Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов - файл n1.doc

Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов
скачать (984 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc984kb.03.11.2012 13:51скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6

2.2. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАММА-ТОПКИ

Вопрос о соотношении потоков, образующихся при соударе­нии двух газовых турбулентных струй, исследован на изотерми­ческой модели. Оказалось, что в диапазоне 30° < Р< 60° (где Р - угол наклона горелочных струй к горизонту) зависимость отно­сительных расходов потоков газов от наклона горелок имеет вид

(2)

(3)

где Q1 и Q2 относительные расходы газов, двигающихся вниз и вверх после соударения потоков.

Исследование количественной зависимости выноса б от пара­метра М, равного отношению кинетических энергий горелочных струй и потока газов, проводилось на специальной слабонеизотермической установке. Вынос определялся как относительное приращение примеси (холодного воздуха) в потоке подогретого воздуха за местом пересечения его с поперечно вытекающими в поток горелочными струями. Для измерения температур приме­нялся быстродействующий электротермометр с датчиком-тер-мистором, имеющим точность измерения 0,2°С [10].

В результате опытов получена зависимость б, %, от определя­ющих параметров

(4)

где М = (pw2)c / (pw2)n - отношение кинетических энергий струй и потока; S - шаг по осям горелочных струй; b - ширина го­релочных струй. Уравнение проверено в диапазоне и .

На следующем этапе работы исследована огневая аэродина­мическая модель топки с встречно-наклонным расположением прямоточных горелок (рис. 9). Камера горения с размерами в плане 470x690 мм2, высотой 490 мм отделена от камеры охлаж­дения пережимом, образованным сближением фронтовой и задней стенок. В нижних скатах пережима установлены прямо­точные горелки с периферийной подачей газа. Проведено более 30 опытое с углами наклона горелок к горизонту от 40 до 55° при высоте горелок 600 мм и ширине их b = 27 и 32 мм. Кроме того, проведены холодные продувки при b = 32 и 42 мм и угле накло­на горелок = 47°.

Визуальные наблюдения аэродинамики, а также измерения полей скоростей и температур подтвердили наличие и стабиль­ность проектной аэродинамики в топочной камере: значитель­ная часть газов после соударения встречных горелочных струй направлялась вниз, раздваивалась у пода и в дальнейшем созда­вала интенсивный подъемный поток у фронтового и заднего экранов камеры горения.

Подробное измерение полей скоростей и температур в гори­зонтальных сечениях камеры горения с помощью водоохлаждаемых зондов позволило определить расходы топочных газов вверх и вниз и подсчитать долю газов К, двигающихся по петле­образной траектории

где G0 - секундная масса газовоздушной смеси на выходе из горелки, a Gгаз - массовый расход топочных газов, направляю­щихся вверх вдоль фронтового или заднего экрана на участке, равном шагу по осям горелок. Величина К оставалась практи­чески постоянной в каждой серии опытов с определенным углом наклона горелок к горизонту Р и шириной горелок b (т.е. при постоянном значении S/b). Но резкое изменение = Т0газ (где Т0 - температура газовоздушной смеси на выходе из горел­ки, К, а Тгаз - средняя температура потока газов, набегающих на горелочные струи, К), а также изменение S/b приводило




Рис. 9. Огневая модель гамма-топки ВТИ




к из­менению К при тех же значениях р

В результате проведенных опытов получено следующее эмпи­рическое уравнение для расчета методом последовательных приближений величины К при различных значениях S/b и со (в том числе и в изотермических опытах, при со = 1,0):

(6)

где коэффициент

(7)



Исследования, проведенные на лабораторных установках, позволили связать основную характеристику топки с встречно-наклонными горелками - вынос - с конструктивными размера­ми топочной камеры. Вопрос о возможности использования полученных уравнений для проектирования реальных топочных устройств требовал промышленных исследований.


2.3. ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ

ПРОМЫШЛЕННОГО КОТЛА С ГАММА-ТОПКОЙ

Натурные аэродинамические исследования котла с гамма-топкой проводились на серийном котле ПК-10Ш, реконструиро­ванном по проекту ВТИ и СКВ ВТИ. После реконструкции произ­водительность и параметры пара оставлены прежними (230 т/ч, 10,0 МПа, 510°С), но вместо открытой топки с холодной воронкой я фронтальным расположением четырех амбразур была смонти­рована полуоткрытая топка с встречно-наклонным расположе­нием прямоточных щелевых горелок (рис. 10). Над пережимом установлен низкоопущенный ширмовый пароперегреватель. Шахтные сепараторы молотковых мельниц заменены малогаба­ритными инерционными сепараторами (с переводом мельниц под наддув), а на тракте между мельницами и горелками уста­новлены пылеконцентраторы. Последнее обстоятельство привело к необходимости установить комбинированные горелки: <роме двух вертикально вытянутых сопл первичной аэросмеси, размещенных внутри сопла вторичного воздуха, в верхней части этих горелок имелись сопла сбросного воздуха, через которые наступало 60% сушильного агента и около 20% всей пыли рис. 11). Ось сбросных сопл наклонена к горизонту на 40°, в то время как ось основных горелок имела угол наклона = 50°.

Такая конструкция горелок привела к некоторому отступле­нию от исследованной на моделях схемы топочного устройства, но в данном случае это необходимо, так как освобождает ядро прения от значительной части водяных паров, содержащихся в сушильном агенте. Это способствует повышению температурного уровня, являющегося непременным условием форсирования процесса горения и надежного удаления шлака в жидком виде [11].



Рис. 10. Реконструированный котел ПК-10Ш (а) и система подачи пыли от мельниц до горелок (б):

1 — камера горения; 2 - основные горелки; 3 - сбросные горелки; 4 — низко-опущенные ширмы; 5 — молотковая мельница с малогабаритным инерционным сепаратором; 6 — центробежный пылеконцентратор

Кроме контроля с помощью стандартных приборов всех пото­ков воздуха, поступающих в топку, проведены измерения в самой топке температур (с помощью отсосной платина-платино-родиевой термопары) и скоростей (четырехточечным пневмо-метрическим зондом типа трубки ВТИ).

Расположение лючков, через которые осуществлялось зонди­рование камеры горения, показано на рис. 12, а результаты



Рис. 11. Комбинированная прямоточная горелка для гамма-топки ВТИ:

1 — сопла аэросмеси; 2 — вторичный воздух; 3 — слабозапыленный поток аэросмеси
измерения скоростей газовых потоков - на рис. 13. На послед­нем рисунке отчетливо виден уобразный характер траектории факела. Кривая I описывает поля скоростей в вертикальных плоскостях, проходящих через оси различных работающих горелок, а кривая 2 - вертикальные составляющие скоростей в плоскости отключенной горелки. Общий характер скоростного поля здесь аналогичен наблюдаемому в плоскостях рабочих горелок. Отличие состоит в некотором снижении (примерно на 20%) максимума скорости у фронтового экрана [12].

Измерение скоростей газов в горизонтальном сечении над пережимом перед ширмами выявило зону опускных скоростей над скатами пережима. Глубина зоны составляет 0,5-1,0 м, считая от экрана: это соответствует углу расширения потока газов, выходящих из горловины пережима, примерно в 12-14°.



Рис. 12. Схема размещения лючков для исследования аэродинамики и процесса горения

Если учесть, что угол наклона ската по отношению к вертикали составляет 30°, то отрыв потока от ската следует признать естественным.

В целом исследование аэродинамики камеры горения подтвердило наличие и устойчивость проектной аэродинамической структуры при любых изменениях режима. У фронтового экрана отмечено интенсивное подъемное движение газов со скорость до 25 м/с. Снятие полей скорости позволило измерить количество газов, двигающихся по петлеобразной траектории. Установлено, кроме того, полное использование объема камеры горения и интенсивное выравнивание потоков и тепловых нагрузок по ширине камеры горения при несимметричном включении горелок.







Рис. 13. Поля скоростей при сжигании ирша-бородинского угля в гамма-топке:

J — вертикальные составляющие скорости в плоскости работающей горелки; 2 — то же в плоскости неработающей горелки

Так же как и при исследовании на модели, экспериментально измерены М и К. Все опытные значения оказались близки к рас­считанным по приведенным выше уравнениям. Что касается выноса 6, то оценка этого параметра была сделана по результа­там исследования процесса горения.
2.4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ В ГАММА-ТОПКЕ

ПРИ СЖИГАНИИ КАНСКО-АЧИНСКИХ УГЛЕЙ

Степень выгорания (газификации) твердой фазы топлива в различных точках по ходу факела рассчитывалась по формуле


(8)


где Ар и Wp – зольность и влажность усредненной пробы исход­ного угля, отобранной за время опыта, а Сr - содержание горю­чих в пробе пыли, отобранной водоохлаждаемым зондом из топочной камеры. Кроме того, в сечениях с упорядоченным движением продуктов горения (сечение пережима и выше) степень выгорания подсчитывалась по газовому анализу

(9)

где аг - коэффициент избытка воздуха в горелках, a RO2, СО и СН4 - процентное содержание продуктов полного и неполного сгорания в пробе газа, отобранной с помощью водоохлаждаемо-го зонда. Поля газового состава в различных сечениях по ходу факела позволили оценить интенсивность смесеобразования [13].

