Анализ влияния штатных впрысков питательной воды в паровой тракт котла ПК-41 на экономичность и надежность его работы

УДК 621.311.22

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ШТАТНЫХ ВПРЫСКОВ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ В ПАРОВОЙ ТРАКТ КОТЛА ПК-41 НА ЭКОНОМИЧНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ ЕГО РАБОТЫ

Б.Л. ШЕЛЫГИН, С.А. ПАНКОВ, кандидаты техн. наук, А.В. МЕЛЬНИКОВ, Н.В. БАЗЕЕВ, инженеры

С использованием расчетной модели котла ПК-41 выполнен анализ целесообразности отказа от использования штатных впрысков питательной воды в его водопаровой тракт. При переменных нагрузках энергоблока выполнено рассчетное исследование работы котлоагрегата без впрыска питательной воды в первые ступени его пароперегревателя.

Ключевые слова: паровой котел, расчетная схема, компоновка поверхностей нагрева, топочные экраны, конвективный пучок труб, скорость циркуляции, гидравлическое сопротивление, температура воды, КПД котла.

ANALYZING INFLUENCE OF FEED WATER NOMINAL INJECTIONS INTO STEAM DUCT OF PK-41 BOILER ON EFFICIENCY AND OPERATIONAL RELIABILITY

SHELYGIN B.L., candidate of science, PANKOV S.A., candidate of science, MELNIKOV A.B., BAZEEV N.V., engineers

The article is devoted to the problem of suitability analysis of refusing the feed water nominal injections into steam duct with application of the calculated model of PK-41 boiler. Refusing injections does not reduce efficiency and operational reliability of the boiler unit with all different loadings.

Key words: steam boiler, calculation model, heat surface composition, furnace waterwalls, convection tube bank, circulation velocity, hydraulic resistance, water temperature, coefficient of the boiler efficiency.

Энергетическое оборудование электростанций РФ, введенное в эксплуатацию в 70-е годы прошлого века, выработало установленный парковый ресурс [1]. Поэтому необходимы рациональные технические предложения при минимальных денежных затратах по модернизации существующих агрегатов ТЭС.

При работе морально устаревшего, работающего свыше 35 лет оборудования возможен отказ от ранее принятых проектных решений в случае, если он не ухудшает показателей эксплуатации энергоблока.

Первая очередь Конаковской ГРЭС с блоками 300 МВт укомплектована турбоуста-новками К-300-23,5 ЛМЗ [2] и двухкорпусными газомазутными котлоагрегатами марки ПК-41 паропроизводительностью 950 т/ч, изготовленными Подольским котельным заводом «ЗиО г. Подольск» [3].

Котел марки ПК-41 - один из первых котлов нового поколения, введенных в эксплуатацию в начале 70-х годов прошлого столетия. По современным требованиям, ввиду высоких расходов условного топлива на производство электроэнергии эти котлы считаются морально и физически устаревшими и подлежат модернизации.

В стационарных условиях эксплуатации энергоблока при неизменных значениях внешних возмущающих факторов (температуры наружного воздуха и питательной воды, состава топлива, коэффициента избытка воздуха в топке и т.д.) постоянство температуры пара высокого давления (ВД) за котлом Гвд поддерживается [4]:

1) соответствием тепловыделения в топочной камере 0Т (расхода сжигаемого топли-

ва) расходу воды йп.в., поступающей в водопаровой тракт;

2) впрыском части питательной воды через пароохладители в паровой тракт перед конвективными ступенями пароперегревателя ВД;

3) паропаровым теплообменником (ППТО), параллельно включенным в тракт пара ВД и низкого давления (НД).

Исключение первого и третьего условий регулирования 1вд" невозможно, так как: первое условие является обязательным для конструкции прямоточного котла; использование ППТО при переменных режимах работы позволяет сглаживать температурную характеристику 1вд" и помогает выполнению первого условия.

В настоящее время считается целесообразным отказаться от использования штатных впрысков питательной воды в паровой тракт котла ПК-41. Мотивации данной точки зрения следующие:

- не снижается КПД котла (брутто);

- упрощается схема регулирования температуры перегретого пара;

- снижаются материальные и эксплуатационные затраты на поддержание постоянства температуры перегретого пара в стационарных условиях работы котлоагрегата.

Для анализа эксплуатационных показателей действующего котлоагрегата ПК-41 Конаковской ГРЭС с использованием программного продукта «ТРАКТ» [5] была разработана расчетная модель агрегата, включающая четыре рабочих тракта: газовый и воздушный тракты, паровые тракты высокого (ВД) и низкого (НД) давлений.

