CC BY
7ОПЫТ ОСВОЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОТЛА С КИПЯЩИМ СЛОЕМ БКЗ-420-140КС НА БАРНАУЛЬСКОЙ ТЭЦ-3
Ю.Н. Втюрин, Г.П. Пронь
Согласно стратегии развития электроэнергетики России к 2015 году выработка электроэнергии увеличится от 860 до 1300 млрд. кВт.ч. Это требует технического перевооружения действующих угольных электростанций и строительства новых экологически чистых ТЭС с использованием современных технологий сжигания угля. В России сосредоточено около 23% мировых запасов углей, но в основном высоко-влажных, с большим содержанием золы и серы. Решение проблемы подготовки и сжигания углей с повышенной зольностью, высоким содержанием серы и влаги должно осуществляться с обеспечением жестких экологических требований по выбросам в атмосферу оксидов азота и серы.
В настоящее время за рубежом эксплуатируется более 700 котлов со стационарным кипящим слоем. Наиболее мощные котлы паропроизводительностью 500 т/ч и 1000 т/ч работают на ТЭС Shawnee (США), Takehara (Япония) и др. Несмотря на то, что отечественная технология сжигания топлива в стационарном кипящем слое стала развиваться одновременно с работами, производимыми в США и Германии, в России пока не освоено ни одного мощного энергетического котла с этой технологией.
Поэтому особое место в разработке и освоении экологически чистой технологии сжигания угля (включая низкосортные угли) занимает первый отечественный котел БКЗ 420-140 КС со стационарным кипящим слоем (D = 420т/ч; р = 13,8 МПа; t = 540 град.). Котел в 1992 году установлен на Барнаульской ТЭЦ-3 (рис.1).
Котел БКЗ 420-140 КС однобарабанный, с комбинированной циркуляцией, газоплотный с цельносварными экранами, включает четыре автономные секции мощностью 25 % каждая. Секция содержит: воздухораспределительную решетку, воздушные короба под решеткой, поверхности нагрева (испарительные и пароперегревательные) в слое, а также сепарационный объем и часть испарительных поверхностей над слоем. Сепарацион-ные объемы соединены конвективными газоходами, в которых размещены пакеты экономайзеров первой и второй ступеней. На котле предусмотрена система улова недожога, ма-
териала слоя и возврата их пневмотранспортом под кипящий слой растопочной секции.
+30,985
Рис. 1. Котел паропроизводительно-стью 420 т/ч со стационарным кипящим слоем: 1-нижняя секция с кипящим слоем; 2-верхняя секция с кипящим слоем; 3-экономайзер; 4-жалюзийные золоуловители; 5-воздухоподогреватель; 6-испарите-льные и пароперегревательные пакеты труб, погруженные в кипящий слой; 7-пневмотранспортная линия возврата; 8-пневмо-транспортная линия с делителями мелкой фракции топлива (0-1 мм); 9-течка подачи дробленого топлива (1-25 мм); 10-пневмотранспортная линия подачи наполнителя слоя; 11-отбор газов на подсушку угля; 12-газоход к электрофильтру
На рис. 2 и 3 представлены схемы подготовки и подачи топлива и наполнителя слоя для котла БКЗ 420-140 КС. Схемы и нестандартное технологическое оборудование разработаны Всероссийским теплотехническим институтом совместно с заводами изготовителями [8].
По сравнению с серийными котлами БКЗ 420-140-ПТ-2, установленными на Барнаульской ТЭЦ-3, котел с кипящим слоем имеет следующие преимущества:
- уменьшение металлоемкости и габаритов по высоте (12 м);
- сокращение на 20-30 % выбросов оксидов азота;
- снижение на 70-80 % выбросов оксидов серы в результате связывания СаО, содержащейся в золе канско-ачинских углей.