Анализ отобранных проб пыли и газа показал, что при расчет­ном фракционном составе подаваемой в топку пыли воспламенение в горелочной струе заканчивается до места соударения встречных струй. На восходящей ветви факела (у фронтового экрана) степень выгорания твердой фазы составляла 94-97%, содержание RO2 = 16%. В сечении пережима содержание R02 возрастало до 16,5-17% для основного факела, двигающегося по петлеобразной траектории и до 14,5-16,5% для части сбросного факела, двигающегося по закороченной траек­тории (вверх от места соударения горелочных струй). Низкое содержание R02 в этой части факела связано с высоким (до а = 1,5) избытком воздуха в сбросных горелках. Степень выгора­ния твердой фазы для обоих потоков в сечении пережима составляла 96-98% (рис. 14).

Угрубление пыли (до R90 = 75%, R1000 = 5ч6%) приводило к снижению степени выгорания по ходу факела. Потери с механи­ческим недожогом при этом возрастали с 0,2-0,4% до 0,7-1,2% и догорание топлива происходило в камере охлаждения: опыты показали, что приращение R02 на участке от пережима до выхо­да из топки менялось от 0,5 % (при R500 = 4 %) до 3,3% (при R500 = 16%).

Особое внимание уделено району перекрещивания восходя­щего потока топочных газов с горелочными струями. Сравнение интегральных характеристик факела до встречи с горелочными струями и за ними показало, что в этом месте происходит сни­жение степени выгорания в твердой фазе на 0,3-0,9%. Одновре­менно с этим происходило повышение содержания кислорода на 2,1-2,2%, снижение R02 на 1,7-1,8% и СО - на 0,4-0,5%. Таким образом суммарная степень выгорания (1 < q3 <q4) практически оставалась без изменения.



Рис. 14. Выгорание угольной пыли по длине факела в гамма-топке:

1 - при Rgo = 50+60%, Кюоо = 1+2%;2 - пРи fyo = 60+80%; i?1000 = 5+9%



Рис. 15. Изотермы в гамма-топке при нагрузке 0,91),,

По составу газов в потоке до пересечения с горелочными струями и за ними был подсчитан вынос. В опытах при работе всех восьми горелок измеренный вынос хорошо согласуется с выносом , рассчитанным по уравнению (4). При работе шести горелок (когда увеличивались и аэродинамический параметр М, и условное отношение S/b), вынос был существенно ниже.

Зная вынос , легко подсчитать вынос воздуха из корня горелочных струй, отнесенный к теоретически необходимому количеству воздуха.

Подробное пирометрирование топочной камеры выявило благоприятную для жидкого шлакоудаления особенность исследуемой топки: зона максимальных температур находится вблизи пода (рис. 15).

Регистрация температуры металла лобовых труб ширмового пароперегревателя с помощью специально зачеканенных термо­пар, а также измерение отсосной термопарой температуры газов перед ширмами показали, что даже при несимметричном вклю­чении горелок (вплоть до режима работы двумя парами встреч­ных горелок с одной стороны) не возникает существенных перекосов температуры по ширине топки.

2.5. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГАММА-ТОПКИ

Аэродинамическая структура гамма-топки, как и в случае использования топки МЭИ с пересекающимися струями должна была привести к некоторому снижению образования оксидов азота в результате выноса части воздуха из корня горелочных струй потоком газов, поднимающимся вдоль фронтового и заднего экранов. Вместе с тем форсировка процесса горения и переход к жидкому шлакоудалению, неминуемо связанные с повышенными температурами в камере горения, могли приве­сти к увеличению образования термических N0^. и в результа­те - к росту концентрации оксидов азота в дымовых газах за котлом.

Для выяснения этого на Красноярской ТЭЦ-1 при сжигании ирша-бородинского угля проведены сравнительные опыты на гамма-топке и на соседнем котле ПК-10Ш, оборудованном шахтно-мельничной топкой с твердым шлакоудалением [14]. Опыты проводились при номинальной паропроизводительности и при одинаковых избытках воздуха, но в обычном котле ПК-10Ш температура в топочной камере составляла 1200-1240°С, а в гамма-топке 1500°С. Измерение концентрации NOх в дымо­вых газах показало, что несмотря на значительно более высо­кую температуру в гамма-топке, концентрация NOх за котлом находится на том же уровне (~ 450 мг/м3 при а = 1,4), что и в котле с "низкотемпературным" сжиганием.

Опыты на котле с гамма-топкой проводились при работе трех и четырех мельниц. В последнем случае, как установлено при исследовании топочного процесса, получается больший вынос воздуха из корня горелочных струй, в результате чего снижает­ся избыток воздуха в части факела, двигающейся по у-образной траектории. В полном соответствии с этим концентрация окси­дов азота в дымовых газах за котлом оказалась несколько ниже при работе четырех мельниц.

Комплексные исследования, проведенные на реконструиро­ванном котле ПК-10Ш при сжигании ирша-бородинского, назаровского и березовского углей Канско-Ачинского бассейна подтвердили достаточно высокие эксплуатационные качества топки с встречно-наклонным расположением прямоточных горелок. При нормальном фракционном составе пыли суммарные потери с химическим и механическим недожогом составляли 0,2-0,5%, устойчивый выход жидкого шлака сохранялся в диапазоне нагрузок 60-100%, коэффициент шлакоулавливания при полной нагрузке достигал 0,4. Отмечен­ные результаты получены в условиях простейшей полупрямой схемы вдувания и при неудовлетворительной работе пылекон-центраторов в качестве делителей пыли на встречные горелки.

Исследование топочного процесса и аэродинамики подтвер­дило устойчивость схемы факела при всех режимах работы топки, отсутствие застойных зон в объеме камеры горения. Подтверждено также интенсивное зажигание и выгорание угольной пыли. Положительной особенностью исследованной топки является развитие максимальных температур непосред­ственно в зоне шлакового пода, что создает благоприятные условия для выхода жидкого шлака.

Высокая степень выгорания топлива до сечения пережима создает возможности для форсированного охлаждения продук­тов горения в топочной камере выше пережима. Измерение скоростей и температур в этой части топки показало, что гамма-топка обладает высокой выравнивающей способностью: даже при отключении 50% горелок с одной стороны котла температур­ное поле на выходе из топки не имело существенных перекосов.

Наряду с несомненными достоинствами гамма-топка имела и существенные недостатки, которые особенно заметны при сопоставлении ее с соседними котлами, оборудованными шахтномельничными топками с твердым шлакоудалением. Дело в том, что из-за отсутствия системы улавливания металла на топливоподаче в молотковые мельницы часто попадали посто­ронние предметы. Мельницы с шахтными сепараторами в таких случаях останавливают, вскрывают и после удаления посторон­них предметов или сорвавшихся бил снова включают в работу. Так же поступали и с мельницами гамма-топки. Но последние, в отличие от шахтных мельниц, были оборудованы малогабарит­ными инерционными сепараторами с встроенными направляю­щими лопатками. Разрушение этих лопаток при попадании в мельницы-постороннего металла приводило к резкому угрублению угольной пыли (до ). Плохое качество пыли приводило к сепарации недогоревших пылинок на под, что ухудшало выход жидкого шлака. Процесс горения в значи­тельной степени перемещался в камеру охлаждения, что приво­дило к шлакованию низкоопущенных ширм. Увеличивались потери с механической неполнотой сгорания.

Пуск котла вызывал определенные трудности, так как Крас­ноярская ТЭЦ-1 не имела мазутного хозяйства и растопка котлов проводилась с помощью муфелей, поджигающих основ­ной факел.

Усложнение пылесистемы, связанное с переходом от простей­шей шахтно-мельничной топки к новому топочному устройству с форсированым сжиганием пыли, привело к некоторому усложнению эксплуатации котла. Двухфронтальное расположе­ние горелок и наличие пылеконцентраторов потребовали слож­ной трассировки пылепроводов. В результате этого пылесисте­мы работали под наддувом до 2,5 кПа. Работа в нерасчетном режиме - на трех мельницах вместо четырех - приводила к еще большему давлению в мельницах - до 3 кПа. В результате через неплотности ПСУ и по валу мельниц в котельный цех проникал запыленный воздух. Проникновение горячего воздуха из мель­ниц в бункерную галерею при опорожнении бункеров создавало взрывоопасную ситуацию.

