Повышение тепловой эффективности и коррозионной стойкости котельных воздухоподогревателей

ПРОБЛЕМЫ И ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ.

Общеизвестное обострение в последние годы дефицита природных ресурсов резко усилило необходимость повышения эффективности использования топлива, снижения металлоемкости конструкций, уменьшения потерь стали из-за коррозии.

Котельные воздухоподогреватели являются одним из заметнейших технических устройств, совершенствование которых сулит значительный вклад в решение названных проблем. Воздухоподогреватель является замыкающей теплообменной поверхностью котла и определяет, таким образом, степень утилизации тепла продуктов сгорания. С другой стороны, от уровня подогрева воздуха зависит полнота сгорания многих топлив. На изготовление воздухоподогревателей идет до 3040% всего металла котельных поверхностей нагрева. Огромен ущерб, причиняемый народшщу хозяйству низкотемпературной коррозией котельных во здухоподогревателей. По данным Главэнергоремонта на восстановление трубчатых и регенеративных воздухоподогревателей за год расходуется до 50 тысяч тонн стали.

В советских паровых котлах применяются, как известно, два серийных типа аппаратов для нагрева дутьевого воздуха: регенеративные воздухоподогреватели с вращающимся ротором (РВВ) и стальные трубчатые воздухоподогреватели (ТВП). В течение десятилетий их конструкции развиваются параллельно.

Будучи вначале абсолютно преобладающими в отечественной энергетике, трубчатые воздухоподогреватели с начала 60-х годов стали вытесняться регенеративными. В последние годы этот процесс затормозился. Наряду с котлами малой мощности крупнейшие угольные котлы Канско-Ачинского и Экибастузского топливно-энергетических комплексов оснащаются трубчатыми воздухоподогревателями новых конструкций.

Развитие двух типов аппаратов, различающихся своими техническими характеристиками и эксплуатационными ограничениями, обеспечивает достаточную гибкость проектирования и возможность учета меняющихся экономических факторов: соотношения между трудовыми и материальными ресурсами, стоимости тогошв, требований к надежности оборудования, защите окружающей среды и т. д.

По-видимому основными для регенеративных и трубчатых воздухоподогревателей можно считать различия по четырем характеристикам: компактность поверхности нагрева, герметичность газового и воздушного трактов, схема движения теплоносителей (противоток — перекрестный ток), сложность устройства (механизм — статичная конструкция) .

Не все указанные особенности EBB и ТВП можно безоговорочно отнести к достоинствам или недостаткам. Так, высокая компактность набивки, в сочетании с противоточным движением сред, обеспечивает существующим регенеративным воздухоподогревателям некоторое преимущество перед ТВП по весо-габаритным показателям. Однако, с появлением высокозольных топлив, на ряде электростанций EBB из-за малых проходных сечений набивок стали забиваться золой. §-то явление отмечено как в СССР /I/, так и за рубежом /2,3/. Аэродинамические сопротивления газового и воздушного трактов при забивании EBB резко возрастают (в 2−3 раза), увеличиваются затраты на собственные нужды, недоохлаж даются уходящие газы. Замена на котлах П-57 регенеративных воздухоподогревателей ^ не подверженными забиванию трубчатыми дала, по сведениям Рефтинской ГРЭС, годовой экономический эффект при эксплуатации в 76 тысяч рублей на один котел.

Второй пример: перекрестное движение теплоносителей в ТВП является причиной пониженного среднего температурного напора. Однако в последнее время осознаются некоторые положительные свойства перекрестного тока, например, возможность отбора воздуха с различными температурами из одного выходного воздуховода.

Такая переоценка роли коренных особенностей конкурирующих типов воздухоподогревателей с развитием техники склоняет к выводу, что вопрос о предпочтительности одного из них для некоторых видов топлив не может быть решен раз и навсегда.

Имеющиеся в литературе весьма полезные сравнения EBB и ТВП (см. например /4,5/) отражают результаты, достигнутые к совершенно определенному времени. Особую ценность представляют публикации, в которых выполнено не только качественное, но и количественное сопоставление показателей EBB и ТВП /4,6,7/. Подобные сравнения для конкретных котлов имеются в некоторых научно-технических отчетах Подольского машиностроительного завода им. Орджоникидзе (ЗиО).

Главные технико-экономические показатели воздухоподогревателей модно разделить на 4 группы: а) весо-габаритные характеристикиб) трудоемкость и стоимость изготовленияв) трудоемкость и стоимость эксплуатацииг) вклад в экономичность котла (максимальный нагрев воздуха, минимальная температура уходящих газов).

