Недостатком встречной компоновки горелок в ее современном исполнении является крайне неравномерное распределение тепловыделения, особенно по высоте топочной камеры. Как показывают исследования топочных камер газомазутных котлов, максимальные тепловые потоки, падающие на экранные трубы, имеют место в нижней части камеры, в зоне расположения горелок. В средней части камеры отмечается резкое уменьшение падающих тепловых потоков с последующим медленным их снижением к выходу из топочной камеры. Так, например, в котле ΤΓΜΠ-3Ϊ4 максимальные тепловые потоки приходятся на район НРЧ и достигают уровня 700—725 кВт/м2 [600—625-103 ккал/(м2-ч)]. Выше верхнего яруса горелок происходит резкое снижение qпад до 407—465 кВт/м2 [350—400-103 ккал/(м2-ч)], а затем монотонное уменьшение их значения по высоте камеры до 175—232 кВт/м2 [150— 200· 103 ккал/(м2-ч)] на выходе из топки [3.1]. Высокие тепловые нагрузки в нижней части топочной камеры приводят к возрастанию температур металла экранных поверхностей нагрева до высоких значений. Это влечет за собой снижение надежности работы экранов топки, уменьшение срока их службы, интенсификацию процесса высокотемпературной коррозий.
Концентрация тепловыделения в нижней части топки вызвана тесной компоновкой горелок (в границах НРЧ). Взаимодействие встречных факелов также способствует увеличению неравномерности тепловыделения. Следствием этого является высокий уровень локальных падающих тепловых потоков. Например, в топочной камере котла ТГМП-204 блока 800 МВт значения падающих тепловых потоков в зоне НРЧ составляют 815 кВт/м2 [700·103 ккал/(м2·ч)]. При таком высоком уровне тепловых потоков снижается запас по надежности теплонапряженных поверхностей нагрева в топке, поскольку температура стенок экранных труб приближается к предельной.
Целью применения подовой компоновки горелок на газомазутных котлах СКД является достижение более равномерного распределения тепловой нагрузки экранов по высоте топки, снижение максимального значения тепловых потоков. Это позволяет улучшить температурный режим топочных экранов и повысить их надежность, а также уменьшить число установленных горелок, повысить ремонтопригодность оборудования. Рекомендуется двухрядное расположение горелок. При этом для двухкорпусных котлов блоков 300 МВт производительность горелки составляет 4,0—4,5 т/ч при их количестве на корпус 8 шт. Для однокорпусных котлов блоков 300 МВт при таком же количестве их единичная производительность увеличивается до 9 т/ч. Для котлов блоков 800 и 1200 МВт единичная производительность подовой горелки составляет 15,7 т/ч при количестве горелок соответственно 12 и 20 на котел [3.1].
На рис. 3.6 показаны схема расположения горелок котлов ТГМП-204П Рязанской ГРЭС и горелочное устройство, которое имеет четыре воздушных канала и канал газовой рециркуляции. Внутренний канал, в котором расположены паромеханическая форсунка «Титан-М» и запальное устройство, заканчивается аксиальным завихрителем из восьми лопаток. На входе в центральный канал предусмотрен неподвижный тангенциальный регистр, состоящий из 18 лопаток. На входе и периферийные каналы установлены отключающие шиберы с ручным и электрифицированным приводом [3.25|.
Характерными особенностями аэродинамики топочных камер с подовым расположением горелок являются развитая по всему периметру низа топки зона внешней рециркуляции газов к факелам горелок, мощный опускной ток газов по всей высоте боковых экранов и относительно малая степень заполнения топочного объема основным газовым потоком в нижней части топки. Хорошо развитая зона внешней рециркуляции газов между стенами топки и факелами горелок обеспечивает быстрый прогрев и устойчивое воспламенение факелов горелок и компенсирует практическое отсутствие рециркуляционных зон между факелами отдельных горелок. Об этом свидетельствует опыт эксплуатации котлов ТГМП-204П на Рязанской ГРЭС, где максимальные значения тепловых потоков в зоне НРЧ снизились на 20—25%, а максимальные температуры металла труб НРЧ—на 40—50°С [3.25]. Это увеличивает ресурс их работы. Несмотря на увеличение единичной мощности горелок в 3 раза, концентрация окислов азота в дымовых газах на этих котлах на ~ 10% ниже, чем на серийных котлах ТГМП-204 со встречными настенными горелками. Уменьшилась также опасность возникновения высокотемпературной газовой коррозии экранных труб.
