ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Выбор оптимального решения по использованию рециркуляции газов при сжигании природного газа
Капельсон Л. М., Харитонов А. Ф., Голов В. В., инженеры АО "Фирма ОРГРЭС” - ГРЭС-24 Мосэнерго
Ввод рециркулирующих газов в топочную камеру в современных газомазутных котлах может иметь два назначения: регулирование температуры перегретого пара (вторичного пара в прямоточных котлах) и воздействие на образование оксидов азота. Требования к способу ввода в топочную камеру рециркулирующих газов и к их количеству различны в зависимости от назначения.
Так, для поддержания температуры пара на необходимом уровне с увеличением нагрузки котла требуется уменьшение количества вводимых в топочную камеру газов, в то время как для подавления оксидов азота с ростом нагрузки необходимо, наоборот, увеличивать количество вводимых рециркулирующих газов.
Оптимальный способ ввода рециркулирующих газов в топочную камеру также различен в зависимости от их назначения. Если для достижения максимального эффекта по подавлению оксидов азота газы рециркуляции следует вводить в основные горелки вместе с воздухом или отдельным каналом, то для получения максимального роста температуры перегретого пара целесообразно вводить газы через под топки или ниже горелок.
Выбор оптимального решения по использованию системы рециркуляции газов в широком диапазоне нагрузок был выявлен на котле П-74 при сжигании в нем природного газа.
Котел П-74 производительностью 1000 т/ч - прямоточный, сверхкритического давления, работает в блоке с турбиной К-300-240-4. Котел имеет призматическую топочную камеру с размерами в плане 20,2 х 9,99 м, т.е. сечение топки на уровне горелок почти вдвое превышает сечение топок серийных котлов ТГМП-314 и ТГМП-344, имеющих такую же производительность. Теплонапряжение топочного объема при номинальной нагрузке котла составляет 116 кВт/м3 [100 х 103 ккал/(м3-ч)], что более чем вдвое ниже нормативного значения для котлов, рассчитанных на сжигание природного газа.
Ограждение топочной камеры выполнено из цельносварных панелей. Котел предназначен для работы с уравновешенной тягой. В топочной камере в один ряд установлено встречно 12 газовых горелок - по 6 на фронтовой и задней стенах. В проектном исполнении горелки были двухканальные с прямоточным вводом центрального воздуха и с завихрителем в периферийном канале. Ниже горелок на 7,5 м были выполнены 12 сопл для ввода рециркулирующих газов, отбираемых из газохода перед водяным экономайзером двумя дымососами рециркуляции газов (ДРГ), оснащенными двухскоростными электродвигателями.
После того как выяснилось, что ввод рециркулирующих газов через сопла вдали от горелок может использоваться только для повышения температуры промежуточного пара и не может служить способом подавления оксидов азота, нижние сопла были заглушены, а ввод рециркулирующих газов был осуществлен в центральный и периферийный каналы горелок. Ввод рециркулирующих газов в горелки превратил их в эффективное средство подавления оксидов азота, позволив снизить концентрацию NOx при номинальной нагрузке котла ниже нормативного значения. Однако из-за ограничения количества газов рециркуляции, которые можно было подать через горелки по условию сохранения устойчивости воспламенения и горения топлива, максимально достижимая температура промежуточного пара снизилась по сравнению с имевшей место в первый период эксплуатации котла.
Выполненная модернизация горелок, заключавшаяся в установке в центральном канале аксиального завихрителя и изменении газовыпускной части горелок, несколько увеличила устойчивость воспламенения топлива, позволила увеличить подачу рециркулирующих газов при пониженных нагрузках котла. Однако при 50%-ной нагрузке котла и оптимальном воздушном режиме (а'вэ = 1,05 ^ + 1,07) температура промежуточного пара не превышала 515°С.
Для организации ступенчатого сжигания газа по проекту ХЦКБ УГПО “Энергопрогресс” выше основных горелок были смонтированы воздушные сопла. Подвод воздуха к ним осуществлялся из коробов перед горелками. Принятая схема воздухопроводов оказалась неудачной. Даже при полном открытии шиберов перед воздушными соплами почти весь воздух продолжал поступать в основные горелки, аэродинамическое сопротивление которых оказалось почти вдвое ниже расчетного. В этих условиях организовать ступенчатое сжигание, использовав его для снижения выбросов NOx, не удалось.
