Повышение надежности и выбор параметров дымовых труб ТЭЦ

Планом развития народного хозяйства СССР на I98I-I985 годы намечен дальнейший опережающий рост электроэнергетики в XI пятилетке: «В электроэнергетике довести выработку электроэнергии в 1985 году до 1550−1600 млрд, кВт, ч,, м * Ускоренными темпами осуществлять строительство тепловых электростанций, использующих угли Экибастузского и Канско-Ачинского бассейнов, а также природный и попутный газ месторождений в Западной Сибири,.

Продолжить работы по повышению надежности и качества электроснабжения народного хозяйства.

Обеспечить дальнейшее развитие централизованного теплоснабжения потребителей путем строительства теплоэлектроцентралей и крупных районных котельных, снижение удельных расходов топлива и себестоимости электрической и тепловой энергии" •.

Планом развития народного хозяйства СССР также предусматривается: «Совершенствовать технологические процессы, с целью сокращения выбросов вредных веществ в окружающую среду и улучшения очистки отходящих газов от вредных примесей» [i] ,.

При сжигании органических топлив на тепловых электростанциях в атмосферу поступают вредные для здоровья человека и окружающей природы соединения: летучая зола, сернистый и серный ангидриды, окислы азота. Если для улавливания золы разработаны и находят широкое применение эффективные золоуловители (электрофильтры, к.п.д, которых может достигать 98−99,5%), то проблема улавливания или резкого снижения величины вредных газообразных выбросов при умеренных капитальных затратах и эксплуатационных расходах на ТЭС в настоящее время еще не решена.

Для снижения вредных выбросов проводятся исследования по сероочистке дымовых газов, разрабатываются и внедряются мероприятия по частичному подавлению окислов азота [2−8] • Однако, даже при использовании всех возможных методов очистки газов и подавления вредностей в дымовых газах остается значительное количество вредных веществ, которые даже при малых концентрациях, превышающих предельно допустимые, приводят к пагубному воздействию на человека и окружающую природу. Поэтому наряду с очисткой дымовых газов от вредных веществ необходимо обеспечить их рассеивание в атмосфере через дымовые трубы до уровня концентраций, безопасных для здоровья человека и окружающей природы. Правильно выбранные параметры дымовой трубы позволяют обеспечить приземные концентрации вредных веществ в пределах допустимых норм, установленных Минздравом СССР,.

В связи с увеличением единичных мощностей ТЭС, сжиганием высокосернистых топлив и усилением требований к чистоте воздушного бас' сейна в последние годы сильно возросли высоты дымовых труб, В настоящее время на Запорожской, Углегорской и Экибастузской ГРЭС уже эксплуатируются дымовые трубы высотой 320−330 м, проектируются трубы высотой 360 и 420 м.

Высотные дымовые трубы являются уникальными дорогостоящими элементами, стоимость которых резко возрастает с увеличением их высоты, Так, например, если стоимость дымовой трубы высотой 180 м и диаметром устья 9,6 м составляет млн.руб., то при высоте.

320 м ее стоимость при том же диаметре возрастает до ~ 3,7 млн, руб., а при 420 м — до ~ 5,8 млн, руб. [9] ¦

Ремонт дымовых труб связан с высотными работами, в которых применение средств механизации является весьма затруднительным. Поэтому с увеличением высоты и диаметра дымовых труб возрастает продолжительность и стоимость их ремонта. Ремонт дымовой трубы может привести к отключению на длительное время всего присоединенного к ней оборудования, а на его осуществление потребуются значительные затраты. Это нанесет большой экономический ущерб, так как по мере укрупнения электростанций возрастают и мощности, подключаемые к одной дымовой трубе, В настоящее время подключаемые к одной трубе электрические мощности достигают 2400 МВт и проектируются дымовые трубы с подключением к ним до 3200 МВт,.

В связи с Этим одним из основных требований, предъявляемых к дымовым трубам, является их высокая надежность. Дымовые трубы должны обеспечивать бесперебойную работу подключенного к ним оборудования в течение всего срока эксплуатации электростанции, который составляет 40−50 лет [з] ,.