При выполнении расчета в качестве топлива был принят природный газ с теплотой

сгорания 8200 ккал/м [6]. Значения коэффициента избытка воздуха на выходе из топочной камеры и присосов воздуха в газоходы при номинальной нагрузке котла были приняты по данным станции. При этом коэффициент избытка воздуха в уходящих газах при максимальной паропроизводительности котла равен 1,46. Средняя температура наружного воздуха принята 10 °С, а температура воздуха перед РВП (за калорифером) - 30 °С.

При максимальной паропроизводитель-ности котла потеря теплоты от наружного охлаждения котла д5 составляла 0,2 %. Ввиду повышенного теплового напряжения топочного объема 330-350 Мкал/(м3-ч) потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива д3 принята 0,1 %.

Расчеты выполнялись на один корпус котла. Результаты теплогидравлических расчетов котла ПК-41 при значениях относительной паропроизводительности одного корпуса Юном = 0,5 и 1,0 и долях впрыска питательной воды (впр = 0,00; 0,03 и 0,06 кг/кг представлены в табл. 1, 2.

В случае (впр = 0,03 кг/кг при снижении паропроизводительности с 475 до 238 т/ч температура уходящих газов снижается незначительно - с 146 до 140 °С (рис. 1). За счет повышенных (против нормативных) присосов холодного воздуха в топку и газоходы котла коэффициент избытка воздуха в уходящих газах аух возрастает от 1,46 до 1,6 (рис. 2).

Таблица 1. Результаты теплового расчета котла ПК-41 при паропроизводительности одного корпуса Р = 475 т/ч

Наименование характеристик Доля расхода питательной воды на впрыск в паровой тракт ^р, кг/кг

0 0,03 0,06

Расход питательной воды 0„.в, т/ч 475 475 475

Расход воды на впрыскивающие пароохладители Р^р, т/ч 0 14,25 28,5

Расход воды в водопаровой тракт, т/ч 475 460,75 446,5

Расход топлива В, м3/(ч-10"3) 39,173 39,178 39,183

Тепловосприятие котла, Гкал/ч 296,2 296,2 296,2

Температура пара ВД, °С 545 545 545

Температура пара НД, °С 545 545 545

Коэффициент избытка воздуха в уходящих газах 1,46 1,46 1,46

Температура уходящих газов, °С 146 146 147

КПД котла (брутто), % 91,28 91,27 91,26

Температура питательной воды, °С 265 265 265

Энтальпия питательной воды на входе в водопаровой тракт, ккал/кг 276,6 276,6 276,6

Энтальпия пара ВД на выходе из котла, ккал/кг 794,7 794,7 794,7

Температура пара ВД на выходе из ППТО, °С 411 420 428

Температура среды на входе в СРЧ, °С 414 417 419

Температура пара за ШПП-2, °С 466 473 479

Температура пара на входе в КПП-1, °С 466 466 466

Доля байпаса пара НД через ППТО 0,38 0,38 0,38

Таблица 2. Результаты теплового расчета котла ПК-41 при паропроизводительности одного корпуса Р = 238 т/ч

Наименование характеристик Доля расхода питательной воды на впрыск в паровой тракт (впв, кг/кг

0 0,03 0,06

Расход питательной воды й™, т/ч 238 238 238

Расход воды на впрыскивающие пароохладители Р^р, т/ч 0 7,18 14,36

Расход воды в водопаровой тракт, т/ч 238 230,8 223,6

Расход топлива В, м3/(ч-10"3) 21,83 21,83 21,91

Тепловосприятие котла, Гкал/ч 163,9 163,86 164,43

Температура пара ВД, °С 548 545 545

Температура пара НД, °С 535 541 549

Коэффициент избытка воздуха в уходящих газах 1,6 1,6 1,6

Температура уходящих газов, °С 140 140 140

КПД котла (брутто), % 90,7 90,74 90,67

Температура питательной воды, °С 230 230 230

Энтальпия питательной воды на входе в водопаровой тракт, ккал/кг 237,8 237,8 237,8

Энтальпия пара ВД на выходе из котла, ккал/кг 813,1 811 809,6

Температура пара ВД на выходе из ППТО, °С 417 414 412

Температура среды на входе в СРЧ, °С 396 399 401

Температура пара за ШПП-2, °С 479 484 490

Температура пара на входе в КПП-1, °С 479 474 470

Доля байпаса пара НД через ППТО 0 0 0

200 300 400 500

Рп.в, т/ч

Рис. 1. Зависимость температуры уходящих газов от расхода питательной воды на один корпус при ее относительной доле впрыска в паровой тракт ¿впр = 3 %

