Серант Ф.А., Смышляев А.А., Зыкова Н.Г. Инженерные разработки котлов с кольцевой топкой для энергоблоков 200…1200 МВт - файл n1.rtf

Серант Ф.А., Смышляев А.А., Зыкова Н.Г. Инженерные разработки котлов с кольцевой топкой для энергоблоков 200…1200 МВт
скачать (24445.7 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.rtf104477kb.03.03.2010 21:15скачать

n1.rtf

УДК 621.311
РЕЗУЛЬТАТЫ освоения опытно – промышленного

котла 820 т/ч с кольцевой топкой
Серант Ф.А., д. т. н., Будилов О.И., к. т. н., Остапенко В.Е., Сеннов В.П.

ЗАО «СибКОТЭС» г. Новосибирск - ЗАО «КЭС» - Новоиркутская ТЭЦ, г.Иркутск
Строительство крупных угольных тепловых электростанций с энергоблоками 500…800 МВт и выше связано с трудностями по созданию мощных котлоагрегатов, особенно для сжигания шлакующих углей. Для обеспечения высокой надежности и экономичности современного котлоагрегата принимаются умеренные теплонапряжения и сравнительно низкие температуры газов в топочной камере, что при существующих традиционных конструкциях топочных устройств приводит к большим размерам всего котлоагрегата. В результате высота топки современного крупного котлоагрегата оказывается значительно большей, чем требуется для экономичного выгорания топлива. В существующих конструкциях котлов тепловоспринимающие поверхности в топке размещаются в основном в виде настенных экранов. Использование же объема топки для установки двухсветных экранов и низкоопущенных ширм широкого распространения не получило из-за их недостаточной надежности, особенно при большой глубине топки. Так, например, высота даже П-образного традиционного котла для блоков 800 МВт превышает 100м, а башенного котла еще значительно выше (рис. 1).




а) Прямоточный котел башенной компоновки

б) Котел Т-образной компоновки (по типа П-67)

в) Котел с кольцевой топкой


Рис. 1. Котлы для блоков 800 МВт

Монтаж крупновысотных котлов и строительство для них зданий является сложной технической задачей, в результате чего сроки и стоимость строительства современных мощных тепловых электростанций существенно увеличиваются.

Кольцевая топочная камера, по существу, представляет дальнейшее развитие тангенциальных топок, отличительной особенностью которых является вихревой характер течения газов, при котором в центральной (приосевой) области топочной камеры по всей ее высоте практически отсутствует активное движение факела (рис.2).





Рис. 2. Аэродинамика факела в тангенциальной топке.

Фотография факела на работающем котле приводится с разрешения фирмы «ALSTOM»

По данным модельных и натурных исследований, поперечный размер (диаметр) этой малоактивной зоны достигает 40-50% сечения топки. Отсутствие в этой области активного движения факела позволяет эффективно использовать ее для размещения надежно работающих дополнительных (в виде осесимметричной экранированной вставки) поверхностей нагрева. При таком решении вращающийся факел оказывается как бы зажатым в кольцевом пространстве между внутренними и наружными экранами, в результате чего условия смешения, выгорания и теплообмена в таком топочном объеме становятся существенно отличными от обычных топок. Принципиальной особенностью конструкции котла с кольцевой топкой является (рис. 3.) топочная камера, представляющая собой многогранную призму, внутри которой по всей ее высоте коаксиально установлена многогранная экранированная вставка. Поперечный размер этой вставки выбирается из соотношения d1/d2=0,5-0,6, при этом меньшее значение рекомендуется для котлов, рассчитанных на сжигание шлакующих углей. Здесь и далее d1 и d2 –диаметры окружностей, условно вписанных в сечения внутренней и наружных камер, а dу- диаметр условной окружности, касательно к которой направлены оси горелок.

Проведенные сравнительные исследования цилиндрической и многогранных кольцевых камер с различным числом граней показали, что уже при 8-ми гранном сечении аэродинамика топки близка к течению в цилиндрической кольцевой камере. Что же касается технологичности изготовления, то изготовление 8-ми -гранной камеры не представляет особых сложностей. Стены внутренней и наружной камер выполняются из цельносварных газоплотных панелей. В нижней части топки экраны наружной камеры отгибаются внутрь и образуют многоскатную холодную воронку. В верхней части топки к боковым стенам наружной камеры примыкают горизонтальные конвективные газоходы. Горелочные устройства устанавливаются на каждой стене топки в один или несколько ярусов в зависимости от мощности котла и рекомендуемых теплонапряжений для конкретного топлива.

