Анализ работы системы подготовки топлива пылеугольной ТЭС Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.311

АНАЛИЗ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ПОДГОТОВКИ ТОПЛИВА ПЫЛЕУГОЛЬНОЙ ТЭС

Г.Р. МИНГАЛЕЕВА*, Ю.Н. ЗАЦАРИННАЯ*, Е.К. ВАЧАГИНА**

* Казанский государственный энергетический университет ** Отдел энергетики Казанского научного центра РАН

Объектом исследования является система топливоподачи и пытеприготовления Казанской ТЭЦ-2 для котлов БКЗ-210-140 ФЖШ, работающих на угле. Приводятся результаты теплового и термодинамического расчета индивидуальной системы пытеприготовления с низкой и высокой концентрацией пыли.

Возможности применения твердого топлива, в частности угля, на тепловых электростанциях в настоящее время далеко не исчерпаны. Уголь считается вторым по важности источником первичной энергии в мире после нефти, так как обеспечивает около четверти мировой потребности в энергоресурсах. Запасы угля имеют многие страны мира, и средняя обеспеченность углем составляет примерно 230 лет. Россия, обладающая огромными запасами этого вида топлива, по некоторым прогнозам обеспечена им более чем на 500 лет [1].

В зависимости от вида топлива и способа его сжигания затраты на пылеприготовление колеблются от 14,45 до 55,57 кВт-ч/т у.т. Наибольшие затраты приходятся на топлива с высокой сопротивляемостью размолу, малым выходом летучих (менее 15 %) и при наличии жидкого шлакоудаления [2].

В структуре затрат на собственные нужды ТЭЦ расход энергии на подготовку твердого топлива составляет значительную часть. Расход электроэнергии на «прочие механизмы» собственных нужд при работе ТЭЦ на угле увеличивается примерно в 2 раза по сравнению с работой на газообразном топливе. Эти данные свидетельствуют о том, что твердое топливо требует наиболее сложной и дорогостоящей подготовки к сжиганию. Поэтому методы совершенствования оборудования и технологии подготовки угля к сжиганию являются в настоящее время весьма актуальными.

Рассмотрим технологическую схему подготовки твердого топлива на ТЭЦ-2 г. Казани.

Всю систему топливоподачи и пылеприготовления можно разбить на несколько этапов, на которых осуществляется подвод теплоносителей и происходит изменение тепловых и термодинамических параметров системы. Совместный расчет систем топливоподачи и пылеприготовления включает определение затрат электрической и тепловой энергии, расходуемой на подготовку угля к сжиганию и подачу его к горелкам котлов.

Уголь на ТЭЦ поступает в железнодорожных вагонах, после разгрузки которых с помощью роторного вагоноопрокидывателя топливо может подаваться либо непосредственно в тракт топливоподачи, либо на склад. Рассмотрим технологическую схему топливоподачи, предусматривающую разгрузку и последующую подготовку твердого топлива без складирования.

В зимний период предусматривается разогрев топлива в размораживающем устройстве (тепляке). Рассматриваемое устройство включает в себя собственно

© Р.Г. Мингалеева, Ю.Н. Зацаринная, Е.К. Вачагина Проблемы энергетики, 2005, № 1-2

тепляк, т.е. здание, в котором происходит размораживание вагонов; калориферную, в которой горячий воздух, подаваемый в тепляк, нагревается в калориферах паром из отбора турбин; дутьевые вентиляторы, а также систему паро- и воздухопроводов. Размораживающее устройство конвективного типа выполнено по типовому проекту «Теплоэлектропроекта» 1964 г.

После размораживания топливо подается к вагоноопрокидывателю, затем при помощи ленточного питателя - в дробилку грубого дробления. Тракт топливоподачи имеет две нитки, одна из которых является резервной. Дробленое топливо двумя ленточными конвейерами через узел пересыпки поступает к блоку мелкого дробления, оснащенному молотковыми дробилками, затем тремя конвейерами через узлы пересыпки подается в бункера сырого угля котельного отделения на шесть котлов. Производительность всей линии топливоподачи составляет 140 т/ч.

По тракту топливоподачи, включающему вагоноопрокидыватели, установки грубого и мелкого дробления и ленточные конвейеры, не предусматривается подогрев топлива. Поэтому для этих устройств подсчитываются только удельные затраты электроэнергии.

Система пылеприготовления представляет собой сушильно-мельничную установку, которая состоит из шаровой барабанной мельницы ШБМ 287/410 с центробежным сепаратором ЦККБ, циклона НИИОГАЗ и мельничного вентилятора ВМ-50/1000.

Котлы БКЗ-210-140 ФЖШ оснащены двумя замкнутыми системами пылеприготовления на каждый котел с общим для обеих систем, одна из которых является резервной, промбункером. Всего на ТЭЦ-2 6 котлов

производительностью 26,4 т/ч, работающих на Кузнецком тощем угле с

влажностью Wp = 6,5 %. По данным испытаний котлов, проводившихся в 2003 г., влажность поступающего топлива составляла 14 % [3], поэтому в расчетах

использовалось именно это значение. Влажность готовой пыли Wпл = 1,2 %.

Система подачи пыли высокой концентрации под разрежением (ПВКр) установлена на ТЭЦ-2 в 2003 году (рис. 1). Она включает в себя смеситель пыли, паровой эжектор и горелочное устройство. Раньше эксплуатировалась проектная схема подачи пыли низкой концентрации под давлением (рис. 2). Горячий воздух при помощи вентилятора горячего дутья (ВГД) нагнетался в смеситель, где смешивался с угольной пылью, поступающей из бункера пыли. Концентрация угольной пыли составляла 0,7 кг на 1 кг воздуха.

Смеситель каскадного типа для системы ПВКр установлен под углом 450 от вертикали. В смесителе происходит смешивание поступающей из течки пылепитателя пыли и воздуха, забираемого из котельного отделения, т.е. образование равномерной пылевоздушной смеси с концентрацией 30 кг пыли на 1 кг воздуха [3].

Эжектор состоит из парового сопла, пылеподводящего патрубка, смесительной камеры, выхлопного патрубка и пылераздающей насадки с конусом. В качестве основного эжектирующего агента используется пар из общестанционной магистрали с параметрами Р = 9*11 кг-с/см и t = 250*260 °С [3].

Эжекторно-горелочное устройство представляет собой трубу, на одном конце которой расположен паровой эжектор, а на другом - насадок-распылитель, обеспечивающий широко-конусное вытекание пылепаровоздушной смеси и надежное аэродинамическое перемешивание со вторичным воздухом. Горелка с системой ПВКр является горелкой форсуночного типа.

Рис. 1. Теплотехнологическая схема топливоподачи и пылеприготовления с высокой концентрацией пыли под разрежением (ПВКр): 1 - вентилятор; 2 - калорифер; 3 - тепляк; 4 -вагоноопрокидыватель; 5 - дробилка крупного дробления; 6 - дробилка мелкого дробления; 7 -конвейер; 8 - ШБМ; 9 - сепаратор; 10 - циклон; 11 - бункер пыли; 12 - смеситель; 13 - эжектор, 14 - пылепровод; 15 - мельничный вентилятор

Рис. 2. Теплотехнологическая схема топливоподачи и пылеприготовления с низкой концентрацией пыли под давлением: обозначения те же, что и на рис. 1, кроме 13 - вентилятора горячего дутья

В табл. 1 приводятся данные по входным и выходным потокам теплоносителей и топлива в систему подготовки топлива, представленным на рис. 1 и 2.

За расчетную температуру окружающей среды принята средняя температура самого холодного месяца, которая для г. Казани составляет - 13,5 °С.

Основные показатели топлива и теплоносителей в системе топливоподачи и пылеприготовления ТЭЦ-2 г. Казани

Номер потока Теплоноситель Расход теплоносителя, кг/с Температура, °С Давление, Па

I Холодный воздух 60,7 -13,5 101325

II Пар 1,52 250 588000

III Горячий воздух 10,56 300 99461

V Влажный воздух в верхний ярус горелок котла 14,53 70 110682

Для ПВКр (рис. 1)

IV Пар 0,5 260 980000

VI Пар + пылевоздушная смесь в горелки котла 6,9 100 100000

Для системы подачи пыли низкой концентрации (рис. 2)

VI Угольная пыль + горячий воздух в горелки котла 15,74 157 100000

IV Горячий воздух 9,34 300 100000

Тепловой расчет размораживающего устройства выполнялся по приближенной методике, разработанной ВТИ [4], согласно которой теплота Qcт расходуется на нагрев стенки полувагона, О1 - на нагрев и размораживание слоя топлива толщиной Iо, О2 - на нагрев более удаленных слоев с условной толщиной 1Х, на границе которой изменение температуры топлива к моменту окончания разогрева не превосходит 0,1 °С.

^ст — ^стРст^ї

(хт і 0 )+(хт *с т )

1+

1 + пс

где сст - удельная теплоемкость материала стенки (сталь), кДж/(кг-°С); рст -

» ”

плотность материала стенки; 8ст - толщина стенки; Ьст и Ьст - температура стенки на внутренней и наружной сторонах, °С; Ьо - начальная температура стенки и топлива; пс - коэффициент, учитывающий кривизну температурной кривой в стенке полувагона (для стальной стенки пс = 0).

0.1 = °н + °л + °р ,

где °н = Рн80ссмер (0 - Ь0 ) - теплота, расходуемая при нагреве и размораживании слоя топлива толщиной 8 0 от температуры *0 до 0 °С;

Ол =Рн80 • 335 (жР - Жб У(ю0 - Жб ) - теплота, расходуемая на таяние льда;

Ор =Рн80Сраз (ст - 0Д1 + пт ) - теплота, расходуемая на разогрев влажного

с

топлива от 0 °С до температуры Ьст .

°2 = ссмеррн8 х (° — Ь 0 )/(1 + псмер ),

б

где рн - насыпная плотность топлива; Ж - безопасная влажность топлива или

б

влага смерзания (для каменных углей Ж = 4 - 8 %, для Кузнецкого тощего угля б

принято Ж = 5 %); Сраз и ссмерз - теплоемкости размороженного и смерзшегося

топлива соответственно, кДж/(кг^°С); пт - коэффициент, учитывающий кривизну

температурной кривой в слое топлива толщиной 80 (пт = 1,25/; исмер -

коэффициент, учитывающий кривизну температурной кривой в слое смерзшегося топлива толщиной 8 х (исмер = 1,20/.

Потери теплоты в размораживающем устройстве в основном происходят в результате теплопередачи через стены здания и за счет нагрева вагонов. Результаты теплового расчета представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты теплового расчета системы топливоподачи и пылеприготовления

Наименование элемента Теплота потоков на входе в элемент, кДж/(кг сырого топлива) Теплота потоков на выходе из элемента, кДж/ (кг сырого топлива) Потери теплоты в элементе, кДж/ (кг сырого топлива) Тепло- вой КПД, %

Размораживающее устройство 12,6 7,5 5,1 59,5

Сушильно-мельничная установка 569,13 409,45 159,68 71,9

Система подачи пыли высокой концентрации под разрежением (ПВКр) 511,6 373,75 137,85 73,1

Для всей системы топливоподачи и пылеприготовления с ПВКр 1093,33 790,7 302,63 72,3

IV. Сушильно-мельничная установка с системой подачи пыли низкой концентрации под давлением 1027,93 868,25 159,68 84,5

Для всей системы топливоподачи и пылеприготовления с подачей пыли низкой концентрации 1040,53 875,75 164,78 84,2

Тепловой расчет сушильно-мельничной установки производился в соответствии с [5]. Сушка топлива осуществляется горячим воздухом, отбираемым из воздухоподогревателя. По условиям надежной работы мельницы

максимальную температуру сушильного агента рекомендуется ограничить 450 °С. В расчетах температура горячего воздуха принята равной 300 °С. Регулирование температуры может быть достигнуто разбавлением сушильного агента холодным воздухом.

Тепловой баланс сушильно-мельничной установки составляется на 1 кг сырого топлива. Границами для составления теплового баланса и расчета количества сушильного агента являются вход и выход потоков каждого вещества. Начальными сечениями являются: по топливу - течка сырого угля; по сушильному агенту - газоход на входе в сушильную шахту. Выходным сечением для сушильно-мельничной установки является место выхода смеси отработанного влажного сушильного агента и присосанного воздуха с готовой пылью, за который принимается пылепровод за сепаратором или перед горелкой. Тепловой баланс сушильно-мельничной установки имеет вид

У. Ч = Чт + Чса + Чмех + Чпрс — Чисп — у2 — Чтл — 45 ,

где qт - теплота, вносимая в сушильно-мельничную установку с массой дробленого угля; #са - физическая теплота сушильного агента; ^мех - теплота, выделяющаяся в результате работы мелющих органов; #прс - физическая теплота присосанного холодного воздуха; #исп - теплота, затраченная на испарение влаги; д2 - теплота, уносимая с уходящим из мельницы сушильным агентом без учета энтальпии испаренной влаги; qтл - теплота, затрачиваемая на подогрев угля; ^5 - потери теплоты в окружающую среду.

По условиям взрывобезопасности температура сушильного агента за сепаратором принимается *2 = 70° С. Потери теплоты происходят в основном за

счет теплопередачи через стенки оборудования.

Определено количество теплоты, подводимого к топливу паром в эжекторе, а также количество теплоты, затраченное на подогрев угля в эжекторе. Потери теплоты за счет теплопередачи через стенки оборудования незначительны.

