Обоснование применения экспериментально-расчетного подхода к оценке тепловой эффективности полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева котельных агрегатов

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА

УДК 662.21

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОРАСЧЕТНОГО ПОДХОДА К ОЦЕНКЕ ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЛУРАДИАЦИОННЫХ И КОНВЕКТИВНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА КОТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ

Е.А. БОЙКО, С.Р. ЯНОВ ФГОУ ВПО Сибирский федеральный университет

На примере котельного агрегата П-67 рассмотрено экспериментальнорасчетное обоснование подхода к оценке показателей тепловой эффективности полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева паровых котлов Т-образной компоновки

В настоящее время повышение эксплуатационной надежности пылеугольных котельных агрегатов обеспечивается внедрением различных комплексов технической диагностики элементов энергетического оборудования. Одним из магистральных направлений диагностирования котельных агрегатов, работающих на твердом органическом топливе, является разработка системы контроля и оценки степени загрязнения и шлакования поверхностей нагрева. Реализация таких систем на реальных объектах теплоэнергетики позволяет существенно повысить эксплуатационную надежность и межремонтный период работы поверхностей нагрева, сократить оперативные и ремонтные затраты, сократить число аварийных остановов оборудования.

Следует отметить, что применение существующих систем технической диагностики отдельных элементов котельного агрегата [1-5] ограничивается лишь регистрацией нарушения режима и в большей степени касается диагностики топочных процессов и экранных поверхностей нагрева. Однако, не в меньшей степени, надежность и эффективность работы котельного агрегата определяется показателями состояния полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева, которые, также как и топочная камера, оснащаются соответствующими системами очистки от золошлаковых отложений. Данная проблема еще более усугубляется для котлов большой производительности Т-образной компоновки, обладающих существенными отличиями в режимах работы отдельных потоков по газоходам котла [6-9]. В настоящее время наладка и настройка средств очистки радиационных и полурадиационных поверхностей нагрева котельных агрегатов Т-образной компоновки, из-за ограничений «Нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов» [10], осуществляется по среднеарифметическим значениям режимных параметров потоков (температур и расходов теплоносителей, избытков воздуха и т.д.) без учета индивидуальных особенностей работы поверхностей нагрева, расположенных в отдельных газоходах.

В связи с этим актуальной задачей является разработка подхода к оценке тепловой эффективности работы полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева котельных агрегатов (в частности для Т-образной компоновки) и разработка на его основе вычислительного алгоритма и программно-технического комплекса

© Е.А. Бойко, С.Р. Янов

Проблемы энергетики, 2008, № 11-12

для оперативной диагностики интенсивности процессов шлакования и загрязнения поверхностей нагрева паровых котлов в режиме реального времени.

В качестве объекта исследований выбран котельный агрегат П-67 Березовской ГРЭС-1 (ст. №1), оснащенный современной системой диагностики шлакования топочных экранов «Раео8» от производителя С^е-Ве^ешапп (Германия) в составе полномасштабной АСУ ТП «Теїерегт» от производителя «Siemens» (Германия). Котлоагрегат работает в блоке с конденсационной турбиной К-800-240-5 (ЛМЗ). Пространственная компоновка полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева котла П-67 показана на рис. 1. Основные конструктивные характеристики полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева котельного агрегата П-67 Березовской ГРЭС-1 приведены в табл. 1.

Рис. 1. Компоновка поверхностей нагрева котельного агрегата П-67 Березовской ГРЭС-1: ШПП-1, ШПП-2, ШПП-3 - ширмовые пароперегреватели, соответственно, 1, 2 и 3-ей ступени; ШВП -ширмовый вторичный пароперегреватель; КПП - конвективный первичный пароперегреватель; КВП - конвективный вторичный пароперегреватель; ВЭ - водяной экономайзер

Основные конструктивные характеристики полурадиационных и конвективных поверхностностей нагрева котла П-67

№ Наименование ШПП-2 ШПП-3 ШПП-1 ШВП КПП КВП ВЭ

1. Поверхность нагрева, м2 3960 3670 3150 5630 8770 19250 20000

2. Наружный диаметр, мм 32 32 32 57 37 57 42

3. Толщина стенки, мм 6 5 6 4 7 4 6,5

4. Поперечный шаг, мм 576 576 576 447 204 204 126

5. Продольный шаг, мм 48 38 38 63 50 80 61,5

6. Площадь живого сечения, м2: наружного внутреннего 810 0,406 810,2 0,600 718 0,477 490 1,991 294,4 0,558 261 3,800 257 0,718

В качестве основного показателя интенсивности шлакования и загрязнения радиационных и конвективных поверхностей нагрева котла предлагается использовать динамику изменения коэффициента тепловой эффективности - у, являющегося наиболее универсальным и представительным расчетным показателем, характеризующим конструктивные особенности и режимные параметры протекания сложных тепло- и физикохимических котельных процессов, численное значение которого адекватно отражает величину термического сопротивления трубной поверхности.

