Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


ПОВЫШЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ ПИКОВЫХ ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ТЕПЛОТЫ С УХОДЯЩИМИ ГАЗАМИ

В рамках сформулированного в § 1.5 нового подхода к эффективности обеспечения пиковой тепловой мощности на тепловых электростанциях разработан ряд новых технических решений, позволяющих повысить тепловую экономичность пиковых водогрейных котельных путем использования теплоты уходящих газов.

Основная проблема при разработке новых технологий, позволяющих снизить потери теплоты с уходящими газами q2, заключается в поиске теплоносителей, с помощью которых можно обеспечить достаточно глубокое охлаждение уходящих газов при приемлемых капитальных затратах. Нами установлено, что наибольшие возможности снижения q2 имеются в пиковых водогрейных котельных с вакуумными деаэраторами подпиточной воды.

Исследования показывают, что на эффективность процесса деаэрации существенно влияют температурный режим и нагрузка вакуумных деаэраторов. Наиболее полный материал по эффективности струйно-барботажных вакуумных деаэраторов получен при многофакторном экспериментальном исследовании аппаратов горизонтального и вертикального типов [95]. В результате исследований получены математические модели вакуумных деаэраторов. Зависимость остаточного содержания 02, мкг/дм3, в деаэрированной воде от нагрузки вакуумного деаэратора ДВ-800 представлена графически на рис. 2.1.

По графику хорошо видно, что чем выше температура исходной воды, тем меньше остаточное содержание кислорода в деаэрированной воде, т.е. перед деаэрацией необходимо осуществлять подогрев исходной воды, затрачивая на это определенное количество теплоты.

В традиционных схемах водогрейных котельных (рис. 2.2) подогрев исходной воды осуществляется в поверхностных водо-водяных теплообменниках с помощью прямой сетевой воды, которая нагревается в котлах и служит греющим агентом в поверхностных теплообменниках и в вакуумном деаэраторе. Наряду с высокой температурой уходящих газов за котлами, недостатком такой схемы является значительный расход топлива на подогрев дополнительного потока сетевой воды, что снижает экономичность котельной.


С целью повышения экономичности водогрейных котельных необходимо совместить процессы подогрева воды и утилизации теплоты уходящих газов [110, 114]. В газифицированных водогрейных котельных утилизация теплоты уходящих газов может производиться в подогревателях контактного или поверхностного типов. Как уже отмечалось ранее, недостатками подогревателей контактного типа являются ограниченная температура нагрева воды, примерно равная температуре кипения воды при парциальном давлении водяных паров в дымовых газах, и насыщение нагреваемой воды при контакте с газами, содержащимися в них продуктами сгорания, которые загрязняют воду и ограничивают ее использование в цикле водоподготовки.

Использование подогревателей поверхностного типа позволяет значительно расширить возможности применения нагретой уходящими газами воды в схеме котельной. Поверхностные подогреватели также подразделяются на конденсационные теплоутилизаторы и подогреватели «сухого» теплообмена. В конденсационных теплоутилизаторах использование скрытой теплоты конденсации содержащихся в продуктах сгорания водяных паров увеличивает коэффициент теплопередачи, в связи с чем уменьшаются размеры теплообменников и затраты на их изготовление и установку.


Площадь теплоотдающей поверхности F, м2, любого подогревателя можно определить из уравнения теплопередачи:


В исследованиях [36, 37], проведенных профессором А.А. Кудиновым, получены числовые значения К от продуктов сгорания к нагреваемой воде для условий конденсации водяных паров из газов в конденсационных теплоутилизаторах. При скоростях уходящих газов 1,89-3,87 м/с и плотностях орошения наружной поверхности конденсатом продуктов сгорания 3,19-4,03 кг/(м2 ч) коэффициент теплопередачи К = 57,64-64,14 Вт/(м2 °С). Установлено, что значения К в условиях конденсации водяных паров из продуктов сгорания превышают значения коэффициента теплопередачи при «сухом» теплообмене в водяных экономайзерах конструкций ВТИ и ЦККБ соответственно в 4,6 и 6,8 раза. Следовательно, исходя из формулы (2.1), при прочих равных условиях поверхность теплообмена конденсационного теплоутилизатора можно сократить во столько же раз, что значительно удешевит изготовление этого подогревателя.

Однако глубокое охлаждение уходящих газов может вызвать выпадение конденсата не только в теплоутилизаторе, но и в наружных газоходах и дымовой трубе, поэтому необходим перепуск 20-30% горячих продуктов сгорания в газоходы, расположенные за теплоутилизатором.

