ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ВЕЛИЧИНЫ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА КОНВЕКТИВНЫХ ЭКРАНОВ ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ в ТЭС ИЖЕВСКОГО ЗАВОДА Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© «Вестник ИГЭУ» Вып. 1. 2005 г. УДК 621.311.22

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ВЕЛИЧИНЫ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА КОНВЕКТИВНЫХ ЭКРАНОВ ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ в ТЭС ИЖЕВСКОГО ЗАВОДА

МОШКАРИН А.В., д-р техн. наук, ШЕЛЫГИН Б.Л., канд. техн. наук, Ивановский государственный энергетический университет; ЗАЙЧИКОВ В.Н., инж., Ижевский котельный завод

Для повышения эффективности использования теплоты уходящих газов предложено в конвективных газоходах водогрейных котлов дополнительно размещать промежуточные экраны. Определена оптимальная величина поверхности нагрева конвективных экранов. Установлены зависимости изменения показателей работы котлов по сравнению с базовым вариантом.

Предприятие «Ижевский котельный завод» производит водогрейные котлы, работающие без накипе-образования на низкокачественной воде, не требуя специальной дорогостоящей водоподготовки.

Радиационные и конвективные поверхности нагрева всех модификаций котлов теплопроизводитель-ностью 0,3+1,74 МВт представляют собой экраны, выполненные из труб диаметром 0 159x4,5 мм (рис. 1). В каждой секции трубы размещены с шагом 200 мм, и для отдельных экранов промежутки между трубами закрыты стальными полосами шириной 60 мм.

Характер потока воды внутри каждой трубы -спиралеобразный. Движение воды в пределах каждого экрана - последовательное (от трубы к трубе) [1].

Отличительной особенностью конструкций данных котлов при одном промежуточном экране в конвективном газоходе является неудовлетворительное теп-ловосприятие конвективных поверхностей нагрева ввиду:

• низких скоростей газов (2,9+3,3 м/с);

• большого диаметра труб;

• коридорной компоновки труб в газоходе.

При низких значениях конвективных поверхностей нагрева температуры уходящих газов за котлом, в зависимости от вида сжигаемого топлива, составляют V = 200+300 °С, а КПД котла брутто находится в пределах Пк = 75+88 %, что на 4+6 % ниже нормальных значений (85+92) % [2].

Поэтому целесообразно установить оптимальное значение площадей конвективных поверхностей нагрева, соответствующее максимальной экономичности водогрейных котлов при минимальных капиталовложениях и топливных затратах на эксплуатацию энергоустановки.

В этих целях выполнено расчетное исследование условий работы водогрейных котлов марок КВа-1,74 ГМ и КВр-1,16 К, соответственно сжигающих природный газ и уголь, при изменении значений конвективных поверхностей нагрева. Для этого в используемой универсальной расчетной модели котлов ИКЗ [3] изменение значений конвективных поверхностей нагрева достигалось за счет размещения в газоходах котлов дополнительного количества промежуточных экранов 3 (рис. 1).

В расчетном анализе исходные конструктивные характеристики промежуточных экранов применительно к четырем вариантам исследования представлены в табл. 1. Для модификаций котлов марок КВа-1,74 ГМ и КВр-1,16 К с максимальной теплопроизводительностью соответственно 1,74 и 1,16 МВт изменялось количество промежуточных экранов от одного (существующий вариант) до четырех.

Исследование проводилось с использованием технических характеристик природного газа и каменного угля соответственно с теплотой сгорания 31,0 МДж/м3 и 21,6 МДж/кг [4].

Рис. 1. Размещение поверхностей нагрева в котле КВа-1,74 ГМ: 1,2 - потолочный и задний экраны топочной камеры; 3 - промежуточный экран конвективного газохода; 4 - задний экран конвективного газохода

Результаты вариантных тепловых расчетов водогрейных котлов при максимальном значении относительной теплопроизводительности О / Оном = 1,0 и температуре наружного воздуха ^нар = - 40 °С представлены в табл. 2. При этом за счет присосов холодного воздуха коэффициент избытка воздуха в уходящих газах составляет аух = 1,15+1,45.

