CC BY
63
Вестник КГЭУ, 2017, № 2 (34) УДК 66.041.45
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ КОТЛОВ ПРИ СЖИГАНИИ МАЗУТА С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ВОДЫ
М.А. Таймаров1, Р.В. Ахметова1, Е.А. Салтанаева1, Р.Г. Сунгатуллин1,
Д.Г. Хусаинов2
1Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия 2Энергопрогресс, г, Казань, Россия
[email protected]; [email protected]
Резюме. В статье приведены результаты экспериментального исследования режимных параметров работы энергетических котлов ТЭС при сжигании мазута с повышенным содержанием воды при различных паровых нагрузках котлов и избытках воздуха, подаваемого на горение. Рассмотрена эффективность использования механического и паромеханического распыливания мазута в форсунках. Приведены значения тепловых потоков от факела в топках котлов при сжигании мазута.
Ключевые слова: сжигание, обводненный мазут, содержание воды в мазуте, горелка, форсунка, топка, котел, КПД, теплота сгорания, температура, избыток воздуха, тепловые потоки, режимы.
INVESTIGATION OF OPERATIONAL PARAMETERS OF THE BOILERS WHEN BURNING FUEL OIL WITH HIGH WATER CONTENT
M.A. Taymarov1, R.V. Akhmetova1, E.A. Saltanaeva1, R.G. Sungatullin1,
D.G. Khusainov2
1Kazan state power engineering university, Kazan, Russia 2Energoprogress, Kazan, Russia
Abstract. The article presents the results of an experimental study of regime parameters of power boilers, thermal power plants by burning fuel oil with a high content of water at various steam boiler loads and excess air supplied for combustion. The efficiency of using mechanical and pyromechanical atomization of the oil in the injectors. The values of heat flow from the torch in the furnaces of the boilers when burning fuel oil.
Keywords: burning watered fuel oil, water content in fuel oil, burner, injector, furnace, boiler efficiency, heat of combustion, temperature, excess air, heat flows, modes.
Актуальность проблемы. В котлах тепловых электрических станций в качестве резервного топлива сжигается значительное количество мазута с длительным сроком хранения. Такой мазут имеет, как правило, повышенное содержание влаги в составе мазута. Сжигание мазута с повышенным влагосодержанием характеризуется снижением тепловыделения в топке, хлопками и может сопровождаться отрывом факела от форсунки или его погасанием [1^4].
Поэтому исследование топочных процессов для выявления оптимальных условий проведения процесса сжигания обводненного мазута в котлах является актуальным.
Описание объектов исследования. Сжигание мазута М100 экспериментально исследовалось на паровых барабанных котлах ТГМ-84, ТГМ-84А, ТГМ-84Б, ТГМ-96Б с вихревыми горелками при использовании форсунок с механическими и паромеханическим распыливанием (табл. 1,2).
Таблица 1
Характеристика котлов ТГМ-84, ТГМ-84А, ТГМ-84Б, ТГМ-96Б и месторасположение
Марка котла ТГМ-84 НкТЭЦ-1 ТГМ-84А НкТЭЦ-1, КТЭЦ-3 ТГМ-84Б ТГМ-96Б, НкТЭЦ-1
Номинальная паропроизводительность, г/ч 420 420 420 480
Количество горелок, шт. 18 4 6 4
Количество ярусов горелок, шт. 3 2 2 2
Единичная мощность горелок, МВт 17 75 50 89
Способ распыливания мазута Механический Паромеханический и механический Паромеханический и механический Механический
Для котлов ТГМ-84А и ТГМ-84Б при сжигании мазута применяются форсунки как с механическим, так и с паромеханическим распыливанием. Характеристика сжигаемых мазутов М100 производства ОАО ТАИФ-НК приведена в табл. 3. Данные, приведенные в табл. 3, получены по результатам лабораторных испытаний и анализа состава мазута на Набережно -Челнинской ТЭЦ (НчТЭЦ), Нижне камской ТЭЦ-1 (НкТЭЦ-1), Казанской ТЭЦ-1 (КТЭЦ-1) и Казанской ТЭЦ-3 (КТЭЦ-3). Высокая обводненность мазута М100, равная 3,4...10,4%, связана с условиями хранения и транспортирования железнодорожными цистернами на НчТЭЦ. Содержание влаги в мазуте М100, равное 0,12...1,0%, характерно для мазутов, сжигаемых на НкТЭЦ -1, поставка мазута для которой осуществляется по трубопроводу.
