Численное исследование процесса совмещенного циркуляционного подогрева мазута в резервуаре с помощью параллельно соединенных 4-х подогревателей

УДК 621.182

ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОВМЕЩЕННОГО ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ПОДОГРЕВА МАЗУТА В РЕЗЕРВУАРЕ С ПОМОЩЬЮ ПАРАЛЛЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫХ 4-Х

ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ

Г.Т. ОСИПОВ, Ю.Г. НАЗМЕЕВ

В статье представлены расчетные зависимости температуры мазута в резервуаре от времени подогрева, а также результаты расчета в трехмерном пространстве с введением дополнительной оси - расхода мазута, подаваемого на горелки котлов.

В работе [1] предложена новая совмещенная теплотехнологическая схема мазутного хозяйства ТЭС на базе каскада 4-х подогревателей, для которой наиболее характерны следующие режимы работы:

1) наличие потоков мазута, идущих с выхода подогревателей на их входы при отсутствии смешения потоков на выходе из подогревателей;

2) наличие потоков мазута, идущих с выхода подогревателей на их входы при смешении потоков на выходе из подогревателей;

3) отсутствие потоков мазута, идущих с выхода подогревателей на их входы при отсутствии смешения потоков на выходе из подогревателей;

4) отсутствие потоков мазута, идущих с выхода подогревателей на их входы при полном смешении потоков на выходе из подогревателей.

Для расчета рассматриваемой схемы в работе [2] предложена математическая модель циркуляционного подогрева мазута в одном резервуаре с помощью параллельно соединённых 4-х подогревателей.

Для численного решения построенной математической модели использовался стандартный программный комплекс Mathcad-2001.

Конкретное численное решение задач было получено в виде зависимостей tj = f (т) и tj = f (т, GKj). При этом для решения систем уравнений

использовался метод Булирша-Штера, так как в стандартных системах автоматических математических вычислений, таких как «Mathcad», имеются для этого специальные встроенные функции, например функция «root» и т.п.

В качестве объекта исследования использовалась теплотехнологическая схема 2-й очереди резервного мазутного хозяйства Набережночелнинской ТЭЦ, описание которой приведено в [1].

В расчетах использовались следующие данные по Набережночелнинской

ТЭЦ:

1. Установлены 10 котлов ТГМ-84Б и 4 котла ТГМЕ 464.

2. Номинальный расход мазута на ТГМ-84Б - 31,08 т/ч (8,63 кг/с), на ТГМЕ 464 — 36 т/ч (10 кг/с). Суммарное потребление всех котлов составляет 454,8 т/ч (126,3 кг/с).

3. На резервуар установлены 13 подогревателей мазута марки ПМ-10-120, производительностью 120 т/ч (33,3 кг/с) каждый.

4. Температура окружающей среды для зимы -30°С, для лета +20°С.

© Г. Т. Осипов, Ю.Г. Назмеев Проблемы энергетики, 2003, № 5-6

5. Площадь поверхности резервуара 4 971 м . Объем при максимальном эксплуатационном уровне - 19 500 м3.

6. Температура холодного хранения мазута +35°С.

7. Время опорожнения резервуара при работе всех котлов на мазуте при номинальных режимах - 44 часа.

На рис. 1-4 представлены результаты расчетов по определению зависимости температуры циркуляционного подогрева мазута от времени подогрева в резервуаре 4-мя параллельно соединенными подогревателями мазута в совмещенной теплотехнологической схеме резервного мазутного хозяйства ТЭС [1] для следующих основных условий:

- температура окружающей среды равна или - 30 °С (зимний режим), или +20 °С (летний режим);

- в случае номинального режима работы подогревателей расходы мазута Сн1 = Сн2 = Сп3 = Сп4 = 33,33 кг/с;

- отсутствие потоков мазута, поступающего в резервуар от других видов оборудования 0пост= 0 кг/с и отводимого из него к другим видам оборудования 0др= 0 кг/с;

- температура насыщенного пара, используемого в подогревателе, ^=180 °С;

- в случае отсутствия потока мазута с выхода подогревателя на его вход О = 0, в случае наличия - О Ф 0;

- в случае подогрева мазута по совмещенной схеме 0кФ 0;

- в случае раздельной схемы подогрева 0к = 0 (0к - расход мазута, отводимого к котлам).

