CC BY
28Разработка конструкции теплообменника для утилизации тепловой энергии дымовых газов котла типа ТГМ-84
Бакиров Фёдор Гайфуллович,
д.т.н., заведующий кафедрой АТиТ Уфимского Государственного Авиационного Технического Университета, fgbakirov@bk.ru
Ибрагимов Евгений Самимович,
к.т.н., доцент кафедры АТиТ Уфимского Государственного Авиационного Технического Университета, Ibragimoves5757@mail.ru
Рассмотрена реконструкция газовоздушного тракта энергетического котла типа ТГМ-84 при работе на природном газе путём монтажа газо-воздушных рекуперативных трубчатых теплообменников для утилизации тепловой энергии дымовых газов с целью нагрева воздуха, направляемого в воздухоподогреватели котла. Теплообменники обеспечивают теплосъём от дымовых газов до минимально допустимого уровня температуры, при которой возможна длительная безопасная эксплуатация дымовых труб электростанции. Проведены расчётные исследования влияния на габаритно-массовые характеристики теплообменников компоновки трубных пучков, их оребрения и материала изготовления. Выявлено, что при проведении модернизации без замены существующих тягодутьевых устройств котла (что вызывает ограничения по максимально допустимой величине сопротивления теплообменников) наименьшим сроком окупаемости обладает мероприятие по монтажу гладко-трубных теплообменников из алюминиевых сплавов. При работе котла на природном газе рассмотренное техническое решение имеет простой срок окупаемости менее 7 лет. Ключевые слова: утилизация тепловой энергии дымовых газов, повышение эффективности топливоиспользования котлов электростанции при работе на природном газе.
см о см
Введение
Одним из возможных мероприятий по повышению энергоэффективности оборудования электрических станций является уменьшение тепловых потерь от установленного на них основного оборудования. Основной составляющей потерь тепловой энергии от котлов электростанций является теплота с уходящими дымовыми газами, величина которой пропорциональна температуре дымовых газов. Величина потерь зависит от типа котла и режима его работы, составляя около 8 % для энергетических котлов.
Актуальность темы исследования
Для утилизации тепловой энергии уходящих дымовых газов в тракте дымовых газов котла устанавливаются новые теплообменники. За счёт утилизации тепловой энергии уходящих дымовых газов, произойдёт уменьшение тепловых потерь котла, что позволит повысить эффективность его работы. Для теплосъёма от дымовых газов во вновь установленных теплообменниках используется воздух, направляемый после теплообменников на вход существующих регенеративных подогревателей котла. Конструкция и размеры теплообменников, их масса определяют стоимость затрат на их изготовление и монтаж, что в значительной степени определяет срок окупаемости проекта. Кроме того, монтаж новых теплообменников приводит к увеличению сопротивления, как тракта дымовых газов, так и воздушного тракта котла, что приводит к увеличению эксплуатационных затрат в виде затрат электрической энергии на привод существующих дымососов и дутьевых вентиляторов котла. При этом, увеличение сопротивления тракта дымовых газов и воздушного тракта достаточно сильно ограничено запасами по тяге и дутью существующих дутьевых вентиляторов и дымососов. Поэтому, представляет практический интерес выполнить анализ эффективности применения различных конструкций теплообменников для утилизации тепловой энергии дымовых газов котлов, работающих на природном газе, с целью выявления наиболее оптимального технического решения по критерию минимального срока окупаемости анализируемого технического решения.
О ш т х
<
т о х
X
Обзор исследования авторов
Существуют различные технические решения, обеспечивающие утилизацию тепловой энергии дымовых газов [14].
Но рассмотренные технические решения не были направлены на использование тепловой энергии уходящих дымовых газов для повышения температуры воздуха, подаваемого в воздухоподогреватели котлов. В работе [5] авторы провели расчёт экономического эффекта от технического решения по утилизации тепловой энергии дымовых газов для повышения температуры воздуха перед регенеративными воздухоподогревателями (РВП) для котла ПК-41. Но в работе не приведён анализ эффективности применения теплообменников
различных конструкций и отсутствуют данные об окупаемости затрат на реализацию проекта. В работе [6] авторы провели расчёт экономического эффекта от монтажа новых теплообменников только для одной возможной конструкции теплообменников при работе на высокосернистом мазуте. Выбор оптимальной конструкции теплообменников не проводился, для режима работы на природном газе результаты исследований отсутствуют, сделан вывод о необходимости проведения дополнительных исследований для определения эффективности применения такого технического решения.
