№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 697.1:681.52
© 2014 г. РЯБОВ Г. А.1, АВРУЦКИЙ Г. Д.1, ЗЫКОВ А. М.1, ШМИГОЛЬ И. Н.1, ЛАЗАРЕВ М. В.1, ДОЛГУШИН И. А.1, ЩЕЛОКОВ В. И.2, КУДРЯВЦЕВ А. В.2, ЖУЧЕНКО Л. А.3
ПРОФИЛЬ ЭНЕРГОБЛОКА УГОЛЬНОЙ ТЭЦ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Приведены результаты работ по обоснованию создания блоков угольных ТЭЦ нового поколения. Эти блоки предназначены для замены существующего оборудования ТЭЦ с турбинами типа Т-110. Показано, что применение передовых технических решений позволяет существенно увеличить эффективность котлов и турбо-установок и резко (в три—десять раз) снизить вредные выбросы пыли, оксидов азота и серы. Приведены результаты экономических исследований для различных вариантов котлов, турбин и параметров пара при сжигании двух углей.
Длительное время отечественные паровые ТЭЦ проектировались для работы в комбинированном режиме. Они недостаточно экономичны для использования без тепловой нагрузки и поэтому эксплуатируются только в течение отопительного периода, 4 —5 тыс. часов в год. ТЭЦ работают по тепловому графику и не обладают маневренностью, необходимой для регулирования частоты и мощности в энергосистемах. Вредные выбросы угольных ТЭЦ в окружающую среду недопустимо велики. Оборудование и системы ТЭЦ, спроектированные и изготовленные более 50 лет назад изношены, недостаточно автоматизированы и требуют для эксплуатации и ремонтов большой численности персонала.
Кардинальным решением проблемы является замена устаревшего оборудования угольных ТЭЦ новыми теплофикационными блоками с современным котельным и турбинным оборудованием, обеспечивающим высокую эффективность производства электроэнергии и теплоты при минимальных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу в соответствии с требованиями к лучшим технологиям [1].
ОАО "ВТИ", ОАО "ЭМАльянс", ЗАО УК "Теплоэнегосервис", ОАО "Институт Теп-лоэлекропроект" и НИУ МЭИ по договору с фондом «Энергия без границ» выполнили работу по теме "Разработка угольных энергоблоков ТЭЦ нового поколения мощностью 100—120 МВт с повышенными технико-экономическими параметрами для перспективного замещения действующего оборудования или нового строительства". Основные признаки ТЭЦ нового поколения реализуются в следующих технических решениях:
— новая паровая турбина с увеличенным КПД отсеков на повышенные и экономически обоснованные параметры пара;
— блочное исполнение, позволяющее применить дроссельное парораспределение и обеспечить работу блока на скользящем давлении при пониженных нагрузках;
— тепловая схема блока с двухподъемной схемой регенерации и использованием унифицированных горизонтальных подогревателей;
1ОАО "ВТИ", г. Москва.
2ОАО "ЭМАльянс", г. Подольск, Моск. обл.
3ЗАО УК "Теплоэнергосервис", г. Екатеринбург.
— турбоустановка, обеспечивающая возможность работы по тепловому графику 130/70°С без использования пиковых котлов;
— использование турбины с расцепной муфтой, позволяющее повысить маневренность, отключать часть низкого давления (ЧНД) на весь отопительный период и исключить потери на вентиляцию в ЧНД. Возможность зимой отключения ЧНД позволяет применить в нем лопатки большой высоты (до 960 мм) и получить в летние месяцы КПД ЧНД на уровне 88%;
— котельные установки на повышенные параметры пара с гарантийным КПД >92%;
— котлы с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС), обеспечивающие перспективные нормативы по вредным выбросам оксидов азота и серы и сжигание различных топлив (диверсификацию поставок топлива);
— комбинированные или рукавные фильтры с высокой эффективностью улавливания золы;
— системы азото- и сероочистки, обеспечивающие значения концентраций вредных выбросов на уровне 200 мг/м3 при нормальных условиях;
— системы сухого удаления золы и шлака (донной золы котлов с ЦКС), создающие возможность использования золы и шлака без золоотвалов.
На основе анализа состояния ТЭЦ РФ была определена мощность замещающей теплофикационной турбоустановки 110 МВт (140 МВт в конденсационном режиме) с отпуском тепла 200—220 МВт (170—190 Гкал/ч), как характерная для большинства энергосистем. К обязательным требованиям для замещающего оборудования отнесено увеличение температуры свежего пара для повышения экономичности, блочное исполнение турбоустановки для обеспечения работы на скользящем давлении свежего пара.
В ЗАО УК "Теплоэнергосервис" сделана эскизная проработка двух вариантов турбин — трехцилиндровая и двухцилиндровая. Трехцилиндровая турбина может быть установлена на существующие фундаменты. Она выполнена с дроссельным парораспределением, позволяющим работать при скользящих параметрах свежего пара. При проектировании большое внимание было уделено проработке проточной части, доведения ее экономичности до уровня лучших мировых образцов. Профильная часть рабочих лопаток при отношении Вср/1р < 10 выполнена с закруткой. Также могут быть выполнены переменные по высоте тангенциальные навалы направляющих лопаток некоторых ступеней. Разработанная проточная часть ЦВД обеспечит внутренний относительный КПД лопаточного аппарата на уровне не менее 90%. Следует отметить, что внутренний относительный КПД ЦВД исходной турбины типа Т-100-130 составляет 77—79%, а модернизированной турбины предыдущего поколения — 81,5% при полностью открытых клапанах.
