Расчет теплообмена в топке котлоагрегата при условии сброса в нее отработавших газов газотурбинного двигателя Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

3. Смольянинов, В. С. Пути построения системы управления поворотом якоря тягового двигателя при механической обработке межламельного промежутка коллектора [Текст] / В. С. Смольянинов, Ф. В. Чегодаев, С. А. Когут // Исследование процессов взаимодействия объектов железнодорожного транспорта с окружающей средой: Сб. статей / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2003.

4. Расстригин, Л. А. Системы экстремального управления [Текст] / Л. А. Расстригин. -М.: Наука, 1974. - 630 с.

5. Учанин, В. Н. Вихретоковые мультидифференциальные преобразователи и их применение [Текст] / В. Н. Учанин // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. -2006. - № 3. - С. 34 - 41.

УДК 621.18(075.8)

В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, М. В. Кульков

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКЕ КОТЛОАГРЕГАТА ПРИ УСЛОВИИ СБРОСА В НЕЕ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

В статье предлагается методика расчета теплообмена в топке котла в условиях сброса в нее отработавших газов газотурбинного двигателя. В результате дожигания таких газов в топке котла повышается экономичность всей комбинированной 'установки, производящей как тепловую, так и электрическую энергию.

Одним из наиболее эффективных способов увеличения мощности и экономичности теплоэнергетических установок является применение в них парогазового цикла путем включения газотурбинного двигателя (ГТД) в цикл работы парогенератора [1 - 4].

При реконструкции действующей котельной установки и превращении ее в парогазовую установку (ПГУ) сбросного типа необходимы изменения в тепловых схемах как ГТД, так и котельной установки, поскольку используемый в обычных котельных установках подогрев воздуха перед подачей в топку котла за счет теплоты уходящих из топки газов не может быть реализован, так как в топку подается меньше подогретого воздуха, что приводит к повышению температуры газов, уходящих из котла. Для снижения температуры уходящих газов часть регенеративных подогревателей питательной воды переключают на параллельно включаемые газоводяные подогреватели, в которых подогрев питательной воды осуществляется за счет теплоты уходящих газов. Газоводяные подогреватели питательной воды являются новыми элементами в реконструируемой ПГУ, что усложняет схему и увеличивает стоимость установки [1 - 5].

Из-за общего увеличения количества дымовых газов за котлом приблизительно на 40 % при переходе к парогазовому циклу требуется реконструкция дутьевой установки и увеличение производительности дымососов. Изменяются условия работы дымовой трубы, поэтому необходимо пересчитать эпюры статического давления газов в трубе для обеспечения ее надежной эксплуатации.

При проектировании тепловых схем сбросных ПГУ для энергоблоков необходимо дифференцировать виды энергетического топлива и улучшить специфику работы ПГУ. В пыле-угольных ПГУ сбросного типа уходящие газы ГТД могут поступать в систему пылеприго-товления; в горелки энергетического парового котла вместе с угольной пылью; в сбросные сопла топки энергетического парового котла; в рассечку поверхности нагрева конвективной шахты парового котла в соответствии с их температурой; в дымовую трубу ГТД при ее автономной работе.

Режим совместной работы парового котла и ГТД (режим ПГУ) следует рассматривать как основной. При этом необходимо учитывать возможность работы в переменных режимах,

^ ИЗВЕСТИЯ Транссиба 59

а основное внимание уделять возможности совместного функционирования паро- и газотурбинных частей установки.

В отдельных случаях, когда в компоновке парового котла сохраняется воздухоподогреватель и дутьевой вентилятор, последний можно использовать при пуске ГТД в качестве стартового устройства. Когда ГТД остановлен, дутьевой вентилятор и воздухоподогреватель используются при автономной работе паросилового блока [2 - 5].

С целью дальнейшего расширения диапазона регулирования тепловых и электрических нагрузок, а также увеличения эксплуатационного ресурса ГТД возможна установка вместо одного двух ГТД, равных по суммарной общей потребной мощности. Это позволяет при резком снижении потребности в тепловой или электрической энергии обеспечивать не только качественное, но и количественное регулирование, а также поддерживать электрическую нагрузку ГТД в наиболее оптимальном расчетном режиме за счет отключения одного из них, существенно продлить эксплуатационный ресурс установленных ГТД за счет периодических отключений [2, 5].