Оценка коэффициента тепловой эффективности произвольной поверхности нагрева осуществляется по соотношению

у=

К

где Кфакт - фактический коэффициент теплопередачи, кВт/(м*°С); К -

коэффициент теплопередачи для чистой поверхности (без учета коэффициента загрязнения), кВт/(м*°С).

Фактический коэффициент теплопередачи, в свою очередь, для произвольно взятой поверхности нагрева определяется из уравнения

К _ бфакт

лфакт _ ’

¥ча*

где ¥ - площадь поверхности теплообмена, м2; А - среднелогарифмический температурный напор, °С; Qфакт - фактическое тепловосприятие поверхности нагрева, кДж/кг.

Для определения фактического тепловосприятия поверхности нагрева используется уравнение теплового баланса

Япе

ФЧ

ВР

где Н', Н ” - энтальпия газов до и после поверхности нагрева, кДж/кг; ^пе - расход рабочей среды, кг/с; В р - расчетный расход топлива, кг/с; АИ - перепад энтальпий рабочей среды, кДж/кг; Qдоп - тепловосприятие дополнительных

поверхностей; Qл - тепловосприятие поверхности нагрева излучением; ф -коэффициент сохранения тепла.

Определение величин температурного напора (А(, °С) и фактического тепловосприятия поверхности нагрева (Q факт, кДж/кг) осуществляется в результате

решения системы нелинейных балансовых уравнений по известным значениям температур теплоносителей, участвующих в теплообмене как на входе, так и на выходе из каждой анализируемой поверхности, фиксируемых системой штатного контроля АСУ ТП котла.

Расчет коэффициента теплопередачи для чистой поверхности нагрева (К, кВт/(м*°С) и ряда других тепловых характеристик осуществляется в соответствии с «Нормативным методом теплового расчета котельных агрегатов».

Расчет объемов I продуктов І порання а

сюр

Расчсг энтальпий продуктов а орання

Определение расхода іон.шва I

Определение II расходов на |

! впрыски ^

Г “Определение 1 расходов рабочей I среды на входе в і каждую ІІОверхниеI I.

Онреле.и'нне тепловоспрнятия I нокерхн ОС ІЄН I "Л ріка |

г

Расчсг репиркуляини продуктов ....сіорания

ІРасчеі >н і я.11>нни продуктов порання с учетом ^ рецнр кг\ ляп и н_

Расчет балансовых температур

іс __ут рец”1 рец

Определение фиіических характеристик рабочей срслы и нроду кюв сі орания

(>П реле. 11*11 не ко іффнцнсн і он теплоотдачи

Определение ко »ффипиен іа теплопередачи для чисюй поверх НОСІ и Определение к'отффиниеміа теплопередачи іаіриіненной поверх носі и

Расчет температуры міряліпіной сіенки

Расчет коїффнцненіа і силовой іффскі И ВНОСІ и

1

Уточнений величины температуры стенки

1 »рас —*ут / \ і загр і заф

Уючнении ко »ффинисша IСП.ЮНОН )ффсК1 ИВНОСІ и

— Основной МОДУЛЬ

| | — Всііомоі атсльный модуль

І — Дополнительный модуль

Рис. 2. Алгоритм расчета тепловой эффективности полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева котельного агрегата

Алгоритм автоматизированной оценки фактических коэффициентов теплопередачи и тепловой эффективности для поверхностей нагрева котельного агрегата показан на рис. 2. Данный алгоритм включает в себя основной, вспомогательный и дополнительный расчетные модули. В основном модуле непосредственно реализуется оценка коэффициентов тепловой эффективности для каждой поверхности нагрева котла. С помощью вспомогательного модуля выполняется процедура расчета основных режимных и технико-экономических показателей работы котельного агрегата (КПД, расхода топлива и т.п.) и определения балансовых температур для каждой анализируемой поверхности нагрева по газовой и рабочей средам (если это необходимо). Дополнительный модуль используется для оценки косвенных эксплуатационных параметров, получаемых при помощи прямых экспериментальных измерений (например, расхода газов рециркуляции). Принципиальная схема сбора, обработки и получения информации о режиме работы котельного агрегата и значений коэффициентов тепловой эффективности поверхностей нагрева в режиме реального времени представлена на рис. 3. Схема включает в себя алгоритм отбраковки некорректных исходных данных АСУ ТП и алгоритм разделения режимных параметров по независимым потокам (газоходам) котла. Такая организация расчетного комплекса позволяет определять коэффициенты тепловой эффективности как для полной поверхности, так и для отдельного ее потока в режиме реального времени.

