Аннотация

Морозов А.М. «Реконструкция котла-утилизатора КСТ-80 с целью установки конденсационной турбины на ОАО «Урал Сталь». Дипломный проект. – Орск: ОГУ - 2007 г. - 118 стр., 13 рис., 40 табл., 22 источника литературы, 7 форматов А1.

В проекте рассмотрена возможность увеличения производства электрической энергии за счет использования тепла газов отходящих от УСТК.

Анализ энергетической системы ОАО «Урал Сталь» показал, что отходящие от УСТК газы используются в котлах-утилизаторах неэффективно.

Высокий абразивный износ предвключенных испарительных поверхностей приводит к снижению надежности работы котлоагрегата, а неэффективная работа поверхностного пароохладителя приводит к уменьшению КПД котлоагрегата.

Кроме того, на ОАО «Урал Сталь» в летний период нет потребности в перегретом паре.

В данном проекте предлагается реконструкция котлов утилизаторов КСТ-80 и преобразование котельной УСТК в энергоутилизационную мини-ТЭЦ, с установкой 2-х конденсационных паровых турбин суммарной электрической мощностью 6 МВт.

Приведены тепловой, гидравлический, конструктивный расчеты оборудования.

Кроме того, рассмотрены вопросы автоматизации, защиты окружающей среды, численности рабочих.

Проведена оценка ожидаемых технического и экономического эффектов.

Ожидаемый срок окупаемости мероприятия менее 4 лет.

Полученные результаты могут быть использованы для реконструкции существующих и вновь проектируемых УСТК.

Содержание

Введение

1 Анализ энергетического хозяйства цеха теплогазоснабжения ОАО «Урал Сталь»

1.1 Общая характеристика ЦТГС

1.2 Описание энергетического оборудования участка УСТК

1.3 Описание подсистем энергоносителей участка УСТК

1.4 Тепловой расчет котла КСТ-80 №1 УСТК

1.5 Баланс энергоносителей на участке

1.6 Анализ современного развития аналогичных производств в России и за рубежом

1.7 Постановка задачи дипломного проектирования

2 Реконструкция котла-утилизатора КСТ-80 с целью установки конденсационной турбины

2.1 Краткое описание мероприятий предлагаемых в дипломном проекте

2.2 Тепловой расчет реконструированного котла КСТ-80

2.3 Расчет впрыскивающего пароохладителя

2.4 Гидравлический расчет

2.5 Тепловой расчет паропровода

2.6 Расчет схемы электроснабжения

2.7 Энергоутилизационная мини-ТЭЦ

3 Автоматизация и механизация производственных процессов

4 Безопасность и экологичность

4.1 Анализ опасностей и вредностей на проектируемом объекте

4.2 Обеспечение безопасности труда

4.3 Предупреждение и ликвидация чрезвычайных ситуаций

5 Анализ технико-экономических показателей и обоснование экономической целесообразности принятых в проекте решений

5.1 Расчет себестоимости

5.2 Расчет объема инвестиций

5.3 Исходные данные для расчета экономических показателей

5.4 Расчет основных технико-экономических показателей

5.5 Сводный отчет об ожидаемых технико-экономических показателях проекта

Список используемой литературы

Введение

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов - важнейшая задача, значимость которой все возрастает. Основными направлениями экономического развития России предусмотрена программа развития топливно-энергетического комплекса и экономии энергоресурсов. В частности, планируется переход на энергосберегающие технологии производств, сокращение всех видов энергетических потерь и повышение уровня использования вторичных энергоресурсов (ВЭР).

Значительная экономия топливно-энергетических ресурсов может быть достигнута при более широком вовлечении в топливно-энергетический баланс страны вторичных энергоресурсов, имеющихся практически во всех отраслях промышленности, где применяются теплотехнические процессы, в первую очередь высокотемпературные. Коэффициент полезного теплоиспользования для многих процессов не превышает 15-35%.

Использованию ВЭР в последние годы уделяется значительное внимание.

В соответствии с принятыми методическими положениями по выявлению и направлениям использования ВЭР на промышленных предприятиях под вторичными энергоресурсами подразумевают энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах, который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использован для энергоснабжения других агрегатов. Под энергетическим потенциалом понимается наличие в указанных продуктах определенного запаса энергии (химически связанной теплоты, физической теплоты, потенциальной энергии избыточного давления).

ВЭР можно использовать в качестве топлива либо непосредственно (без изменения вида энергоносителя), либо за счет выработки теплоты, электрической энергии, холода, механической работы в утилизационных установках.

ВЭР разделяют на три основные группы:

1) горючие - побочные газы плавильных печей (доменный, колошниковый, газ шахтных печей и вагранок, конверторный и др.);

2) тепловые - физическое тепло отходящих газов технологических агрегатов; физическое тепло основной и побочной продукции; тепло рабочих тел систем принудительного охлаждения технологических агрегатов и установок; тепло шлаков, золы; тепло горячей воды и пара отработавших технологических силовых установок;

3) избыточного давления - потенциальная энергия газов, жидкостей покидающих технологические агрегаты с избыточным давлением, которое необходимо снижать перед последующей ступенью использования этих жидкостей или при выбросе их в атмосферу, водоемы, емкости и другие приемники.

Использование горючих ВЭР особых затруднений не вызывает, и они используются на промышленных предприятиях с достаточной полнотой (90-95%) и эффективностью. Использование тепловых ВЭР еще недостаточно и составляет в среднем 30-40%. Основное значение в структуре тепловых ВЭР имеет физическая теплота отходящих газов теплотехнических установок, доля которой в общем балансе возможного использования тепловых ВЭР составляет 75%.

Вторичными энергоресурсами располагают практически все отрасли промышленности, в которых имеются теплотехнические установки.

Таблица 1 - Использование ВЭР в промышленности /1, 43/

Таким образом, из таблицы 1 видно, что в черной металлургии доля использования тепловых ВЭР чрезвычайно мала.

Из графика на рисунке 1, видно, что черная металлургия является крупнейшим потребителем ВЭР. Основным оборудованием для использования тепловых ВЭР, а также избыточного давления являются: котлы-утилизаторы (КУ), системы испарительного охлаждения (СИО), охладители конвертерных газов (ОКГ), установки сухого тушения кокса (УСТК), газовые утилизационные бескомпрессорные турбины (ГУБТ), адсорбционные холодильные машины.