В случаях предельных тепловых нагрузок с увеличением числа промежуточных экранов (п) температура уходящих газов заметно снижается (рис. 2), достигая нормальных значений (130+210 °С) для вариантов 3 и 4. Увеличение числа экранов до четырех снижает температуру уходящих газов для котла КВа-1,74 ГМ на 76 °С, а для котла КВр-1,16 К - соответственно на 111 °С согласно зависимостям, °С:

• для котла КВа-1,74 ГМ

А9ух = 43,3 (п - 1)0,65;

• для котла КВр-1,16 К

А9ух = 60,3 (п - 1)0,61.

При переходе от первого к четвертому варианту значения потери теплоты с уходящими газами в зависимости от вида топлива снижаются до 7,3+10,4 % (табл. 2). В результате этого в зависимости от числа экранов, температур наружного воздуха ^ар и марки котла КПД брутто возрастает согласно зависимостям, % (рис. 3):

• для котла КВа-1,74 ГМ

Пк = 86,5 + 0,0361 (^ар + 40) + 2,33 (п - 1)0,49;

• для котла КВр-1,16 К

Пк = 75,12 + 0,0401 (ир + 40) + 3,6 (п - 1)0,53.

Таблица 1. Конструктивные характеристики промежуточных экранов, размещаемых в конвективных газоходах водогрейных котлов

Наименование характеристик Котел КВа-1,74 ГМ Котел КВр-1,16 К

Варианты Варианты

1 2 3 4 1 2 3 4

Количество промежуточных экранов в газоходе 1 2 3 4 1 2 3 4

Площадь поверхности нагрева экранов, м2 11,14 22,28 33,42 44,56 9,96 19,92 29,88 39,84

Ширина газохода, м 2,1 2,1

Высота газохода, м 2,3 2,1

Глубина газохода,м 0,325 0,65 0,975 1,3 0,325 0,65 0,975 1,3

Наружная поверхность обмуровки газохода, м2 2,86 5,72 8,58 11,44 2,73 5,46 8,19 10,92

Таблица 2. Результаты вариантных тепловых расчетов водогрейных котлов при максимальном значении относительной тепловой нагрузки О / Он = 1,0 и температуре наружного воздуха ^ = - 40 °С

Наименование характеристик Котел КВа-1,74 ГМ Котел КВр-1,16 К

Варианты Варианты

1 2 3 4 1 2 3 4

Расход воды через котел, т/ч 60 40

Теплота сгорания топлива, МДж/м3 (МДж/кг) 31,0 21,6

Температура воды на входе в котел Г, °С 70 70

Теплопроизводительность котла, МВт 1,74 1,16

Температура уходящих газов &ух, °С 210 170 142 125 306 253 214 185

Потеря теплоты от наружного охлаждения котла q5, % 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

Потеря теплоты с уходящими газами q2, % 11,4 9,5 8,19 7,3 18,36 15,44 13,3 10,4

КПД котла (брутто) г|к, % 86,5 88,4 89,71 90,6 75,12 78,04 80,18 81,5

Расход топлива, м3/с (кг/с) 0,0639 0,0625 0,0614 0,0608 0,07 0,0675 0,0656 0,0650

320

число промежуточных экранов

Рис. 2. Изменение температуры уходящих газов в зависимости от количества промежуточных экранов и марки котла: ---КВа-1,74 ГМ;- КВр-1,16 К

Пк, %

12 3 4

число промежуточных экранов

Рис. 3. Изменение КПД котла в зависимости от количества промежуточных экранов и температуры наружного воздуха: 1 - ^ = + 20 °С; 2 - ^ = - 10 °С; 3 - ^ = - 40 °С ---КВа-1,74 ГМ;- КВр-1,16 К

Если количество промежуточных экранов увеличить от 1 до 4, то с повышением температуры наружного воздуха ^ар от - 40° до + 20 °С КПД котла Пк при сжигании твердого топлива возрастает на 5,9^8,5 %, а при сжигании газового топлива -соответственно на 5^6,5 %.