Научная новизна
Новизна данной работы заключается:
- в расчёте габаритно-массовых характеристик различных конструкций вновь монтируемых теплообменников и их аэродинамических сопротивлений по сторонам дымовых газов и воздуха совместно со вновь монтируемыми воздуховодами и элементами газоходов;
- в исследовании влияния на габаритно-массовые характеристики теплообменников, величину их аэродинамических сопротивлений и затрат на электрические собственные нужды электростанции различных возможных вариантов конструкции теплообменников (коридорной или шахматной компоновки трубного пучка, диаметра труб, наличия оребрения труб, изготовления теплообменников из алюминиевых сплавов). Были исследованы виды оребрения в виде: а) мембранных панелей, как обладающих сравнительно незначительным увеличением аэродинамического сопротивления трубного пучка; б) проволочных ребёр, как достаточно эффективных с точки зрения увеличения коэффициента теплопередачи и применяемых, например для оребре-ния калориферов типа СО-110;
- в расчёте затрат на реализацию проекта и определения срока окупаемости технического решения, обеспечивающего наименьший срок окупаемости среди проанализированных вариантов.
Теоретическая часть
Вновь смонтированные теплообменники и их обвязка должны обеспечить при работе котла на природном газе:
- охлаждение дымовых газов до минимально возможной температуры, обеспечивающей длительную безопасную эксплуатацию дымовых труб электростанции, составляющей 1000С [7];
- повышение температуры воздуха перед РВП до температуры, обеспечивающей температуру набивки РВП выше температуры конденсации водяных паров в воздухе во всём диапазоне нагрузок котла;
- аэродинамические сопротивления вновь монтируемых теплообменника и воздуховодов, исключающих необходимость замены существующих тягодутьевых устройств котла;
- приемлемый для потенциального инвестора срок окупаемости разработанной конструкции теплообменника.
В работе [6] рассмотрено техническое решение по реконструкции котла типа ТГМ-84 путём монтажа дополнительного теплообменника. На рис. 1 приведена фотография одного из двух газоходов котла. От каждого дымососа дымовые газы по своему газоходу направляются в общий газоход к дымовой трубе. Дополнительные теплообменники планировалось установить после каждого
из дымососов котла в существующие газоходы на их горизонтальных участках. Всего котёл оснащён двумя дымососами, соответственно планировался монтаж двух дополнительных теплообменниками.
Рис. 1. Существующий газоход котла после одного из дымососов. Звездой показано планируемое место монтажа теплообменника. Крестом показан один из дутьевых вентиляторов котла, к которому подключается вновь монтируемый воздуховод от нового теплообменника.
Охлаждающей средой дополнительных теплообменников является воздух, направляемый в горелочные устройства котла. Подача воздуха обеспечивается при помощи дутьевых вентиляторов, всего котёл оснащён двумя дутьевыми вентиляторами со своими воздуховодами. Каждый дымосос и дутьевой вентилятор подключён к одному из РВП. Планировалось выполнить реконструкцию воздушного тракта, при которой воздух после каждого из дутьевых вентиляторов по вновь построенным воздуховодам сначала направляется в один из вновь монтируемых теплообменников в газоходе после соответствующего дымососа. Дымовые газы охлаждаются до температуры около 100 0С за счёт нагрева воздуха. Затем, нагретый воздух после теплообменников направляется в соответствующий РВП, к которому подключён дутьевой вентилятор. Общая длина планируемых к монтажу воздуховодов составила около 140 метров [6]. Для уменьшения их аэродинамического сопротивления сечение воздуховодов было принято равным 2195 Х 2300 мм. Положительный эффект от реконструкции котла при работе на газе в основном зависит от уменьшения расхода топлива на котёл благодаря повышению его КПД. Отрицательным фактором является увеличение затрат электроэнергии на собственные нужды из-за роста аэродинамических сопротивлений воздушного и газового тракта котла. Расчёт экономического эффекта выполнен для среднегодового режима работы котла. Расчёт экономии топлива из-за повышения КПД котла за счёт уменьшения потерь с уходящими газами выполнен в соответствии с [8]. Расчёт процессов теплообмена в теплообменнике выполнен в соответствии с [9]. Расчёт аэродинамических сопротивлений выполнен в соответствии с [10]. Расчёт показателей работы котла и электростанции после проведённой реконструкции выполнен в соответствии с нормативными характеристиками котла и действующей в энергетике документации [8].
В работе [6] приведены результаты расчёта теплового баланса вновь монтируемых теплообменников (ТО). Было установлено, что при среднегодовом режиме работы котла необходимая тепловая мощность каждого из двух теплообменников, устанавливаемых на котёл, составляет 3,38 Гкал/ч для обеспечения охлаждения
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о м
CS
о
CS
о ш m
X
<
m О X X
дымовых газов до температуры 102 0С после теплообменников. Температура уходящих дымовых газов после теплообменников при номинальной нагрузке составила 119 0С, а при минимальной нагрузке 97 0С. Температура воздуха после теплообменников на входе в РВП составила 102 0С при номинальной нагрузке, 98 0С при среднегодовой нагрузке и 97 0С при минимальной нагрузке. Расчётные значения средней температуры дымовых газов во вновь установленных теплообменниках составили: при номинальной нагрузке 150,2 0С, при среднегодовой нагрузке 134,3 0С, при минимальной нагрузке 130,5 0С. Расчётные значения средней температуры воздуха во вновь установленных теплообменниках составили: при номинальной нагрузке 64 0С, при среднегодовой нагрузке 62,5 0С, при минимальной нагрузке 62 0С.