Рис. 2. Схема подготовки и подачи наполнителя слоя котла БКЗ 420-140 КСР: 1-багерная насосная; 2-грохот ГИСЛ-72; 3-шлюзовой затвор; 4-сушилка кипящего слоя; 5-дробилка двухступенчатая; 6-насос пневмовинтовой; 7-насос пневмовин-товой с регулируемой частотой вращения; 8-питатель предвключеный; 9-питатель; 10-бункер наполнителя слоя; 11-клапан двухходовой; 12-нагне-тательная установка; 13-электрофильтр; 14-дымовая труба
н
К секции Г
Рис. 3. Схема подготовки и подачи топлива в секции котла с кипящим слоем: 1-бункер сырого угля; 2-сушилка газовая; 3-грохот; 4-дробилка; 5-элеватор; 6-бункер подсушенного угля; 7-аппараты очистки запыленного агента; 8-вентилятор; 9-бункер мелкой фракции угля; 10-пневмовинтовой насос с предвключенным питателем; 11-питатель; 12-секции котла; 13-делитель крупной фракции топлива; 14-делитель мелкой фракции топлива; 15-вентилятор подачи инертных газов
ПОЛЗУНОИСКИЙ ВЕСТНИК № 1 7004
Учитывая, что угли Канско-Ачинского бассейна малозольные, выбор материала для наполнителя слоя секций котла с кипящим слоем явился одним из основных вопросов при разработке системы подготовки и подачи наполнителя. В качестве наполнителя слоя предполагалось использовать следующие материалы: шамот, цементный клинкер, кварцевый песок и золу слоя с последующей ее грануляцией.
В отличие от дробленого угля инертный материал в процессе транспортирования сжатым воздухом по трубопроводу практически не самоизмельчался, что видно из данных, приведенных на рис. 5.
Опыты по дозированию и транспортированию сжатым воздухом песка не проводились ввиду отсутствия в Алтайском крае песка требуемого фракционного состава. В этом случае, при наличии песка с хорошими сыпучими свойствами не следует ожидать каких-то дополнительных трудностей.
Рис. 4. Зерновые характеристики наполнителя слоя: 1-исходная крупность цементного клинкера; 2-то же после транспортирования; 3-крупность шлака на выходе из транспортного трубопровода; 4-крупность шлака из секции котла после транспортирования сжатым воздухом
Однако из-за высоких стоимостных показателей цементного клинкера и шамота, было принято решение использовать в качестве наполнителя слоя шлак от пяти работающих котлов БКЗ 420-140-ПТ-2 Барнаульской ТЭЦ-3. Устройство шлакоудаления котлов включает шлакоприемник с технической водой и тихоходным шнеком, подающим шлак на дробление.
Пусконаладочные работы под нагрузкой системы подготовки и подачи дробленого шлака осуществлялись в следующей последовательности. Шлак от работающих котлов
111
транспортируется по каналам гидрозолоудаления на багерную насосную. После багерно-го насоса шлаковая пульпа по трубопроводу Ду =250 мм подается на верхнее сито инерционного грохота типа ГИСЛ-72. Траектория движения материала на сите представляет линию, направленную под углом 45 0 к плоскости сит, что обеспечивает поступательное движение шлака с одновременным обезвоживанием и прохождением через отверстия сит. После первого сита шлак и вода поступают на нижнее сито. Надрешетный продукт Ь >5 мм с верхнего сита и с нижнего Ь=2,0-5,0 мм поступает в специально разработанную ВТИ и КБ ОАО "Алтайэнерго" газовую сушилку с кипящим слоем.
В нижней части корпуса сушилки расположена газораспределительная решетка с колпачками. Шлак влажностью М =15 % подсушивается в процессе продувки слоя уходящими газами котла (1 =130 0С , Уг =70-100 •103 м3/ч), высота рабочего слоя И =0,6-0,8 м, скорости газов на уровне решетки порядка 4,5 м/с, в верхней зоне -2,5 м/с. Подача газов в сушилку осуществляется мельничным вентилятором, а отработанный сушильный агент с парами влаги за счет самотяги по газоходу сбрасывается за дымососом в тракт дымовой трубы.
Подсушенный шлак из сушилки по течке Ду =250 мм самотеком поступает в первую ступень (щековая) дробилки и далее во вторую (двухвалковую). Готовый продукт с помощью пневмовинтового насоса подается в камеру смешения, где происходит аэрация и последующее транспортирование сжатым воздухом по трубопроводу Ду =150 мм в расходный бункер котла. Для повышения надежности предусмотрена резервная пнев-мотранспортная система. Подвод сжатого воздуха (Р=0,2 МПа) к соплам камер смешения пневмовинтовых насосов осуществляется от нагнетательной установки. Отработанный транспортирующий агент из расходного бункера сбрасывается в атмосферу.
