ВВЕДЕНИЕ 4
1 Энергетическое использование углей Канско-Ачинского бассейна 7
1.1 Теплотехнические и теплофизические характеристики канско-ачинских
углей 8
1.2 Сжигание КАУ в топочных камерах с твердым шлакоудалением 10
1.3 Сжигание КАУ в топочных камерах с жидким шлакоудалением 12
2 Основные направления развития технических решений по повышению
надежности работы котельных агрегатов, сжигающих угли Канско-Ачинского бассейна 16
2.1 Низкотемпературное вихревое сжигание 18
2.2 Техническое перевооружение котельных агрегатов на основе комбинации
традиционных технических решений 21
2.2.1 Реконструкция котельного агрегата БКЗ-320-140 Красноярской ТЭЦ-1 с
переводом на твердое шлакоудаление 23
2.2.2 Техническое перевооружение котла ПК-38 Назаровской ГРЭС 25
2.2.3 Модернизация котельного агрегата П-67 Березовской ГРЭС 28
2.3 Котельный агрегат с кольцевой топочной камерой 30
2.4 Анализ тенденций и направлений совершенствования технологий сжигания
КАУ 32
2.5 Характеристика котельного агрегата БКЗ-320-140 34
Выбор цели и постановка задач исследования 37
3 Разработка программного обеспечения для выполнения расчетов котельных агрегатов 39
3.1 Специализированные программы и комплексы программ для расчетных
исследований паровых котлов 39
3.2 Разработка специализированного программного комплекса для выполнения
расчетных исследований котельных агрегатов 42
Выводы 47
4 Расчетные исследования котельного агрегата БКЗ-320-140 Красноярской
ТЭЦ-1 48
4.1 Разработка вариантов реконструкции котла по технологии
низкотемпературного вихревого сжигания 48
4.2 Тепловые расчетные исследования вариантов реконструкции котельного
агрегата 56
4.3 Современные системы сухого золошлакоудаления 70
4.3.1 Система сухого золоудаления DRYCON от Clyde Bergemann 70
4.3.2 Система сухого золошлакоудаления Magaldi 72
4.4 Расчет вредных выбросов в атмосферу 74
4.5 Аэродинамический расчет котельной установки 77
4.6 Гидравлический расчет фронтального контура циркуляции котельного
агрегата 81
Выводы 87
5 Трехмерное математическое моделирование топочных процессов котельного
агрегата БКЗ-320-140 89
5.1 Описание программного комплекса ANSYS Fluent 89
5.2 Результаты математического моделирования топочных процессов
котельного агрегата до реконструкции 92
5.3 Результаты математического моделирования топочных процессов
котельного агрегата после реконструкции 97
Выводы 101
6 Технико-экономическая оценка реконструкции котельного агрегата
БКЗ-320-140 103
6.1 Изменения в статьях текущих затрат 105
6.2 Расчет коммерческой эффективности проекта 111
Выводы 112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 113
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 115
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 116
ПРИЛОЖЕНИЕ
Согласно —Энергетической стратегии России на период до 2030 года— развитие топливно-энергетического баланса страны связано с расширением использования углей Канско-Ачинского бассейна (КАБ). Прежде всего, это обусловлено сочетанием следующих факторов: колоссальными запасами, благоприятными горно-геологическими условиями, низкими
эксплуатационными затратами на добычу и возможностью осуществления бесперебойной транспортной логистики вследствие удобного географического положения. Значительная часть потребления данных углей приходится не только на теплоэнергетику Красноярского края, но и за его пределами (Иркутская и Новосибирская области, Алтайский край, республика Хакасия и др.).
Рассматривая парк котельного оборудования тепловых электрических станций Красноярского края, значительная его часть, представлена котлами с жидким шлакоудалением (ЖШУ), а именно 40-42% выработки электрической и тепловой мощности электростанций приходится на данные котельные агрегаты.
Результаты эксплуатации котлов с ЖШУ указывают на значительное отставание в техническом развитии топочных процессов, физическое и моральное старение данных котлов. При этом имеется ряд общих и характерных проблем: пониженная паропроизводительность и высокие затраты на эксплуатацию котлов из-за шлакования и золового загрязнения поверхностей нагрева; низкие экологические показатели из-за повышенной эмиссии оксидов азота и слабого подавления и поглощения вредных выбросов; низкая экономичность, обусловленная недожогом с провалом и уносом частиц недогоревшего топлива; пережег экранов и низкая надежность работы котельных агрегатов из-за высокой неравномерности и локальных максимумов тепловосприятий в зонах натекания мощных струй на топочные экраны; наличие шлака с низкими потребительскими свойствами; низкий регулировочный диапазон изменения нагрузок.
