Портал по тригенерации, когенерации и мини-ТЭЦ

Парогенераторы для реконструкции электростанций


Паскаль Фонтен, Менеджер по маркетингу, CMI Energy, Бельгия


Краткое содержание

В России имеется обширный парк старых угольных электростанций, подлежащих потенциальной реконструкции в современные электростанции с комбинированным циклом. В данной работе мы рассмотрим, какие существуют особенности конструкции паровых генераторов-рекуператоров (далее «парогенераторы») для подобных проектов реконструкции. По сравнению с проектами, реализуемыми в районах с отсутствием соответствующей инфраструктуры, реконструкция паровой турбины в новую установку газовой турбины и парогенератора подразумевает некоторые трудности. Парогенератор должен быть разработан специально для соответствия существующим ограничениям на строительной площадке. Мы объясним, каким образом можно смоделировать и адаптировать вертикальный парогенератор, чтобы он подходил под ограниченную площадь, занимаемую объектом. Недавно в Азии СМI завершила подобный крупный проект реконструкции под названием Senoko. В своей работе мы воспользуемся их опытом для того, чтобы дать объяснение особым трудностям, возникающим в связи с реконструкцией.


Предыстория проекта Senoko

В декабре 2004, Senoko Power of Singapore завершил инновационный проект реконструкции: три старых бойлера на угольном топливе были разобраны для замены на 3 газовые турбины по 250 МВт каждая вместе с парогенератором-рекуператором на базе конструкции по методу З давления плюс промежуточный перегрев. Вырабатываемый пар использовался в прежней старой паровой турбине и конденсаторе. Такова концепция реконструкции старой паровой турбины с более долгим сроком службы пролета. В настоящей работе рассматриваются все особенности реконструкции парогенераторов по аналогии с проектом в Senoko.

По сравнению с совершенно новым предприятием (при так называемом проекте «гринфилд» - строительстве с «нуля»), где можно применять стандартные концепции «эталонного объекта», проекты по реконструкции всегда должны отвечать специфике существующей планировки размещения оборудования и эксплуатационных условий паровой турбины. Справедливым это оказалось и для завода Senoko. Во-первых, новые парогенераторы должны были соответствовать очень ограниченной площади размещения прежних традиционных бойлеров, поэтому пришлось пересматривать размеры нового парогенератора. Затем был выбран парогенератор вертикального типа. Во-вторых, модульная конструкция с теплообменниками исключительно заводской предварительной сборки должна была подходить для 18-месячной остановки производства. И, наконец, предприятие в Senoko чрезвычайно перегружено и там просто нет свободного места для больших кранов. Соответственно, при монтаже бойлера вместо них использовались гидравлические подъемные домкраты. Многие строительные сооружения и системы охлаждения использовались повторно. После пуска в эксплуатацию первого блока GT26 (рис. 1) производительной мощностью равной мощности двух и более небольших паровых установок, появилась возможность прекратить работу оставшихся двух установок для проведения реконструкции. Второй этап реконструкции был проделан за короткий промежуток в 18 месяцев. Благодаря «двухэтапной» реконструкции, время остановки оказалось минимальным, и согласно графику завод был снова введен в эксплуатацию в конце 2004. Руководителем проекта был Alstom, и они в свою очередь передали парогенераторы СМI. Выбор СМI как эксперта по вертикальным парогенераторам был знаковым. Парогенераторы имеют вертикальную естественную циркуляцию с тремя уровнями давления плюс промежуточный подогрев: НР (высокое давление), 322 т/ч при 128.9 барА, 568°С; IР (промежуточное давление), 27.9 т/ч при 41.5 барА, 320°С; LР (низкое давление) 17.8 т/ч насыщенное при 5.4 барА, 237°С и RH, 332 т/ч при 39.4 бар 568°С.


