Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование малогабаритных энергонапряженных паровых котлов в котельных и мини-ТЭЦ

К.т.н. А.В.Алексеев

Введение

Основная область применения котлоагрегатов, в основе которых находятся энергонапряженные паровые котлы, - это мини-ТЭЦ и котельные паропроизводительностью от 50 до 600 т/ч (давление пара - до 4 МПа; температура - до 440 ^ОС), от которых требуются высокие надежность и степень автоматизации при широком диапазоне выходных параметров (по нагрузке и динамическим характеристикам) с учетом низких совокупных строительно-эксплуатационных затрат. Разработка таких малогабаритных паровых котлов (рис. 1) специалистами ОАО «Специальное конструкторское бюро котлостроения», имеющими опыт создания котлов как для кораблей и судов, так и для стационарной энергетики, была начата в 1995 г. Первая котельная с котлом данного типа тепловой мощностью 60 МВт (паропроизводительностью 75 т/ч) была введена в эксплуатацию в 1998 г. на нефтеперерабатывающем заводе АО «Мажейкю Нафта» (г. Мажейкяй, Литва).

Конструктивные особенности

По способу организации рабочего процесса в газовом тракте разработанный паровой котел - высоконапорный, сжигание топлива и теплопередача осуществляются при избыточном давлении воздуха (до 0,3-0,4 МПа). Воздух нагнетается в котел компрессором, приводимым во вращение газовой турбиной, включенной в газовый тракт котла после экономайзера. При низких нагрузках используется дополнительная коаксиально расположенная паровая турбина (рис. 2). Компрессор и турбины скомпонованы в единый турбонаддувочный агрегат (ТНА).

Паровой котел - вертикальный, двухколлекторный, с вертикальным пароперегревателем, водяным экономайзером и одноходовым движением дымовых газов, имеет двухслойный корпус-кожух с воздушным полнопроточным охлаждением топки и газохода.

Автоматизированные котлоагрегаты на базе таких котлов позволяют вырабатывать перегретый пар для паровых турбин мини-ТЭЦ, а также насыщенный пар или горячую воду для технологических нужд и теплоснабжения промышленных предприятий.

В состав котлоагрегата входят (рис. 3):

¦ высоконапорный водотрубный паровой котел с естественной циркуляцией;

¦ турбонаддувочный агрегат для подачи воздуха в котел;

¦ утилизационный котел (водогрейный или паровой) для утилизации тепла уходящих от парового котла газов (табл. 1);

¦ автоматизированная система управления (АСУ), обеспечивающая регулирование, защиту и сигнализацию;

¦ арматура (регулирующая, дистанционно-управляемая и др.).

Основной особенностью котлов данного типа является значительная интенсификация теплообмена в топке и в парообразующих поверхностях нагрева котлов. Напряжение топочного объема (12,4-13 МВт/м³) примерно в 100 раз превышает показатели традиционных стационарных котлов, а скорость дымовых газов в конвективных поверхностях нагрева, приведенная к нормальному атмосферному давлению, превосходит их показатели примерно в 10 раз (до 100 м/с). В результате существенно увеличивается интенсивность теплообмена, что, в свою очередь, приводит к уменьшению значений удельных массогабаритных характеристик котлов в 15-20 раз. Так у рассматриваемых котлов это значение не превосходит величину 0,4-0,6 кг пара/кг котла, притом, что у основной массы стандартных котлов этот показатель составляет около 8-10 кг пара/кг котла. Необходимо также отметить, что увеличенная тепловая нагрузка не снижает показателей надежности теплообменных элементов котла. Это достигается за счет мероприятий по выравниванию тепловых нагрузок, применением конструктивно правильно выбранных материалов и эффективной работой АСУ.

На экспериментально-исследовательском стенде был выполнен комплекс работ по обеспечению надежности работы котла, включая термометрирование самых напряженных теплообменных элементов (парообразующих труб экранов топки, первых рядов конвективного пучка, труб пароперегревателя). Научно-исследовательские работы и замеры показали, что температура «лобовых точек» парообразующих труб и труб пароперегревателя не превышает опасных значений. Это обеспечивается надежной циркуляцией в парообразующем контуре и высокими скоростями пара в трубах пароперегревателя, что гарантирует надежное охлаждение металла труб.

Котлы могут работать на газообразном или жидком топливе (в том числе используется мазут всех марок, включая М-100). Топливо сжигается в топке, образуемой боковым экраном и конвективным пучком труб. Подача газообразного топлива в топку осуществляется из газовой магистрали при давлении газа 0,22 МПа, а подача жидкого топлива - топливным насосом при давлении топлива 2,5 МПа.