При определении общего теплового КПД системы подготовки топлива в качестве полезной учитывалась теплота, затраченная на испарение влаги топлива, #исп и теплота, затраченная на подогрев топлива, #тл, так как целью рассматриваемого процесса является получение угольной пыли требуемой влажности и температуры.

Термодинамический расчет системы подготовки твердого топлива производился путем определения эксергии потоков, подводимых к системе и отводимых от нее. Такой подход позволил учесть различные виды энергии и определить наиболее энергозатратные участки системы.

Эксергетический расчет системы топливоподачи и пылеприготовления выполнялся по методикам, приведенным в [6, 7].

Эксергия однородного вещества определяется из соотношения [6]

Т1

Ао^ = |СрйТ + Ч: +| СрйТ - 70 Т0 Т1

© Проблемы энергетики, 2005, № 1-2

Т} т

Г йТ Чі 7 йТ

] Ср Т + Т + ] Ср Т Т0 7 1j Т: 7

V 0 1

+ ЯТ0Іп-^, (1)

Р0

где Т о и ро - соответственно температура, К, и давление, Па, окружающей среды, принятые за начало отсчета; Т и р - рабочие параметры - температура, К, и давление вещества, Па; qj и Tj - тепловой эффект, кДж/кг, и температура, К, фазового перехода; Cp - теплоемкость рабочего вещества, кДж/(кг-К); R -

универсальная газовая постоянная, кДж/(кмоль-К).

Расчет эксергии теплового потока производится по формуле [6]

Eq = т& = (1 - ^. (2)

Эксергия на входе в размораживающее устройство состоит из эксергии пара,

»

подаваемого в калориферную установку для нагрева воздуха Eп = 3,98 кДж/кг, эксергии смеси рециркулирующего и холодного воздуха, рассчитанного по (1), »

Eв = 3,72 кДж/кг и эксергии подводимой к системе мощности

Ll = 1,26 Вт • ч/кг = 4,54 кДж/кг вентиляторов ВД-20.

Эксергия пара определяется по формуле (на 1 кг топлива) [7]

Еп = gп (п.н — г'п0 — Т 0 (п.н — *п0 )) , (3)

где гп0, и хп0, - энтальпия, кДж/кг и энтропия пара, кДж/(кг^К), при Щ и pо; гп.н и %.н - энтальпия и энтропия пара при температуре и давлении пара на входе ГЛ.н и pп.н; gп - удельный расход пара на 1 кг топлива, кг/кг.

Эксергия сушильного агента, поступающего в сушильно-мельничную установку, вычисленная по формуле (1), составляет Еса = 543,6 кДж/кг ; эксергия пара, подводимого к эжектору, определенная по формуле (3), — Епэ = 778,6 кДж/кг ; эксергия подводимой к системе мощности механизмов топливоподачи ^ Ьтп = 11,0 кДж/кг ; эксергия подводимой к системе мощности

мельницы и мельничного вентилятора L2 = 91,9 кДж/кг.

Эксергия на выходе из системы состоит из суммы эксергий влажного воздуха за циклоном Евлв = 366,16 кДж/кг, вычисляемой по (1), смеси пара с

” I

угольной пылью Е3 = 609,75 кДж/кг , вычисляемой по (1) и (3), а также эксергии тепловых потоков, затраченных на испарение влаги из топлива и на подогрев

"

топлива Еq, определяемой по формуле (2). Однако полезной можно считать только эксергию угольной пыли, подаваемой в котел из эжектора Eупэ, и

"

эксергию тепловых потоков Eq .

Общий эксергетический КПД системы топливоподачи и пылеприготовления с ПВКр

Пе =-

Е + Е

упэ

+ Ег а + 42 + Ет + Е

р.в

Аналогично производится эксергетический расчет для системы топливоподачи и пылеприготовления системы с подачей пыли низкой концентрации.

Результаты эксергетического расчета представлены в табл. 3, а также на диаграммах Сэнки (рис. 3, 4).

Результаты расчетов, представленные табл. 2 и 3, свидетельствуют о том, что тепловые КПД для систем подачи пыли высокой и низкой концентрации значительно отличаются и составляют соответственно 72,3 % и 84,2 %. Низкие эксергетические КПД, составляющие соответственно 9,2 % и 22,1 %,

свидетельствуют о несовершенной организации процесса подготовки твердого топлива. Одним из путей повышения эксергетического КПД сушильномельничной установки и всего процесса в целом может служить организация рециркуляции сушильного агента.

