Оптимизация котлов ТЭС с кольцевой топкой Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.311

ОПТИМИЗАЦИЯ КОТЛОВ ТЭС С КОЛЬЦЕВОЙ ТОПКОЙ

Н.Г. ЗЫКОВА*, Ф.А. СЕРАНТ*, Г.В. НОЗДРЕНКО**, П.А. ЩИННИКОВ**

*ЗАО «СибКОТЭС»

**Новосибирский государственный технический университет

В статье рассмотрены методика и некоторые результаты схемнопараметрической оптимизации котлов ТЭС с кольцевой топкой

Для обеспечения высокой надежности и экономичности современного котлоагрегата принимаются умеренные теплонапряжения и сравнительно низкие температуры газов в топочной камере, что при существующих традиционных конструкциях топок приводит к большим размерам всего котла. Поиск новых технических решений по снижению габаритов котлов ТЭС высокой надежности, экономичности и экологичности привел к разработке и внедрению принципиально новой конструкции котла с кольцевой топкой [1, 2].

Кольцевая топка представляет дальнейшее развитие тангенциальных топок, отличительной особенностью которых является вихревой характер течения газов. Продукты сгорания топлива в такой топке движутся узким спирально-вихревым потоком в пристенной области топки, а в центральной (приосевой) области по всей высоте топки отсутствует активное движение факела. Поперечный размер - диаметр этой малоактивной области - достигает 40...50 % сечения топки, что позволяет эффективно использовать ее для размещения надежно работающих дополнительных, в виде осесимметричной вставки, поверхностей нагрева. При таком решении вращающийся факел оказывается зажатым в кольцевом пространстве между внутренними и наружными экранами, в результате чего условия смешения, выгорания и теплообмена в таком топочном объеме становятся существенно отличными от обычных топок. Применение кольцевых топок позволяет снизить их высоту на 30...40 % и сократить металлоемкость и стоимость котла (и ТЭС соответственно).

Проведен комплекс исследовательских и проектно-конструкторских работ [1, 2], позволивших изучить основные особенности топочного процесса в кольцевых топках и разработать рекомендации по расчету и проектированию опытно-промышленного котла с кольцевой топкой.

Топочная камера представляет собой многогранную призму. При восьмигранном сечении аэродинамика топки близка к течению в цилиндрической кольцевой топке. Стены внутренней и наружной камер выполняются из цельносварных газоплотных панелей. В нижней части топки экраны наружной камеры отгибаются внутрь и образуют многоскатную холодную воронку. В верхней части топки к боковым стенам наружной камеры примыкают горизонтальные конвективные газоходы. Вертикально-щелевые регулируемые прямоточные горелочные устройства устанавливаются на каждой стене топки в один или несколько ярусов. Расположение экранов центральной вставки

© Н.Г. Зыкова, Ф.А. Серант, Г.В. Ноздренко, П.А. Щинников Проблемы энергетики, 2004, № 9-10

параллельно наружным экранам, а расположение пароперегревателя, экономайзера и воздухоподогревателя принимается таким же, как и для обычных котлов.

Рис. 1. Принципиальная структурно-функциональная схема энергоблока с кольцевым котлом: 0, 1, 2...6 - функционирующие части; N Ет - потребители электроэнергии и теплоэксергии;

X - множители Лагранжа; Ец - потоки эксергии

Компоновка основного и вспомогательного оборудования аналогична типовой компоновке.

Разработанные рекомендации и принятые схемно-параметрические решения [1,2] относятся к котлам с кольцевой топкой в составе энергоблоков стандартных параметров с турбинами Т-175/210, К-500 и К-800. Вместе с тем, в настоящее время актуально проведение системных исследований и схемнопараметрической оптимизации таких котлов в составе теплофикационных и конденсационных энергоблоков ТЭС различных мощностей и с оптимальными параметрами. В энергоблоке осуществляются непрерывные взаимосвязанные процессы преобразования, передачи и перераспределения различных видов энергии, изменения параметров состояния, расходов рабочих тел и теплоносителей. Всякое изменение конструктивного, компоновочного параметра или характеристики котла в составе энергоблока в той или иной степени влияет на параметры, характеристики и показатели всего энергоблока. Кроме этого, энергоблок в общем случае является элементом топливно-энергетического комплекса, экологической и социально-промышленной инфраструктур, электроэнергетической системы и системы теплоснабжения. Поэтому при схемнопараметрической оптимизации котла должно быть учтено влияние не только внутренних (собственно энергоблока), но и внешних связей и факторов.

