Методика технико-экономической оптимизации тепловой схемы котлоагрегата с системой газоочистки

УДК 621.181.4:622.96

Н.В. Пономарева, А.А. Родионов

МЕТОДИКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ КОТЛОАГРЕГАТА С СИСТЕМОЙ ГАЗООЧИСТКИ

Статья посвящена вопросам энергосбережения в энергетических пылеугольных котельных установках, оснащенных системами очистки продуктов сгорания от оксидов серы и азота. Представлена методика комплексной оптимизации совместно работающих котла и системы газоочистки, позволяющая определить одновременно рациональную компоновку конвективной части котлоагрегата и оптимальные геометрические характеристики всех аппаратов системы газоочистки. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании систем газоочистки для модернизируемых пылеугольных котлоагрегатов промышленных предприятий и ТЭС.

Энергосбережение, энергетическая пылеугольная котельная установка, система очистки продуктов сгорания

N.V. Ponomareva, A.A. Rodionov METHOD OF TECHNO-ECONOMIC OPTIMIZATION BOILERS WITH THERMAL CIRCUIT GAS PURIFICATION SYSTEM

This article is devoted to energy efficiency in coal-fired power boiler plant with a system of cleaning combustion products of sulfur and nitrogen oxides. A method for complex optimization of working together as the boiler and gas cleaning system, which allows to determine both the rational layout of the convective part of the boiler and optimal geometric characteristics of all vehicles gas cleaning system. The results can be used in designing gas cleaning systems to retrofit coal-fired boilers of industrial plants and thermal power plants.

Power savings, power dustcoal boiler installation, system clearing of products of combustion

Происходящие в настоящее время изменения нормативной базы и общего отношения к защите окружающей среды от выбросов ТЭС свидетельствуют о том, что наблюдается переход от рассеивания выбросов к их сокращению. Одной из актуальных проблем отечественной электроэнергетики является сокращение выбросов оксидов серы и азота.

Для вновь вводимых ТЭС, на которых должны быть обеспечены новые нормативы удельных выбросов NOx и SO2, необходимо применение хорошо отработанных в зарубежной практике технологий [1]. Однако решение экологических проблем является определяющим не только при строительстве новых тепловых электростанций и развитии крупных топливноэнергетических комплексов, но и при реконструкции, расширении, техническом перевооружении действующих ТЭС.

При рассмотрении проблем экологии следует помнить, что их решение требует больших капитальных затрат. Так, например, установка газоочистных устройств на энергоблоке увеличивает капитальные вложения на 30-40%. Эксплуатация установок по очистке продук-

190

тов сгорания также сопряжена со значительными энергетическими затратами на проведение технологического процесса.

Данная статья посвящена проблеме энергосбережения в тепловой схеме котлоагрегата, оснащенного системой очистки продуктов сгорания от N0 и Б02, на действующих пылеугольных ТЭС.

За основу принята комплексная установка очистки продуктов сгорания твердого топлива от золовых частиц, окислов серы и азота, включающая электрофильтр, сероулавливающую установку, работающую по мокрому известняковому методу, и установку селективного каталитического восстановления (СКВ) окислов азота. Данный вариант газоочистной установки принят с учетом отечественного опыта развития и освоения технологий очистки газов, а также зарубежного опыта строительства газоочистных установок. Предлагаемая схема рассматривается применительно к тепловым электрическим станциям с поперечными связями, работающим на угле Экибастузского или Кузнецкого месторождений, с котлоагрегатами ПК-14.

Отходящие от котла продукты сгорания последовательно проходят различные стадии очистки. После котла устанавливается электрофильтр для удаления золовых частиц. Далее газы поступают в полый скруббер, который орошается известковым молоком. В результате химической реакции, протекающей в скруббере, происходит удаление оксидов серы. После скруббера температура продуктов сгорания достигает 55 оС. Следующей стадией очистки продуктов сгорания стадия является удаления оксидов азота в реакторе селективнокаталитического восстановления. Для осуществления данного процесса необходим высокий температурный уровень, так как эффективно процесс может протекать при температуре 250...400 оС. Таким образом, возникает необходимость подогрева очищаемых продуктов сгорания с 55 оС до 250.400 оС. В известных на сегодня технических решениях данный подогрев обеспечивается в расположенных последовательно по ходу продуктов сгорания теплообменнике-регенераторе и подогревателе. В подогревателе нагрев продуктов сгорания осуществляется либо за счет теплоты, выделяющейся при сжигании природного газа, либо за счет теплоты перегретого пара, отбираемого после котла. Оба способа сопряжены со значительными эксплуатационными расходами на очистку продуктов сгорания, а использование пара в системе подогрева продуктов сгорания ведет также и к уменьшению выработки электроэнергии на ТЭС и к снижению КПД паротурбинной установки в целом. Предложенный в /2/ способ подогрева продуктов сгорания за счет теплоты воздуха, полученной в процессе утилизации теплоты отходящих газов в трубчатом воздухоподогревателе котла, не приводит к снижению выработки электроэнергии на ТЭС, однако требует комплексной модернизации конвективной части котлоагрегата с применением интенсифицированных поверхностей нагрева. Этот способ также сопровождается значительными эксплуатационными издержками на прокачку воздуха через воздухоподогреватель и существенными капитальными вложениями в эту поверхность нагрева. Таким образом, решение задачи снижения капитальных и эксплуатационных затрат на обеспечение минимальных выбросов оксидов серы и азота должно осуществляться путем поиска рациональных схем и рабочих параметров системы газоочистки в комплексе с оптимальными компоновками конвективных поверхностей котло-агрегата.