Перечисление основных недостатков работы котла, оборудо­ванного гамма-топкой, приводит к выводу, что правильным решением было бы установить исследуемое топочное устройст­во в сочетании с разомкнутой или полуразомкнутой схемами пылеприготовления, обеспечивающими стабильное по фракци­онному составу качество пыли и полностью избавляющими высокотемпературную зону горения от водяных паров, содержа­щихся в сушильном агенте. Кроме того, при выполнении этого условия был бы устранен существенный недостаток, вызывае­мый неудовлетворительной работой пылеконцентраторов в качестве делителей пыли.

Однако проверка гамма-топки в сочетании с разомкнутой или полуразомкнутой системой пылеприготовления не была осуще­ствлена, так как исследования, проведенные ВТИ, показали, что ставку следует делать на топку с твердым шлакоудалением: часть углей наиболее перспективного Березовского место­рождения Канско-Ачинского бассейна имела настолько высо­кие температурные характеристики золы, что целесообразность создания для них топок с жидким шлакоудалением вызывала серьезные сомнения.
Глава третья

ВИХРЕВАЯ ТОПКА ЦКТИ

3.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВОЙ ТОПКИ ЦКТИ НА ОГНЕВОМ СТЕНДЕ

Сотрудниками ЦКТИ длительное время проводились интен­сивные работы по созданию малогабаритного топочного устрой­ства с вихревой аэродинамикой. На первом этапе проведены аэродинамические исследования на холодной модели, а позже сооружен огневой стенд для изучения процесса горения уголь­ной пыли [15].

Вихревая топка (рис. 16) представляет собой горизонтальный цилиндр 0 1340 мм, внутренние стенки которого выполнены из ошипованных и покрытых огнеупорной обмазкой экранов. На фронтовой стене установлены две прямоточные горелки, а в нижней части - летка для удаления шлака в жидком виде. В отличие от традиционного циклонного предтопка продукты сгорания покидали камеру горения не через торец циклона, а через выходную горловину, расположенную по всей длине верхней образующей цилиндра.



В опытах при сжигании угольной пыли оказалось, что перво­начальная конструкция горелок (рис. 17, а) не обеспечивает стабильного воспламенения, так как аэросмесь изолирована окружающим ее вторичным воздухом от высокотемпера­турных продуктов сгорания. После нескольких переделок пришли к окончательному варианту (рис. 17, б), который обеспечивал контакт аэросме­си с горячими газами и вместе с тем в камеру охлаждения из корня факела выносился практически только вторичный воздух.

Рис.6 Огневой стенд (вихревая топка ЦКТИ)


Рис. 17. Первоначальная (а) и окончательная (б) конструкции прямоточных горелок на огневом стенде вихревой топки

В огневых опытах на стенде сжигался воркутинский камен­ный уголь с влажностью пыли 1,2-2,0%, зольностью 18,7-27,7%, содержанием летучих W = 25+31% и теплотой сгорания 22,9-27,0 МДж/кг. При расходе угольной пыли 1000-1170 кг/ч тепло­вое напряжение вихревой камеры горения достигало 4,5 МВт/м3.

В опытах с а = 1,05+ 1,15 химический недожог за призмати­ческой камерой догорания отсутствовал, потери с механичес­ким недожогом составляли 4-6%, а коэффициент шлакоулавливания достигал 60-70%. Аэродинамическое сопротивление вихревой топки по тракту вторичного воздуха (доля которого составляла 90%) оказалось умеренным: 3,6-4,8 кПа.

Анализ проб газа, отобранных в сечении пережима, показал, что происходит вынос в камеру дожигания части воздуха и топлива из горелочных струй потоком продуктов сгорания, двигающихся по вихревой траектории.

Проведенные исследования позволили перейти к проектиро­ванию опытно-промышленного котла с вихревой топкой ЦКТИ.


3.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОГО КОТЛА С ВИХРЕВОЙ ТОПКОЙ ЦКТИ

В содружестве Белгородским котельным заводом и ЦКТИ спроектирован, а затем изготовлен и смонтирован на ТЭЦ ЦКТИ опытно-промышленный малогабаритный котел Е-40ВН с высокофорсированной вихревой топкой.

Принципиальная особенность котла заключалась в том, что впервые в отечественной практике все ограждающие и раздели­тельные стены выполнены из цельносварных, газоплотных панелей [16].

Паропроизводительность котла составляла 40 т/ч, параметры свежего пара 4 МПа, 440°С, наддув в топке 4,9 кПа. Котел (рис. 18) представлял собой ряд последовательно омываемых газами изготовленных на заводе транспортабельных блоков:



Рис. 18. Опытно-промышленный котел Е-40ВН:

1 — вихревая камера горения; 2 — камера охлаждения; 3 — опускной газоход; 4 — экономайзер; 5 — трубчатый воздухоподогреватель

вихревой топки 1 с камерой охлаждения 2, промежуточной ка­меры с пароперегревательной поверхностью нагрева 3, эконо­майзера 4 и трубчатого воздухоподогревателя 5.

Вихревая камера горения имела форму горизонтального цилиндра Ǿ 2600 мм. Стенки цилиндра образованы гнутыми трубами фронтового и заднего экранов, продукты сгорания выходили в камеру охлаждения между горелочными струями. На фронтовом экране установлены две прямоточные пыле-газо-мазутные горелки, наклоненные к горизонту под углом 8-12°. Экраны камеры горения ошипованы и покрыты карборундовой огнеупорной массой. В следующей по ходу газов камере охлаж­дения установлены три испарительные ширмы (у заднего экра­на, обогреваемого с двух сторон).

Первое время после сдачи в эксплуатацию котел работал на газе и на высокосернистом мазуте, причем разность температур продуктов сгорания на выходе из топки при переходе с газа на мазут не превышала 50°С. После некоторой переделки горелок и замены паромеханических форсунок завода "Ильмарине" новыми форсунками с плоским факелом и углом распиливания 40-50° удалось снизить оптимальный избыток воздуха на выходе из топки до а = 1,02+1,03. Полнота тепловьщеления на выходе из вихревой камеры горения составляла 0,9-0,95, а аэродинамичес­кое сопротивление камеры горения 3,5-4 кПа [17].

Особенностью топки при сжигании мазута с зольностью 0,05-0,15% оказалась ее работа в режиме жидкого шлакоудале­ния. Пленка жидкого шлака надежно защищала карборундовую обмазку от разрушения. На ширмовых и конвективных поверх­ностях нагрева образования плотных отложений не наблюда­лось несмотря на длительный период работы котла на мазуте (~ 15 000 ч).

Зондирование топочного объема показало, что вынос продук­тов неполного сгорания сосредоточивался между боковыми экранами и горелками, причем потери от химической неполно­ты сгорания достигали 10%. Однако на выходе из топки хими­ческий недожог отсутствовал.

На следующем этапе исследований авторы перешли к сжига­нию твердого топлива [18].

При работе на пыли каменных углей серьезное внимание уделялось работе систем пылеприготовления, шлакоудаления и золоулавливания, что связано с работой котла под наддувом. Благодаря применению оригинальных конструктивных реше­ний удалось избежать попадания горячих газов в тракт пылесистемы при ее отключении, а также проникновения газов в помещение котельного цеха. Уплотнение лючков-гляделок, лазов и другой гарнитуры оказалось удовлетворительным.

Учитывая перспективность использования бурых углей Канско-Ачинского бассейна и трудности, которые наблюдались при сжигании этих углей, решено было следующую серию опы­тов провести на угле Назаровского месторождения . Разомкнутая система пылеприготовления с сушкой топлива дымовыми газами (с содержанием кислорода перед мельницей не более 5%) обеспечивала взрывобезопасность установки. Сброс обес­пыленного сушильного агента осуществлялся в газоход перед электрофильтром котла.

При температуре горячего воздуха 220-280°С температура аэросмеси перед горелками составляла около 90°С, а влажность пыли после сушки 15-21%. При изменении нагрузки скорость аэросмеси на выходе из горелок изменялась от 15 до 50 м/с, а скорость вторичного воздуха - от 50 до 130 м/с. В общей сложно­сти на котле сожжено 2 тыс. т назаровского угля при изменении в широком диапазоне фракционного состава пыли и коэффици­ента избытка воздуха.

В результате опытного сжигания назаровского угля показано, что при оптимальном фракционном составе топлива потери с механической неполнотой горения составляют 0,2-0,3%, химический недожог за топкой отсутствует, а коэффициент шлакоулавливания в топке состав­ляет 50-70%. В отличие от других топочных устройств вихревая топка ЦКТИ может работать с а = 1,05+1,10 [19].