Котлы-утилизаторы в установках сухого тушения кокса

Котлы-утилизаторы в коксохимическом производстве в комплексе с тушильным устройством предназначены для использования физической теплоты раскаленного кокса и его сухого тушения. В тепловом балансе коксовой батареи теплота, уносимая раскаленным коксом, достигает 45-50% количества теплоты, поступающей на обогрев печи.

На каждый миллион тонн произведенного кокса при мокром тушении теряется примерно 50 тыс. тонн условного топлива. Поэтому использование физической теплоты раскаленного кокса имеет большое значение. Одним из таких способов является сухое тушение кокса, которое дает возможность не только использовать физическую теплоту раскаленного кокса для получения пара энергетических параметров, значительно повысить качество кокса, технико-экономические показатели доменного процесса, но также улучшить условия труда в коксовых цехах, уменьшить загрязнение окружающего воздушного бассейна.

Опыт эксплуатации доменных печей показывает, что при использовании кокса сухого тушения удельный расход его снижается примерно на 10% по сравнению с удельным расходом при применении кокса мокрого тушения. Таким образом, общая экономия условного топлива от использования физической теплоты раскаленного кокса и улучшении эффективности доменного процесса (в результате использования кокса сухого тушения) составляет 110×10³ тонн на каждый миллион тонн произведенного чугуна.

На больших газовых заводах и коксохимических производствах металлургических заводов, выпускающих тысячи тонн кокса в сутки, вопрос о наиболее выгодном способе использования тепла раскаленного кокса зависит от потребности в том или ином виде энергии и от стоимости энергии, получаемой со стороны. От правильного выбора способа использования уловленного тепла кокса зависят прежде всего сроки окупаемости капитальных затрат на сооружение установок сухого тушения и рентабельность последних.

Тепло УСТК используется для получения пара, расходуемого на технологические нужды производства. Это объясняется тем, что производительность большинства установок небольшая, а пар, вырабатываемый в таких УСТК, может быть полностью использован на месте.

При крупных бункерных установках целесообразно комбинировать выработку электрической энергии и тепловой в виде пара для технологических нужд. В таких комбинированных установках водяной пар энергетических параметров, получаемой в котлах УСТК, можно направлять в конденсационные турбины с промышленными и теплофикационными отборами или в турбины с противодавлением (в зависимости от энергетического баланса данного предприятия). В обоих случаях паровые турбины служат приводами электрических генераторов /1, 56/.

Разработка мер по использованию пара за счет ВЭР на технологические нужды, производство электроэнергии, теплоснабжение в комбинированных схемах требует детального изучения тепловых балансов производства и создания типовых решений с учетом технико-экономического обоснования по использованию пара от котлов. Параметры пара также зависят от стабильности работы (технологического режима) основного теплотехнического устройства. Технико-экономическое обоснование должно производиться при выборе типа котла для каждого конкретного случая.

Установка сухого тушения кокса состоит из двух основных частей (рисунок 2) - тушильной камеры (1) и парового котла (2). Раскаленный кокс скиповым подъемником загружается в тушильную камеру. Через щели в конической нижней части тушильной камеры, заполненной коксом, в нее поступают инертные газы, двигаясь навстречу коксу, охлаждают его от 1300 до 500 К, и сами нагреваются от 425-440 до 1000-1100 К. Нагретые инертные газы выходят через окна, расположенные в верхней части камеры, проходят через пылеуловительный бункер и поступают в котел, после котла газы проходят пылеуловительные циклоны (4) и поступают на всас мельничного вентилятора (3). В котле газы последовательно омывают пароперегреватель, секции испарительных поверхностей нагрева и экономайзер.

1 Анализ энергетического хозяйства цеха теплогазоснабжения (ЦТГС) ОАО «Уральская Сталь»

1.1 Общая характеристика ЦТГС

1.1.1 Общая характеристика энергохозяйства

Высокий температурный уровень основных технологических процессов металлургического производства и низкий коэффициент использования тепла топлива технологическим агрегатом предопределяет большой выход вторичных энергоресурсов. При большом объеме металлургического производства рациональное использование вторичного тепла является важной производственной задачей, так как экономия топлива идентична увеличению на ту же величину его добычи, а капитальные вложения на сооружение соответствующих теплоутилизационных установок намного меньше, чем на добычу топлива и теплогенераторные установки на топливе.

Перспективным является комплексное использование тепла отходящих газов и тепла испарительного охлаждения печи. При этом котел-утилизатор и охлаждаемые элементы печи объединяются общей циркуляционной системой.

Получение пара за счет тепла отходящих газов мартеновских, методических печей, установок сухого тушения кокса в общем случае экономичнее, т.к. обычно пар используется круглогодично для технологических нужд и при теплофикации ценность его тепла выше, чем тепла сетевой воды.

Цех теплогазоснабжения включает в себя:

1) Участок котлов-утилизаторов (КУ) проката.

За группой нагревательных методических печей стана 950/800 и стана 2800 применены комплексные утилизационные установки, представляющие собой для каждой печи котлы-утилизаторы КУ-100 и КУ-80 соответственно, с многократной принудительной циркуляцией, и систему испарительного охлаждения печи, совмещенные в единую установку, в которой охлаждаемые элементы печи включены в циркуляционную систему котла параллельно его испарительной системе. В здании первого листопрокатного цеха (ЛПЦ-1) расположена питательная установка, являющаяся общей для всего комплекса утилизационных установок прокатного цеха. Каждый из котлов КУ-100 при среднем режиме работы нагревательных печей вырабатывает с учетом испарительного охлаждения печи 33,9 т/ч перегретого пара с параметрами Р=1,2 МПа и температурой Т=360 ºС. Пар, вырабатываемый котлами-утилизаторами, направляется в общезаводскую сеть паропроводов, а часть пара редуцируется и используется на нужды питательной установки.

2) Установка сухого тушения кокса совместно с котлами КСТ-80.

