CC BY
35
Экспериментальные исследования сжигания твердого топлива в котле малой мощности с топкой высокотемпературного кипящего слоя с рециркуляцией уходящих газов на статических и динамических
режимах работы
А.В. Смирнов, А.В. Бондарев, Э.В. Болбышев Военная академия материально-технического обеспечения, Санкт-Петербург
Аннотация: В статье представлены экспериментальные исследованиякотла малой мощности с топкойвысокотемпературного кипящего слоя с рециркуляцией уходящих газов на стационарных и переходных режимах работы. Изображена и описана экспериментальная установка котла КВП-1,74 ВТКС с рециркуляцией уходящих газов. По результатам экспериментальных исследований полученызависимости коэффициента избытка кислорода а_к от объемов рециркуляции уходящих газов котлоагрегата КВП-1,74 ВТКС на номинальных и долевых нагрузках, зависимости процента экономии топлива котла от объема рециркуляции уходящих газов котлоагрегата КВП-1,74 ВТКС на номинальной и долевых нагрузках котлах, графики переходных процессов в котле «КВП-1,74-ВТКС» с рециркуляцией уходящих газов при изменении расхода топлива,ГРАФИКИ сравнения переходных процессов в котле «КВП-1,74-ВТКС» с рециркуляцией уходящих газов при изменении расхода топлива.
Ключевые слова: высокотемпературный кипящий слой, рециркуляция уходящих газов, экспериментальные исследования, система автоматизации.
Одним из перспективных направлений реконструкции, модернизации и технического перевооружения муниципальных и ведомственных угольных котельных малой мощности для теплоснабжения объектов ЖКХ является применение технологии сжигания топлива в высокотемпературном кипящем слое (ВТКС)[1-3].
В настоящее время известны новые энергоэффективные автоматизированные котлоагрегаты КВП-1,74-ВТКС с
высокотемпературным кипящим слоем с узкой наклонной подвижной колосниковой решеткой единичной мощностью 1,5 Гкал/час, разработанные и испытанные при научном сопровождении специалистов ВИ(ИТ) ВА МТО [4,5]. Котлоагрегаты [6-8] сертифицированы и могут серийно применяться к установке при строительстве и реконструкции угольных котельных. Котлоагрегаты устойчиво работают с КПД (80-83) % на каменных и бурых
углях с фракционным составом от 30-40 мм до угольной пыли, зольностью и влажностью до 30-40 %. Применение таких котлоагрегатов позволяет в 1,5 -2 раза снизить расход топлива по сравнению с существующими угольными котельными [9].
Однако многочисленные экспериментальные исследования [10,11]. опытных образцов котлов малой мощности с топками ВТКС выявили ряд недостатков в конструктивных решениях, которые снижают качество топочных процессов на статических и переходных режимах. К их числу относятся:
- неравномерность (порционность) подачи топлива скребковым питателем, которая нарушает устойчивость горения, температурный режим и устойчивость горения на статических и переходных режимах;
- нарушение режима горения при увеличении коэффициента избытка воздуха и температуры с последующим шлакованием решетки, в особенности на переходных режимах;
- кратерное горение топлива в кипящем слое и неравномерность теплового напряжения объёма топочной камеры из-за одностороннего бокового направления подачи первичного воздуха под колосниковую решетку;
- недостаточно эффективное уменьшение уноса мелких фракций топлива из кипящего слоя в надслоевое пространство из-за круглого сечения сопел вторичного воздуха.
Для устранения указанных недостатков разработаны технические решения, на которые поданы заявки на изобретения и получены патенты на полезную модель [12].
В рамках разработки комплексной системы автоматизации котлов малой мощности с высокотемпературным кипящим слоем в теплоэнергетическом комплексе кафедры «Двигателей и тепловых
IUI Инженерный вестник Дона. №1 (2019) HB ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2019/5574
установок» ВИ(ИТ) ВА МТО в пос. Приветненское Ленинградской области в периодс июля по сентябрь 2018 года проведен комплекс экспериментальных исследований сжигания твердого топлива в котле малой мощности КВП-1,74 ВТКС с топкой высокотемпературного кипящего слоя с рециркуляцией уходящих газов на стационарных и переходных режимах работы.
Анализ теоретических исследований по работе котла на статических и динамических режимах с рециркуляцией уходящих газов изложен в литературе [13,14].
Общая схема экспериментальной установки срасположением точек замеракотла ВТКС с рециркуляцией уходящих газов представлена на рис. 1.
Рис. 1 Схема экспериментальной установки котла КВП-1,74 ВТКС с
рециркуляцией уходящих газов Топливо на решетку подается из бункера I с помощью скребкового питателя IX по наклонной течке. Расход топлива определяется по показаниям преобразователя частоты питателя топлива в т.18.