Дымовые трубы ТЭЦ должны обладать более высокой надежностью, чем трубы КЭС, так как резервирование ТЭЦ по отпуску тепла не предусматривается и выход дымовой трубы из строя, связанный с отключением подсоединенного к ней оборудования, приведет к перебоям в работе предприятий, получающих тепло от ТЭЦ,.

В большинстве случаев на ТЭЦ целесообразным является совместное подключение энергетических и пиковых водогрейных котлов к общей дымовой трубе. Особенно эффективным совместное подключение стало с появлением новых пиковых котлов КВ-ГМ и КВ-ТК с дымососами. Энергетические и пиковые водогрейные котлы имеют различную температуру дымовых газов и поэтому при их смешении в дымовой трубе возникают температурные неравномерности, вызывающие термические напряжения в футеровке. Поэтому определение температурных полей при смешении разнотемпературных газов в дымовой трубе ТЭЦ, выявление условий, при которых цроисходит наиболее интенсивное смешение и расчет возникающих термических напряжений является важной задачей, влияющей на надежную работу дымовых труб.

Как показывает опыт эксплуатации, дымовые трубы не всегда работают достаточно надежно и в ряде случаев наблкщается преодевременное их разрушение" В зависимости от направления воздействия агрессивных дымовых газов разрушения дымовых труб можно классифицировать на наружные и внутренние.

К наружному воздействию относится процесс самоокутывания дымовых труб, причины и условия возникновения которого, а также количественные характеристики установлены В. В. Прохоровым [ю-12] •.

Основной причиной внутренних разрушений является возникающее, при определенных условиях, внутри газоотводящих стволов избыточное статическое давление, которое вызывает фильтрацию агрессивных дымовых газов через футеровку к железобетонной оболочке трубы, что приводит' к разрушению оболочки трубы, поскольку она не предназначена для восприятия воздействия агрессивных сред.

Докт"техн.наук Л. А. Рихтером была разработана методика расчета статических давлений внутри газоотводящих стволов и установлены условия, при которых возникают избыточные давления [3,13,14] .

Для предотвращения проникновения дымовых газов из газоотводя-щего ствола к оболочке трубы нашли распространение конструкции дымовых труб, в которых между футеровкой и железобетонной оболочкой устраивается вентилируемый воздушный зазор. Исследование работы этих труб проведено Й. Б. Заседателевым и Ф. П. Дужихом [15,1б" ] .

Для ликвидации избыточных давлений широкое применение наши разработанные в МЭИ Е. И. Гавриловым и В. М. Марченко короткие диффузоры с большими углами раскрытия [l7,I8] .

Эффективным способом ликвидации избыточных статических давлений является применение дымовой трубы с цилиндрической верхней частью, конструкция которой предложена МЭИ совместно с рядом других организаций [l9]. При правильно выбранных параметрах дымовой трубы с цилиндрической верхней частью обеспечивается не только отсутствие избыточных давлений, но и значительный экономический эффект.

Поэтому исследование аэродинамических характеристик дымовой трубы такой конструкции и разработка методики технико-экономического сопоставления с другими способами ликвидации избыточных давлений является важной задачей. '.

Актуальными являются вопросы сокращения сроков строительства дымовой трубы, снижения ее себестоимости, обеспечения возможности обслуживания и ремонта. До последнего времени трубы высотой 250 м и более сооружались по индивидуальным проектам. Это было оправдано до тех пор, пока количество высотных дымовых труб было небольшим. Однако, на ближайшую перспективу намечено сооружение около 50 дымовых труб высотой не менее 270 м. Учитывая, что стоимость каждой трубы подобной высоты составляет несколько миллионов рублей, то стала необходимой и целесообразной унификация дымовых труб в части их размеров (высоты и диаметра).

Тенденция к совместному подключению энергетических и пиковых водогрейных котлов к дымовым трубам ТЭЦ потребовала разработки методики выбора оптимальных параметров труб, учитывающей расход электроэнергии на привод дымососов пиковых котлов, разницу температур уходящих газов и другие факторы. Поэтому разработанную в МЭИ Э. П. Волковым, Л. А. Рихтером и Е. И. Гавриловым методику технико-экономического расчета дымовых труб ТЭС [з, 9,20] целесообразно развить для рассмотренной задачи и для удобства расчетов представить эту методику в аналитической форме.