Котельная установка сухого тушения кокса батарей №№5, 6 предназначена для выработки пара за счет использования тепла инертных газов сухого тушения кокса. Соответственно количеству кокса поступающего на тушение, в котельной вырабатывается 63 т/ч перегретого пара следующих параметров: давление Р=1,8 МПа и температура перегрева до 450 ºС. Полученный пар используется на технологические нужды Общества.

3) Котельные за мартеновскими печами.

Котлы-утилизаторы КУ-80/120 предназначены для охлаждения уходящих дымовых газов мартеновских печей и получения перегретого пара с давлением Р=1,6-1,8 МПа, с температурой до 375 ºС. Температура уходящих газов после котлов-утилизаторов 180-250 ºС. Для удаления плавильной пыли с конвективных поверхностей нагрева предусмотрена импульсная очистка.

4) Газоочистка за мартеновскими печами.

За мартеновскими печами №№3, 4, 6, 7 установлены электрофильтры. Перед электрофильтром установлена эжекционная система кондиционирования. За двухванными сталеплавильными агрегатами ДСПА-1 и ДСПА-9 установлены газоочистки с регулируемой трубой Вентури.

5) Мазутное хозяйство (снабжение мартеновских печей мазутом, хранение мазута).

6) Участок тепловых сетей (обслуживание магистральных трубопроводов пара и горячей воды).

7) Электрослужба (обслуживание и ремонт электрооборудования ЦТГС).

8) Участок подготовки ремонтов.

9) Газовый участок.

1.1.2 Этапы развития ЦТГС

Ниже приводится таблица, показывающая этапы развития ЦТГС по годам, начиная с 1960 года.

Таблица 2 - Этапы развития ЦТГС

Цех теплогазоснабжения является крупным структурным подразделением ОАО «Урал Сталь», обеспечивающим паром энергетических параметров другие структурные подразделения комбината. Кроме того, на балансе цеха теплогазоснабжения находятся тепловые сети, обеспечивающие сетевой водой на нужды отопления и вентиляции не только комбинат, но и город Новотроицк.

1.2 Описание энергетического оборудования участка УСТК

1.2.1 Устройство, техническая характеристика и принцип работы котла- утилизатора КСТ-80

Котел-утилизатор КСТ-80 конструкции «Укрэнергочермета» установки сухого тушения кокса - однобарабанный, змеевикового типа с многократной принудительной циркуляцией. Поверхности нагрева расположены в вертикальной шахте. Направление потока греющих газов сверху вниз (нисходящий поток). Скорость газового потока не должна быть выше 7 м/сек, во избежание истирания металла трубок поверхностей нагрева котла мелкой фракцией кокса, уносимой потоком циркуляционного газа из тушильной камеры. Газоход котла выполнен из металлических листов, сваренных между собой для создания газоплотности, во избежание присосов воздуха, повышения содержания кислорода в газах, влекущего за собой усиление горения кокса в камере тушения. В зонах высоких температур (пылеосадительный бункер, газоход котла в районе пароперегревателя и испарительной поверхности) металлический кожух газохода изнутри выложен огнеупорным кирпичом.

Котел состоит из следующих частей:

1) барабана (диаметр 1 600 мм, длина 5 500 мм), в барабане расположены устройства: для ввода реагентов для внутрикотловой обработки воды, отвода воды непрерывной и периодической продувок, испарительные устройства, состоящие из двух приемных отсеков, в которых установлены отбойные щиты, паросборного коллектора, защитного устройства водоотводящих труб.

2) двух блоков (четырех пакетов), последовательно соединенных, водяного экономайзера. Входной блок экономайзера состоит из пакетов, над которыми расположены два пакета выходного блока экономайзера, блоки расположены последовательно по ходу газов. Каждый пакет состоит из 26 параллельно включенных змеевиков из трубы диаметром 25×3 мм. Входные и выходные коллектора экономайзера расположены в газоходе котла, входные камеры в зоне температур около 160°С, а выходные в зоне температур порядка 300 °С.

3) двух блоков (четырех пакетов), последовательно соединенных, испарительной поверхности. Входные коллектора испарительной секции расположены в газоходе котла, в зоне температур газов около 300 °С.

4) двух последовательно соединенных пакетов пароперегревателя, со встроенным пароохладителем. Пакеты расположены первыми по ходу газов горизонтально в вертикальной шахте, за поворотной камерой.

5) котлы №№1, 2, 3 имеют экранные испарительные пучки труб (солому). Верхняя часть экранной поверхности образует двухтрубный шахматный пучок труб над пароперегревателем, который переходит затем в настенные, двухсветные экраны в области поворотного газохода. Экранные поверхности состоят из труб диаметром 166×2, параллельно включенных змеевиков из трубы диаметром 25×3 мм. Выходные участки труб проходят через обмуровку потолочного перекрытия и привариваются непосредственно к штуцерам барабана котла. На котле №4 произведена реконструкция испарительной поверхности, и экранная часть отсутствует, котловая вода после верхней испарительной секции собирается в коллекторах и по восьми трубам подается в барабан котла.

6) трубопроводы в пределах котла:

а) подводящие трубопроводы питательной воды;

б) отводящие трубопроводы испарительного контура;

в) трубопроводы насыщенного и перегретого пара;

г) трубы периодической и непрерывной продувок, линия фосфатирования

7) запорная, регулирующая, предохранительная и защитная арматура.

К вспомогательному оборудованию котла относятся:

а) циркуляционные насосы типа НКУ-250 (по два на каждом котле);

б) мельничный дутьевой вентилятор типа ВМ-160/850;

в) резервный дымосос типа ДН-12 (работает только при аварийном отключении мельничного вентилятора).

Специальная щитовая обмуровка и металлическая обшивка котла отвечают требованиям повышенной плотности. В зоне высоких температур (выше 450 °С) обмуровка трехслойная (огнеупорный бетон, термоизоляционный бетон, совелитовые плиты). В ходе проведения ремонтов огнеупорные бетоны в районе коллекторов пароперегревателя и стен, вдоль испарительных поверхностей нагрева, обращенных внутрь котельной, заменены на огнеупорный кирпич - шамотный и динасовый. Металлические щиты обшивки котла имеют наружную тепловую изоляцию в виде минераловатных прошивных матов покрытых сверху металлическим (алюминиевым) покровным слоем.