При большой доле газотурбинной мощности (по отношению к мощности основного энергоблока) существенно вырастает объем уходящих газов. Это влечет за собой увеличение скорости газов и абразивный износ поверхностей нагрева котла, а также уменьшение температуры в зоне активного горения топки, что может привести к снижению эффективности и устойчивости горения угольной пыли. Эту проблему решают, выбирая определенные типоразмеры ГТД, при этом оптимизируют соотношение мощности разрабатываемого ГТД.

Исследование горения угольной пыли каменных и бурых углей в среде уходящих газов ГТД показало возможности и вместе с тем сложность решения этой задачи. Как показали предварительные исследования Научно-производственного объединения по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И. И. Ползунова для котлов типа ТП (ТП-109, ТПЕ-403А и ТПЕ-216), независимо от высокой реактивности каменныхуглей марок Г и Д резкое ухудшение топочного процесса наступает при снижении объемной концентрации 02 в окислителе до 14,5 %, что приводит к увеличению механического недожога на выходе из топочной камеры до 13 %. При сжигании бурого угля влияние объемной концентрации кислорода в окислителе менее выражено и потухание факела наступает при концентрации 02 менее 13 %.

Использование каменных углей в пылеугольных ПГУ сбросного типа, для которых характерна невысокая реактивность (выход летучих - менее 30 %, угли марок СС, экибастуз-ский, нерюнгийский и др.), нецелесообразно.

Для надежного горения угля в топочную камеру необходимо подводить дополнительное количество воздуха от дутьевого вентилятора. Его расход может доходить до 30 % суммарного объема выходных газов ПГУ [5].

При расчете теплообмена в камерной топке среднеинтегральным методом [6] рассматриваются постоянные средние значения коэффициента тепловой эффективности экранов ¥ср и

коэффициента теплового излучения топки £ф.

Тогда количество теплоты Qл, переданное излучением от факела с температурой Тф на стены площадью Кст, с температурой Т3 наружного слоя загрязнений и средним коэффициентом уср тепловой эффективности экранов, по закону Стефана-Больцмана будет рассчитываться по формуле:

8т°оУсрКт (Тф - Т1)

Qл = р V ф—а, (1)

В

2 4

где а0 - постоянная излучения абсолютно черного тела, Вт/(м -К*);

В - расход топлива для котла, кг/с.

Расход топлива для котла с учетом потерь тепла, вносимого ГТД, можно определить по формуле:

в =

QP лбр -s^p 1ка

(2)

где QKa - полезное тепловосприятие в котле, кВт; ^бр - КПД парового котла;

Qp - располагаемая теплота сгорания топлива в котле, кДж/кг.

Располагаемое тепло (приходная часть теплового баланса) в общем случае примет вид, кДж/кг:

QP QH ^ ^ QB.вн ^ Qфиз.т ^ Qф QK , (3)

где QI - низшая теплота сгорания рабочего топлива, кДж/кг (или QC - для сухого газообразного топлива, кДж/м );

Qbbh - теплота, внесенная с воздухом, если он подогревается вне котлоагрегата, кДж/кг; Q^3 т - физическое тепло топлива, кДж/кг;

Q ф - теплота, внесенная с дутьевым или транспортирующим топливо паром, кДж/кг; Q к - теплота, затраченная на разложение карбонатов, кДж/кг.

Часть располагаемого тепла, подведенного с газами ГТД, определяется как разность между всем теплом газов, внесенных в топку котла, и теплом воздуха, подведенным к ГТД, кВт, можно выразить так [1, 3, 4]:

Qtja = Вгтд [(1 + asV) cptr -а^ЧЧ, ]

(4)

где а^ - общий коэффициент избытка воздуха в ГТД; ср, - средняя теплоемкость газов, кДж/(кг-К);

с^ - средняя теплоемкость воздуха, кДж/(кг-К);

¿г - температура газов ГТД, подводимых в топку котла, °С; ^ - температура воздуха перед компрессором ГТД, °С;

У0 - стехиометрическое количество воздуха, м , для полного сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива при ат = 1;

Вгтд - количество топлива, сжигаемого в камере сгорания ГТД, кг/с. Обобщенное уравнение полезного тепловыделения в топке при условии сброса газов ГТД имеет вид:

- п(р)

QT = Q

Г100 - Чз - qA - q6 Л 100 - qA

+ Qb + QP4 - Qrni - Q

ГТД

(5)

где д3, д4, д6 - потери теплоты с химическим, механическим недожогом и шлаком, %; Qв - теплота, вносимая в топку с воздухом, кДж/кг; 0рЦ - теплота рециркулирующих газов, кДж/кг.

