Технология сжигания в циркулирующем кипящем слое - Прямоточные котлы со сверхкритическими параметрами пара

Следующий шаг: прямоточные котлы со сверхкритическими параметрами пара. С тех пор, как технология ЦКС начала продвигаться на рынок крупных энергетических блоков, где наиболее важным является увеличение экономичности цикла, была изучена возможность их работы при сверхкритическом давлении пара. В дополнение к повышению экономичности и снижению затрат на топливо установки со сверхкритическими параметрами дают природоохранный выигрыш в виде снижения удельных выбросов диоксида углерода (парниковый эффект) и снижению эмиссии SOx и NOх (кислотные дожди).
Использование прямоточного котла на сверхкритическое давление пара и технологии ЦКС сочетает преимущества обоих и очень привлекательно. Достигаемое при переходе от котлов с естественной циркуляцией к прямоточным со сверхкритическими параметрами повышение КПД энергоблоков иллюстрируется рис. 8. На нем показано также, к какому времени сверхкритические параметры станут обычными. Повышение КПД составит как минимум 3%.
В установках с естественной циркуляцией давление пара регулируется с помощью расхода сжигаемого топлива. Температура перегретого пара определяется требуемыми размерами теплообменной поверхности пароперегревателя и регулируется впрыском воды. В прямоточной установке питательный насос будет давать расход пара, а температура перегретого пара управляться с помощью расхода сжигаемого топлива.
При проектировании прямоточного котла важно избежать перегрева экранных труб топки при неравномерном тепловосприятии и ограничить температурные разверки между соседними трубами. Этого можно добиться путем проектирования топочных экранов с высокими массовыми скоростями среды, что вызывает, однако, большие потери давления и, следовательно, увеличивает затраты электроэнергии на собственные нужды.
Причиной трудностей является то, что при прямоточном движении наиболее нагретые трубы будут иметь уменьшенный расход из-за увеличения потерь давления на трение, составляющих значительную долю суммарных потерь давления. Высокие тепловые нагрузки при пониженных расходах могут вызвать рост температуры пара, следовательно, температуры металла труб и их повреждение. Для обеспечения высоких массовых скоростей испарительные экраны топки проектировались много- или одноходовыми со спиральной навивкой. Однако спиральная навивка неприменима для блоков с ЦКС, так как не защищенные футеровкой трубы подвергались бы эрозии.
Современные конструкции прямоточных котлов Бенсона выполняются с экранированием топки вертикальными трубами с небольшими массовыми скоростями и простым одноходовым вертикальным движением среды. Это позволяет безопасно работать со скользящим давлением пара на всех эксплуатационных режимах без перегрева труб.
Показанный на рис. 7 котел с ЦКС спроектирован с вертикальными панелями Бенсона и “компакт-дизайном” для блока 600 МВт (эл.). В нем, в частности, используются четыре двухвихревых компакт-сепаратора материала, размещенных на каждой стороне топки. Твердые частицы, выносимые из топки дымовыми газами, улавливаются с помощью сепараторов и охлаждаются в теплообменниках INTREX. Использование их в качестве пароперегревателей позволяет поддерживать в эксплуатации температуры в топке, оптимальные для сокращения выбросов, и эффективно осуществлять конечный перегрев пара.
Ограждение топки сформировано вертикальными, параллельно включенными трубами. Среда, покидающая их, проходит через полнопроходный тангенциальный сепаратор пара. Пар из сепаратора перегревается в трубах потолочного экрана топки, ограждениях компакт-сепараторов и конвективной шахты отвода тепла, в конвективных пароперегревателях в этой зоне и окончательно в теплообменниках INTREX. Промежуточный пароперегреватель размещен над экономайзером в виде последовательно расположенных пакетов. Выходная температура промежуточного перегретого пара регулируется с помощью запатентованной компанией “Фостер-Уиллер” байпасной системы. Эта задача, однако, может решаться и другими методами: например, с помощью параллельных газоходов или расположения перегревателя в теплообменнике INTREX с регулированием количества материала и процесса ожижения.
Стандартные впрыски будут всегда обеспечивать требуемое быстродействие при поддержании параметров. Котел с ЦКС с вертикальными панелями Бенсона и “компакт-дизайном” позволяет использовать преимущества эксплуатации при скользящем давлении. Если давление в системе снижается, уменьшается температура насыщения, то требуются изменения температуры воды и газов в испарительной части. Эксплуатация при скользящем давлении более инерционна или смягчает изменение нагрузки. Кроме того, в котлах с ЦКС имеется определенный запас твердого материала как в топке, так и теплообменниках INTREX, и кроме того, есть обмуровка, которые также влияют на тепловую инерцию котла.
Интенсивные работы по моделированию были выполнены компанией “Фостер-Уиллер” для развития системы управления, координирующей тепловой поток к пароводяной среде в котле с нагрузкой блока. Первой задачей является поддержание требуемого соотношения количества тепла, передаваемого в пароводяной тракт, и расход питательной воды при быстрых изменениях нагрузки. В котле с ЦКС можно управлять несколькими параметрами. Это увеличивает эксплуатационную гибкость блока и облегчает выполнение требований к его динамическим характеристикам. Например, тепловосприятие может быть быстро изменено путем изменения профиля распределения материала и тепловых потоков внутри топки с помощью варьирования количества и перераспределения по зонам первичного и вторичного воздуха, поступающего в топку.
Дополнительное увеличение маневренности возможно при установке теплообменников INTREX с их уникальными регулировочными свойствами. Для того, чтобы сделать прямоточный котел с ЦКС эквивалентным или сопоставимым с обычным пылеугольным на режимах ступенчатого или линейного изменения нагрузки, можно использовать и обычные средства регулирования, такие, как запас дросселирования при работе на скользящем давлении и дросселирование пара, отбираемого на подогреватели питательной воды. Уникальным для прямоточного котла с ЦКС является нечувствительность к возмущениям по расходу топлива и его качеству вследствие стабилизирующего действия материала слоя.
В целом технология ЦКС является вполне приемлемой для прямоточных котлов со сверхкритическими параметрами пара. Такие котлы будут третьим поколением котлов с ЦКС.
Компания “Фостер-Уиллер” была лидером в технологии и на рынке котлов с ЦКС в течение всей истории их применения в электроэнергетике. Технология постоянно развивается, используя улучшенные конструктивные решения и увеличивая единичные мощности котлов для энергетических блоков. “Компакт-дизайн” и теплообменник INTREX являются хорошими примерами таких усовершенствований. Электростанция “Туров” в Польше, так же как и котлы в Джексонвилле (США), доказывает, что технология освоена для нужных энергосистемам типоразмеров. Следующим шагом в развитии технологии является переход к прямоточным котлам со сверхкритическими параметрами пара. Работы над ними уже начаты, а реализация ожидается в ближайшем будущем.