Таким образом, при переходе от первого варианта к четвертому наблюдается повышение эффективности использования располагаемой теплоты топлива при соответствующей его экономии. Уменьшение расхода сжигаемого топлива с увеличением количества размещаемых экранов (рис. 4) в зависимости от марки котла может достигнуть 4,8^7,1 % от номинального значения в существующем варианте при п = 1.

2 3

число промежуточных экранов

Рис. 4. Изменение расхода топлива в зависимости от количества промежуточных экранов: ---КВа-1,74 ГМ;- КВр-1,16 К

Экономия топлива в зависимости от числа п повышается до 0,0031 м3/с (природный газ) и 0,005 кг/с (каменный уголь) согласно уравнениям:

• для котла КВа-1,74 ГМ

АВг = 0,0017 (п - 1)0,49;

• для котла КВр-1,16 К

АВу = 0,0029 (п - 1)0,53.

Однако утилизация теплоты уходящих газов при соответствующей экономии топлива сопровождается существенным повышением значения конвективной поверхности нагрева, возрастающей по исходным вариантом (п = 1) на что может заметно увеличить металлоемкость котлов.

Оптимальное количество промежуточных экранов в конвективных газоходах котлов при неизменной теплопроизводительности энергоустановки

сравнению с 30^33 м2 (табл. 1

270

220

170

Вг, м /с

В,,, кг/с

120

0,0675

0,0625

Пк, %

94

90

86

85

80

75

может быть определено технико-экономическими расчетами на основании метода годовых затрат.

Известно, что обоснование и выбор предпочтительных решений базируются на двух основных показателях: капитальных вложениях (К) для создания объекта производства и издержках производства тепловой энергии (И) [5]. При этом величина К рассматривается как единовременные, однократные затраты, а И - как ежегодные расходы.

Тогда годовые затраты оцениваются выражением, руб.,

З = Р • К + И, где Р - норма дисконта.

В рассматриваемом анализе под величиной К понимаются общие капиталовложения в дополнительные поверхности нагрева с учетом соответствующей обмуровки котла. Издержки производства тепловой энергии (И) определяются топливными расходами и расходами на ремонт.

Норма амортизации при продолжительности реализации отдельного варианта объекта (т = 15 лет) оценивалась по формуле

\ 0,15

На =

(1 + \)т -1 (1 + 0,15)15 -1 где \ = 15 % - ставка процента (стоимость денег).

С учетом налога на имущество (2 %) норма дисконта

Р = 0,15 + 0,021 + 0,02 = 0,191.

По данным ИКЗ относительная стоимость поверхности экрана Цпов = 5000 руб/м2, а минимальные значения цен топлив Цт (в 2004 г.) для природного газа и угля соответственно приняты на уровне 1,1 руб/м3 и 1,2 руб/кг.

Сравнительный анализ выполнен как применительно к ценам 2004 г., так и на перспективу (2007 г.). При этом с учетом ожидаемой инфляции (принято 25 %) новые значения отмеченных характеристик увеличены в 1,75 раза и приняты равными: Цпов' = 8750 руб/м2, Цт' = 1,93 руб/м3 и Цт' = 2,1 руб/кг.

Расчетные исследования проводились при двух значениях числа часов использования максимума тепловой нагрузки котлов тмакс (3000 и 4000 ч). При этом в зависимости от повышения поверхности нагрева промежуточных экранов (АН) определялось изменение расчетных характеристик по сравнению с базовым (исходным) вариантом, когда п = 1.

Если изменение значения капитальных вложений в котел составляет, руб., АК = Цпов АН,

тогда изменение постоянной части годовых расходов, руб.,

АИпост = 0,191 АК.

Изменение годовых расходов на топливо оценивалось по формуле, руб.,

АИт = 3600 т макс Цт АВ, где АВ - изменение расхода топлива при максимальной тепловой нагрузке котла (О / Оном = 1,0) и температуре наружного воздуха ^ар = - 40 °С, м3/с или кг/с (табл. 2).

Изменение годовых расходов на ремонт оценивалось по формуле, руб., 1

АИр = 1,1 — АК = 0,073 АК. т

Изменение общих эксплуатационных расходов, включая расход на топливо и ремонт, составляет, руб.,

АИоб = АИт + АИр.

