ПРОБЛЕМЫ И БУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ.
Общеизвестное обострение в последние годы дефицита природных ресурсов резко усилило необходимость повышения эффективности использования топлива, снижения металлоемкости конструкций, уменьшения потерь стали из-за коррозии.
Котельные возлухоподогреватели являются одним из заметнейших технических устройств, совершенствование которых сулит значительный вклад в решение названных проблем.
Воздухоподогреватель является замыкающей теплообменной поверхностью котла и определяет, таким образом, степень утилизации тепла продуктов сгорания. С другой стороны, от уровня подогрева воздуха зависит полнота сгорания многих топлив. На изготовление воздухоподогревателей идет до 3040% всего металла котельных поверхностей нагрева. Огромен ущерб, причиняемый народному хозяйству низкотемпературной коррозией котельных воздухоподогревателей. По данным Главэнергоремонта на восстановление трубчатых и регенеративных воздухоподогревателей за год расходуется до 50 тысяч тонн стали.В советских паровых котлах применяются, как известно, два серийных типа аппаратов для нагрева дутьевого воздуха: регенеративные воздухоподогреватели с вращающимся ротором (РВВ) и стальные трубчатые воздухоподогреватели (ТВП). В течение десятилетий их конструкции развиваются параллельно. Будучи вначале абсолютно преобладающими в отечественной энергетике, трубчатые воздухоподогреватели с начала 60-х годов стали вытесняться регенеративными. В последние годы этот процесс затормозился. Наряду с котлами малой мощности крупнейшие угольные котлы Канско-Ачинского и Экибастузского топливно-энергетических комп-
лексов оснащаются трубчатыми воздухоподогревателями новых конструкций.
Развитие двух типов аппаратов, различающихся своими техническими характеристиками и эксплуатационными ограничениями, обеспечивает достаточную гибкость проектирования и возможность учета меняющихся экономических факторов: соотношения междо трудовыми и материальными ресурсами, стоимости топлив, требований к надежности оборудования, защите окружающей среды и т.д..
По-видимому основными для регенеративных и трубчатых воздухоподогревателей можно считать различия по четырем характеристикам: компактность поверхности нагрева, герметичность газового и воздушного трактов, схема движения теплоносителей (противоток - перекрестный ток), сложность устройства (механизм - статичная конструкция) .
Не все указанные особенности РВВ и ТВП можно безоговорочно отнести к достоинствам или недостаткам.
Так, высокая компактность набивки, в сочетании с противоточным движением сред, обеспечивает существующим регенеративным воздухоподогревателям некоторое преимущество перед ТВП по весо-габаритным показателям. Однако, с появлением высоко зольных топлив, на ряде электростанций РВВ из-за малых проходных сечений набивок стали забиваться золой. Это явление отмечено как в СССР /I/, так и за рубежом /2,3/. Аэродинамические сопротивления газового и воздушного трактов при забивании РВВ резко возрастают (в 2-3 раза), увеличиваются затраты на собственные нужды, недоохдаж,даются уходящие газы. Замена на котлах П-57 регенеративных воздухоподогревателей , не подверженными забиванию трубчатыми дала, по сведениям Рефтинской ГРЭС, годовой экономический эффект при эксплуатации в 76 тысяч рублей на один котел.Второй пример: перекрестное движение теплоносителей в ТВП является причиной пониженного среднего температурного напора. Однако в последнее время осознаются некоторые положительные свойства перекрестного тока, например, возможность отбора воздуха с различными температурами из одного выходвого воздуховода.
Такая переоценка роли коренных особенностей конкурирующих типов воздухоподогревателей с развитием техники склоняет к выводу, что вопрос о предпочтительности одного из них для некоторых видов топлив не может быть решен раз и навсегда.
Имеющиеся в литературе весьма полезные сравнения EBB и ТВП (см. например /4,5/) отражают результаты, достигнутые к совершенно определенному времени. Особую ценность представляют публикации, в которых выполнено не только качественное, но и количест - венное сопоставление показателей EBB и ТВП /4,6,7/. Подобные сравнения для конкретных котлов имеются в некоторых научно-технических отчетах Подольского машиностроительного завода им.Орджоникидзе (ЗиО).
Главные технико-экономические показатели воздухоподогревателей можно разделить на 4 группы:
а) весо-габаритные характеристики;
б) трудоемкость и стоимость изготовления;
в) трудоемкость и стоимость эксплуатации;
г) вклад в экономичность котла (максимальный нагрев воздуха, минимальная температура уходящих газов).
Как уже упоминалось, веса и размеры у трубчатых воздухоподогревателей больше, чем у регенеративных.
