автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему: Совершенствование работы котельных установок ТЭС путем использования вторичных энергоресурсов
Автореферат диссертации по теме "Совершенствование работы котельных установок ТЭС путем использования вторичных энергоресурсов"
На правах рукописи
ЗИГАНШИНА СВЕТЛАНА КАМИЛОВНА
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОТЫ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ТЭС ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ
Специальность: 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена на кафедре «Тепловые электрические станции» ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»
доктор технических наук, профессор Кудинов Анатолий Алексеи1 рович
доктор технических наук, профессор Ковальногов Николай Николаевич
доктор технических наук, профессор Шигапов Айрат Багаутдинович
ОАО «Волжская территориальная генерирующая компания» (г. Самара)
Защита состоится « 18 » мая 2006 г. в /7 часов на заседании диссертационного совета Д 212.082.02 при Казанском государственном энергетическом университете по адресу: г. Казань, ул. Красносельская, д. 51, зал заседаний Ученого Совета (корпус В, ауд. В-210).
Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, д. 51, Ученый Совет КГЭУ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГЭУ. Автореферат разослан: «_/3_» апреля 2006 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Развитие энергетики в настоящее время характеризуется значительно возросшей стоимостью органического топлива и других природных ресурсов, а также постоянно возрастающими трудностями охраны окружающей среды от воздействия энергоустановок, ТЭС и промышленных предприятий. Анализ работы котельных установок показывает, что в энергетике РФ использование органического топлива в ближайшей и отдаленной перспективе будет доминирующим. Поэтому экономия топлива, энергосбережение, охрана окружающей среды являются важнейшими задачами в области энергетики.
Особенностью современного хозяйствования в энергетике является переход к рыночным отношениям в условиях формирования ФОРЭМ, выход на который для предприятий, вырабатывающих энергию, возможен лишь при способности конкурировать, что обеспечивается за счет снижения себестоимости продукции. Для снижения себестоимости электроэнергии особое внимание уделяется малозатратным технологиям, которые могут быть внедрены в кратчайшие сроки. К ним относятся технологии повышения экономичности котельных установок ТЭС путем использования вторичных энергоресурсов.
Учитывая изложенное, разработка технологий совершенствования работы котельных установок за счет утилизации теплоты уходящих газов, горячего воздуха вентилируемых дымовых труб, снижения потерь теплоты и теплоносителя с непрерывной продувкой барабанных котлов является актуальной в области энергетики как в научном, так и в практическом отношениях.
Работа выполнена по гранту (шифр А 03-3.14-435) для поддержки НИР аспирантов ВУЗов Минобразования России, направление «Энергетика и электротехника» (тема «Повышение эффективности работы котельных установок путем глубокого охлаждения уходящих газов», № темы 909/03, 2003-2004 г.г.), а также в рамках плановых НИР СамГТУ на проведение энергоаудита ТЭС, выполненным в соответствии с Программой энергетических обследований предприятий РАО "ЕЭС России" (Постановление РАО "ЕЭС России" № 297 от 26.05.2000 г.).
Целью работы является разработка технологий совершенствования работы котельных установок ТЭС путем использования вторичных энергоресурсов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
1. Выполнены экспериментальные исследования энергетических котлов БТЭЦ и Саранской ТЭЦ-2, произведена оценка влияния коэффициента избытка воздуха в уходящих газах на КПД котла;
2. Разработан способ утилизации теплоты подогретого воздуха газоотводящих труб ТЭС с вентилируемым воздушным зазором;
3. Проведены натурные испытания конденсационного теплоутилизатора (КТ) поверхностного типа, выполнены анализ и обобщение результатов опытов, получено критериальное уравнение подобия для условий теплообмена при конденсации водяных паров из уходящих продуктов сгорания;
4. Получены аналитические зависимости, позволяющие рассчитывать температуру продуктов сгорания по высоте трубы, темп^яптныр ппт н трпми.ческие напряжения в стенках газоотводящих труб для разл л;
5. Разработана схема котельной без водоумягчительной установки, в которой комплексно утилизируются теплота уходящих газов, выпары атмосферного деаэратора и декарбонизатора;
6. Разработана методика экономического расчета потерь теплоносителя и теплоты с непрерывной продувкой барабанных котлов; произведена оценка влияния величины непрерывной продувки энергетических котлов на экономичность ТЭЦ;
7. Предложен способ регулирования расхода воды непрерывной продувки барабанных котлов и устройство для его реализации, обеспечивающие повышение экономичности и надежности работы котлоагрегатов.