Оси горелок направляются по касательным к условной окружности, диаметр которой (dу=dу/d2) выбирается в диапазоне 0,5-0,75 с учетом шлакующих характеристик угля. Особенностью воспламенения факела в кольцевой топке является то, что вытекающая из щелевой прямоточной горелки топливно-воздушная смесь прогревается и зажигается в основном за счет набегающего от предыдущих (по ходу вращения) горелок мощного вихревого потока высокотемпературных топочных газов. При такой схеме зажигания более эффективна вертикально-щелевая прямоточная горелка, в которой аэросмесь подается со стороны набегающего (поджигающего) потока высокотемпературных топочных газов, а вторичный воздух вводится со стороны наружного экрана, к которому отжимается весь факел. Существенное изменение конструкции топочной камеры при установке в центральной части ее многогранной экранированной вставки требует разработки специальных решений по включению этой внутренней поверхности в пароводяной тракт котла. При этом, если для котлов с естественной циркуляцией может быть принято одно решение, а именно включение экранов центральной вставки параллельно наружным экранам, то для прямоточных котлов помимо такой схемы возможна последовательная подача всего или части расхода среды сначала во внутренние, а затем в наружные экраны. Расположение пароперегревательных поверхностей нагрева, экономайзера и воздухоподогревателя в конвективных газоходах котла принимается таким же, как и для обычных котлов. Компоновка котлоагрегата с кольцевой топкой по расположению основного и вспомогательного оборудования принципиально не отличается от типовой компоновки котлов с квадратной тангенциальной топкой. Повышенная устойчивость и симметрия движения газов в кольцевой топке позволяют выполнить простую компоновку мельниц с горелками. Подвод вторичного воздуха к горелочным блокам выполняется отдельными отводами из общего короба, который опоясывает топочную камеру. На котле, рассчитанном для сжигания шлакующих углей, обдувочные устройства по топке устанавливаются только на наружных стенах. Использование серийных дальнобойных и маловыдвижных водяных аппаратов позволяет эффективно очищать как наружные экраны так и внутреннюю вставку. Поскольку центральная вставка в кольцевой топке выполняется из газоплотных цельносварных панелей, ее внутренняя полость представляет собой газоплотный газоход большого поперечного сечения, который можно использовать для различных целей. Так, при создании крупных котельных агрегатов с кольцевыми топками по оси полой внутренней шахты может быть установлена мощная центральная колонна, что позволяет значительно уменьшить длину и высоту несущих хребтовых балок каркаса котла. Кроме того, во внутренней шахте возможно размещение части опускной системы котла, что позволит освободить котел от части наружных трубопроводов. Для проведения ремонтных работ и осмотра остановленного котла в центральной шахте устанавливаются площадки обслуживания и скоростной лифт. В целом применение котлов с кольцевыми топками не требует специальной разработки каких-либо принципиально новых решений по компоновке котлоагрегата.

Учитывая новизну конструкции и значительные отличия в протекании топочного процесса в камерной топке ранее, в Сибтехэнерго и КазНИИЭ был проведен большой комплекс исследований на различных моделях и укрупненном огневом пылеугольном стенде при сжигании сильношлакующих березовских и высокозольных экибастузских углей, позволивших изучить основные особенности топочного процесса в кольцевых топках и разработать рекомендации по их расчету и проектированию.

Полученные результаты этих исследований были успешно использованы при проектировании опытно-промышленного котла с кольцевой топкой производительностью 820 т/ч.

Котел был разработан и изготовлен в соответствии с правительственной программой для отработки решений по созданию котлов для крупных энергоблоков на канско-ачинских углях.

Котел Е-820 изготовлен Барнаульским котельным заводом ПО «Сибэнергомаш». Проект его установки разработан Сибирским отделением института «ВНИПИЭнергопром» (г.Иркутск). Котел смонтирован и пущен в работу в 1998г. на Новоиркутской ТЭЦ (г.Иркутск).

Котел Е-820 (рис.3) однокорпусный, однобарабанный с естественной циркуляцией, Т-образной компоновки, рассчитанный на следующие параметры: паропроизводительность – 820 т/ч; давление пара- 13.8 МПа; температура пара – 5600С; температура питательной воды – 2300С; температура горячего воздуха – 2530С; теплонапряжение объема топки (qv)- 97,7 квт/м3; теплонапряжение сечения топки (qF)-2,83 МВт/м2; теплонапряжение лучевоспринимающей поверхности в зоне активного горения (qлг)-0,74 МВт/м2.





