Одним из возможных способов повышения эффективности энергетических блоков является использование схем с избыточным воздухом. В этих схемах изменение водяных эквивалентов в воздухоподогревателях котлов с целью создания условий для снижения температуры уходящих газов и экономически оправданного регенеративного подогрева воздуха осуществляют путем подачи в воздухоподогреватель избыточного (относительно необходимого для обеспечения горения) количества воздуха. Нагретый в избыточный воздух не направляется в топку, а отводится из воздуховода горячего воздуха, его теплота используется на электростанции или отпускается потребителям. Впервые такая схема предложена ЗиО, НПО ЦКТИ и БКЗ.
НПО цкти совместно с ЗиО выполнен комплекс работ по исследованию схем с избыточным воздухом.
На рисунке выше представлены возможные схемы подачи дополнительного воздуха в воздухоподогреватель котельного агрегата. В установках согласно рисунку «г», подогрев избыточного воздуха осуществляется в основном воздухоподогревателе, а в установках согласно рисункам «д-з» — в дополнительном воздухоподогревателе. Установка дополнительного воздухоподогревателя, в частности трубчатого, может понадобиться для предупреждения озоления ИВ в схемах с РВП. В установках как на рисунках «а-г, д» избыточный воздух после охлаждения сбрасывается в атмосферу, в остальных случаях возвращается в воздухоподогреватель до или после калориферов. Подача воздуха может осуществляться либо основным вентилятором, либо вентилятором избыточного воздуха. Калориферы могут не устанавливаться; при этом предварительный подогрев воздуха обеспечивается путем подмешивания избыточного воздуха (например, схема «з»). Замкнутые схемы избыточного воздуха могут сооружаться со сбросом воздуха на всас основных вентиляторов без установки вентиляторов избыточного воздуха.
Кроме снижения температуры уходящих газов при помощи схем с избыточным воздухом может быть достигнуто: снижение температуры подогрева горячего воздуха из-за увеличения расхода воздуха через воздухоподогреватель при неизменной его поверхности; повышение температуры воздуха в одноступенчатом воздухоподогревателе за счет изменения соотношения водяных эквивалентов газов и воздуха при некотором увеличении поверхности нагрева или повышения температуры газов перед воздухоподогревателем; уменьшение поверхности нагрева воздухоподогревателя при сохранении уровня температуры уходящих газов за счет улучшения соотношения водяных эквивалентов и увеличения коэффициента теплоотдачи су стороны воздуха; уменьшение поверхностей нагрева котла, работающих под давлением (экономайзер, промежуточный пароперегреватель и др.), за счет увеличения тепловосприятия воздухоподогревателя и повышения температуры газов перед ним; поддержание неизменной температуры горячего воздуха на сниженных нагрузках путем уменьшения относительного расхода избыточного воздуха и др.
Эффективность применения схем с избыточным воздухом в основном зависит от степени и методов использования содержащейся в нем теплоты. Теплота избыточного воздуха может быть использована для подогрева питательной воды в схеме турбоустановки, сушки твердого топлива, подогрева жидкого и газообразного топлива, отопления здания электростанции, подогрева сетевой воды в системах теплофикации с возможностью повышения потенциала отпускаемой теплоты, подготовки дистиллята для возмещения потерь питательной воды, размораживания топлива, удовлетворения технологических нужд близлежащих предприятий, опреснения воды и других целей.
Наиболее стабильное потребление теплоты избыточного воздуха на КЭС может быть обеспечено при подогреве питательной воды. В этом случае воздушно-водяной теплообменник (ВВТ) включается в тепловую схему турбоустановки параллельно одному или нескольким подогревателям низкого давления. Несмотря на некоторое вытеснение регенерации в турбоустановке, этот способ использования теплоты обеспечивает обычно экономию топлива в целом по энергоблоку благодаря повышению КПД котельного агрегата. Вместе с тем имеет место дополнительный эффект, связанный с возможностью повышения мощности энергоблока без увеличения расхода свежего пара. Дополнительная мощность получается за счет работы пара от вытесняемого отбора до конденсатора. Ограничением может быть пропускная способность последних ступеней ЦНД. Однако в реальных условиях таких ограничений в большинстве случаев нет, так как из-за дополнительных отборов пара из турбины последние ступени ЦНД оказываются разгруженными.
Значительный эффект от применения схем с избыточным воздухом на КЭС и ТЭЦ может быть получен также при использовании теплоты для покрытия тепловых нагрузок, особенно при замещении отопительных котельных.
Если рассматривать схему с избыточным воздухом не только как средство снижения температуры уходящих газов, но и как источник теплоты для покрытия тепловых нагрузок, то следует учитывать различные специфические требования, предъявляемые тепловыми потребителями. С этой точки зрения рассмотренные выше схемы имеют ряд недостатков.
При наличии крупного потребителя теплоты, который требует определенного уровня температуры, расход избыточного воздуха увеличивается и, следовательно, возрастают в замкнутых схемах температуры смеси на входе в воздухоподогреватель, уменьшается температурный напор на его холодном конце, что может привести к увеличению,температуры уходящих газов и снижению КПД котла.
При наличии только высокотемпературного потребителя теплоты температура воздуха на выходе из воздушно-водяного теплообменника повышается, что приводит при заданной температуре стенки на входе в воздухоподогреватель к невозможности существенно увеличить расход избыточного воздуха и этим улучшить соотношение водяных эквивалентов в воздухоподогревателе для понижения температуры уходящих газов. Кроме того, рассматриваемые ранее схемы не позволяют обеспечить любое заданное соотношение отпуска теплоты. высокотемпературному и низкотемпературному потребителям.
