ГЛАВА 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТВП И ИХ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ.
В предыдущих главах описана система методик, делающих доступными для ручных расчетов различные типы и модификации трубчатых воздухоподогревателей. Значительная часть расчетных процедур разработана на основе решения задачи о перекрестном токе теплоносителей с неравномерными входными температура!,in (глава I) и является, таким образом, результатом практического использования данного решения.
Особое место среди разработанных методик занимает методика расчета температурного напора в одноходовых перекрестноточных теплообменниках с неравномерными входными температурами ( Е -методика).
Помимо выполнения своего прямого назначения при расчетах ТВП, она послужила методологической основой для построения почти всех остальных расчетных процедур.На Подольском машиностроительном заводе ?-методика применяется для практических расчетов и поисковых работ. Она использована при разработке вариантов реконструкции системы подогрева воздуха в котлах П-57Р со среднеходными мельницами, требующими пониженных температур (менее 300°С) и увеличенного расхода первичного воздуха /64/ Один из перспективных вариантов выявлен благодаря учету температурных полей при расчетах ТВП с помощью Е-методики. Согласно этому варианту вся воздухоподогревательная поверхность разбита на 3 части. Первая часть представляет из себя обычный для мощных котлов ЗиО 2-ходовой Z-ТВП и предназначена для нагрева вторичного воздуха. Схема второй и третьей частей представлена на рис. 5.1, Весь первичный воздзух нагревается в одноходовом ТВП, газы в который поступают из экономайзера. После ТВП первичного
Рис.5.I. Вариант системы подогрева воздуха в котле П-57Р, рассчитанный с помощью Е-методики. В скобках указаны температуры, рассчитанные по нормативному методу. воздуха газы с существенным перекосом температур по сечению подаются в одноходовой ТВП избыточного воздуха.
Средние температуры воздуха и газов, рассчитанные по Е-методике, указаны на рисунке.
В скобках приведены температуры избыточного воздуха и газов, определенные по нормативной методике без учета неравномерностей. При наличии только последних данных схема была бы исключена из рассмотрения, как неэффективная. На самом деле по сравнению с принятым в техническом проекте базовым вариантом, основанном на байпасировашш части первичного воздуха мимо ТВП, предложенный вариант позволяет снизить температуру уходящих газов на 12°С. Это соответствует получению дополнительного высокопотенциального тепла в количестве 3,7 ^Ц^ , для автономного производства которого потребовалось бы более 5000 т экибастузского угля в год.С помощью Е -методики и методик расчета двухходовых ТВП (§2.4, §2.5) обнаружены возможности повышения тепловой эффективности хвостовых поверхностей нагрева за счет создания и последующего использования искусственных неравномерностей температур. Различные варианты реализации этих возможностей прорабатываются на ЗиО. На рис. 5.2 проиллюстрирован пример технического решения, позволяющего кардинально упростить конструкцию ТВП и уменьшить его металлоемкость. Слева изображена одна из традиционных схем включения экономайзера и воздухоподогревателя в тракты котла. Указаны входные и выходные температуры газов, воздуха и питательной воды,рассчитанные по исходным данным: Wr = 375 SgSE ; Ve = 250 ;
Wo, = 1250 2p Иэк= 6250 м2; Нт= 75000 м2; Кэк= 60 Jpf^
Кт= 22 ^ . Справа представлена схема с организацией перекоса температуры газов в экономайзере и использованием затем этого перекоса в трубчатом воздухоподогревателе. Видно, что при сохране- w
to
I ; т I
/ 456°\ 263° I
S)
газы
Рис.5.2. Пример повышения тепловой эффективности хвостовых поверхностей нагрева котла с помощью искусственных перекосов температур: а) традиционная схема, б)схема с перекосом температур газов. нии неизменной общей поверхности экономайзера и температуры уходящих газов дух t удается перейти от 3-ходового ТВП к одноходово- му (экономия.металла перепускных воздуховодов) и одновременно уменьшить его поверхность нагрева на 10%.
При этом незначительно (на 7°) снижается температура питательной воды на выходе из экономайзера. Однако, в противовес этому существенно повышается подогрев воздуха (на 42°), что весьма полезно, например, для уменьшения механического недожога твердых топлив. Кроме того, уменьшается сопротивление ТВП по воздуху. Заметим также, что здесь не учтено предусмотренное "Нормативным методом" повышение коэффициента использования ТВП при переходе от трех ходов к одному из-за лучшего омывания поверхности нагрева и устранения межходовых шунтов воздуха.При проектировании установки подогрева наружного воздуха для вентиляции главного корпуса на котле ПК-39 энергоблока В 5 Троицкой ГРЭС /65/ использована методика расчета локальных температур теплоносителей, изложенная в параграфе 2.2. Установка изготовлена на ЗиО и будет введена в эксплуатацию в 1984 году.
В § 3.1 описана новая методика расчета минимальной температуры стенки труб в ТВП. Преимущество данной методики по сравнению с поэлементными расчетами на ЭВМ заключается:
а) в доступности для любого расчетчика;
б) в большей оперативности и экономии машинного времени для организаций, располагающих программами поэлементных расчетов;
л J-мин
в) в наглядности связи Тст со всеми определяющими параметрами, что устраняет необходимость вариантных расчетов.
Два последних преимущества выливаются в конечном счете в повышение производительности труда проектировщика. Оценить этот эффект в денежном выражении пока не представляется возможным ввиду отсутствия нормативных методов расчета эффективности инженерного
труда. Известно однако, что эта эффективность исключительно высока. По данным экономистов /66/, каждый час, высвобожденный для выбора и инженерного анализа конструкции перед ее изготовлением, "экономит в дальнейшем минимум 100 часов".
Первое преимущество новой методики сводится к увеличению точности расчета, поскольку специалисты, не тлеющие доступа к поэлементным расчетам, вынуждены пользоваться нормативной формулой. В главе 3 показано, что эта формула может давать погрешности до 15-20°.
Таким образом, в данной ситуации дело сводится к оценке эффективности новой методики по сравнению с норлативной.Завышение температуры металла на стадии проектирования из-за неточности расчетной методики ведет к интенсификации коррозии и загрязнения воздухоподогревателя при эксплуатации. Согласно известным опытным зависимостям /21,67/ при сжигании сернистых топлив различие в температуре стенки в 15° в области ниже точки росы соответствует изменению скорости коррозии и загрязнений в 22,5 раза. Потери народного хозяйства при этом включают следующие слагаемые:
а) дополнительный расход энергоценного пара для очистки загрязнении;
б) перерасход энергии на тягу и дутье из-за увеличения сопротивления ТВП между очистками и присосов в межремонтный период;
в) расход новых трубчатых секций на замену прокорродаровавших;
г) затраты на проведение ремонтов;
д) убытки из-за недовыработки электроэнергии, связанной с вынужденными остановами котла или ограничением мощности.
По данным Бажкирэнерго /67/, только увеличение межочистного периода в 2-3 раза ведет к экономии 2,5 шш.рублей на I млн. тонн сожженного высокосернистогомазута, или примерно 250 тыс.рублей в год на каждые 100 Мвт установленной мощности.
Согласно официальным сведениям Главэнергоремонта, суммарный вес трубчатых секций, поставленных в 1982 году на замену вышедших из строя ходов ТВП, достигает 24 тыс.тонн. Общая стоимость этих секций - более 10 млн.рублей. Ясно, что снижение аналогичных расходов для вновь проектируемых воздухоподогревателей на основе более правильного учета их температурного режима явится весомым вкладом в экономику. Для получения наибольшего эффекта предлагаемая методика должна стать общепринятой. На это направлены рекомендации ЦКТИ и ВТИ о придании новой методике статуса нормативной (см.приложения 3,5).
Перечисленные выше потери, связанные с неточностью проектной оценки температурного режима воздухоподогревателя, сказываются в основном в первый период эксплуатации котла (который, однако, может растягиваться на года).
В дальнейшем персонал электростанции, как правило, находит "щадящие" условия работы низкотемпературной поверхности нагрева. Симптоматично, что значительная часть ТВП в котлах, сжигающих сернистые топлива, функционирует в непроектных режимах. Стоимость тех реконструкций или некоторого снижения экономичности котла, на которые вынуждена идти электростанция для достижения приемлемых условий эксплуатации воздухоподогревателя, в значительной мере также является платой за неточность расчетных методик.Анализ температурного режима труб ТВП, выполненный в §3.3, позволил определить оптимальный для защиты от коррозии профиль температуры воздуха на входе в трубчатый воздухоподогреватель. Использование этого профиля для вновь проектируемых котлов дает возможность при заданной минимальной температуре стешек получить требуемую температуру уходящих газов при меньшей поверхности воздухоподогревателя. Пример такого использования оптимального профиля пронллюстри-
- из -
рован на рис. 5.3. Слева изображена схема воздухоподогревателя с однородным профилем температуры воздуха на входе: t' = Ю0°С. Значения всех определяющих параметров указаны на рисунке - они выбраны типичными для ТВП. Минимальная температура стенки в таком воздухоподогревателе составит по расчету 122°С. Применение оптимального профиля температуры воздуха на входе, как показано справа, позволяет обойтись меньшей средней входной температурой для обеспечения t"""= 122°С. Вследствие этого возрастает температурный напор в аппарате и поэтому требуется меньшая поверхность нагрева Н для охлаждения газов до той же температуры дуХ - 170°С. Уменьшение поверхности влечет за собой снижение перекоса температуры газов на выходе из ТВП. Из рисунка видно, что минимальная температура газов возрастает со 150°С до 157°С. Это позволяет уменьшить и локальные температуры воздуха, поступающего в нижнюю часть входного сечения. В итоге для воздухоподогревателя с оптимальным профилем температуры воздуха, обеспечивающим одинаковые температуры стенки по высоте первого хода, потребовалось бы на 37% меньше теплобменной поверхности (при неизменном коэффициенте теплопередачи).
В условиях эксплуатации организация оптимального профиля температуры воздуха, определенного в § 3.3, позволяет при неизменном балансном подогреве воздуха и той же температуре уходящих газов повысить минимальную температуру металла и тем самым снизить скорость коррозии.
Так, например, в котлах ПК-38 Березовской ГРЭС (Белглавэнерго) воздух подается в ТВП с температурой Ы0°С, обеспечивая tcT - 128°С. При этом в результате коррозии труб ГРЭС вынуждена ежегодно менять первые ходы на десяти котлах. Одна лишь стоимость трубчатых секций, поставляемых для замены ежегодно - более 200 тысяч рублей. Стоимость ремонтов - около 100 тысяч рублей. При оптимальном профиле входной температуры воздуха в ТВП т150е
I
х
"о о "о
100'
icrM
Н=30000мг
275е
250
t =75*
газы з 10°
гаьы 1340°
-дУх=ИОс
Рис.5.3. Использование оптимального профиля входной температуры воздуха для уменьшения
О I мин
поверхности нагрева ТВП при заданных vyx и tCT (в расчётах принималось: Вт
м^ТГ
К=20
OLr
, Wr = 195 , g = 1,з ). этих котлов tcT может быть повышена на - Ю°С без изменения расхода тепла в калориферах и температуры уходящих газов. Это позволило бы уменьшить в 1,5*2 раза скорость коррозии и соответствую - щие затраты, указанные выше.
Для полного исключения сернистой коррозии ТВП персоналу Березовской ГРЭС было предложено использование рационального перекоса входной температуры воздуха в сочетании с каскадным способом подогрева.
Схема установки изображена на рисунке 5.4. Особенностью схемы является осуществление двухступенчатого предварительного подогрева входной порции воздуха: сначала в калорифере, затем в рециркуляционном преднагревателе. Это позволяет, получив основное тепло для нагреваемого воздуха от энергоемкого, но низкопотенциального пара, догреть затем дутьевой воздух до необходимой для исключения коррозии температуры небольшим количеством высокотемпературного рециркуляционного воздуха.
Рециркуляционный преднагреватель выполнен перекрестноточным. Грегацая среда проходит через него в направлении, противоположном движению газов в ТВП. Благодаря этому воздух на вход воздухоподогревателя поступает с благоприятным перекосом температуры по высоте. Организация такого перекоса позволила обойтись меньшим предварительным подогревом дутьевого воздуха. В результате потребовалась в 2 раза меньшая поверхность теплообмена для преднагревателя, уменьшились затраты на рециркуляцию, снизилась температура уходящих газов. По данной установке подана заявка $3493765 на изобретение, на которую получено положительное решение Госкомизобретений.
В 1982 году был выполнен проект реконструкции воздухоподогревателей Березовской ГРЭС по схеме рис. 5.4 силами СКВ ВТИ и ЗиО при участии автора. Завод изготовил и поставил на ГРЭС отдельные /1=0,07
воздух
Рис.5.4. Схема каскадных ТВП с рециркуляпионным преднагревателем, установленных на котлах ПК-38 Берёзовской ГРЭС.
узлы установки для станционных котлов 1*9 и 10. Монтаж схемы выполнен электростанцией в июне-августе 1983 года. С сентября установка находится в эксплуатации (приложение 6).
При участии автора сводной бригадой ЗиО и ГОжтехэнерго выполнена обрядка воздухоподогревателей измерительными приборами и проведены промышленные испытания новой установки на котле МО. Результаты показали, что после наладки тепловая эффективность КТВП и преднагревателя несколько выше проектной. По оценке Южтех- энерго, благодаря внедрению новой схемы, срок службы "холодных" секций ТВП на котлах и 10 увеличится до 7-8 лет.
По данным Березовской ГРЭС суммарный экономический эффект от внедрения установки ожидается в размере 200 тысяч рублей в год на один энергоблок (см.приложение 6).