В данной работе рассмотрены несколько вариантов схем подогрева продуктов сгорания перед реактором СКВ: 1 вариант - подогрев осуществляется в парогазовом теплообменнике за счет теплоты насыщенного пара, отбираемого из барабана котла. При этом конвективная часть котлоагрегата не модернизируется и остается в заводской комплектации. 2 вариант - подогрев продуктов сгорания осуществляется в газовоздушном теплообменнике за счет теплоты, воздуха, нагретого в воздухоподогревателе котла за счет теплоты уходящих газов. В этом случа, конвективная часть котлоагрегата модернизируется с применением в во-

дяном экономайзере компактных интенсифицированных поверхностей нагрева, позволяющих разместить дополнительную поверхность воздухоподогревателя в газоходе котла. 3 вариант - подогрев продуктов сгорания перед реактором СКВ осуществляется комбинированным способом (рисунок 1) - частично в парогазовом теплообменнике, затем в газовоздушном. Такая схема также предусматривает модернизацию конвективной части котлоагрегата с применением интенсифицированных поверхностей нагрева, а также предполагает поиск оптимального распределения тепловосприятий между парогазовым и газовоздушным теплообменниками системы очистки продуктов сгорания. Кроме этого реализация данного варианта с минимальными затратами будет возможна только при условии нахождения оптимального тепловосприятия между конвективными поверхностями нагрева котлоагрегата и комплексном технико-экономическом анализе всей рассматриваемой системы «котел-система газоочистки».

Для решения поставленных задач была разработана математическая модель котлоагрегата во взаимодействии с системой очистки дымовых газов от оксидов серы и азота. Данная математическая модель имеет модульную структуру, подразделяющуюся на блоки: «котлоагрегат»; «установка «мокрой» сероочистки»; «реактор селективного каталитического восстановления оксидов азота».

В основе математической модели блока «котел» находится нормативный метод расчета котлоагрегата, с учетом применения оребренных конвективных поверхностей нагрева и взаимосвязи котла с парогазовым и газовоздушным теплообменниками, установленными после блока сероочистки.

На основе экспериментальных данных исследований по процессам каталитического восстановления оксидов азота разработана математическая модель реактора селективного каталитического восстановления оксидов азота [3].

Применение разработанной математической модели позволяет проследить параметры работы котлоагрегата вместе с системой очистки дымовых газов и провести многофакторные исследования по нахождению оптимальной конфигурации компоновки хвостовых поверхностей котлоагрегата и вариантов технологической схемы системы очистки дымовых газов от оксидов серы и азота.

Для нахождения оптимальной компоновки конвективной шахты котлоагрегата, работающего в непосредственной взаимосвязи с системой очистки продуктов сгорания, была разработана методика технико-экономической оптимизации.

Рис.1. Принципиальная схема системы очистки дымовых газов от оксида серы, азота: 1 - котел ПК-14; 2 - абсорбер очистки от БОх; 3 - реактор селективной каталитической очистки от КОх;

4 - регенеративный теплообменик; 5 - трубчатый газовоздушный теплообменник; 6 - парогазовый теплообменик; 7 -емкость хранения жидкого аммиака; 8 - испаритель аммиака; 9 - смеситель;

10 - ввод и раздача АВС; 11 - дымовая труба; 12 - электрофильтр

За критерий оптимальности принята изменяющаяся часть годовых расчетных затрат в энергетическую установку определяемая выражением (1):

АЗгод = АЗгод '

где АЗгод - изменяющаяся часть годовых эксплуатационных затрат, не зависящих от уровня капиталовложений, руб./год;, рам и ро - доли затрат на амортизацию и обслуживание оборудования, зависящие от объема капиталовложения, 1/год; АК - изменяющаяся часть капитальных затрат, руб.; у н - коэффициент, учитывающий существующий уровень налоговых отчислений в федеральный и региональный бюджеты;