Для решения вышеперечисленных проблем котлов с ЖШУ применяются различные способы совершенствования режимов и технологий сжигания угля в топочных камерах котельных агрегатов, в том числе достаточно широко распространенным мероприятием является перевод котлов с ЖШУ на твердое (ТШУ).
Между тем опыт использования канско-ачинских углей (КАУ) показывает, что до сих пор не решена проблема поиска рациональных способов их сжигания, обеспечивающих эффективность, надежность и экологическую чистоту работы котельных агрегатов.
В связи с этим особую актуальность приобрели вопросы, связанные с разработкой концепции технических и прикладных мероприятий, позволяющих решить проблемы сжигания КАУ путём перевода котельных агрегатов с ЖШУ на ТШУ.
Объектом исследования являются котельные агрегаты с жидким шлакоудалением БКЗ-320-140 Красноярской ТЭЦ-1, сжигающие уголь Бородинского месторождения.
Предметом исследования являются комплексные процессы, протекающие в котельном агрегате, при сжигании угля Бородинского месторождения.
Цель работы - повышение паропроизводительности, экономичности и надежности котельных агрегатов, снижение выбросов оксидов азота до нормативных значений на основе перевода котлов с жидкого шлакоудаления на твердое с применением современных технических решений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить анализ работы действующего оборудования, определить и обосновать причины сниженной паровой нагрузки котельных агрегатов; провести анализ влияния химического состава минеральной части и методов сжигания канско-ачинских углей на интенсивность шлакования и загрязнения поверхностей нагрева, а также необходимо изучить механизм образования оксидов азота при сжигании твердого топлива для последующего принятия решения о необходимости перевода котла с ЖШУ на ТШУ с учетом специфики каждой отдельной станции.
2. Проработать режимные и конструктивно-компоновочные решения по организации топочного процесса с предложением мероприятий по подавлению оксидов азота и серы, и снижению интенсивности шлакования поверхностей нагрева.
3. Разработать специализированное программное обеспечение, позволяющее осуществить поверочный и конструкторский расчет котельного агрегата.
4. Выполнить ряд расчетных исследований котельных агрегатов с использованием программного обеспечения и методов трехмерного математического моделирования с целью определения и корректировки основных режимных параметров, уточнения конструктивных характеристик поверхностей нагрева котлов, выбора перечня необходимого оборудования котельного агрегата, оценив при этом уровень шлакования поверхностей нагрева и концентрацию выбросов оксидов азота и серы.
5. Выполнить технико-экономическую оценку целесообразности перевода котельных агрегатов сжигающих КАУ с ЖШУ на ТШУ, приняв во внимание внедряемые мероприятия.
6. На основании полученных результатов расчетных и теоретических исследований разработать рекомендации системного уровня, позволяющие повысить эффективность работы жидкошлачных котлов за счет организации рациональных режимов работы и эффективных конструктивно-компоновочных решений топочного процесса.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались программные средства, предназначенные для теплового, аэродинамического и гидравлического расчета котельных агрегатов, пылеприготовительных установок и загрязняющих веществ в атмосферу. Для выбора и обоснования новых технических решений перевода котельных агрегатов с жидкого шлакоудаления на твердое использовались методы математического моделирования топочных процессов.
Научная новизна:
Разработаны универсальные методические рекомендации системного характера, позволяющие повысить эффективность работы котельных агрегатов, сжигающих угли Канско-Ачинского бассейна, путем перевода котлов с жидкого шлакоудаления на твердое.
Практическая значимость:
Разработаны режимные рекомендации системного характера и решения по организации топочного процесса, позволяющие повысить паропроизводительность, надежность и экономичность работы котельных агрегатов с жидким шлакоудалением, сжигающих угли Канско-Ачинского бассейна, а также снизить выбросы оксидов азота и серы, путем перевода котлов с жидкого шлакоудаления на твердое.
Разработано специализированное программное обеспечение,
позволяющее осуществить тепловой расчет котельных агрегатов, с целью оптимизации режимных параметров и конструктивных характеристик топочной камеры и поверхностей нагрева при переводе котлов с жидкого на твердое шлакоудаление.
В настоящее время актуальной задачей остается повышение эффективности сжигания углей Канско-Ачинского бассейна. Значительная часть котельных агрегатов Красноярского края представлена котлами с ЖШУ, а именно 40-42% выработки электрической и тепловой мощности электростанций приходится на данные паровые котлы. Опыт эксплуатации котлов с ЖШУ указывает на значительное отставание в техническом развитии топочных процессов, высокую интенсивность шлакования и загрязнения поверхностей нагрева, повышенные значения выбросов вредных веществ в атмосферу.