Подогреватели «сухого» типа менее выгодны с точки зрения теплообмена, однако позволяют понизить температуру уходящих газов до 70-100 °С и уменьшить вероятность выпадения конденсата в наружных газоходах и дымовой трубе.

Выполненные исследования и накопленный практический опыт указывают на возможность существенного повышения эффективности «сухих» поверхностных подогревателей за счет использования интенсифицированных теплообменных поверхностей нагрева, разработанных доцентом В.А. Медведевым (СарГТУ) [44]. Преимущества интенсифицированных поверхностей нагрева перед обычными при равной тепловой мощности проявляются в уменьшении металлоемкости, габаритов теплообменников, внешних и внутренних сопротивлений, эксплуатационных затрат, что особенно важно при реконструкции существующих водогрейных котлов путем размещения подогревателей во внешних газоходах - «боровах».

Сущность предложенных нами решений заключается в использовании теплоты уходящих газов для подогрева различных потоков подпиточной воды теплосети (исходной воды, деаэрированной воды, греющего агента вакуумного деаэратора). Использование теплоты уходящих газов позволяет нагреть потоки подпиточной воды теплосети и одновременно понизить температурный потенциал газов.

Согласно разработанных нами технологий [163-170] поверхностные теплообменники располагаются в газоходах водогрейных котлов и представляют собой пакет оребренных труб, в межтрубном пространстве которых проходят газы, а внутри труб - вода. Причем в газоходах котлов может располагаться как одна ступень подогревателей для подогрева единственного теплоносителя (рис. 2.3 а), так и одновременно две ступени подогревателей для последовательного подогрева двух теплоносителей одним и тем же потоком газов. Например, в первом по ходу газов подогревателе будет нагреваться греющий агент для вакуумного деаэратора, а во втором по ходу газов подогревателе - исходная вода (рис. 2.3 б), причем низкотемпературный теплоноситель (исходную воду) выгоднее нагревать в подогревателе конденсационного типа [164]. Нагрев потоков исходной воды и греющего агента вакуумного деаэратора необходим для увеличения интенсивности процесса деаэрации и обеспечения нормативного качества деаэрированной воды.

Два поверхностных теплообменника, установленных в газоходе котла, позволяют одновременно нагревать греющий агент и деаэрированную воду [163] или исходную и деаэрированную воду (рис. 2.4) [168]. Подогрев деаэрированной воды позволяет поддерживать более высокую температуру воды на входе в водогрейный котел, сократить расход воды на рециркуляцию. Кроме того, нагретую деаэрированную воду можно использовать в качестве греющего агента вакуумного деаэратора.



Использование поверхностных подогревателей, установленных в газоходах водогрейных котлов, позволяет утилизировать теплоту уходящих газов, обеспечить требуемый температурный режим процесса деаэрации, снизить расход сетевой воды на рециркуляцию в обратный трубопровод теплосети.

Основным параметром, определяющим производительность поверхностных подогревателей, является расход уходящих газов. Количество уходящих газов зависит от производительности котла, его КПД и количества воздуха в газах.

Объемный расход дымовых газов Vyx, м3/ч, прй нормальных физических условиях определяется по приближенной формуле [7]:


Определим, какое количество исходной воды Gwe., кг/ч, можно нагреть с 5 до 35 °С в поверхностном теплообменнике, расположенном в газоходе водогрейного котла (рис. 2.3). Составив уравнение теплового баланса, получим:


Подставив значения в формулу (2.3), найдем расход исходной воды, которую нагревают в поверхностном теплообменнике, используя теплоту уходящих газов и снижая их температуру в интервале от 200 до 40 °С. Результаты расчета для водогрейных котлов различной производительности представлены на рис. 2.5.

Из графика видно, что увеличение расхода воды, подогреваемой газами, для котла КВ-ГМ-100 на каждые 20 т/ч понижает температуру уходящих газов при «сухом» теплообмене в среднем на 10 °С. При охлаждении уходящих газов ниже точки росы tyx< 55 °С подогреватель переходит в конденсационный режим работы, что резко увеличивает его теплопроизводительность и позволяет нагреть в 9,5 раз больше воды на каждые 10 °С.