Рис. 2. Зависимость коэффициента избытка воздуха в уходящих газах котла ПК-41 от расхода питательной воды на один корпус агрегата

Увеличение потери теплоты с уходящими газами д2прис за счет роста величины аух превышает значение д2темп за счет снижения температуры уходящих газов. Поэтому при снижении паропроизводительности с 475 до 238 т/ч и доле впрыска <впр = 0,03 кг/кг КПД котла (брутто) снижается с 91,27 до 90,74 % (рис. 3). Соответственно, для поддержания постоянства температуры пара за пароперегревателем ВД (1вд" = 545 °С) должна возрастать величина отношения тепловыделения в топочной камере котла к расходу поступающей в него питательной воды От/йпв от 680 до 750 ккал/кг (рис. 4).

Согласно полученным результатам (табл. 1), независимо от доли впрыска <впр, при неизменном тепловосприятии корпуса котла 296,2 Гкал/ч и постоянном расходе топлива (39173-39183 м3/ч) КПД котла (брутто) Пкбр составляет 91,26-91,28 %. Аналогичный результат получен и при расчете котла на паропроиз-водительность корпуса 238 т/ч - 90,67-90,74 %. Для каждого режима работы энергоустановки, независимо от величины впрыска воды в паровой тракт, значения КПД практически совпадают (табл. 1, 2) с их относительным отклонением 0,02-0,04 %, что укладывается в допусти-

мые погрешности измерения теплотехнических характеристик приборами и обработки результатов измерений. Постоянство значений пкбр обусловлено одинаковыми значениями температур уходящих газов и постоянством тепловых потерь д2, и д5.

Рис. 3. Зависимость КПД котла ПК-41 (брутто) от расхода питательной воды на один корпус агрегата при ее относительной доле впрыска в паровой тракт <^впр = 3 %

От/О„в,

ккал/кг 800

600 -1-1-:--!-

200 300 400 500

йп.в, т/ч

Рис. 4. Изменение отношения тепловыделения в топочной камере одного корпуса котла ПК-41 к расходу питательной воды в зависимости от паропроизводительности одного корпуса агрегата

При относительной паропроизводительности корпуса котла <отн = 1,0, независимо от доли впрыска (<впр = 0-0,06 кг/кг) общее тепло-восприятие агрегата по рабочей среде равно 296,2 Гкал/ч (табл. 1).

Изменение температуры пара ВД от входа его в поверхность нагрева СРЧЗ-1 до выхода из конвективного пароперегревателя КПП-2 представлено на рис. 5, где:

• 01р - сумма тепловосприятий поверхностей нагрева средней радиационной части (СРЧЗ-1, СРЧЗ-2, СРЧБ-1, СРЧ-2, СРЧБ-3), средних и крайних ширм (СРШ и КРШ), верхней радиационной части (ВРЧ-1 и ВРЧ-2);

• Оппто - количество теплоты, отдаваемое паром вД пару НД в ППТО;

• 02р - сумма тепловосприятий поверхностей нагрева на участке парового тракта между впрысками (СРЧФ-1, СРЧФ-2, СРЧФ-3, ШПП-2);

• 01к, 02к - тепловосприятия первой и второй ступеней конвективного пароперегревателя ВД соответственно (КПП-1, КПП-2).

700

550

500

450

400

350

i' = 550 ккал/кг

i" = 795 ккал/кг Опов, ккал/кг

Рис. 5. Зависимость температуры пара за пароперегревателем ВД от тепловосприятия поверхностей нагрева парового тракта одного корпуса котла ПК-41 при паропроизводительности D = 475 т/ч:-- при с1впр = 3 %;------- при с1впр = 0

В случае отказа от впрысков на 3 % увеличивается расход воды в водяной ЭКО и при неизменном общем тепловосприятии корпуса (296,2 Гкал/ч) температура пара на входе ППТО снижается примерно на 10 °С. Соответственно, при неизменных тепловых потоках от факела к поверхностям нагрева должна снижаться температура металла труб. Отмеченное характерно и для поверхностей нагрева, размещенных между впрыскивающими пароохладителями.

При (впр = 0 при отключенном пароохладителе «Впр-2» в ступенях конвективного пароперегревателя значения температуры пара выравниваются со значениями 1вд базового варианта ((впр = 0,03 кг/кг), но не превышают их.