В этой связи рассмотрены и проанализированы наиболее распространенные технические решения, реализованные при реконструкции паровых котлов, и изучен опыт перевода котельных агрегатов с ЖШУ на ТШУ. Результаты обзора литературных источников показали многообразие подходов к решению проблемы энергетического использования КАУ. Несмотря на значительный перечень различных рекомендаций, предложений остается актуален поиск рациональных способов их подготовки и сжигания, обеспечивающих эффективность, надежность и экологическую чистоту работы котельных установок.
Для решения вышеперечисленных проблем разработаны универсальные конструктивные и режимные рекомендации по организации топочного процесса, позволяющие повысить мощность и экономичность работы котельных агрегатов с жидким шлакоудалением, сжигающих КАУ, а также снизить выбросы оксидов азота.
При реконструкции и проектировании паровых котлов требуется выполнить многовариантные и многофакторные расчетные исследования, поэтому было разработано специализированное программное обеспечение, позволяющее осуществить комплексные расчетные исследования паровых котлов с целью повышение эффективности их работы.
Для определения наиболее эффективных технических решений проведены комплексные расчетные исследования, включающие в себя: тепловой расчет котельного агрегата, расчет системы пылеприготовления и горелочных устройств, гидравлический расчет контура циркуляции, аэродинамический расчет котла и расчет вредных выбросов в атмосферу. Однако существующие нормативные методики расчета в большинстве случаев не способны дать корректные и точные результаты, поэтому для определения наиболее эффективной технологии реконструкции котельных агрегатов были использованы методы трехмерного математического моделирования, реализованные в программном продукте ANSYS Fluent, что позволило численно описать физические процессы, происходящие в топочной камере и газоходах котла.
На основании данных, полученных при помощи разработанного программного обеспечения и трехмерного математического моделирования в программном продукте ANSYS Fluent, реконструкция котельного агрегата БКЗ-320-140 Красноярской ТЭЦ-1 по LTVC технологии сжигания приведет к следующим положительным результатам:
1. Увеличение бесшлаковочной паровой нагрузки котельного агрегата с 270 до 320 т/ч, что будет способствовать повышению потенциальной возможности дополнительной выработки тепловой и электрической энергии. Пониженные значения температур газового потока на выходе из топочной камеры котельного агрегата (993,62 °C) и теплонапряжения топочного объема (144,82 кВт/м3) приведут к существенному снижению интенсивности шлакования паропегревательных поверхностей нагрева, а, следовательно, и к расширению регулировочного диапазона изменения паровой нагрузки.
2. Проведенная реконструкция котельного агрегата также благоприятным образом влияет на выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. Как показали расчетные исследования, концентрация оксидов азота снизилась на 60 % и составила 207,57 мг/м3 , концентрация оксидов серы уменьшилась на 16 % и составила 560,42 мг/м3, концентрация твердых частиц снизалась на 47 % и составляет 123,12 мг/м3.
3. Увеличение КПД котла брутто с 90,72 до 91,11 % обусловлено уменьшением потерь тепла с уходящими газами и с физической теплотой шлака, что при неизменной выработке тепловой и электрической энергии дает снижение расхода топлива 15,96 до 15,93 кг/с.
4. Снижение издержек за счет увеличения среднеэксплуатационной нагрузки, а также сокращение ежегодных затрат, связанных с расшлаковкой и очисткой пароперегревательных и конвективных поверхностей нагрева.
5. Отсутствие необходимости замены вспомогательного оборудования котельной установки в частности системы пылеприготовления и тягодутьевого оборудования.
Таким образом, совместное использование, разработанного программного обеспечения и трехмерного математического моделирования позволили сформировать основной перечень наиболее эффективных технических решений и мероприятий, направленных на повышение эффективности энергетического использования углей Канско-Ачинского бассейна.
Для подтверждения целесообразности, выбранной схемы реконструкции котельного агрегата БКЗ-320-140, проведена технико-экономическая оценка. В результате, которой были определены основные интегральные показатели коммерческой эффективности проекта. Чистый дисконтированный доход, значение которого составляет 745,263 млн. руб. и непродолжительный срок окупаемости инвестиционного проекта, равный 6,3 лет подтверждают его перспективность и возможность реконструкции котельных агрегатов БКЗ-320- 140 Красноярской ТЭЦ-1 по технологии сжигания LTVC.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