По результатам испытаний котла, на котором планировался монтаж теплообменников, было установлено, что запас по дутью составлял 231 мм в ст, запас по тяге составлял 144 мм в ст [6]. Расчётным путём были определены аэродинамические сопротивления вновь монтируемых элементов тракта дымовых газов (диффузора и конфузора) и тракта воздуха (воздуховодов, диффузора и конфузора) необходимых для подключения к вновь устанавливаемому теплообменнику в газоходе котла. Максимально возможная величина аэродинамического сопротивления трубного пучка теплообменника, исключающая необходимость замены существующих тягоду-тьевых устройств котла на более высоконапорные, составила по стороне дымовых газов 141,7 мм в ст, а по стороне воздуха, 81,8 мм в ст. Для уменьшения трудоёмкости изготовления теплообменников максимальное количество трубок в нём было ограничено величиной около 7000 штук. Для указанных выше режимов работы рассматриваемого типа котла и условию не превышения максимально допустимого значения аэродинамического сопротивления вновь монтируемого трубного пучка соответствовали теплообменники с внутренним диаметром трубок не менее 27 мм. Расчёты были проведены для трубок диаметром 30Х1,2 мм, 45Х1,2 мм, 50Х1,2 мм. Для выявления влияния на габаритно-массовые характеристики теплообменников, изготовленных из оцинкованной стали, величины шага между трубками были проведены расчёты теплообменников с коридорным расположением гладкотрубного пучка с диаметром трубок 45Х1,2 и 50Х1,2 мм.
Результаты расчётов габаритно-массовых характеристик теплообменников с диаметром труб 45Х1,2 приведены в таблице 1, а с диаметром труб 50Х1,2 приведены в таблице 2. Принятые обозначения: 01 = S1/d, 02 = S2/d; Пвер число рядов труб в поперечном направлении относительно хода дымовых газов; Пгор число рядов труб в продольном направлении относительно хода дымовых газов; Мдг , Wв среднее значения скоростей в теплообменнике по стороне дымовых газов и воздуха при номинальном режиме; В ширина теплообменника по трубным доскам (по ходу движения дымовых газов); Н высота теплообменника по трубным доскам (поперёк движения дымовых газов); L длина труб; Д11дг , Д1ъ сопротивление трубного пучка по сторонам дымовых газов и воздуха при номинальном режиме; М масса теплообменника, включая трубный пучок, трубные доски, обшивку теплообменника.
Наименьшим аэродинамическим сопротивлением обладает теплообменник с компоновкой по варианту 3. Уменьшение шага между трубами в поперечном направлении приводит к увеличению скоростей дымовых газов,
уменьшению габаритно-массовых характеристик теплообменников и увеличению аэродинамических сопротивлений. Для обеспечения допустимой величины аэродинамического сопротивления теплообменника при уменьшении шага между трубами в поперечном направлении было необходимо уменьшать шаг между трубами в продольном направлении. Наименьшими габаритно-массовыми характеристиками обладал теплообменник с компоновкой по варианту 1 с минимальными шагами между трубами. Уменьшение массы теплообменника за счёт более плотной компоновки трубного пучка составило 14,9 %, а рост аэродинамического сопротивления при этом составил 123 %. Дальнейшее уменьшение шага между трубами при коридорном расположении пучка не проводилось из-за роста аэродинамических сопротивлений. Влияние шага между трубами при большем значении диаметра труб 50X1,2 мм привело к аналогичным результатам (таблица 2). Наименьшими габаритно-массовыми характеристиками обладал теплообменник с наиболее плотной компоновкой трубного пучка по варианту 4, при этом аэродинамическое сопротивление трубного пучка не превышало допустимой величины. Уменьшение массы теплообменника за счёт более плотной компоновки трубного пучка составило 11,2 %.
Таблица 1.
Влияние шага между трубами на габаритно-массовые характеристики теплообменников при диаметре стальных труб 45Х1,2 мм
Параметр Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3
ст1 / ст2 1,315/1,044 1,366/1,11 1,53/1,11
пвер / пгор 76/36 76/36 68/43
wm / wB , м/с 18,93/17,54 16,2/17,5 11,5/16,4
B/H/ L, мм 1737/4468/498 1845/4646/49 2195/4671/535
5 85 0
ДЬ|дг / AhB, мм в ст 123,1/65,7 128/66 55,1/58,1
M, т 19,54 19,82 22,97
Таблица 2
Влияние шага между трубами теристики теплообменников 50 мм
на габаритно-массовые харак-при диаметре стальных труб
Параметр Вариант 4 Вариант 5 Вариант 6
СТ! / ст2 1,27/1,04 1,302/1,04 1,38/1,1
пвер / пгор 73/32 73/32 67/39
/ wB , м/с 18,91/16,46 16,15/16,46 14,7/14,7
B/H/ L, мм 1714/4599/55 10 1714/4717/57 38 2195/4592/5430
ДЬ|дг / AhB, мм в ст 120/54,4 74,8/56,7 101/45,4
M, т 20,41 21,33 22,99
Для выявления влияния диаметра труб на габаритно-массовые характеристики теплообменников были проведены соответствующие расчёты для диаметра труб 30X1,2 мм. Результаты расчётов приведены в таблице 3. Для удобства сравнительного анализа в этой таблице так же приведены результаты расчётов определения габаритно-массовых характеристик теплообменников с минимальной массой для диаметра труб 45X1,2 мм и 50X1,2 мм.
