РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАГРУЗКИ ДЛЯ КОТЛА ТГМ-96
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОЙ
ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАГРУЗКИ ДЛЯ КОТЛА ТГМ-96
Супранов В.М., Изюмов М.А.
(ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ»,
Москва, Россия)
Современный уровень развития компьютерной техники и программного
обеспечения позволяет проводить детальное моделирование работы
паровых котлов и котельных установок. Это позволяет уменьшить объем
экспериментальных исследований, требующих больших затрат времени и
снижающих коммерческую эффективность энергетического оборудования.
В отличие от других подобных исследований, в данной работе
гармонически сочетаются применение нормативных методик [1, 2], учет
индивидуальных конструктивных особенностей рассматриваемого котла,
использование минимально-необходимого объема экспериментальных
данных о его работе. В результате оказалось возможным на основе
предварительно разработанной адекватной модели котла [3] получить
данные для проведения расчетов температуры стенки труб и прочностных
расчетов проблемных ступеней пароперегревателя и на этой основе выдать
рекомендации по минимальной нагрузке котла ТГМ-96.
Котлы Е-480-13,8-560ГМ, заводское обозначение ТГМ-96, серийно
изготавливались ОАО «Красный котельщик» (г. Таганрог).
ТГМ-96 (рис. 1) – однобарабанный вертикально-водотрубный котел с
естественной циркуляцией, предназначенный для сжигания природного
газа и мазута в режиме работы с уравновешенной тягой [4]. Компоновка
котла П-образная, с разделенной надвое конвективной шахтой.
Воздух подается в котел двумя вентиляторами ВДН-26-II. Для
предварительного подогрева воздуха могут использоваться калориферы.
Основной нагрев происходит в регенеративных воздухоподогревателях
(РВП), размещенных вне здания котельной. Из РВП горячий воздух по
двум симметричным воздухопроводам направляется к горелкам.Рис. 1. Конструктивная схема котла ТГМ-96 1 – горелки; 2 – топка; 3 – настенный радиационный пароперегреватель (НРПП); 4 – барабан; 5 – выносные циклоны; 6 – конденсационные установки (КУ); 7 – ширмы; 8 – настенный экономайзер; 9 – настенный пароперегреватель; 10 – первая ступень конвективного пароперегревателя (КПП1); 11 – вторая ступень конвективного пароперегревателя (КПП2); 12 – верхний пакет экономайзера (ЭК2); 13 – нижний пакет экономайзера (ЭК1) ТГМ-96 укомплектован четырьмя вихревыми газомазутными горелками, скомпонованными на фронтовой стене топки в два яруса с наклоном осей
горелок вверх на 10 o . Подвод воздуха к каждой горелке индивидуальный, горелки двухпоточные как по воздуху, так и по природному газу и оснащены паромеханическими форсунками. Призматическая топка котла имеет прямоугольное сечение с размерами в осях труб 6,08×14,7 м. Боковые и задняя стена топки полностью экранированы трубами ∅60×6 мм с шагом 64 мм. В верхней части трубы заднего экрана образуют аэродинамический выступ, в нижней – под с углом наклона 15 o , заложенный шамотным кирпичом. Фронтовая стена топки по всей высоте закрыта в основном шестью панелями НРПП из труб ∅42×5 мм, сталь 12Х1МФ, с шагом 46 мм. Потолок топки, соединительного газохода и части поворотной камеры экранирован трубами потолочного пароперегревателя ∅32×4 мм с шагом 35 мм. После топки по ходу газов расположены ширмы первого ряда, однорядный фестон из труб ∅133×10 мм, ширмы второго ряда, экранированная настенным пароперегревателем и экономайзером поворотная камера с проходящими через нее трубами ∅108×9 мм подвесной системы пароперегревателя, ступени КПП1 и КПП2, пакеты ЭК2 и ЭК1. Затем продукты сгорания поступают в РВП и двумя дымососами ДН-26×2А через трубу сбрасываются в атмосферу. Водопаровой тракт котла до и после барабана представлен двумя симметричными потоками. В пределах каждого из них вода противотоком проходит подвесную систему пароперегревателя, КУ, панели настенного экономайзера, пакеты ЭК1 и ЭК2 из труб ∅28×4 мм и попадает в барабан котла. На котле реализована двухступенчатая схема испарения, включающая барабан, выносные циклоны, отдельные циркуляционные контуры. Непрерывная продувка осуществляется из выносных циклонов, а периодическая – из нижних коллекторов экранов. Насыщенный пар из барабана направляется в панели двухходового НРПП: опускается вниз, перемешивается в нижнем коллекторе и поднимается вверх, после чего прямотоком проходит через потолочный пароперегреватель. Затем обогреваемая среда каждого потока по паропроводу, в котором установлен первый впрыскивающий пароохладитель, перебрасывается на другую сторону газохода и попадает в крайние ширмы второго ряда, из них – в крайние ширмы первого ряда. Движение пара во всех крайних ширмах противоточное. После этого происходит второй переброс пара каждого потока на противоположную сторону газохода, совмещенный со вторым впрыском, и
пар прямотоком проходит средние ширмы первого и второго ряда. В
каждом ряду насчитывается по 20 ширм: 10 крайних и 10 средних. Все они
выполнены из труб ∅42×6 мм, сталь 12Х1МФ, шаг между ширмами
S1 =700 мм, шаг между трубами в ленте S2 =45 мм.
Пройдя средние ширмы, пар поступает в панели настенного
пароперегревателя поворотной камеры, проходит их прямотоком и
попадает в конвективную часть, включающую две ступени: КПП1 и
выходную КПП2. Они шахматные, прямоточные, изготовлены из труб
∅36×6 мм. В соединительном паропроводе каждого потока между
ступенями установлен третий впрыскивающий пароохладитель.
Обмуровка котла комбинированная – натрубная в подовой части котла
ниже гидропояса и щитовая выше гидропояса. Щиты крепятся на каркасе и
обшиты стальным листом. Каркас выполнен в виде пространственной
рамы с раскосами по всем стенам. Котел укомплектован средствами
очистки поверхностей нагрева от загрязнений, устройствами для отбора
проб пара и воды, контрольно-измерительными приборами, средствами
тепловой защиты и системой автоматического регулирования.
Определение минимально допустимой нагрузки котла проводилось для
режимов с полным отключением подогревателей высокого давления
(ПВД) и подачей выработанного пара через редукционно-охладительные
установки в бойлеры теплосети. Естественно, что давление и температура
перегретого пара в этих условиях будут отличаться от номинальных
значений. Первоначально к рассмотрению было принято три режима
работы котла (табл. 1).
Таблица 1
Характеристики режимов работы котла
Значения параметров
№
Параметр Обозн. Разм. Режим Режим Режим
пп
1 2 3
1 Тепловая мощность Q МВт 150 130 90
2 Давление в барабане pб кгс/см 2 120 100 80
3 Паровая нагрузка D т/ч 205 180 125
Температура
4 tпв o
C 157 157 157
питательной воды
Предполагалась длительная эксплуатация котла в этих режимах в
стационарных условиях. В качестве критерия для оценки минимальнойнагрузки принималась надежная работа металла труб по условиям прочности и по условиям окалинообразования. В качестве проблемных поверхностей нагрева рассматривались панели НРПП в топке (особенно второй ход – НРПП2) и крайние ширмы первого ряда (Ш1кр). Для НРПП характерны минимальные значения массовой скорости пара и максимальные значения плотности падающего теплового потока. Кроме того, он обладает радиационной регулировочной характеристикой, при которой приращение энтальпии обогреваемой среды при снижении нагрузки возрастает. Крайние ширмы первого ряда работают в более тяжелых условиях, чем средние (Ш1ср). Температура продуктов сгорания на входе в Ш1кр и Ш1ср примерно одинакова, значения падающих на них из топки тепловых потоков – тоже, но расход пара и его массовая скорость в крайних ширмах существенно ниже. Это обусловлено тем, что между Ш1кр и Ш1ср происходит второй впрыск, отличающийся высоким расходом конденсата и значительно снижающий температуру пара. Поэтому металл первых по ходу газов рядов труб Ш1кр хуже охлаждается и имеет более высокую температуру, чем металл труб аналогичных рядов Ш1ср. Для выполнения расчетов, позволяющих определить температуру металла труб НРПП2 и Ш1кр в опасных точках, необходимо иметь представительные данные по температурам газов и пара на входе и выходе из этих поверхностей нагрева. Однако получение опытных данных нецелесообразно из-за потенциальной опасности выхода труб из строя. Более того, оно невозможно из-за малой представительности опытных значений температур газов в области выше 500 oC – именно по этой причине котел не укомплектован соответствующими штатными средствами измерений. Поэтому на первом этапе работы была создана адекватная расчетная модель котла, отражающая специфику теплообмена не только в проблемных поверхностях нагрева, но и по всему котлу. При этом использовалась программа Boiler Designer [5] и методика [1], а также учитывались основные принципы построения таких моделей [3]. Для учета индивидуальных особенностей котла, связанных в основном с проведенными за время эксплуатации реконструкциями, был проведен как наружный, так и внутренний осмотр, при этом были выявлены некоторые отличия от заводских чертежей.