1.2.2 Тепловая характеристика котла-утилизатора КСТ-80

Ниже приводится таблица, отражающая краткие тепловые характеристики котлов-утилизаторов КСТ-80 №№1, 2, 3, 4. Таблица составлена на основе технологической инструкции.

Таблица 3 - Тепловая характеристика котлов-утилизаторов КСТ-80

1.2.3 Технологическая схема УСТК

Установка сухого тушения кокса представляет собой сложный единый технологический агрегат, условно состоящий из двух основных частей:

1) тушильной камеры;

2) парового котла-утилизатора со вспомогательным оборудованием для очистки циркуляционных газов от угольной пыли (пылеосадительный бункер для очистки от крупных частиц, циклонов для очистки от мелких частиц), соединительных газоходов и вспомогательных тягодутьевых устройств (основного и вспомогательного дымососов).

Всего УСТК ОАО «Уральская Сталь» оснащено четырьмя агрегатами сухого тушения кокса.

Принцип работы установки сухого тушения кокса заключается в следующем:

1) через щель в нижней конической части сушильной камеры, заполненной горячим коксом, с помощью мельничного вентилятора ВМ-160/850 нагнетается инертный газ, смешанный с продуктами горения кокса (далее циркуляционный газ);

2) циркуляционный газ имеет следующие усредненные значения составных компонентов (данные из технологической инструкции):

3) газы, двигаясь на встречу загруженному сверху коксу, нагревается, одновременно его охлаждая;

4) нагретые газы выходят через верхние окна тушильной камеры и поступают в пылеосадительный бункер. За счет резкого изменения, объёма в бункере происходит выпадение крупных частиц кокса;

5) из пылеосадительного бункера циркуляционный газ поступает в котёл- утилизатор, где последовательно омывает поверхности нагрева котла (на котлах №1, 2, 3 - экранные испарительные трубки), пароперегреватель, испарительные секции, водяной экономайзер, проходя через которые охлаждается, передавая тепло воде, проходящей внутри труб поверхностей нагрева;

6) после котла-утилизатора циркуляционный газ проходит через газораспределительный короб, распределяется на два потока и по восходящим газоходам поступает на циклоны;

7) проходя через циклоны газ, очищенный от более мелких частиц угольной пыли, поступает в общий газоход и подводится на всас мельничного вентилятора;

8) за счет центробежной силы, создаваемой вентилятором, циркуляционный газ приобретает дополнительную энергию напора и вновь под давлением подаётся в нижнюю часть тушильной камеры;

9) для поддержания заданного количества инертного газа, недопущения подсосов кислорода из воздуха и восполнения утечек инертного газа через неплотности, свечи и др., на всас дутьевого вентилятора производится подача азота - из магистрального азотопровода;

10) осажденные в бункере и циклонах частицы коксовой пыли через систему мигалок сбрасываются в трубопровод гидрозолоудаления.

Здание котельной делится помещением щитов управления КИПиА и подстанцией на две части, в каждой из которой размещаются два котлоагрегата.

В служебном отделении УСТК располагается всё вспомогательное оборудование котельной: на первом этаже - питательные насосы, установка фосфатирования, щит управления питательной установкой; на втором этаже - расположены трубопроводы подвода химочищенной воды, теплообменник; на третьем этаже расположены деаэраторы, трубопроводы пара и воды, сепараторы непрерывной продувки.

1.2.4 Устройство и принцип работы циркуляционного насоса

Циркуляционный насос предназначен для принудительной циркуляции воды в водяном контуре котла-утилизатора.

Насос состоит из приводной и проточной частей. Приводная часть состоит из опорного кронштейна, в котором на подшипниках установлен вал насоса. Подшипники закрыты крышками. Проточная часть состоит из спирального корпуса, который крепится к фланцу опорного кронштейна, рабочего колеса, насаженного на конец вала, и всасывающего патрубка, присоединенного к спиральному корпусу.

Спиральный корпус служит для преобразования кинетической энергии жидкости после рабочего колеса в энергию давления. Насосы поставляются с напорным патрубком, направленным вертикально вверх.

Рабочее колесо служит для передачи механической энергии двигателя потоку жидкости. Оно выполнено из двух дисков соединенных лопатками; передний диск, с входным отверстием. Рабочее колесо имеет уплотняющий поясок, который в паре с уплотнительным кольцом, запрессованным во всасывающем патрубке, образует уплотнение, служащее для уменьшения перетока жидкости из области высокого давления в область низкого давления.

Всасывающий патрубок служит для подвода перекачиваемой жидкости к рабочему колесу. Он крепится к спиральному корпусу и является его причиной. На фланце патрубка имеется резьбовое отверстие для присоединения манометра, заглушаемое при поставке пробкой.

Сальниковое уплотнение насоса служит для уплотнения вала в месте выхода из корпуса и состоит из отдельных колец, установленных с относительным смещением разрезов по 120 градусов.

1.2.5 Технические параметры насоса НКУ-250

Основные технические параметры циркуляционных насосов приведены в таблице 4, данные приводятся на основе технологической инструкции, паспорта агрегата.

Таблица 4 - Техническая характеристика насоса НКУ-250

1.2.6 Технологическая схема работы деаэрационно-питательной установки (ДПУ) участка котлов-утилизаторов за УСТК

В ДПУ участка входят:

1) два деаэратора атмосферного типа с трубопроводами обвязки химочищенной воды, пара, сброса дренажных вод, устройств защиты (гидрозатворов) и охладителей выпара, включенных в тепловую схему деаэратора;

2) группа питательных насосов котлов-утилизаторов из четырех штук;

3) водоводяной кожухотрубчатый теплообменник;

4) сепараторы непрерывной продувки в количестве двух штук;

5) узлы ввода и разводки трубопроводов обвязки химочищенной, деаэрированной питательной воды, 7-ми и 16-ти атмосферного паропровода;

6) первичные приборы измерения и контроля, системы автоматического регулирования и управления технологическим процессом, и щитов управления КИПиА;

7) установка ввода дозирования корректирующих реагентов (фосфата) в питательную воду.