Уменьшение диаметра труб привело к необходимости увеличения шага между трубами для обеспечения сохранения аэродинамического сопротивления трубного пучка в допустимых пределах. Это обстоятельство не позволило существенно уменьшить массу теплообменника при уменьшении диаметра труб, которое соста-
вило 12,8 %. При этом число труб для обеспечения необходимого теплосъёма существенно увеличилось, достигнув величины 6528 штук (рост более чем в 2 раза относительно ранее рассмотренных вариантов компоновки).
Таблица 3
Влияние диаметра труб на габаритно-массовые характеристики стальных теплообменников
Параметр Вариант 7 Вариант 1 Вариант 4
d ,мм 30Х1,2 45Х1,2 50Х1,2
ст1 / ст2 1,613/1,077 1,315/1,044 1,27/1,04
пвер / пгор 102/64 76/36 73/32
B/H/ L, мм 2097/4925/2912 1737/4468/4985 1714/4717/5738
ДЬ|дг / AhB 140/62,7 123,1/65,7 120/54,4
M, т 18,65 19,54 20,47
Для дальнейшего анализа влияния на габаритно-массовые характеристики теплообменников компоновок трубного пучка был выбран диаметр труб 30Х1,2 мм, как обеспечивающий наименьшую металлоёмкость. Был проведён расчёт габаритно-массовых характеристик теплообменника с шахматным расположением труб с диаметром 30Х1,2 мм. В таблице 4 приведены результаты расчёта габаритно-массовых характеристик теплообменников с диаметрами труб 30Х1,2 мм при шахматной и коридорной компоновки трубного пучка.
Таблица 4
Влияние компоновки гладкотрубного пучка (коридорная вариант 7 или шахматная вариант 8) на габаритно-массовые характеристики стальных теплообменников при диаметре
Параметр Вариант 7 Вариант 8
0"i / ст2 1,613/1,077 1,793/1,25
1,25
пвер / пгор 102/64 102/64 (нечётные ряды)
w^ / wB, м/с 18,21/17,52 13,94/17,6
B/H/ L, мм 2097/4925/2912 2430/5481/2930
ДЬ|дг / AhB , мм в ст 140,2/62,7 135,8/63,1
M, т 18,65 19,69
бер: для оребрения в виде мембранных панелей, как обладающее сравнительно незначительным увеличением аэродинамического сопротивления относительно глад-котрубных пучков, и проволочного оребрения, как сравнительно высокоэффективного по теплопередаче. В таблице 5 приведены результаты расчёта габаритно-массовых характеристик теплообменника с оребрён-ными в виде мембран трубами диаметром 30Х1,2 мм при коридорной и шахматной компоновки трубного пучка. Для удобства сравнительного анализа в таблице так же приведены результаты расчётов определения габаритно-массовых характеристик теплообменника с минимальной массой из ранее рассмотренных гладкотруб-ных пучков с диаметрами труб 30Х1,2 мм.
Таблица 5
Влияние оребрения и компоновки пучка на габаритно-массовые характеристики стальных теплообменников при диа-
Параметр Вариант 7 (гладкотрубный коридорный) Вариант 9 (оребрённый шахматный) Вариант 10 (оребрённый коридорный)
CT! / ст2 1,613/1,077 1,907/1,25 1,761/1,25
пвер / пгор 102/64 102/64 102/64
Wдг / Wb, 18,21/17,52 13,52/17,6 15,54/17,52
м/с
B/H/ L, 2097/4925/2912 2430/5832/2640 2430/5382/
мм 2740
AtV / AhB, 140,2/62,7 140,3/56,8 139,8/59,3
мм в ст
M, т 18,65 23,4 23,89
Аэродинамическое сопротивление шахматного пучка при равных скоростях дымовых газов больше, чем у коридорного пучка. Поэтому, для обеспечения аэродинамического сопротивления шахматного трубного пучка не более допустимого, исходя из имеющегося запаса по тяге дымососов котла, пришлось уменьшать скорость дымовых газов, омывающих пучок, с 18,21 м/с в трубном пучке до 13,94 м/с в шахматном. Для вынужденного уменьшения скорости был увеличен шаг между трубами, что, в итоге, привело к увеличению массы теплообменника относительно теоретически возможной. Поэтому, величина отклонения массы у теплообменников с коридорной и шахматной компоновкой составила сравнительно незначительную величину 5,6 %,с меньшим значением у коридорного пучка.