ОАО "ВТИ" разработал варианты турбин в двухцилиндровом одновальном исполнении с реактивным или активным облопачиванием ЦВД и двухпоточным ЦНД. Поперечный разрез турбины с реактивными ступенями приведен на рис. 1. Использование расцепной муфты между ЦВД и ЦНД позволит повысить экономичность турбоустановки при работе турбины в теплофикационном режиме. В таблице 1 приведено сравнение всех трех вариантов турбоустановки.
Качественное выполнение проточной части позволит достичь КПД цилиндра высокого давления пЦВД = 0,919 и КПД цилиндра низкого давления пЦНД = 0,88. При работе по электрическому графику мощность турбины составит до 150 МВт. При работе по тепловому графику и температурами прямой и обратной сетевой воды 130 и 70°С соответственно электрическая мощность турбины составит N = 109,8 МВт, а использование расцепной муфты позволит избежать необходимости пропуска пара для вентиляции ЦНД и увеличить тепловую мощность до Qт = 227,5 МВт.
Были рассмотрены варианты использования котлов с ЦКС и пылеугольных котлов, оснащенных средствами азото- и сероочистки. Прототипом для котла с ЦКС паро-
Ротор генератор
Расцепная муфта
U *
INI
Рис. 1. Эскиз теплофикационной турбины с расцепной муфтой (активные ступени)
производительностью 500 т/час были котлы, работающие на ТЭЦ в Элхо (Польша) с высокими эксплуатационными показателями, экономичностью и низкими вредными выбросами. Средняя годовая выработка электроэнергии составляет 1410610 МВт • ч, тепла — 3350000 ГДж. Эксплуатационная готовность блоков — 93,5%.
Выполнены расчеты котлов с ЦКС на различные параметры пара, температуру уходящих газов при сжигании широкой гаммы топлив. Расчеты выполнялись по разработанной ОАО "ВТИ" программе конструкторского расчета. В базовом варианте рассмотрено сжигание экибастузского угля при температуре перегрева 585°С и темпера-
Сравнение вариантов турбоустановок
Таблица 1
Конденсационный режим "Теплоэнергосервис" Турбина с расцепной муфтой ВТИ
трехцилиндровая турбоустановка двухцилиндровая турбоустановка
N max G0 = 396 т/ч G0 = 480 т/ч G0 = 480 т/ч
120 МВт 133,3 МВт 149 МВт
конден (2045 ккал/кВт • ч) = (2029 ккал/кВт • ч) = (1969,57 ккал/кВт • ч) =
^брутто = 8557 кДж/кВт • ч = 8491 кДж/кВт • ч = 8253 кДж/кВт • ч
КПД турбоустановки, % 42 42,4 43,6
Теплофикационный режим (график 90/50) Р-режим (-Оцнд = 0,
график 90/50)
N max G0 = 480 т/ч G0 = 480 т/ч G0 = 480 т/ч
124 МВт 124 МВт 120,4 МВт
^расход тепла 714 Гдж/ч 714 Гдж/ч 774 Гдж/ч
198 МВт 198 МВт 215,77 МВт
теплоф (967 ккал/кВт • ч) = (965 ккал/кВт • ч) = (903 ккал/кВт • ч) =
^брутто = 4048 кДж/кВт • ч = 4045 кДж/кВт • ч = 3783 кДж/кВт • ч
Коэффициент исполь- 88 89 95,17
зования топлива, %
туре уходящих газов 130°С. Сравнительные расчеты котла с ЦКС были сделаны при температурах пара (560 и 605°С) и температурах уходящих газов (105 и 85°С) при сжигании экибастузского угля. Для утилизации тепла уходящих газов предложена конструкция теплообменника и система отвода тепла.
Принципиальные и конструктивные решения для пылеугольного котла, предназначенного для сжигания экибастузского и кузнецкого углей, приняты одинаковыми. Котел выполнен однокорпусным с башенной компоновкой поверхностей нагрева, он подвешивается через промежуточные металлоконструкции (хребтовые и межхребтовые балки) к собственному каркасу. Для подготовки экибастузского угля к сжиганию предложена система пылеприготовления прямого вдувания пыли в топку, в которой в качестве размольных устройств применяются среднеходные мельницы типа МВС-180.
Топочная камера квадратного сечения оборудована четырьмя многоканальными прямоточными горелками, расположенными в углах топки по тангенциальной схеме (для котла на экибастузском угле возможен вариант с вихревыми горелками). Над горелками располагаются сопла третичного дутья (OFA). Для растопки котла в горелках предусмотрена установка растопочных мазутных форсунок.
Разработаны основные компоновочные решения в вариантах использования системы некаталитического восстановления оксидов азота (СНКВ) и каталитического восстановления оксидов азота (СКВ).
Для очистки газов от частиц с конечной запыленностью не более 50 мг/м3 при нормальных условиях и избытке воздуха 1,4 разработаны два варианта конструкций фильтров, один — рукавный, он может быть использован для котлов с ЦКС и пылеугольных котлов при сжигании различных углей (кроме высокозольных), другой — для условий сжигания экибастузского угля. Ниже приведены данные по комбинированным фильтрам. Опыт эксплуатации электрофильтров при улавливании золы экибастузских углей показал, что увеличение высоты электродов до 12 м и более позволяет получить остаточную запыленность на уровне 300—400 мг/нм3. Для ее дальнейшего снижения при улавливании высокоомных пылей необходим комбинированный фильтр: электрофиль
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.