Для схемы «котел-система газоочистки» применительно к решению задач модернизации котла на твердом топливе изменяющаяся часть годовых эксплуатационных затрат может быть выражена следующим образом, руб./год, выражение (2):

АЗгод = АЗтоп. + Зс.о. + Заммиак + АЗэл.эн. + АЗэф. + Зк.м.,

где АЗтоп - изменение затрат на топливо; Зс о - затраты на известь и воду в установке сероочистки; Заммиак - затраты на аммиак; АЗэлэн - изменение затрат на электроэнергию для привода насосов, дымососов, вентиляторов; АЗэф - изменение затрат на электроэнергию для

обеспечения работы электрофильтра; АЗк м - затраты на катализаторную массу.

Дополнительные капиталовложения в модернизацию котла определяются его исходным состоянием. Для случая, когда уже эксплуатируемый котел оборудован только электрофильтрами изменяющаяся часть капитальных затрат может быть определена по выражению (3), руб. :

АК = АККПН + АКСО + АКТР + АКТПВ + АКТПП + АКСКВ

где АККПН - капитальные затраты на реконструкцию конвективных поверхностей нагрева котлоагрегата (воздухоподогревателя и экономайзера); АКСО - капитальные затраты в установку сероочистки; АКТР - капитальные затраты на теплообменник-регенератор; АКТПВ - капитальные затраты на теплообменник-подогреватель воздушный; АКТПП - капитальные затраты на теплообменник-подогреватель паровой; АКСКВ - капитальные затраты на реактор СКВ.

Капитальные затраты в систему сероочистки определяются по выражению (4):

АК = к • М • Ц ,

с.о. п с.о. ^ мат.с.о.’ V /

где кп - поправочный коэффициент, учитывающий затраты на монтаж, ед.; Мсо - масса абсорбера, т; Цмат.с.о. - удельная стоимость применяемого материала, руб./т.

Для оценки капитальных затрат в реконструкцию воздухоподогревателя целесообразно использовать металлоемкость агрегатов, зависящую от габаритов и толщины стенок, выражение (5):

АКкпн = кп • Мкпн • Цмат ,

где кп - поправочный коэффициент, учитывающий затраты на монтаж, ед.; МКПН - масса конвективной поверхности нагрева, т; Цмат - удельная стоимость применяемого материала, руб./т.

Капитальные затраты на теплообменник-регенератор:

АК = к • М • Ц ,

т.р. п т.р. ^мат. ’ V /

где кп - поправочный коэффициент, учитывающий затраты на монтаж, ед.; Мтр - масса теплообменника-регенератора, т; Цмат - удельная стоимость применяемого материала, руб./т.

Капитальные затраты на теплообменник подогреватель, в котором в качестве греющего теплоносителя используется воздух, оцениваются по следующему выражению (7):

ЛКт.п.= кп • Мтпв • Цмат.,

где кп - поправочный коэффициент, учитывающий затраты на монтаж, ед.; Мтпв - масса теплообменника-подогревателя, т; Цмат - удельная стоимость применяемого материала, руб./т.

Капитальные затраты на теплообменник-подогреватель, в котором в качестве греющего теплоносителя используется насыщенный пар из барабана котла, оцениваются по следующему выражению (8):

ЛКт.п.= кп • Бтпп • Цтпп ,

где к п - поправочный коэффициент, учитывающий затраты на монтаж, ед.; Ртпп - поверхность теплообмена теплообменника-подогревателя, м ; Цтпп - удельная стоимость поверхности теплообмена, руб./м2.

Капитальные затраты на реактор СКВ определяются по выражению (9):

ЛК = к • V • Ц ,

скв п к.м. ^ к.м.’ V /

где кп - поправочный коэффициент, учитывающий затраты на монтаж, ед.; ^м - объем ка-тализаторной массы, м3; Цкм. - удельная стоимость катализаторной массы, руб./м3. Изменение эксплуатационных затрат на топливо определяются (10):

ЛЗ =

топ V т.м. т/ '

где Втм - расход топлива после модернизации котла, т/ч; Вт - расход топлива до модернизации котла, т/ч; т - годовое число часов использования установленной мощности, ч/год ; Цт - удельная стоимость топлива, руб./т.

Затраты на известь и воду в систему сероочистки, выражение (11):

ЛЗ„.=

где Оизв - расход извести, т/ч; Овода - расход технической воды, м3/ч; т - годовое число часов использования установленной мощности, ч/год ; Цизв - удельная стоимость извести, руб./т ; Цвода - удельная стоимость технической воды, руб./м3.