С целью выявления возможности дальнейшего уменьшения габаритно-массовых характеристик теплообменников были проведены соответствующие расчёты оребрённых трубных пучков. Так как оребрение труб приводит к росту аэродинамического сопротивления пучка, то расчётное определение габаритно-массовых характеристик было проведено для двух вариантов рё-
Наличие ограничения по возможному увеличению аэродинамического сопротивления трубного пучка вынуждает уменьшать скорость дымовых газов, омывающих пучок. В результате скорость дымовых газов в глад-котрубном пучке составляла 18,21 м/с, тогда как в оребрённых пучках она была снижена до 13,52 м/с и 15,54 м/с соответственно, чтобы величина аэродинамического сопротивления пучков не превышала 140 мм в ст. В результате для уменьшения скорости дымовых газов увеличились габариты теплообменника. Поэтому, для рассмотренных режимов работы и имеющейся величины запаса по тяге и дутью котла, наименьшей массой обладал гладкотрубный теплообменник. Уменьшение массы гладкотрубного теплообменника относительно теплообменников с оребрёнными трубами составило около 20 %.
Определение габаритно-массовых характеристик теплообменника с трубным пучком и проволочным оре-брением (вариант 11) было выполнено для геометрических характеристик оребрения, соответствующих применяемым при изготовлении калориферов типа сО-110: диаметр труб d = 16Х2,5 мм, компоновка шахматная; о = 2,13; 02 = 1,81; Пвер = 102; Пгор = 64; высота петли оребрения 11 = 8 мм, шаг оребрения S = 5 мм, ширина проволочной петли 3,2 мм, шаг между петлями по периметру трубы 1о = 0,84 мм, диаметр проволоки 0,5 мм, число труб 6496 штук. Расчётные размеры теплообменника для обеспечения требуемого теплосъёма составили В = 1858 мм, Н = 3452 мм, L = 2405 мм. Теплообменник по своим габаритным характеристикам более компактный, чем с рассмотренными выше компоновками трубных пучков. Но скорости воздуха в трубах теплообменника составили 110,8 м/с при номинальной нагрузке котла, 77,3 м/с при среднегодовой нагрузке, 60,5 м/с при минимальной нагрузке. Таким образом
X X
о го А с.
X
го m
о
м о м
см о см
о ш т
X
3
<
т О X X
аэродинамическое сопротивление теплообменника по стороне воздуха составило 329 мм в ст при номинальной нагрузке, что существенно больше допустимого. Для уменьшения аэродинамического сопротивления трубного пучка был проведён расчёт для диаметра и компоновки труб, обеспечивающей меньшую скорость воздуха: диаметр труб 30X1,2 мм, 01 = 2,66; 02 = 1,1; Пвер = 53; Пгор = 110; высота петли оребрения 11 = 13 мм, шаг оребрения S = 9 мм, ширина проволочной петли 5 мм, шаг между петлями по периметру трубы 10 = 1,58 мм, диаметр проволоки 0,5 мм, число труб 5775 штук. Расчётные размеры теплообменника составили: В = 3648 мм, Н = 3770 мм, L = 2330 мм. Аэродинамическое сопротивление нового теплообменника по стороне дымовых газов составило 2099 мм в ст, что существенно выше допустимого. Масса теплообменника составила 20,2 т, что больше, чем у некоторых из выше исследованных трубных пучков. Поэтому, дальнейшее увеличение размера теплообменника для обеспечения уменьшения аэродинамического сопротивления не проводилось. Главной причиной неэффективности применения такого рода теплообменников явилось их относительно более высокое сопротивление, чем у гладкотрубных пучков. Поэтому, обеспечение компактности теплообменников требует наличия высоконапорных тягодутьевых устройств котла, запас по напору которых должен составлять несколько тысяч мм в ст для исследованных режимов работы, что значительно больше, чем у применяемых на котлах дутьевых вентиляторов и дымососов.
Было проведено расчётное исследование возможности использования выпускаемых промышленностью калориферов для энергетических котлов в целях утилизации тепловой энергии дымовых газов для нагрева воздуха, подаваемого в РВП котла (вариант 12). Расчёты были проведены для калорифера типа С0-110 - 01. Геометрические характеристики трубного пучка и его ореб-рение аналогично выше рассмотренному варианту 11. Для обеспечения требуемого теплосъёма теплообменник компонуется из отдельных секций. При компоновке секций, обеспечивающих скорости дымовых газов и воздуха, при которых аэродинамические сопротивления теплообменника по стороне дымовых газов и воздуха не будут превышать допустимой величины, количество секций по высоте составило 8 штук, количество секций по длине составило 77 штук. Скорости дымовых газов и воздуха при номинальном режиме работы составили 12,1 и 19,5 м/с соответственно. Расчётные размеры теплообменника В = 8913 мм, Н = 8166 мм, L = 2510 мм. Масса секций такого теплообменника для этого варианта составила 278 т. Тепловая мощность теплообменника более чем в 3 раза превышала необходимую. Уменьшение количества секций до двух по вертикали и до девятнадцати по горизонтали привело к существенному уменьшению размеров: В = 2185 мм, Н = 2028 мм, L = 2610 мм и массы теплообменника 16 т. При этом тепловая мощность почти в 2 раза превышала требуемую. Но скорости дымовых газов и воздуха достигли 49,3 м/с и 315,7 м/с соответственно. Поэтому, дальнейшее уменьшение габаритов теплообменника не проводилось. Неэффективность применения теплообменника, скомпонованного из отдельных секций, была обусловлена теми же причинами, что и при исследовании варианта 11, а так же достаточно значительными габаритами коллекторов отдельных секций.