Рис. 3. Котел 820 т/ч с кольцевой топкой
Отвод газов из топки осуществляется двумя симметрично расположенными наклонными газоходами. В верхней части топки на двух фронтовых и двух задних стенах наружной камеры расположены панели настенного радиационного пароперегревателя.

Горелочные устройства по высоте топки установлены в 3 яруса с направлением осей по тангенциальной схеме гранях топки, т.к. для данного котла по условиям его компоновки в существующем здании была возможность установки лишь 6 мельниц вентиляторов. При этом каждая мельница подключена по аэросмеси к своему блоку горелок. На двух противоположных гранях топки, оставшихся без вводов топлива, установлены только сопла вторичного воздуха.

Котел рассчитан на сжигание в режиме твердого шлакоудаления сильношлакующих бурых углей Канско- Ачинского бассейна (березовского и ирша – бородинского), а также менее шлакующего Азейского угля с характеристиками:
Таблица 2.1

Наименование

Обозн

Березовский

Ирша -Бородинский

Азейский

Влажность, %

Wr

33

33

25

Зольность, %

Ar

4,7

6

12,8

Теплотворная способность, ккал/кг

Qr

3740

3740

4140

Выход летучих, %

Vdaf

48

48

46

Плавкостные характеристики золы 0С

Та

Тв

Тс

1270

1290

1310

1180

1210

1230

1100

1300

1310


Кольцевая топка этого котла представляет собой открытую восьмигранную призматическую камеру, внутри которой по всей высоте установлена коаксиальная восьмигранная вставка. Поперечные размеры наружной и внутренней восьмигранных камер (диаметры условно вписанных окружностей) составляют 18540 и 9270 мм. Обе камеры изготовлены из цельносваренных панелей из труб 60х6мм (ст.20) с шагом 80 мм. В нижней части топки наружные экраны отгибаются внутрь и образуют восьмискатную холодную воронку.Для возможности регулирования положения факела в кольцевом сечении топки на котле установлены регулируемые горелки конструкции Сибтехэнерго, позволяющие в широких пределах изменять направление горелочной струи относительно внутреннего и наружного экранов топки (рис. 4).

На уровне нижнего яруса горелок и в горелках третьего яруса расположены по 8 растопочных мазутных форсунок. На расстоянии 5,0 м. вниз от нижней границы ширм на наружных стенах топочной камеры установлены сопла для подачи низкотемпературных рециркулирующих газов в верх топки. Для ликвидации остаточной крутки факела и интенсификации смешения струи рециркуляции вводятся в топку по тангенциальной схеме в направлении, противоположном вращению факела. Для очистки экранов внутренней камеры от золовых отложений используются дальнобойные односопловые водяные аппараты, а для очистки экранов наружной камеры маловыдвижные водяные аппараты. Все аппараты установлены на наружных стенах топки.

Для очистки ширмового и конвективного пароперегревателя проектом предусмотрены глубоковыдвижные паровые аппараты. Топка подвешена на обогреваемых тягах к потолочному перекрытию каркаса и свободно расширяется вниз. Тяги из труб 76х18, сталь 20 включены в контур циркуляции.

Для выравнивания нагрузок по тяге, а также напряжений в цельносварной коробке топки все тяги снабжены тарельчатыми пружинами.

Прочность конструкции топочной камеры обеспечивается горизонтальными поясами жесткости. Кроме этого для восприятия нагрузок от “хлопка” и сейсмических нагрузок пояса жесткости связаны с каркасом специальными упорами.

По гидравлической схеме топочная камера котла конструктивно разбита на 12 циркуляционных контура: 8 по наружным и 4 по внутренним экранным панелям. Для получения качественного пара при минимальной продувке в котле применена схема двухступенчатого испарения. Чистым отсеком является барабан с внутрибарабанными устройствами. Сварной барабан внутренним диаметром 1600 мм и толщиной стенки 112 мм выполнен из стали 16ГНМА. Длина цилиндрической части барабана 24000 мм. В соленые отсеки включены левые и правые блоки фронтового и заднего экранов наружной камеры, из которых пароводяная смесь поступает в выносные циклоны.