В процессе пусконаладочных работ было установлено, что через ячейки сит грохота вместе с транспортирующей водой в канал гидрозолоудаления уходит большое количество кондиционного шлака, что при сравнительно малом выходе жидкого шлака от работающих котлов приводило к дефициту наполнителя слоя. В настоящий момент осуществляется реконструкция узла приемки и обезвоживания шлаковой пульпы, а пускона-ладочные работы были продолжены путем контейнерной подачи влажного шлака круп-
ностью до 25-35 мм на грохот, который выполнял функции питателя сушилки.
На рис.5 показана схема эксперимен-ального контроля сушилки кипящего слоя. При продувке сушилки уходящими газами котла в диапазоне изменения расхода от 20 до 85 103 м3/ч гидравлическое сопротивление колпачковой решетки проходу газов изменялось соответственно от 1 до 14 кПа. Большие значения гидравлического сопротивления решетки необходимо для обеспечения стабильного кипящего слоя в сушилке. При продувках и работе сушилки под нагрузкой во всем диапазоне изменения расхода сушильного агента на выходе из сушилки обеспечивалось разрежение среды, равное 300 Па.
Рис. 5. Схема экспериментального контроля сушилки с кипящим слоем: 1-давление газовоздушной смеси на входе в сушилку; 2-3 -сопротивление решетки; 3-8 -сопротивление слоя; 3-8; 4-8; 5-8; 6-8; 7-8 -гидравлическое сопротивление мерных участков слоя; 9-температура слоя; 10-температура сухого и мокрого термометра на выходе из сушилки; 11-то же на входе в сушилку; 12, 14-расход газов; 13- давление среды
На рис. 6 (зависимости 1-3) показано гидравлическое сопротивление кипящего слоя шлака (режим без выгрузки шлака из сушилки) на разных по высоте уровнях с интервалом И =200 мм (ЕИ - 600 мм). Из приведенных данных видно, что сопротивление мерных слоев шлака проходу сушильного агента неодинаково.
При визуальном наблюдении отмечено, что псевдоожижение шлака происходит очень интенсивно по всей площади колпачковой решетки, с выбросом отдельных кусков шлака на высоту 1-1,5 м. Однако в расширяемой части корпуса сушилки, в зоне, где отсутст-
вуют газораспределительные колпачки, кипение не наблюдалось и здесь отмечены застойные зоны.
др
Vila. ' A
9 W
8 M
f fO
6 10
Б 50
t'c Ц ьо
HO 3 10
90 ¡0
f0 I iO
SO 0 0
4
J-
4
2
/
/
's
>l
тг
A
-4Щ
H
о io го зо w so„ о го ьо ¿о so
Zmuh _ ' """
о. ' 5
Рис. 6. Изменение во времени основных параметров сушилки кипящего слоя: а-гидравлическое сопротивление слоя наполнителя (h- const; Vn - const ); б- изменение температуры и сопротивления мерных участков слоя в процессе загрузки и выгрузки шлака; 1-сопротивление слоя между контрольными точками 5-8; 2- то же между
4-8; 3- то же между 3-8; 4-давление среды на входе в сушилку; 5-сопртивление решетки; 6-расход сушильного агента; 7-сопротивление слоя между контрольными точками 5-8; 8-то же между 4-8; 9-то же между 3-8; 10-температура сушильного агента на входе в сушилку; 11-температура в слое материала во времени
В процессе работы сушилки (режимы загрузки и выгрузки шлака из сушилки) регистрация сопротивления кипящего слоя на разных отметках показала, что их сопротивление изменяется во времени синхронно, но как и в рассматриваемом выше режиме, сопротивление слоя, прилегающего к решетке по абсолютной величине больше.
Слив подсушенного шлака из полости сушилки осуществлялся путем открытия отсечного шибера на выпускном патрубке. С увеличением вентиляции сушилки интенсивность кипения слоя возрастала и, как следствие, возрастает количество сливаемого из слоя шлака. Это обстоятельство может быть использовано для регулирования процессов сушки и изменения ее пропускной способности.