Рис. 1. Схема подвода воздуха и рециркулирующих газов в топку котла П-74:
1 - топка; 2 - центральный воздух; 3 - периферийный воздух; 4 - горелки; 5 - нижние сопла; 6 - сопла верхнего дутья
С целью повышения температуры промежуточного пара при пониженных нагрузках котла по предложению ОРГРЭС были восстановлены сопла, расположенные ниже горелок, для подачи в них рециркулирующих газов при сохранении подачи рециркулирующих газов в центральный и периферийный каналы горелок. Реализация предложенной схемы должна была повысить температуру вторичного пара за счет увеличения общего количества вводимых в топочную камеру рециркулирующих газов без ухудшения устойчивости факела у горелок.
На рис. 1 показана схема подвода воздуха и рециркулирующих газов в топку котла П-74 после выполненной реконструкции системы рециркуляции газов.
Целью испытаний котла было определение влияния разных режимов использования системы рециркуляции газов на температуру вторичного пара, уровень концентрации оксидов азота и экономические показатели котла и блока при разных нагрузках.
Рис. 2. Зависимость температуры вторичного пара от нагрузки котла после модернизации горелок и системы рециркуляции газов:
1 - газы рециркуляции подаются в горелки; 2 - газы рециркуляции подаются в горелки и нижние сопла; 3 - то же при работе электродвигателей ДРГ на второй скорости
Испытания проводились при четырех значениях нагрузки блока: 305 - 307, 249 - 251, 200 - 202 и 154 - 156 МВт в диапазоне паропроизводительности котла 460 - 970 т/ч.
При разных нагрузках были проверены режимы с различной степенью открытия шиберов к нижним соплам, с подачей газов рециркуляции только в периферийный канал горелок, а также в периферийный и центральный каналы. Проверено влияние на режим котла открытия шиберов к соплам верхнего дутья.
Несмотря на имеющую место значительную неравномерность распределения воздуха и рециркулирующих газов между горелками, при отсутствии индивидуальных шиберов на воздуховодах к горелкам, в проверенном диапазоне нагрузок при коэффициенте избытка воздуха до водяного экономайзера 1,05 - 1,07 обеспечивается работа котла практически без химической неполноты сгорания ( q3 < 0,02%).
Большинство опытов было проведено при полной загрузке двух ДРГ на первой скорости электродвигателей, т.е. с полностью открытыми направляющими аппаратами.
На рис. 2 показаны значения температуры промежуточного пара на разных нагрузках котла при вводе рециркулирующих газов в горелки и нижние сопла и только в горелки.
Следует отметить, что выражение “только в горелки” нужно принимать условно, поскольку шиберы на подаче рециркулирующих газов в нижние сопла полностью не закрывались для их защиты от обгорания. Поэтому в опытах с подачей газов “только в горелки” часть рециркулирующих газов все-таки поступала в топку и через нижние сопла.
Как видно из рис. 2, открытие шиберов к нижним соплам позволило увеличить температуру промперегрева от 5°С на номинальной нагрузке до 10°С на 50%-ной.
Рис. 3. Зависимость концентрации NO* от нагрузки котла при разном вводе рециркулирующих газов в топку:
1 - ввод рециркулирующих газов в горелки; 2 - ввод рециркулирующих газов в горелки и нижние сопла
Так, подача рециркулирующих газов кроме горелок еще в нижние сопла увеличила температуру промперегрева при нагрузке 150 МВт с 515 до 525°С. На графике показано, что переход электродвигателей ДРГ на вторую скорость позволяет дополнительно поднять температуру промперегрева на 5°С. Однако этот эффект достигается ценой значительного увеличения расходуемой мощности электродвигателями ДРГ. Так, суммарный расход электроэнергии двух ДРГ при переходе на вторую скорость увеличился с 650 до 1400 кВт, т.е. вдвое, что делает такой режим экономически неоправданным.