Особенно важным достижением авторы считали то, что за весь период опытного сжигания назаровского угля (три месяца) конвективные поверхности нагрева оставались эксплуатацион­но чистыми, несмотря на отсутствие средств очистки. Радиаци­онные и конвективные поверхности покрывались лишь слоем легко сдуваемых отложений.

Успешное сжигание газа, мазута и твердого топлива в опыт­но-промышленном котле позволило ЦКТИ рекомендовать заводу "Красный котельщик" выпуск крупных энергетических котлов с вихревой топкой форсированного горения.

3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОГО КОТЛА С ВИХРЕВОЙ ТОПКОЙ ЦКТИ ПРИ СЖИГАНИИ МАЗУТА

Первый полномасштабный малогабаритный котел с вихревой топкой ЦКТИ установлен на Ростовской ТЭЦ-2 [20]. Котел Е-500-140 ГМ ВН - газомазутный, с естественной циркуляцией, пред­назначен для обеспечения паром турбины ПТ-80/100-130 или Т-100/110-130. Работающая под наддувом топка имеет вихревую камеру сгорания (рис. 19) и призматическую камеру охлажде­ния. Топочная камера котла секционирована двумя двусвет­ными экранами. В каждой из трех секций на фронтовой стене установлено по две горелки с паромеханическими и плоскофа­кельными мазутными форсунками, замененными в процессе наладки котла на ударные. Экранные поверхности нагрева камеры горения (включая двусветные экраны) ошипованы и покрыты карборундовой обмазкой.

Благодаря применению малогабаритного котла с вихревой топкой ЦКТИ на Ростовской ТЭЦ-2 впервые в практике энерго­строительства удалось разместить основное тепломеханическое оборудование в однопролетном здании. Объем собственно котла сократился в 2,5 раза по сравнению с прежними газомазут­ными котлами такой же мощности, высоту здания удалось снизить на 12 м, глубину - на 4 м. Снижение металлоемкости составило 25-30%, в том числе по металлу под давлением 25%. На Ростовской ТЭЦ-2 проведен большой объем наладочных и исследовательских ч работ, позволивших достичь на котле проектных показателей. Опыт эксплуатации двух первых кот­лов Е-500-140 ГМ ВН показал, что агрегаты имеют хорошие маневренные характеристики, просты в управлении и достаточ­но удобны в ремонте [20]. Для обеспечения надежности котлов требовалась переработка отдельных узлов. В частности, показа­но, что в трубах двусветного экрана Ǿ 48 мм может возникать ухудшенный теплообмен при определенных значениях тепло­вых нагрузок. Замена плоскофакельных форсунок на форсунки ударного типа и реконструкция восьми групп внутрибарабанных циклонов двусветного экрана, по мнению разработчиков котла, ликвидировали режимы


Рис. 19. Котел Е-500-140-ГМ. ВН Ростовской ТЭЦ-2

ухудшенного теплообмена [20]. И все же из-за ненадежной работы поверхностей нагрева котел Е-500-140-ГМ ВН работал большую часть времени с 50%-ной нагрузкой. В связи с этим принято решение спроектировать новый котел такой же паропроизводительности с вихревой топкой ЦКТИ. Новый котел (ТПЕ-428) отличается от котлов (Ростовской ТЭЦ-2 большими габаритами: высота камеры охлаж­дения увеличена на 2 м, диаметр предтопка вырос с 3920 до 4480 мм. В результате этого объемное теплонапряжение камеры (горения снизилось с 1977 до 1512 кВт/м3.

' Примерно в это же время завод "Красный котельщик" присту­пил к изготовлению котла с вихревой топкой ЦКТИ на твердом топливе.

3.4. СЖИГАНИЕ ВЫСОКОВЛАЖНЫХ БУРЫХ УГЛЕЙ В ИХРЕВОЙ ТОПКЕ ЦКТИ

Полномасштабная проверка вихревой топки ЦКТИ при сжига­нии твердого топлива осуществлена на Назаровской ГРЭС, где был реконструирован корпус Б двухкорпусного котла П-49 блока мощностью 500 МВт [21]. Паропроизводительность одного корпу­са по свежему пару 800 т/ч, проектные параметры пара 25 МПа, 565°С. Топочная камера каждого корпуса до реконструкции была оборудована 16 прямоточными горелками, расположен­ными встречно в один ярус на фронтовой и задней стенах топоч­ной камеры. Исследования, проведенные ВТИ, ЦКТИ и СибВТИ показали, что встречное расположение мощных прямоточных горелок при небольшой глубине топочной камеры ( -^ 8 м) приводит к созданию ядра статического подпора в центре каме­ры горения. Вследствие этого значительная часть вторичного воздуха двигалась из горелок к пережиму по укороченной траектории, минуя область повышенного давления, а в центре топки и около пода ощущался недостаток кислорода. Торможе­ние процесса горения в центре топки приводило к тому, что в сечении пережима (на оси топки) степень выгорания топлива достигала только 87% [22].

Догорание значительной части топлива в камере охлаждения приводило к повышению температуры газов и к шлакованию ширмовых поверхностей нагрева, что ограничивало нагрузку котла. Попытки изменить аэродинамическую структуру топоч­ной камеры путем малозатратной реконструкции горелок не дали ощутимых результатов и было принято решение устано­вить на одном из корпусов котла П-49 вихревую топку ЦКТИ.

После реконструкции нижняя часть топочной камеры корпу­са Б представляла собой горизонтальный циклон с условным диаметром 6,2 м (рис. 20).



Рис. 20. Реконструированный корпус 7Б котла П-49 Назаровской ГРЭС:

1 — вихревая камера горения; 2 — двусветные экраны в камере горения; 3 — двусветные экраны в СРЧ; 4 — защитные ширмы; 5 — ширмы пароперегревателя; 6 — конвективные поверхности нагрева; 7, 8 — основная и дополнительная по­верхности экономайзера

Теплонапряжение объема при полной нагрузке составляло 830 кВт/м3. Вихревая камера тремя дву­светными экранами разделена на четыре отсека, в каждом из которых на фронтовой стене установлено по две горелки. Пря­моточные горелки имели регулирующие шиберы, которые позволяли поддерживать почти постоянной (80-100 м/с) ско­рость вторичного воздуха при изменении нагрузки котла. Для транспорта топлива к горелкам использовалась система концен­трированной подачи пыли под давлением.

Реконструкции подвергались и другие элементы котла: в зоне СРЧ установили три двусветных экрана, увеличили поверхность экономайзера на одном из двух потоков, в каждом из четырех отсеков разместили по одному глубоковыдвижному аппарату водяной очистки.

После реконструкции корпус Б работал на сушонке назаровского угля, поступавшей с центрального пылезавода. На корпусе в течение 20 сут проведено опытное сжигание березовского угля. Характеристика сожженной пыли:



До реконструкции котла основной причиной, которая не позволяла работать с нагрузкой выше 80% номинальной, было шлакование защитных ширм. Поэтому основное внимание при проведении опытов как на назаровском, так и на березовском угле, уделялось именно этому. В результате испытаний установ­лено, что оптимальным является коэффициент избытка возду­ха в горелках аr = 1,2. Такой избыток воздуха обеспечивает мак­симальное выгорание топлива в вихревой камере (94-95%), пониженную интенсивность шлакования защитных ширм и снижение температуры газов на выходе из топки на 30-40°С по сравнению с опытами, в которых аг = 1,1 [23].

Зондирование вихревой камеры показало, что основная масса топлива сгорает в пристенной зоне, где температура почти на 100°С выше, чем в центре вихря. При максимальной нагрузке, с которой мог работать корпус Б (90-95% номинальной), и темпе­ратуре горячего воздуха 340-350°С температура в пристенной зоне вихревой камеры составляла 1500-1550°С при сжигании назаровского угля и 1540-1590°С - при сжигании березовского угля. Этого оказалось достаточно для надежного выхода жидко­го шлака в диапазоне нагрузок 50-95% номинальной. Коэф­фициент шлакоулавливания был равен 0,5.

Оценивая этот показатель работы вихревой топки ЦКТИ, следует иметь в виду, что минеральная масса сожженной пар­тии березовского угля имела умеренные плавкостные характе­ристики золы: tj= 1210-5-1338°С, t2 = 1221-5-135ГС, Ц = 1227-5-1368°С. При снижении зольности березовского угля в его мине­ральной части увеличивается содержание СаО, что приводит к повышению плавкостных характеристик и ставит под сомнение возможность удаления шлака в жидком виде, особенно при ра­боте на сниженных нагрузках.

Однако при сжигании высокозольного березовского угля вихревая топка ЦКТИ работала удовлетворительно. Потери теплоты от механической неполноты сгорания составляли 0,1-0,2%, концентрация оксидов азота за котлом была умерен­ной для топок с жидким шлакоудалением (cNO мг/м3

при коэффициенте избытка воздуха в горелках аг = 1,10ч1,15), a применение двусветных экранов ликвидировало наблюдаемую до реконструкции значительную неравномерность температуры по ширине топочной камеры.

