09.07.2018 Журнал «Мегаватт», №2 (17)
Высокие инжиниринговые компетенции специалистов Таганрогского котлостроительного завода «Красный котельщик» (ТКЗ) позволяют предлагать клиентам не просто замену устаревших узлов, а современное модернизированное оборудование. Новации в проектировании — такие, как трехмерное моделирование — не только снижают себестоимость продукции завода, но и ускоряют разработку оборудования с учетом индивидуальных условий заказчика.
Нефтяной кокс — перспективное топливо
Одно из важных направлений научных разработок ТКЗ «Красный котельщик» касается использования нефтяного кокса (отход нефтеперерабатывающих предприятий). В последние годы нефтяной кокс привлекает к себе внимание как перспективный вид топлива. Это твердый остаток вторичной переработки нефти и нефтепродуктов, получаемый при замедленном коксовании тяжелых нефтяных остатков. Как отход производства, кокс очень дешев, при этом по своим качествам он превосходит многие природные топливные ресурсы. Он может служить аналогом мазута, а также обладает некоторыми характеристиками антрацита и тощих углей.
В 2014 году ТКЗ приступил к проектированию и изготовлению оборудования для перевода котлов на этот новый вид топлива. В результате модернизированные ТЭЦ смогут работать на нескольких видах топлива: природном газе, мазуте и нефтяном коксе.
Первый этап НИОКР, проводимых «Красным котельщиком», предусматривает выполнение натурных испытаний по исследованию процессов воспламенения и выгорания нефтяного кокса при различных режимных факторах. Специалисты замеряют необходимые температуры и концентрации на разных стадиях химических реакций. После чего полученный экспериментальный материал используется при отработке математической модели для трехмерного CFD-моделирования (от англ. computational fluid dynamics — вычислительная гидродинамика), для верификации расчетных программ и уточнения расчетных методик.
Трехмерное моделирование — это сегодня обязательный этап проектирования. С помощью 3D-моделирования конструкторы из разных подразделений, даже находясь в разных городах, могут получить доступ к разработке и вместе одновременно работать над проектом. Благодаря использованию 3D-модели можно сократить дорогостоящие и длительные исследования на физических моделях. При этом появляется возможность исследовать большее количество режимов работы, что повышает надежность котлов.
Трехмерное моделирование процессов горения и аэродинамики позволяет правильно организовать современные схемы сжигания за счет знаний о составах и концентрациях исходных веществ и продуктов реакций в любой точке топочного устройства. Одновременно обеспечиваются высокие экономические и экологические характеристики котла. Кроме того, знания о распределении эпюр температур и скоростей по газоходам котла позволяют спроектировать тепловые и гидравлические схемы пароперегревателей с учетом всех особенностей аэродинамики.
Трехмерное моделирование цельносварных ограждающих экранов вместе с элементами креплений и опорами было очень полезно при переходе на новый тип экранирования топок прямоточных котлов из цельносварных панелей со спирально-навитыми трубами. Этот инструмент позволяет по‑новому взглянуть на традиционные узлы котлов и изменить их конструкцию для снижения их массы и стоимости без ухудшения технических характеристик.
Выше сверхкритических
Постоянное стремление ТКЗ к повышению эффективности энергетического оборудования не дает предприятию стоять на месте. Сейчас специалисты работают над проектом по созданию котлов на суперсверхкритические параметры пара (ССКП).
Высокие параметры пара позволяют повысить КПД энергоблока, снизить стоимость электроэнергии и валовый выброс загрязняющих атмосферу газов.
В конструкцию котла заложена современная эффективная схема сжигания и новая для России схема экранирования топочной камеры, позволяющая работать на любом уровне давления.
Инженеры ТКЗ работают над снижением себестоимости конструкции и повышением ее эксплуатационных показателей. А также занимаются структурной оптимизацией тепловой схемы котла в целом. При этом исследуются не только различные схемы включения поверхностей котла, но и рассматриваются различные типы регуляторов и компоновок.
«Мы уже готовы предложить нашим клиентам ССКП-котел с современными характеристиками и высокой надежностью. Он будет разработан под конкретные условия заказчика», — говорит Денис Михалев, начальник отдела расчетов, моделирования и тепловых схем дирекции по инжинирингу ТКЗ.
Новые решения для модернизации электростанций
На протяжении десятилетий «Красный котельщик» является основным поставщиком прямоточных котлов для энергоблоков мощных тепловых электростанций. По основным показателям надежности и экономичности эти котлы соответствуют лучшим практикам котлостроения, что подтверждается многолетним опытом их эксплуатации, отзывами заказчиков, исследованиями специализированных организаций. ТКЗ имеет большой опыт и многочисленные референции по выпуску котлов СКД для энергоблоков 1200, 800 и 300 МВт.
Но принятые ранее в практике отечественного котлостроения схемы экранирования топочных устройств и пусковые схемы энергоблоков не отвечают современным требованиям к энергоблокам, выдвигаемым рынком электроэнергии. Они имеют повышенную массу за счет использования большого количества необогреваемого металла, работающего под давлением, и не позволяют создать высокоманевренный котел для современного энергоблока.
ТКЗ первым из отечественных производителей прямоточных котлов перешел на использование цельносварных экранов из спирально-навитых труб. Первый такой котел сейчас находится в производстве. При реализации такой схемы экранирования не нужно использовать коммуникационные необогреваемые толстостенные трубы, что заметно снижает массу экранов топки и, соответственно, стоимость оборудования. Кроме того, сама концепция использования спирально-навитых труб позволяет иметь одинаковое тепловосприятие сотен параллельно включенных труб, а значит, можно проектировать экраны с очень большим приращением энтальпии. Сейчас использование такого типа экранирования является стандартным решением для всех прямоточных котлов таганрогского предприятия.
На следующем этапе работы в этом направлении ТКЗ займется внедрением цельносварных панелей из вертикальных труб с внутренней нарезкой. Это решение позволит снизить гидравлическое сопротивление всего пароводяного тракта котла на 20%, появится возможность экранирования топок со сложной геометрией: например, топочных камер с низкотемпературным вихрем и инверторных топок.
Кроме того, специалисты «Красного котельщика» модернизируют программу теплового расчета топочной камеры со ступенчатым сжиганием топлива — она предназначена для проведения позонных расчетов топок котлов, сжигающих твердое топливо; активно используется при проектировании новых и реконструкциях существующих котлов. Предыдущую версию программы на ТКЗ разработали в 1980‑х годах. Новая версия позволит повысить точность теплового расчета, надежность котлов, снизить проектные риски, сократить сроки проектирования и подготовки тендерных документов.
Пазлы для котлов
Все эти и многие другие разработки предназначены не только для создания нового оборудования, но и для модернизации и реконструкции действующих энергетических объектов — а это одно из основных направлений деятельности ТКЗ. Причем и сам процесс модернизации проводится с применением инновационной пазловой (поэтапной) методики. В отличие от единовременной модернизации, предусматривающей остановку объекта для реконструкции, пазловая методика предполагает постепенную замену отдельных видов оборудования и его узлов. Например, на первом этапе модернизируются горелки и экраны топки, на втором — пароперегреватели, на третьем — воздухоподогреватель.
Благодаря пазловой реконструкции можно на короткий, а не на длительный срок выводить оборудование из эксплуатации, решать проблемы точечно и ускорить окупаемость инвестиций.
Эти разработки специалистов ТКЗ подтверждают, что «Красный котельщик» предлагает своим клиентам продукцию, изготовленную с применением передовых технологий и уникального оборудования, с учетом индивидуальных условий заказчика.