В условиях сжигания низкосортных забалластированных углей чрезвычайно важна задача унификации котельного оборудования для сжигания различных топлив в реальном диапазоне влажности и зольности. Разработка технического задания на реконструкцию котлоагрегатов Бурштынской ГРЭС предусматривает в качестве одного из вариантов установку малогабаритного секционного котлоагрегата с вихревой топкой и жидким шлакоудалением, способного сжигать каменные угли различных сортов и сезонные избытки природного газа (рис. 4.3) с использованием технических решений, разработанных и внедренных на Бурштынской ГРЭС — таких, как РПС и высококонцентрированная подача пыли в топку.
Предварительная унификация топлива перед подачей его в котлоагрегат осуществляется путем применения разомкнутой схемы сушки. В том случае приведенная влажность топлива, подаваемого в котел, будет отличаться незначительно, что дает предпосылки для создания котлоагрегата, унифицированного по топливу.
При разработке котлоагрегата учтены дополнительные требования по повышению маневренности. Котел имеет П-образный профиль, в нем используются технические решения, заложенные в опытно-промышленном котле ТПЕ-427 Новосибирской ТЭЦ-3. В результате разработки достигнуто значительное снижение высоты (на 21 м) и металлоемкости (на 30 %) в сравнении с котлом аналогичной производительности ТПЕ-215.
Рис. 4.3. Вариант размещения малогабаритного котлоагрегата с вихревой топкой и РПС в существующем главном корпусе Бурштынской ГРЭС:
1 — котлоагрегат; 2 — трубчатый воздухоподогреватель; 3 — мельница; 4 — труба-сушилка; 5 — питатель угля; 6 — бункер угля; 7 — сепаратор; 8, 9 — двухступенчатый пылеуловитель РПС; 10 — бункер пыли; 11 — мельничный вентилятор с пылеконцентратором
В связи с увеличением металлоемкости и габаритных размеров ни один из выпускаемых в последние 10—15 лет котлоагрегатов с открытой топкой не может быть установлен взамен отработавших расчетный ресурс. С учетом ухудшения качества топлива высота топки должна быть увеличена не менее чем на 5 м. Поэтому малогабаритные котлы прежде всего должны найти применение на реконструируемых электростанциях. Эскизные проработки по Бурштынской ГРЭС, выполненные Московским отделением института Теплоэлектропроект, показали, что малогабаритный котел для низкосортных каменных углей свободно вписывается в ячейку котлоагрегата ТП-100, подлежащего замене в период после 1995 г. Выбор для замещения малогабаритного котлоагрегата с вихревой топкой определил и систему пылеприготовления. Такие котлоагрегаты компонуются только с РПС, так как только при ее применении возможно решение задачи создания замещающего котлоагрегата, унифицированного по топливу. Унификация оборудования системы пылеприготовления может быть достигнута на базе применения барабанных мельниц, в которых может осуществляться размол всех видов твердых топлив.
В целом принятые технические решения по индивидуальной разомкнутой системе пылеприготовления по сравнению со схемой прямого вдувания пыли в котел позволяют реализовать следующие преимущества повысить надежность работы котлоагрегата и энергоблока в целом на топливе переменных характеристик по качеству за счет стабилизации во времени теплотехнических характеристик топлива;
исключить непосредственное влияние на работоспособность котлоагрегата работы системы пылеприготовления (благодаря наличию промежуточных бункеров пыли, что особенно важно для маневренного блока);
повысить экономичность блока за счет уменьшения температуры уходящих газов;
упростить систему автоматизации системы пылеприготовления и котлоагрегата в целом.
Наряду с вихревой топкой новыми типами топок являются полуподовая, инвертная, тангенциальная и др. Топки такого типа принято именовать устройствами с организацией сжигания в больших вихрях, которые отличаются применением принципа соударения крупных воздушных струй друг с другом или со стенкой. Из графике (рис. 4.4) видно, что в обычной топке имеет место малый градиент скорости и большая неравномерность температур и концентрации факела в поперечном сечении топки, а в топке с организацией сжигания топлива в больших вихрях — наоборот большой ход средних температур и концентраций по длине факела (высоте топки), что видно из рис. 4.5.
К преимуществам реализации топочного процесса в больших вихрях относятся:
возврат продуктов горения к месту подачи воздуха — способствует догоранию компонентов недожога, что позволяет «растягивал горение без увеличения недожога;
возвращение продуктов горения к корню факела уже охлажденными, что выравнивает температуру в нем;
создание зоны с недостатком воздуха вблизи центра вихря путей подачи в нее определенной части топлива — обеспечивает высокую устойчивость горения и уменьшает образование вредных окислы серы и азота;
возможность значительном неравномерности подачи топлива (во духа) в топку благодаря большим градиентам скорости во всем объеме;
улучшение использования нижней и верхней частей топки за счет выравнивания температур газов по ее высоте и интенсификации лучистого и конвективного теплообмена;
малое число подводов воздуха в топку — упрощает автоматизацию управления процессом горения.