Как уже упоминалось, веса и размеры у трубчатых воздухоподогревателей больше, чем у регенеративных. Наблюдается однако тенденция сближения этих показателей для ТВП и EBB. Значительный вклад в снижение габаритов и металлоемкости ТВП внесен с разработкой и внедрением Z-перекресгаых воздухоподогревателей /8/.

Снижение веса регенеративных воздухоподогревателей, несмотря на активные работы по созданию высокоинтенсифицированных набивок /9−13/, идет медленнее, так как в EBB на долю поверхности нагрева приходится менее половины металла всего аппарата.

Трудоемкость изготовления и монтажа по-прежнему у EBB значительно (в 2 и более раз) выше, чем у ТВП /6,7/. В результате несколько выше и стоимость регенеративных воздухоподогревателей.

Одним из важнейших преимуществ EBB считается большая, чем у ТВП надежность при работе на сернистых и абразивных топливах. Еегенеративные воздухоподогреватели обеспечивают меньшую трудоемкость и стоимость эксплуатации, чем ТВП старых конструкций, эоловой износ и низкотемпературная коррозия которых приводит к большим присосам воздуха в газовый тракт и необходимости частых ремонтов. В последние годы для ТВП специалистами ЗиО и УралВТИ разработаны эффективные золозащитные устройства /14/, препятствующие износу поверхности нагрева даже при работе на высокоабразивной экибастузской золе.

К проблеме защиты от низкотемпературной коррозии вообще меняется подход. До недавнего времени ставилась задача снижения скорости коррозии поверхности нагрева воздухоподогревателей до некоторого «приемлемого» уровня, в расчете компенсировать потери металла глубоким охлаждением уходящих газов. Эти требования гораздо легче удовлетворялись при использовании EBB путем выделения заменяемого холодного слоя набивки, применения эмалированных и керамических набивок. Кроме того, в определенных пределах выход из строя части холодной набивки EBB почти не сказывается на эффективности его работы. Замена прокорродаровавших секций ТВП является более дорогим и трудоемким мероприятием. К тому же скорость коррозии, при равных температурах уходящих газов и холодного воздуха, в ТВП больше, чем в EBB.

Однако многолетний опыт эксплуатации котлов, сжигающих сернистые топлива, показал Л5−18/, что поддержание чрезмерно низких температур уходящих газов нецелесообразно из-за коррозии расположенных за воздухоподогревателем газоходов и дымососов. Эти процессы сопровождаются увеличением присосов (до 50%) «резким увеличением затрат энергии на собственные нужды и расходов на очистку, воздухоподогревателей от загрязнений. В настоящее время Всесоюзным теплотехническим институтом рекомендуется поддерживать температуру уходящих газов по крайней мере на 10° выше точки росы /19−21/. В этих условиях тлеется возможность защитить воздухоподогреватели от коррозии и загрязнения с помощью каскадного способа подогрева воздуха /22/. Высокая надежность каскадных ТВП конструкции ЗиО подтверждена практикой эксплуатации их в II котлах мощностью от 75 до 300 Мвт на подмосковном угле «болгарских лигнитах и высокосернистом мазуте /23/.

При сжигании высоковлажных и низкореакционных топлив существует, как известно, проблема высокого подогрева воздуха, актуальность которой возрастает в связи с наблюдающимся ухудшением качества топлив. В этом отношении ТВП имеют традиционное преимущество перед регенеративными воздухоподогревателями /24/, позволяя получать более горячий воздух и, тем самым, обеспечить меньшие потери от механического недожога.

При небольших содержаниях серы в топливе фактором, ограничивающим глубокое охлаждение дымовых газов, становится малый температурный напор на горячем конце воздухоподогревателя. Это ограничение позволяет обойти подача вместе с дутьевым воздухом избыточного, используемого в дальнейшем в качестве энергоносителя для потребителей тепла или в схеме подогрева питательной воды /25/. Такое решение приемлемо и для регенеративных и для трубчатых воздухоподогревателей, хотя возможности использования EBB в системах избыточного воздуха более ограничены ввиду запыленности выходящего из набивки воздуха.

Для преодоления перечисленных проблем во всем спектре условий эксплуатации котельных агрегатов, разумным надо признать создание научно-технического задела по развитию обоих типов воздухоподогревателей. Этот вывод лежит в основе ведущихся на ЗиО изысканий, часть которых представлена автором в настоящей диссертации. Отражением указанной научной позиции является и структура данной работы: изложение объединено в два раздела, содержащих исследования по трубчатым и регенеративным воздухоподогревателям.

