книги из ГПНТБ / Андрющенко А.И. Оптимизация тепловых циклов и процессов ТЭС учеб. пособие

где Р вп, Рэк, Рл — годовые расходы на 1 м2 соответственно воздухо­ подогревателя, экономайзера и экранов, включающие в себя стоимость поверхности нагрева вместе с обмуровкой, обшивкой и каркасом, сто­ имость монтажа и затраты на тяго-дутьевые машины, руб./(м2-год); Рвп» -Рэк, Рл — размеры поверхностей нагрева соответственно воздухо­ подогревателя, экономайзера и экранов, м2; Рт — приведенные годо­ вые расходы на 1 кг натурального топлива, (руб./год)/(кг/с); В — пол­ ный расход топлива, кг/с.

Исходя из известных уравнений теплопередачи, выразим величину каждой рассматриваемой поверхности нагрева:

1) воздухоподогревателя

валент) воздуха в воздухоподогревателе, отнесенная к 1 кг топлива,

коэффициенты теплопередачи соответственно в воздухоподогревателе и экономайзере, кВт/(м2-°С); фвп — коэффициент перехода от противоточной схемы к перекрестной при общем противоточном включении хо­ дов трубчатого воздухоподогревателя; Qn — количество тепла, пере­

где Сг, Сэк •— средние теплоемкости массовых расходов газов соответ­ ственно в воздухоподогревателе и экономайзере, отнесенные к 1 кг топлива, кДж/(кг-°С).

Значения средних теплоемкостей расходов газов и обогреваемых сред удобнее всего определять по формуле

С = Q/(/" - /'),

150

где Q — тепловосприятие рассматриваемой поверхности нагрева, от­ несенное к 1 кг топлива, кДж/кг; t' и t" — начальная и конечная тем­ пературы обогреваемой среды или газов, 0 С.

Проведенные расчеты показывают, что изменение температуры го­ рячего воздуха на 50° С вызывает изменение средних теплоемкостей расходов газов и воздуха в воздухоподогревателе не более чем на 1%. Поэтому величину С можно определить по данным исходного варианта и считать неизменной.

Коэффициенты теплопередачи в хвостовых поверхностях нагрева также несущественно зависят от температуры горячего воздуха. При изменении последней на 50° С величины &вп и /еэк изменяются менее чем на 2%. Это позволяет проводить оптимизацию tr.B, AtBn и AtBK при постоянных значениях коэффициентов теплопередачи, соответст­ вующих оптимальным скоростям газов и воздуха.

Количество тепла, передаваемого в топке лучевоспринимающим

где гр — доля рециркулирующих газов, обычно они отбираются за эко­ номайзером и вводятся в нижнюю часть топки. Очевидно, что при от­ сутствии рециркуляции газов гр = 0.

Удельное тепловосприятие лучевоспринимающих поверхностей на­ грева топки qa согласно [22]

qa = 5,67- Ю-ll щ ат т; т* j ^ ( i /д**) ( T J T Z - 1)2',

где М — коэффициент, зависящий от типа топки и относительной вы­ соты расположения горелок; £ —условный коэффициент загрязнения лучевоспринимающих поверхностей; ат — приведенная степень чер­ ноты топки, определяется по [26]; Т а — теоретическая температура сгорания.

Как показали расчеты, при повышении температуры горячего воз­

воляет определить влияние температуры ir,s на величину В. Температура горячего воздуха оказывает наиболее существенное

влияние на эффективность сжигания слабореакционных топлив, на­ пример антрацитового штыба (АШ). Так, в топках с жидким шлакоудалением при тепловом напряжении топочного объема около 175 кВт/м3 повышение температуры подогрева воздуха от 300 до 400° С приводит

151

Исследования показывают, что с достаточной для практических расчетов точностью зависимость В от (г „ можно представить линейной функцией вида

где атоп и 6Т0П — постоянные коэффициенты, зависящие от вида топ­ лива, теплонапряжения топочного объема, конструкции топочной ка­ меры и других факторов. В частности, для парогенераторов типа ТПП-110 и ТПП-210, предназначенных для работы на АШ с жидким шлакоудалением, в диапазоне изменения tr в = 300 4- 400° С; атоп = = 1,059; 6Т0П = 0,00008.