Усреднение Исходных данных по потоку 1

Рис. 3. Принципиальная схема определения интенсивности загрязнения поверхностей нагрева котла

В настоящей работе с помощью описанного выше вычислительного комплекса найдены индивидуальные значения коэффициентов тепловой эффективности для различных полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева котла П-67 (ст. №1) за период 16.01.2007 по 19.01.2007 и выполнен анализ их изменения при времени запроса исходных данных 25 минут. На рис. 4, 5, в сопоставлении с вырабатываемой активной мощностью энергоблока (N акт, МВт), характеризующей косвенно

парапроизодительность котла, отображена полученная экспериментально-расчетным путем динамика изменения коэффициентов тепловой эффективности полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева, рассчитанных как для поверхности в целом (усредненные значения определялись согласно рекомендациям «Нормативного метода расчета котельных агрегатов»), так и по отдельным потокам данной поверхности.

Усреднение Исходных данных по потоку 2

Определение

коэффициенте

б)

N

1 * акт • - - 700 МВт

15.01.07 16.01.07 16.01.07 17.01.07 17.01.07 18.01.07 18.01.07 19.01.07 19.01.07 20.01.07

12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00

V

в)

N а

акт • + 700 МВт

15.01.07 16.01.07 16.01.07 17.01.07 17.01.07 18.01.07 18.01.07 19.01.07 19.01.07 20.01.07

12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00

Рис. 4. Динамика изменения тепловой эффективности полурадиационных поверхностей нагрева котельного агрегата П-67 БГРЭС-1 ст. №1 за период с 16.01.2007 по 19.01.2007: а - ШПП-1; б - ШПП-2; в - ШПП-3; ср - усредненное значение по нормативной методике [10]; п1 - поток 1; п2 - поток 2

600

300

0

800

600

400

0

а)

N а

12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00

Рис. 5. Динамика изменения тепловой эффективности конвективных поверхностей нагрева котельного агрегата П-67 БГРЭС-1 ст. №1 за период с 16.01.2007 по 19.01.2007: а - ШВП; б -КВП; в - ВЭ; ср - усредненное значение по нормативной методике; п1 - поток 1; п2 - поток 2

На основе полученных результатов за период наблюдения выполнен сравнительный анализ отклонений показаний традиционного (нормативного) способа определения коэффициента тепловой эффективности полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева котла П-67 Т-образной компоновки (с усреднением исходных данных обоих потоков) с предложенным в данной работе методом расчета аналогичного коэффициента по отдельным потокам с учетом индивидуальных особенностей режимов работы газоходов котла (табл. 2).

Таблица 2

Расчет отклонений результатов определения коэффициента тепловой эффективности двумя способами

№ Наименование Отклонение, %

Поток 1 Поток 2

макси- мальное мини- мальное среднее макси- мальное мини- мальное среднее

1. ШПП-2 7,02 0,00 2,01 16,82 1,83 9,07

2. ШПП-3 12,40 0,01 3,17 22,13 0,20 7,53

3. ШПП-1 11,55 0,02 5,38 26,54 4,47 13,26

4. ШВП 9,78 0,02 4,23 27,64 27,64 27,64

5. КПП 10,40 0,00 1,96 8,68 0,11 2,96

6. КВП 8,65 0,05 3,72 9,81 0,09 3,95

7. ВЭ 9,20 0,08 4,23 26,51 8,81 16,13

Как показали аналитические исследования, за период с 16.01.2007 по 19.01.2007 среднее отклонение показаний коэффициентов тепловой

эффективности каждой поверхности нагрева традиционным методом не превышает 5-7 %, исключения составляют поверхности ШПП-2, ШПП-3, ШВП и ВЭ по потоку 1 (2 - 5 %), однако при этом среднее отклонение результатов расчета этих же поверхностей по потоку 2 находится в диапазоне от 7 до 27 %. Наименьшее отклонение в рассогласовании предложенного и нормативного методов оценки коэффициента тепловой эффективности было получено для таких поверхностей нагрева как КПП и КВП, где среднее отклонением не превышает 5 % по обоим потокам, однако абсолютное значение отклонения для этих поверхностей нагрева достигает более 10 %. Установлено, что существенное колебание отклонений расчета главным образом связано со значительным отклонением абсолютных величин режимных параметров (в основном температур теплоносителей) каждого потока от средней величины, изменение которых носит случайный характер (табл. 3).