При порционной загрузке шлака из контейнеров в сушилку температура отработанного сушильного агента резко снижается (с 90 до 55 0С), но по мере прогрева и подсушки шлака она восстанавливается (рис. 6). Гидравлическое сопротивление кипящего слоя остается стабильным и находится в пределах
5-6 кПа. В процессе подсушки влажность шлака снижалась до Wa=1,0-1,5 %, произво-
дительность сушилки составила порядка 5 т/ч. При обеспечении бесперебойной подачи шлака пропускная способность сушилки возрастет до15 т/ч при ^=3-5 %. Как показали опытные данные, шлак влажностью ^=5 % имеет хорошие сыпучие свойства, что обеспечивает стабильность его истечения из бункеров.
Для дозирования и подачи наполнителя слоя и мелкофракционного топлива в секции котла БКЗ 420-140 КС были разработаны Красногорским заводом и ВТИ специальные пневмовинтовые насосы с предвключенными питателями и регулируемой частотой вращения (рис. 7).
Рис. 7. Пневмовинтовой насос с предвклю-ченным дозатором: 1-шибер с электроприводом; 2-дозатор с регулируемой частотой вращения; 3-патрубок с отсосным трубопроводом; 4-камера смешения материала с воздухом; 5-шнек с клапаном; 6-камера заборная
В настоящий момент по пневмотранс-портым трубопроводам (Ьпр = 110 м) с помощью сжатого воздуха в расходный бункер котла подано свыше 300 т подсушенного шлака.
Из расходного бункера наполнитель слоя также с помощью питателя дозировался в пневмовинтовой насос и далее по трубопроводу сжатым воздухом подавался в секцию А и Б котла с кипящим слоем. Для переключения потока аэросмеси в ту или иную секцию котла на трубопроводе установлены двухходовые переключающие клапаны. Для повышения надежности работы клапанов, пневмоприводы были заменены на электроприводы типа МЭО.
При включении в работу четырех секций котла, пневмотранспортная система подачи наполнителя слоя будет работать в автоматическом режиме включения пневмовинтово-го насоса, с избирательным переключением клапанов в ту или иную секцию котла.
В процессе испытаний пневмотранс-портных систем выявлен абразивный износ трубопроводов в местах поворотов.
Лабораторные исследования шлака показали, что он имеет высокие абразивные свойства, намного превышающие этот показатель для углей Канско-Ачинского бассейна, экибастузских углей и др. Опытные данные представлены в таблице 1.
Таблица 1
При проведении повторных опытов с той же исходной пробой установлено, что частички шлака и стеклофаза разрушаются, форма частичек приобретает более ровную, округлую конфигурацию, при этом абразивные качества шлака резко снижаются. Лабораторные исследования подтвердили, что износ поворотов трубопроводов пневмотранспорт-ных систем подачи шлака, является следствием его высоких абразивных показателей. В этом случае транспортный трубопровод и пневмовинтовой насос принимают на себя главный "удар" со стороны шлака.
В соответствие с целевой комплексной программой по освоению котла БКЗ 420-140 КС в течение 1995-1999 г.г. осуществлен комплекс пусконаладочных работ основного и вспомогательного оборудования с участием всех заинтересованных организаций.
С 1995 года котел работал шесть раз на одной или двух нижних секциях с использованием несушеного топлива. Были исследованы: газораспределительная решетка, растопка различными способами, устройства подачи топлива, система возврата уноса, сепарация и слив слоя, изотермичность кипящего слоя, система подготовки наполнителя, равномерность псевдоожижения слоя, циркуляционные насосы и другое оборудование.
В процессе подачи сырого угля (0-25 мм) и наполнителя слоя в две нижние секции котла отработаны режимы растопки, пуска и останова котла в горячий резерв, получены параметры пара близкие проектным (Р = 11 МПа, 1 = 450 0С). Пар подавался на выносные сетевые подогреватели воды и тепло поступало на отопление г. Барнаула.