Таблица 2
Технические данные мазутных форсунок применяемых на котлах ТГМ-84, ТГМ-84А, ТГМ-_84Б, ТГМ-96Б_
Марки форсунок Способ распыливания Мощность, МВт Давление мазута, МПа Давление пара, МПа Производительность форсунки, кг/ч
ФУЗ-5000 Паромеханический 50 2 1,2 5100
ГРФМ -1,25 - 85 Механический 50 3 - 4500
ФУЗ-7500 Паромеханический 75 2 1,2 7600
ГРФМ -1,44 - 95 Механический 75 3,5 - 6000
ГРФМ -0,67-85 Механический 17 2 - 1814
ГРФМ -1,67-95 Механический 89 3,5 - 8200
Таблица 3
_Теплотехнические свойства сжигаемых мазутов М100_
Влажность мазута W,% 0,12 1,0 3,4 5,2 6,4 10,4
Теплота сгорания Qнр, кДж/кг 39985 39051 38800 38019 37629 34840
Содержание серы , % 2,90 2,50 2,80 2,55 2,80 2,78
Температура вспышки 1вс , °С 112 130 132 136 138 144
На рис. 1 приведены данные по размещению горелок и направлениям круток по маркам котлов котлов НкТЭЦ -1, НчТЭЦ, КТЭЦ -1, КТЭЦ-3.
1 1 1 ® в в 1 в ® ® 1 1 1 ! ^ ® . в Л
п© @а
Ив4) (вЧ
1 41 ^> <Ь7 1 1 Г"у & У." ]
ТГМ-84, НкТЭЦ-1 ТГМ-84А, НкТЭЦ-1, ТГМ-84Б, НчТЭЦ, ТГМ-96Б, НкТЭЦ-1
КТЭЦ-3 НкТЭЦ-1, КТЭЦ-1
Рис. 1. Схемы размещения горелок и базовые направления круток по исследованным котлам
при сжигании обводненного мазута
Как видно из рис. 1, котел ТГМ-96Б не имеет двухсветного экрана и характеризуется наличием улиточной первоначальной закрутки воздуха, как и котел ТГМ-84А. Нумерация горелок слева - направо, нумерация ярусов расположения горелок снизу - вверх. Отметки расположения ярусов горелок и углов р наклона лопаток тангенциальной крутки приведены в табл. 4.
Таблица 4
Отметки отметок высот ярусов И (в м) расположения горелок и углов р наклона лопаток периферийной тангенциальной крутки по номерам горелок (нумерация горелок слева -__направо и снизу- вверх)__
Марка котла ТГМ-84 ТГМ-84А ТГМ-84Б ТГМ-96Б
№ яруса И,м Р И,м Р И,м Р И,м Р
1-й ярус 6,1 45745745745745745° 8,35 45°/45° 6,6 45°/45°/45°/45° 7,25 65°/55°
2-й ярус 10,2 45745745745745745 12,5 45°/45° 11,2 45°/45° 11,3 65°/60°
3-й ярус 14,3 45°/45°/45°/45°/45°/45 - - - - - -
Эксперименты проводились по методикам, изложенным в работах [1^5]. Измерение тепловых потоков от факела в топках котлов выполнялось с помощью радиометра ТЕРА-50. Температура пристеночного слоя измерялась с помощью сдвоенных хромель-алюмелевых термопар с различным диаметром рабочих спаев. Погрешность определения КПД составляла +3,51%.
Результаты экспериментов и их обсуждение. На рис. 2 приведены изменения теплоты сгорания рнр, температуры воспламенения 1;вс и адиабатической температуры 1;а в зависимости от содержания воды W в сжигаемом мазуте М100.
Как видно из рис. 2, адиабатическая температура горения 1;а при увеличении содержания воды от 0,12 до 10,4% снижается в среднем на 224°С. Значения адиабатической температуры 1;а рассчитаны по рекомендациям [6^10].
На рис. 3 приведены экспериментальные данные по максимальной температуре факела 1ф.м , по температуре уходящих газов 1у.г и по температуре горячего воздуха 1г.в, подаваемого на горение после регенеративного подогревателя при сжигании мазута М100 с различным содержанием воды для котла ТГМ-84Б при нагрузке 420 т/ч.
