Методика расчета температуры точки росы уходящих газов при смешанном сжигании газа и мазута в топках

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРЫ ТОЧКИ РОСЫ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ, ПРИ СМЕШАННОМ СЖИГАНИИ ГАЗА И МАЗУТА В ТОПКАХ КОТЛОВ

С.А. ЛИВШИЦ, В.А. ЛЕБЕДЕВ, Р.В. ЛЕБЕДЕВ Казанский государственный энергетический университет.

Предложена методика, на основе которой возможно более детальное изучение влияния совместного сжигания газообразного и жидкого топлива на интенсивность образования окислов азота и серы, а также разработка рекомендаций по оптимизации процесса сжигании.

Вопрос, связанный с обеспечением надежной и экономичной работы тепловых электростанций, остается одним из актуальных для российской энергетики. Этот вопрос имеет особое значение при современном состоянии отечественной теплоэнергетики вследствие исчерпания расчетного ресурса основного типового оборудования, расширения использования непроектных или несжигавшихся ранее топлив, потребности освоения энерго- и экологосберегающих технологий топливоиспользования.

На многих электростанциях, особенно в период пиковых нагрузок, вопреки технологическому регламенту, приходится одновременно сжигать несколько видов топлив (уголь с мазутом, уголь с газом, газ с мазутом). Подобная практика оправдана не только наличием топливного дисбаланса на предприятии, но и попыткой решить задачу стабилизации факела горелки. На сегодняшний день при организации совместного сжигании газа и мазута не существует надежных методик комплексной оценки влияния таких параметров, как температура точки росы уходящих газов и величин удельных концентраций N0* и 80* на эффективность работы паровых котлоагрегатов. Данный вопрос широко обсуждается в научно-технических публикациях, но не нашел еще однозначного решения.

Особую сложность представляет нахождение температуры точки росы уходящих газов при совместном сжигании топлив, так как именно этот параметр оказывает решающее влияние на экономичность работы парового котла, поскольку снижение температуры уходящих газов на каждые 10-15°С приводит к повышению КПД котла примерно на 1%. Как показывает практика эксплуатации паровых котлов, наибольшее влияние на показатель температуры точки росы оказывает концентрация 80* в продуктах сгорания. Окислы серы в смеси с водяными парами при конденсации образуют на хвостовых поверхностях котлов серную кислоту. При сжигании высокосернистых топлив (мазута и некоторых углей) это является одной из причин снижения надежности и экономичности котлов. Поэтому вопрос точного определения температуры точки росы уходящих газов приобретает особую остроту. В многочисленных теоретических исследованиях, проводимых различными научными группами [1-7], достаточно подробно освещен вопрос получения сернистого ангидрида при сжигании раздельных видов топлива, приведены некоторые эмпирические зависимости. Для частных случаев получены графические зависимости генерации 803 при сжигании различных видов топлив в зависимости от избытков воздуха, нагрузки, температуры факела, марки котлов и т.д. Работы по определению температуры

© С.А. Лившиц, В.А Лебедев, Р.В. Лебедев Проблемы энергетики, 2008, № 3-4

сернокислой точки росы уходящих газов также велись преимущественно для отдельных видов топлив. Результаты вычислений, полученные благодаря выведенным зависимостям, дали удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными, но в процессах совместного сжигания топлив оказались неприемлемы. В частности, методики, основанные на известном принципе аддитивности, применительно к задаче смешанного сжигания показали большие расхождения с опытными данными - порядка 25% + 30%, что значительно превышает погрешности, допустимые в технических расчетах. В последнее время появились работы, направленные на корректировку расчетных методик с целью учета влияния N0* и 80* [8, 9].

Концентрация, N0*, как показывают экспериментальные данные, существенно зависит от состава топлива. Так в [8] отмечается снижение на 3050% концентрации N0* в условиях совместного сжигания газа с мазутом, по сравнению с наивысшей концентрацией окислов азота при сжигании одного лишь мазута. Однако этот вопрос требует еще более глубокого изучения.

С точки зрения эффективности процесса горения, при смешанном сжигании газа и мазута дополнительный эффект достигается более полным заполнением объема камеры сгорания светящимся факелом, что вызывает заметное изменение температуры факела в зоне активного горения. Газ сгорает на начальном участке факела с более высокой скоростью, чем мазут. Это вызывает «растягивание» зоны активного горения и приводит к дополнительному снижению максимальной температуры в ядре факела. Снижение N0* при комбинированном сжигании газа и мазута требует дополнительного анализа.

В задачу настоящего исследования входит нахождение комплекса методов: по снижению N0* в продуктах сгорания и оптимизации параметров уходящих газов с учетом влияния температуры точки росы. Следствием этого должно оказаться оптимальное выстраивание топочного режима и нахождение коридора допустимых температур, при которых уходящие газы будут иметь наименьшую, возможную в условиях эксплуатации котлов, температуру.

Предлагается методика расчета температуры точки росы уходящих газов при смешанном сжигании в различных пропорциях газа и мазута в топках котлов. Расчеты осуществлены на примере Ульяновской ТЭЦ-2. Испытания проводились на котлах типа ТПЭ-429, во время испытаний использовались газоанализаторы типа ТЕ8Т0-33.