Подовые горелки на котлах ТГМП-314П в сочетании с паромеханическими форсунками «Титан-М» обеспечивают эффективное сжигание мазута с предельно малыми избытками воздуха за пароперегревателем (1,01—1,02) в широком диапазоне изменения нагрузок. При этом потери теплоты не превышают 0,15 % [3.1]. Эффективным средством регулирования топочных процессов в камерах с подовым расположением горелок стало изменение значения и направления крутки потока на выходе из них.
Обеспечение надежной и экономичной работы мазутных форсунок
В связи с существенным влиянием несоответствия расходов топлива и воздуха на режим горения в топочной камере котла считается допустимым рассогласование расходов мазута и воздуха в горелках от средних значений не более чем на ±3 ,%. При этом равномерное распределение топлива по горелкам обеспечивается подбором форсунок с одинаковыми расходными характеристиками и симметричной трассировкой мазутопроводов к форсункам, обеспечивающей идентичные гидравлические сопротивления участков мазутопровода за общим регулирующим мазутным клапаном котла. Трассировка воздухопроводов к горелкам котла (при индивидуальном подводе) или к сторонам (ярусами) котла (при общем или групповом подводе воздуха) должна обеспечивать максимально возможную равномерность распределения воздуха по горелкам, ярусам или сторонам котла. Обычно большая неравномерность приводит к увеличению потери от механического недожога, тепловой неравномерности в работе панелей экранов, а иногда к общему тепловому перекосу по сторонам топочной камеры. Наладкой воздушного режима топочной камеры и каждой горелки неравномерность распределения воздуха между ними обычно снижают до 5—6 % [3.24].
Надежность и экономичность работы газомазутных котлов в значительной мере зависят от типа и конструкции используемых форсунок, соблюдения правил их подготовки (ревизии и тарировки), установки и эксплуатации. На котлах, постоянно работающих в диапазоне нагрузки 100—40 % номинальной, как правило, применяются форсунки паромеханического типа.
Из существующих в настоящее время форсунок этого типа предпочтение отдается форсункам ТКЗ-7, «Титан», «Титан-М» ПО ТКЗ (рис. 3.7, г, д), в которых применены винтовые распылители топлива. Эти форсунки формируют конусную струю распыленного мазута с углом раскрытия 85—110 ° [1.16].
На котлах, работающих в диапазоне нагрузок 100—70 % номинальной, наряду с паромеханическими используются форсунки механического распиливания: нормализованные по ОСТ 24.03.009 завода «Ильмарине» (рис. 3.7, а), двухканальные с обратным сливом типа MCRC для горелок «Пиллард» (рис. 3.7,б), двухступенчатые конструкции ВТИ-Белэнергоремналадка (рис. 3.7, в), а также некоторые другие конструкции.
К паромеханическим и механическим форсункам мазут должен подаваться подогретым до температуры, при которой вязкость его не превышает 2,5 °ВУ (16 мм2/с).
Кроме того, мазут должен быть профильтрованным через сетку 0,5x0,5 мм или пластины с зазором 0,5 мм. В качестве грубых и тонких фильтров применяются как сетчатые, так и пластинчатые фильтры.
Давление мазута перед форсунками (кроме режима растопки котла) должно быть не менее 1,2 МПа (12 кгс/см2). Мазутные хозяйства электростанций комплектуются насосами, создающими давление до 4 МПа (40 кгс/см2), что позволяет изменять давление перед форсунками от 3,5 до 1,2 МПа (от 35 до 12 кгс/см2), при этом производительность одноступенчатых форсунок изменяется по квадратичной характеристике.
Паромеханические форсунки ТКЗ-7, «Титан», «Титан-М», особенно с металлокерамическими распылителями, обладают достаточно высокими показателями по эрозионной стойкости, а также стабильности расходных и дисперсных характеристик во времени. Однако форсунки требуют повседневного наблюдения, а после смены комплекта — проверки на стенде, замены и подгонки деталей. При этих условиях возможно их 3—5-кратное использование. Форсунки, изготовляемые в станционных условиях, по эрозионной стойкости и стабильности дисперсных и расходных характеристик уступают поставляемым заводами (из-за отсутствия или недостаточности термообработки).
