Непрерывное измерение горючих в уносе при сжигании АШ в котле ТПП-210А

Филь С. А., Голышев Л. В., инженеры, Мысак И. С., доктор техн. наук, Довготелес Г. А., Котельников И. И., Сиденко А. П., инженеры ОАО ЛьвовОРГРЭС - Национальный университет “Львовская политехника” - Трипольская ТЭС

Сжигание низкореакционных каменных углей (выход летучих Vdaf< 10%) в камерных топках котельных установок сопровождается повышенным механическим недожогом, который характеризуется двумя показателями: содержанием горючих в уносе Гун и потерей тепла от механического недожога q4.
Обычно Гун определяют лабораторным методом по единичным пробам золы, отбираемым из газоходов последней конвективной поверхности котла с помощью штатных уносных установок. Основным недостатком лабораторного метода является слишком большое временное запаздывание в получении результата по Гун (более 4 - 6 ч), которое включает время медленного накопления пробы золы в уносной установке и длительность проведения лабораторного анализа. Таким образом, в единичной пробе золы в течение продолжительного времени суммируются все возможные изменения Гун, что затрудняет быстрое и качественное проведение наладки и оптимизации топочного режима.
По данным [1] в переменных и нестационарных режимах котла коэффициент улавливания золы (степень очистки) циклона уносной уставки изменяется в интервале 70 - 95%, что приводит к дополнительным погрешностям в определении Гун.
Недостатки уносных установок устраняются путем внедрения систем непрерывного измерения Гун, например, анализаторов содержания углерода в золе уноса.
В 2000 г. на двухкорпусных котлах ТПП-210А Трипольской ТЭС, сжигающих АШ с подсветкой пылеугольного факела природным газом, установлено и введено в эксплуатацию восемь комплектов (по два на каждый корпус) стационарных непрерывно действующих анализаторов RCA-2000 фирмы “Марк и Веделль” (Дания).
Принцип действия анализатора RCA-2000 основан на фотоабсорбционном методе анализа в инфракрасной области спектра.
Диапазон измерений 0 - 20% абсолютных значений Гун, относительная погрешность измерений в диапазоне 2 - 7% - не более ± 5%.
Отбор проб золы для измерительной системы анализатора производится из газоходов перед электрофильтрами.
Непрерывная регистрация Гун выполнена на самопишущем приборе БЩУ с периодичностью полного цикла измерений через 3 мин.
При сжигании АШ переменного состава и качества реальные абсолютные значения Гун, как правило, превышали 20%. Поэтому в настоящее время анализаторы используются в качестве индикаторов изменения относительных значений содержания горючих в уносе Гв° в пределах шкалы самопишущего прибора 0 - 100%.
Для ориентировочной оценки действительного уровня Гун составлена тарировочная характеристика анализатора, которая представляет собой зависимость между абсолютными значениями Гун, определенными лабораторным методом, и относительными значениями Г°ун анализатора. В диапазоне изменения Гун от 20 до 45% характеристика в аналитической форме выражается уравнением

При экспериментальных исследованиях и нормальной эксплуатации котла анализаторы могут быть использованы для выполнения следующих работ:
оптимизации топочного режима;
оценки изменения Гун при плановых технологических переключениях систем и агрегатов котельной установки;
определения динамики и уровня снижения экономичности в нестационарных и послепусковых режимах котла, а также при попеременном сжигании АШ и природного газа.
В период проведения тепловых испытаний котла анализаторы применялись для оптимизации топочного режима и оценки влияния плановых переключений оборудования на стабильность процесса горения пылеугольного топлива.
Опыты проводились при стационарных нагрузках котла в диапазоне 0,8-1,0 номинальной и сжигании АШ с характеристиками: низшая удельная теплота сгорания Qi = 23,06 - 24,05 МДж/кг (5508 - 5745 ккал/кг), зольность на рабочую массу Ad = 17,2 - 21,8%, влажность на рабочую массу W= 8,4- 11,1%; доля природного газа на подсветку пылеугольного факела составляла 5-10% общего тепловыделения.
Результаты и анализ опытов по оптимизации топочного режима с использованием анализаторов приведены в [2]. При наладке котла были оптимизированы:
выходные скорости вторичного воздуха путем различного открытия периферийных шиберов в горелках;
выходные скорости первичного воздуха путем изменения загрузки вентилятора горячего дутья;
доля подсветки факела природным газом путем выбора (по условиям обеспечения стабильности горения) минимально возможного числа работающих газовых горелок.
Основные характеристики процесса оптимизации топочного режима приведены в табл. 1.
Приведенные в табл. 1 данные свидетельствуют о важной роли анализаторов в процессе оптимизации, заключающейся в непрерывном измерении и регистрации текущей информации о изменении Г°н, что дает возможность своевременно и
четко зафиксировать оптимум режима, завершение процесса стабилизации и начало работы котла в оптимальном режиме.
При оптимизации топочного режима главное внимание уделялось поиску минимально возможного уровня относительных значений Г°ун. При этом абсолютные значения Гун определялись по тарировочной характеристике анализатора.
Таким образом, эффективность применения анализаторов для оптимизации топочного режима котла может быть ориентировочно оценена по уменьшению содержания горючих в уносе в среднем на 4% и потери тепла от механического недожога на 2%.
В стационарных режимах котла проведение штатных технологических переключений, например, в пылесистемах или горелочных устройствах, нарушает процесс стабильного сжигания пылеугольного топлива.