Такие подходы разработаны в [3]. Котел с кольцевой топкой и соответствующими техническими системами и вспомогательным оборудованием представлен как функционирующая часть энергоблока ТЭС (рис.1). На этом

рисунке показаны потоки эксергии Еу, которым ставятся в соответствие

затраты, включающие в себя не только затраты в собственно функционирующие части, но и переносимые с подводимой эксергией Е 01, Е 21, Е 41, Е 51. Эксергия Е12, Е13 с соответствующими затратами З1 «продается» котельной частью, а эксергия Е^1 = {Е01; Е21; Е41; Е51}, со своими затратами З£1, «покупается».

Связи между потоками эксергии в энергоблоке описываются функцией Лагранжа (функцией цен [3]):

Ь = 2 З; (Е1 )+£Х; [- Е1 + 2 Еу (Е], п у )], (1)

; ;

где Е; - эксергетические производительности функционирующих частей

энергоблока; п; - эксергетические КПД; X ; - множители Лагранжа; ;, у -характеризуют связи между частями.

Удельные затраты (на единицу эксергетической производительности

котельной функционирующей части) X £ находятся из условия

дЬ

дЕ;

= 0:

Х К =П-2

(

0,123Цт 10-3 + Е,

01

( дЗ ;

2 [Цт+2 Ш^'П *;> п-1

V ; V ;) ; V ;)

(2)

где параметр Еу = пуЕУ / Еу ; ЦТ - цена условного топлива (франко-бункер ТЭС); З; - затраты в создание и функционирование ;-ой функционирующей

части, а 2 дИ. п; П Е;у п -1 отражает связи котельной части с остальными ; \дЕ; )

функционирующими частями энергоблока.

Затраты З; учитывают функциональные и системные факторы (возможные режимы работы, связь с энергосистемой и системой теплоснабжения, графики нагрузки, резервирование, надежность энергоснабжения, экологическую, социальную и производственные инфраструктуры, приведение вариантов к сопоставимому виду, топливную составляющую, отчисления от капиталовложений: амортизационных, на капитальный и текущий ремонт, на демонтаж при окончании срока жизни).

Зависимости между параметрами и многочисленными технологическими характеристиками котла с кольцевой топкой определяются совместными расчетами: тепловым, гидравлическим, аэродинамическим и прочностным. Вместе с тем, все характеристики процессов и конструкций котла можно представить (определить явно или итерационно) в зависимости от одной и той же

С

совокупности основных параметров связей (множество X ) и конструктивно-

К

компоновочных параметров (множество X ), наиболее влиятельных при схемнопараметрической оптимизации.

СК

Параметры X и X могут изменяться лишь в пределах физически возможных и технологически осуществимых значений. Ограничения на

технологичность изготовления и эксплуатационную надежность представлены в виде независимых (xk) и зависимых (yk) переменных и накладываются на компоновочные параметры (шаги и число рядов труб, пакетов), средние скорости потоков энергоносителей, температуры энергоносителей и стенки, толщины стенки труб. Эти ограничения имеют вид:

* ** K

xk ^ xk ^ xk Vxk е X ;

* ** K

yk ^ yk ^ yk Vyk е X .

Капиталовложения в котел включают расходы на создание, монтаж, доставку оборудования на место строительства, техническое освоение, а так же дополнительные пропорционально отнесенные затраты на главный корпус, подготовку территории, возведение временных зданий и сооружений, проектноизыскательские работы, объекты подсобного назначения.

Kk =Цт[ц qm Л. qmGqm (xK , XS )]. (4)

q m

Здесь Цqm - стоимость q-й поверхности нагрева из m-й котельной стали;

Лqm - коэффициент увеличения расхода m-й стали из-за потерь при изготовлении,

транспорте и монтаже q-й поверхности нагрева; у- коэффициент, учитывающий пропорционально отнесенные дополнительные затраты.