Таблица 3

Рассогласование в показаниях режимных параметров между потоками за контрольный период

№ Наименование Величина рассогласования

максимальное минимальное среднее

1. Расход перегретого пара, т/ч 58 0 17

2. Расход вторичного пара, т/ч 43 7 25

3. Температура перегретого пара, °С 14 0 3

4. Температура вторичного пара, °С 13 0 4

5. Температура горячего воздуха, °С 17 0 7

6. Температура уходящих газов, °С 19 0 5

7. Содержание кислорода за ВЭ, % 4,2 0 1,2

Опираясь на полученные результаты, можно констатировать, что применение рассмотренного в данной работе подхода к оценке тепловой эффективности полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева котельных агрегатов Т-образной компоновки позволяет наиболее корректно, с учетом индивидуальных режимных и конструктивных особенностей газоходов, определять локальную степень загрязнения каждой выделенной поверхности нагрева, что, в свою очередь, позволит оперативному персоналу производить объективную настройку оптимального режима работы котельного агрегата в режиме реального времени и осуществлять рациональное использование средств и параметров очистки его поверхностей нагрева.

В развитие данной работы, в последующем, планируется, на базе вышеизложенной методики и разработанного аппаратно-программного

комплекса по определению показателей тепловой эффективности поверхностей нагрева котельных агрегатов, реализация алгоритма автоматического (без участия оперативного персонала) включения средств очистки (обдувочных аппаратов) полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева по мере их шлакования и загрязнения.

Выводы

1. Предложен универсальный экспериментально-расчетный подход к оценке в режиме реального времени показателей тепловой эффективности поверхностей нагрева котельных агрегатов, оснащенных системами АСУ ТП, основанный на использовании эксплуатационных параметров работы котла и аналитических уравнений энергетических балансов теплообменных поверхностей.

2. Показана целесообразность учета индивидуальных режимных и конструктивных особенностей полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева, расположенных в разных газоходах котельных агрегатов Т-образной компоновки при определении их тепловой эффективности и интенсивности шлакования и загрязнения.

3. Реализация предложенного подхода к оценке локальных показателей эффективности теплообмена позволяет автоматизировать и оптимизировать методы, способы и средства очистки полурадиационных и конвективных поверхностей нагрева пылеугольных котельных агрегатов от золошлаковых отложений.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 08-08-90253-Узб_а).

Summary

On an instance of boiler unit P-67 the experimentally - rated justification of a technique of an estimation of parameters of thermal efficiency radiant and the convective heating surfaces of steam boilers of T-shaped configuration surveyed.

Литература

1. Блох А. Г. Диагностика и управление топочным процессом на основе данных о распределении потоков падающего излучения // Промышленная теплотехника. - 1987. - Т. 9. - №1. - С. 84-89.

2. Белов С. Ю. Разработка и внедрение системы диагностики загрязнения поверхностей нагрева котла П-67 // Электрические станции. - 1998. - №4. - С. 7-9. © Проблемы энергетики, 2008, № 11-12

3. Журавлев Ю. А., Скуратов А.П., Блох А. Г., Ковалев Ю. В. Разработка системы технической диагностики энергетической топки как основа принятия управленческих решений // Электрические станции. - 1998. - №4. - С. 7-9.

4. Михлевский А. А., Дашкинев Ю. Г., Зозуля Г.В., Никитин Е.Е. Задачи и методы технической диагностики поверхностей нагрева паровых котлов // Теплоэнергетика. - 1989. - №8. - С. 48-52.

5. Афган Н. Х., Карвальо М. Г. Экспертная система для управления топочными процессами парового котла // Теплоэнергетика. - 1996. - №6. - С. 6876.

6. Piboontum S. J. Boiler modeling optimizes sootblowing // POWER, 2005. -№8. - С. 34-37.

7. Randy Carter H. Advances in intelligent sootblowing // POWER, 2005. - №8. - С. 38-41.

8. Ameren J. P. Benchmarking boiler tube failures - Part 2 // POWER, 2005. -№9. - С. 55-58.

9. Вихрев Ю.В. Эксплуатационная надежность поверхностей нагрева паровых котлов // Мировая энергетика. - 1997. - № 4. - С. 38-40.

10. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод. - Изд. третье,

переработанное и дополненное. - Санкт-Петербург: НПО ЦКТИ, 1998. - 257 с.

Поступила 20.02.2008