Научная статья на тему 'Экспериментальные исследования сжигания твердого топлива в котле малой мощности с топкой высокотемпературного кипящего слоя с рециркуляцией уходящих газов на статических и динамических режимах работы'

Экспериментальные исследования сжигания твердого топлива в котле малой мощности с топкой высокотемпературного кипящего слоя с рециркуляцией уходящих газов на статических и динамических режимах работы Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
193
36
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ КИПЯЩИЙ СЛОЙ / РЕЦИРКУЛЯЦИЯ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ / ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ / СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ / HIGH TEMPERATURE FLUIDIZED BED / EXHAUST GAS RECIRCULATION / EXPERIMENTAL STUDIES / AUTOMATION SYSTEM

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Смирнов А. В., Бондарев А. В., Болбышев Э. В.

В статье представлены экспериментальные исследования котла малой мощности с топкой высокотемпературного 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 получены зависимости коэффициента избытка кислорода α_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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Смирнов А. В., Бондарев А. В., Болбышев Э. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотр
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Experimental studies of combustion of solid fuel in a low-power boiler with a furnace of a high-temperature fluidized bed with recirculation of outgoing gases in static and dynamic modes of operation

The article presents experimental studies of a low-power boiler with a furnace of a high-temperature fluidized bed with recirculation of outgoing gases in stationary and transient modes of operation. The experimental installation of the boiler KVP-1,74 WKS with recirculation of outgoing gases is represented and described. The results of experimental studies of the dependences of the coefficient of excess oxygen at of the volume of the recirculation of exhaust gases of the boiler KVP-1,74 VTX at nominal and partial loads, based on the percentage of fuel saving of the boiler from the amount of recirculation of exhaust gases of the boiler KVP-1,74 VTX at nominal and partial loads boilers, graphs of transient processes in boiler "KVP-1,74-VTX" with recirculation of flue gas when changing the fuel consumption, GRAPHS of the comparison of transients in the boiler "KVP-1,74-VTX" with recirculation of flue gas when changing fuel consumption.

Текст научной работы на тему «Экспериментальные исследования сжигания твердого топлива в котле малой мощности с топкой высокотемпературного кипящего слоя с рециркуляцией уходящих газов на статических и динамических режимах работы»

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.