В котле организована двухступенчатая подача воздуха. Воздух на первичное и вторичное дутье подается от общего вентилятора V. В т.3 измеряется давление воздуха за вентилятором. Расход общей воздушной смеси определяется по показаниям расходомера т.2 или по микроманометру с трубкой Пито-Прандля. В т.8.1-8.4 измеряются давления по дутьевым зонам первичного воздуха с 1-ой по 4-ю соответственно. Вторичный воздух по воздуховодам направляется в коллектор вторичного дутья и затем через сопла подается в надслоевое пространство. В т.5.1-5.2 производятся измерение давления вторичного воздуха.
Расход газов рециркуляции определяется по показаниям расходомера т.1 или микроманометра, регулирование производится с помощью шибера рециркуляции.
В т.17 измеряется разряжение в топке котла, в т.6 определяется температура в кипящем слое, в т.7 - температура в топочной камере. Отбор проб уноса берется в батарейном циклоне т^1, а в бункере возврата уноса т.Ш - отбор проб возврата уноса. С помощью установки Альнера измеряется количество унесенных из котла твердых частиц т.13. Состав и температура дымовых газов за котлом определяются по газоанализатору в т.14.
Температура и давление воды на входе в котел измеряется в т.15 и 16, на выходе из котла - в т.10 и 11 соответственно. Расход воды через котлоагрегат определяется в т.12.
В т.20.1 измеряется температура колосникового полотна на входе, а в т.20.2 на выходе из топки. Скорость движения колосниковой решетки IV определяется по показаниям преобразователя частоты привода колосниковой решетки т.19. Отбор проб шлака производится в т.21
На рис. 2-7 представлен измерительный комплекс экспериментального котла КВП-1,74 ВТКС с рециркуляцией уходящих газов.
термо регуляторами
Рис.2 Щит КИП с
Рис.ЗОбработка эксперементальных данных на мониторе ПК (ПО Scada)
Рис.4 Расстановка термопар в топке котла
Рис.5 Приборы Рис.6 Щиты автоматизации Рис.7 Приборы
измерения котла и управления с частотными измерения расхода и КВП-1,74 ВТКС преобразователями давления воздуха и
газов рециркуляции
Во время экспериментов сжигался каменный уголь с Моховского угольного разреза, Кемеровской области калорийности 5221 ккал/кг, зольностью Лр=ПД%, влажностью Wp =14,6 % и с фракционностью 10-25 мм.
В рамках исследований проведено 4 серии экспериментовиз 3-х серий опытов на статических и динамических режимах при нанесении возмущающих воздействий расходом топлива и воздушной смесипри ступенчатом изменении нагрузки.
Экспериментальные зависимости максимально возможного расхода уходящих газов рециркуляции, вносимых в топку котла ВТКС с определением коэффициента избытка кислорода на каждом режиме
представлены на графике 8, из которого видно уменьшение с 1,66 без рециркуляции уходящих газов до 1.25 с рециркуляцией на номинальных и долевых режима с объемом замещения воздуха продуктами сгорания до 25-
30% .
IUI Инженерный вестник Дона. №1 (2019) HB ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nly2019/5574
График процента экономии топлива, представленный на рис.9 показывает процент экономии топлива составляет порядка 2.8% при максимальном объеме замещения воздуха уходящими газами.
Рис.8 Экспериментальные зависимости коэффициента избытка кислорода £с1(:
от объемов рециркуляции уходящих газов котлоагрегата КВП-1,74 ВТКС на
номинальных и долевых нагрузках
Эксп е р и м е нтал ьн ые да н н ы е
О
*
GQ £
Г1.о
i
Mf s
У
м / -e-10 }%
у -^so Vo
—IJU 70
100 200 300 400 500 600 700 SOO 900 1000
Vra3P^,M3/4
Рис.9 Экспериментальные зависимости процента экономии топлива котла от объема рециркуляции уходящих газов котлоагрегата КВП-1,74 ВТКС на номинальной и долевых нагрузках котлах
Результаты экспериментальных исследований на переходных режимах при изменении нагрузки котла от 80% до 100 % представлены на графиках
и
рис.10. При этом изменение расхода топлива происходит в течении 15-20 секунд, одновременно изменяется положение задвижек на трубопроводе рециркуляции уходящих газов. Температура слоя в начальный момент имеет явно выраженное время запаздывания, что обуславливается прогревом топлива и удалением из него влаги. Переходный режим изменения температуры носит апериодический характер, с выходом на новый установившийся режим. далее происходит ступенчатое изменение температуры с выходом на новый установившейся режим.