Пароперегреватель котла по характеру тепловосприятия является радиационно - конвективным. Радиационную часть пароперегревателя образуют трубы потолка топки, потолка, стен и пода поворотных газоходов, потолка и стен опускных газоходов, а также настенных панелей пароперегревателя, расположенных на фронтовых и задних наружных стенах в верхней части топочной камеры. Полурадиационная часть пароперегревателя состоит из ширм, установленных в выходном окне топки с шагом 700мм и выполненных из стали 12х1МФ. Конвективные поверхности пароперегревателя (I и III и IV ступени) расположены в горизонтальных поворотных газоходах. Пароперегреватель разбит на два независимых потока симметричных относительно барабана котла и соответственно имеет 2 выхода пара из котла. Расчетная температура газов вверху топки (перед ширмами) - 9840С, а за пароперегревателем (в поворотной камере) - 6620С. Для уменьшения температурных перекосов в пароперегревателе производится смешивание пара после каждой ступени, а также переброс пара с одной стороны газохода на противоположную в пределах своего потока. Регулирование температуры перегретого пара осуществляется путем впрыска “собственного конденсата” в пароохладителях 1,2 и 3 ступеней. Экономайзер котла установлен в опускных газоходах котла и выполнен 4-мя ступенями с шахматным расположением труб 32х4 (ст.20) с шагом S1= 100 мм. Трубчатый воздухоподогреватель установлен в отдельной, вынесенной из-под котла колонке и выполнен в виде отдельных кубов из труб 40х1,5 (ст.3), включенных по шеститопочной схеме в 4 яруса по высоте. Размол и сушка топлива производится в 6-ти мельницах - вентиляторах типа МВ-2700/650/590 производительностью по ирша-бородинскому углю 35,5 т/ч при вентиляции 135х103 м3/ч. Сушка сырого топлива осуществляется смесью “горячих” дымовых газов, забираемых из поворотной камеры и “холодных” газов, забираемых дымососами рециркуляции с напора основных дымососов. Расчетная температура аэросмеси за мельницей 1300С. На напорном тракте каждой мельницы за сепаратором по проекту установлен центробежный делитель пыли (с поворотными лопатками), обеспечивающий возможность перераспределять количество топлива между верхним и нижним ярусами горелок. Из пыледелителя аэросмесь шестью пылепроводами 500мм подводится к 3-ем ярусам вертикального горелочного блока. Котел оборудован двумя дутьевыми вентиляторами типа ВДН-28, двумя осевыми дымососами типа ДОД-31,5Ф и двумя дымососами газовой рециркуляции типа ДН-21. Для очистки дымовых газов от золы установлены 2 пятипольных электрофильтра типа ЭГА-2-56-12-64-330-5.

Котел Е-820 установлен (рис. 5 и 6) в котельном отделении, запроектированном ранее под котел Е-500. Ширина котельной ячейки 60 м, глубина 45м и высота 60 м. Максимальная отметка котла 50 м, что на 20м ниже аналогичного (по тепловой мощности) котла с обычной топкой.

Совместной группой СибКОТЭС - Сибтехэнерго, Иркутскэнерго, Новоиркутской ТЭЦ и Сибэнергомаш на котле проведены режимно-наладочные и балансовые испытания при сжигании смеси азейских и ирша-бородинских углей: (Wr = 19,1%; Аr = 18,1%; Qri=4198 ккал/кг), и на одном ирша-бородинском угле (Wr = 26,8%; Аr=11,4%; Qri=3886 ккал/кг).

В ходе этих испытаний проверены различные режимы работы котла на нагрузках от 480 до 820 т/ч при различном количестве (от 4-х до 6-и), сочетании работающих мельниц и температуре питательной воды 205…230 оС.



Рис. 5. Компоновка котла с кольцевой топкой 820 т/ч Ново-Иркутской ТЭЦ. План.





Рис. 6. Компоновка котла с кольцевой топкой 820 т/ч Ново-Иркутской ТЭЦ.

Поперечный разрез

На заключительном этапе испытаний был успешно проведен тестовый опыт на максимальной нагрузке 900 т/ч.

На основании анализа результатов проведенных испытаний и полученного опыта эксплуатации установлено:





Рис.8. Распределение температуры факела по периметру топки



Рис.9. Режимы работы котла Е-820 при различном сочетании мельниц

При работе 4-х мельниц наибольшая неравномерность получается при одностороннем включении мельниц. В этом случае на котле возникают перекосы по температуре пара по газоходам Т-образного котла на уровне 20-З00С, не выходя при этом за предельно допустимые значения. При всех других возможных сочетаниях 4-х и тем более при 5-ти работающих мельницах при вихревом движении факела в кольцевой топке обеспечивается равномерная раздача газов и распределение температуры пара и газов по обоим газоходам.









Рис. 10. Зависимость КПД котла брутто (бр), потерь с мехнедожогом (q4) от паропроизводитедьности котла. 1-при сжигании азейского угля, 2-при сжигании ирша-бородинского угля.