На рис. 1 приведены расчетные зависимости температуры мазута в полном резервуаре объемом у=20000 м от времени т при подогреве мазута по совмещённой схеме (0к ф 0; 0к1 = 0,10к; Ок2 = 0к3 = 0к4 = 0,30к при отсутствии смешения потоков мазута на выходе из подогревателей) с помощью четырёх параллельно соединённых подогревателей ПМ-10-120 для различных значений температуры окружающей среды 1о.с и различных значений начальной температуры мазута в резервуаре 1х для номинальных значений расхода потока мазута через подогреватели 0п1 = Оп2 = 0п3 = 0п4 = 33,33 кг/сек (температура насыщенного пара, используемого в подогревателе, 1п=180 °С), при отсутствии потоков мазута, поступающего в резервуар от других видов оборудования 0пост=0 кг/с и отводимого из него к другим видам оборудования 0др 0 кг/с, и наличии потока мазута с выхода подогревателя на его вход (0=20 кг/с; Оц = О; О22 = Озз=

=044=0).

Из приведенных рисунков видно, что графики зависимости температуры мазута в резервуаре, как в летнем, так и в зимнем режиме, практически совпадают при соответствующих начальных условиях. Это объясняется тем, что потери теплоты в окружающую среду незначительны по сравнению с количеством теплоты, поступающим в резервуар с потоком мазута во время его подогрева.

По времени подогрева графики зависимости ограничены значениями т, соответствующими времени опорожнения резервуара, а по температуре -температурой насыщенного пара и = 180 °С. Так, например, в случае номинального расхода мазута, подаваемого на горелки, (0п= 106,66 кг/с) т » 52 часам (1).

Время опорожнения резервуара зависит от расхода мазута, подаваемого на горелки котлов. Этим же объясняется и различное поведение кривых и максимумы достигаемых температур. В случае, когда 0п = 26,67 кг/с,

1, °С

1, °С

180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 1 0 0

180 210 т,ч

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

шКШ

'г Уг/

Л

** У0 * / V Ж

У А

. < У ,9Г * V

Г

Г'

>

Л'

•

10 20 30 40 50 60 70 б)

90 100 110 т,ч

1, °С

1, °С

в) г)

Рис. 1. Зависимости температуры мазута в полном резервуаре объемом у=20000 м3 от времени т при подогреве мазута по совмещённой схеме с помощью четырёх параллельно соединённых подогревателей ПМ-10-120 при отсутствии смешения потоков мазута на выходе из

подогревателей: а) Ск=26,67 кг/с; б) Ск=53,33 кг/с; в) 0к=80 кг/с; г) 0к=106,66 кг/с:

------1х=30 °С и 1ос= -30 °С;.......... 1х =50 °С и 1о с= -30 °С;------1х=70 °С и 1о с= -30 °С;--------

1х=90 °С и 1о с= -30 °С;------1х=30 °С и 1ос= 20 °С;...- 1х=50 °С и 1ос= 20 °С;-------------1х=70 °С и

1ос= 20 °С; — • — - 1х=90 °С и 1ос= 20 °С;

0

максимальная температура подогретого мазута приближается к 180 °С, а > 0 (рис. 1а). При Ок= 80 кг/с, максимум температуры не превышает 160 °С,

й 2 *

(йтУ

й 2 * 2

< 0 (рис. 1в). Это объясняется различной интенсивностью подогрева мазута

в резервуаре и поэтому на рис. 1а графики по асимптоте стремятся к оси т, а на рис. 1б, 1в, 1г - к оси 1.

Низкий градиент температуры й на рис. 1г объясняется малым

йт

количеством подогретого мазута, поступающего в резервуар, по сравнению с общей массой мазута, находящегося в нем. Резкий его скачок в конце времени подогрева объясняется тем, что количество поступающего подогретого мазута становится соизмеримо с массой мазута в резервуаре.