Перечень произведенных измерений и анализируемых параметров приведены в табл. 1.

Разработанная методика имеет следующий вид:

истинный расход пара парогенератора определяется по формуле [1], т/ч.

Бк = Б

^ист

V.

Уд

где Бп - расход пара по показаниям паромера, т/ч; Уд - действительный удельный объем перегретого пара, м3/ч; Уг - удельный объем пара при градуировочных

параметрах (градуировочной температуре * прад и градуировочном давлении Р^раД по паспорту прибора), м3/ч.

Сводная таблица экспериментальных данных

№ Наименование Единицы измерения Номер опыта

1 2 3 4 5

1 Тип котла станции - ТПЕ-429 2А ТПЕ-429 1Б ТПЕ-429 1А ТПЕ-429 1А ТПЕ-429 1А

2 Давление перегретого пара атм 132 131 132 140 140

3 Температура перегретого пара °С 555 555 555 555 555

4 Расход перегретого пара т/ч 395 375 275 320 382

5 Расход питательной воды т/ч 400 375 275 320 380

6 Температура воздуха перед дутьевым вентилятором °С 18 23 32 32 28

7 Температура воздуха перед РВП °С 90-96 55 40 36 43

8 Температура уходящих газов за РВП °С 168-185 159 126 132 165

9 Температура уходящих газов за дымососом °С 170 180 140 150 195

10 Избыток воздуха в режимном сечении - 1,063 1,037 1,065 1,037 1,057

11 Расход газа на котел м3/ч 18000 19000 19000 10500

12 Расход мазута на котел кг/ч 30200 11000 3500 7500 19500

13 Число горелок работающих на мазуте - 8 3 1 2 5

14 Число горелок работающих на газе - 0 5 7 6 3

15 Кислород в дымовых газах % 1,3 0,8 1,55 0,8 1,2

16 Температура точки росы дымовых газов °С 157,5 113,0 102,4 105,8 136

Далее производится определение тепловой нагрузки котельного агрегата,

МВт:

6? = [ Б£ст

где г'п - энтальпия перегретого пара, кДж/кг; гпв - энтальпия питательной воды, кДж/кг; гпр - энтальпия продувочной воды, кДж/кг; впр - расход продувочной

воды, т/ч (определяется эмпирически); Бист - истинный расход пара, т/ч. Уточненный расход мазута вычисляется по формуле [2], кг/ч:

© Проблемы энергетики, 2008, № 3-4

Вм =

' екр

Пк

- Вг е р.

Ор

.в

где пк - КПД котла по режимным картам; Єр.г - низшая расчетная теплота

сгорания природного газа по данным лаборатории УлТЭЦ-2, кДж/м3; Єр. м -низшая расчетная теплота сгорания мазута по данным лабораторного анализа, кДж/кг; Вг - расход газа м3/ч.

Долю газа предлагается определять по тепловыделению, согласно соотношению

В г ен.

Вг ер.

В г ен.

газ + Вмаз

еР

ебр,

где йт - доля газа по тепловыделению; Вг - расход природного газа;

Удельные объемы воздуха, дымовых газов и водяных паров, находящихся в продуктах сгорания, определяются из соотношения, м3/кг.

(

V = V0

г г г гг

В V

г гг

В Vг + В Vм

Vг*гг ^^'м'гм

+ V м

гм

1 --

В V

г гг

+

+ 1,016

В V0

г вг

В V0 + В V0

г вг м вм

- + V

“Го

1-

В V0

гвг

В V0 + В V0 "г'вг ТА,мгвм

Здесь У^г - удельный объем дымовых газов, м3/м3 природного газа; У]

м

гм

3 0

удельный объем дымовых газов м /кг мазута; Увг - удельный объем воздуха,

необходимый для сжигания 1 м3 природного газа, м3/м3; У^ - удельный объем воздуха, необходимый для сжигания 1 кг мазута, м3/кг; а - коэффициент избытка воздуха в режимном сечении за регенеративным воздухоподогревателем (РВП), который определяется [3, 4] как

а = а р + Аа

Бт

Бг

где ар - присосы воздуха по газоходу, Бпом - номинальный расход пара, т/ч;

Аа

Б п

^ном

- присосы воздуха в РВП. По правилам технической эксплуатации и

нормативному расчету для РВП Ла=0,25, для трубчатого подогревателя воздуха Аа=0,1.

Присосы воздуха по газоходу вычисляются из соотношения

газ

газ

К

20,96 -

Вг Кг + Вм Км Вг + Вм

О'

20,96 - О2

где Кг, Км - коэффициенты, соответственно, для газа Кг=0,05 для мазута Км=0,1; О 2 - концентрация избыточного кислорода в режимном сечении.