Наблюдается однако тенденция сближения этих показателей для ТВП и EBB. Значительный вклад в снижение габаритов и металлоемкости ТВП внесен с разработкой и внедрением Z-перекрестных воздухоподогревателей /8/.-Снижение веса регенеративных воздухоподогревателей, несмотря на активные работы по созданию высокоинтенсифицированных набивок /9-13/, идет медленнее, так как в EBB на долю поверхности нагрева приходится менее половины металла всего аппарата.
Трудоемкость изготовления и монтажа по-прежнему у EBB значительно (в 2 и более раз) выше, чем у ТВП /6,7/. В результате несколько выше и стоимость регенеративных воздухоподогревателей.
Одним из важнейших преимуществ EBB считается большая, чем у ТВП надежность при работе на сернистых и абразивных топливах. Регенеративные воздухоподогреватели обеспечивают меньшую трудоемкость и стоимость эксплуатации, чем ТВП старых конструкций, зо- ловой износ и низкотемпературная коррозия которых приводит к большим присосам воздуха в газовый тракт и необходимости частых ремонтов. В последние годы для ТВП специалистами ЗиО и УралВТИ разработаны эффективные золозащишые устройства /14/, препятствующие износу поверхности нагрева даже при работе на высокоабразивной экибасаузской золе.
К проблеме защиты от низкотемпературной коррозии вообще меняется подход. До недавнего времени ставилась задача снижения скорости коррозии поверхности нагрева воздухоподогревателей до некоторого "приемлемого" уровня, в расчете компенсировать потери металла глубоким охлаждением уходящих газов. Эти требования гораздо легче удовлетворялись при использовании EBB путем выделения заменяемого холодного слоя набивки, применения эмалированных и керамических набивок. Кроме того, в определенных пределах выход из строя части холодной набивки EBB почти не сказывается на эффективности его работы. Замена прокорродировавших секций ТВП является более дорогим и трудоемким мероприятием. К тому же ско - рость коррозии, при равных температурах уходящих газов и холодного воздуха, в ТВП больше, чем в РВВ.
Однако многолетний опыт эксплуатации котлов, сжигающих сернистые топлива, показал /15-18/, что поддержание чрезмерно низких температур уходящих газов нецелесообразно из-за коррозии расположенных за воздухоподогревателем газоходов и дымососов.
Эти процессы сопровождаются увеличением присосов (до 50 %),резким увеличением затрат энергии на собственные нужды и расходов на очистку, воздухоподогревателей от загрязнений. В настоящее время Всесоюзным тепло техническим институтом рекомендуется поддерживать температуру уходящих газов по крайней мере на 10° выше точки росы /19-21/. В этих условиях имеется возможность защитить воздухоподогреватели от коррозии и загрязнения с помощью каскадного способа подогрева воздуха /22/. Высокая надежность каскадных ТВП конструкции ЗиО подтверждена практикой эксплуатации их в II котлах мощностью от 75 до 300 Мвт на подмосковном угле болгарских лигнитах и высокосернистом мазуте /23/.При сжигании высоковлажных и низкореакционных топлив существует, как известно, проблема высокого подогрева воздуха, актуальность которой возрастает в связи с наблюдающимся ухудшением качества топлив. В этом отношении ТВП имеют традиционное преимущество перед регенеративными воздухоподогревателями /24/, позволяя получать более горячий воздух и, тем самым, обеспечить меньшие потери от механического недожога.
При небольших содержаниях серы в топливе Фактором, ограничивающим глубокое охлаждение дымовых газов, становится малый температурный напор на горячем конце воздухоподогревателя. Это ограничение позволяет обойти подача вместе с дутьевым воздухом избы - точного, используемого в дальнейшем в качестве энергоносителя для потребителей тепла или в схеме подогрева питательной воды /25/. Такое решение приемлемо и для регенеративных и для трубчатых воздухоподогревателей, хотя возможности использования EBB в системах избыточного воздуха более ограничены ввиду запыленностивыходящего из набивки воздуха.
Для преодоления перечисленных проблем во всем спектре условий эксплуатации котельных агрегатов, разумным надо признать создание научно-технического задела по развитию обоих типов воздухоподогревателей. Этот вывод лежит в основе ведущихся на ЗиО изысканий, часть которых представлена автором в настоящей диссертации.