= 0,021,

С учетом изменения постоянной части годовых расходов (АИпост) изменение годовых затрат составляет, руб.,

АЗ = АИ пост + АИоб.

Исходные данные и результаты проведенного технико-экономического анализа при изменении расчетных характеристик по сравнению с базовым вариантом (п = 1), представлены в табл. 3+6 и на рис. 5 и 6.

Выбор наиболее предпочтительного варианта и определение оптимального количества промежуточных экранов осуществлялись по максимальному изменению годовых затрат (АЗ) по отношению к базовому варианту (п = 1).

Для котла КВа-1,74 независимо от уровня цен при минимальном значении тмакс = 3000 ч оптимальным является второй вариант, когда в газоходе, в дополнение к существующему, целесообразна установка еще одного промежуточного экрана.

В этом случае при снижении температуры уходящих газов до 9ух = 170 °С (рис. 2) КПД котла возрастает на 1,9 %, достигая, в зависимости от температуры наружного воздуха значений Пк = 88,4+90,6 % (рис. 3). Расход природного газа снижается на 0,0014 м3/с, (соответственно).

При дальнейшем повышении количества экранов (п = 3 и 4), несмотря на повышение экономической эффективности котла, из-за повышенной металлоемкости суммарные годовые расходы существенно возрастают, превышая издержки базового варианта на 7+14 тыс. руб/год (рис. 5).

С увеличением числа часов работы котла на максимальной нагрузке до тмакс = 4000 ч заметно (на 33 %) возрастает изменение топливных затрат АИт (табл. 3 и 4). Тогда, независимо от цен топлива, необходима дополнительная утилизация теплоты уходящих газов с установкой трех промежуточных экранов (рис. 1). Это позволит при снижении температуры уходящих газов до 9ух = 140 °С повысить КПД котла до Пк = 89,6+91,9 % и, как следствие, сократить топливную составляющую затрат, экономя 9+16 тыс. руб/год.

Для котла КВр-1,16 К, независимо от стоимости топлива и числа часов использования максимума тепловой нагрузки котла тмакс, самым оптимальным следует признать вариант с тремя промежуточными экранами (рис. 6). Это обусловлено не только повышенной ценой твердого топлива (при пониженной теплоте сгорания угля, по сравнению с природным газом), но и высокой температурой уходящих газов в базовом варианте (300+305 °С), что в большей мере требует дополнительных конвективных поверхностей нагрева.

Если количество промежуточных экранов увеличится до п = 3, то при снижении температуры уходящих газов на 90+95 °С (рис. 2) и повышении КПД котла до п = 80,3+82.5 % (рис. 3) ожидается минимальное значение суммарных годовых затрат.

Дальнейшее повышение количества экранов до четырех неперспективно, т.к. возможная экономия топливных затрат компенсируется затратами на капиталовложения и ремонт.

По результатам исследования (рис. 5 и 6) установлена обобщающая зависимость, позволяющая в случаях размещения в газоходах оптимального количества промежуточных экранов прогнозировать экономическую эффективность котлов при изменении цены топлива (по сравнению с существующей) и

числа часов использования максимальной тепловой АЗ = А Кц Кт ,

нагрузки котла Тмакс. где А - величина минимальной экономии затрат для

Экономия годовых затрат, по сравнению с оптимального варианта, руб • 10-3 руб. базовым вариантом, руб • 10-3,

Таблица 3. Результаты вариантных расчетов для котла КВа-1,74 ГМ и цены топлива в 2004 г.