Подробное исследование выгорания топлива в вихревой топке котла П-49 проведено Томским политехническим инсти­тутом [24]. Отбор проб газа и пыли из различных точек одного из отсеков камеры горения при разных скоростях на выходе из горелок и разных избытках воздуха показал, что у заднего экрана степень выгорания топлива составляет 65%, а у фронто­вого - до 80%. Эти данные были получены при оптимальных зна­чениях выходной скорости (Wr = 100ч110 м/с) и коэффициента избытка воздуха в горелках (аг = 1,19ч1,21). При уменьшении выходной скорости в горелках до 70-80 м/с поток газов, подни­мающихся вдоль фронтового экрана, захватывает большее количество топливовоздушной смеси из корня факела, в резуль­тате чего снижается степень выгорания топлива в сечении пережима, а содержание кислорода (между горелками) повыша­ется до 12%.

В камере дожигания (выше пережима) наблюдается неравно­мерность по глубине топки: максимум выгорания и температу­ры смещен к фронтовому экрану. Уменьшение избытка воздуха в горелках ниже ar = 1,19 приводит к ухудшению выгорания топ­лива из-за неполного перемешивания его с окислителем, к появ­лению химического недожога на выходе из камеры горения и к снижению температурного уровня в камере горения [24].

Главным результатом реконструкции котла П-49 авторы считают подтверждение эффективности вихревой топки ЦКТИ при работе на перспективных углях Канско-Ачинского бассейна с учетом необходимости сооружения ряда крупных ГРЭС на этих углях. Установка вихревой топки ЦКТИ вместо призмати­ческой топки с твердым шлакоудалением позволяет почти в 3 раза сократить объем, в котором будет происходить сжигание топлива и охлаждение продуктов сгорания до температуры 1100°С. Это позволит, как считают авторы разработки, создать котельный агрегат к энергоблоку единичной мощностью до 2000 МВт даже на природных канско-ачинских углях, не говоря о продуктах их энерготехнологической переработки [25].

В качестве промежуточного этапа авторы решили создать и проверить в длительной эксплуатации на твердом топливе котел с вихревой топкой ЦКТИ производительностью 500 т/ч. Такой котел ТПЕ-427 изготовлен таганрогским заводом "Крас­ный котельщик" и сдан в опытно-промышленную эксплуатацию на Новосибирской ТЭЦ-3 [26].

Котел оборудован разомкнутой пылесистемой, которая, как и сам котел, имеет ряд новых элементов: унифицированные сепараторы, батарейные циклоны с розеточными завихрителями в круглом корпусе, санитарные ступени очистки, аэрожелоба для пневмотранспорта уловленного уноса, система высококон­центрированной подачи пыли под разрежением и т.д.

Собственно котел, кроме высокофорсированной вихревой топки (рис. 21), имел двусветные экраны, цельносварные поверх­ности нагрева и оригинальные узлы крепления поверхностей



Рис. 21. Опытно-промышленный малогабаритный котел Е-500-140ВЖ (ТПЕ-427)

нагрева. Опробование котла проведено на мазуте, а затем котел был переведен на сжигание назаровского бурого угля. В течение длительного времени пришлось устранять дефек­ты, связанные с неудовлетворительной работой как пылесистемы, так и самого котла. В этот период котел работал периоди­чески с нагрузками 200-380 т/ч и с кратковременным подъемом нагрузки до 420-500 т/ч. В диапазоне нагрузок от 40 до 100% номинальной поддерживался режим устойчивого жидкого ; шлакоудаления. При работе с коэффициентом избытка воздуха от = 1,12т-1,40 химический недожог за котлом отсутствовал, а потери с механической неполнотой сгорания составляли 0,1-0,3%. Система очистки котла не использовалась. Температу­ра уходящих газов превышала расчетную на 25-30°С из-за сниженной эффективности мембранного экономайзера [26].

В процессе испытаний опробованы все четыре пылесистемы, две из которых (А и Б) имели сброс сушильного агента в золовой электрофильтр, а две другие (В и Г) - в скрубберы мокрой очист­ки и далее - в газоход котла перед дымососом.

После устранения большинства недостатков котел прорабо­тал непрерывно в течение 1050 ч. Однако работать пришлось только на двух пылесистемах (В и Г), так как от сброса слабозапыленного потока в золовой электрофильтр пришлось отказать­ся по соображениям безопасности. В связи с этим нагрузка котла составляла, как правило, 300 т/ч с кратковременными подъемами до 360 т/ч.

В опытах установлено, что даже при нагрузке 250 т/ч коэффи­циент шлакоулавливания достигает 30%. Измерение температу­ры газов оптическим пирометром показало, что в приосевой зоне камеры горения Тг = 1420ч1480°С, а в сечении пережима 1250-1400°С. Оказалось, что температуры газов по тракту котла от поворотной камеры до трубчатого воздухоподогревателя растут во времени, что свидетельствовало о прогрессирующем загрязнении поверхностей нагрева. Визуальный осмотр котла после 2150 ч работы без систем очистки показал, что в топке имеются шлаковые наросты, а в конвективной части значитель­ные золовые отложения обнаружены на конвективном паропе­регревателе и экономайзере.

Испытания показали, что котел ТПЕ-427 не может быть реко­мендован в серию. Для работы этого котла с проектной произво­дительностью, как считают разработчики, требуется установка скрубберов на пылесистемах А и Б, ввод в действие систем очистки поверхностей нагрева и некоторых других устройств. Главной проблемой, препятствующей широкому внедрению котлов с вихревой топкой ЦКТИ, остается сложность и взрывоопасность пылесистем, а также необходимость высокоэффек­тивной очистки сушильного агента от мелких фракций уголь­ной пыли перед выбросом его в атмосферу.

В отношении простоты эксплуатации котел с вихревой топкой ЦКТИ также проигрывает па сравнению с котлами других типов. Об этом свидетельствует опыт работы двух корпусов котла П-49 Назаровской ГРЭС. Несмотря на то что в котельный цех здесь поступает готовая угольная пыль от центрального пылезавода, эксплуатационный персонал все же отдает предпочтение корпу­су А, который оборудован обычной камерной топкой с встреч­ным расположением вихревых горелок.

Глава четвертая

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ВИХРЕВАЯ ТОПКА ЛПИ

4.1. ОСОБЕННОСТИ ВИХРЕВОЙ ТОПКИ ЛПИ

В Ленинградском политехническом институте (под руководством профессора В.В. Померанцева) длительное время велись работы по освоению и внедрению оригинального топочного устройства. Аэродинамическая схема этой топки обеспечивает вихревой метод сжигания с горизонтальной осью вращения (рис. 22). В отличие от рассмотренных ранее высокофорсирован­ных топочных устройств, топка ЛПИ работает при сравнительно
низких температурах, что обеспечивается интенсивным тепло отводом из ядра горения и подачей в топку угольной пыли грубого помола, а иногда и дробленки. Для обеспечения много­ кратной циркуляции крупных частиц топлива топка ЛПИ имеет нижнее дутье. По мнению авторов топочного устройства, многократное возвращение горящих частиц топлива в зону подачи окислителя создает благоприятные условия как для воспламе­нения свежей порции топлива, таки для догорания крупных частиц. Кроме того, такая организация горения должна обеспечить выравнивание температур в топке и самое главное - резко снизить шлако­вание и загрязнение поверхно­стей нагрева, интесифицировав тем самым теплоотвод в топоч­ной камере [27].




ис. 22. Линии тока в модели топки котла

БКЗ-210-140Ф с низкотемпературным вихрем [28]
С учетом этого обстоятельства (низкотемпературного, бесшлаковочного сжигания) первичное внедрение топок с низко­температурным вихрем было ориентировано на котлы, сжигаю­щие фрезерный торф, прибалтийские сланцы и высоковлажные бурые угли Канско-Ачинского бассейна, Разработке промыш­ленных топок предшествовали лабораторные исследования.

4.2. ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ ТОПКИ ЛПИ НА МОДЕЛЯХ

Для многократной циркуляции крупных частиц топлива и для предотвращения сепарации топлива в шлаковый комод необходимо правильно выбрать скорость и направление струй нижнего дутья. Поэтому при исследовании аэродинамики топки ЛПИ основное внимание уделено измерению профиля скорости и интенсивности затухания струи нижнего дутья.