Годовые расходы на 1 м2 поверхности нагрева воздухоподогрева­ теля Рвп и экономайзера Рэк:

где бАдП(эк) — мощность, затрачиваемая на преодоление газового и воздушного сопротивлений 1 м2 поверхности нагрева, кВт/м2; значе­ ния PF и Рд определяются по (4-2) и (4-3).

Приведенные годовые расходы на 1 кг топлива можно определить следующим образом:

Взяв частные производные по (г.в из (5-2), (5-3), (5-4) и (5-9) с уче­ том (5-5), (5-6) и (5-7) и подставив полученные значения ЗРвп/д(г-в, дРэк/3(г.в, ЗРЛ/3(Г.Ви dB/dtr,Bв (5-1), придем к выражению

152

где а, b и с — постоянные коэффициенты, определяются для каждого парогенератора из выражений:

В случае, если температура горячего воздуха не оказывает прак­ тически влияния на величину потери тепла от механической непол­ ноты сгорания ( например, при сжигании газа, мазута и других высоко­ реакционных топлив), методика расчета наивыгоднейших значений

/г.в несколько упрощается. При этом из (5-1) выпадает последний член,

апостоянные коэффициенты а, b и с принимают вид:

Так как воздухоподогреватель является последней по ходу газов поверхностью нагрева и может подвергаться опасности низкотемпе­ ратурной коррозии, его часто изготовляют из двух частей— «горячей» и «холодной». В регенеративных воздухоподогревателях последняя выделяется в специальные пакеты набивки, рассчитанные на укоро­ ченный срок службы. В этом случае при изменении tr_B будет меняться только «горячая» часть воздухоподогревателя и в (5-12) вместо /ух и tX B необходимо подставлять значение температуры газов на входе и воздуха на выходе из «холодной» его части. Значения средних тепло­ емкостей расходов газов и воздуха и коэффицента теплопередачи рас­ считываются по условиям «горячей» части.

После определения наивыгоднейшей tr_в подсчитываются оптималь­ ные значения минимальных температурных напоров в экономайзере и воздухоподогревателе. Для этого необходимо полученное из (5-13) наивыгоднейшее значение /г в подставить в (5-5) и найти соответствую­ щую ей величину температуры газов за экономайзером ^к.оптОп­ тимальные значения минимальных температурных напоров в эконо­ майзере и воздухоподогревателе:

Пример 5-1. Рассчитаем оптимальную температуру горячего воздуха и оп" тимальные температурные напоры на холодном конце экономайзера и горячем

153

конце воздухоподогревателя однокорпусного парогенератора типа ТГМП-324 паропроизводительностью D = 263,9 кг/с — 950 т/ч при работе на мазуте.

Регенеративный воздухоподогреватель данного парогенератора запроекти­ рован из двух частей—«горячей» и «холодной», поэтому все расчеты ведем только для «горячей» части, оставляя «холодную» без изменения. Используя данные расчетов исходного варианта, определяем следующие величины: тг — 93,6° С;

ние температуры горячего воздуха от оптимального значения на ± 25° С при­ водит в данном парогенераторе к перерасходу годовых затрат на —2%.