Таким образом, в условиях наличия ограниченного запаса по тяге и дутью, для дальнейшего исследования
эффективности модернизации были выбраны гладко-трубные теплообменники по вариантам №№3 и 7 компоновки трубного пучка. Теплообменник по варианту 7 обладал наименьшей массой при аэродинамическом сопротивлении трубного пучка близкой к предельно допустимой. Теплообменник по варианту 3 имел на 23 % большую массу, чем по варианту 7, но существенно в 2,54 раза меньшее аэродинамическое сопротивление по стороне дымовых газов при примерно том же аэродинамическом сопротивлении по стороне воздуха. Поэтому, капитальные вложения на изготовление теплообменников по варианту 7 и их монтаж были меньшими, чем по варианту 3. Но эксплуатационные затраты, связанные с затратами электрической энергии на привод тягодутьевых устройств котла по варианту 7 были большими, чем по варианту 3. Расчёт необходимого полного напора дутьевого вентилятора проведён с учётом сопротивления тракта новых воздуховодов, конфузора, диффузора и трубного пучка вновь монтируемого теплообменника. Расчёт необходимого полного напора дымососа проведён с учётом сопротивления конфузора, диффузора и трубного пучка теплообменника. Цена электроэнергии и топлива принята по данным, приведённым в [6]. Результаты расчёта экономического эффекта приведены в таблице 6.
Таблица 6
Величина эффекта от реконструкции газовоздушного
Наименование Вариант 3 Вариант 7
Увеличение КПД котла «брутто», % 1,65 1,65
Уменьшение количества сжигаемого топлива, т.у.т. 2297 2297
Увеличение потребляемой мощности двух дутьевых вентиляторов, кВт 311,95 297,61
Увеличение потребляемой мощности двух дымососов, кВт 138,24 236,44
Увеличение электрических собственных нужд, тыс. кВт ч 2354 2792
Удельный расход условного топлива на отпуск электрической энергии до/после реконструкции, г/кВт ч 343,54/342,95 343,54/343,11
Удельный расход условного топлива на отпуск тепловой энергии до/после реконструкции, кг/Гкал 141,56/137,24 141,56/137,24
Таким образом, наибольшим экономическим эффектом обладает проект модернизации газовоздушного тракта котла с монтажом теплообменника с компоновкой трубного пучка, выполненного по варианту 3.
Практическая значимость
Для выбора конструкции теплообменника, обеспечивающей наиболее оптимальные показатели инвестиционного проекта реконструкции газовоздушного тракта котла необходимо определить затраты на реализацию проекта и срок их окупаемости. Так как проектная документация на теплообменник и проект привязки на данном этапе работ не были выполнены, то затраты определены оценочно. Выше приведённые расчёты массы теплообменников были выполнены при условии изготовления теплообменников из оцинкованной стали. В связи со значительной массой таких теплообменников для уменьшения затрат на изготовление теплообменни-
ков ниже приведены результаты расчёта массы теплообменников и стоимости их изготовления при применении алюминиевых сплавов. Результаты расчёта массы теплообменников приведены в таблице 7.
Таблица 7
Масса одного теплообменника при изготовлении из сплавов алюминия, т
Параметр Вариант 3 Вариант 7
Масса трубного пучка 6,996 5,590
Масса 2 шт. трубных досок толщиной 20 мм 0,608 0,62
Масса уголков каркаса теплообменника 0,17 0,138
Масса боковых стенок теплообменника толщиной 2 мм 0,127 0,066
Масса теплообменника 7,901 6,414
№ Наименование Вариант 3 Вариант 7
1 Суммарные затраты на строительство воздуховодов, изготовление и монтаж теплообменников 35612,08 31381,16
2 Из них затраты на изготовление теплообменников (без монтажа) 13199,93 10666,45
3 Затраты на проект монтажа воздуховодов и теплообменников (сумма п. 4+п. 5+п. 6+п.7+п.8) 1936,94 1706,82
4 Базовая цена проекта монтажа воздуховодов и теплообменников (3,7 % от п. 1) 1317,65 1161,10
5 Разработка обоснования инвестиций (20 % от стоимости п. 4) 263,53 232,22
6 Декларация строительных инвестиций (15 % от п. 4) 197,64 174,17
7 Комплектация оборудованием (10 % от п. 4) 131,76 116,11
8 Сбор исходных данных (2 % от п. 4) 26,35 23,22
9 Затраты на разработку рабочей, технологической, эксплуатационной документации для изготовления новых теплообменников 652,01 526,87
10 Прочие и неучтённые расходы (5 % от суммы п. 1+п. 3+п. 9) 1910,05 1680,74
11 Итого общие затраты (п. 1+ п.3+ п.9 + п. 10) 40111,08 35295,59
При работе котла на природном газе набивка РВП подвергается только атмосферной коррозии в период работы котла с низкими температурами холодного воздуха на всасывании дутьевого вентилятора. Срок службы набивки при работе котла на природном газе принят равным 15 лет. Стоимость замены набивки принята по данным [6]. Расчётные показатели эффективности рассматриваемого инвестиционного проекта с определением простого срока окупаемости приведены в таблице 9.