Опыты проводились на модели топки котла БКЗ-210-140Ф, выполненной из органического стекла в масштабе 1/30 (рис. 22). При постоянной высоте сопла нижнего дутья Ь0, а также при неизменном расстоянии между верхним (горелочным) потоком и нижней струей варьировался параметр т, равный отношению начальных количеств движения струи и потока: 0,255 < т < 1,1. Измерение скоростей проводилось с помощью цилиндрического зонда диаметром 4 мм на основном участке струи нижнего дутья (8 *ix/b0 < 70). Результаты измерения скоростей показали, что толщина пристенного пограничного слоя не меняется вдоль струи, оставаясь равной 0,5 о0. Вместе с тем рост общей толщины струи б подчиняется линейному закону. В этой же работе отмечено относительно слабое влияние спутного потока на затухание пристенной струи на плоской стенке. Сопоставле­ние полученных на модели экспериментальных данных с дан­ными Г.Н. Абрамовича по растеканию струи вдоль плоской стенки показало, что затухание максимальной скорости в иссле­дуемой струе происходит значительно медленнее из-за дей­ствия центробежных сил [28].

Позже большой объем аэродинамических исследований проведен ЛПИ на крупномасштабной слабонеизотермической модели топки с низкотемпературным вихрем [29]. Через верхнее сопло этой модели (рис. 23) вводился подогретый воздух (~ 130°С), а через нижнее сопло - холодный воздух (~ 5°С). Верхнее сопло имеет прямоугольное сечение (73x35 мм) и нак­лонено к горизонту под углом 45°. Количество воздуха, пода­ваемого через это сопло, менялось в различных опытах от 20 до 40% общего расхода воздуха. Нижнее сопло вытянуто по всей ширине модели (340x40 мм) вдоль пода топки и имеет наклон к горизонту 5°.



Рис. 23. Распределение температур и векторов скорости по сечению слабонеиозтермической модели топки с низкотемпературным вихрем [29]
Температура в топочной камере измерялась специально протарированной хромель-алюмелевой термопарой, а скорость -цилиндрическим трехканальным зондом р 2 мм.

На рис. 23 приведено распределение температур (обозначены цифрами) и векторов скоростей в сечении модели, проходящем через центральную ось верхнего сопла. Видно, что вся топочная камера ниже верхнего сопла занята вихревой зоной. Кратность циркуляции в этой зоне оказалась равной 1,3 при всех проверен­ных значениях доли воздуха, подаваемого через верхнее сопло.

Исследование нижней струи показало, что границы струи зависят от соотношения количества воздуха, подаваемого через верхнее и нижнее сопла. Верхняя струя испытывает воздейст­вие набегающего снизу потока с переменным профилем скоро­стей, причем сносящий поток в значительной степени перехо­дит в спутный поток.

В результате проведенных исследований установлено, что анализ развития струй в топке ЛПИ необходимо проводить не в отдельности, а с учетом их взаимодействия. Получены выражения, которые позволяют рассчитать стесненную полуограниченную струю в сносящем вращающемся потоке. Проведенные модель­ные исследования существенно помогли при промышленном внедрении топки ЛПИ с низкотемпературным вихрем.
4.3. РАБОТА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ВИХРЕВОЙ ТОПКИ ЛПИ ПРИ СЖИГАНИИ ТОРФА

Впервые сжигание немолотого фрезерного торфа по схеме с низкотемпературным вихрем было опробовано на реконструиро­ванном серийном котле ПК-10 на ГРЭС-8 Ленэнерго [30]. После завершения наладочных опытов проведены исследования, которые показали, что при резком повороте потока у заднего экрана происходит сепарация частиц топлива: крупные частицы попадают в вихрь, а мелкие уносятся дымовыми газами в верх­нюю, прямоточную часть факела.

Именно недогоревшие мелкие частицы в прямоточной части факела образуют механический недожог в отличие от обычных топок, в которых потери q4 связаны с неполным выгоранием крупных частиц топлива.

Испытания котла после реконструкции показали, что органи­зация низкотемпературного вихря в нижней части топки улуч­шила условия выгорания крупных частиц торфа. Кроме того, снижена температура в ядре горения и уменьшена неравномер­ность падающих и воспринятых экранами лучистых потоков. Этот опыт был распространен на котлы ТЭЦ-15 Ленэнерго, Кировской ТЭЦ-3 и Тюменской ТЭЦ.
Особенно большой объем исследовательских работ проведен на реконструированном котле БКЗ-210-140Ф Тюменской ТЭЦ. Основная цель реконструкции состояла в снижении шлакова­ния поверхностей нагрева. Попутно решались задачи упроще­ния эксплуатации (за счет отказа от размола топлива) и сниже­ния выбросов токсичных оксидов азота путем уменьшения максимальной температуры в топочной камере.

Первоначально на низкотемпературное вихревое сжигание был переведен котел № 11 (при этом мельницы были сохране­ны). Результаты реконструкции оказались обнадеживающими: если при прямоточном факеле кампания котла даже при наг­рузках 150 т/ч не превышала 500-700 ч, то после реконструкции длительность кампании между чистками пароперегревателя достигла 3000 ч даже при работе с нагрузками до 190 т/ч. Уда­лось, кроме того, снизить коэффициент избытка воздуха в топке.

При реконструкции котла № 12, осуществленной совместно с Барнаульским котельным заводом, на фронтовом экране выпол­нен аэродинамический выступ, в нижнем скате которого были установлены горелочные устройства, наклоненные к горизонту под углом в 45° (см. рис. 22). За счет перегиба труб фронтового экрана сужено устье холодной воронки, чтобы уменьшить поте­ри с провалом.

После этого котел с реконструированной топкой начал рабо­тать на немолотом торфе, качество которого заметно отлича­лось от торфа, сжигаемого на ленинградских электростанциях: повышенное содержание СаО (до 45%) и наличие оксидов ще­лочных металлов (К20 и Na20) создавали благоприятные усло­вия для шлакования поверхностей нагрева. Снижение темпера­туры на выходе из топки на 80-100°С практически устранило шлакование труб пароперегревателя. При увеличении доли первичного и вторичного воздуха (до 50 и 20% соответственно) снизились пульсации факела. Потери теплоты с уносом колеба­лись от 0,55 до 1,5% при коэффициентах избытка воздуха ат = 1,15ч1,25 [31]. Основные технико-экономические показате­ли котла № 12 с низкотемпературным вихрем оказались лучше, чем соседних котлов (котел № 10 имел шахтно-мельничную топку с горелками МЭИ, а котел № 13 -мелющие вентиляторы с газовой сушкой топлива).

Важным достоинством топки с низкотемпературным вихрем оказалось также снижение концентрации оксидов азота в дымовых газах. Из-за высокого содержания азота в торфе (NP = 1,6 ч1,9%) концентрация NOx за обычными котлами БКЗ-210-140 составляла в среднем 800 мг/м3. На котле № 12 с топкой ЛПИ эта концентрация оказалась на 100-150 мг/м3 ниже.
Во всех перечисленных котлах с топкой ЛПИ успешно сжигал­ся фрезерный торф в течение нескольких лет, пока котлы не были переведены на природный газ в связи с решением сокра­тить (а впоследствии и вообще прекратить) использование торфа в качестве энергетического топлива.

4.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ВИХРЕВОЙ ТОПКИ < ЛПИ ДЛЯ СЖИГАНИЯ СЛАНЦА

Острой проблемой, возникающей при эксплуатации энергети­ческих котлов на прибалтийских сланцах, является шлакова­ние и загрязнение поверхностей нагрева. Ухудшение условий теплообмена вследствие загрязнений не только снижает эконо­мичность котлов, но также ограничивает их паропроизводительность и сокращает кампанию непрерывной работы. Так, напри­мер, котлы БКЗ-75-39 ф-сл работают с максимальной нагрузкой 65 т/ч вместо 75 т/ч, котлы ТП-17-180 т/ч, вместо 220 т/ч, котлы ТП-67-280 т/ч вместо 320 т/ч и котлы ТП-101 - 570 т/ч вместо 640 т/ч по проекту [32]. С учетом этого ЛПИ начал освоение низкотемпературного вихревого сжигания на котлах среднего давления БКЗ-75-39 ф-сл ТЭЦ Ахтме и ТЭЦ комбината "Сланцы".

Первый же опыт реконструкции типового котла показал, что замена прямоточного факела вихревым снижает максимальную температуру в ядре горения примерно до 1220°С без нарушения стабильности воспламенения. Максимальная нагрузка котла повысилась, но все же оставалась ниже расчетной.

Для дальнейшего снижения максимальной температуры решили увеличить теплоотвод из вихревой зоны путем установ­ки ширмовых поверхностей нагрева. На рис. 24 приведена схема размещения топочного ширмового пароперегревателя на котле БКЗ-75-39 ф-сл (станц. № 5) ТЭЦ Ахтме. Одновременно на этом котле угрубили помол с R90 = 14*25% до R90 = 50*60%. Горелки наклонили вниз под углом 45°, и в них за счет уменьшения сечения повысили выходную скорость до 15 м/с. Четыре ширмы, установленные с шагом 1350 мм, были первой ступенью паропе­регревателя, трубы этих ширм имели диаметр 32x5 мм и были выполнены из стали 12Х1МФ. Общая поверхность ширм состав­ляла 64 м2, а температура пара в них повышалась с 250 до 300-340°С. Ширмы очищались 1 раз в сутки аппаратами водяной обмывки [32].