Химочищенная вода с химводоочистки №1 теплоэлектроцентрали, по двум трубопроводам поступает на ДПУ участка котлов-утилизаторов за УСТК, откуда через узел ввода через теплообменник, по двум ниткам подается на верхние сита деаэрационной колонки. Проходя деаэрационную колонку, деаэрированная вода накапливается в баке-аккумуляторе. Далее деаэрированная вода по сборным трубопроводам подаётся на кожухотрубчатый теплообменник, где происходит снижение её температуры до 70 ºС и далее по всасывающим трубопроводам подаётся на общий сборный коллектор деаэрированной воды и далее на всас питательных насосов. Группа питательных насосов обеспечивает подачу деаэрированной питательной воды по двум напорным трубопроводам с давлением 56-66 кгс/см² . Для поддержания требуемого давления в напорных трубопроводах, регулирование может осуществляться за счет включения дополнительного насоса, переходя с насоса большей производительности на насос с меньшей производительностью, а также за счет перепуска воды из напорных трубопроводов в безнапорную часть бака-аккумулятора деаэрационной установки по линии рециркуляции.

Для обеспечения процесса термической деаэрации (обескислороживания) в ДПУ подведены трубопроводы 7-ми, 16-ти атмосферного пара и сепарационного пара от сепараторов непрерывной продувки котлов. Основной подвод пара на деаэрацию осуществляется из магистрального паропровода 7-ми атмосферного пара. В качестве резервного, на ДПУ имеется подвод 16-ти атмосферного пара, взятый из паропровода котельной от котлов-утилизаторов за УСТК.

Загрязнённый кислородом пар (выпар) проходя через охладители выпара отдаёт тепло химочищенной воде, конденсируется и сбрасывается в канализацию. Для обеспечения режима пуска и остановки деаэраторов, а также для сброса выпара в случае необходимости отключения охладителя выпара или в случае его неисправности, предусмотрен прямой отвод выпара в атмосферу.

1.2.7 Устройство и принцип действия деаэратора

Деаэратор состоит из бака-аккумулятора, деаэрационной колонки, устройств защиты деаэратора от превышения давления пара и уровня воды.

В деаэрационной колонке применена двухступенчатая система деаэрации: первая ступень - струйная, вторая ступень - барботажная. Потоки воды, подлежащие деаэрации, подаются на верхнюю перфорированную тарелку. С неё вода стекает на расположенную ниже перепускную тарелку, откуда узким пучком струй увеличенного диаметра сливается на начальный участок непровального, барботажного листа. Затем вода проходит по барботажному листу в слое, обеспечиваемом переливным порогом, и через трубу самотеком сливается под уровень воды в бак-аккумулятор, после выдержки в котором отводится из деаэратора по трубе на питательные насосы.

В деаэратор предусмотрено три подвода пара:

1) через один пар поступает в верхнюю часть бака-аккумулятора, вентилирует паровой объём бака и попадает под барботажный лист. При увеличении тепловой нагрузки деаэратора срабатывает гидрозатвор пароперепускного устройства, через который избыточный пар перепускается в струйный отсек барботажного устройства третьей тарелки деаэрационной колонки;

2) часть пара подаётся по перфорированной трубе в деаэрационную колонку на дополнительное барботажное устройство, после которого пар также попадает в барботажный отсек;

3) подвод пара на барботажный подогрев в нижнюю часть бака-аккумулятора предназначен для прогрева деаэратора на предпусковых режимах работы, а также для догрева воды до необходимых параметров в баке-аккумуляторе;

4) парогазовая смесь отводится из деаэратора через патрубок отвода. В струях осуществляется подогрев воды до температуры близкой к температуре насыщения, удаления основной массы газов и конденсации большей части пара, подводимого в деаэратор, частичное выделение газов из воды в виде мелких пузырьков идет на тарелках. На барботажном листе осуществляется догрев воды до температуры насыщения с незначительной конденсацией пара и удаление микроскопических газов. Процесс дегазации завершается в деаэраторном баке, где происходит выделение из воды мелких пузырьков газов за счет отстоя.

1.2.8 Техническая характеристика деаэратора ДА-200

Техническая характеристика деаэраторов установленных на участке УСТК приведена в таблице 5, данные приводятся на основе технологической инструкции, паспорта агрегата.

Таблица 5 - Техническая характеристика деаэратора ДА-200

1.2.9 Устройство и принцип действия питательного насоса типа ПЭ

Выбор производительности и создаваемого напора насоса производится из расчета, номинальной потребности котлов-утилизаторов в питательной воде с запасом прочности не менее 10%, обеспечения требуемого давления на преодоление гидравлического сопротивления в трубопроводах и элементах, подъёма воды на высоту и преодоления избыточного давления в барабанах. Ротор насоса приводится в действие электродвигателем через упругую втулочно-пальцевую полумуфту.

Принцип действия питательного насоса типа ПЭ основан на действии центробежных сил. Вращаясь, рабочее колесо, сообщает круговое движение жидкости, находящейся между лопатками рабочего колеса. Вследствие возникающей при этом центробежной силы, жидкость от центра рабочего колеса перемещается к внешнему выходу, а освобождающееся пространство вновь заполняется жидкостью, поступающей из всасывающего трубопровода под действием атмосферного давления или подпора. Выйдя из рабочего колеса, жидкость поступает в каналы направляющего аппарата, а затем во второе рабочее колесо с давлением, созданным в первой ступени, оттуда жидкость поступает на третье колесо и т.д. Вышедшая из последнего рабочего колеса жидкость проходит через направляющий аппарат и поступает в напорный трубопровод.

Питательные насосы служат для подачи химически очищенной воды через экономайзер в барабан котла.

1.2.10 Техническая характеристика питательного насоса

Техническая характеристика питательных насосов ПЭ-100-53 и ПЭ-100-56 приведена в таблице 6, данные приводятся на основе технологической инструкции, паспорта агрегата.

Таблица 6 - Техническая характеристика питательных насосов

1.2.11 Устройство и принцип действия сепаратора непрерывной продувки

Для использования тепла продувочных вод на деаэрацию в ДПУ участка котлов-утилизаторов за УСТК установлены сепараторы непрерывной продувки с котлов-утилизаторов №1-4.