Использование принципа соударения струй дает дополнительное преимущество, заключающееся в возможности управления большими вихрями и процессом перемешивания в них, что позволяет оптимизировать ход тепловыделения и теплообмена в топке в зависимости от вида топлива и нагрузки.
Эффективность организации топочного процесса определяется не только аэродинамической структурой потока, но и местом и способом ввода топлива в топку, т. е. начальным распределением концентраций, а также скоростей и направлений движения частиц топлива. От этого зависят как устойчивость воспламенения, так и характер дальнейшего выгорания топлива по высоте топочной камеры. Таким образом, в топках с большими вихрями (безгорелочные топки) имеется еще одна возможность управления процессом горения, в случае высокореакционных топлив наряду с угрублением помола до Rм90 = 35...40 % для сжигания в верхней зоне топки можно организовать сжигание более крупных частиц в нижней части топки. Таким образом, может быть создано двухзонное топочное устройство для сжигания угрубленной пыли и возврата пыли из одноступенчатого сепаратора в холодной воронке. В этом случае система пылеприготовления промбункером и двухзонная топка реализуют бессепараторный режим работы, обеспечивая значительное увеличение производительности систем пылеприготовления и устойчивую работу нижней части топки на крупной пыли, возвращенной из сепаратора. Двухзонная топка В. В. Померанцева с низкотемпературным вихрем (НТВ) сжигает основную массу топлива в нижней части топки, а дожигание остального топлива осуществляется в ее верхней части. Испытания котлоагрегата НК-24 на Иркутской ТЭЦ-10 показали, что при сжигании азейского бурого угля в топке с НТВ обеспечивается устойчивое горение немолотого угля и бесшлаковая работа поверхностей нагрева. При этом имеют место повышенный механический недожог, а также интенсивный износ экранов холодной воронки углем, транспортируемым воздухом нижнего дутья со скоростью 90 м/с. Исследования подтверждают эффективность организации процесса в нижней части топки в режимах жидкого и твердого шлакоудаления.
Рис. 4.6. Двухзонная топка:
1 — подвод топлива; 2 — подвод вторичного воздуха; 3 — нижнее дутье
Более универсальным является такой двухдонный процесс, при котором основная доля топлива сжигается в аэродинамически организованном факеле, а небольшая его часть — в нижней части топки (рис. 4.6) В таком топочном устройстве появляется возможность регулирования загрузки основной (верхней) и дополнительной (нижней) зон горения в зависимости от характеристик топлива, что может осуществляться как изменением распределения подачи топлива и воздуха в зоны, так и дисперсностью его размола. Тогда нижняя часть топки работает, главным образом, на грубых фракциях топлива при коэффициенте избытка воздуха на поданное топливо, меньшем единицы: причем с повышением реакционности топлива подача его в нижнюю зону за счет угрубления помола возрастает. Работа нижней зоны в газификационном режиме обеспечивает высокую устойчивость горения крупнозернистого топлива. Здесь можно обеспечить аэродинамическую симметричность процесса и хороший обдув скатов холодной воронки, чтобы не допустить их шлакования и износа.
Для факельного сжигания в верхней зоне наиболее целесообразно применять инвертную топочную схему, в которой воздух подается через круглые сопла на оба ската под углом 20—30° к ним (рис. 4.7).
Эксплуатация котлов с инвертными топками на Зуевской ТЭЦ (мазут) и Мироновской ГРЭС (уголь, мазут) показала достаточную надежность насадков воздушных сопл, находящихся в потоке газов, имеющих высокую температуру (1200—1300 °С). Расчетная температура металла насадков составляет 650—700 °С, т. е. умеренная температура для аустенитной стали. Результаты опытно-промышленной эксплуатации котлоагрегатов с инвертными топками дали положительные результаты, что является достаточным основанием для их дальнейшего совершенствования и распространения на котлоагрегаты крупных ТЭС.
Рис. 4.7. Двухзонная топка с твердым шлакоудалением (ТШУ) (а) и инвертная топка с жидким шлакоудалением (ЖШУ) (б);
1 — верхние воздушные сопла; 2 — нижние воздушные сопла; 3 — ввод пыли ПВКр; 4 — мазутные форсунки; 5 — при подовых мазутных горелках
Таким образом, из всех топочных устройств с управляемым процессом горения наиболее универсальным решением, требующим минимальных затрат на реконструкцию и разработку новых топок и в то же время сохраняющим элементы традиционного факельного сжигания, является двухзонная топка. Ее оптимальное применение, по-видимому, связано с использованием низкосортного реакционного топлива с теплотворной способностью 3000— 4000 ккал/кг, содержанием балласта 50—65 %, крупностью помола в верхней зоне до 35 % по ситам
, а в нижней зоне — от 60 % и 10—12 % соответственно.
Рис. 4.8. Аэродинамические схемы горения в моделях двухзонной топки (в вертикальной плоскости симметрии) при подаче воздуха в сопла 1 (а), в сопла 2 (б), в сопла 1 (50 %), 2 (40 %) и 3 (10 %) (в) (4 — концентрированная пыль)
За пределами приведенных значний теплотворной способности находятся, с одной стороны, традиционные открытые топки с факельным сжиганием, а с другой, — для сильно забалластированных углей — сжигание в кипящем слое и другие способы факельно-слоевого сжигания.