K

Задача состоит в том, чтобы найти дискретные значения X из нескольких вариантов, проверить их техническую выполнимость, экономически

S

оценить каждый из вариантов котла и, сравнивая между собой (при X = idem), выбрать наилучший.

В качестве примера в табл. 1 представлены некоторые результаты оптимизации основных (независимых х и зависимых y) конструктивнокомпоновочных параметров XK =(xi... x 32; yi...y 20 ), главным образом определяющих капиталовложения в котел с кольцевой топкой паропроизводительностью 820 т/ч в составе стандартного теплофикационного энергоблока Т-175 при следующих технико-экономических показателях:

П1 = 0,624; та = 6000 ч/год; ЦТ = 19 $/т.у.т. и параметрах XS = (x1 ...x4):

температуре пара - 560 °С; температуре питательной воды - 230 °С; давлении пара - 140 бар, коэффициенте теплофикации - 0,5 (для нормативного температурного графика). Удельные стоимости в (4) поверхностей нагрева из сталей 12ХМФ, Х18Н12Т приняты 3,8 $/кг, сталь 20 - 2,5 $/кг; уЛqm = 5,94.

Топливо - Ирша-бородинский уголь. Диаметры внутренней и наружной камер кольцевой топки котла - 9,97 и 18,54 м соответственно.

Разработанные расчетные схемы газовоздушного и пароводяного трактов котла представлены на рис.2, 3.

Рис.2. Схема газовоздушного тракта котла с кольцевой топкой: Т - топка; Ш - ширмовый пароперегреватель; КПП1, 3, 4 - конвективный пароперегреватель первой, третьей и четвертой ступени соответственно; Ф - фестон; ПК - поворотная камера; ЭКО1, 2, 3, 4 - экономайзер первой, второй, третьей и четвертой ступени соответственно; ТВПо, ТВПН - трубчатый воздухоподогреватель (основной и «нижний» соответственно); РЕЦ 1, 2, 3, В - первая, вторая,

третья рециркуляция газов и воздуха соответственно; КЛ - калорифер

Рис.3. Схема пароводяного тракта котла с кольцевой топкой:

ЭКО 1, 2, 3, 4 - экономайзер первой, второй, третьей и четвертой ступени соответственно;

Б - барабан; Э - экранные поверхности нагрева; ПР - продувка; ПТРАд, ПТкон - потолочный пароперегреватель (радиационный и конвективный); ПКд - дополнительные поверхности нагрева поворотной камеры; Ф - фестон; СК - поверхности нагревов скатов поворотной камеры; ППРАд - радиационный пароперегреватель; КПП1, 3, 4 - конвективный пароперегреватель первой, третьей и четвертой ступени соответственно; Шср, Шкр - средние и крайние поверхности ширм соответственно; ВПР1, 2, 3 - впрыски

Как видно из этих данных, оптимизация параметров Х позволяет уменьшить капиталовложения в котел почти на 24 % по сравнению с исходным (заводским) вариантом (установленным на Новоиркутской ТЭЦ).

Выводы

1. Разработана методика схемно-параметрической оптимизации котлов с кольцевой топкой в составе ТЭС. Методика реализована в виде программновычислительного комплекса иерархической структуры.

2. Показано, что оптимизация конструктивно-компоновочных параметров котла позволяет уменьшить капиталовложения в него на 24% по сравнению с исходным (заводским) вариантом.

Summary

In article are considered strategy and some results of calculations of steam boiler of Thermal Power Station with recirculating firebox.

Литература

1. Серант Ф.А. и др. Кольцевые топки пылеугольных котлов. - Алма-Ата: Наука, 1988. - 168 с.

2. Серант Ф.А. Разработка и исследование кольцевой топки, ее промышленное внедрение и испытания на котле паропроизводительностью 820 т/ч: Дис. докт. техн. наук. - Новосибирск, 1999. - 58 с.

3. Томилов В.Г., Щинников П.А., Ноздренко Г.В. и др. Обоснование направлений развития пылеугольных ТЭЦ с новыми ресурсосберегающими технологиями. - Новосибирск: Наука, 2000. - 152 с.

Поступила 13.06.2003