Следует отметить, что резервы теплового совершенствования трубчатых воздухоподогревателей одно время считались почти исчерпанными. Определенную роль в формировании такого представления сыграла ограниченность расчетных методик. Основанные на чрезмерно идеализированных моделях многоходового перекрестного тока или эмпирических формулах, эти методики не позволяли усмотреть возможности повышения эффективности воздухоподогревателей за счет рационального использования неравномерностей температур сред. Численные поэлементные расчеты перекрестного тока явились тем инструментом анализа, с помощью которого были обнаружены важные особенности работы воздухоподогревателей, определено влияние перекосов входных температур на средний температурный напор и температурный режим конструкции в этих аппаратах /26,7/. Новые сведения породили целую серию изобретательных находок, позволивших разносторонне улучшить трубчатые воздухоподогреватели. В первую очередь надо отметить создание уже упоминавшихся г-перекрестных ТВП, дающих экономию до 30% металла по сравнению с традиционным/ С «перекрестом /7,27/.^{-перекрестными} воздухоподогревателями оснащены мощные котлы П-57, П-57Р.(500 Мвт) и П-67 (800 Мвт) Экибастузско-го и Канско-Ачинского топливно-энергетических комплексов.

Весьма эффективной для борьбы с низкотемпературной коррозией на маяосернистых тотгавах оказалась подача воздуха на вход ТВП с неоднородным профилем температур /7,28/. Задача получения горячего воздуха с различными температурами (первичного и вторичного) обрела простое решение: отбор воздушных потоков из разных зон выходного сечения ТВП /7/.

Источником развития трубчатых воздухоподогревателей стало также применение упоминавшегося каскадного способа подогрева воздуха, позволяющего предотвратить низкотемпературную коррозию ТВП даже при работе на высокосернистых мазутах.

В процессе разработки этих нетрадиционных направлений развития воздухоподогревателей неизбежно возникла необходимость создания удобных методов расчета новых аппаратов, а также уточнения старых методик. Решению этой задачи в значительной мере посвящены исследования, результаты которых изложены в первых четырех главах диссертации. Они включают инженерные методики расчета минимальной температуры стенки в ТВП, среднего температурного напора в одно-ходовом и двухходовых Си Z-TBП с неравномерными по сечению входными температурами сред, методику проектирования каскадных ТВП.

Общей отличительной чертой новых методик является учет неравномерное тей температур сред, как имеющихся на входе в теплообменник, так и неизбежно образующихся внутри него из-за специфики перекрестного тока.

Стремясь построить расчетную базу, способную служить аппаратом исследования различных модификаций перекрестного тока, автор отказался от применения эмпирических коэффициентов. Расчетные формулы выведены непосредственно из уравнений, описывающих достаточно общие теоретические модели, а точность их проверена в частных случаях сравнением с результатами многократно апробированных численных расчетов. Применение полученных при таком подходе расчетных методик позволило обнаружить резервы и наметить новые пути совершенствования трубчатых воз-пухоподогревателей.

В диссертации представлены примеры реализации вскрытых возможностей и разработанные при участии автора конкретные технические решения (некоторые на уровне изобретений) по совершенствованию ТВ Д. Среди них выделяется одна из разработок, доведенная до практического использования на котлах ПК-38 и проверенная промышленными испытаниями — каскадный ТВП с рециркуляционным преднагре-вателем.

Работы по совершенствованию регенеративных вращающихся воздухоподогревателей, выполненные до середины 70-х годов, освещены в литературе достаточно полно /4,5,12/. В последние годы активно велись поиски интенсифицированных стальных и неметаллических набивок. В первую очередь можно отметить разработанную совместно с венгерскими специалистами просечную набивку /13/, металлоемкость которой, по данным ВТИ, в 1,7 раза, а сопротивление на 30 $ меньше, чем у стандартной интенсифицированной набивки при равном тепло-съеме.

Идя работы на сернистых тошгавах предложены в качестве набивки шлакоситапловые и фарфоровые пластины с выступами различной форглы /29/. Такая поверхность нагрева наделено противостоит коррозии, обладает большей механической прочностью и допускает более простую конструкцию креплений, чем известные ранее керамические блоки и трубки. Вместе с тем проблемы загрязнения набивки, а также коррозии металлических креплений пакетов и элементов ротора остаются нерешенными.