Сепаратор состоит из корпуса, улитки, пластинчатого каплеулавливателя, регулятора выхода продувочной воды, выхода отсепарированного пара, отвода к предохранительному клапану, водомерного стекла, трубопроводов отвода дренажей.

Принцип действия сепаратора основан на выделении пара и конденсата из продувочной эмульсии, удаляемой из котлов-утилизаторов с непрерывной продувкой, за счет резкого изменения (увеличения) объёма в расширителе (корпусе сепаратора) и соответственно падения давления подаваемой продувочной среды до давления в расширителе.

Продувочная вода с давлением равным давлению пара в барабане котла-утилизатора по общему коллектору продувочной воды поступает на вход продувочной воды в сепаратор. За счёт тангенциального расположения входа продувочной воды поток приобретает вращательное движение, за счёт чего происходит интенсивное разделение пароводяной эмульсии на пар и воду, имеющие различные значения плотности, у противоположных стенок улитки сепаратора. Проходя через щель в улитке, поток попадает во внутреннее пространство корпуса сепаратора (расширитель). За счет резкого изменения объёма, давление подаваемой воды падает и происходит вскипание перегретой воды.

Пар, отсепарированный в улитке, и пар выделившийся при вскипании жидкости поступает в верхнюю паровую часть сепаратора, проходят каплеуловитель, где освобождается от частичек воды захваченных потоком пара и далее по трубопроводу поступает на деаэрационную колонку. Вода поступает в нижнюю часть сепаратора, где с помощью поплавкового регулятора поддерживается нормальный уровень воды (нормальным считается уровень, колеблющийся в средней части водоуказательного стекла). Излишняя вода удаляется в канализацию.

В случае необходимости (при неисправности регулятора уровня, увеличения уровня воды в сепараторе выше допустимого и т. д.) вода может удаляться через дренаж в нижней части сепаратора.

1.3 Описание подсистем энергоносителей участка УСТК

1.3.1 Потребляемые энергоносители

Участок ЦТГС на УСТК потребляет:

1) Химически очищенную воду, которая поступает с ТЭЦ ОАО «Уральская Сталь» по двум трубопроводам диаметром 219 мм, один из которых резервный. Температура химически очищенной воды порядка 30-40 °С. Количество химически очищенной воды полученной участком УСТК с ТЭЦ за 2006 год равно 503 364 тонны, что составляет 23,2% от всей химически очищенной воды полученной ЦТГС от ТЭЦ. Химически очищенная вода поступает в деаэраторы, а затем на питание котлов.

2) Азот для восполнения инертного теплоносителя используемого для сухого тушения кокса. Азот поступает с кислородно-компрессорного цеха ОАО «Уральская Сталь» по трубопроводу диаметром 76 мм.

3) Кислород и сжатый воздух. Диаметр кислородопровода 25 мм, диаметр воздухопровода 57 мм. Назначение этих энергоносителей - применение при проведении аварийно-восстановительных работ и планово-предупредительных ремонтов на участке.

4) Техническую воду. Вода поступает из системы оборотного водоснабжения ОАО «Уральская Сталь», и применяется для охлаждения подшипников и сальников питательных и циркуляционных насосов.

5) Питьевую воду.

1.3.2 Вырабатываемые энергоносители

Котлы-утилизаторы участка УСТК вырабатывают тепловую энергию в виде перегретого пара. Пар поступает на собственные нужды ОАО «Уральская Сталь». Перегретый пар по двум трубопроводам диаметром 159 мм поступает в общекомбинатовский 16-ти атмосферный паровой коллектор диаметром 219 мм.

Для примера приведены параметры пара, выработанного котлом-утилизатором №1 10 марта 2007 года:

1) Средняя температура перегретого пара 380 °С.

2) Среднее давление перегретого пара 12 атм (1,2 МПа).

3) Среднечасовая выработка перегретого пара 27,2 тонны.

Далее приводится ведомость выработки (Таблица 7) перегретого пара котлами-утилизаторами участка УСТК и всем ЦТГС (включая пар СИО) за 2006 год.

Таблица 7 - Ведомость выработки пара

1.4 Тепловой расчет котла КСТ-80 №1 УСТК

Котел-утилизатор КСТ-80 изначально рассчитан на параметры: паропроизводительность D=26,5 т/час, давление перегретого пара Р=4 МПа, температура перегретого пара Т=440 °С. Работа КУ КСТ-80 в данном режиме недопустима в связи с износом испарительных поверхностей нагрева, барабана-сепаратора, пароперегревателя. В связи с этим Ростехнадзором РФ максимальные разрешенные параметры перегретого пара ограничены: Р=1,8 МПа, Т=420 °С.

Далее приводится тепловой баланс котла КСТ-80 №1. Данные по температуре и давлению перегретого пара, температуре и количестве дымовых газов взяты по показаниям контрольно-измерительных приборов за 10 марта 2007 года. Данные по площадям поверхностей нагрева взяты из характеристики оборудования.

Исходные данные

1 Температура инертных газов поступающих в котел: °С.

2 Состав инертных газов (в % по объему):

Таблица 8 - Химических состав теплоносителя (инертного газа)

3 Давление в барабане котла P_б =0,85 МПа.

4 Температура перегретого пара Т_пп =378 °С.

5 Температура питательной воды Т_пв =100 °С.

6 Расход газов V_г =82100 нм³ /час.

7 Присосы воздуха – отсутствуют.

Теплосодержание инертных газов.

Объем газов

1 нм³ /нм³ .

2 нм³ /нм³ .

3 нм³ /нм³ .

Таблица 9 - Сводная таблица зависимости теплосодержания дымовых газов от температуры

Согласно методическим указаниям /4/ по проведению теплового расчета котельных агрегатов расчет сведен в таблицы.

Тепловой расчет котельного агрегата может иметь двоякое назначение, а именно:

1 при проектировании нового котельного агрегата по заданным параметрам его работы (паропроизводительность, температуры перегретого пара, питательной воды и другим) определяют величины всех поверхностей нагрева его;

2 при наличии готового котельного агрегата проверяют соответствие величин всех поверхностей нагрева его заданным параметрам его работы.

Первый вид расчета называется конструкторским, второй - поверочным.