Полезное тепловыделение в топке является основой для определения теоретической (или адиабатической) температуры горения топлива, °С:

t = t =

а теор

QT

(*И 1 '

з

где VEr - удельный объем продуктов сгорания, м /кг;

№ 2(2) 2010

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

61

(у^с) 1 - суммарная теплоемкость газов при искомой температуре ¿Теор, кДж/(кг-К).

^теор

Объемное количество продуктов сгорания равно сумме объемов газов Уг, образовавшихся от сгорания топлива в топке [2 - 6], и «чистых» газов ГТД У^тд, находящихся в составе газовоздушной смеси топлива, м3/кг:

уг = у + ^ угтд . (7)

Л Г в чг ^

При сжигании в камере сгорания ГТД газообразного, а в топке котла твердого или жид-

3

кого топлива выражение (7) будет иметь вид, м /кг:

уг=у+^ у,™, (8)

в

у;=уугд, (9)

а при обратной ситуации (жидкое топливо в камере сгорания ГТД и газообразное в топке котла) -

в

где - плотность сухого газа, кг/м3.

Исходной для расчета теплообмена в топке является безразмерная температура 9", представляющая собой отношение абсолютной температуры на выходе из топки Тт" к теоретической температуре горения Та:

е: = £. (10)

а

В топке температура факела Тф изменяется по его длине, сечению и зависит от большого числа факторов (вид топлива и его расход, способ сжигания, конструкция экранов, компоновка горелок и т. д.). Обычно при расчете топок принимают эмпирические уравнения, в которых использованы опытные данные. В Нормативном методе расчета теплообмена в однокамерных и полуоткрытых топках применяют эмпирическую зависимость, предложенную А. М. Гурвичем в виде [1, 2, 6]:

е: = ( м сОв»)' (11)

Параметр М учитывает положение максимальных температур (ядра) факела по высоте топки:

М = А - Вх, (12)

где А и В - коэффициенты, зависящие от вида топлива и конструкции топки [6]; х - уровень максимального тепловыделения по высоте топки:

к

х = к-, (13)

кт

где кг - высота расположения горелок, м; кт - высота топки, м;

Во - критерий Больцмана, рассчитывающийся по формуле:

62 ИЗВЕСТИ* Тра нссиба ^

Во =

ФВ V )ср

ад СР ад3

(14)

где ф - коэффициент сохранения тепла;

средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания в интервале температур

Га - Г;, кДж/(кг-К);

7—1 2

рст - площадь поверхности стен топки, м ; 8Т - приведенная степень излучения топки,

=

{1 -8Ф Ь ср

8л, +

(15)

Таким образом, расчетное значение температуры газов на выходе из топки можно определить по формуле, °С:

Г

- — (16)

С =

М

Г \0,6

5,67-10"11 у ^Г38

' т ср ст а т

- 273.

ФВ V )ср

+1

Средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания

(Ус) = ,

V /ср г _г"

(17)

где Щ - энтальпия продуктов сгорания в топке, кДж/кг.

Среднеинтегральный метод расчета позволяет получить осредненный тепловой поток, воспринимаемый экранами:

- <2 В

(18)

Предложенная методика базируется на Нормативном методе расчета котельных агрегатов.

Список литературы

1. Сидельковский, Л. Н. Котельные установки промышленных предприятий [Текст] / Л. Н. Сидельковский, В. Н. Юренев. - М.: Энергия, 1988. - 528 с.

2. Двойнишников, В. А. Конструкция и расчет котлов и котельных установок [Текст] / В. А. Двойнишников, Л. В. Деев, М. А. Изюмов. - М.: Машиностроение, 1988. - 264 с.

3. Ведрученко, В. Р. Уточненная методика расчета процесса сгорания в топке парового котла по схеме комбинированной парогазовой установки со сбросом газов в топку [Текст] /

B. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, А. В. Казимиров // Промышленная энергетика. - 2005. - № 6. -

C. 31 - 35.

4. Косяк, П. А. Особенности расчета горения в парогенераторных комбинированных энергетических установках [Текст] / А. П. Косяк // Теплоэнергетика и хладотехника: Труды / Николаевский кораблестроительный ин-т. - Николаев, 1976. - Вып. 12. - С. 32 - 36.

5. Соловьев, Ю. П. Тепловые расчеты промышленных паротурбинных электростанций [Текст] / Ю. П. Соловьев. - М.: Госэнергоиздат, 1962. - 158 с.

6. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) [Текст] / Под ред. Н. В. Кузнецова, В. В. Митор и др. - М.: Энергия, 1973. - 285 с.

№ 2(2) 2010

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

63