Таблица 1
Характеристика процесса оптимизации топочного режима

Котел ТПП-210А оборудован тремя пылесистемами с шаровыми барабанными мельницами типа ШБМ 370/850 (Ш-50А) и общим промбункером пыли.
Из пылесистемы отработанный сушильный агент с помощью мельничного вентилятора типа МВ 100/1200 сбрасывается в камеру горения (предтопок) через специальные сбросные сопла, расположенные над основными пылегазовыми горелками.
В предтопок каждого корпуса котла поступает полный сброс из соответствующей крайней пылесистемы и половина сброса из средней пылесистемы.
Отработанный сушильный агент представляет собой низкотемпературный увлажненный и запыленный воздух, основные параметры которого находятся в следующих пределах:
доля сбросного воздуха 20 - 30% общего воз- духопотребления корпуса (котла); температура 120 - 130°С; доля тонкодисперсной угольной пыли, которая не была уловлена циклоном пылесистемы, 10 - 15% производительности мельницы;
влажность соответствует количеству влаги, выделившейся в процессе сушки размалываемого рабочего топлива.
Отработанный сушильный агент сбрасывается в зону максимальных температур факела и поэтому существенно влияет на полноту выгорания угольной пыли АШ.
При эксплуатации котла наиболее часто останавливается и повторно пускается средняя пылесистема, при помощи которой поддерживают в промбункере необходимый уровень пыли.
Динамика изменения основных показателей топочного режима корпуса котла - содержание горючих в уносе и массовая концентрация оксидов азота в уходящих газах (NО) — при плановом останове средней пылесистемы показана на рис. 1.
На приведенном и всех последующих рисунках приняты следующие условия при построении графических зависимостей:
содержание горючих в уносе соответствует значениям шкал двух вертикальных осей координат: усредненным измерениям Г ун и данным пересчета по тарировочной характеристике Гун;
массовая концентрация NО при избытке воздуха в уходящих газах (без приведения к NО2) принята по непрерывно регистрируемым измерениям стационарного газоанализатора Марс-5 МП “Экомак” (г. Киев);
динамика изменений Г°ун и NО фиксируется на
протяжении всего периода выполнения технологической операции и режима стабилизации; начало проведения технологической операции принято вблизи нулевого отчета времени.
Полнота сгорания пылеугольного топлива оценивалась по качеству топочного режима (КТР), которое анализировалось по двум показателям Гун и NО, как правило, изменявшимся в зеркально-противоположных направлениях.

Рис. 1. Изменение показателей топочного режима при останове средней пылесистемы

Влияние планового останова средней пылесистемы на показатели КТР (рис. 1) проанализировано в зависимости от последовательности проведения следующих технологических операций:
операция 1 - останов питателя сырого угля (ПСУ) и прекращение подачи угля в мельницу уменьшили загрузку барабана ШБМ, снизили тонину помола угольной пыли и повысили температуру сбросного воздуха, что вызвало кратковременное улучшение КТР: уменьшение Гун° и увеличение NО; процесс дальнейшего выхолащивания мельницы способствовал обеспыливанию сбросного воздуха и повышению избытка воздуха в предтопке, что отрицательно повлияло на КТР;
операция 2 - останов ШБМ и уменьшение вентиляции пылесистемы сначала несколько улучшили КТР, а затем при задержке с отключением мельничного вентилятора (МВ) происходило ухудшение КТР;
операция 3 - останов МВ и прекращение сброса отработанного сушильного агента в камеру горения существенно улучшили КТР.

Таким образом, при всех прочих равных условиях останов пылесистемы улучшал процесс горения топлива, снижая механический недожог и повышая массовую концентрацию NО.
Типичным нарушением стабильности работы пылесистемы является перегрузка барабана мельницы топливом или “замазывание” размольных шаров влажным глинистым материалом.
Влияние длительного режима выхолащивания барабана крайней мельницы на КТР корпуса котла показано на рис. 2.
Останов ПСУ (операция 1) по причинам, аналогично рассмотренным при останове пылесистемы, на первом этапе выхолащивания мельницы кратковременно улучшал КТР. В последующем выхолащивании мельницы вплоть до включения ПСУ (операция 2) наблюдалась тенденция ухудшения КТР и роста Г°ун.