Обеспечение концентрации оксидов азота в пределах нормативного значения (NO* < < 125 мг/м3) на котле П-74 не представляло сложной проблемы. В режиме работы котла без использования каких-либо средств подавления оксидов азота (с отключенными ДРГ) концентрация NO* при номинальной нагрузке не превышает 300 мг/м3, что в 4 - 5 раз ниже значений, имеющих место на серийных газомазутных котлах такой же мощности. Это объясняется низким теплонапряжением объема и сечения топочной камеры и довольно низкой температурой горячего воздуха, поступающего в горелки (£гв < 180°С).
Восстановление нижних сопл, подача в них значительной части рециркулирующих газов и соответственно уменьшение количества газов рециркуляции, поступающих в горелки, должно было привести к некоторому увеличению концентрации NO*. На рис. 3 показано влияние подачи газов рециркуляции в горелки и в нижние сопла по сравнению с подачей только в горелки на концентрацию NO*. При номинальной нагрузке котла переход на комбинированный ввод газов рециркуляции увеличил концентрацию NO* с 70 до 110 мг/м3, а при 50%-ной нагрузке - с 20 до 30 мг/м3.
Рис. 4. Зависимость температуры вторичного пара (а ) и концентрации NO* (б ) от нагрузки блока до и после модернизации горелок и системы рециркуляции газов:
1, 2 - до и после модернизации; 3 - рекомендуемый режим при нагрузке выше 290 МВт
Во время испытаний было проверено влияние подачи воздуха через сопла верхнего дутья на уровень концентрации NO*. Если при номинальной нагрузке котла открытие шиберов верхнего дутья снизило концентрацию NO* на 10-15%, то при нагрузке 0,75 Дном снижение составило всего 5%, а при более низких нагрузках оно вообще не было зафиксировано. Таким образом, из-за незначительного количества воздуха, поступавшего в сопла верхнего дутья, только при нагрузках, близких к номинальной, удалось организовать ступенчатое сжигание со слабой ступенчатостью и, следовательно, со слабой эффективностью по снижению концентрации оксидов азота.
Графики (рис. 4, а, б ) дают представление о повышении температуры промежуточного пара и снижении концентрации оксидов азота, достигнутых в результате модернизации системы рециркуляции газов и комбинированного ее использования.
Из графиков рис. 4 видно, что температура промежуточного пара в диапазоне нагрузок котла от 0,5 до DH0„ увеличилась на 8 - 12°С, а концентрация NO* снизилась в 2,6 раза при номинальной нагрузке и в 6 раз при 0,5 Дном.
Так, если при проектном выполнении системы рециркуляции газов увеличение нагрузки котла от 0,5 Дном до Дном приводило к росту концентрации оксидов азота с 150 до 290 мг/м3, то после выполненных мероприятий с использованием комбинированного ввода в топку рециркулирующих газов при аналогичном росте нагрузки концентрация NO* изменяется с 30 до 110 мг/м3.
Увеличение количества вводимых в топку рециркулирующих газов за счет использования нижних сопл привело к некоторому увеличению расходуемой электродвигателями ДРГ электроэнергии. В то же время при переходе на комбинированную раздачу рециркулирующих газов уменьшилась мощность, расходуемая электродвигателями дутьевых вентиляторов, вследствие уменьшения сопротивления воздушных коробов перед горелками, после того как часть газов рециркуляции была направлена помимо горелок. В результате, в диапазоне нагрузок (0,5 ^ 0,75) Дном суммарный расход электроэнергии всеми электродвигателями тягодутьевых машин при переходе на комбинированный ввод рециркулирующих газов не увеличился.
Положительный экономический эффект от увеличения доли рециркуляции газов за счет использования нижних сопл достигается за счет повышения температуры промежуточного пара. Величина снижения удельного расхода условного топлива зависит от нагрузки блока, составляя 1 - 1,5 г/(кВт-ч) в диапазоне нагрузок от 150 до 250 МВт.
В связи с малой эффективностью нижних сопл при нагрузках, близких к номинальной, и ростом концентрации NO* при их открытии, целесообразно при нагрузке блока выше 290 МВт прикрывать шиберы на газовой рециркуляции к нижним соплам, обеспечивая преимущественную подачу рециркулирующих газов в горелки. Из приведенных графиков видно, что такая корректировка режима позволяет при нагрузке, близкой к номинальной, снизить концентрацию оксидов азота на 20 - 30% при небольшом (на 4 - 5°С) снижении температуры промежуточного пара.