Затраты на аммиак в системе очистки дымовых газов от оксида азота, выражение (12):

ЛЗ = О -т-Ц ,

аммиак аммиак аммиак

где О аммиак - расход аммиака, м3/ч ; т - годовое число часов использования установленной мощности, ч/год ; Цаммиак - удельная стоимость аммиака, руб./м3.

Изменение эксплуатационных затрат на электроэнергию для привода насосов, дымососов, вентиляторов. выражение (13):

ЛЗ„,„.=

где N - мощность, потребляемая насосами, дымососами, вентиляторами модернизированного котла с системой очистки дымовых газов, кВт ; N - мощность, потребляемая насосами, дымососами, вентиляторами до модернизации котла без системы очистки дымовых газов, кВт ; т - годовое число часов использования установленной мощности, ч/год ; Цээ - стоимость электроэнергии с учетом тарифной политики в регионе, руб./ (кВт • ч).

Затраты на катализаторную массу для реактора СКВ определяются выражением (14):

Зк.м. = Т- • М„,/ Ц„,.,

с

где Тс - срок службы катализатора, год.; Мк м - масса катализатора, т; Цк м - стоимость единицы массы катализатора, руб./т .

При оптимизации схем и рабочих параметров различных вариантов компоновки котло-агрегата, работающего совместно с системой очистки дымовых газов, по выбранному критерию необходимо привести варианты в сопоставимый вид. Должно соблюдаться условие энергетической и экономической сопоставимости. Экономическая сопоставимость предполагает при расчете экономических критериев использование одинаковых цен на материалы и оборудование.

Энергетическая сопоставимость вариантов, при дополнении котла системой очистки дымовых газов, предполагает постоянство количества (D пар = const) и параметров пара, отпускаемого котлоагрегатом в паровой коллектор ТЭС. При этом должны соблюдаться одинаковые условия воздействия всех рассматриваемых вариантов на окружающую среду (MNOx+ Mso2+Mso3=CO^i).

Выводы

1. Для глубокой очистки дымовых газов от оксидов серы и азота эффективней применять вынесенные за пределы котла системы очистки дымовых газов. Анализ различных способов очистки показал, что наиболее эффективными, обеспечивающими степень очистки 98-99%, являются электрофильтр, мокрая известковая сероочистка и селективное каталитическое восстановление оксидов азота аммиаком.

2. Разработана математическая модель системы «котлоагрегат- система газовой очистки». В основе математической модели блока «котел» находится нормативный метод расчета котло-агрегата, с учетом применения оребренных конвективных поверхностей нагрева и взаимосвязи котла с парогазовым и газовоздушным теплообменниками, установленными после блока сероочистки

3. Для пылеугольного котлоагрегата, работающего во взаимосвязи с системой очистки продуктов сгорания, была разработана методика технико-экономической оптимизации, позволяющая определить одновременно рациональную компоновку конвективной части котло-агрегата и оптимальные геометрические характеристики всех аппаратов системы газоочистки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пономарева Н.В. Некоторые проблемы снижения вредных выбросов от действующих котельных установок / Н.В. Пономарева, М.А. Агеев // Электро- и теплотехнологические процессы и установки: межвуз. наун. сб. Саратов: Сарат. гос техн. ун-т, 2003. С.219-225.

2. Агеев М.А. Оптимизация схем и рабочих параметров систем глубокой очистки дымовых газов при модернизации твердотопливных промышленных энергоустановок: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Саратов; 2010. - 20 с.

BIBLIOGRAPHY

1. Ponomareva N.V. 1. Some of a problem of decrease in harmful emissions from operating boilers installations / N.V. Ponomareva, M.A.Ageev // Electro- and industrial heat processes and installations: Interhigh school scientific collection. Saratov: SSTU, 2003. Р. 219-225.

2. 2. Ageev M. A. Optimization of schemes and working parameters of systems of deep clearing of smoke gases at modernization hard gas industrial power installations: the Author's abstract. Dissertations. Cand.Tech.Sci. Saratov; 2010.20 with.

Пономарева Наталия Владимировна-

кандидат технических наук, доцент кафедры «промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета

Ponomareva Nataliya Vladimirovna-

Candidate of Technical Sciences, Docent of the Department of «Industrial heat engineering» of Saratov State Technical University

Агеев Михаил Александрович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета Морев Александр Александрович -учащийся, магистрант кафедры «промышленная теплотехника» Саратовского государственного технического университета

Ageev Mikhail Aleksandrovich -

Candidate of Technical Sciences, Docent of the Department of «Industrial heat engineering» of Saratov State Technical University Morev Aleksandr Aleksandrovich -Student, Master of the Department of «Industrial heat engineering» of Saratov State Technical University