Во втором разделе диссертации представлены разработки по защите регенеративных воздухоподогревателей от коррозии, базирующиеся на концепции обеспечения достаточно высокой температуры материала конструкции. Идея анизотропной теплообменной поверхности, обладающей существенно различными коэффициентами теплоотдачи при обдуве в противоположных направлениях, лежит в основе работ по новым коррозионностойким набивкам, описанным в главе 6. Там же предложена высокоэффективная жалюзииная набивка для работы в первую очередь на топливах с крупно дисперсной золой. Глава седьмая посвящена созданию коррозионностойких EBB, в которых все элементы, контактирующие с газами, имели бы температуру выше точки росы. Предложены конструкции таких аппаратов, выполнена экспериментальная отработка наиболее ответственных узлов, дано обоснование характеристик по разработанному с участием автора техническому проекту коррозионностонкого EBB для котлов Конаковской ГЕЭС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе получены следующие результаты.

1. Впервые решена задача о теплопередаче при перекрестном токе с произвольными профилями входных температур обоих теплоносителей, Показано, что в частных случаях, при равномерности входных температур теплоносителей, полученное решение переходит в известные формулы Буссельта.

2. Разработаны графо-аналитические методики расчета среднего температурного напора: а) в одноходовом перекрестноточном теплообменнике со ступенчатыми профилями входных температурб) в двухходовых Си 7-перекрестных теплообменниках с межходовым перемешиванием одного из теплоносителей (при полном отсутствии перемешивания другого) и неравномерными входными температурами обоих теплоносителейв) в Zперекрестном теплообменнике с произвольным количеством ходов при межходовом перемешивании одной среды и полном отсутствии перемешивания второй.

Перечисленные расчетные методики получены на основе строгих аналитических соотношений, поэтому они одинаково точны во всей области применимости исходной математической модели перекрестного тока, положенной в основу существующих нормативных методов расчета температурного напора в трубчатых воздухоподогревателях.

3. Показано, что в 7-ТВП влияние неравномерности входной температуры газов на средний температурный напор не зависит от степени межходового перемешивания воздуха. Поэтому изменение температурного напора из-за входных неравномерностей можно всегда вычислить по упомянутой выше методике (п. 26), построенной в предположении полного межходового перемешивания воздуха.

4. Разработана приближенная методика расчета локальных температур сред в произвольной точке одноходового теплообменника с неравномерными входными температурами.

5. Разработана новая методика расчета минимальной температуры стенки в ТВП, учитывающая, в отличие от нормативной, влияние количества и величины ходов, неравномерности входных и выходных температур, схемы движения воздуха. Методика сформулирована в двух модификациях: «общей» и «упрощенной». Общая методика применима для любых трубчатых воздухоподогревателей (в том числе для каскадных) и других перекрестноточных теплообменников. Упрощенная модификация методики предназначена для ТВП с числом ходов ^4.

Показано, что разница в минимальных температурах стенки, сосчитанных по новой методике и с помощью численных расчетов на ЭВМ во всем диапазоне типичных для ТВП значений определяющих параметров не превышает 2 °C. В то же время погрешность нормативного расчета может достигать 15 °C и более,.

6. Найдены формы профиля входной температуры воздуха, при которых требуемые (по условиям защиты от коррозии) температуры стенок в ТВП обеспечиваются при минимальных затратах тепла на предварительный подогрев возд]уха. Показано, что при найденных формах профиля средняя температура воздуха перед ТВП может быть уменьшена по сравнению с однородным профилем на 15−20°С без снижения минимальной температуры стенки воздухоподогревателя.

7. Выполнена расчетная оценка влияния неравномерности теплоотдачи по периметру трубы на минимальную температуру металла трубы в ТВП. Показано, что в котельных воздухоподогревателях снижение минимальной температуры металла из-за неравномерности теплоотдачи, лежит в пределах 5 °C, причем наиболее сильно оно может проявляться в многоходовых ТВП, и практически не ощущается в аппаратах с числом ходов меньше трех.

8. Выполнен анализ идеального про тиво точного каскадного теплообменника. Показано, что при заданном температурном режиме конструкции из возможных вариантов каскадной подачи среды наибольший теплосъем обеспечивает тот, при котором каскадная часть теплообменника занимает наибольшую долю поверхности.

9. Создана методика расчета каскадных ТВП с произвольным числом ходов заданной величины. Методика позволяет определять величины всех байпасов воздуха и температуру входной порции воздуха, необходимые для обеспечения требуемых минимальных температур стенки, а также средние выходные и межходовые температуры газов и воздуха.

10. Новые расчетные методики, перечисленные выше, использованы для разработки технических решений по совершенствованию воздухоподогревателей. Среди них: а) вариант ТВП для котла П-57Р с получением трех потоков горячего воздуха различной температуры: первичного, вторичного и избыточного /64/ - с последовательным включением по газам однохо-довых воздухоподогревателей первичного и избыточного воздухаб) установка подогрева вентиляционного воздуха избыточным на котле ПК-39 блока 300 Мвт Троицкой ГРЭС (ввод в эксплуатацию -1984 год) /65/- в) каскадный ТВП с рециркуляционным преднагревателем для котлов ПК-38 (блок 150 Мвт).