Исследования, проведенные ЛПИ и Таллиннским политехни­ческим институтом, показали, что на ширмовом пароперегре­вателе образуются в основном нестабилизировавшиеся сульфат­но-связанные отложения, легко отделяемые от труб при очистке и даже при изменении нагрузки. В результате тепловосприятие топочных ширм



Рис. 24. Котлы БКЗ-75-29ф-сл ТЭЦ Ахтме (а) и ТП-17 Прибалтийской ГРЭС (б) с низкотемпературной вихревой топкой и топочным ширмовым пароперегревате­лем [33]:

1 — сепаратор; 2 — горелка; 3 — топочный ширмовый пароперегреватель; 4 — сопла заднего дутья; 5 — фестон; 6 — конвективный пароперегреватель; 7 — встроенный жалюзийный золоуловитель; 8 — сопла нижнего дутья

при полной нагрузке котла составляло 68-70 кВт/м2 в течение всего периода исследований (свыше 22 тыс.ч). Максимальный уровень температур в топке снизился до 1150-1180°С. Бесшлаковочную нагрузку котла удалось под­нять до номинальной (75 т/ч). Несмотря на наличие потерь теп­лоты с провалом , КПД котла составлял пример­но 89%, что на 1-1,5% выше, чем на соседних котлах с прямоточ­ным факелом [33].

Немаловажным достоинством котла с низкотемпературным вихрем явилось также снижение затрат металла и расхода электроэнергии на размол (на 20-25%) в связи с угрублением помола. Повысилась также взрывобезопасность пылесистем. Но главным достижением реконструкции было возрастание тепло­вой эффективности поверхностей нагрева из-за уменьшения их загрязнения.

Успешная работа котла № 5 на ТЭЦ Ахтме в течение несколь­ких лет позволила распространить полученный опыт на котлы высокого давления. На схему сжигания с низкотемпературным вихрем перевели котел ТП-17 (станц. № 13) на Прибалтийской ГРЭС. В топке этого котла установили шесть пароперегревательных ширм, поверхность которых составляла 300 м2. Темпе­ратура пара на входе и на выходе из ширм, соответственно, 310 и 390°С.

Установка дополнительных поверхностей нагрева в зоне низкотемпературного вихря и угрубление помола топлива до R90= 80ч90% снизили максимальную температуру в топке до 1150-1200°С. Тепловая эффективность топочных экранов доста­точно высока и в результате температура газов на выходе из топки не превышала 830°С при нагрузке 190 т/ч. Несмотря на снижение температурного напора в конвективном пароперегре­вателе (его тепловосприятие не превышало 10 кВт/м2), во всем диапазоне нагрузок обеспечивался требуемый перегрев пара. Интенсивность золового загрязнения топки и пароперегревате­ля уменьшилась настолько, что скорость нарастания температу­ры газов за пароперегревателем не превышала 0,6°С/сут, не­смотря на отсутствие регулярной очистки поверхностей нагрева.

Трудности, которые наблюдались в первый период эксплуата­ции котла после реконструкции, были связаны с забиванием жалюзийного золоуловителя и с работой котельновспомогательного оборудования.

Опыт внедрения топки ЛПИ на ТЭЦ Ахтме и на Прибалтий­ской ГРЭС показал, что низкотемпературное сжигание сланца при многократной циркуляции крупных частиц и при насыще­нии топки двусветными поверхностями нагрева в значительной степени снимает проблемы, связанные с интенсивным шлако­ванием поверхностей нагрева сланцевых котлов.


4.5. РАБОТА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ВИХРЕВОЙ ТОПКИ ЛПИ ПРИ СЖИГАНИИ БУРЫХ УГЛЕЙ

ЛПИ проверил эффективность топки с низкотемпературным вихрем при сжигании бурых углей. Первая такая проверка осуществлена на Иркутской ТЭЦ-10, на дубль-блоке мощностью 150 МВт, оборудованном котлами ПК-24. Эти котлы рассчитаны на сжигание черемховского каменного угля, но основным топливом для ТЭЦ стал азейский бурый уголь с влажностью 17-26%, зольностью 6-22%, выходом летучих 43-48% и теплотой сгорания 16,2-19,8 МДж/кг [34].

Прямоточный котел ПК-24 имеет номинальную производи­тельность 270 т/ч и параметры пара 13,7/2,7 МПа, 545/545°С. При работе на азейском буром угле отмечались ненадежная (по условиям взрывобезопасности) работа пылесистем и шлакова­ние как топочных, так и конвективных поверхностей нагрева.




Для устранения этих недостатков и одновременно для повы­шения паропроизводительности котла выполнена реконструк­ция топки. Вместо двух ярусов прямоточных горелок, 50

Рис. 25. Схема котла ПК-24, реконст­руированного по схеме [34]:

1 — топочная камера; 2 — ширмовый пароперегреватель; 3 — конвек­тивная шахта; 4 - верхний козырек; 5 - третичное дутье (верхнее и нижнее); 6 - сопла нижнего дутья; 7— надгорелочный козырек; 8 — горелка; 9 — шнековый питатель

расположенных вблизи углов прямоугольной топочной камеры, уста­новлены четыре фронтовые щелевые горелки, наклоненные вниз под углом 45° (рис. 25). Через эти горелки в топку подава­лись дробленое топливо и часть воздуха. Остальной воздух подавался через сопла нижнего дутья, смонтированные по всей ширине котла, а также через верхние и нижние сопла заднего дутья. Выход из холодной воронки перекрыт поворотными заслонками, охлаждаемыми технической водой, над горелками и на задней стенке (на выходе из топки) смонтированы аэроди­намические козырьки.

Система пылеприготовления была демонтирована, а дробле­ный уголь в окончательном варианте подавался из бункера сырого угля к горелкам четырьмя двухшнековыми питателями. При нормальной работе котла через горелки поступало 45-50% всего воздуха (WT = 28-КЗЗ м/с), через сопла нижнего дутья 40% (WH = 90 м/с), остальной воздух поступал через сопла заднего дутья со скоростью 20-25 м/с.

После наладочных испытаний и нескольких этапов реконст­рукции проведены новые испытания. В двух сериях опытов, отличающихся максимальным размером кусков топлива, сжи­гался азейский бурый уголь. Максимальная температура факе­ла в топке не превышала 1300°С, что на 150-180°С ниже, чем на этом же котле до реконструкции. Снизилась температура и на выходе из топки. В результате удалось обеспечить длительную работу котла без шлакования топки и конвективных поверх­ностей нагрева.

При проведении опытов с разными избытками воздуха уста­новлено, что максимальный КПД котла достигается при коэф­фициенте избытка воздуха за конвективным пароперегревате­лем акпп = 1,35ч1,40. При снижении избытка воздуха рост по­терь с механическим недожогом опережает снижение потерь с уходящими газами. И даже при таких высоких избытках возду­ха потери д4 составляли 3-4%.

Опыты с разным распределением воздуха, показали, что минимальные значения 4 наблюдаются при отношении коли­чества движения потоков воздуха из горелок и из сопл нижнего дутья, равном 0,3-0,4. И вместе с тем необходимо поддерживать высокие скорости нижнего дутья (80-90 м/с), чтобы не завалить эти сопла кусками топлива.

Сравнение технико-экономических показателей исследуемо­го котла с обычным котлом той же Иркутской ТЭЦ-10 показало, что котел с низкотемпературным вихрем имеет КПД (брутто) на 3,7-4,2% ниже, чем котел с прямоточными угловыми горелками. Выигрыш КПД нетто из-за ликвидации пылесистемы оказался не столь существенным, так как возросли расходы на тягу и дутье. Все эти результаты получены при сжигании дробленки с максимальным куском от 40 до 60 мм. Часть опытов во второй серии проведена с более мелкой дробленкой, из которой были удалены куски с размером более 30 мм. В этих опытах технико-экономические показатели котла оказались несколько выше, потери с механической неполнотой сгорания снизились до 1,5-3%. Однако и эти цифры в несколько раз превышают потери q4 на соседних котлах с обычным пылеугольным сжиганием.

Вторым существенным недостатком топки с низкотемпера­турным вихрем оказался интенсивный износ труб холодной воронки на фронтовой и задней стенах. Из-за высоких скоро­стей нижнего дутья (до 90 м/с) локальный износ труб фронтово­го экрана под горелками достигал 15 мм/год, что существенно снижало надежность работы котла.