Таблица 9
Расчётные показатели эффективности проекта в стои-
Благодаря применению алюминиевых сплавов удалось значительно уменьшить массу теплообменников. При изготовлении теплообменников с компоновкой по варианту 3 масса теплообменника уменьшилась с 22,97 т до 7,901 т, а при изготовлении теплообменников по варианту 7 с 18,65 т до 6,414 т. Доля стоимости материалов в стоимости изготовления теплообменников (без учёта стоимости разработки конструкторской, технологической и эксплуатационной документации) принята равной 60,6 %. Трассировка и конструкция вновь монтируемых воздуховодов принята аналогичной рассмотренной в [6], за исключением применения алюминиевых сплавов для изготовления каркаса и обшивки воздуховодов, вместо стальных. Доля стоимости материалов в суммарных затратах на строительство воздуховодов принята равной 59,9 %. Затраты на проект монтажа воздуховодов и теплообменника, реконструкции газоходов, на разработку рабочей, технологической и эксплуатационной документации определены в соответствии с [6]. Расчётная величина затрат на реализацию проекта монтажа двух теплообменников и их обвязки приведена в таблице 8.
Таблица 8
Сводная таблица затрат на реализацию проекта монтажа двух теплообменников из алюминиевых сплавов и их обвязки
Наименование Вариант 3 Вариант 7
Уменьшение потребления топлива 8157 8157
Уменьшение затрат на замену набивки 425,5 425,5
Увеличение затрат электроэнергии на собственные нужды 2707,1 3210,8
Суммарный эффект за год 5881,4 5371,7
Затраты на реализацию проекта 40111,08 35295,59
Простой срок окупаемости, лет 6,82 6,57
Увеличение срока окупаемости варианта 3 относительно варианта 7, лет 0,25 (в 1,04 раза)
Срок окупаемости проекта с монтажом теплообменников с более плотной компоновкой трубного пучка по варианту 7 обладает меньшим сроком окупаемости, чем по варианту 3. Но отличие сроков окупаемости обоих вариантов компоновки незначительно. Поэтому, в случае незначительного запаса по тяге и дутью у тягодутьевых устройств котла, возможно применение относительно более крупногабаритных теплообменников с небольшим аэродинамическим сопротивлением без значительного ухудшения сроков окупаемости проекта.
Выводы
1. При работе котла типа ТГМ-84 на природном газе монтаж дополнительных теплообменников для утилизации тепловой энергии дымовых газов для нагрева холодного воздуха, направляемого в РВП котла, приводит к увеличению КПД котла «брутто» и имеет значительный экономический эффект. Наиболее оптимальным с точки зрения срока окупаемости затрат является конструкция теплообменников с коридорным расположением гладкотрубного пучка изготовленных из алюминиевых сплавов. Простой срок окупаемости проекта монтажа дополнительных газо-воздушных теплообменников составил для исследованных режимов работы котла 6,57 лет, что соответствует среднесрочным окупаемым мероприятиям.
2. Применение компактных теплообменников с плотной компоновкой трубных пучков, в том числе оребрё-ных, требует наличия значительного запаса по тяге и дутью дымососов и дутьевых вентиляторов котла. При наличии запаса по тяге и дутью, соответствующих фактически имеющимся у котлов, находящихся в эксплуатации на электрических станциях, применение компактных теплообменников менее эффективно, чем применение теплообменников с гладкотрубными пучками. Целесообразность замены существующих тягодутьевых
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о м
CN О
сч
устройств котла на высоконапорные требует проведения отдельного исследования.
Литература
1. Ибрагимов Е.С. Повышение эффективности топ-ливоиспользования тепловых электрических станций за счет модернизации турбинного и котельного оборудования // Научные горизонты. - 2017. - №3. С 71-83.
2. Storm S., DeCaprio M.[Recent Regenerative Airheater Improvements at HECO Kahe Point, Oahu], [Electric Power Conference], 2011, pp. 10-12.