Наименование характеристик Варианты

1 2 3 4

Изменение величины конвективной поверхности нагрева АН, м2 - 11,14 22,28 33,42

Изменение значения капиталовложений в котел АК, руб • 10-3 - 55,7 113,4 167,1

Изменение постоянной части эксплуатационных расходов АИ„ост, руб • 10-3 - 10,64 21,7 31,91

Изменение расходов на ремонт АИр, руб • 10-3 - 4,07 8,28 12,2

Изменение расхода топлива АВ, м3 • 103/с - - 1,4 - 2,5 - 3,05

Число часов использования максимума тепловой нагрузки котла т„акс, ч 3000

Изменение топливных расходов АИт, руб • 10-3 - - 16,5 - 29,6 - 36,18

Изменение годовых затрат АЗ, руб • 10-3 - - 1,79 + 0,38 + 7,93

Число часов использования максимума тепловой нагрузки котла т„акс, ч 4000

Изменение топливных расходов АИт, руб • 10-3 - - 22,0 - 39,5 - 48,23

Изменение годовых затрат АЗ, руб • 10-3 - - 7,28 - 9,48 - 4,0

Таблица 4. Результаты вариантных расчетов для котла КВа-1,74 ГМ и цены топлива, ожидаемой в 2007 г.

Наименование характеристик Варианты

1 2 3 4

Изменение величины конвективной поверхности нагрева АН, м2 - 11,14 22,28 33,42

Изменение значения капиталовложений в котел АК, руб • 10-3 - 97,5 198,5 292,4

Изменение постоянной части эксплуатационных расходов АИпост, руб • 10-3 - 18,61 37,9 55,86

Изменение расходов на ремонт АИр, руб • 10-3 - 7,11 14,49 21,35

Изменение расхода топлива АВ, м3 • 103/с - - 1,4 - 2,5 - 3,05

Число часов использования максимума тепловой нагрузки котла т„акс, ч 3000

Изменение топливных расходов АИт, руб • 10-3 - - 28,9 - 51,8 - 63,31

Изменение годовых затрат АЗ, руб • 10-3 - - 3,18 + 0,59 + 13,9

Число часов использования максимума тепловой нагрузки котла т„акс, ч 4000

Изменение топливных расходов АИт, руб • 10-3 - - 38,83 - 69,05 - 84,39

Изменение годовых затрат АЗ, руб • 10-3 - - 12,75 - 16,7 - 7,18

Таблица 5. Результаты вариантных расчетов для котла КВр-1,16 К и цены топлива в 2004 г.

Наименование характеристик Варианты

1 2 3 4

Изменение величины конвективной поверхности нагрева АН, м2 - 9,96 19,92 29,88

Изменение значения капиталовложений в котел АК, руб • 10-3 - 49,8 99,6 149,3

Изменение постоянной части эксплуатационных расходов АИпост, руб • 10-3 - 9,51 19,01 28,51

Изменение расходов на ремонт АИр, руб • 10-3 - 3,64 7,27 10,9

Изменение расхода топлива АВ, м3 • 103/с - - 2,5 - 4,4 - 5,28

Число часов использования максимума тепловой нагрузки котла т„акс, ч 3000

Изменение топливных расходов АИт, руб • 10-3 - - 32,4 - 57,61 - 68,42

Изменение годовых затрат АЗ, руб • 10-3 - - 19,25 - 31,33 - 29,01

Число часов использования максимума тепловой нагрузки котла т„акс, ч 4000

Изменение топливных расходов АИт, руб • 10-3 - - 41,2 - 76,81 - 91,2

Изменение годовых затрат АЗ, руб • 10-3 - - 28,0 - 50,5 - 51,79

Таблица 6. Результаты вариантных расчетов для котла КВр-1,16 К и цены топлива, ожидаемой в 2007 г.

Наименование характеристик Варианты

1 2 3 4

Изменение величины конвективной поверхности нагрева АН, м2 - 9,96 19,92 29,88

Изменение значения капиталовложений в котел АК, руб • 10-3 - 87,15 174,3 261,3

Изменение постоянной части эксплуатационных расходов АИпост, руб • 10-3 - 16,65 33,3 49,9

Изменение расходов на ремонт АИр, руб • 10-3 - 6,37 12,71 19,1

Изменение расхода топлива АВ, м3 • 103/с - - 2,5 - 4,4 - 5,28

Число часов использования максимума тепловой нагрузки котла т„акс, ч 3000

Изменение топливных расходов АИт, руб • 10-3 - - 56,7 - 100,8 - 119,7

Изменение годовых затрат АЗ, руб • 10-3 - - 33,7 - 54,8 - 50,7

Число часов использования максимума тепловой нагрузки котла т„акс, ч 4000

Изменение топливных расходов АИт, руб • 10-3 - - 75,6 - 134,4 - 159,6

Изменение годовых затрат АЗ, руб • 10-3 - - 52,6 - 88,4 - 90,56

Таблица 7. Значения постоянных коэффициентов для оценки экономической эффективности котлов по сравнению с базовым вариантом

