Главная » 2014 » Июнь » 27 » Скачать Обоснование приоритетных направлений совершенствования теплоисточников небольшой мощности со слоевым сжиганием бурых углей. бесплатно
04:39
Скачать Обоснование приоритетных направлений совершенствования теплоисточников небольшой мощности со слоевым сжиганием бурых углей. бесплатно
Обоснование приоритетных направлений совершенствования теплоисточников небольшой мощности со слоевым сжиганием бурых углей
Диссертация
Автор: Ермаков, Михаил Викторович
Название: Обоснование приоритетных направлений совершенствования теплоисточников небольшой мощности со слоевым сжиганием бурых углей
Справка: Ермаков, Михаил Викторович. Обоснование приоритетных направлений совершенствования теплоисточников небольшой мощности со слоевым сжиганием бурых углей : диссертация кандидата технических наук : 05.14.01 Иркутск, 2005 140 c. : 61 05-5/3374
Объем: 140 стр.
Информация: Иркутск, 2005
Содержание:
1 ПРОБЛЕМЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УГОЛЬНЫХ ТЕПЛОИСТОЧНИКОВ НЕБОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ, СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
11 Роль слоевых котлов небольшой мощности в системах теплоснабжения Иркутской области
12 Технические проблемы угольных теплоисточников малой мощности
13 Экономические проблемы угольных теплоисточников малой мощности
14 Экологические проблемы угольных теплоисточников малой мощности
15 Анализ тенденций в развитии котлов со слоевым сжиганием низкокачественных углей
16 Постановка задач
2 МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОБОСНОВАНИЮ ПРИОРИТЕТНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УГОЛЬНЫХ ТЕПЛОИСТОЧНИКОВ НЕБОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
21 Базовые положения
22 Общая схема исследований
23 Математическая модель слоевого котла и вычислительная система на ее основе
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИСОСОВ ВОЗДУХА НА ЭКОНОМИЧНОСТЬ И МАКСИМАЛЬНУЮ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ СЛОЕВЫХ КОТЛОВ НЕБОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
31 Исходные предпосылки
32 Влияние присосов воздуха на КПД котла
33 Влияние присосов воздуха на максимальную мощность котла при отсутствии ограничений на производительность и напор дымососа
34 Влияние присосов воздуха на максимальную мощность котла при ограничении производительности дымососа
35 Технико-экономические оценки
36 Выводы
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАРУЖНОГО И ВНУТРЕННЕГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА СЛОЕВЫХ КОТЛОВ НА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОИСТОЧНИКОВ
41 Исходные положения
42 Влияния наружного загрязнения поверхностей нагрева на КПД и производительность котла
43 Влияния внутреннего загрязнения поверхностей нагрева на технико-экономические характеристики теплоисточников
5 ВЫБОР ПРИОРИТЕТНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СЛОЕВЫХ КОТЛОВ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЙ ПРИМЕНЕНИЯ
51 Базовые физико-технические принципы создания высокоэффективных слоевых водотрубных котлов малой мощности на низкокачественных углях
52 Выбор оптимальной температуры уходящих газов
521 КПД котла и площадь конвективных поверхностей нагрева
522 Металлоемкость конвективной части котла
523 Приведенные затраты в конвективную часть котла
524 Окупаемость капвложений в конвективную часть котла
53 Разработка конструкций слоевых котлов малой мощности для различных условий применения
531 Механизированные котлы с цепной решеткой прямого хода
532 Механизированные котлы с шурующей планкой
54 Практические результаты внедрения разработанных котлов
Введение:
Актуальность темы.
Теплоисточники на основе водогрейных котлов со слоевым сжиганием угля получили большое распространение в системах централизованного и децентрализованного теплоснабжения небольшой мощности, особенно в районах с отсутствием природного газа, которые охватывают значительную часть территории Российской Федерации. Низкая энергетическая эффективность большинства таких систем во многом, часто в решающей степени, обусловлена неудовлетворительными характеристиками теплоисточников в реальных условиях эксплуатации [1,2].