Основные методы научных исследований. В работе использованы методы вычислительной математики, теории теплообмена, технико-экономических расчетов в энергетике. Для выполнения численных расчетов и построения графических зависимостей использовались пакеты прикладных программ Microsoft Excel и Q-Basic.
- разработан способ утилизации теплоты подогретого воздуха газоотводящих труб ТЭС с вентилируемым воздушным зазором;
- получено критериальное уравнение теплоотдачи при охлаждении уходящих газов ниже точки росы в теплоутилизаторах поверхностного типа;
- получены аналитические зависимости, позволяющие рассчитывать теплообмен охлажденных ниже точки росы в КТ продуктов сгорания, движущихся в дымовой трубе;
- разработана схема котельной без водоумягчительной установки, в которой комплексно утилизируются теплота уходящих газов, выпары атмосферного деаэратора и декарбонизатора;
- разработана методика экономического расчета потерь теплоносителя и теплоты с непрерывной продувкой энергетических котлов ТЭС;
- предложен способ регулирования расхода воды непрерывной продувки барабанных котлов и устройство для его реализации.
Практическая ценность и реализация работы. На Ульяновской ТЭЦ-З внедрены результаты НИР "Экономия тепловой энергии за счет конденсационных теп-лоутилизаторов в газифицированных котельных и ТЭЦ": а) теплоутилизационная установка на базе биметаллического калорифера КСк-4-11 ХЛЗ для охлаждения ниже точки росы уходящих продуктов сгорания парового котла ДЕ-10-14 ГМ ст. № 2; б) методики и программы расчетов на ПЭВМ конденсационного теплоутилизатора и процесса теплообмена при движении продуктов сгорания в газоотводящих трубах.
На Безымянской ТЭЦ приняты к внедрению результаты НИР "Повышение экономичности барабанных котлов ТЭС": а) методика экономического расчета потерь теплоносителя и теплоты с непрерывной продувкой барабанных котлов; б) способ регулирования расхода воды непрерывной продувки барабанного котла по патенту №2214559.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе СамГТУ и других ВУЗов РФ по специальностям "Тепловые электрические станции" и "Промышленная теплоэнергетика".
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечиваются: комплексным подходом и полнотой экспериментальных исследований; сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; экспериментальной
проверкой предложенных технических решений в составе действующего оборудования ТЭС и длительным положительным опытом эксплуатации конденсационного теплоутилизатора на Ульяновской ТЭЦ-3.
1. Результаты экспериментального и численного исследования влияния коэффициента избытка воздуха в уходящих газах на КПД энергетических котлов;
2. Способ утилизации теплоты подогретого воздуха газоотводящих труб ТЭС с вентилируемым воздушным зазором;
3. Обобщенные результаты экспериментальных и численных исследований процессов теплообмена продуктов сгорания в КТ поверхностного типа;
4. Результаты численного исследования процесса теплообмена охлажденных ниже точки росы в КТ продуктов сгорания, движущихся в дымовой трубе, направленные на создание оптимальных режимов работы газоотводящих труб;
5. Тепловую схему котельной без водоумягчительной установки, в которой комплексно утилизируются теплота уходящих газов, выпары атмосферного деаэратора и декарбонизатора;
6. Методику экономического расчета потерь теплоносителя и теплоты с непрерывной продувкой барабанных котлов;
7. Способ регулирования расхода воды непрерывной продувки барабанных котлов и устройство для его реализации.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в выполнении натурных испытаний энергетических котлов и теплоутилизационного оборудования, проведении численных расчетов, обработке, анализе и обобщении полученных результатов, выработке практических рекомендаций.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Научно-технических семинарах НИЛ "Теплоэнергетические системы и установки" (г. Ульяновск, УлГТУ, 2000-2002 г.г.); 3-й, 4-й и 5-й Российских научно-технических конференциях "Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности" (г. Ульяновск, УлГТУ, 2001,2003,2006 г.г.); Х-й и XII-й Международных научно-технических конференциях "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Бенардосовские чтения) (г. Иваново, ИГЭУ, 2001, 2005 г.г.); Х-й и XI-й Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (г. Москва, МЭИ, 2004, 2005 г.г.); 5-й и 6-й Международных конференциях молодых ученых и студентов "Актуальные проблемы современной науки" (г. Самара, СамГТУ, 2004, 2005 г.г.); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" (г. Новосибирск, НГТУ, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, в том числе 12 статей, тезисы 6 докладов, 7 патентов РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 157 наименований и 3 приложений; изложена на 185 страницах основного машинописного текста, содержит 46 иллюстраций и 37 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы исследования, обозначены цель и основные задачи работы, указаны научная новизна, научная и практическая значимость полученных в работе результатов, перечислены основные положения и результаты, выносимые автором на защиту, представлены сведения об апробации материалов научных исследований и описана структура диссертации.