Рис. 1 Газовая турбина Alstom GT26B прибывает на объект для Senoko


Ограниченная площадь объекта

В Senoko имелись некоторые ограничения, обусловленные лимитированной площадью оригинального бойлера, который должен был включить в себя газовую турбину, парогенератор и подсоединения к паровой турбине. Таким образом, имеющаяся для парогенератора площадь составляла всего 30.6 метров в длину и 28.1 метра в ширину. На таком небольшом участке нужно было установить парогенератор со всеми вспомогательными приспособлениями (танком питательной воды, насосами для подачи воды, пробоотборником, дозировочным узлом). Кроме того, в здании нужно было установить грузовой лифт. Трубопровод должен был оставаться в пределах границы периметра из-за обводного ограждения и некоторых ограничений подачи, и даже оборудование Alstom размещалось внутри ограждения парогенератора, создавая опасность контакта. И, наконец, выхлопное отверстие турбины приблизительно на 1 м выдавалось к корпусу бойлера, дополнительно сокращая пространство для парогенератора. Поэтому основная трудность заключалась в том, чтобы установить крупный парогенератор на таком ограниченном участке. На ранней стадии проектирования СМI обменялся с Alstom 3-мерной моделью парогенератора, включая вспомогательное оборудование. Затем Alstom объединил 3-мерную модель установки с программным обеспечением PDMS. Детальная трехмерная модель препятствовала возникновению противоречии на стадии проектирования, без возникновения проблем с неверным толкованием для какой-либо из сторон (Рис.2).

Рис.2  3-х мерное моделирование парогенератора


Эксплуатационная гибкость вертикального парогенератора

Стандартный вертикальный парогенератор для подобной газовой турбины класса «F» с комбинированным циклом, как правило, имеет габаритную длину около 35 метров, исходя из длины труб 20.4 метров метров, которые являются самыми длинными трубами для вертикальных парогенераторов, используемыми СМI без каких-либо ограничений. Стандартный дизайн применяется для проектов новых строительств либо в тех случаях, когда нет ограничений по площади. Хотя данный стандартный бойлер является довольно коротким, однако этого недостаточно для имеющегося пространства в Senoko. В отличие от горизонтального парогенератора, длина трубы бойлера напрямую влияет на длину бойлера - это характерная особенность вертикального парогенератора. СМI воспользовался преимуществом гибкого объемно-планировочного вертикального и горизонтального решения, предлагаемого вертикальной конструкцией (рис. 3).

Рис. 3 Габаритная длина вертикального парогенератора по самым длинным трубам бойлера


Данная характеристика имеет большое значение при реконструкции. Чаще всего, по сравнению с длиной бойлера ширина бойлера не представляет собой проблемы. случае с Senoko наибольшая возможная длина трубы составляла 18.4 метров, пропорционально был увеличен и корпус бойлера. При подгонке корпуса к имеющемуся пространству главным критерием является сохранение перепада давления газа без изменений. Другими словами, скорость газа и поперечное сечение пути газа также должны оставаться без изменений (рис. 4). Важно помнить о том, что перепад давления газа парогенератора пропорционален квадрату скорости газа с учетом того, что перепад давления (значение, гарантированное поставщиком парогенератора) чрезвычайно чувствительно к имеющемуся поперечному сечению газового потока.



Рис. 4 Эксплуатационная гибкость компоновки с более короткими трубами.


Как следствие данного более широкого корпуса, путь поделили на З обширных сектора вместо 2-х, принятых для стандартного решения. Рядом друг с другом расположили З модуля теплообменников над 4 уровнями всего из 12 модулей (рис.5). Модули прошли полную предварительную заводскую сборку и гидростатические испытания в цеху. Вес самого большого модуля составлял 145 тонн и габаритные размеры 23.6 м * 3.9 м * 2.9 м в высоту. Из порта до строительной площадки их перевозили на гидравлических прицепах



Рис. 12 Модули теплообменника, расположенные в 2 или З модуля в ширину

Таким образом, удалось установить парогенератор на данной строительной площадке. В случае если имеющаяся длина была бы еще короче, последним вариантом стала бы подача дымового газа на переднюю большую поверхность корпуса вместо стандартной небольшой поверхности (рис.4). Это является характерной особенностью вертикального парогенератора, так как первая поверхность нагрева имеет высоту около 9 метров (рис.3), что обеспечивает достаточное пространство для размещения нижнего канала впуска. данная опция может применяться для парогенератора среднего размера и в случае реконструкции установки, если, например, нужно перекрыть/восстановить имеющуюся стальную конструкцию. Однако в Senoko такой вариант не потребовался.