Таблица 3

Результаты эксергетического расчета системы топливоподачи и пылеприготовления

Наименование элемента Эксергия потоков на входе в элемент, кДж/ (кг сырого топлива), Е’ Эксергия потоков на выходе из элемента, кДж/ (кг сырого топлива), Е” Потери эксергии в элементе, кДж/ (кг сырого топлива), Епот Эксерге-тический КПД, %

Размораживающе е устройство 16,27 0,75 4,62 6,4

Сушильно- мельничная установка 649,3 112,19 368,1 17,3

Система (ПВКр) 788,0 32,18 587,9 4,2

Для всей системы с ПВКр 1436,64 131,82 960,62 9,2

Система подачи пыли низкой концентрации 367,57 102,46 - 27,9

Для всей системы с подачей пыли низкой концентрации 913,42 202,1 372,72 22,1

Рис.3. Эксергетическая диаграмма для системы подачи пыли высокой концентрации под разрежением (ПВКр): I - размораживающее устройство; II - сушильно-мельничная установка; III - система ПВКр; Еп' - эксергия пара, подаваемого в калориферную установку; Ев' - эксергия воздуха; Ет' - эксергия поступающего топлива; Ь- - мощность вентиляторов размораживающего устройства; Ет" - эксергия размороженного топлива;

Ек'' - эксергия конденсата, отводимого из калориферной установки; Енв.'' - эксергия нагретого воздуха, выбрасываемого в атмосферу; Епот- - потери эксергии в размораживающем устройстве; ДЕ- - изменение эксергии потоков в размораживающем устройстве;

Еса' - эксергия сушильного агента; ЕЬтп' - мощность механизмов топливоподачи;

Ь2' - мощность мельницы и мельничного вентилятора; Евлв" - эксергия влажного воздуха на выходе из сушильно-мельничной установки; Еуп'' - эксергия угольной пыли на выходе из сушильно-мельничной установки; Е^ - эксергия теплового потока, затраченного на подогрев топлива и испарение влаги; Епот2 - потери эксергии в сушильно-мельничной установке; ДЕ2 - изменение эксергии потоков в сушильно-мельничной установке;

Епэ' - эксергия пара, подаваемого в эжектор; Е1[ - эксергия теплового потока, затраченного на подогрев угольной пыли в эжекторе; Еупэ"- эксергия угольной пыли на выходе из эжектора; Епэ - эксергия пара на выходе из эжектора;

ДЕ3 - изменение эксергии потоков в системе ПВКр

Рис.4. Эксергетическая диаграмма для системы подачи пыли низкой концентрации под давлением: I - размораживающее устройство; II - сушильно-мельничная установка;

III - система подачи пыли низкой концентрации; обозначения те же, что и на рис. 3, кроме следующих: Егв' - эксергия горячего воздуха, подаваемого в смеситель; Епв' '- эксергия пылевоздушного потока на выходе из смесителя; Eq - эксергия теплового потока, затраченного на подогрев угольной пыли в смесителе; L3' - мощность вентилятора горячего дутья; АЕ3 - изменение эксергии потоков в системе подачи пыли низкой концентрации

Summary

Heat and thermodynamic calculations are executed for feeding and preparation system

for powdered fuel with high and low concentration coal powder. The object of research is

system offuel preparation for six coal-fired boilers.

Литература

1. Агафонов Г.В., Соколов А.Д. Долгосрочные тенденции развития угольной промышленности мира и России // Известия АН. Энергетика. - 2004. - №1. -С.26-33.

2. Росляков П.В., Изюмов М.А. Экологически чистые технологии использования угля на ТЭС: Учеб. пособие - М.: Издательство МЭИ, 2003.-124 с.

3. Технический отчет по тепловым испытаниям котлоагрегата БКЗ-210-140 ФЖШ (ст. №10) Казанской ТЭЦ-2 с системой транспорта пыли высокой концентрации под разрежением. - Самара, 2003. - 79 с.

4. Гаврилов Е.И. Топливно-транспортное хозяйство и золошлакоудаление на ТЭС.- М.: Энергоатомиздат, 1987. - 125 с.

5. Расчет и проектирование пылеприготовительных установок котельных агрегатов (Нормативные материалы). - Л.: ЦКТИ, 1971. - 309 с.

6. Назмеев Ю.Г., Конахина И.А. Организация энерготехнологических комплексов в нефтехимической промышленности. - М.: Изд-во МЭИ, 2001.-364 с.

7. Назмеев Ю.Г. Мазутные хозяйства ТЭС. - М.: Изд-во МЭИ, 2002. - 612 с.

Поступила 16.11.2004