Средневзвешенный по массе топлива объем паров воды определяется из соотношения, м3/кг

/ / \ \

Vн

О 4Ні, О )„

В,

V Н 2 О/г

1 -

+

м

В к2О )г + Вм (v01

+

+ 0,0161

В V0

ЛЛ\У вг

2” 'м J /

В V0 + В V0

г вг м вм

- + V

“Го

1-

В V0

гвг

В V + В V ,

Ч ^ггвг т^мгвм JJ

где (VНН о ) и о ) - удельный объем паров воды в продуктах сгорания газа 2 г 2 м

3 3 3

и мазута соответственно, м / м и м /кг.

Определение температуры конденсации водяных паров дымовых газов производится по формуле, полученной из приближенной зависимости вида А + Ві

1п Р =------, где значения коэффициентов А, В, С были получены в результате

С + і

аппроксимации в диапазоне температур 0 < і < 180°С. Получено соотношение 244,838 • 1п Рнас +1252,593

І к = -

12,677 - 1п Рн

УН 2 О

где Рнас =-Рд г - давление насыщения водяных паров дымовых газов для

котлов с уравновешенной тягой, Па; Рд. г - абсолютное давление дымовых газов,

учитывающее разряжение дымовых газов за воздухоподогревателем, Па.

Формула для определения температуры сернокислотной точки росы в дымовых газах имеет вид [3,4]

ІІ = ік + 2503£пр02 ,

а

р

г

^р в

где Б пр =------ - приведенная сернистость топлива; Бр = Бр м

>р Вг + Вм

- н

средневзвешенное по массе топлива содержание серы, %; Б р - содержание серы в мазуте, %; вр - низшая расчетная теплота сгорания топливной смеси, зависящая от коэффициента Кв.

в р =

К в (вн )г Вг

где К г =-.------Г-5---------т----------.

(ви’ )г Вг + (вII )м вм

Результаты вычислений для выделенных в табл. 1. режимов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Сводная таблица результатов вычислений

Величина Номер опыта

1 2 3 4 5

Содержание серы в мазуте, 8р, (данные лаборатории), %. 2,5 2,5 2,31 2,31 2,4

Средневзвешенное по массе топлива содержание серы, Б р,%. 2,5 0,746 0,2112 0,4815 1,3

Коэффициент Кв. 1 0,579 0,8535 0,6892 0,331

Средневзвешенная по теплоте сгорания теплота сгорания топлива, в нр, кДж/кг. 38887,39 44806,94 47608,91 46024,01 42290,93

Приведенная сернистость топлива, Б пр,%. 6,433х 10-2 1,666 х10-2 4,4393х 103 1,047 х10-2 3,076 х10- 2

Концентрация избыточного кислорода в режимном сечении О2 (по показанию прибора), %. 1,3 0,8 1,55 0,8 1,2

Температура сернокислотной точки росы в дымовых газах, 4, °с. 154,1 113,2 101,9 105,12 135,32

Сравнительный анализ полученных результатов при проведении численных исследований (табл. 2) и данных, полученных по показанию приборов (табл. 1), дает право рекомендовать предложенную методику для технических расчетов. Расхождения расчетных величин и опытных данных оказались незначительными (менее 1,5%), несмотря на то, что расчеты проводились при

различных нагрузках и при различном количественном соотношении топлив в общей смеси.

В дальнейшем планируется более детально исследовать процессы, происходящие в камерах сгорания энергетических котлоагрегатов при организации совместного сжигания газа и мазута, в том числе и на основе численных экспериментов с использованием современных вычислительных комплексов и прикладных программ, позволяющих моделировать различные условия.

Summary

In work the technique is offered by means of which probably more detailed studying of influence ofjoint burning of gaseous and liquid fuel on harmful emissions in an atmos

phere and development of recommendations on optimization process at joint burning.

Литература

1. Инструкции и методические указания по проведению эксплуатационных экспрес испытаний котлоагрегатов. - Москва: СЦНТИ, 1974. - С. 22-27.

2. Липов Ю.М., Самойлов О.Д. Компоновка и тепловой расчет парового котла. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

3. Юреньев В.Н., Лебедев П.Д. Теплотехнический справочник. - Том. 2. Издание 2. - М.: Энергия, 1976.

4. Хзмален Д. М. Теория топочных процессов - М.: Энергоатомиздат, 1990. - С. 48-50.

5. Методические указания по составлению отчета электрических электростанций. РД 34.08.5552-95. - М.: Служба передового опыта ОГРЭС, 1995.

6. Ашуров С.А. Определение коэффициента избытка воздуха при сжигании природного газа совместно с другими видами топлива // Промышленная теплоэнергетика. - 1987. - №5.

7. Резников Н.И., Липов Ю.М. Котельные установки электрических станций. Издание 3. - М., 1990.

8. Снижение выбросов оксидов азота на котлах ПК-41 рациональной организацией совместного сжигания газа и мазута / Р.М. Фаткуллин, А.Н. Пахомов, Р.Г. Арсланов, А.Х. Валиев // Теплоэнегнетика. - 1998. - №12.

9. Котлер В.Р. Выбросы оксидов азота при совместном сжигании угля с газом или мазутом // Теплоэнергетика, 1996. - М., №5.

10. Методические указания по расчету выбросов оксидов азота с дымовыми газами котлов. РД 34.02.304-88. - М.: ВТИ, 1989.

Поступила 13.12.2007