Отражением указанной научной позиции является и структура данной работы: изложение объединено в два раздела, содержащих исследования по трубчатым и регенеративным воздухоподогревателям.Следует отметить, что резервы теплового совершенствования трубчатых воздухоподогревателей одно время считались почти исчерпанными. Определенную роль в формировании такого представления сыграла ограниченность расчетных методик. Основанные на чрезмерно идеализированных моделях многоходового перекрестного тока или эмпирических формулах, эти методики не позволяли усмотреть возможности повышения эффективности воздухоподогревателей за счет рационального использования неравномерностей температур сред. Численные поэлементные расчеты перекрестного тока явились тем инструментом анализа, с помощью которого были обнаружены важные особенности работы воздухоподогревателей, определено влияние перекосов входных температур на средний температурный напор и температурный режим конструкции в этих аппаратах /26,7/. Новые сведения породили целую серию изобретательных находок, позволивших разносторонне улучшить трубчатые воздухоподогреватели. В первую очередь надо отметить создание уже упоминавшихся Z-перекрестных ТВП, дающих экономию до 30% металла по сравнению с традиционным/ С-пере- крестом /7,27/. Z"-перекрестными воздухоподогревателями оснащены мощные котлы П-57, П-57Р.(500 Мвт) и П-67 (800 Мвт) Экибастузско- го и Канско-Ачинского топливно-энергетических комплексов.
Весьма эффективной для борьбы с низкотемпературной коррозией
на маяосернистых тошгавах оказалась подача воздуха на вход ТВП с неоднородным профилем температур /7,28/. Задача получения горячего воздуха с различными температурами (первичного и вторичного) обрела простое решение: отбор воздушных потоков из разных зон выходного сечения ТВП /7/.
Источником развития трубчатых воздухоподогревателей стало также применение упоминавшегося каскадного способа подогрева воздуха, позволяющего предотвратить низкотемпературную коррозию ТВП даже при работе на высокосернистых мазутах.
В процессе разработки этих нетрадиционных направлений развития воздухоподогревателей неизбежно возникла необходимость создания удобных методов расчета новых аппаратов, а также уточнения старых методик.
Решению этой задачи в значительной мере посвящены исследования, результаты которых изложены в первых четырех главах диссертации. Они включают инженерные методики расчета минимальной температуры стенки в ТВП, среднего температурного напора в одно- ходовом и двухходовых С- и Z-ТВП с неравномерными по сечению входными температурами сред, методику проектирования каскадных ТВП.Общей отличительной чертой новых методик является учет нерав- номерностей температур сред, как имеющихся на входе в теплообменник, так и неизбежно образующихся внутри него из-за специфики перекрестного тока.
Стремясь построить расчетную базу, способную служить аппаратом исследования различных модификаций перекрестного тока, автор отказался от применения эмпирических коэффициентов. Расчетные формулы выведены непосредственно из уравнений, описывающих достаточно общие теоретические модели, а точность их проверена в частных случаях сравнением с результатами многократно апробированных численных расчетов. Применение полученных при таком подходе рас-
четных методик позволило обнаружить резервы и наметить новые пути совершенствования трубчатых воздухоподогревателей.
В диссертации представлены примеры реализации вскрытых возможностей и разработанные при участии автора конкретные технические решения (некоторые на уровне изобретений) по совершенствованию ТВП. Среди них выделяется одна из разработок, доведенная до практического использования на котлах ПК-38 и проверенная промышленными испытаниями - каскадный ТВП с рециркуляционным преднагре- вателем.
Работы по совершенствованию регенеративных вращающихся воздухоподогревателей, выполненные до середины 70-х годов, освещены в литературе достаточно полно /4,5,12/. В последние годы активно велись поиски интенсифицированных стальных и неметаллических набивок. В первую очередь можно отметить разработанную совместно с венгерскими специалистами просечную набивку /13/, металлоемкость которой,по данным ВТИ,в 1,7 раза, а сопротивление на 30$ меньше, чем у стандартной интенсифицированной набивки при равном тепло- съеме.
"Для работы на сернистых тошгавах предложены в качестве набивки шлакоситалловые и фарфоровые пластины с выступами различной форглы /29/. Такая поверхность нагрева наделено противостоит коррозии, обладает большей механической прочностью и допускает более простую конструкцию креплений, чем известные ранее керамические блоки и трубки. Вместе с тем проблемы загрязнения набивки, а также коррозии металлических креплений пакетов и элементов ротора остаются нерешенными. Во втором разделе диссертации представлены разработки по защите регенеративных воздухоподогревателей от коррозии, базирующиеся на концепции обеспечения достаточно высокой температуры материала конструкции. Идея анизотропной теплообменной поверхности,
обладающей существенно различными коэффициентами теплоотдачи при обдуве в противоположных направлениях, лежит в основе работ по новым коррозионностойким набивкам, описанным в главе 6. Там же предложена высокоэффективная жалюзийная набивка для работы в первую очередь на топливах с крупно дисперсной золой. Глава седьмая посвящена созданию коррозионностойких РВВ, в которых все элементы, контактирующие с газами, имели бы температуру выше точки росы. Предложены конструкции таких аппаратов, выполнена экспериментальная отработка наиболее ответственных узлов, дано обоснование характеристик по разработанному с участием автора техническому проекту коррозионностойкого EBB для котлов Конаковской ГРЭС.