Определим, какие количества исходной воды GUM., кг/ч, и греющего агента вакуумного деаэратора G,a , кг/ч, можно нагреть в двух поверхностных подогревателях, расположенных в газоходе котла последовательно (рис. 2.3 б). В первом по ходу газов поверхностном подогревателе нагревается греющий агент с 70 до 100 °С, при этом уходящие газы охлаждаются с 200 до 120 °С. Во втором по ходу газов поверхностном подогревателе нагревается исходная вода с 5 до 35 °С, при этом уходящие газы охлаждаются со 120 до 40 °С. Рассчитав по формуле (2.3) расходы, строим графики, которые представлены на рис. 2.6.

Особенностью этих графиков является то, что первый поверхностный подогреватель для подогрева греющего агента может работать только в «сухом» режиме из-за высокой температуры теплоносителя, а второй подогреватель для подогрева исходной воды может быть конденсационным. Кривые для GlUi резко идут вверх при tyx<55 °С, поэтому производительность второго подогревателя в 2,5 раза больше, чем первого. По графикам легко определить, что для котла КВ-ГМ-100 при «сухом» теплообмене увеличение расходов греющего агента или исходной воды на каждые 20 т/ч одинаково снижает температуру уходящих газов на 10 °С.


Результаты расчетов для водогрейных котлов типа KB-ГМ различной производительности приведены на рис. 2.7.

В связи с тем, что в нормативном методе расчета котельных агрегатов f80] отсутствуют зависимости для определения характеристик продуктов сгорания при конденсации водяных паров, расчеты произведены для условий «сухого» теплообмена. Но даже при этих условиях достигается существенная экономия топлива. Расчеты показывают, что, например, для котла КВ-ГМ-100 при охлаждении дымовых газов с 200 до 70 °С экономия условного топлива составляет 1 т/ч или около 8% от часового расхода. Если котел работает 1000 часов в год, то экономия условного топлива составит 1000 т в год.


Для полного учета потерь теплоты с уходящими газами в условиях конденсации водяных паров нормативный метод расчета котлоагрегатов, на наш взгляд, необходимо дополнить, включив в него зависимости, позволяющие учесть скрытую теплоту конденсации водяных паров и определить их количество. В частности, в нормативный метод могут быть включены формулы (2.4)-(2.6). Пересчет определенной по уравнению (2.4) энтальпии уходящих газов /VY, кДж/кг, в энтальпию /т;, ккал/м3, соответствующую полному теоретическому объему влажных продуктов сгорания, осуществляется по формуле



Как видно из этого рисунка, полная энтальпия продуктов сгорания 1по примерно в 3 раза выше, чем энтальпия газов без учета теплоты конденсации водяных паров, однако для того, чтобы использовать сколько-нибудь заметную часть этой теплоты, необходимо охладить уходящие газы до температур меньше 60 °С . Из этого следует, что потери теплоты с уходящими газами q2 в современных котлоагрегатах при отнесении их к низшей теплоте сгорания QC и определении энтальпии без учета теплоты конденсации содержащихся водяных паров составляют всего 7-9%, а с учетом теплоты конденсации могут достигать 20-25% в зависимости от содержания водяных паров в продуктах сгорания. В результате реальное значение КПД водогрейных котлов на 13-16% ниже, чем по тепловому расчету, а значит, действительный расход топлива на котел значительно больше, что подтверждается многолетней практикой эксплуатации котлов. При использовании теплоты уходящих газов снижается расход топлива на котлы, а значит, увеличивается коэффициент использования топлива котельной установки. Повышение коэффициента использования топлива котельной установки Аг]кит, %, по высшей теплоте сгорания топлива при охлаждении уходящих газов в поверхностном подогревателе рассчитывается по формуле [37]:


Возьмем для примера расход и температуры нагрева исходной воды кг/ч, по графикам, представленным на рис. 2.5, и, приняв расход газового топлива 130 м3/Гкал, рассчитаем коэффициенты использования топлива для котлов различной производительности. Результаты расчета представлены графически на рис. 2.9.


По графику видно, что применение подогревателей «сухого» теплообмена с пиковыми водогрейными котлами позволяет повысить коэффициент использования топлива на 7%, а конденсационных теплоутилизаторов - на 17%.

Таким образом, рассмотренные выше технологии позволяют повысить экономичность пиковых водогрейных котельных путем выбора приемлемых теплоносителей для достаточно глубокого охлаждения продуктов сгорания, особенно при использовании конденсационных тепло- утилизаторов.

Шарапов В. И., Орлов М. Е. Технологии обеспечения пиковой нагрузки систем теплоснабжения. - М.: Издательство «Новости теплоснабжения», 2006.

Экспертиза

на главную