится к мазутным хозяйствам тепловых электростанций, снабжающим технологическим паром крупные объекты промышленности.

В последнее время возросла роль экономических требований к мазутным хозяйствам ТЭС и котельных. Приведение цен на топливо к реальным выдвинуло, помимо традиционных требований экономичности сжигания, и ряд новых требований. Это прежде всего уменьшение доли затрат на собственные нужды ТЭС и котельных, приходящейся на содержание мазутного хозяйства.

Поскольку мазутное хозяйство ТЭС и котельных — это целый комплекс сооружений, аппаратов и трубопроводов, требующий значительных капиталовложений при строительстве и потребляющий значительную долю собственных нужд станции или котельной, то роль мазутного хозяйства, как системы хранения и подготовки жидкого топлива, очень велика. И, хотя оборудование мазутных хозяйств традиционно относится к вспомогательному оборудованию электрических станций, тем не менее, с учетом всего вышеизложенного, мазутное хозяйство ТЭС или котельной, и в том числе резервуарный парк, должно рассматриваться наравне с основными системами и оборудованием станций и котельных.

Мазутные хозяйства различаются: по способу доставки (по трубопроводам, автотранспортом, водным транспортом, железнодорожным транспортом), по способу использования или своему назначению (основное, резервное, аварийное, растопочное) и способу подвода топлива к котельным агрегатам (тупиковая схема, циркуляционная схема, комбинированная).

В зависимости от способа доставки, назначения мазутного хозяйства и способа подвода топлива к котельным агрегатам различается емкость мазутохранилища электростанции или котельной. Следовательно, и доля мазутного хозяйства в потреблении энергии на собственные нужды станции, А будет различной. Очевидно, например, что доля затрат теплоты на мазутное хозяйство станции использующей мазут в качестве основного топлива больше, чем на мазутное хозяйство станции где мазут используется в качестве резервного топлива.

В резервуарах осуществляется: хранение, прием, подогрев, выдача и обезвоживание мазута.

Для разогрева мазута в резервуарах используются различные способы: статический подогрев, циркуляционный подогрев, виброподогрев и электроподогрев (подробнее о них в гл.1). Каждый из них имеет ряд достоинств и недостатков.

Резервуары выпускаются различной емкости. Основные типы резервуаров: железобетонные емкостью 5.000, 10.000, 20.000 и 30.000 м3- о стальные емкостью 5.000, 10.000 и 20.000 м. Кроме основных типов резервуаров в каждом конкретном случае могут монтироваться резервуары меньшей емкости (например, прямоугольные железобетонные резервуары о емкостью 250 или 500 м).

Компоноваться резервуарный парк может различными способами. о.

Например, суммарная емкость мазутохранилища 50.000 м' может быть организована как пятью резервуарами по 10.000 м" ', так и десятью резервуарами по 5.000 м3 и т. д.

Имеется множество факторов влияющих на потребление энергии резервуарным парком мазутного хозяйства. Существующие же на данный день методы расчета не позволяют учесть все эти факторы. Поэтому разработка такой методики расчета затрат энергии на содержание уже существующих и вновь проектируемых мазутных хозяйств, которая учитывала бы все перечисленные выше факторы, является весьма актуальной.

Необходимо создать методику, которая позволила бы рассчитать затраты теплоты и эффективность любых типов резервуаров или резервуарного парка в целом, провести анализ существующих схем подогрева мазута в резервуарах с целью изыскания возможных путей их усовершенствования, а так же анализ вариантов компоновки мазутохранилищ.

Такая методика должна учитывать следующие факторы:

1. типы резервуаров (стальные или железобетонныевертикальные, горизонтальные, прямоугольные);

2. геометрические характеристики резервуаров;

3. расположение резервуаров (наземные, подземные, полу подземные);

4. параметры тепловой изоляции (материал, толщина);

5. марку и теплофизические свойства мазута (плотность, вязкость, теплоемкость, теплопроводность).

6. климатические условия в регионе (температуру воздуха и скорость ветра);

7. свойства грунта (теплоемкость, теплопроводность);

8. диапазон температур мазута (tmax, tmin);

9. способ подогрева мазута в резервуарах (циркуляционный, статический, электроподогрев);

10. параметры греющего параг" .

Использование такой комплексной методики расчета на стадии проектирования мазутных хозяйств позволило бы избежать неэкономичных вариантов компоновки мазутохранилища, выбора методов и режимов подогрева мазута.

Целью работы является:

1) разработка комплексной методики расчета процессов подогрева мазута в резервуарах мазутных хозяйств ТЭС, которая включала бы в себя: а) блок расчета циркуляционного подогрева мазута, позволяющий учесть различные режимы хранения и подготовки мазутаб) блок расчета подогрева мазута с помощью статических подогревателей различных конструкций;

2) разработка и анализ математической модели теплогидравлических процессов, происходящих в системах циркуляционного подогрева мазута в резервуарах;

3) апробирование и оценка адекватности разработанной методики и математической модели.

Научная новизна выполненных исследований:

1) разработана комплексная методика расчета процессов подогрева мазута в резервуарах и резервуарных парках мазутных хозяйств ТЭС;

2) разработана математическая модель теплогидравлических процессов, происходящих в системах циркуляционного подогрева мазута в резервуарах;

3) проведен анализ математической модели теплогидравлических процессов циркуляционного подогрева мазута при различных режимах эксплуатации резервуаров мазутных хозяйств тепловых электрических станций;

4) в рамках комплексной методики разработан блок расчета процессов подогрева мазута циркуляционным способом;

5) в рамках комплексной методики разработан блок расчета процессов подогрева мазута с помощью статических подогревателей различных конструкций;

6) выполнен комплекс численных исследований систем подогрева мазута для резервуарных парков типовых мазутных хозяйств тепловых электрических станций.