Возможности организации режимов сжигания мазута с малыми избытками воздуха при номинальной и близких к ней нагрузках в газомазутных котлах при использовании паромеханических форсунок и форсунок механического распыливания примерно одинаковы.
Однако при глубоких разгрузках котлов паромеханические форсунки и форсунки механического распыливания неравноценны. Так, форсунки ТКЗ-7, «Титан», «Титан-М» обеспечивают возможность качественного распиливания во всем диапазоне нагрузок с небольшим увеличением избытка воздуха (до 5%). Это позволяет проводить растопки котла без применения специальных растопочных форсунок. Кроме того, при полной производительности они могут работать как механические, без подачи пара на распыливание или с малым его расходом. Распыливающий пар играет более важную роль при сниженных нагрузках, при этом расход его на распыливание топлива относительно невелик и составляет 0,02—0,05 кг на 1 кг мазута [1.16].
Форсунки механического распиливания имеют диапазон качественного регулирования, как правило, не ниже 65—70 % номинальной нагрузки котла с одновременным увеличением избытка воздуха до 7—8 %. Более глубокое разгружение требует отключения части горелок. Это ухудшает топочный режим и увеличивает коэффициент избытка воздуха.
В целях расширения диапазона регулирования нагрузки без отключения горелок, ликвидации потерь пара, отказа от растопочных форсунок применяются двухступенчатые форсунки механического распиливания (рис. 3.7, в), включаемые в двухконтурную схему подачи к ним мазута (рис. 3.8). В этой схеме линия подачи мазута на котле после измерительной диафрагмы и отсечного клапана разветвляется на два контура: постоянно действующий (нерегулируемый контур), который обеспечивает 25—30 % нагрузки, и регулируемый контур. При работе котла изменение количества поступающего к форсункам мазута достигается воздействием только на регулируемый контур. Мазут по двуствольной трубе подается к распылителю. По наружной трубе поступает мазут постоянно действующего контура (первая ступень), по внутренней — мазут регулируемого контура (вторая ступень). Мазут обоих контуров через отдельные завихрители поступает в общую выходную камеру (см. рис. 3.7, в).
Рис. 3.8. Двухконтурная схема подачи мазута в котле ТГМП-114:
1 — горелки; 2 — линия рециркуляции; 3 — подача пара; 4- подача мазута из магистрали; 5 — измерительная диафрагма; 6 — отсечный клапан; 7- регулятор; 8 — подача в топочную камеру соседнего котла; 9 — регулируемый контур; 10 — постоянно действующий контур
Так как давление в нерегулируемом контуре максимальное и при изменении нагрузки не меняется, обеспечивается хорошее распиливание мазута.
До последнего времени распиливающие элементы форсунок изготовляли из конструкционных и инструментальных сталей методом механической обработки или листовой штамповки [3.3], при этом стальные распылители в процессе эксплуатации подвергались быстрому эрозионному износу под действием твердых минеральных частиц, содержащихся в мазуте. В результате эрозии форсунок наблюдалось быстрое изменение геометрических размеров распылителя (диаметра сопла, диаметра камеры завихрения, площади сечения тангенциальных каналов), что приводило к нарушению процесса сжигания топлива. Для улучшения, топочного режима, особенно при работе с малыми избытками воздуха, приходилось часто производить ревизию форсунок с заменой распиливающих элементов (завихрители, сопла), Максимальный срок службы без изменения расходных характеристик составлял не более 30 дней, после чего приходилось менять завихрители мазута и сопла.
В настоящее время эксплуатируются паромеханические форсунки с распылителями из металлокерамики. Например, применение распылителей из вольфрамокарбидных сплавов, изготовленных Таллинским политехническим институтом для форсунок «Титан-М» производительностью 16 т/ч на котлах ТГМП-204П и ТГМП-204 блоков 800 МВт, позволило увеличить срок службы форсунок (практически без изменения расходных характеристик) с 700—750 до 3500—4000 ч [1.1].
Эти распылители не получили, однако, широкого распространения в механических форсунках из-за явления «роста металлокерамики» под воздействием высоких температур, возникающих при отключении подачи мазута в форсунку. В результате этого роста происходит изменение геометрических размеров камеры завихрения и выходного отверстия распылителя, что приводит к изменению расходной характеристики форсунки. При установке металлокерамических распылителей в паромеханическую головку подача пара на форсунку при отключении мазута не прекращается, что обеспечивает ее охлаждение и предупреждает «рост металлокерамики»,