Настройка адекватной расчетной модели на реальные режимы работы котла проводилась с использованием протоколов системы регистрации и архивации данных о его работе. Для настройки было выбрано несколько представительных режимов, охватывающих весь рабочий диапазон нагрузок котла. При этом два режима с отключением ПВД и работой на бойлеры теплосети соответствовали нагрузкам 240-250 т/ч. Долгосрочных режимов с более низким расходом пара за период работы около трех лет обнаружено не было. В результате удалось настроить адекватную расчетную модель, получив хорошую сходимость опытных и расчетных данных по всем режимам. Анализ данных системы регистрации параметров работы котла позволил выявить неравномерность распределения пара по потокам A и B, величина этой неравномерности может достигать DA / DB =0,46/0,54. Это обстоятельство учитывалось на следующем этапе работы при определении средней по толщине температуры металла стенки разверенных труб НРПП2 и Ш1кр в опасных точках tст и температуры наружной поверхности металла в этих точках tст.н . Расчет tст и tст.н проводился по методике [1]. Значения tст использовались затем для определения допускаемых напряжений [σ], кгс/мм2, и проверки выполнения условия σ ≤ [σ] в соответствии с методикой [6]. Значения tст.н необходимы для проверки выполнения условия tст.н ≤ [ tст.н ], где [ tст.н ] – предельно допускаемое значение температуры по условиям окалинообразования для металла труб. Для стали 12Х1МФ, из которой изготовлены НРПП и Ш1кр, [ tст.н ]=585 oC , [6]. Определение tст и tст.н проводилось только для режимов 1 и 2, поскольку режим 3 был исключен из рассмотрения еще на этапе расчетов по программе Boiler Designer как заведомо ненадежный из-за крайне низких значений массовых скоростей пара. Всего было выполнено 7 вариантов расчетов по определению tст и tст.н . Полученные значения температуры наружной поверхности металла стенок труб представлены в табл. 2. Видно, что для режима 2 с расходом пара 180 т/ч в случае неравномерного распределения пара по потокам величина tст.н для НРПП превышает предельно допускаемое по условиям окалинообразования значение 585 oC . В табл. 3 представлены результаты прочностных расчетов НРПП и Ш1кр для режима 2. Из них следует, что в
случае неравномерного распределения пара по потокам для НРПП не
выполняются еще и условия прочности.
Таблица 2
Варианты расчетов tст.н и их основные результаты
Характеристики режима Сведения о
№ Объект tст.н ,
работы котла распределении
варианта расчета o
C
Q, МВт D, т/ч пара по потокам
1 130 180 DA = DB 569
2 130 180 DA / DB =0,46/0,54 594
НРПП
3 150 205 DA = DB 539
4 150 205 DA / DB =0,46/0,54 563
5 130 180 DA = DB 542
6 Ш1кр 130 180 DA / DB =0,46/0,54 558
7 150 205 DA = DB 541
Таблица 3
Результаты проверки выполнения условия σ ≤ [σ]
Допускаемое Давление пара в Расчетное
№ Объект tст ,
напряжение расчетной точке значение
варианта расчета oC
[σ], кгс/мм 2 P, кгс/см 2 σ, кгс/мм 2
1 565 5,62 99,66 4,11
НРПП
2 590 4,00 99,66 4,11
5 538 7,61 99,19 3,19
Ш1кр
6 554 6,24 99,19 3,19
С другой стороны, проведенные расчеты показали, что для режима 1 с
Q=150 МВт и D=205 т/ч выполняется как условие отсутствия
окалинообразования, так и условие прочности, независимо от
неравномерности распределения пара по потокам.
Учитывая это обстоятельство и значительное влияние неравномерности
распределения пара по потокам на условия работы пароперегревателя,
было принято решение об ограничении минимальной эксплуатационной
нагрузки котла ТГМ-96 на уровне 205-210 т/ч.
В заключение следует отметить, что опыт дальнейшей эксплуатации
котла подтвердил правильность принятого решения. Таким образом,выполненная работа еще раз показала эффективность применения
адекватных расчетных моделей, базирующихся в основном на
использовании нормативных методик и отечественного программного
обеспечения, для диагностики энергетических паровых котлов и
оптимизации их режимов. Такой подход является универсальным, о чем
свидетельствуют результаты, представленные в [7, 8]. Следует ожидать,
что в дальнейшем его роль будет только возрастать, а доля
экспериментальных работ на действующем энергетическом оборудовании
постепенно может снизиться до объёмов, необходимых для настройки
адекватных расчетных моделей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) / Под
ред. Кузнецова Н.В. М.: Энергия, 1973.
2. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). 2-е изд. СПб.:
ЦКТИ, 1998.
3. Изюмов М.А., Супранов В.М. Проведение согласованных
тепловых расчетов котла и систем пылеприготовления на базе
адекватных расчетных моделей // Труды XVIII междунар. науч.-
техн. конф. «Информационные средства и технологии». Т. 3. М.:
Издательский дом МЭИ, 2010. С. 166-173.
4. Котлы большой мощности (Каталог-справочник). М.:
НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1970.
5. Доверман Г.И., Шелыгин Б.Л., Мошкарин А.В. и др. Расчет
котельных агрегатов с использованием современных программных
продуктов / ГОУ ВПО «Ивановский государственный
энергетический университет». – Иваново, 2007.
6. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и
трубопроводов пара и горячей воды. РД 10-249-98. СПб.:
Издательство ДЕАН, 2002.
7. Изюмов М.А., Супранов В.М., Росляков П.В. и др. Исследование
возможности перевода котлов ТП-92 Яйвинской ГРЭС на
непроектные виды углей // Теплоэнергетика, 2008 г., № 9, С. 7 –
18.
8. Супранов В.М., Изюмов М.А., Росляков П.В. Исследование
возможности работы котла ТПЕ-208 энергоблока № 1 Смоленской
ГРЭС на непроектных углях // Теплоэнергетика, 2011, № 1, C 44 –
54.Вы также можете почитать