Последняя из перечисленных установок разработана, внедрена и испытана в 1982;8Зг. при участии автора на двух котлах Березовской ГРЭС Белглавэнерго (приложение 6). Ожидаемый экономический эффект — около 200 тыс. руб./год на I блок.

11. Впервые начата разработка поверхностей с анизотропной теплоотдачей (существенно различной при обдуве в противоположных направлениях) для регенеративных теплообменников. Выделены закономерности конвективного теплообмена, являвдиеся источником осуществимости анизотропной теплоотдачи.

Экспериментально найдена теплоаккумулирующая набивка для регенеративных воздухоподогревателей, обладающая средним коэффициентом анизотропности А=1,75. Коэффициент анизотропности на одном из концов набивки достигает величины А=2,3. Показано, что минимальная температура такой набивки при установке ее вместо стандартной набивки (например, в EBB газомазутного котла ПК-41), ожидается примерно на 15 °C выше при тех же температурах воздуха и уходящих газов, что должно значительно снизить скорость сернистой коррозии и загрязнения,.

12. Разработана высокоинтенсифицированная жалюзийная набивка с широкими каналами для прохода сред. Экспериментально определены тепловые и аэродинамические характеристики набивки. Проверена работоспособность набивки при работе на экибастузском угле в действующем РВВ блока 500 Мвт Рефтинской ГРЭС. При равном теплосъеме жалюзийная набивка требует по крайней мере в 1,5 раза меньше металла, чем стандартная интенсифицированная набивка, имеет меньшее аэродинамическое сопротивление и не забивается крупно дисперсной золой экибастузского угля.

На Подольском машиностроительном заводе создано специальное оборудование и осваивается производство жалюзийной набивки.

13. Разработаны схемы новых типов РВВ, защищенных от низкотемпературной сернистой коррозии за счет обеспечения температуры всех конструктивных элементов, контактирующих с дымовыми газами, выше точки росы: а) каскадный РВВ с внешним байпасом воздухаб) каскадный РВВ с внутренним байпасом воздуха.

14. Выполнена экспериментальная отработка конструкции смесителей каскадных РВВ. Испытана натурная модель смесителя.

15. Разработан технический проект каскадного РВВ для котлов ПК-41 Конаковской ГРЭС. Внедрение каскадных РВВ на указанных котлах позволит поддерживать минимальную температуру металла в во здзухоподогревателях выше 150 °C при снижении температуры уходящих газов на ~7° по сравнению с существующей.

Конаковская ГРЭС одобрила проект каскадного РВВ. Ожидаемый экономический эффект составляет от 950 до 1300 тысяч руб./год на станцию (8 блоков по 300 Мвт).

Основная часть материалов настоящей диссертации опубликована в 6 статьях и 6 авторских свидетельствах на изобретения /23,54, 95−105/.

Содержание отдельных частей работы докладывалось на межвузовском семинаре в Саратовском политехническом институте (приложение 3), на заседании секции научного совета ГКНТ СССР в Барнауле /97/, на научно-технических семинарах ЦКТИ, ВТИ (приложение 3) и ЗиО, а также на конференции молодых ученых и специалистов Минэнергомаша (ЦКТИ, 1979 г.) и нескольких конференциях молодых специалистов ЗиО. Технические разработки по коррозионностойким РВВ экспонировались в г. Подольске на выставке НТТМ и отмечены первой премией.

В результате обсуждения специалистами ЦКТИ, ВТИ и ЗиО, изложенные в диссертации новые методики расчета рекомендованы к использованию в качестве нормативных при проектировании котельных агрегатов (приложения 3,5).

Автор благодарит коллег, которые на разных этапах работы активно. сотрудничали с ним или оказывали ему содействие: д.т.н., профессора В. К. Мигаяк.т.н. Р. А. Петросяна, И. И. Кадырова (ВТИ) — к.т.н. И. А. Боткачика (Мосэнергоремонт);

A.Б.Захаренко, Г. А. Гаряева (Рефтинская ГРЭС) — Н. Н. Федорако (Березовская ГРЭС) — к.т.н., доцента А. Ю. Вески, В. В. Марченкова (ТалШ) — Е. И. Носкова, Г. В. Громова, Г. И. Цофину, В. П. Николаева, А. Н. Проня,.

B.ИДютову, А. В. Пыяихина (ЗиО).

Особую признательность автор выражает человеку, которого считает своим учителем в науке и в жизни — к.т.н. «заслуженному изобретателю РСФСР А.УДипецу.