Рис. 2. Изменение показателей топочного режима при выхолащивании барабана крайней мельницы

Рис. 3. Изменение показателей топочного режима при пуске крайней пылесистемы и отключении газовых горелок

В меньшей степени периодически дестабилизирует топочный режим автоматическая работа ПСУ, которая необходимую загрузку мельницы углем регулирует отключением и последующим включением привода ПСУ.
Влияние режима пуска крайней пылесистемы на КТР показано на рис. 3.
Отмечено следующее влияние пусковых операций пылесистемы на топочный режим:
операция 1 - пуск МВ и вентиляция (прогрев) тракта пылесистемы со сбросом относительно холодного воздуха в предтопок повышали избыток воздуха в зоне горения и снижали температуру факела, что приводило к ухудшению КТР;
операция 2 - пуск ШБМ и продолжение вентиляции тракта имели отрицательное влияние на КТР;
операция 3 - пуск ПСУ и загрузка мельницы топливом с увеличением до номинального расхода сушильного агента значительно ухудшали КТР.
Можно сделать вывод, что включение пылесистемы в работу отрицательно влияет на КТР, увеличивая механический недожог и снижая массовую концентрацию N0.
Предтопок корпуса котла ТПП-210А оборудован шестью улиточно-лопаточными пылегазовыми горелками тепловой мощностью 70 МВт, установленными в один ярус на фронтовой и задней стенах, и двумя надподовыми газомазутными горелками для обеспечения стабильного жидкого шлакоудаления во всем диапазоне эксплуатационных нагрузок котла.
При сжигании угольной пыли АШ природный газ подавался с постоянным расходом (около 5% общего тепловыделения) в надподовые горелки и переменным расходом через основные пылегазовые горелки для стабилизации процесса горения пылеугольного топлива. Подача газа в каждую основную горелку производилась с минимально возможным расходом, соответствующим 1,0 — 1,5% общего тепловыделения. Поэтому изменение доли природного газа на подсветку факела осуществлялось включением или отключением определенного количества основных газовых горелок.
Влияние отключения газовых горелок (уменьшение доли природного газа) на КТР корпуса котла показано на рис. 3.
Последовательное отключение сначала одной газовой горелки (операция 4), а затем трех газовых горелок (операция 5) положительно повлияло на КТР и привело к значительному уменьшению механического недожога.
Влияние включения газовых горелок (увеличения доли природного газа) на КТР показано на рис. 4. Последовательное включение одной газовой горелки (операция 1), двух горелок (операция 2) и одной горелки (операция 3) отрицательно повлияло на КТР и существенно увеличило механический недожог.

Рис. 4. Изменение показателей топочного режима при включении газовых горелок
Таблица 2
Изменение содержания горючих в уносе при технологических переключениях оборудования

Ориентировочная оценка влияния проверенных технологических переключений котельного оборудования на изменение КТР (Кун) в обобщенном виде приведена в табл. 2.
Анализ приведенных данных показывает, что наибольшее снижение экономичности котельной установки в стационарных режимах происходит в результате проведения пусковых операций пылесистемы и при завышенном расходе природного газа на подсветку факела.
Следует отметить, что необходимость выполнения пусковых операций пылесистемы определяется исключительно технологическими причинами, а завышенный расход природного газа на подсветку факела, как правило, устанавливается эксплуатационным персоналом с целью предотвращения возможных нарушений стабильности процесса горения при внезапном ухудшении качества АШ.
Применение анализаторов RCA-2000 позволяет по непрерывным изменениям, своевременно
оценивать любые изменения качества топлива и постоянно поддерживать величину подсветки факела на соответствующем оптимальном уровне с минимально необходимым расходом природного газа, что способствует сокращению потребления дефицитного газообразного топлива и повышению экономичности котла.

Выводы

1. Система непрерывного измерения содержания горючих в уносе позволяет оперативно и качественно оценивать протекание топочных процессов при сжигании АШ в котле ТПП-210А, что рекомендуется использовать при проведении наладочных и исследовательских работ, а также для систематического контроля за экономичностью котельного оборудования.
2. Эффективность применения анализаторов RCA-2000 для оптимизации топочного режима ориентировочно оценена по уменьшению показателей механического недожога - содержания горючих в уносе в среднем на 4% и соответственно потери тепла от механического недожога на 2%.
3. В стационарных режимах котла штатные технологические переключения оборудования оказывают влияние на качество топочного процесса. Существенно снижают экономичность котельной установки пусковые операции пылесистемы и завышенный расход природного газа на подсветку пылеугольного факела.

Список литературы

1. Мадоян А. А., Балтян В. Н., Гречаный А. Н. Эффективное сжигание низкосортных углей в энергетических котлах. М.: Энергоатомиздат, 1991.
2. Использование анализатора содержания горючих в уносе “RCA-2000” и газоанализатора “Марс-5” для оптимизации топочного режима пылеугольного котла ТПП-210А Трипольской ТЭС/ Голышев Л. В., Котельников Н. И., Сиденко А. П. и др. - Тр. Киевского политехнического института. Энергетика: экономика, технологии, экология, 2001, № 1.
3. Зусин С. И. Изменение потери тепла с механическим недожогом в зависимости от режима работы котлоагрегата. - Теплоэнергетика, 1958, № 10.