Изменение температуры пара ВД при относительной паропроизводительности

(отн = 0,5 представлено на рис. 6.

Согласно [7, 8], суммарное тепловос-приятие радиационных поверхностей нагрева в зависимости от нагрузки котла меняется незначительно:

при doTH = 1,0

при doTH = 0,5

О1р + О2р = 2598 ккал/кг; Qip + О2р = 2615 ккал/кг.

Поэтому при пониженном расходе пара внутри труб радиационных поверхностей нагрева (238 т/ч) и (впр = 0,03 кг/кг, когда на 3 % снижается расход среды в СРЧЗ-1, температура пара ВД перед ППТО возрастает до ^пто = 485 °С.

В случае отказа от впрысков за счет увеличения расхода среды значение 1ппто снижается на 20-25 °С, и, соответственно, должна снижаться температура металла труб.

При увеличении тепловой нагрузки ППТО и глубоком снижении температуры пара ВД 1Вд до требуемого уровня (400-410 °С) должно возрастать тепловосприятие пара НД в ППТО. Это достигается увеличением расхода пара НД в ППТО за счет снижения доли байпаса ППТО (рис. 7).

В случае отказа от впрысков характер изменения температуры пара ВД аналогичен характеристикам режима при (отн = 1,0. Это позволяет рассчитывать на надежную работу поверхностей нагрева котла независимо от режима его работы.

1вд,°с

550

500

450

40

350

i' = 604 ккал/кг

Впр-1 / Впр-2/

i" = 811 ккал/кг Q пов, ккал/кг

Рис. 6. Зависимость температуры пара за пароперегревателем ВД от тепловосприятия поверхностей нагрева парового тракта одного корпуса котла ПК-41 при паропроизводительности Р = 238 т/ч:--при (¡тр = 3 %; ...... - при (¡тр = 0

1вд,°с

Рис. 7. Изменение доли байпасирования пара НД применительно к ППТО в зависимости от расхода питательной воды на один корпус котла

Заключение

С использованием расчетной модели котла ПК-41 выполнен анализ целесообразности отказа использования штатных впрысков питательной воды в паровой тракт при существующих повышенных присосах холодного воздуха в газовый тракт. Независимо от паро-производительности котла, отказ от штатных

впрысков питательной воды не снижает КПД котла (брутто). Температуры пара высокого давления и металла соответствующих поверхностей находятся на прежнем уровне. Расчетами установлена принципиальная возможность не использовать штатные впрыски воды при переменных режимах работы котла ПК-41.

Список литературы

1. Анализ перспектив развития отечественной теплоэнергетики / А.В. Мошкарин, М.А. Девочкин, Б.Л. Шелыгин и др.; под ред. А.В. Мошкарина / Иван. гос. энерг. ун-т. -Иваново, 2002.

2. Тепловые и атомные электрические станции: справочник / под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. -М.: Энергоатомиздат, 1989.

3. Котлы большой мощности. Каталог13-80. НИИЭ-ИНФОРМЭНЕРГОМАШ. - М., 1980.

4. Резников М.И., Липов Ю.М. Паровые котлы тепловых электростанций: учебник для вузов. - М.: Энерго-издат, 1981.

5. Носков А.И. Руководство для пользователей «Справочные материалы по программе ТРАКТ» / А.И. Носков; ЗиО-Подольск. - Подольск, 1984.

6. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) / под ред. Н.В. Кузнецова, В.В. Митора, И.Е. Дубовского, Э.С. Карасиной. - М.: Энергия, 1973.

7. Елизаров П.П. Эксплуатация котельных установок высокого давления на электростанциях. - М.-Л.: Гос-энергоиздат, 1961.

8. Шелыгин Б.Л., Барочкин Е.В., Зорин М.Ю. Статические характеристики паровых котлов с естественной циркуляцией: метод. указания / Иван. гос. энерг. ун-т. -Иваново, 1998.

Шелыгин Борис Леонидович,

ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», кандидат технических наук, профессор кафедры тепловых электрических станций, телефон (4932) 41-60-56, e-mail: admin@tes.ispu.ru

Панков Сергей Алексеевич,

ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина», кандидат технических наук, телефон (4932) 41-60-56, e-mail: admin@tes.ispu.ru

Мельников Александр Валентинович, ОАО «Конаковская ГРЭС», главный инженер, телефон (482) 423-83-59.

Базеев Николай Викторович, ОАО «Конаковская ГРЭС», начальник отдела, телефон (482) 423-83-59.