Модульная конструкция бойлера

Модули теплообменников собирались на заводе под строгим качественным контролем СМI. В отношении стандартной конструкции СМI: каждый модуль изготовлен из параллельных змеевиков, установленных на опорах трубопровода и с каждой стороны подсоединенных к коллектору. Благодаря предварительной заводской сборке данного модуля, на строительной площадке нужно было только приварить коллектор к коллектору. Существенным ограничением в Senoko было обеспечение достаточного доступа вокруг функционального блока для реконструкции второй и третьей установки. Гидравлическим трейлерам, осуществляющим перевозку модулей, приходилось маневрировать вокруг функционального блока 1-й фазы (рис. 6). Для столь точного передвижения были выбраны трейлеры с автономным приводом, а не с тягачом. Это позволило обеспечить более высокую маневренность вследствие уменьшения длины автоколонны и крупных колес угловой ориентации. Кроме того, преимущества, предлагаемые самоходным трейлером, требовались для окончательного размещения модулей внутри бойлерной системы из-за ограниченного пространства, о котором упоминалось ранее. Гидравлические трейлеры показали себя как очень точные, с позиционным допуском всего 1 или 2 мм. Кинематическое исследование движения было выполнено компанией СМI на этапе проектирования с учетом максимального радиуса поворота трейлера.



Рис. 6 Бойлерным модулям на гидравлическом трейлере приходится
маневрировать на перегруженном строительном участке


Подъем модуля подъемными домкратами

Строительная площадка не допускала использования большого крана. В случае с модулями предварительной заводской сборки для горизонтального парогенератора для того, чтобы их наклонять и поднимать, как правило, нужны большие краны. Вместо этого в Senoko поднятие модуля осуществлялось 28 грузоподъемниками, установленными на верхушке стальной конструкции. Такая процедура модульного монтажа является стандартной для вертикального парогенератора компании СМI. Первый модуль был установлен в нужное положение в системе, а 7 трубных подкладок прикрепили к подъемным домкратам посредством подвесных кабелей и плит. Затем спустили гидравлический трейлер, перенося вес модуля на эти кабели. Процедуру повторили для других двух моделей до завершения первого уровня.

Затем заполненный уровень подняли в достаточной степени для размещения под ним таким же образом следующего уровня модулей, и повторяли процедуру до тех пор, пока все 4 уровня модулей не оказались подвешенными (рис. 8). Важно отметить, что модули всегда оставались в горизонтальном положении; для монтажа вертикального парогенератора опрокидывание/ качание не требуется. Затем узел в комплекте домкратом подняли до его окончательной позиции в стальной конструкции. На этом этапе полный вес деталей пресса, составляющий до 1450 тонн, все еще был подвешен на 28 домкратах. Вставив штифты в подвесные пластины и опустив домкраты, вес перенесли на 28 окончательных точки подвеса. Затем гидравлические подъемные домкраты освободили, разобрали и переустановили на следующем устройстве. Концы соседних коллекторов соединили сваркой; сварка остальных внутренних деталей под давлением не потребовалась, за исключением нескольких мест сварок труба/труба между уровнем 1 и уровнем 2. С момента прибытия модулей в порт до окончательного подвешивания 12 модулей на бойлерной раме прошло всего б дней, при этом не использовался ни кран, ни даже строительные леса, и это чрезвычайно короткий промежуток времени, который достигнут также благодаря повторению работы.