В результате многочисленных натурных измерений, выполненных в 1995-2004 гг. специалистами ИСЭМ СО РАН (Ю.В. Наумов, А.А. Иванов, П.П. Павлов и др.), выяснено, что характеристики отопительных котлов в реальных условиях эксплуатации зачастую кардинальным образом отличаются от проектных значений в худшую сторону. Согласно полученным данным реальные КПД водогрейных котлов небольшой мощности (0.3-3 МВт) со слоевыми топками при использовании низкокачественных восточно-сибирских углей оказались в диапазоне 30-60% против нормативных 75-80%. Максимальная достижимая в эксплуатации тепловая мощность котлов часто также была существенно (до полутора-двух раз) ниже проектной, что приводило к появлению дефицита и снижению качества отпускаемой в сеть тепловой энергии [3].
Угольные теплоисточники небольшой мощности характеризуются плохими экологическими показателями. Натурными измерениями и численными экспериментами доказано (С.П. Филиппов, А.В. Кейко, А.Г. Горшков, JI.A. Белых и др.) [4, 5], что именно мелкие источники в наибольшей степени ответственны за высокие концентрации в атмосферном воздухе многих населенных пунктов Восточной Сибири таких опасных загрязнителей как моноксид углерода, сажа, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), включая бенз(а)пирен.
Главными причинами низкой эффективности (энергетической, экономической, экологической) малых угольных теплоисточников являются, во-первых, их техническое несовершенство и, во-вторых, низкий уровень эксплуатации, во многом обусловленный недостаточной квалификацией обслуживающего персонала и отсутствием у него стимулов к эффективной работе.
Разработка базовых принципов угольных котлов со слоевыми топками (далее - слоевых котлов) относится ко второй половине XIX и началу XX веков. К середине XX века в стране и за рубежом был накоплен огромный научный и технический потенциал в области технологий слоевого сжигания твердого топлива и конструирования слоевых котлов (работы JI.K Рам-зина, А.С. Предводителева, Г.Ф. Кнорре и многих других) [6-22]. Однако затем на протяжении более чем 50 лет основная масса научных исследований и опытно-конструкторских работ была сосредоточена в области пылеугольных крупнотоннажных технологий сжигания угля. Недостаток научного внимания в нашей стране к проблемам мелких теплоисточников на угле привел к тому, что до сих пор в них используются технологии сжигания и конструкции котлов середины и даже начала прошлого века.
В то же время, коренным образом изменились требования к угольным теплоисточникам небольшой мощности. Во-первых, изменились условия хозяйствования, и потому резко возросла роль экономических факторов. Особенно актуальными они стали для небольших систем теплоснабжения в отдаленных районах страны (Восточная Сибирь, Дальний Восток) в условиях постоянного роста цен на топливо и металл, транспортных тарифов, а также стоимости рабочей силы. Во-вторых, потребители становятся более требовательными к надежности и качеству теплоснабжения. В третьих, стали реальностью экологические ограничения. Более того, имеет место неуклонное ужесточение природоохранного законодательства. Наконец, в-четвертых, повышаются социальные требования к условиям труда в угольных котельных.
В последние годы отечественные котельные заводы (прежде всего Бийский) прилагают большие усилия для разработки новых, более современных, угольных котлов для коммунальной теплоэнергетики [23]. Однако выпускаемые котлы пока не в полной мере удовлетворяют требованиям потребителей. Они характеризуются высокой ценой, требуют высокого уровня эксплуатации и спроектированы, в основном, для сжигания высококачественных каменных углей и угольного концентрата.
Поэтому в эксплуатирующих организациях страны продолжается практика кустарного изготовления в больших количествах котлов собственных конструкций, специализированных для сжигания местных углей. Как показывает анализ, такие котлы имеют низкий КПД, высокие выбросы вредных веществ в атмосферу, малые сроки службы. Но они дешевы, просты в изготовлении и монтаже, неприхотливы в эксплуатации, обладают хорошей ремонтопригодностью. Например, в Иркутской области популярны так называемые котлы «Димакова», известные во множестве модификаций, спроектированные местным изобретателем Димаковым без каких-либо теплотехнических расчетов и обоснований. В условиях дешевизны топлива и металла и мощного дотирования коммунальных теплопроизво-дителей из местных бюджетов такая практика имела экономический смысл. Однако с развитием рыночных отношений, сопровождающихся резким ростом цен на топливо и металл и ужесточением бюджетной политики, эта практика становится экономически порочной.
На основе прогнозов развития энергетики Российской Федерации и ее регионов (А.А. Макаров, Б.Г. Санеев) [24, 25] можно заключить, что котлы со слоевым сжиганием угля останутся на достаточно длительную перспективу для обширных территорий страны базовым оборудованием для теплоснабжающих систем небольшой мощности. Следовательно, задача совершенствования таких котлов остается актуальной. Но такое совершенствование должно базироваться на прочной научной основе. При этом первоочередными являются задачи выяснения влияния технических характеристик и условий эксплуатации котлов на эффективность теплоисточников и получения соответствующих количественных оценок. Важность данной задачи обусловлена рядом особенностей слоевого способа сжигания углей и слоевых котлов малой мощности в целом. В частности, сложностью обеспечения их герметичности и чистоты поверхностей нагрева в реальных условиях эксплуатации. Полученные результаты позволят сформулировать требования к таким теплоисточникам для нынешних условий хозяйствования и приступить к разработке соответствующего котельного оборудования.
Объектом исследования в диссертационной работе являются теплоисточники на основе водогрейных котлов тепловой мощностью от 0.3 до 3 МВт со слоевым сжиганием низкокачественных углей.
Предметом исследований в работе являются физико-технические, конструкционно-компоновочные и технико-экономические характеристики теплоисточников со слоевыми котлами при различных условиях эксплуатации.
Цели и задачи исследований.
Основными целями диссертационной работы являются:
1) получение новых знаний о влиянии внутренних (физико-технических и конструкционно-компоновочных) и внешних (системных) факторов на энергетическую, экономическую и экологическую эффективность применения слоевых котлов небольшой мощности;
2) выработка научно-обоснованных рекомендаций по комплексному совершенствованию теплоисточников с котлами со слоевым сжиганием низкокачественных углей тепловой мощностью от 0.3 до 3 МВт для реальных условий эксплуатации.
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
1. разработать методику комплексной оценки эффективности теплоисточников небольшой мощности со слоевыми котлами;
2. определить причины низкой эффективности существующих угольных теплоисточников небольшой мощности со слоевыми котлами в реальных условиях эксплуатации;
3. получить количественные оценки влияния ключевых физико-технических факторов, в частности, избытков воздуха по газовому тракту котла, наружного и внутреннего загрязнения поверхностей нагрева на экономичность и максимальную производительность слоевых котлов небольшой мощности;
4. обосновать предложения по совершенствованию угольных теплоисточников небольшой мощности со слоевыми котлами, предназначенных для сжигания низкокачественных углей Восточной Сибири.
Научная новизна работы определяется следующими положениями:
1) Впервые применена системная методология для анализа эффективности и выбора направлений развития угольных теплоисточников на основе слоевых котлов небольшой мощности. Она заключается в комплексном рассмотрении физико-технических, конструкционно-компоновочных и технико-экономических факторов, определяющих эффективность использования слоевых котлов и теплоисточников в целом.
2) Анализ эффективности котельной техники небольшой мощности и предложения по ее совершенствованию базируются на результатах многолетних инструментальных исследований многочисленных теплоисточников, эксплуатируемых в действующих системах теплоснабжения на территории Сибири, а также результатах опытно-промышленной эксплуатации нескольких десятков котлов конструкции ИСЭМ СО РАН при сжигании в них местных низкокачественных углей.
3) Получены новые количественные результаты при исследовании зависимостей производительности и экономичности слоевых котлов от характера и величины избытков воздуха в газовом тракте котлов, а также от состояния поверхностей нагрева (внутреннего и внешнего загрязнения).
4) Впервые сформирована взаимосогласованная система базовых физико-технических и конструкционно-компоновочных принципов разработки высокоэффективных теплоисточников на основе водогрейных котлов теплопроизводительностью 0.3-3 МВт со слоевыми топками, предназначенных для сжигания низкокачественных углей Восточной Сибири.
Практическая значимость работы.
Результаты работы легли в основу разработанной в ИСЭМ СО РАН при непосредственном участии автора серии водогрейных котлов тепловой мощностью 0.5, 1, 1.5, 2 и 3 МВт. Котлы этой серии введены в эксплуатацию в Иркутской области. Кроме того, результаты работы использовались при подготовке «Программы энергосбережения Иркутской области на период до 2005 года», «Программы реконструкции жилищно-коммунального хозяйства Иркутской области на 2000-2003 гг.», «Программы реконструкции коммунальной теплоэнергетики Иркутской области на 2003-2007 гг.».
Методы исследований, использованные в работе: методология системных исследований в энергетике, методы технико-экономического анализа энергоустановок, методы термодинамического и кинетического анализа многокомпонентных гетерогенных физико-химических систем, методы математического моделирования сложных теплоэнергетических установок; методы теплового, аэродинамического и гидродинамического расчетов котельных агрегатов, методы расчета на прочность элементов конструкций.
Положения, выносимые на защиту.
1. Методологический подход к обоснованию приоритетных направлений совершенствования угольных теплоисточников с котлами со слоевым сжиганием низкокачественных углей для систем теплоснабжения небольшой мощности.
2. Результаты исследования влияния избытков воздуха на экономичность и максимальную производительность котлов небольшой мощности со слоевыми топками для различной структуры присо-сов воздуха и разных ограничений на параметры тягодутьевых машин.
3. Результаты исследования воздействия наружного и внутреннего загрязнения поверхностей нагрева слоевых котлов на технико-экономические характеристики теплоисточников.
4. Взаимосогласованная система базовых физико-технических, конструкционно-компоновочных и технико-экономических принципов разработки высокоэффективных теплоисточников на основе водогрейных котлов небольшой мощности (0.3-3 МВт) для слоевого сжигания низкокачественных углей Восточной Сибири.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена данными стендовых испытаний разработанных котлов, выполненных на Братском котельном заводе (ЗАО «СТО», г. Братск), а также результатами многолетней эксплуатации большого количества котлов, изготовленных разными производителями и установленных в различных коммунальных и промышленных котельных Иркутской области.
Апробация работы.
Основные результаты работы обсуждались:
• на международной конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, ИрГТУ, 2002 г.);
• на международной конференции «Энергосберегающие технологии и окружающая среда» (Иркутск, ИрГУПС, 2004 г.);
• на российско-японском семинаре по инновационным технологиям (Иркутск, 2003 г.);
• на всероссийских научно-практических конференциях «Теплоисточник в коммунальной энергетике» (Иркутск, 2001, 2002, 2003 гг.);
• на совместном заседании Совета РАН по проблемам развития энергетики России и Научного совета РАН по комплексным проблемам энергетики по теме «Проблемы теплоснабжения России» (Москва, 2003 г.);
• на заседаниях Ученого совета и секции Ученого совета ИСЭМ СО РАН (Иркутск, ИСЭМ СО РАН, 2000-2004 гг.);
• на конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2002, 2003,2004 гг.).
Котлы конструкции ИСЭМ, при разработке которых использованы результаты настоящей работы, и автор работы отмечены премией губернатора Иркутской области по науке и технике за 2002 г.
На физико-технические принципы и конструкционно-компоновочные решения, применяющиеся при разработке котлов, коллективу разработчиков, включая автора работы, выдан патент Российской Федерации № 2238480 с приоритетом от 25.12.2002 г.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 12 печатных работах.
Личный вклад автора.
Диссертационная работа выполнена в Институте систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН и является частью исследований, проводимых в отделе научно-технического прогресса в энергетике. Все исследования по теме диссертации выполнены лично автором, либо при его непосредственном участии. В частности, анализ современного состояния котельной техники в системах теплоснабжения в Восточной Сибири подготовлен по материалам обширных натурных обследований котельных, проведенных автором совместно с Ю.В. Наумовым, А.А. Ивановым, П.П. Павловым. Математическая модель слоевого котла разработана автором совместно с В.И. Самусевым. Термодинамические и кинетические исследования процессов слоевого сжигания угля выполнены совместно с А.В. Кейко с использованием термодинамических моделей экстремальных промежуточных состояний - МЭПС (Б.М. Каганович, С.П. Филиппов, Е.Г. Анциферов) и кинетической модели - NICK (А.В. Кейко). Методический подход к системному обоснованию направлений развития котельной техники небольшой мощности на угле, базовые физико-технические и конструкционно-компоновочные принципы высокоэффективных водогрейных котлов для слоевого сжигания низкокачественных углей Восточной Сибири сформированы автором по результатам обсуждений с С.П. Филипповым и Ю.В. Наумовым. Защищаемые положения получены автором лично.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Текст диссертации изложен на 135 страницах, включает 36 рисунков и 14 таблиц. Список литературы содержит 110 наименований.