W,% 10 +-
32000 36000 Онр, кДж/кг
_1_
1800 1950 2100 1а.,°С
Рис. 2. Зависимость теплоты сгорания Qнр, температуры воспламенения 1вс и адиабатической температуры 1а от массового содержания воды W в мазуте М100
1 °С
^г. Б? ^
300
250
200
+ ор
1м.ф? С
1800 1700
1600 -I-
1 °С
1у.г? С
170 140 110
0 5 10 W,%
Рис.3. Максимальная температура факела 1м.ф, температура уходящих газов 1уг и температура горячего воздуха 11г.в, подаваемого на горение, в зависимости от массового содержания воды W в мазуте М100 для котла ТГМ-84Б при нагрузке 420 т/ч
Как видно из рис. 3, наиболее сильно увеличение содержания воды W в мазуте сказывается на снижении максимальной температуре факела 1;м.ф. При высокой температуре факела происходит частичная диссоциация водяного пара на водород и кислород [11; 13]. Повышение содержания водорода вызывает при горении изменение цвета пламени и снижение его температуры. На рис. 4 приведены фотографии пламени в топке при горении сильно обводненного мазута М100 с содержанием воды 10,4% и 1%.
5
0
100 130 160 1 вс,°С
1240 °С
1300 °С
Пламя от мазута с 10,4% воды
Пламя от мазута с 1% воды.
Рис. 4. Фотографии пламени через лючок на отметке уровня 11,2 м у заднего экрана правой стены котла ТГМ-84Б НчТЭЦ для нагрузки 340 т/ч при сжигании мазута М100 с содержанием воды 10,4% и 1% с использованием паромеханических форсунок
Горение мазута с содержанием влаги 10,4%, по сравнению с содержанием 1%, сопровождается снижением температуры факела на 60 °С у заднего экрана котла ТГМ-84Б (см. рис. 4). Факел от горения мазута с содержанием воды 10,4% имеет меньшую излучательную способность по сравнению с факелом при сгорании мазута с содержанием воды 1%. Высокая излучательная способность факела при горении мазута с содержанием воды 1% связана с наличием сажистых частиц, образующихся на промежуточных стадиях горения факела. Сравнительные данные по распределению тепловых потоков от факела по высоте топок котлов приведены на рис. 5.
0 200 400 кВт/м2
Рис. 5. Распределению тепловых потоков от факела qп по высоте h топок котлов при нагрузке
370 т/ч при сжигании мазута М100 с влажностью 1% в механических форсунках
Как видно из рис. 5, на уровне горелок поток теплового излучения от факела четырех горелочного котла ТГМ-96Б в 1,3 раза больше потока в топке котла ТГМ -84, имеющего 18 горелок, расположенных в 3 яруса. На выходе из топки котла ТГМ -96Б значения тепловых потоков также превышают величины qп для котла ТГМ-84 на отметке 22,3 м. Высокие значения тепловых потоков в топке котла объясняются отсутствием двухсветного экрана посредине топки. Подовое размещение горелок [12] при сжигании мазута увеличивает тепловой поток от факела в 1,74 раза по сравнению с фронтальным трехярусным расположением форсунок в котле ТГМ-84.
В табл. 5-7 приведены сравнительные данные по значениям КПД котлов ТГМ-84А и ТГМ-84Б при сжигании мазута с влажностью 3,4%, 0,12% и 10,4% при использовании паромеханических и механических форсунок. Из сравнения табл. 5 и 6 видно, что понижение влажности мазута с 3,4% до 0,12% и применение механических форсунок с давлением 2,8 МПа вместо 2 МПа дает повышение КПД на 0,68% при нагрузке 420 т/ч.
^м
20
10
0
Из сравнения табл. 5 и 7 видно, что применение механических форсунок даже для сжигания мазута с влажностью 10,4% позволяет получить более высокий КПД, по сравнению с паромеханическими форсунками при сжигании мазута с более низким содержанием воды равным 3,4%.