Элементы котельного агрегата рассчитывают последовательно, переходя от поверхностей нагрева с более высокими температурами дымовых газов (пароперегреватель) к поверхностям нагрева с более низкими температурами дымовых газов (испарительные поверхности нагрева, водяной экономайзер). Предварительно выполняют ряд вспомогательных расчетов, а именно: определяют количество дымовых газов по газоходам котельного агрегата и их энтальпию, составляют тепловой баланс котельного агрегата.

При конструкторском расчете поверхностей нагрева по известным значениям температуры дымовых газов перед поверхностью нагрева и после нее определяют величину поверхности нагрева. При поверочном расчете по заданной величине поверхности нагрева и известной температуре дымовых газов перед ней определяют температуру дымовых газов за поверхностью нагрева.

Все поверхности нагрева рассчитывают по двум основным уравнениям, а именно по уравнению теплового баланса рассчитываемой поверхности нагрева и уравнению теплопередачи в ней. В зависимости от того, производится расчет поверочный или конструкторский, неизвестными в уравнениях теплового баланса и теплопередачи оказываются различные величины. Однако в обоих случаях расчета в этих уравнениях известна температура дымовых газов перед поверхностью нагрева, которая становится исходной величиной для расчета

Таблица 10 - Тепловой баланс котельного агрегата и паропроизводительности

Таблица 11 - Тепловой расчет пароперегревателя

Таблица 12 - Тепловой расчет испарительной поверхности

Таблица 13 - Тепловой расчет экономайзера

Таблица 14 - Тепловой расчет предвключенной испарительной поверхности

1.5 Баланс энергоносителей на участке УСТК

Все данные в энергетическом балансе приведены за 2006 год.

1) Химически очищенная вода, полученная с ТЭЦ-ПВС ОАО «Урал Сталь» и выработанный перегретый пар (по месяцам).

Таблица 15 - Баланс энергоносителей

Таким образом, участком УСТК расходуется на собственные нужды, или теряется в виде утечек и продувок, 29 669 тонн химически очищенной воды в год, что составляет 6,89% от общего потребления химически очищенной воды участком.

2) Получаемый азот из ККЦ ОАО «Урал Сталь» используется полностью.

3) Кислород и сжатый воздух - используются полностью.

4) Техническая вода возвращается в оборотную систему комбината в том же количестве, за исключением незначительных утечек.

1.6 Анализ современного развития аналогичных производств в России и за рубежом

В настоящее время в России и за рубежом используется как сухое тушение кокса, так и мокрое (примерное соотношение 1:1). В Японии, например, весь получаемый кокс тушат в УСТК. В России распространению УСТК, прежде всего, препятствует тяжелое финансовое положение металлургических предприятий (все УСТК в России уже выработали свой ресурс, и дальнейшая их реконструкция не проводится).

Вместе с тем в мировой науке выработано несколько направлений по использованию тепла раскаленного кокса.

1.6.1 Котлы-утилизаторы в схеме УСТК

Развитие данного направления производства в России ограничивается модернизацией (усовершенствованием) котла-утилизатора, а не всей УСТК. Как альтернатива устаревшему КСТ-80 разработан более совершенный котел КСТК 25/39-С-1 который вырабатывает пар энергетических параметров /5, 113/, который затем направляется в паровой турбогенератор.

В Германии и Японии также имеются свои котлы-утилизаторы, вырабатывающие пар иных параметров, но принцип действия всех этих котлов одинаков.

1.6.2 Газовая турбина в схеме УСТК

Представляет интерес схема УСТК в сочетании с газовой турбиной /6, 99/. В схемах с газовой турбиной тепло раскаленного кокса, уловленное в установке сухого тушения, может быть использовано для нагрева компонентов горения при поступлении их в камеру сгорания турбины.

В зависимости от того, какое топливо применено для сжигания в турбине, в цикле УСТК может нагреваться воздух и топливо, или только воздух или воздух и рабочая смесь.

На рисунке 4 приведена схема комбинированной установки сухого тушения кокса с газовой турбиной. Горячие циркулирующие газы после бункера тушения поступают в воздухонагреватель, в котором нагревается воздух, поступающий в камеру сгорания. Затем газы проходят паровой котел и вентилятором вновь нагнетаются в бункер тушения. Воздух, сжатый в воздушном компрессоре газотурбинной установки, нагнетается в камеру сгорания, предварительно он последовательно проходит теплообменник, нагреваемый выхлопными газами турбины, и воздухонагреватель. Газовый компрессор нагнетает горючий газ в камеру смешения, расположенную перед камерой сгорания. Смесь нагретого воздуха и газа сгорает в камере сгорания турбины, продукты сгорания поступают в газовую турбину, где, расширяясь, совершают работу. Выхлопные газы перед выбросом в атмосферу пропускают через газовоздушный теплообменник и через специальный отсек парового котла для нагрева питательной воды.

1.6.3 Коксо-энергетический комплекс в США /6, 102/

Промышленный коксо-энергетический комплекс, включающий 4 коксовые батареи (268 печей) без улавливания химических продуктов коксования мощностью 1,107 млн. тонн в год сортированного кокса и энергоутилизационную установку с электрогенератором мощностью 94 МВт, работает на полную мощность с июня 1998 года на заводе Индиана Харбор в Ист Чикаго фирмы «Indiana Harbor Coke Co».

Энергетическое оборудование комплекса получает от коксовых печей дымовые газы с температурой 870-1200 ºС. Эти газы проходят через 16 котлов-утилизаторов отходящего тепла (по 4 на каждую батарею), где температура газов снижается до 175-180 ºС. Генерируемый пар с параметрами: T=400 ºС, P=5,3 МПа собирается в общем коллекторе и направляется в паровую турбину, где энергия пара превращается в электроэнергию. Использованные газы отводят из котла-утилизатора в коллектор холодного газа, а затем в безнасадочные циклонные мокрые скрубберы для десульфурации. Через вращающийся распылитель в верхней части скруббера внутрь подается гашеная известь, эффективность десульфурации газа 68-98%. Затем двумя вентиляторами газ отсасывается в батарею тканевых фильтров и сбрасывается в дымовую трубу. Таким образом, на энергоутилизационной установке теплота сгорания летучих процессов коксования угля превращается в электроэнергию и технологический пар, который поступает в доменный цех фирмы-потребителя.