При исследовании пусковых и остановочных режимов на котле необходимо провести ряд подготовительных операций, т.к. во время растопки нужно тонкое регулирование расхода воздуха и расхода топлива во избежания возможного шлакования слоя или чрезмерного его охлаждения. Также во время растопки работает дополнительное оборудование, для которого необходимо соблюдать требуемые режимы работы.
На основании проводимых операций на котле при пуске и останове его опробован один из способов растопки котла с учётом его конструктивных особенностей, вида оборудования предусмотренного для растопки заводом-изготовителем, а также с учётом разработанной для данного котла программы растопки.
На основании данных, полученных в результате проведенных экспериментов при растопке котельной установки БКЗ 420-140 КС, проведении серии опытов по изучению новых способов прогрева слоя, а также изучении предлагаемых в литературе способов прогрева и растопке установок с кипящим слоем, вышеуказанная программа растопки была измена кардинальным образом.
В процессе эксплуатации микрокамер сгорания был выявлен недостаток - большое сечение мазутопровода форсунки не позволяет плавно регулировать расход мазута, поступающего в неё и лишает возможности добиться необходимой температуры на выходе из МКС. На форсунки секции "А" были установлены специальные устройства - дроссели, при этом возникла необходимость тарировки форсунок.
Во время растопки котельного агрегата БКЗ-420-140КС был снят ряд характерных зависимостей прогрева слоя. Ниже приводятся температуры в наиболее важных областях топки - это температура слоя в районе пароперегревателя, температура слоя в районе козырьков и температура над слоем. Значения температур приведены в таблицах 2 и 3.
В перспективе, использование шлака от пяти работающих котлов позволит исключить его гидротранспортирование на золоотвалы поймы р.Оби и тем самым улучшить экологическую обстановку в г.Барнауле. Кроме того, использовать шлак и продукты его переработки в дорожном строительстве и строительной индустрии.
Таким образом, проведение пусконала-дочных работ и испытаний технологического оборудования систем подготовки и подачи наполнителя слоя в секции котла БКЗ420-140КС показали, что принятые основные тех-
Исследуемый материал Индекс абразивности Коэффициент размолоспо-собности
Шлак 2170 0,94
Березовский уголь 5-8 1,35
АШ ухудшенного качества 100-150 0,9-0,95
Экибастузский уголь 42 1,38
нические решения правильные. Это позволит эффективно решать вопросы по освоению экологически чистого котла с кипящим слоем на Барнаульской ТЭЦ-3.
Таблица 2. Зависимость темпа прогрева слоя от времени: секция "А"
8.45 440 490 520
9.45 290 400 290
10.45 220 280 205
11.45 200 220 195
12.45 190 200 190
13.45 180 185 180
14.45 170 175 170
15.45 160 160 160
16.45 150 150 150
17.45 140 140 140
18.45 130 130 130
19.45 120 120 120
20.45 110 110 110
21.45 100 100 100
ВЫВОДЫ
1. Перспективы развития тепловой энергетики в России показывают, что будет возрастать роль твердого топлива. В этом случае необходимо решать проблемы по подготовке и использованию углей с повышенной зольностью, высоким содержанием влаги и серы. Комплексным решением сложных экологических проблем в энергетике является разработка и внедрение экологически чистых технологий сжигания углей в топках котлов с кипящим слоем.
2. На Барнаульской ТЭЦ-3 смонтирован и находится в стадии наладки и опробования под нагрузкой первый отечественный котел БКЗ 420-140 КС со стационарным кипящим слоем и паропроизводительностью 420 т/ч. Системы и нестандартное технологическое оборудование по подготовке, подаче топлива и наполнителя слоя разработаны в энергетике впервые.
3. Опытная проверка сушилки с кипящим слоем под нагрузкой показала высокую эффективность использования в качестве сушильного агента уходящих газов котла с температурой до 130 С. В сушилке с колпачковой решеткой обеспечивается интенсивное кипение шлака крупностью до 35 мм, подсушка до 1-1,5 % и выгрузка готового продукта.
4. Двухступенчатое дробление подсушенного шлака обеспечивает получение наполнителя слоя с медианным размером частиц равным 1,3 мм, частиц крупностью более 5 мм в общей массе шлака не превышает 5 %.