Таблица 5
Показатели процесса сжигания мазута М100 с влажностью 3,4% (по массе) для котла ТГМ-84А КТЭЦ-3 (станционный №2) с использованием паромеханических форсунок ФУЗ-7500
Параметр Паровая нагрузка Дк, т/ч
220 260 300 340 360 420
Давление мазута перед горелками 1 -го яруса, МПа 0,7 0,8 1,1 1,4 1,5 1,9
Давление мазута перед горелками 2-го яруса, МПа 0,8 1,1 1,3 1,4 1,6 2,0
Давление пара на распыл для горелок 1-го яруса, МПа 0,6 0,9 1,2 1,5 1,6 1,6
Давление пара на распыл для горелок 2-го яруса, МПа 0,7 1,0 1,2 1,5 1,6 1,6
Избыток воздуха в режимном сечении ар 1,16 1,15 1,13 1,12 1,11 1,09
КПД котла брутто, % 91,77 92 92,16 92,24 92,32 92,42
Таблица 6
Показатели процесса сжигания мазута М100 с влажностью 0,12% (по массе) для котла ТГМ-84А НкТЭЦ-1 (станционный № 4) с использованием механических форсунок ГРФМ -1,44 - 95
Параметр Паровая нагрузка Дк, т/ч
260 300 360 420
Давление мазута перед горелками 1 -го яруса, МПа 1,0 1,4 1,8 2,3
Давление мазута перед горелками 2-го яруса, МПа 1,1 1,6 2,2 2,8
Избыток воздуха в режимном сечении ар 1,19 1,17 1,14 1,11
КПД котла брутто, % 93,06 93,18 93,22 93,10
Таблица 7
Показатели процесса сжигания мазута М100 с влажностью 10,4% (по массе) для котла ТГМ-84Б НчТЭЦ (станционный №4) с использованием механических форсунок ГРФМ -1,25 - 85
Параметр Паровая нагрузка Дк, т/ч
220* 260* 300 340 380 420
Давление мазута перед горелками 1 -го яруса, МПа 1,7* 2,0* 1,4 2,0 2,4 2,8
Давление мазута перед горелками 2-го яруса, МПа 1,7* 2,0* 1,4 2,0 2,4 2,8
Избыток воздуха в режимном сечении ар 1,16 1,15 1,13 1,12 1,11 1,09
КПД котла брутто, % 91,7 92,08 92,35 92,46 92,61 92,75
*- работа на 4-х горелках.
Как видно из табл. 6 и 7, снижение КПД при увеличении влаги в сжигаемом мазуте с 0,12 % до 10,4 % при использовании механических форсунок составляет 0,35 % для нагрузки 420 т/ч. Эффективность от применения механических форсунок при сжигании обводненного мазута очень высока. Это связано с повышенным давлением мазута в механических форсунках, что позволяет получить более мелкодисперсное дробление капель на выходе из форсунок и снизить потери от химического и механического недожога.
Выводы.
1. Для повышения КПД котлов при сжигании мазута М100 с массовым содержанием воды более 3 % наиболее эффективны форсунки с механическим распыливанием и нагревом воздуха перед горелками свыше 240 °С.
2. Увеличение давления мазута, подаваемого на форсунки 2 -го верхнего яруса по сравнению с 1 -м нижним ярусом, позволяет повысить температуру продуктов сгорания на входе в пароперегреватель и, как следствие, повышает КПД при сжигании обводненного мазута.
Литература
1. Таймаров М.А., Садыков Р.А. Чайковский В.Г. Измерение температур и падающих потоков в топке котла ТГ-104 Сургутской ГРЭС-1 // Вестник машиностроения. 2016, №2 С. 36-38.
2. Трембовля В.И. Теплотехнические испытания котельных установок. М.: Энергия,1977, 297 с.
3. Мурин Г.А. Теплотехнические измерения. М.: Энергоиздат, 1990, 544 с.
4. Таймаров М.А., Ахметова Р.В. Газомазутные горелки: учебное пособие. Казань: Издательство ООО «ИПК «Бриг», 2016. 80 с.
5. Таймаров М.А., Додов И.Р., Степанова Т.О. Сжигание сбросных газов для теплофикации в нефтехимии // Вестник Казанского технологического университета. 2015, т.18, в.24 С. 95-98.
6. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод. СПб.: НПО ЦК ТИ, 1998. 256 с.
7. Померанцев В.В. Основы практической теории горения. Л.: Энергия, 1973. 263 с
8. Кнорре Г.Ф., Палеев И.И. Теория топочных процессов. М.: Энергия, 1966, 476 с.
9. Девисилов В.А., Дроздова Т.И., Тимофеева С.С. Теория горения и взрыва: учебное пособие для вузов. М.: ФОРУМ, 2012. 352 с.