Наименование характеристик Котел КВа-1,74 ГМ Котел КВр-1,16 К

Оптимальное количество промежуточных экранов 2 3 3

Величина минимальной экономии затрат А, руб • 10-3 1,79 0,28 31,33

Константа кратности изменения цены топлива 1. 0,91 0,91 0,833

Константа кратности изменения числа часов использования 0,003 0,031 0,00061

максимальной нагрузки котлов М

Кратность повышения цены топлива, по сравнению с уровнем цен 2004 г.:

• для котла КВа-1,74 ГМ

Кц = 1 + 1_ (Цт - 1,1);

• для котла КВр-1,16 К

Кц = 1 + 1_ (Цт - 1,2).

Кратность повышения числа часов использования максимальной нагрузки котла по сравнению с Тмакс = 3000 ч:

Кт = 1 + М (Тмакс - 3000).

Значения констант А, 1_ и М в зависимости от марки котла и оптимального количества промежуточных экранов представлены в табл. 7.

ДЗ, руб-15

/ / / / / /

/ / / у / / / / / / / /

1 / / / / / / / / / / / / //

\ '—'--J Ч \ чч \ \ \ \ ' \ \

\ ч \ \ \ N Ч 1 ч ч ч ч / У / / / / ----- /

ч \ ч ч ч > 2 / / / / / / /

2 3

число промежуточных экранов

Рис. 5. Изменение годовых затрат для котла КВа-1,74 ГМ в зависимости от количества промежуточных экранов и цены топлива: 1 - Тмакс = 3000 ч; 2 - тмакс = 4000 ч; --- Цт = 1,1 руб/м3;---- Цт' = 1,81 руб/м3

ВЫВОДЫ

1. Для повышения тепловой эффективности котлов ИКЗ марок КВа-1,74ГМ и КВр-1,16К предложено увеличить число промежуточных экранов конвективных поверхностей нагрева соответственно до двух и трех.

2. По результатам серии вариантных тепловых расчетов котлов установлены изменения значений температур уходящих газов, КПД котлов и расходов топлива и получены обобщающие математические зависимости.

3. На основании технико-экономических расчетов определены оптимальные компоновки котлов КВа-1,74ГМ и КВр-1,16К, в зависимости от интенсивности загрузки энергоустановок и перспективного повышения цен на топливо.

Список литературы

1. Патент 2228805 РФ. Способ очистки внутренней поверхности трубных полостей / Р.И. Рогачев; Бюл. № 14, 2004.

2. Котлы малой и средней мощности и топочные устройства: Отраслевой каталог 15-83 / НИИЭИНФОРМ-ЭНЕРГОМАШ. - М., 1983.

3. Тепловой поверочный расчет котлов на ЭВМ ЕС: Метод. указ. / ИЭИ; Сост. В.Л. Гудзюк, А.С. Ривкин, Б.Л. Шелыгин. - Иваново, 1989. - 36 с.

4. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) / Под ред. Н.В. Кузнецова, В.В. Митора, И.Е. Дубовского, Э.С. Карасиной. - М.: Энергия, 1973.

5. Мисриханов М.Ш., Мозгалев К.В., Неклепаев Б.Н., Шунтов А.В. О технико-экономическом сравнении вариантов электроустановок при проектировании // Электрические станции. - 2004. - № 2. - С. 2-8.

ДЗ, руб-0

2 3

число промежуточных экранов

Рис. 6. Изменение годовых затрат для котла КВр-1,16 К в зависимости от количества промежуточных экранов и цены топлива: 1 - Тмакс = 3000 ч; 2 - тмакс = 4000 ч; --- Цт = 1,2 руб/кг;---- Цт' = 2,1 руб/кг

10

10

5

0

4

10