В первой главе представлены обзор и анализ научных работ отечественных и зарубежных ученых в области повышения экономичности котельных установок за счет снижения потерь теплоты с уходящими газами и с непрерывной продувкой барабанных котлов.
Анализ состояния проблемы в области энергосбережения в котельных установках показывает, что перспективным направлением является использование КТ, позволяющих охлаждать уходящие газы ниже точки росы и дополнительно использовать скрытую теплоту конденсации части содержащихся в них водяных паров. В традиционных теплоутилизаторах, режим работы которых не обеспечивает конденсацию водяных паров из продуктов сгорания, снижение температуры уходящих газов на 15-20 °С позволяет повысить КПД установки на 1 %. При глубоком охлаждении в КТ «цена» 1 % повышения к.и.т. установки составляет 2-4 °С понижения температуры уходящих газов. Получаемый из продуктов сгорания конденсат водяных паров используется в системе теплоснабжения и позволяет существенно сократить производительность химводоочистки, а в отдельных случаях при увлажнении дутьевого воздуха и вообще отказаться от применения водоумягчительной установки. Важным обстоятельством является то, что при глубоком охлаждении продуктов сгорания одновременно с энергоресурсосбережением осуществляется частичная очистка 1 азов от оксидов азота. Однако широкое внедрение установок для глубокого охлаждения продуктов сгорания сдерживается отсутствием теоретических разработок в области создания КТ поверхностного типа.
Ухудшение нормативных показателей качества пара, вырабатываемого котлами, обусловливает образование отложений на поверхностях теплообменного оборудования, что снижает интенсивность теплообмена при конденсации пара, температуру перегретого пара, создает опасность пережога труб пароперегревателей; в паровых турбинах отложение солей на лопаточном аппарате снижает производительность и экономичность агрегатов. Ликвидация солевых отложений в турбинах и пароперегревателях сложна, требует остановки агрегатов, большой и ответственной работы по промывке. Поэтому в числе основных задач эксплуатации котельных агрегатов стоит выработка чистого пара, качество которого зависит от концентрации солей в котловой воде. Для поддержания заданной концентрации солей в котловой воде производят непрерывную продувку котлов. Продувка связана с затратами на подготовку добавочной воды. Поэтому разработка мероприятий, направленных на снижение потерь теплоносителя и теплоты с непрерывной продувкой барабанных котлов, является актуальной.
По результатам обзора литературных источников сформулированы выводы и поставлены задачи исследования.
Во второй главе "Влияние коэффициента избытка воздуха в уходящих газах на экономичность котлов ТЭС" представлены результаты выполненных в 2004 г.
экспериментальных исследований энергетических котлов Безымянской ТЭЦ СБТЭЦ) и Саранской ТЭЦ-2 при их работе на природном газе. Проанализирована работа 12 котлов паропроизводительностью от 100 до 500 т/ч. Целью проведения исследований было решение научно-практической задачи определения теплотехнических и экономических показателей работы котлоагрегатов. При проведении обследований котлов определялись следующие основные параметры их работы: фактические при-сосы воздуха (коэффициент избытка воздуха); содержание С02, СО, 02, N0* в уходящих газах; величина непрерывной продувки котла; температура уходящих газов и питательной воды; паропроизводительность котла; температура и давление перегретого пара; рассчитывался КПД котла. Фактические параметры работы котлов сравнивались с параметрами, приведенными в режимных картах, а также с параметрами, представленными в энергетических характеристиках котлов.
Анализ результатов прямых измере- г\к, ний и полученных расчетных величин показал, что энергетические котлы этих ТЭЦ работают с пониженными КПД, что обусловлено в основном повышенным значением коэффициента избытка воздуха а^ в уходящих газах на выходе из котла. КПД котлов рассчитывался по обратному тепловому балансу, а коэффициент избытка воздуха а>х - по кислородной формуле (для случая отсутствия потери теплоты от химической неполноты горения газообразного топлива). Общая потеря топлива в денежном выражении в 2003 г. за счет снижения КПД шести котлов БТЭЦ составила 1 млн. 287 тыс. рублей; шести котлов Саранской ТЭЦ-2 - 3 млн. рублей.
Произведены исследования влияния а^ на КПД энергетических котлов БТЭЦ и Саранской ТЭЦ-2. Выполнен анализ численных расчетов зависимостей г)к -/<аух) (РОД вариантов расчетов представлен на рис. 1), который показал, что увеличение а^ существенно влияет на потери теплоты с уходящими газами </2 и, тем самым, на КПД котла (?/А).