Разработанное для этого типа котлов топочное устройство включает в себя шесть газомазутных горелок, размещенных встречно: три горелки на передней и три - на задней стенках котла. Горелки № 1 и № 2, расположенные на передней и задней стенках котла, являются растопочными и обеспечивают розжиг котла с помощью высоковольтных искровых запальников. Горелки пронумерованы в соответствии с порядком их включения.

В состав топочного устройства входят два датчика факела, установленные на смотровых трубах горелок (по одному на каждой стенке котла), а также газовый, мазутный и паровой трубопроводы с арматурой. Арматура системы распыливающего пара включает в себя дроссельное устройство для регулирования давления распыла и ручные запорные клапаны. К горелке № 1 подведен трубопровод распыливающего воздуха с дроссельным устройством и запорным клапаном.

Рассматриваемые в статье схемно-конструктивные решения были реализованы в конструкциях котлов нескольких типов, отличающихся производительностью и параметрами пара: КВГ3-Г (КВГ3-ГМ) и КВГ2М-ГМ (см. табл. 2).

Система подачи воздуха

Мощность, необходимая компрессору для подачи воздуха, и мощность, развиваемая газовой турбиной, изменяются в зависимости от нагрузки котла. При этом на малых нагрузках мощности газовой турбины для подачи необходимого количества воздуха не хватает. Недостача покрывается за счет работы паровой турбины. На больших нагрузках мощность газовой турбины такова, что компрессор подает воздуха больше, чем требуется для сжигания топлива. В этом случае избыточное количество воздуха перепускается помимо котла воздушной регулирующей заслонкой, установленной на напорном воздухопроводе компрессора.

Воздух от компрессора поступает в межобшивочное пространство котла, образованное наружным и внутренним кожухами, проходит через воздухонаправляющее устройство в топку, обеспечивая сжигание топлива. Полнопроточная организация подачи воздуха в межкожуховое пространство котла обеспечивает еще одну ступень его нагрева в дополнение к повышению температуры при адиабатическом сжатии в компрессоре. Одновременно обеспечивается охлаждение кожуха котла, что упрощает изоляцию установки. В конечном итоге такая схема позволяет отказаться в котле от применения специального воздухоподогревателя.

Газоочистное устройство

Газы, образовавшиеся при сжигании топлива, отдают часть тепла излучением поверхностям нагрева в топке и часть тепла конвекцией рядам труб конвективного пучка, пароперегревателя и экономайзера. Далее они очищаются в газоочистном устройстве и поступают в газовую турбину ТНА. Из турбины газы поступают в дымовую трубу и далее в котел-утилизатор.

Установленное в патрубке газохода газоочистное устройство (рис. 4а) предназначено для защиты направляющего аппарата и рабочих лопаток газовой турбины ТНА от деформаций и разрушений зольными остатками топлива и другими твердыми частицами, уносимыми с продуктами сгорания топлива. Газоочистное устройство состоит из десяти секций и дренажной системы. Секции устройства работают по принципу инерционных решеток жалюзийного типа. Каждая секция состоит из пяти элементов (рис. 4б). Каждый элемент имеет форму усеченной пирамиды, стенки которой выполнены из металлических пластин (лопастей), образующих жалюзийные решетки с зазорами между пластинами 3 мм. Внутренняя полость элемента разделена на четыре части двумя вертикальными перегородками, установленными диагонально. Каждый элемент верхней своей частью сообщается с коллектором. Секции основаниями крепятся на раме. Дренажная система обеспечивает отвод загрязненных газов в выхлопной газоход котла.

При работе котла поток газов, поступающий в каждый элемент газоочистного устройства, разбивается лопастями элементов на мелкие струйки, резко поворачивается вокруг лопастей и поступает через газоход в газовую турбину ТНА. Твердые частицы, внесенные в элемент газовым потоком, двигаясь по инерции и отражаясь от лопастей и диагональных перегородок, достигают дренажного отверстия элемента и выносятся частью газов, минуя газовую турбину, в трубопровод дренажной системы. Расход газа через дренажный трубопровод ограничивается шайбой, установленной на общем дренажном трубопроводе перед дымовой трубой.

Газоочистное устройство позволяет очистить газы от твердых частиц топлива с размерами до 0,1 мм, что обеспечивает безопасность лопаток ТНА при работе котла на всех типах жидкого топлива.

Сравнительные характеристики

паровой котел энергонапряженный автоматизированный

Разработанные паровые котлоагрегаты обладают рядом преимуществ перед котлами на вентиляторном дутье.

Во-первых, масса котла составляет около 40 т (около 49 т с ТНА), что на порядок меньше массы традиционных аналогов с близкими показателями по производительности и параметрам пара.

Во-вторых, котлы изготавливаются в заводских условиях с проведением всех инструментальных технологических проверок и испытаний на прочность и плотность (с арматурой, датчиками и горелочными устройствами), а блочномодульная конструкция котла обеспечивает его транспортировку без демонтажа составляющих частей. Достигнута предельно малая продолжительность монтажа котла на подготовленный фундамент (рис. 5) - не более суток. В результате существенно сокращаются сроки строительно-монтажных и пусконаладочных работ.

Также следует отметить, что котел типа КВГ не требует дополнительной установки тягодутьевого оборудования (дымососов, вентиляторов), что приводит к сокращению потребления электроэнергии. При реконструкции имеющихся котельных их паропроизводительность может быть увеличена на тех же производственных площадях за счет небольших габаритов (рис. 3) разработанных котлоагрегатов. Применение котла-утилизатора с оребренными трубами для интенсификации теплообмена позволяет довести коэффициент использования топлива до 94%. Сброс и набор нагрузки во всем диапазоне производительности котлоагрегата осуществляется за 30-60 с. Такие показатели особенно важны при использовании комплексов в качестве аварийно-пиковых.

Графики основных параметров котлов КВГ3-ГМ и КВГ2М-ГМ (паропроизводительности, КПД, температуры и давления перегретого пара на рабочих нагрузках) при работе на газовом топливе приведены на рис. 6.

Особое внимание при разработке уделялось ремонтопригодности оборудования и снижению трудоемкости ремонтных работ. К примеру, бригада из четырех человек обеспечивает замену всей поверхности нагрева (демонтаж и последующую установку труб) за 10 дней. Сроки вывода энергокомплекса для капитального (среднего) ремонта с заменой поверхностей нагрева и огнеупоров сокращены до двух-трех недель.

Показатели надежности котла: срок службы - не менее 40 лет; средний ресурс - 200 тыс. ч; ресурс трубной части до замены - 50 тыс. ч.

Опыт внедрения

Как уже упоминалось, с 1998 г. на предприятии АО «Мажейкю Нафта» в эксплуатации находится котельная с котлом КВГ3-ГМ в составе секции теплоснабжения технологической установки. Наработка котлоагрегата составляет 89 тыс. ч без замены котельных труб, что значительно превышает нормативный ресурс трубной части. В котле обеспечивается сжигание газообразного топлива сложного состава - продуктов ректификации нефти.

На предприятии ОАО «Волжский Оргсинтез» (г. Волжский, Волгоградская обл.) была построена новая котельная с двумя котлоагрегатами на основе котлов КВГ3-ГМ. Котельная тепловой мощностью 120 МВт эксплуатируется с 2005 г. Наработка котлоагрегатов превысила 34 тыс. ч. Котельная бесперебойно обеспечивает технологическим паром химическое производство. Впервые в отечественной практике с использованием котлов типа КВГ3 была создана котельная «с нуля». При пуско-наладочных работах на котлах и оборудовании котельной были проведены расширенные по объему многорежимные испытания и исследования. Котлы и оборудование котельной успешно подтвердило свои спецификационные параметры на всех эксплуатационных нагрузках.

Для ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (г. Магнитогорск, Челябинская обл.) была спроектирована и построена в 2001 г. мини-ТЭЦ с котлом КВГ3-Г. С 2002 г. в работе находится турбоэлектрогенератор на основе противодавленческой турбины (Р-4) электрической мощностью 4 МВт. Наработка котлоагрегата мини-ТЭЦ на данный момент превысила 36 тыс. ч. По отзывам эксплуатационной службы предприятия за время эксплуатации котла каких-либо существенных неисправностей оборудования не возникало.

На предприятии ОАО «Омский каучук» (г. Омск) построена мини-ТЭЦ (рис. 7) с двумя котлами КВГ3-ГМ и четырьмя котлами КВГ2М-ГМ. Три очереди мини-ТЭЦ введены в эксплуатацию соответственно в 2005, 2006 и 2008 гг Полный цикл работ, включая автоматизацию турбогенераторного каскада, был завершен к 2008 г Суммарная мощность мини-ТЭЦ составила 520 МВт. Электроэнергию вырабатывают три турбогенератора общей электрической мощностью 36 МВт. Наработка первой очереди мини-ТЭЦ в настоящее время достигла 36 тыс. ч. Котельный цех ТЭЦ ОАО «Омский каучук» с шестью энергоблоками на данный момент является самым крупным энергетическим объектом в России, созданный с использованием котлоагрегатов на основе энергонапряженных котлов типа КВГ3 и КВГ2.

На заводе синтетического каучука ОАО «Нижнекамскнефтехим» (г. Нижнекамск, Республика Татарстан) котельная с двумя котлами КВГ3-ГМ сдана в эксплуатацию в 2002 г. Мощность котельной - 120 МВт. Котлы работают на природном газе и на жидких углеводородных технологических отходах. Наработка котлов - свыше 63 тыс. ч, что также превышает нормативный ресурс трубной части.

Размещено на Allbest.ru