На рис. 2 представлены результаты расчетов в трехмерном пространстве с введением дополнительной оси - функции от Ок - суммарного расхода мазута, отводимого к котлам. Графики представлены для зимнего режима эксплуатации при температуре окружающей среды 1о.с= -30 °С в случае разных расходов мазута, подаваемого с выхода первого подогревателя на его вход (Оц= О; О22=О33=О44= 0) при подогреве мазута с помощью четырёх параллельно соединённых подогревателей ПМ-10-120 по совмещённой схеме (Ок ф 0; Ок1 =0,1 Ок; Ок2 = Ок3 = Ок4 = 0,3Ок в условиях отсутствия смешения потоков мазута на выходе из подогревательного блока), отсутствии потоков мазута, поступающего в резервуар от других видов оборудования 0пост=0 кг/с и отводимого из него к другим видам оборудования 0др=0 кг/с, и различных значений начальной температуры мазута в резервуаре 1х для номинальных значений расхода потока мазута через подогреватели Оп1 = Оп2 = Оп3 = Оп4 =33,33 кг/с. Температура насыщенного пара, используемого в подогревателе, 1п=180 °С.

1, °С

1, °С

Ок , кг/с

101

Ок , кг/с 10

О 100 200 300

т, ч

200 300

т, ч

а)

в) г)

Рис. 2. Зависимости температуры мазута в полном резервуаре объемом у=20000 м3 от времени т и от расхода потока мазута, идущего к котлам 0к при подогреве мазута по совмещённой схеме с помощью четырех параллельно соединенных подогревателей ПМ-10-120 в условиях отсутствия смешения потоков мазута на выходе из подогревательного блока, зимнего режима эксплуатации и разных расходов мазута, подаваемого с выхода первого подогревателя на его вход: а) С=Сц=1 кг/с; б) С=С„=5 кг/с; в) С=С„=10 кг/с; г) С=С„=20 кг/с.

На рис. 3 представлены результаты расчетов для тех же условий, как и на рис. 1, с тем отличием, что присутствуют потоки мазута с выходов всех четырех подогревателей на их вход (0=20 кг/с; 0ц=022=033=044=0.250) при условии полного смешения потоков мазута на выходе из подогревателей (0к ф0; Ск1 = 0к2 = 0к3 = 0к4 =0.250к).

в)

Рис. 3. Зависимости температуры мазута в полном резервуаре объемом у=20000 м3 от времени т при подогреве мазута по совмещённой схеме с помощью четырех параллельно соединенных подогревателей ПМ-10-120 при полном смешении потоков мазута на выходе из подогревателей.

Обозначение как на рис.1.

Сравнение графиков, представленных на этих двух рисунках, позволяет сделать вывод, что режимы работы подогревателей мазута не влияют на надежность работы всей схемы в целом.

В отличие от рис. 2, на рис. 4 представлены результаты расчетов в трехмерном пространстве при условии полного смешения потоков мазута на выходе из подогревательного блока (0к ф0) для различных начальных температур мазута в резервуаре 1х.

1, °С

1, °С

а)

т, ч

т, ч

т, ч т, ч

в) г)

Рис. 4. Зависимости температуры мазута в полном резервуаре объемом v=20000 м3 от времени т и от расхода потока мазута, идущего к котлам, GK при подогреве мазута по совмещённой схеме с помощью четырех параллельно соединенных подогревателей ПМ-10-120 при условиях полного смешения потоков мазута на выходе из подогревательного блока, зимнего режима эксплуатации и различных значений начальной температуры мазута в резервуаре tx: а) tx=30 °С; б) tx=60 °С; в) tx=90 °С; г) tx=120 °С.

Адекватность разработанной математической модели и метода ее численной реализации была проверена расчетами циркуляционного подогрева мазута на второй очереди мазутного хозяйства Набережночелнинской ТЭЦ ОАО «Татэнерго» при режимах холодного хранения мазута.

Совпадение расчетных и практических значений времени подогрева составило в пределах 20% в сторону уменьшения времени циркуляционного подогрева.

Summary

In the paper calculated dependences of mazut temperature in a tank on heating time, as well as results of three-dimensional calculation with the third additional axis - flow of mazut supplied to burners - were presented.

Литература

1. Осипов Г.Т., Казайкин К.Ф., Будилкин В.В., И.А. Белов, Назмеев Ю.Г. Новая совмещенная теплотехнологическая схема мазутного хозяйства ТЭС на базе каскада 4-х подогревателей // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2003. -№ 3-4. - С. 164-170.

2. Осипов Г.Т., Будилкин В.В., Назмеев Ю.Г. Математическая модель циркуляционного совмещенного подогрева мазута в резервуаре мазутных хозяйств ТЭС с помощью параллельно соединенных 4-х подогревателей // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2003. - № 3-4. - С. 86-96.