На ближайшую перспективу область применения двухзонных опок достаточна для сжигания низкосортных углей теплотворной способностью до 3000 ккал/кг включительно, исходя из минимизации затрат на разработку новых технических решений и с точки рения уменьшения выбросов окислов азота.
В НПО ЦКТИ им. Ползунова И. И. отработано устройство струйного типа с обдувом обоих скатов холодной воронки, которое должно повысить интенсивность горения и теплообмена в ней за счет затягивания в нижнюю зону основного факела. Эта аэродинамическая схема нижней зоны удачно сочетается с инвертной схемой сжигания в верхней зоне, что, в частности, подтверждается аэродинамическими исследованиями двухзонной топки (рис. 4.8).
Создание двухзонной топки значительно снижает требования к глубине сушки и тонкости размола пыли и в то же время предполагает дальнейшее совершенствование схем пылеприготовления и пылеподачи. Поэтому работы, ведущиеся в этом направлении, являются перспективными и, в свою очередь, позволяют ускорить разработку конструкции двухзонной топки. К ним прежде всего следует отнести применение РПС с газовой сушкой топлива, подачу пыли высокореакционных углей системой ПВКр, реконструкцию сепаратора для получения пыли угрубленного помола и др. Эти элементы схемы пылеприготовления и пылесжигания существенно упрощают реконструкцию и опробование инвертной топки на каменном угле в условиях действующего оборудования. Источником пыли угрубленного помола может служить ввод в нижнюю часть топки пыли, возвращенной из сепаратора.
Одновременно с этим решается проблема маневренности котлоагрегата на твердом топливе, так как для этих условий предпочтительнее иметь твердое шлакоудаление (ТШУ), которое является основным видом шлакоудаления для инвертных топок на высокореакционном топливе. Рассмотрим, например, работающие на газовых углях котлоагрегаты ТП-100 (ТП-100А) с ЖШУ Бурштынской ГРЭС и ТП-109 с ТШУ Кураховской ГРЭС. Топки котлоагрегатов ТП-100 и ТП-109 отличаются лишь конструкцией нижней части и высотой, которая у ТП-109 больше на 2500 мм. В табл. 4 приведены основные характеристики трех вариантов топок: для котлоагрегатов ТП-109 и ТП-100 до и после модернизации для сжигания высокозольного промпродукта с теплотой сгорания 3000 ккал/кг без использования мазута.
Из таблицы 4 видно, что благодаря угрублению помола пыли верхней зоны топки до 35 % и нижней зоны до 60 % по остатку на сите, путем подачи в топку недосушенной пыли, возвращенной из сепараторов, значительно повышается производительность систем пылеприготовления и обеспечивается номинальная мощность блока без добавки мазута (газа).
Как показывает опыт эксплуатации котлов с низкотемпературной вихревой топкой при переводе от ЖШУ к ТШУ температура на выходе из нее снижается. Это обусловлено как уменьшением шлакования стен топки вследствие их самоочистки грубой пылью, так и заметным увеличением конвективной составляющей теплообмена между факелом и экранами.
На рис. 4.9 приведены система пылеприготовления и двухдонное топочное устройство для сжигания пыли угрубленного помола. Здесь использованы РПС в сочетании с ПВКр. Важную роль играет подача в верхнюю часть топки эжекторами тонкомолотой пыли из батарейного циклона с тониной помола R90 до 10 % наряду с пылью после одноступенчатого сепаратора с тониной помола до 35 %. В нижнюю часть топки подается пыль из отвеивателя, назначение которого, в основном, — отделить крупные частицы с остатком на сите R100 и R1000, которые имеются в незначительном количестве в пыли, возвращенной из сепаратора. Эти частицы могут вызвать увеличение механического недожога и износ экранов холодной воронки. Шибером 10 можно регулировать долю крупной пыли, подаваемой в нижнюю часть топки и возвращаемой на дополнительный размол в мельницу, что позволит изменять условия сжигания топлива в нижней части топки.
Таким образом, котел ТП-100 с двухзонной топкой и подачей в нее грубой пыли может быть прототипом для модернизации энергоблоков мощностью 200 и 300 МВт с целью сжигания забалластированных топлив как в режиме ТШУ для газовых углей, так и в режиме ЖШУ для АШ и тощих углей. В табл. 4 приведены результаты предварительных расчетов варианта реконструкции котлаТП-100 для сжигания промпродуктов газовых углей на базе двухзонной топки в сравнении с фактическими режимами работы котлов ТП-109 и ТП-100. При этом решаются две проблемы — обеспечение работы блока без подсветки (т. е. увеличивается использование твердого топлива) и несение котлоагрегатом номинальной нагрузки на забалластированном угле, использование которого до настоящего времени невозможно в теплоэнергетике. Такая реконструкция сравнительно малозатратна и может быть выполнена во время капитального ремонта продолжительностью до 6 мес. Этот срок ремонта необходим для проведения модернизации блоков, отработавших расчетный ресурс, с целью замены корпусов турбин, элементов паропроводов и выполнения других специальных работ.