Двухступенчатая компоновка. При двухступенчатой компоновке хвостовых поверхностей нагрева экономайзер или его первая ступень размещаются в рассечку воздухоподогревателя. Как известно, такая компоновка обусловлена требованиями очень высокого подогрева воз­ духа и применяется, например, в парогенераторах с циклонными топ­ ками. При этом конечная температура подогрева воздуха задана. За­ дача заключается в распределении тепловосприятия между ступенями нагрева воздухоподогревателя ВШ и ВП2 и экономайзером, что соот­ ветствует выбору оптимальных значений минимальных температурных напоров в первой ступени воздухоподогревателя Л/вп1 и экономайзере А/эк (рис. 5-2). Для заданного типа парогенератора, когда известны температуры уходящих газов 7ух, питательной воды tn. в, горячего tr_в и холодного воздуха /х, в, задача отыскания оптимальных значений Atgn 1 и At'U сводится к определению экономически наивыгоднейшей температуры воздуха в рассечке ^вп.

В этом случае условие оптимума

Здесь и в дальнейшем условные обозначения те же, что и в предыдущем случае.

Исходя из известных уравнений теплопередачи, выразим величину каждой рассматриваемой поверхности нагрева;

1) первой ступени воздухоподогревателя

154

Доля воздуха (1 — %) проходит только"через первую ступень возду­ хоподогревателя и также подается в топочную камеру, но с темпера­ турой tBn. Влияние tBD на изменение лучевоспринимающих поверхно­ стей топки несущественно и может не учитываться.

Температуры t"3K, t3K и tBод найдем из уравнений тепловых балансов экономайзера и ступеней нагрева воздухоподогревателя:

Взяв частные производные по ^Вп из (5-18)—(5-20) с учетом (5-21)— (5-23) и подставив полученные значения dFBnl/dtBn, dFsJdiBn и

155

SPBU2/dtnn в (5-17), после некоторых преобразований и введения сле­ дующих сокращенных обозначений:

где а, b и с — постоянные коэффициенты; определяются для каждого парогенератора из выражений:

Для определения оптимальных значений температурных напоров на «холодном» конце экономайзера и «горячем» конце первой ступени

Пример 5-2. Рассчитаем оптимальные температурные напоры на «холодном» конце экономайзера и «горячем» конце первой ступени нагрева воздухоподогре­ вателя двухкорпусного парогенератора типа ТПП-211 паропроизводительностью D = 263,9 кг/с = 950 т/ч, предназначенного для работы на АШ с циклонными предтопками ВТИ.

Обе ступени воздухоподогревателя данного парогенератора трубчатые. Вто­ рая ступень запроектирована с горизонтальным расположением труб, и через нее проходит 50% общего расхода воздуха, т. е. % = 0,5. Конечная температура подогрева воздуха 468° С. Используя данные расчетов исходного варианта, по

156

А'вп1 опт - 46° С.

§ 5-2. ОПТИМАЛЬНОЕ РАЗМЕЩЕНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ

ПЕРЕГРЕВАТЕЛЕЙ В ПАРОГЕНЕРАТОРАХ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ГАЗОВ В ТОПКУ

В настоящее время одной из актуальных проблем проектирования парогенераторов для блоков с одним и двумя промежуточными пере­ гревателями являются выбор системы регулирования температур пара и ее оптимизация. Особое значение этот вопрос имеет для парогене­ раторов с двукратным промежуточным перегревом, тепловая схема которых зависит от принятого способа регулирования [31].

Основными способами регулирования указанных температур в па­ рогенераторах с двукратным промежуточным перегревом являются рециркуляция газов в топку, распределение газов по параллельным газоходам, изменение положения ядра факела в топке с помощью по­ воротных горелок, а также различные сочетания этих способов. Так, фирма «Бабкок и Вилькокс» применяет, как правило, рециркуляцию газов, а также сочетание рециркуляции с распределением газов пс параллельным газоходам, фирма «Комбасчн Инжиниринг» — регу­ лирование поворотными горелками, фирма «Релей Стоккер» — ре­ циркуляцию газов и распределение газов по параллельным газоходам, фирма «Фостер Уиллер» — распределение газов по параллельным га­ зоходам. Однако общим для всех указанных фирм является примене­ ние впрыска воды как дополнительного средства регулирования тем­ ператур промежуточных перегревов.