и
Увеличение расхода топлива 80-100%
Л
N
1200 1400
Время переходного процесса, с
Рис.10 Экспериментальные графики переходных процессов в котле «КВП-1,74-ВТКС» с рециркуляцией уходящих газов при изменении расхода
топлива.
При ступенчатом изменении нагрузки котла расходом топлива с изменением расхода воздушной смеси и газов рециркуляции, коэффициент избытка воздуха совершает колебательный процесс, приходя в установившееся значение к концу переходного периода.
На рис.8 показаны графические зависимости сравнения переходных процессов экспериментальных и расчетных данных при изменении возмущающих воздействий расходом топлива, которые показали удовлетворительную сходимость, не превышающую 5%.
и
Рис.11Графики сравнения переходных процессов в котле «КВП-1,74-ВТКС» с рециркуляцией уходящих газов при изменении расхода топлива.
Анализ полученных данных показывает, что коэффициент избытка кислорода по экспериментальным данным незначительно превышает теоретические значения и составляет 1,66 при работе без газов рециркуляции, что обуславливается присосами воздуха в топочное пространство котла.
Динамические параметры объекта, а именно время запаздывания, коэффициент самовыравнивания, время разгона ниже, чем у котла без рециркуляции уходящих газов.
Выводы:
1. В результате проведенных экспериментальных исследований исследования выявлена устойчивая работа котла с газами рециркуляции в широком диапазоне нагрузок от 50 до 120% без шлакования решетки.
2. Коэффициент избытка кислорода с рециркуляцией уходящих газов существенно снизился и составил 1,26 на номинальных и долевых нагрузках при максимально возможном объеме рециркуляции, необходимым для устойчивой безшлаковочной работы котла.
3. Экономия топлива увеличилась до 2,6% на долевых и номинальных режимах работы с максимальным расходом газов рециркуляции.
4. Основные параметры переходных процессов время запаздывания тоб, разгона объекта Тоб, коэффициента самовыравнивания робпоказывают удовлетворительную сходимость с теоретическими данными численные значения которых значительно ниже, чем при работе без газов рециркуляции.
5. Полученные данные будут использованы для разработки алгоритма системы автоматического управления процесса горения в топке ВТКС котла малой мощности и заложены в контроллер комплектного устройства для комплексной автоматизации котельных оснащенных котламалой мощности высокотемпературногокипящего слоя.
Литература
1. Бондарев А.В., Болбышев Э.В., Смирнов А.В. Модернизация систем теплоснабжения объектов Министерства обороны Российской Федерации // Сборник докладов круглого стола. 2018. С. 45-54.
2. Бочаров А. А., Вискин Ж.В. Методика реконструкции и эксплуатации топок для сжигания высокозольных углей в кипящем слое. Донецк: Донецк углеавтоматика, 1989, с. 80-91.
3. A.M. Squires. Pulverized-Fuel Combustionin Trouble. American Chemical Society, Division of Fuel Chemistry. 1970, V. 14, №. 2, рр. 46-88.
4. Юферев Ю.В., Воронов В.Ю. Опыт реконструкции и эксплуатации котла «Братск» с топкой ВТКС. // Сборник работ докторантов и адъюнктов. СПб: ВИТУ, 1998, № 2, с. 56-58.
5. Рода И.С., Овчаров И.В., Карпов М.А. Практический опыт проектирования, строительства и реконструкции угольных котельных малой
мощности по технологии высокотемпературного кипящего слоя. Санкт-Петербург, «Инженерные системы». 2006. № 4 (25). С. 26-29.
6. Смирнов А.В., Александров С.В., Бондарев А.В. Силовая установка с активным котлом утилизатором высокотемпературного кипящего слоя. Патент на изобретение. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 06.04.2018 г. №2650018 С1, бюл. № 10.
7. Смирнов А.В., Бондарев А.В., Болбышев Э.В. и др. Котлоагрегат для сжигания твердого топлива в кипящем слое. Патент на полезную модель. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей 03.08.2018. №182137.бюл. № 22.
8. Баскаков А.П., Мунц В.А., Филипповский Н.Ф. Топка с кипящим слоем как объект регулирования. // Теплоэнергетика, 1998, № 6. С. 15-23.
9. Joseph Yerushalmi, Morris Kolodney, Robert A. Graff, Arthur M. Squires and Richard D. Harvey. Agglomeration of Ash in Fluidized Beds Gasifying Coal: The Godel Phenomenon. Science, NewSeries, Vol. 187, No. 4177. 21 Feb. 1975, pp. 646-648.