Пар из котлов-утилизаторов со средним расходом 2 050 тонн в час поступает в паровую конденсационную турбину мощностью 94 МВт с автоматическим отбором пара. Технологический пар для использования потребителем отбирается из турбины с расходом 45-227 тонн в час. Паровая турбина снабжена байпасной линией. Конденсатор турбины способен принять весь объем сброшенного пара в случае нарушения нормальной работы оборудования. Электрогенератор имеет установленную мощность 94 МВт при напряжении 13,8 кВ.

Основная задача энергосистемы комплекса состоит в переработке всего объема дымовых газов из коксовых печей и поддержании величин атмосферного выброса в пределах, установленных экологическими нормативами.

Процесс производства кокса без улавливания газообразных продуктов в сочетании с энергетическим оборудованием не только представляет конкурентную альтернативу традиционному коксохимическому производству, но и предлагает путь к решению экологических проблем.

1.7 Постановка задачи дипломного проектирования

Проведя анализ результатов энергоаудита ОАО «Урал Сталь» можно сделать следующие выводы:

1) На ОАО «Урал Сталь» низкий уровень использования вторичных энергетических ресурсов.

2) Нет потребности в перегретом паре 16-ти атмосфер.

3) На ОАО «Урал Сталь» недостаточна выработка электрической энергии собственными генераторами. Выработка электрической энергии генераторами ТЭЦ составляет 60-62% от потребления электрической энергии комбинатом. Недостающие 38-40% электрической энергии покупается у ОАО «Межрайонные электрические сети».

4) На ОАО «Урал Сталь» нет дополнительных генераторов электрической энергии кроме комбинатовской ТЭЦ-ПВС.

5) В котельной УСТК на котлах утилизаторах имеются проблемы с работой котлов, в части быстрого износа предвключенных испарительных поверхностей.

На сегодняшний день, в эпоху жестких тарифов на топливо и энергоносители, необходимым условием для нормального функционирования промышленного предприятия и его рентабельности является развитие собственных энергетических мощностей, а также рациональное использование и грамотная утилизация вторичных энергоресурсов.

Задачей дипломного проектирования является установка турбогенератора за котлами-утилизаторами КСТ-80 участка УСТК цеха теплогазоснабжения, с целью выработки дополнительной электрической энергии за счет вторичных энергоресурсов (в частности физической теплоты раскаленного кокса). Выработанная за счет ВЭР электрическая энергия более дешевая, так как в ее себестоимости отсутствует топливная составляющая, которая составляет порядка 75-85% себестоимости электрической энергии получаемой на ТЭС или КЭС.

В дипломном проекте предлагается установить конденсационную паровую турбину для привода синхронного электрического генератора. Для этого потребуется реконструировать котлы-утилизаторы: исключить из работы третью предвключенную испарительную секцию; заменить поверхностный пароохладитель на впрыскивающий с подачей питательной воды, рассмотреть вопросы по установке турбогенераторов, расчету трубопроводов, изменению схемы электронсабжения.

2. Реконструкция котла-утилизатора КСТ-80 с целью установки конденсационной турбины

2.1. Краткое описание мероприятий предлагаемых в дипломном проекте

В данном дипломном проекте предлагаются следующие мероприятия:

1) В связи с высоким абразивным износом третьей предвключенной испарительной поверхности нагрева предлагается произвести ее демонтаж;

2) В связи с неэффективной работой поверхностного пароохладителя, предлагается заменить его на впрыскивающий, с подачей питательной воды;

После проведения данных мероприятий котлы-утилизаторы КСТ-80 станут вырабатывать перегретый пар с параметрами: Р=1,1 МПа и Т=280 ºС, который предлагается использовать в 2-х конденсационных турбогенераторах ТГ-3/6,3-С-1, с суммарной электрической мощностью 6 МВт, их установка позволит поднять выработку электрической энергии на собственных мощностях до 188 МВт, т.е. повысить выработку на 2%.

2.2 Тепловой расчет реконструированного котла КСТ-80

Исходные данные:

1 Температура инертных газов поступающих в котел: ºС.

2 Состав инертных газов (в % по объему):

Таблица 16.

3 Давление в барабане котла P_б =1,1 МПа.

4 Температура перегретого пара Т_пп =380 ºС.

5 Температура питательной воды Т_пв =100 ºС.

6 Расход газов V_г =82 100 нм³ /час.

7 Присосы воздуха - отсутствуют.

Теплосодержание инертных газов.

Объем газов

1 нм³ /нм³ .

2 нм³ /нм³ .

3 нм³ /нм³ .

Таблица 17 - Сводная таблица зависимости теплосодержания газов от температуры

3) Просчитать трубопровод охлаждающей воды конденсаторов турбин от градирен КХП, которые в настоящее время загружены на 50%. Это позволит наиболее полно задействовать потенциал градирен на нужды ОАО «Урал Сталь».

4) Произвести электрический, тепловой, гидравлический расчеты.

Тепловой расчет выполнен для котла-утилизатора с демонтированной предвключенной испарительной поверхностью. Конечные и исходные данные приняты на основе данных полученных в разделе 1.6 общей части пояснительной записки, технической характеристики котлов-утилизаторов КСТ-80, а также исходя из параметров пара необходимых для выбранного турбогенератора. Температура перегретого пара принята 380 ºС, дальнейшее снижение температуры перегретого пара нецелесообразно, так как это как следствие повышает температуру уходящих газов и снижает коэффициент полезного действия котельного агрегата (понижает эффективность тушения кокса). Снижение температуры перегретого пара с 380 ºС до необходимых 280 ºС осуществляется во впрыскивающем пароохладителе, который вынесен за пределы котельного агрегата

В настоящее время, установленная мощность электрического оборудования Общества составляет порядка 280 МВт, мощность ТЭЦ - 182 МВт, таким образом, установка турбогенераторов позволит поднять выработку электрической энергии на собственных мощностях до 188 МВт, т.е. повысить выработку на 2%.

Таблица 18 - Тепловой баланс котельного агрегата и паропроизводительности

Таблица 19 - Тепловой расчет пароперегревателя