С учетом недостатков предложенных ранее схем разработаны модификации схемы, позволяющие в большей степени удовлетворить требованиям потребителей теплоты.
На рисунке выше изображена схема установки с избыточным воздухом, в которой воздухоподогреватель- состоит из горячей и холодной частей. Перепускной воздуховод между горячей и холодной частями соединён с выходной частью теплообменника. Избыточный воздух после теплообменника разделяется на два потока. Один поток смешивается с холодным воздухом, обеспечивая его нагрев до необходимой температуры по условиям надежной работы воздухоподогревателя. Второй поток смешивается с воздухом, прошедшим холодную часть воздухоподогревателя. Такая схема обеспечивает увеличение количества и повышение температурного уровня отпускаемой теплоты без увеличения температуры воздуха на входе в воздухоподогреватель.
Также на рисунке выше изображена схема установки, в которой теплообменник разделен на две ступени, а промежуточная точка воздухоподогревателя соединена с воздуховодом между ступенями. Такая схема обеспечивает любое соотношение при использовании высокотемпературной и низкотемпературной теплоты.
Описанные модификации позволяют расширить диапазон применения схем с избыточным воздухом на электростанциях.
Расчеты установки с избыточным воздухом применительно к котлу П-67 блока мощностью 800 МВт. Расчеты показали, что даже при повышении температурного уровня отпускаемой теплоты до 200—280 °С может быть достигнуто снижение температуры уходящих газов от 160 до 147 °С при относительной доле избыточного воздуха (по отношению к теоретически необходимому) 0,65.
Использование теплоты избыточного воздуха на ТЭЦ существенно зависит от конкретных условий развития энергетических систем и требует обширных технико-экономических исследований.
Ниже рассматривается ряд возможностей использования те плоты избыточного воздуха в условиях ТЭЦ и производится оценка тепловой нагрузки, которая может быть получена от котлов, сжигающих твердое топливо.
Теплота избыточного воздуха на ТЭЦ может быть использована следующим образом:
- во-первых, для увеличения отпуска теплоты на базисном режиме за счет подогрева сетевой воды в диапазоне температур 70—120 °С путем включения воздухо-водяных теплообменников параллельно бойлерам;
- во-вторых, для отпуска теплоты на пиковом режиме с замещением пиковых водогрейных котлов при подогреве сетевой воды от 120 до 150 °С;
- в-третьих, для увеличения количества отпускаемой теплоты на базисном режиме за счет подогрева питательной воды путем включения воздухо-водяных теплообменников параллельно ПНД, лежащих выше по давлению пара, чем бойлеры, использования высвобожденного пара для выработки дополнительной мощности и увеличения отпуска теплоты;
- в-четвертых, для повышения температуры сетевой воды с целью увеличения отпуска теплоты тепловым потребителям без увеличения пропускной способности тепловых сетей.
Для определения количественных показателей выполнены расчеты хвостовых поверхностей котла 420 т/ч БКЗ на кузнецком угле в условиях различного расхода избыточного воздуха через воздухоподогреватель. При этом для увеличения количества теплоты, воспринимаемой избыточным воздухом, температура газов перед воздухоподогревателем повышена, что может быть достигнуто либо за счет уменьшения поверхности нагрева , либо путем байпасирования экономайзера.
Расчеты показали, что в условиях обычной конструкции трубчатого воздухоподогревателя, т. е. при температуре газов на входе 500 °С, с одного котла производительностью 420 т/ч можно получить теплоты избыточного воздуха примерно 52,6 ГДж/ч. При этом температура уходящих газов 130 °С, температура воздуха на входе в воздухоподогреватель 55 °С, а относительное количество воздуха, пропускаемого через воздухоподогреватель котла, 1,5.
В условиях повышенной (до 600 °С) температуры газов на входе в воздухоподогреватель и относительном расходе воздуха 1,6 количество теплоты избыточного воздуха, получаемой от одного котла, может быть увеличено до 80,3 ГДж/ч. В этом случае температура уходящих газов 143 °С, температура воздуха на входе в воздухоподогреватель 55 °С.
Указанные выше данные относятся к вариантам обеспечения базисной тепловой нагрузки, так как температура воздуха на выходе из воздушно-водяного теплообменника в указанных выше случаях равна соответственно 110 и 100 °С.
Количество получаемой теплоты для обеспечения пиковой тепловой нагрузки, т. е. при подогреве сетевой воды от 120 до 150 °С, уменьшается на 30 %.
Например, при температуре газов на входе в воздухоподогреватель 600 °С и относительном расходе воздуха 1,5 с одного котла может быть получено 63,0 ГДж/ч. В этом случае температура уходящих газов 155 °С, температура воздуха на входе в воздухоподогреватель 65 °С, температура воздуха на выходе из теплообменника поддерживается 140 °С.
На основе полученных данных в каждом конкретном случае может быть определена технико-экономическая эффективность от применения на схем с избыточным воздухом.
Схема с избыточным воздухом может быть применена для увеличения степени разгрузки теплофикационных энергоблоков при прохождении минимума Электрической нагрузки за счет передачи части тепловой нагрузки с турбоустановки на воздушно-водяной теплообменник с соответствующим уменьшением отпуска электроэнергии.