Для более эффективного рассеивания вредных примесей, содержащихся в дымовых газах, целесообразно концентрировать выбросы в одной-двух точках тепловой электростанции, т. е. иметь минимальное число дымовых труб на ТЭС [з, в]. С другой стороны по условиям надежности работы оборудования и уменьшения длины газоходов, являющихся элементом газового тракта с невысокой надежностью, следует увеличить число дымовых труб на ТЭС. Учитывая высокую стоимость дымовых труб, а также необходимость обеспечения их надежной работы, вопрос выбора их числа на ТЭС требует специального рассмотрения.

В связи с возрастающим требованием высокой надежности дымовых труб рассмотренные вопросы приобретают все более актуальное значение. Их решению и посвящена настоящая работа.

При выполнении расчетов использовалась ЭЦВМ «МИР-2» .

Автор защищает следующие основные положения:

1. Результаты экспериментальных исследований, на модели температурных полей по окружности и высоте ствола при смешении разнотем-пературных уходящих газов энергетических и пиковых водогрейных котлов в дымовых трубах ТЭЦ, на основании которых рассчитаны термические напряжения и способы уменьшения этих напряжений.

2. Аналитический, номографический и графоаналитический методы расчета минимально необходимой высоты цилиндрического участка дымовой трубы для ликвидации избыточного статического давления.

3. Методику выбора оптимальных параметров дымовых труб ТЭЦ при совместном подключении энергетических и пиковых водогрейных котлов и методыпостроения ряда унифицированных диаметров дымовых труб и выбора числа труб на станции.

Работа выполнена на кафедре Тепловых электрических станций Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской революции энергетического института.

Результаты настоящей работы использованы в комплексной научно-исследовательской работе «Комплекс исследований, связанных с созданием и типизацией новых дымовых труб ТЭС», выполненной кафедрой ТЭС МЭИ совместно с рядом других организаций по плану ГКНТ СМ СССР J6 347 от 12.08.78 г., проблема 0.85.04.

Основные результаты работы включены в «Основные положения по выбору дымовых труб ТЭС», которые утверждены на заседании научно-технического Совета Минэнерго СССР (протокол $ 28 от 12.03.81) и являются обязательными при проектировании дымовых труб.

Выводы по главе iy.

1. На основании анализа результатов технико-экономических расчетов дымовых труб ТЭС установлено, что отклонение диаметра от оптимального значения, соответствующего минимуму затрат, в пределах 0,93*1,08 приводит к увеличению приведенных затрат не более, чем на 2%щ Исходя из этого, разработан ряд унифицированных диаметров устья дымовой трубы, который находится по формуле Вj ,.

Предложенная унификация диаметров позволяет сократить количество типоразмеров дымовых труб с 15 до 7, уменьшить сроки их проектирования и упростить унификацию монтажных механизмов, опалубки и других приспособлений, необходимых для возведения труб.

2. Получено выражение (4.8), позволяющее выразить высоту дымовой трубы Н как функцию диаметра Ъ0 .На основании этого развита методика технико-экономического расчета дымовых труб ТЭС и разработан аналитический метод определения оптимальных параметров трубы.

Данный метод расчета более прост и удобен по сравнению с существующим и позволяет проводить анализ влияния различных факторов на приведенные затраты.

3. Разработана методика технико-экономического расчета дымовых труб ТЭЦ при совместном подключении энергетических и пиковых водогрейных котлов КВ-ГМ и КВ-ТК, позволяющая учитывать затраты электроэнергии на привод дымососов водогрейных котлов.

4. Разработана методика технико-экономического сопоставления вариантов с различным числом (N) дымовых труб на ТЭС, учитывающая изменение стоимостей дымовых труб и газоходов, а также их аэродинамического сопротивления.