Одним из наиболее распространенных способов регулирования тем­ пературы промежуточного перегрева пара является рециркуляция газов в топку. Этот способ широко используется во многих парогене­ раторах США, Франции, Италии и Японии, а также находит приме­ нение в отечественном парогенераторостроении [30]. Одновременно ре­ циркуляция газов используется для уменьшения шлакования, сниже­ ния тепловых потоков в нижней части топки, выравнивания поля тем­ ператур на выходе из топки и улучшения температурных условий ра­ боты экранов и ширм.

Принципиально рециркулирующие газы можно подавать как в нижнюю, так и в верхнюю часть топки. В первом случае температура

157

газов на выходе из топки % незначительно возрастает при сжигании низкокалорийных топлив и убывает при сжигании высококалорийных топлив. Одновременно рециркулирующие газы существенно увеличи­ вают объем и энтальпию газов на выходе из топки, что всегда приводит к уменьшению тепловосприятия топочной камеры. Однако тепловоеприятие конвективных поверхностей нагрева в результате увеличения коэффициентов теплопередачи, вызванного повышением скоростей газов, и температурных напоров всегда возрастает. Общее же тепловосприятие парогенератора при сохранении неизменными расхода топлива и размеров всех поверхностей нагрева с увеличением доли рециркулирующих газов несколько уменьшается за счет роста потерь тепла с уходящими газами q%.При рециркуляции газов в нижнюю часть топки температуры газов и температурные напоры в конвективных

ботающего на мазуте. Эти данные показывают, что при увеличении гр от 0 до 15% температура уходящих газов / ух возрастает на 4° С, а потери тепла q2 — на 0,2%. При сохранении неизменными теплово­ сприятия парогенератора и потерь тепла q2 введение рециркуляции приводит к увеличению поверхностей нагрева парогенератора (глав­ ным образом хвостовых).

Т а б л и ц а 5-1

Температура газов при рециркуляции,

При рециркуляции газов в верхнюю часть топки тепловосприятие радиационных поверхностей нагрева практически не меняется. Энталь­

158

Это снижение ориентировочно можно оценить величиной, равной 9° С на каждый 1% рециркуляции. Характер изменения температур газов по тракту парогенератора виден из табл. 5-1. В результате такого изменения происходит некоторое перераспределение тепла между ширмовыми и конвективными поверхностями нагрева.

Тепловосприятие ширмовых поверхностей умень­ шается, а тепловосприятие поверхностей нагрева, рас­ полагаемых вблизи места отбора рециркулирующих газов, увеличивается. Как и в случае рециркуляции газов в нижнюю часть топки, суммарное тепло­ восприятие поверхностей нагрева парогенератора несколько уменьшается за счет возрастания потерь тепла с уходящими газами.

При' рециркуляции га­ зов одновременно в верх­ нюю и нижнюю часть топ­

ки газы, поступающие в нижнюю часть топки, воздействуют на вто­ рой промежуточный перегреватель, а газы, поступающие в верхнюю часть топки, — на первый промежуточный перегреватель: он распо­ лагается обычно вблизи выходной части топки.

В парогенераторах с однократным промежуточным перегревом ре­ циркулирующие газы обычно подаются в нижнюю часть топки (через специальные сопла или непосредственно через основные горелки). Именно для этого случая определим наивыгоднейшее место отбора рециркулирующих газов.

Определение оптимальной температуры рециркулирующих газов.

Выбор температуры рециркулирующих газов tp, а следовательно, и места их отбора представляет собой технико-экономическую задачу. При увеличении tv от температуры газов за экономайзером t%к до тем­ пературы газов перед экономайзером t'3K будет уменьшаться поверх­ ность нагрева первой части экономайзера F'3K, расположенной в диа­

Общее тепловосприятие экономайзера при этом останется без измене­ ния, а суммарная поверхность нагрева возрастет. При неизменной

159