Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный открытый университет

Об условиях оптимального использования ГТУ в котельных

Д.т.н. Е.Н. Бухаркин

В настоящее время стала очевидной необходимость перехода от раздельного электроснабжения от сетей РАО «ЕЭС России» и теплоснабжения от котельных к совместному электротеплоснабжению от котельных, надстроенных газотурбинными установками (ГТУ). На такой путь ранее перешли европейские страны и США, в которых в законодательном порядке запрещено вводить в действие котельные, работающие на природном газе, без оснащения их ГТУ.

Надстройка котельных ГТУ может осуществляться двумя способами. В одном из них выхлопные газы ГТУ используются в специальном котле-утилизаторе, что позволяет повысить экономичность ГТУ, при другом - газы направляются в имеющийся штатный котел котельной. В первом варианте требуются дополнительные затраты на котел-утилизатор и возникают трудности с его размещением на площадке котельной. Более выгоден способ использования тепла выхлопных газов в имеющихся котлах, который свободен от указанных недостатков. Поскольку сжигание природного газа (ПГ) в камерах сгорания ГТУ производится с большими избытками воздуха (а=3,5-5-6), в выхлопных газах ГТУ содержится еще значительное количество кислорода и поэтому их целесообразно использовать вместо воздуха в качестве окислителя для сжигания ПГ в котлах.

Температура выхлопных газов (40СИ-500 ^ОС), поступающих в котел, значительно ниже, чем при обычном сжигании ПГ в горелках котла (1500+1800 ^ОС) и поэтому, если не сжигать дополнительное топливо, мощность котла резко снизится. Экспериментально было установлено [1], что при сжигании ПГ в свободных струях топочного объема котла (выхлопные газы подаются в котел отдельно от ПГ, не через горелочное устройство - прим. ред.), возможно использование для горения только части кислорода, содержащегося в выхлопных газах. Поэтому при сжигании ПГ в свободных струях полноценная замена воздушного дутья выхлопными газами не достигается.

В связи с этим актуален вопрос о конструктивном способе использования выхлопных газов вместо воздуха в существующих горелках котлов (рис. 1). Трудность решения заключается в том, что процентное содержание кислорода в выхлопных газах ниже, чем в воздухе, и для сжигания равного количества ПГ их требуется больше, чем воздуха. Усугубляет положение и то, что температура выхлопных газов существенно выше по сравнению с температурой воздуха, что дополнительно увеличивает их объем. Это приводит к возрастанию аэродинамического сопротивления горелки и собственно газового тракта котла (в основном конвективного газохода). С учетом данного обстоятельства, для решения вопроса о возможности использования существующих горелок для сжигания ПГ в среде выхлопных газов необходимо вывести соотношения между количеством тепла, получаемым в котле, параметрами выхлопных газов и аэродинамическим сопротивлением горелок и проточной части газового тракта котла (расчеты приведены в полной версии статьи, которая размещена на www.rosteplo.ru - прим. ред.).

На рис. 2 показаны полученные зависимости тепловой мощности котла (Q) при полном и частичном использовании кислорода, содержащегося в выхлопных газах для ряда ГТУ мощностью 2,5-5-25 МВт. По этому графику возможно определить производительность котла, которую сумеет заместить данный типоразмер ГТУ.

На рис. 3 показаны рассчитанные значения отношений аэродинамических сопротивлений газогорелочного устройства в режимах автономной и совместной с ГТУ работы котла (АРсовм/АРавт)- При полном использовании содержащегося в выхлопных газах кислорода для обеспечения паспортной производительности котла аэродинамическое сопротивление газо-горелочного устройства для ГТУ различной мощности увеличивается в 2-З раза.

Превышение аэродинамического сопротивления газового тракта котла в режиме совместного использования котла и ГТУ составит около 10%, т.е. гораздо меньше, чем увеличение сопротивления газогорелочного устройства. Это обстоятельство является серьезным преимуществом рассматриваемой схемы по сравнению со сбросной схемой, в которой выхлопные газы сбрасываются в газовый тракт котла отдельным потоком от продуктов сгорания горелок котла. При сбросной схеме в случае внезапного отключения дымососа газоходы котла оказываются под давлением, существующем на выхлопе турбины, что равносильно взрывоопасной ситуации. В этом случае, как известно, даже быстрое срабатывание взрывопредохранительных клапанов не всегда гарантирует благополучный выход из создавшейся ситуации.

Кроме величины аэродинамического сопротивления, важным параметром, определяющим эффективность надстройки котлов ГТУ, является отношение получаемой электрической мощности ГТУ к тепловой мощности котла (N/Q).

Очевидно, что эффективность надстройки возрастает с повышением N/Q, в противном случае надстройка может не оправдывать себя.

На рис. 4 показан график зависимости теплопроизводительности котла при совместной работе с ГТУ различной мощности от снижения коэффициента избытка воздуха при дожигании кислорода выхлопных газов в горелках котла, а также соответственно полученные величины отношения N/Q. газотурбинный котел установка котельная

С увеличением количества сжигаемого ПГ в горелках котла и мощности котла величина отношения N/Q уменьшается, достигая своего минимума при максимальном снижении коэффициента избытка воздуха в выхлопных газах, т.е. при максимальном использовании кислорода в выхлопных газах.

Наиболее показательным является значение отношения N/Q в среднегодовом разрезе. На рис. 5 показаны эти значения с учетом числа часов использования теплофикационной нагрузки. Средневзвешенные годовые значения отношения N/Q представлены в таблице.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

- при полном использовании выхлопных газов ГТУ в существующих горелках котлов возможно обойтись без установки отдельного утилизационного котла, исключить подачу воздуха и затраты на привод дутьевых вентиляторов, уменьшить выбросы в атмосферу отработанных газов в 1,5-1,8 раза по сравнению с работой ГТУ и котлов по раздельным газовым контурам;

- суммарное увеличение аэродинамического сопротивления газового тракта котла находится в пределах, обеспечиваемых выхлопным давлением ГТУ, составляющим по паспортным данным ГТУ 4000-5000 Па;

- увеличение сопротивления газового тракта котла незначительно - 10-15%, что, например, для башенных котлов типа ПТВМ с небольшим аэродинамическим сопротивлением не создает заметных затруднений в работе;

- для котлов с повышенным сопротивлением газового тракта аварийное отключение дымососа может вызвать существенное увеличение подпора в топке, что приведет к срабатыванию взрывопредохранительных клапанов;

- неполное использование содержащегося в выхлопных газах кислорода для сжигания ПГ в горелках котла характеризуется увеличением аэродинамического сопротивления (при 75% использовании кислорода в 1,35 раза, при 50% - в 1,75 раза) в сравнении со случаем полного использования содержащегося в выхлопных газах кислорода.

Литература

1. Горбаненко А.Д., Морозов В.В., Тумановский А.Г. Горелочные устройства для котла-утилизатора ПГ-800 // Теплоэнергетика. 1989. № 5.

Размещено на Allbest.ru