Рис. 11. Зависимость концентрации оксидов азота в уходящих газах котла Е-820 от избытка воздуха за пароперегревателем (а) и от нагрузки (б) при работе на азейском и ирша-бородинском бурых углей.







Рис. 12. Зависимость среднего коэффициента тепловой эффективности

топки от нагрузки при сжигании азейского угля.
Анализ показателей суммарного теплообмена в топке показывает (рис. 12), что в кольцевой топке имеет место существенная (до 30-35%) доля конвективного тепловосприятия.

Выполненные по программе «FLUENT» расчёты позволяют получить распределение скорости (рис. 13) и температуры (рис. 14) в горизонтальном сечении топки, а также проследить траектории частиц (рис.15). Нетрудно видеть, что установка в приосевой области топки большой поверхности нагрева внутренней вставки и дополнительная интенсификация теплообмена обеспечивают в кольцевой топке сравнительно низкий (? 1230°С) уровень максимальных температур факела (рис.3), при котором может быть исключено активное шлакование топочных экранов. При этом, несмотря на низкие температуры, в кольцевой топке обеспечивается устойчивое воспламенение и экономичное выгорание топлива.






Рис. 13. Распределение скорости в горизонтальном сечении топки

Рис.14. Распределение температуры факела по сечению топки в зоне активного горения

С учетом полученного опыта работы и результатов исследований на котле Е-820 совместно с ИК «ЗИОМАР» выполнены проработки профиля котлов с кольцевой топкой для блоков 200, 350, 500, 800 МВт на различные угли.


Рис.15. Траектории угольных частиц в кольцевой топке

ЗАКЛЮЧЕНИЕ


  1. Предложена и разработана новая конструкция топочного устройства – кольцевая топка, обеспечивающая значительное снижение габаритов котла, его металлоемкости и повышение эффективности сжигания различных топлив.

  2. На основе проведенных исследований разработаны рекомендации по расчету и проектированию кольцевых топок для крупных энергетических котлов.

  3. Совместно с котельным заводом «Сибэнергомаш» разработана конструкция опытно-промышленного котла с кольцевой топкой паропроизводительностью 820 т/ч, который изготовлен и по проекту Сибирского отделения института «ВНИПИЭнергопром» установлен на Новоиркутской ТЭЦ.

  4. Полученный опыт эксплуатации и испытания котла Е-820 с кольцевой топкой подтверждают эффективность и целесообразность применения этих топочных устройств для крупных котлоагрегатов, сжигающих различные топлива.

Список литературы


  1. Серант Ф.А., Устименко Б.П., Змейков В.Н., Кроль В.О. Кольцевые топки пылеугольных котлов. Алма-Ата, Наука, 1988, 167 с.

  2. Серант Ф.А., Змейков В.Н., Устименко Б.П. и др. Исследование кольцевых топок и разработка профиля котла для мощных энергоблоков. Теплоэнергетика, 1982, № 10, с.33-36.

  3. Серант Ф.А., Булгаков В.В., Устименко Б.П. и др. Парогенератор, авт. свидетельство № 658358 СССР, 1978.

  4. Серант Ф.А., Булгаков В.В., Точилкин В.Н., Итман Д.Л, Маршак Ю.Л., Пугач Л.И., Шахсуваров К.В. Котельные агрегаты с кольцевой топкой для энергоблоков 800 и 1600 МВт на канско-ачинских углях. Тезисы докладов на Всесоюзном совещании “работы Союзтехэнерго по повышению надежности и экономичности энергооборудования”, М. СПО Союзтехэнерго, 1978, с.52-64.

  5. Серант Ф.А., Устименко Б.П., Змейков В.Н. и др. Исследование на изотермических моделях и огневом стенде особенностей аэродинамики, теплообмена и выгорания топлива в кольцевых топках. Горение органического топлива. Материалы V Всесоюзной конференции. Новосибирск, 1985.Ч 1, с.195-199.

  6. Серант Ф.А., Разработка и исследование кольцевой топки, ее промышленное внедрение и испытания на котле паропроизводительностью 820 т/ч. Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук, Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук. Новосибирск, 1999, 58с.

  7. Серант Ф.А., Будилов О.И., Остапенко В.Е., Сенов В.П. Результаты освоения опытно-промышленного котла производительностью 820 т/ч с кольцевой топкой при сжигании азейских и ирша-бородинских бурых углей.//Теплоэнергетика, 2003 – с.2…10.


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации