Оптимизация топочного процесса - путь к повышению эффективности, экологической безопасности и надежности работы котлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимизация топочного процесса - путь к повышению эффективности, экологической безопасности и надежности работы котлов

М.З. Абдулин, заместитель заведующего кафедры ТЭУТ и АЭС,

И.П. Овсиенко, магистрант, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» (НТУУ «КПИ»);

Г.Р.Дворцин, председатель совета учредителей, НТЦ «Флогистон»

A.M. Жученко, председатель совета учредителей;

Ю.А. Кулешов, главный инженер, НПО «СНТ»

На сегодняшний день в странах СНГ эксплуатируются сотни тысяч водогрейных котлов тепловой мощностью до 1 МВт, наиболее распространенными из которых являются котлы типа НИИСТУ, «Надточия», «Универсал». Срок их эксплуатации составляет 20-25 лет и более. Выход за проектный срок службы, а также существующая ситуация с газоснабжением (падение давления в подводящих газопроводах, пульсации давления, непостоянство калорийных характеристик газа и др.) формируют современное положение и специфику работы данного оборудования.

Безотказная, эффективная и экологически чистая работа таких котлов возможна лишь при выполнении современных, повышенных требований к количественным и качественным характеристикам топочного процесса данных огнетехнических объектов. В этой связи, выступающими на первый план требованиями становятся:

1. равномерность температурного поля топочного пространства, обеспечивающего равномерность тепловосприятия трубами экранной системы, что ведет к недопущению локальных перегревов и пережогов поверхностей нагрева;

2. автомодельность к изменению тепловой мощности температурного поля продуктов сгорания. Данное требование обусловлено необходимостью длительной работы котла на нагрузках существенно меньше номинальных, с сохранением на номинальном или даже большем уровне основных теплотехнических показателей работы;

3. автомодельность к изменению давления продуктов сгорания в топочном пространстве; выполнение данного требования делает возможным существенное повышение эффективности работы котла на малых нагрузках путем полного отключения тягодутьевых средств;

4. возможность изменения в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха, а также соотношения составляющих конвективного и радиационного тепловых потоков от продуктов сгорания к поверхностям нагрева.

Поскольку перечисленные условия в значительной степени обеспечиваются применяемой технологией сжигания, то их анализ позволяет с достаточной степенью определенности подойти к вопросу выбора горелочного устройства (ГУ) для подобных котлов и четко сформулировать основные требования к нему:

¦ легкий и надежный розжиг при минимально возможном расходе газа;

¦ устойчивое (безхлопковое) горение в широком диапазоне скоростей горючего и окислителя (для предотвращения срыва факела при резких колебаниях давления газа и воздуха);

¦ необходимый диапазон регулирования по мощности и коэффициенту избытка воздуха (для обеспечения оптимальных режимов сушки футеровки и теплового состояния элементов ог-нетехнического объекта, необходимого качества продуктов сгорания и их температурного уровня, а также обеспечения регулировки мощности без отключения части ГУ);

¦ максимально возможная полнота сгорания топлива в топочном объеме;

¦ допустимый уровень эмиссии токсичных веществ (NОx, CO, SO2 и т.д.) во всем диапазоне нагрузок;

¦ возможность регулировки длиной и светимостью факела, а также его аэродинамической и концентрационной структурой (для обеспечения необходимой интенсивности и равномерности распределения тепловых потоков, уменьшения вероятности соприкосновения факела с элементами огнетехнического объекта, образования окислительной или восстановительной среды в продуктах сгорания);

¦ минимально возможное сопротивление по трактам горючего и окислителя (для обеспечения возможности работы при низких давлениях газа и воздуха, снижение расхода электроэнергии на привод тягодутьевых машин);

¦ надежность и простота регулирования режимов работы (для упрощения автоматики и обеспечения безопасности);

¦ возможность надежной работы на самотяге и в безвентиляторном режиме на частичных нагрузках за счет разряжения, создаваемого дымососом либо трубой, что является важным при аварийных отключениях электроэнергии, а также позволяет существенно экономить электроэнергию;

¦ постоянство показателей рабочих характеристик в процессе эксплуатации;

¦ низкий уровень шума;

¦ модульность, позволяющая набирать ГУ необходимой мощности из автономно работающих модулей;

¦ технологичность, простота изготовления, низкая металлоемкость, отсутствие потребности в дорогих материалах.

В настоящее время на рынке Украины присутствует большое количество различного типа ГУ ведущих мировых производителей. Основные усилия при разработках таких устройств производители направляют на обеспечение рационального распределения горючего в потоке окислителя, турбулизацию топливной смеси и создание зон обратных токов в области стабилизации факела, однако если им это удается, то в очень узких диапазонах изменения режимных факторов, и поэтому не обеспечивается вся полнота требований, в совокупности предъявляемых к топочному процессу.

Многолетние исследования основных стадий рабочего процесса ГУ (раздача горючего в поток окислителя, смесеобразование, нагрев топлива, воспламенение, аэродинамическая, тепловая и концентрационная стабилизация горения, выгорание всей топливной смеси, формирование скоростных и температурных полей продуктов сгорания), проведенные в лаборатории горения НТУУ «КПИ», выявили определяющую роль аэродинамических процессов, что позволило классифицировать типы ГУ по нескольким газодинамическим схемам подачи горючего и окислителя (рис. 1).

Работа ГУ при переменных режимах осложняется разрушением циркуляционных зон высоконагретых продуктов сгорания, обеспечивающих аэродинамическую стабилизацию горения, нарушением равномерности распределения горючего в потоке окислителя, а также выходом концентрации топливной смеси в зонах обратных токов за пределы воспламенения.

Для решения этих проблем возможно использование технологии сжигания топлива, основанной на газодинамической схеме, предусматривающей поперечную подачу горючего в поток окислителя перед вихреобразователем в виде ниш (струйно-нишевая система) (рис. 2).

В струйно-нишевой системе в широких пределах изменения режимных факторов (скорость газа, воздуха, давления, температуры) реализуются устойчивые и легкоуправляемые вихревые структуры с высокой интенсивностью турбулентности потоков горючего и окислителя, а также зоны обратных токов, обеспечивающие качественное смесеобразование с необходимым уровнем горючей концентрации и надежную аэродинамическую стабилизацию горения. Объем вихрей на несколько порядков меньше, чем у традиционных вихревых ГУ, поэтому их влияние на пульсации в топке котла, а также эрозионное влияние на амбразуру и другие элементы котла относительно мало. Малый объем вихрей позволяет проводить пуск и эксплуатацию ГУ с малым расходом газа, что обеспечивает безопасность пуска. Улучшение смесительных свойств ГУ повышает надежность работы при предельно малых коэффициентах избытка воздуха и, следовательно, при повышенных значениях средней температуры факела в топке.

Все вышеописанное, позволяет увеличить тепловосприятие радиационной части, приводит к снижению температуры уходящих газов, т.к. количество тепла, переданное радиационным излучением в топке, в соответствии с законом Стефана-Больцмана, пропорционально температуре факела в четвертой степени. Повышение среднего уровня температуры, ее равномерность в топке котла, вследствие оптимального смесеобразования, сопровождается значительным уменьшением неравномерности тепловых потоков, и, таким образом, приводит к повышению надежности работы котла в целом. Упорядоченная структура течения горючего и окислителя в ГУ со струйно-нишевой системой обеспечивает самоохлаждение элементов ГУ за счет подогрева воздуха и газа (рис. 3).

Одной из особенностей струйно-нишевой системы является малое гидравлическое сопротивление по трактам горючего и окислителя, что позволяет значительно снизить давление газа и воздуха при эксплуатации ГУ. Все это позволяет предложенной технологии сжигания оптимально вписаться в сложную аэротермохимическую схему огнетехнического объекта и, в частности, водогрейного котла (рис. 4). Струйно-нишевая технология, реализованная в ГУ типа СНГ (рис. 5), испытана на котлах («Надточия», НИИСТУ-5, ТВГ, КВГ, КВГМ, ПТВМ, Е, ДЕ) и других объектах различного типа и производитель ности. Так, например, при проведении модернизации парового котла ДЕ-25 путем установки двух ГУ СНГ-45 были получены следующие результаты:

¦ надежный и безхлопковый розжиг котла на нагрузке менее 5%;

¦ коэффициент регулирования нагрузки - не менее 20 (расход пара - 1,9ч27 т/ч);

¦ экологические показатели не превышают нормы ПДК;

¦ снижение нагрузки на тягодутьевые средства - не менее чем на 50%;

¦ экономические показатели во всем диапазоне нагрузок - не ниже паспортных;

¦ минимально устойчивый режим работы - не более 20% от номинальной мощности;

¦ неравномерность тепловосприятия по экранным поверхностям - не более 10%;

¦ отсутствие застоя и опрокидывания циркуляции в контуре ввиду высокой степени равномерности температурного поля продуктов сгорания.

Из результатов модернизации наиболее распространенного типа котлов ДКВр следует, что котлы, находившиеся в эксплуатации более 40 лет и снизившие свои эксплуатационные характеристики, после модернизации не только улучшили показатели, но и превысили их паспортные значения. Такой эффект наблюдался на многих десятках модернизированных объектов.

топочный процесс оптимизация сжигание

Выводы

1. Топочные процессы играют определяющую роль при эксплуатации морально устаревшего огнетехнического оборудования.

2. Широкомасштабное внедрение струйно-нишевой технологии сжигания топлива на различных объектах позволило определить путь к высокоэффективной малозатратной модернизации.

Литература

1. Долинский А.А., Черняк В.П., Сигал А.И., Базеев Е.Г. К основным положениям концепции развития малой энергетики Украины // Промтеплотехника. 1998. Т. 14, №4.

2. Абдулин М.З. Некоторые аспекты повышения экономичности и экологической безопасности горелочных устройств // Энергетика, экономика, технология. 2000. № 4. С.65-68.

3. Абдулин М.З. Струйно-нишевая система смесеобразования и стабилизации пламени. Автореферат дис. Киев, НТУУ «КПИ», 1986.

4. Абдулiн М.З., Ібрагим Джамал. Дослiдження пальникового пристрою з поперечною подачею струменiв палива // Эко-технологии и ресурсосбережение. 1997. №2. С.68-69.

5. Акилов В.А., Бридун Е.В., Ватачин М.Ю. и др. Актуальные проблемы устойчивого развития. Применение новых технологий сжигания топлива // Киев: О-во «Знание», 2003. 430 с.

6. Глухарев Ю.В., Дубовик В.С. Опыт внедрения горелочных устройств типа СНГ на основе струйно-нишевой технологии сжигания топлива // «Новости теплоснабжения». 2003. № 11. С.20-21.

7. Абдулин М.З., Дубовик В.С. Струйно-нишевая технология сжигания топлива на объектах муниципальной энергетики // «Новости теплоснабжения». 2004. № 11. С.19-22.

Размещено на Allbest.ru