При увеличении числа труб на ТЭС их высота растет пропорциона-, а стоимость ~ N для конических дымовых труб и ~ N1,05 для труб с кремнебетонным цилиндрическим газоотводящим стволом. Стоимость газоходов и потери на трение уменьшаются пропорционально N, а местные потери остаются практически постоянными.

Показано, что на ТЭС нужно устанавливать не менее двух одноствольных дымовых труб. вшода ПО РАБОТЕ.

1. Рассмотрены схемы подключения к дымовой трубе ТЭЦ пиковых водогрейных котлов ПТВМ на естественной тяге, КВ-ГМ и КВ-ТК с дымососами* Для обеспечения высокой надежности работы ТЭЦ и снижения уровня приземных концентраций вредных веществ в атмосфере следует производить совместное подключение энергетических котло-агрегатов и водогрейных котлов КВ-ГМ и КВ-ТК к общей дымовой трубе.

2. При смешении разнотемпературных газов в дымовой трубе ТЭЦ получается неравномерное распределение температуры по окружности трубы, которое вызывает термические напряжения в стволе. Экспериментальными исследованиями установлено, что это распределение зависит от разности температур дымовых газов, вариантов их смешения и соотношения скоростей. Полученные температурные поля описаны эмпирическими выражениями.

3. Исследования на модели позволили установить, что для интенсификации процесса смешения с целью уменьшения термических напряжений следует производить смешение разнотемпературных дымовых газов при соотношении скоростей ГП < I для варианта без перегородки и при Ш > I для варианта с перегородкой. При смешении с перегородкой величины максимальных термических напряжений получаются более низкими, чем при смешении соударяющихся потоков.

4. Для рассмотренных примеров конструкций дымовых труб определены максимальные термические напряжения, которые превышают допустимое значение по условию отсутствия трещинообразования. Показано расположение зон образования трещин для этих труб.

5. Для уменьшения возникающих термических напряжений в футеровке железобетонной трубы следует повышать температуру воздуха в вентилируемом зазоре t6, увеличивать термическое сопротивление футеровки RT (например, выполнить теплоизоляцию) или установить перегородку между потоками. Для дымовых труб с кремнебе-тонным стволом необходимо установить перегородку между потоками.

6. Применение дымовой трубы с цилиндрической верхней частью является эффективным способом ликвидации избыточных статических давлений, позволяющим при рационально выбранных параметрах цилиндрического участка не только повысить надежность работы трубы, но и получить значительный экономический эффект. Разработанные аналитический, номографический и графоаналитический методы расчета высоты цилиндрического участка 6ц, дали возможность определить влияние на ее величину различных геометрических и режимных факторов. Показано, что величина растет с увеличением конусности примыкающего участка, температуры наружного воздуха и уменьшением температуры уходящих газов.

7. Разработана методика технико-экономического сравнения различных способов ликвидации избыточных статических давлений в газоотводящих стволах и установлено, что вариант установки на ТЭС дымовой трубы с цилиндрической верхней частью имеет наименьшую стоимость и приведенные затраты.

Наиболее эффективно применение дымовой трубы с цилиндрической верхней частью для ТЭС, сжигающих дешевое топливо, например, угли Экибастузского и Канско-Ачинского энергетических комплексов.

8. Предложен метод построения ряда унифицированных диаметров дымовых труб ТЭС. Полученные на основании его результаты позволили сократить количество типоразмеров диаметров дымовых труб с 15 до 7 и, тем самым, уменьшить сроки их проектирования и упростить унификацию монтажных механизмов, опалубки и других приспособлений, необходимых для возведения труб.

9. Разработан метод выбора оптимальных параметров дымовых труб.

ТЭЦ при совместном подключении энергетических и пиковых водогрейных котлов с дымососами (КВ-ГМ и КВ-ТК), который представлен в аналитической форме.

10. Результаты настоящей работы использованы в научно-исследовательских работах кафедры ТЭС МЭИ и включены в «Основные положения по выбору дымовых труб ТЭС», которые утверждены на заседании научно-технического Совета Минэнерго СССР и являются обязательными при проектировании дымовых труб.