10. Kadota, T; Yamasaki, H Recent advances in the combustion of water fuel emulsion. Progress in energy and combustion science. 2002. No. 5. Том: 28, С. 385-404.
11. Ahrenfeldt J., Thomsen T.P., Henriksen U., Clausen L.R. Biomass gasification cogeneration. A review of state of the art technology and near future perspectives // Applied Thermal Engineering. 2013. №50. P. 1407-1417.
12. Абрютин А.А. Особенности теплообмена в топке мощного мазутного котлоагрегата с подовой компоновкой горелок // Электрические станции. 1981, №9, С. 27-30.
13. Gelderen L., Malmquist L.M.V., Jomaas G. Vaporization order and burning efficiency of crude oils during in-situ burning on water. 2017. P. 558-537.
References
1. Taimarov M.A., Sadykov R.A. Chaikovskii V.G. Izmerenie temperatur i padayushchikh potokov v topke kotla TG-104 Surgutskoi GRES-1. Vestnik mashinostroeniya. 2016, №2 P. 36-38.
2. Trembovlya V.I. Teplotekhnicheskie ispytaniya kotel'nykh ustanovok. M.: Energiya,1977, 297 s.
3. Murin G.A. Teplotekhnicheskie izmereniya. M.: Energoizdat, 1990, 544 p.
4. Taimarov M.A., Akhmetova R.V. Gazomazutnye gorelki: uchebnoe posobie. Kazan': Izdatel'stvo OOO «IPK «Brig», 2016. 80 p.
5. Taimarov M.A., Dodov I.R., Stepanova T.O. Szhiganie sbrosnykh gazov dlya teplofikatsii v neftekhimii // Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta. 2015, t. 18, v. 24. P. 95-98.
6. Teplovoi raschet kotlov. Normativnyi metod. SPb.: NPO TsK TI, 1998. 256 p.
7. Pomerantsev V.V. Osnovy prakticheskoi teorii goreniya. L., Energiya, 1973. 263 p
8. Knorre G.F., Paleev I.I. Teoriya topochnykh protsessov. M., Energiya, 1966, 476 p.
9. Devisilov V.A., Drozdova T.I., Timofeeva S.S. Teoriya goreniya i vzryva: uchebnoe posobie dlya vuzov. M.: FORUM, 2012. 352 p.
10. Kadota, T; Yamasaki, H Recent advances in the combustion of water fuel emulsion. Progress in energy and combustion science. 2002. No. 5. Tom: 28, P. 385-404.
11. Ahrenfeldt J., Thomsen T.P., Henriksen U., Clausen L.R. Biomass gasification cogeneration. A review of state of the art technology and near future perspectives. Applied Thermal Engineering. 2013. №50. P. 1407-1417.
12. Abryutin A. A. Osobennosti teploobmena v topke moshchnogo mazutnogo kotloagregata s podovoi komponovkoi gorelok. Elektricheskie stantsii. 1981, №9, P. 27-30.
13. Gelderen L., Malmquist L.M.V., Jomaas G. Vaporization order and burning efficiency of crude oils during in-situ burning on water. 2017. P. 558-537.
Авторы публикации
Таймаров Михаил Александрович - доктор технических наук, профессор кафедры «Энергетическое машиностроение» Казанского государственного энергетического университета.
Ахметова Римма Валентиновна - старший преподаватель кафедры «Электрические станции» Казанского государственного энергетического университета.
Салтанаева Елена Андреевна - старший преподаватель кафедры «Информатика и информационно-управляющие системы» Казанского государственного энергетического университета.
Сунгатуллин Раис Газимуллович - старший преподаватель кафедры «Энергообеспечение предприятий и энергоресурсосберегающих технологий» Казанского государственного энергетического университета.
Хусаинов Дамир Габдулхакович - ведущий инженер УП ООО ИЦ "Энергопрогресс". Authors of the publication
Mikhail A. Taymarov - Doc. ScI. (tech.), professor, Department "Energy engineering", Kazan State Power Engineering University.
Rimma V. Akhmetova - senior lecturer, Department of Electric Stations, Kazan State Power Engineering University.
Elena A. Saltanaeva - senior lecturer, Department of Informatics and control systems, Kazan State Power Engineering University.
Rais G. Sungatullin - senior lecturer, Power Supply companies and energy-saving technologies, Kazan State Power Engineering University.
Damir G. Khusainov - senior engineer, Engineering Center "Energoprogress".
Дата поступления 04.02.2017.