5. В процессе пусконаладочных работ и испытаний впервые в отечественной энергетике осуществлено дозирование и подача дробленого шлака пневмовинтовыми насосами, оснащенными предвключеными питателями с регулируемой частотой вращения, с последующим транспортированием аэросмеси по трубопроводу в секции котла с кипящим слоем.
Время т,час Температура слоя в районе пароперегревателя ,°С Температура слоя в районе козырьков, °С Температура над слоем,°С
21.45 120 120 120
22.45 120 150 120
23.45 300 300 190
0.45 550 700 300
1.45 400 720 650
2.45 350 650 690
3.45 670 700 720
4.45 610 800 700
5.45 700 800 750
6.45 650 730 690
7.45 660 730 700
8.45 670 710 700
9.45 280 450 280
10.45 180 290 180
11.45 170 230 170
12.45 160 200 160
13.45 150 190 150
14.45 140 170 140
15.45 130 150 130
16.45 120 130 120
17.45 110 110 110
18.45 100 100 100
19.45 90 90 90
20.45 80 80 80
21.45 70 70 70
Таблица 3. Зависимость темпа прогрева слоя от времени: секция "Б"
Время т,час Температура слоя в районе па-роперегре-вателя ,°С Температура слоя в районе козырьков, °С Температура над слоем,°С
1 2 3 4
21.45 110 110 110
22.45 110 110 110
23.45 120 110 110
0.45 120 110 140
1.45 130 110 190
2.45 130 110 210
3.45 130 110 260
4.45 130 110 260
5.45 220 200 265
6.45 230 220 270
7.45 260 250 290
6. Исследования шлака показали, что он имеет высокие абразивные свойства и это приводит к абразивному износу поворотов трубопроводов и незначительному самоизмельчению шлака в процессе его транспортирования сжатым воздухом.
В процессе измельчения частиц и разрушения стеклофазы, абразивные свойства шлака резко снижаются. Перетрассировка трубопроводов с сокращением числа поворотов и оптимизация скорости транспортирования дают хорошие предпосылки по успешному решению этой проблемы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дьяков А.Ф., Берсенев А.П., Еремин Л.М. О новейших технологиях сжигания твердого топлива на электростанциях // Энергетик. 1997. № 7.-С. 8-11.
2. Втюрин Ю.Н., Кузнецов П.Я. Технико-экономические проблемы использования углей Кан-ско-Ачинского бассейна на ТЭС в Европейской части России // Теплоэнергетика.1997. № 2.-С. 23-28.
3. Втюрин Ю.Н., Кузнецов П.Я. Исследование и перспективы развития новых систем подготовки
и подачи топлива на ТЭС // Теплоэнергетика. 1995. №7. - С. 4б-52.
4. Рябов Г.А., Надыров И.И. Сжигание угля в кипящем слое \ Развитие технологий подготовки и сжигания топлива на электростанциях // Сб. научных статей. М.: ВТИ, 199б.
5. T.Stingfellow. Startur and Jnitral Operation of Rivesville 30 MW Fluid Bed Boiler // Доклад на 4-й Международной конференции по сжиганию угля в кипящем слое. Вашингтон, 1977.
6. Brien W.B., Hill M.K. TVA"S. 1б0 MW Shawnee Atmospheric Fluidized Bed Combustion (AFBC) Demonstration Unit 20000 Hr of Operation -Fluidized Bed Combustion- Volum 2. ASME, 1993.
7. Втюрин Ю.Н. Изучение факторов, влияющих на устойчивость движения и дозирования угольной пыли из бункеров // Теплоэнергетика. 1990. № 4.-С. 34-38.
8. Втюрин Ю.Н., Муравкин Б.Н., Качалин Е.А. Система подготовки топлива и подачи его в котел с кипящим слоем // Подготовка и сжигание топлива в топках мощных паровых котлов ТЭС. (Сборник научных трудов ВТИ). М.: Энергоатомиздат, 1984.
9. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Колоколь-ников М.Г. Абразивное изнашивание. М.: Машиностроение, 1990.
10. Втюрин Ю.Н. Исследование пневмотран-спортных систем // Теплоэнергетика. 1983. № 3. -С. 41-44.