Практическая ценность работы заключается в том, что численные исследования на основе комплексной методики расчета процессов подогрева мазута в резервуарах позволяют:

1) определять затраты энергии на поддержание заданного диапазона температур хранения и подготовки мазута в резервуарах и резервуарных парках;

2) определять необходимый расход циркулирующего мазута для подогрева при различных режимах работы системы циркуляционного подогрева;

3) определять конечное время подогрева мазута в резервуарах при различных режимах работы системы циркуляционного подогрева;

4) выбирать наиболее рациональную компоновку резервуарного парка мазутного хозяйства ТЭС;

5) определять степень теплового и термодинамического совершенства системы подогрева мазута в резервуарном парке мазутного хозяйства ТЭС;

6) использовать разработанную комплексную методику при курсовом и дипломном проектировании и чтении лекционных курсов «Тепловые электрические станции» и «Вспомогательное оборудование ТЭС».

Автор защищает:

1) комплексную методику расчета процессов подогрева мазута в резервуарах и резерву арных парках мазутных хозяйств ТЭС;

2) математическую модель теплогидравлических процессов, происходящих в системах циркуляционного подогрева мазута;

3) результаты теоретического анализа и численного исследования математической модели теплогидравлических процессов циркуляционного подогрева мазута в резервуарах при различных режимах эксплуатации и компоновки системы;

4) результаты численных исследований по расчету затрат энергии и эффективности систем подогрева мазута в резервуарных парках мазутных хозяйств ТЭС.

Личное участие. Основные результаты получены лично автором под руководством члена-корреспондента РАН Назмеева Ю.Г.

Апробация работы. Основные положения работы были изложены на Российском национальном симпозиуме по энергетике (Казань, 10−14 сентября 2001).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Объем работы. Диссертация изложена на 171 странице и состоит из введения, пяти глав, заключения. Работа содержит 38 рисунков и 33 таблицы. Список использованной литературы содержит 86 наименований.

Заключение

.

1. В научно-технической литературе и в отрасли отсутствуют работы методического характера, в полном объеме рассматривающие вопросы расчета процессов подогрева мазута в резервуарах хранения и подготовки. Существующие расчетные методики не учитывают в полном объеме теплофизические характеристики, участвующих в теплообмене сред, все механизмы передачи теплоты, возможные компоновочные и режимные параметры резервуарных парков мазутных хозяйств тепловых электрических станций.

2. Разработана комплексная методика расчета процессов подогрева в резервуарах и резервуарных парках тепловых электрических станций. В рамках комплексной методики разработаны блоки расчета циркуляционного подогрева и подогрева с помощью статических подогревателей различных конструкций.

3. Разработана математическая модель теплогидравлических процессов, происходящих в системах циркуляционного подогрева мазута в резервуарах.

4. Проведен анализ математических моделей теплогидравлических процессов при различных режимах циркуляционного подогрева мазута и компоновках резервуарных парков мазутных хозяйств тепловых электрических станций. Найдены зависимости для расчета характеристик циркуляционного подогрева мазута при проведении возможных операций в мазутном хозяйстве (подача мазута к горелкам, перекачка мазута из одного резервуара в другой, слив мазута и отпуск его другим потребителям).

5. С помощью разработанной комплексной методики произведен расчет резервуарных парков типовых мазутных хозяйств тепловых электрических станций: основного, резервного и растопочного с сезонной пиковой нагрузкой. Использование комплексной методики позволило оценить тепловую эффективность процессов подогрева мазута в резервуарах хранения и показало, что предусмотренный типовой методикой к.п.д. г| = 0,85 не соответствует действительности — реальный к.п.д. для циркуляционного способа подогрева г = 0,99, для подогрева с помощью статических подогревателей у] = 0,97.

Комплексная методика расчета впервые позволила рассчитать эксергетический к.п.д., позволяющий определить степень термодинамического совершенства процесса подогрева мазута в резервуарах. Расчет показал, что термодинамическая эффективность циркуляционного способа подогрева (г) = 0,93 — 0,94) выше, чем подогрева с помощью статических подогревателей (г| = 0,90−0,91).

6. Расчет показал, что предусмотренные типовой методикой затраты теплоты на содержание резервуарного парка имеют значительный резерв: а) в случае использования циркуляционного способа подогрева мазута в резервуарах экономия топлива, связанная с уточнением продолжительности разогрева составит: для основного мазутного хозяйства 111,6 тут/год экономический эффект составит 195,3 тыс. руб./годдля резервного мазутного хозяйства 101,5 тут/год экономический эффект составит 177,6 тыс. руб./годдля растопочного с сезонной пиковой нагрузкой мазутного хозяйства 30,52 тут/год экономический эффект составит 53,4 тыс. руб./год. б) в случае использования подогрева мазута в резервуарах с помощью статических экономия топлива, связанная с уточнением продолжительности разогрева составит: для основного мазутного хозяйства 229,4 тут/год экономический эффект составит 401,5 тыс. руб./годдля резервного мазутного хозяйства 101,5 тут/год экономический эффект составит 177,6 тыс. руб./годдля растопочного с сезонной пиковой нагрузкой мазутного хозяйства 62,7 тут/год экономический эффект составит 109,8 тыс. руб./год.

5. Использование комплексной методики позволило так же определить экономический эффект некоторых мероприятий: замена статического подогрева циркуляционным, изменение режима хранения, применение периодического подогрева вместо постоянного поддержания температуры.