10. ВолосатоваТ.А. Основные вопросы энергоэффективности тепловых водяных котельных и варианты их решения// Инженерный вестник Дона. 2013. №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1899.
11. Ощепков А.С., Рыжков А.В. Экспериментальные исследования возможности изменения теплофизических характеристик твердого топлива и экономическое обоснование использования наноматериалов в схеме пылеприготовления // Инженерный вестник Дона. 2019. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2009/126.
12.Смирнов А.В., Бондарев А.В., Маллаев К.М. и др. Котлоагрегат для сжигания твердого топлива в кипящем слое. Патент на полезную модель. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей 05.05.2017, №170747, бюл. № 13.
13. Бондарев А.В., Болбышев Э.В., Смирнов А.В. Автоматизация угольных котлов малой мощности с топками высокотемпературного кипящего слоя и рециркуляцией дымовых газов // Двигателестроение. 2018. № 3. С. 24-28.
14. Баскаков А.П., Шихов В.Н., Берг Б.В. и др. Исследование сжигания твердого топлива и улавливание окислов азота в низкотемпературном кипящем слое. // Проблемы тепло- и массообмена в процессах горения, используемых в энергетике. Сб. трудов ИТМО АН БССР, Минск, 1980. С.121-132.
References
1. Bondarev A.V., Bolbyshev E.V., Smirnov A.V. Sbornik dokladov kruglogo stola. 2018. pp. 45-54.
2. Bocharov A.A., Viskin Zh.V. Metodika rekonstrukcii i ekspluatacii topok dlya szhiganiya vysokozolnyx uglej v kipyashhem sloe. [Methods of reconstruction and operation of furnaces for burning high-ash coal in a fluidized bed]. Doneczk: Doneczk ugleavtomatika, 1989, pp. 80-91.
3. A.M. Squires. Pulverized-Fuel Combustionin Trouble. American Chemical Society, Division of Fuel Chemistry. 1970, V. 14, №.2., rr. 46-88.
4. Yuferev Yu.V., Voronov V.Yu. Sbornik rabot doktorantov i ad'yunktov. SPb: VITU, 1998, № 2, pp. 56-58.
5. Roda I.S., Ovcharov I.V., Karpov M.A. Sankt-Peterburg, «Inzhenerny' e sistemy». 2006. № 4 (25). pp. 26-29.
6. Smirnov A.V., Aleksandrov S.V., Bondarev A.V. Silovaya ustanovka s aktivnym kotlom utilizatorom vysokotemperaturnogo kipyashhego sloya. [Patent na izobretenie. The power plant with an active boiler utilizing high-temperature fluidized bed. Patent for invention]. Zaregistrirovano v Gosudarstvennom reestre izobretenij RF 06.04.2018 g. №2650018 S1, byul. № 10.
7. Smirnov A.V., Bondarev A.V., Bolby'shev EW. i dr. Kotloagregat dlya szhiganiya tverdogo topliva v kipyashhem sloe. Patent na poleznuyu model . [Boiler for burning solid fuel in a fluidized bed. Patent for utility model]. Zaregistrirovano v Gosudarstvennom reestre polezny'x modelej 03.08.2018. №182137.byul. № 22.
8. Baskakov A.P., Muncz V.A., Filippovskij N.F. Teploe'nergetika, 1998, № 6. pp. 15-23.
9. Joseph Yerushalmi, Morris Kolodney, Robert A. Graff, Arthur M. Squires and Richard D. Harvey. Agglomeration of Ash in Fluidized Beds Gasifying Coal: The Godel Phenomenon. Science, NewSeries, Vol. 187, No. 4177. 21 Feb. 1975, pp. 646-648.
10. Volosatova T.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013. №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1899.
11. Oshhepkov A.S., Ry'zhkov A.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2019. №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2009/126.
12. Smirnov A.V., Bondarev A.V., Mallaev K.M. i dr. Kotloagregat dlya szhiganiya tverdogo topliva v kipyashhem sloe. Patent na poleznuyu model . [Boiler for burning solid fuel in a fluidized bed. Patent for utility model]. Zaregistrirovano v Gosudarstvennom reestre polezny'x modelej 05.05.2017, №170747, byul. № 13.
13. Bondarev A.V., Bolby'shev E.V, Smirnov A.V. Dvigatelestroenie. 2018. № 3. pp. 24-28.
14. Baskakov A.P., Shixov V.N., Berg B.V. i dr. Problemy' teplo- i massoobmena v processax goreniya, ispol'zuemy'x v e'nergetike. Sb. trudov ITMO AN BSSR, Minsk, 1980. pp.121-132.