Детальное исследование топочного процесса с отбором проб газа и топлива из различных зон низкотемпературного вихря показало, что горелочная струя под фронтовым козырьком направляется, как и следовало ожидать, в холодную воронку, В верхней части топки у фронтового экрана имеется зона с малы­ми скоростями, которая ухудшает использование топочного объема. При нормальной работе нижнего дутья, когда низ холодной воронки не заваливается крупными кусками топлива, факел в нижней части топки прижимается к фронтовому скату холодной воронки. В таком режиме и при повышенном избытке воздуха (акпп =1,35ч1,4) в пределах вихревой части факела выгорает 80-90% горючей массы топлива. Здесь практически отсутствуют зоны с содержанием кислорода менее 1%.

Полученные данные позволили сделать вывод, что для успешного сжигания немолотого топлива в топках с низко­температурным вихрем необходимо увеличить кратность цирку­ляции крупных угольных частиц в вихревой зоне факела, чтобы время их пребывания в топке было достаточно для полного выгорания. Требовалось, кроме того, снизить выходную скорость воздуха в соплах нижнего дутья, а также исключить поступле­ние в топку кусков крупнее 20 мм.

На основании опыта эксплуатации реконструированного котла ПК-24 с низкотемпературным вихрем было подготовлено задание на новый котел, рассчитанный на сжигание углей Канско-Ачинского бассейна. Такой котел спроектирован на Барнаульском котельном заводе (ПО "Сибэнергомаш") на базе серийного котла БКЗ-420-140ПТ и смонтирован на Усть-илимской ТЭЦ (станц. №6).

Новый котел (заводская марка БКЗ-420-140-9) имеет номи­нальную паропроизводительность 420 т/ч с параметрами пара 14 МПа, 560°С. Схема его топочного устройства приведена на рис. 26.

Призматическая топка котла выполнена из газоплотных экранов. На фронтовом экране имеется аэродинамический козырек, а в верхней части заднего экрана - пережим. Восемь прямоточных горелок размещены на фронтовой стене под козырьком и направлены вниз под углом 45° к горизонту. В устье холодной воронки с тыла установлены 10 двухъярусных сопл нижнего дутья. Здесь же первоначально были установлены подовые поворотные заслонки, которые обеспечивали зазор в 100 мм между нижней кромкой сопл нижнего дутья и краем заслонки. Позже этот узел заменили воздушно-каскадным классификатором (рис. 27).

Размеры топки в плане 14,5x7,7 м, тепловое напряжение объема топки 137,4 кВт/м3, тепловое напряжение поперечного сечения топки 2,9 МВт/м2. У заднего экрана топки установлены двусветные радиационные поверхности нагрева: четыре испари­тельных и шесть пароперегревательных вертикальных ширм. На выходе из топки, ниже сечения пережима, установлены две панели горизонтальных ширм пароперегревателя. Под аэроди­намическим выступом имеется 14 сопл третичного дутья.

Система подачи топлива в котел изображена на рис. 28. Дробленое топливо, как показано на рисунке, транспортирует­ся к горелкам слабоподогретым воздухом (219°С), давление которого повышается в специальном вентиляторе.

Испытание котла № 6 Усть-илимской ТЭЦ проходила в нес­колько этапов. Первый этап испытаний, проведенных без воз­душно-каскадного классификатора, показал, что при сжигании дробленки ирша-бородинского угля с остатком на сите 5 мм не более 44% технико-экономические показатели котла близки проектным значениям. Потери теплоты с механической непол­нотой сгорания q4 не превышали 2,5%. Главной проблемой, ограничивающей надежную работу котла, является износ








Рис. 26. Котел БКЗ-42О-140-9 с топкой ЛПИ на Усть-Илимской ТЭЦ:

1 — надгорелочный козырек; 2 — нижнее дутье; 3 — вертикальные ширмы; 4 — горизонтальные пароперегревательные ширмы; 5 — ширмовыи пароперегрева­тель; 6 — конвективный пароперегреватель; 7 - фестон; 8 — экономайзер; 9 — трубчатый воздухоподогреватель

Рис. 27. Схема воздушно-каскадного классификатора котла БКЗ-420-140-9:




1 — верхнее сопло нижнего дутья; 2 - нижнее сопло; 3 — воздушно-каскадный классификатор (ВКК); 4 — сопло ВКК; 5 - водоохлаждаемая панель

Рис. 28. Система транспорта топлива к горелкам котла БКЗ-420-140-9:

1 — воздух после Г ступени воздухо­подогревателя; 2 — вентилятор первич­ного воздуха; 3 — шибер; 4 — защитная сетка; 5 — течка сырого угля от питате­ля; 6 — эжектор-смеситель; 7 — топливо­провод к горелкам; 8 — течка отсева; 9 — бункер-сборник


фронтового экрана, скорость которого достигала 0,73 мкм/ч. Это обстоятельство заставило применить специальные средства защиты экранов (ошиповка фронтовых экранов и установка горизонтальных полосок на трубах холодной воронки), а также снизить скорость нижнего дутья.

Большие надежды были связаны с воздушно-каскадным классификатором. Испытания, проведенные после усовершен­ствования некоторых узлов, показали, что и после установки воздушно-каскадного классификатора оптимальный избыток воздуха остался чрезмерно высоким (акпп = 1,34ч1,36). Снижение акпп до 1,21 резко (до 4,5%) повышало потери теплоты с механи­ческой неполнотой сгорания. Такое же резкое возрастание q4 (с 2 до 6%) наблюдалось при уменьшении скорости нижнего дутья с 50 до 6 м/с.

В отличие от первого этапа исследований, в дополнительных опытах обнаружена зависимость потерь q4 от нагрузки: при уве­личении паропроизводительности сверх 0,85 (при меньшей скорости нижнего дутья) или сверх 0,90 (при большей скорости) потери q4 резко возрастали. При росте температуры в ядре горе­ния до 1400°С появились признаки шлакования топочных экранов.

В дополнительных опытах, как и ранее, измерялась концент­рация оксидов азота в дымовых газах за котлом. В этом плане не произошло серьезных изменений: при оптимальных в отно­шении экономичности топочного процесса избытках воздуха концентрация NOx несколько превышала 500 мг/м3 ( в пересчете на N02 при содержании 02 в сухой пробе газа, равном 6%). Па­раллельные измерения, проведенные на котле № 4 (топка с жидким шлакоудалением, транспорт угольной пыли с высокой концентрацией под разрежением, т.е. с подачей пара в горелки), показали что при аналогичных избытках воздуха (акпп = 1,35) концентрация NOx достигает 640 мг/м3. Но котел № 4 работает, как правило, с меньшим избытком воздуха (акпп = 1,25), и при этом концентрация NOx за котлом находится примерно на том же уровне, что и в котле с низкотемпературным вихрем.

Приведенные результаты испытаний котла БКЗ-420-140-9 на Усть-илимской ТЭЦ показали, что наряду с несомненными достоинствами (отсутствие мельниц, повышенное тепловосприятие топочных экранов, возможность работы без очистки поверх­ностей нагрева и др.), котел еще требует серьезной доработки. Необходимо устранить недопустимо высокие для бурых углей потери с механической неполнотой сгорания, интенсивный износ труб фронтового экрана. Необходимость работы с повы­шенными избытками воздуха делает сомнительной возмож­ность снижения концентрации оксидов азота до 300-350 мг/м3 (именно такие концентрации получены при сжигании ирша-бородинского угля на другом котле Барнаульского котельного завода - котле Е-500-140).

Пути усовершенствования топки с низкотемпературным вихрем, безусловно, имеются. Например, Дальневосточный Политехнический институт добился резкого снижения интен­сивности износа труб фронтового экрана в топочной камере, по его предложению один из котлов БКЗ-220-100 реконструиро­ван с установкой топки с низкотемпературным вихрем. Котел работал на бурых углях Харанорского месторождения. Осмотр топки после 10-месячной работы показал почти полное отсутст­вие следов износа экранных труб. Этот эффект был достигнут за счет того, что струи нижнего дутья направили не вдоль фронто­вого ската холодной воронки, а под некоторым углом к нему. Понятно, что при такой аэродинамической схеме крупные кусочки топлива будут выпадать из потока, скатываться к устью холодной воронки и перекрывать сопла нижнего дутья. С учетом этого нижнее дутье подведено не по всей ширине котла, а в виде трех мощных струй. Профиль фронтового ската холодной воронки выполнен таким образом, чтобы крупные частицы угля скатывались именно к соплам этих мощных струй. При сжигании пыли угрубленного помола эксплуатационный персонал добился надежной работы котла БКЗ-220-100 без под­светки факела мазутом и с приемлемыми экономическими показателями.


1   2   3   4   5   6


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации