ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ БЛОКОВ ТЭС
Температурный режим мембранных ширмовых и конвективных поверхностей нагрева мощного котла
ВИХРЕВ Ю. В., канд. техн. наук, ФИЛАТОВ А. В., инж., ВТИ им. Ф. Э. Дзержинского
В первоначальном варианте проекта котла П-67 головного энергоблока мощностью 800 МВт Березовской ГРЭС, рассчитанного на сжигание углей Канско-Ачинского бассейна, применение мембранных поверхностей нагрева не предусматривалось.
Однако в последующем, с учетам выполненных ВТИ, ЗиО, ЦК.ТИ теоретических, стендовых и промышленных исследований, конструкторских и технологических разработок было принято решение об изготовлении отдельных элементов котла (II ступени ширмового пароперегревателя первичного тракта ШПП-11, фестона и водяного экономайзера) в мембранном исполнении. При этом предполагалось что при положительных результатах исследования, подтвержденных достаточно длительным опытом надежной эксплуатации, область применения мембранных поверхностей нагрева может быть расширена в процессе модернизации котлов данного типа.
Использование цельносварных мембранных конструкций ширмовых и конвективных поверхностей позволяет уменьшить расход металла труб, работающего под давлением, сократить их размеры, снизить аэродинамическое и гидравлическое сопротивления, уменьшить шлакование и загрязнение, улучшить условия очистки.
Высокая несущая способность таких элементов дает возможность существенно упростить конструкцию опор и системы обвязки, использовать их для крепления других поверхностей нагрева.
Эти и другие преимущества должны компенсировать некоторое удорожание изготовления таких поверхностей. Например, замена гладкотрубных элементов мембранными в котле П-67 привела к сокращению суммарной длины обогреваемых труб в ШПП-П на 25 — 30 %, а в водяном экономайзере — более чем в 2 раза.
На котле П-67 Т-образной компоновки пароперегреватель размещен в двух горизонтально-наклонных соединительных газоходах и в верхней части двух опускных конвективных шахт. Первичный тракт по ходу пара состоит из трех ширмовых ступеней (ШПП-1, ШПП-П, ШПП-Ш) и двух пакетов конвективной ступени (КПП).
Эскиз размещения ступеней в газоотходах и схема их включения приведены на рис. 1.
Вторая ширмовая ступень ШПП-П выполнена мембранной и включена первой по ходу дымовых газов. Движение пара и газов в ступени организовано прямотоком. Средняя температура газов за ней составляет 975 °С. Ступень образована 76 однопетлевыми и U-образными вертикальными ширмами (по 38 на поток) с поперечным шагом 576 мм. Каждая ширма состоит из 16 сваренных между собой плавниковых труб диаметром 32 мм с толщиной стенки 6 мм из стали 12Х1МФ, расположенных с шагом 48 мм, обогреваемая высота ширм 17 м.
Для защиты от прямого излучения факела из топки в каждой ширме смонтирован обрамляющий змеевик из трубы диаметром 32 мм с толщиной стенки 6 мм из стали 12Х1МФ, эксплуатирующийся под большим перепадом давлений с увеличенным расходом среды, поступающей из входного коллектора ШПП-П и отводимой в выходной коллектор ШПП-Ш. Проектные параметры пара на входе в ШПП-П — 273 кг/см12, 440 °С, на выходе — 268 кг/смР, 481 °С, приращение энтальпии в ступени — 52 ккал/кг. Средняя массовая скорость среды в трубах рш = 1755 кг/(м -с).
Другим крупным мембранным элементом котла является водяной экономайзер. Он размещен в нижней части каждой из конвективных шахт и состоит из двух пакетов, выполненных из труб диаметром 42 мм с толщиной стенки 6,5 мм, сваренных между собой проставками высотой 81 мм и толщиной 4 мм. Материал труб и проставок — сталь 20, расположение труб шахматное, относительный диагональный шаг So/do = 2,06.
Движение воды и дымовых газов в экономайзере организовано противотоком. Поверхность нагрева собственно труб составляет 12 700 м2, мембранных проставок — 12 600 Ф. Средняя температура дымовых газов на входе — 437, на выходе — 362 °С. Проектные параметры воды на входе —310 кг/сыР, 274 °С, на выходе — 309 кг/см2, 332°С. Приращение энтальпии в экономайзере — 71,1 ккал/кг.
Рис. 1. Принципиальная схема размещения ширмовых и конвективных поверхностей нагрева (а) и гидроперегревательного тракта (б) котла П-67
Рис. 3. Распределение выходных температур пара по лобовым змеевикам фестона (а) и по трубам панели № 18 (б)
В горизонтально-наклонных газоходах между ШПСТ-Ш и ШПП-1 размещены 80 мембранных панелей фестона Ф-1 (по 40 шт. на поток). Каждая панель состоит из 12 гладких труб диаметром 36 мм с толщиной стенки 8 мм, сваренных между собой проставкой шириной 24 мм и толщиной 6 мм из стали Г2Х1МФ. Обогреваемая высота панелей — примерно 18 м. По ходу пара фестон включен после ВРЧ, в него поступает пар давлением 289 кгс/см2 и температурой 434°С, параметры пара на выходе — 288 кгс/с\Р, 443 °С. Температура дымовых газов в зоне фестона — 919 °С. Приращение энтальпии пара — 14,9 ккал/кг.
Блок был введен в эксплуатацию в декабре 1987 г. В течение первых месяцев после пуска топочный режим котла был налажен недостаточно. Качество сжигаемого топлива оказалось ниже проектного — при повышенных зольности Ас (13%) и влажности Wp (36%) средняя теплота сгорания Q" составила 3450 ккал/кг в!место 3740 по проекту. Отмечалось затянутое воспламенение угольной пыли, шлакование экранов топочной камеры в активной зоне горения золошлаковыми отложениями, сепарация крупных частиц пыли в холодную воронку. Система очистки поверхностей нагрева не была задействована в полном объеме, обдувочные аппараты ОГ-12 не работали, котел часто останавливался, так как из-за наличия дефектов заводской и монтажной сварки в трубах образовывались свищи.
Максимальная нагрузка блока в этот период составила 550 — 650 МВт при работе 6 — 7 мельниц и отключенных подогревателях питательной воды ПВД (= 150-160°С).
При оценке работы мембранных поверхностей использовались показания штатных приборов блочного щита управления и приборов экспериментального температурного контроля.
Рис. 2. Распределение температур пара на выходе из элементов ширмового пароперегревателя второй ступени:
а — лобовых змеевиках (№ 2); б — внутри ширмы № 17: х — обрамляющий змеевик
Температура пара на входе в ШПП-Н составила 405—415, а на выходе — 475-480°С. Это на 10—15°С ниже проектных значений при нагрузке 60 %. Энтальпия на входе и выходе равнялась соответственно 640 — 650 и 735 — 740 ккал/кг (р = 250 кгс/смг), что соответствует тепловослриятию 90 — 95 ккал/кг, превышающему расчетное на 35—40% (Ainp = 66,2 ккал/кг). Это, вероятно, частично связано с относительно повышенным расходом топлива в условиях работы на «холодной» питательной воде с отклоченными ПВД, а также с недостаточно высоким качеством процесса горения угольной пыли из-за затянутого воспламенения.
Температурная разверка лобовых змеевиков (№ 2) по ширине газохода котла весьма умеренна и лежит в пределах 12 — 25 °С. Максимальную выходную температуру пара (500 — 505 °С) имеют лобовые змеевики центральных ширм № 15 — 22 в середине газохода, минимальная температура лобовых змеевиков в крайних ширмах составляет 480 — 490 °С. Средний уровень выходных температур пара в лобовых змеевиках 490—495 °С (рис. 2, а).
Анализ имеющихся данных по температурной разверке внутри отдельных ширм (№ 5, 13, 17) показал, что максимальную температуру пара 490—505 °С имеют три—четыре лобовых змеевика (№ 2 — 5). Температура пара на выходе из внутренних змеевиков (№ 11 —16) примерно на 20 °С ниже. Температура средних змеевиков (№ 6—10) имеет промежуточное значение (рис. 2, б).
Температура пара на выходе из обрамляющего змеевика № 1, как правило, на 5 — 15 °С ниже, чем в соседнем лобовом змеевике № 2—485--495°C.
Сравнительная расчетная оценка показала, что максимальная температура металла труб ШПП-П в обогреваемой зоне по условиям жаростойкости и длительной прочности находится в допустимых пределах. Также допустимой является и разность температур между соседними сваренными между собой трубами, что свидетельствует об отсутствии опасных термических напряжений в ширмах. Вместе с тем следует тщательно контролировать температурный режим ШПП-П в процессе эксплуатации, особенно в переменных режимах, а также в режимах пуска и останова, так как цельносварные элементы могут быть весьма чувствительны даже к кратковременным значительным повышениям разности температур между соседними трубами.
Следует отметить, что цельносварные ширмы подобных размеров с обогреваемой длиной 17 м на котле столь большой мощности применяются впервые, аналогов в практике современного котлостроения нет. Видимо, по этой причине недостаточно удачно решено дистанцирование ширм, отмечается довольно низкая их ремонтопригодность. Заводу-изготовителю, монтажным и ремонтным организациям необходимо учесть эти вопросы в процессе разработки и изготовления последующих котлов.
Измерениями установлена очень незначительная температурная разверка на выходе пара из лобовых труб (№ 1) фестонов по ширине газохода (5 — 7 °С). При среднем уровне выходных температур пара по лобовым змеевикам 447 — 448 °С максимальные их значения в отдельных фестонах составляют 450—452°С (рис. 3, а). Температурная разверка внутри отдельных панелей укладывается в диапазон 18 — 20 °С (рис. 3, б). Основная масса труб (№ 5—12) в большинстве панелей имеет выходную температуру пара в пределах 425 — 430 °С. Анализ полученных данных свидетельствует о достаточной надежности мембранных панелей фестонов в изученных режимах.
Мембранный водяной экономайзер в проверенных режимах эксплуатировался в диапазоне температур воды 150 — 300 °С, что существенно ниже проектных значений. Измеренные поля температур дымовых газов на входе в экономайзер и выходе из него достаточно равномерны. Несмотря на несколько повышенное его тепловосприятие по сравнению с проектным никаких сомнений в надежной эксплуатации экономайзера не возникает.