3. Storm S., Guffre J. [Experiences with Regenerative Air Heater Performance Evaluations & Optimization], [POWERGEN Europe], 2010, pp.1-18.
4. Ibragimov E., Cherkasov S. [Improving the Efficiency of Power Boilers by Cooling the Flue Gases to the Lowest Possible Temperature under the Conditions of Safe Operation of Reinforced Concrete and Brick Chimneys of Power Plants], [MATEC Web of Conferences, Volume 245 (2018), International Scientific Conference on Energy, Environmental and Construction Engineering (EECE-2018)], 2018, pp. 1-6.
5. Ибрагимов Е.С., Гальтяев Е.В. Повышение эффективности и надёжности работы котлов электростанций// Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2019. т. 19, №2. С.3138.
6. Бакиров Ф.Г., Ибрагимов Е.С. Эффективность реконструкции котла типа ТГМ-84 для обеспечения бескоррозионного режима работы воздухоподогревателей// Инновации и инвестиции. 2020, №7. С. 157162.
7. РД 153-34.1-21.523-99. Инструкция по эксплуатации железобетонных и кирпичных дымовых труб и газоходов на тепловых электростанциях. - М.: ОРГРЭС, 2000. - 30 с.
8. РД 34.08.552-95. Методические указания по составлению отчета электростанции и акционерного общества энергетики и электрификации о тепловой экономичности оборудования. - М.:ОРГРЭС, 1995 г. - 109 с.
9. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). 3-е изд., испр. и доп. - СПб.:НПО ЦКТИ, 1998 г. - 256 с.
10. Аэродинамический расчет котельных установок (нормативный метод). 3-еизд. - Л.:Энергия, 1977. - 256 с.
Development of a heat exchanger design for utilization of
thermal energy of flue gases of a TGM-84 boiler Bakirov F.S., Ibragimov E.S.
Ufa State Aviation Technical University
The reconstruction of the gas-air path of a TGM-84 type power
boiler when operating on natural gas by installing gas-air
recuperative tubular heat exchangers for the utilization of
thermal energy of flue gases in order to heat the air sent to the boiler air heaters is considered. Heat exchangers provide heat removal from flue gases to the minimum permissible temperature level at which long-term safe operation of power plant chimneys is possible. Calculated studies of the effect on the dimensional and mass characteristics of heat exchangers of the arrangement of pipe bundles, their fins and the material of manufacture are carried out. It is revealed that during the modernization without replacing the existing boiler draft devices (which causes restrictions on the maximum allowable resistance of heat exchangers), the installation of smooth-tube heat exchangers made of aluminum alloys has the shortest payback period. When the boiler is running on natural gas, the considered technical solution has a simple payback period of less than 7 years.
Key words: utilization of thermal energy of flue gases, increasing the efficiency of fuel use of power plant boilers when working on natural gas.
References
1. Ibragimov E.S. Improving the efficiency of fuel use of thermal
power plants through the modernization of turbine and boiler equipment // Scientific horizons. - 2017. - No. 3. From 71-83.
2. Storm S., DeCaprio M. [Recent Regenerative Airheater Improvements at HECO Kahe Point, Oahu], [Electric Power Conference], 2011, pp. 10-12.
3. Storm S., Guffre J. [Experiences with Regenerative Air Heater
Performance Evaluations & Optimization], [POWER-GEN Europe], 2010, pp. 1-18.
4. Ibragimov E., Cherkasov S. [Improving the Efficiency of Power
Boilers by Cooling the Flue Gases to the Lowest Possible Temperature under the Conditions of Safe Operation of Reinforced Concrete and Brick Chimneys of Power Plants], [MATEC Web of Conferences, Volume 245 (2018), International Scientific Conference on Energy, Environmental and Construction Engineering (EECE-2018)], 2018, pp. 1-6.
5. Ibragimov E.S., Galtyaev E.V. Improving the efficiency and reliability of power plant boilers // Bulletin of SUSU. Series "Energy". - 2019.v. 19, no. 2. P. 31-38.
6. Bakirov F.G., Ibragimov E.S. Efficiency of reconstruction of a
TGM-84 boiler to ensure a corrosion-free operation of air heaters // Innovations and investments. - 2020, No. 7. S. 157162.
7. RD 153-34.1-21.523-99. Instructions for the operation of reinforced concrete and brick chimneys and gas ducts at thermal power plants. - M .: ORGRES, 2000 .-- 30 p.
8. RD 34.08.552-95. Methodical instructions for drawing up a report
of a power plant and a joint-stock company of energy and electrification on the thermal efficiency of equipment. - M.: ORGRES, 1995 - 109 p.
9. Thermal calculation of boilers (standard method). 3rd ed., Rev.
and add. - SPb.: NPO CKTI, 1998 - 256 p.
10. Aerodynamic calculation of boiler plants (standard method). 3rd edition - L.: Energy, 1977 .-- 256 p.
О Ш
m x
3
<
m о x
X