Рис. 7. Второй уровень модуля готов к поднятию                               Рис. 8 Заполнение 12 подвешенных модулей

Как правило, гидравлические подъемные домкраты лучше синхронизированы в подъеме, чем опускании грузов. Опускание груза — это свойство, которое, чаще всего, не требуется при модульном монтаже, осуществляемом CMI. Тем не менее, в Senoko пространство было настолько ограничено (рис. 10), что такое характерное свойство было востребовано. Разумеется, если монтаж каждого модуля осуществляется на постепенно уменьшающейся площади, трудность заключается в том, чтобы третий модуль оказался точно ориентирован по отношению к 2 уже подвешенным боковым модулям. Гидравлическую подъемную систему выбрали для того, чтобы способность поднимать и опускать полную нагрузку была синхронизированной. Синхронизация между домкратами важна в процессе опускания из-за риска несбалансированного давления между домкратами и, соответственно, неравномерного распределения нагрузки на стальной конструкции. С учетом подвешенных на данной системе подъемных домкратов 1450 тонн, неконтролируемое распределение нагрузки между 28 домкратами было бы недопустимо. Для того, чтобы обеспечить трейлеру пространство для маневра, чтобы разместить третий модуль точно внизу, всю конструкцию подняли на несколько метров и затем опустили на первоначальный уровень для установки подвесных пластин. Гидравлический подъемный домкрат оказался очень точным в позиционировании с максимальным отклонением всего 2 миллиметра (рис. 9).



Рис. 9 Монтаж модуля                                 Рис. 10 Самоходный трейлер маневрирует на ограниченном пространстве


Внутренний парогенератор

Внутренний парогенератор был указан как внутренний Senoko Power. Не только климат Сингапура с характерной температурой воздуха немного выше 30 градусов С и высокой относительной влажностью большую часть года, но и силовая установка, расположенная на побережье, и здания обеспечивают защиту от переносимой по воздуху соли. Основной целью стала защита от климата, но использовалось также приложение по ослаблению шума в условиях полевой акустики. Следует заметить, что выводная труба бойлера была также оборудована шибером для внутренней защиты от погодных условий и закупоркой бойлера для сохранения его теплым во время простоя. По сравнению с горизонтальным парогенератором, шибер дымовой трубы представляет собой типовую характеристику вертикального парогенератора СМI, так как выводная труба расположена по центру парогенератора. для поддержки огражденного пространства главная металлоконструкция парогенератора была слегка продлена до вторичной обернутой рамы. Senoko Power определила для архитекторов некоторые цвета и эстетические критерии СМI (рис. 11). Например, стены здания продлили на 2 метра над платформами крыши для того, чтобы спрятать оборудование наверху, например, глушители и вентиляционные решетки, последние были установлены для естественной вентиляции здания.


Рис. 11 Реконструкция зданий парогенераторов в Senoko 1-й этап (ССРЗ) слева и 2-й этап (ССР4&5) справа


Заключение

В России существует реальный потенциал для реконструкции старых паровых турбин. На многих старых традиционных установках бойлеры на сжигаемом топливе полностью исчерпали свой срок службы прежде паровой турбины. Несколько лет о реконструкции говорилось много, однако очень мало оказалось сделано. Реконструкция старых паровых циклов в эффективный комбинированный цикл с новыми газовыми турбинами и парогенератором является эффективным выгодным решением. На сегодняшний день газовые турбины могут обеспечивать энергией паровые турбины по 120-150 МВт, из которых многие имеют российское происхождение приблизительно с 1970 гг. Такие установки можно реконструировать таким образом, чтобы увеличить подачу энергии со значительным улучшением эксплуатационной эффективности, гибкости и выбросов. СМI завершила установку в Senoko, ставшую успешным примером такой реконструкции. В Senoko вертикальный парогенератор зарекомендовал себя как приспосабливаемый для особых ограничений реконструкции, всегда требующей проекта сделанного на заказ для соответствия ограниченному пространству.