Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературных данных по факельной технологии сжигания топлива в топках 12
1.1 .Факельная организация сжигания топлива в топках как основа современной выработки пара котлами ТЭС 12
1.2. Исследования топочных процессов и методов управления структурой факела в топках современных котлов 14
1.3.Заключение по представленному обзору литературных данных 26
Глава 2. Аналитические исследования факельных процессов в топках с фронтальной компоновкой горелок 29
2.1.Особенности протекания факельных процессов в топках с фронтальной компоновкой горелок 29
2.2. Методы управления тепловыми характеристиками факела в топках с фронтальной компоновкой горелок 47
Выводы 49
Глава 3. Влияние технологии ввода и состава реагентных потоков на характеристики факела в топках с фронтальной компоновкой горелок 51
3.1.Состояние вопроса, постановка задачи и метода исследования 51
3.2. Особенности факельного сжигания пыли челябинского угля на котле ПК-14 в условиях одноступенчатого и многоступенчатого ввода воздуха в топку 54
3.3.Особенности факельного сжигания природного газа и бурого угля ухудшенного качества на котлах БКЗ-210-140Ф Челябинской ТЭЦ-2 63
3.4.0собенности факельного процесса в топке с многофункциональными горелками 81
3.5,Особенности факельного сжигания на котле БКЗ-210-140Ф высокореакционного переясловского бурого угля 96
З.б.Особенности факельного сжигания топлива на котлах БКЗ-210-140
второй очереди ЧТЭЦ-2 с улучшением тепловых характеристик факела 107
Выводы 123
Глава 4. Учёт характеристик факела в тепловых расчётах топок 126
4.1.Существующие методы теплового расчёта топок и границы их применения 126
4.2. Предлагаемая расчетная оценка тепловых характеристик факела в топке с фронтальной компоновкой горелок 133
4.3.Оценка надёжности работы горелок по термостойкости и сроку службы 152 4.4.Использование оценочного расчета характеристик факела при выборе конструкции горелочного устройства с узлами рассредоточенного ввода реагентов в топку для варианта установки горелок на фронтовой стене в два
горизонтальных ряда 154
4.5.Использование факельной технологии сжигания разнородных топлив с рассредоточенным вводом реагентов в топку при обновлении топливоиспользующего оборудования на Челябинской ТЭЦ-2 161
Выводы 174
Заключение 175
Библиографический список
- Исследования топочных процессов и методов управления структурой факела в топках современных котлов
- Методы управления тепловыми характеристиками факела в топках с фронтальной компоновкой горелок
- Особенности факельного сжигания пыли челябинского угля на котле ПК-14 в условиях одноступенчатого и многоступенчатого ввода воздуха в топку
- Предлагаемая расчетная оценка тепловых характеристик факела в топке с фронтальной компоновкой горелок
Введение к работе
1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Принятая распоряжением Правительства Российской Федерации 28.08.2003 г. № 1234-р «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» определила основные направления государственной энергетической политики и перспективы развития топливно-энергетического комплекса страны, ориентируя экономику страны на замедление роста потребности в природном газе и нефтепродуктах при увеличении потребления угля. В условиях истощения местных угольных бассейнов, энергокомпаниями наряду с потреблением природного газа рассматриваются вопросы перехода к привозным источникам топливоснабжения. В Уральском регионе после более чем полувековой промышленной добычи челябинского бурого угля с проектными и близкими к нему характеристиками сегодня производят довыработку пластов, в которых более чем в 1,5 раза увеличено содержание балласта и уменьшена теплота сгорания. При использовании на ТЭС такой топливной массы помимо сверхнормативного износа рабочих органов мельничных устройств происходит активное загрязнение топок и газоходов, снижение паропроизводительности, ухудшение технико-экономических и экологических показателей котлов. Попытки замещения челябинского бурого угля ухудшенного качества привозным топливом с теллофизическими характеристиками зольного остатка, отличающимися от проектных, не дали положительных результатов как из-за высокой стоимости топлива, так и из-за ухудшения технико-экономических и экологических характеристик котлов и ТЭС в целом. Последние могли быть улучшены только после серьёзной реконструкции оборудования с большими капитальными вложениями, причём для каждого угля потребовались бы свои изменения конструкции горелочных узлов ввода в топку топлива и окислителя, систем топливоподачи, пылепри-готовления, эвакуации золы, шлака, газов.
Совместное сжигание природного газа и низкосортного твёрдого топлива по существующим технологиям вызывает много дополнительных технических
5 проблем с устойчивостью зажигания и выгоранием топливных частиц, активизацией загрязнения и надёжностью горелочных амбразур, экранов и пароперегревателей.
Актуальными становятся разработка и применение универсальной технологии сжигания разнородных топлив, обеспечивающей повышенную надёжность, высокие технические и экологические показатели котлов, а также горелочных устройств для её реализации с системой управления по изменению режимов горения в моменты перехода с одного вида топлива на другой без существенного вмешательства в конструкции узлов ввода реагентных потоков в топку.
Успешное решение этой актуальной задачи должно начинаться с предварительного изучения особенностей факельного сжигания разнородных твердых топлив и природного газа по существующим технологиям на натурных котлах; по результатам этих исследований можно определить безопасные тепловые и газодинамические условия протекания топочных процессов и перейти к разработке новых технологий и устройств. Объем данной работы, в соответствии с планом госбюджета на научно-исследовательские разработки ЮУрГУ, ограничен исследованиями, анализом и новыми разработками технологий сжигания топлива применительно к схеме фронтального ввода в топку реагентных потоков. По такой схеме работает большое количество котлов Уральского региона, сжигая различные угли и природный газ.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка надежной технологии факельного сжигания разнородных топлив в топке с фронтальным размещением универсальных горелочных устройств при пониженном выходе оксидов азота в продуктах сгорания. Поставленная цель достигалась решением следующих задач:
- всесторонним анализом характеристик факела, надёжности, технических и экологических показателей котлов при существующей организации взаимодействия реагентных потоков в топках с фронтальным размещением горелок;
сравнительным анализом влияния способов ввода реагентных потоков и вида сжигаемого топлива на структуру факела и показатели экономичности, надёжности и выход оксидов азота в продуктах сгорания в топках с фронтальной компоновкой горелок;
разработкой технологии факельного сжигания разнородных видов топлива и конструкции горелочных устройств с системой управления характеристиками факела, обеспечивающей возможность перенастройки режимов горения при переходе с одного вида топлива на другой;
разработкой рекомендаций по проектированию, применению и эксплуатации новых горелочных устройств с универсальными узлами ввода реагентных потоков в топку.
Достоверность и обоснованность результатов. Основные научные положения, выводы, рекомендации обоснованы результатами испытаний на промышленных объектах и пилотных установках, анализом экспериментальных данных. При разработке новой технологии сжигания разнородных топлив и управления факелом в зоне активного горения топки использованы закономерности воспламенения и выгорания отдельных частиц, интегральное тепловыделение которых включено в баланс теплоты участка экзотермического окисления основной массы топлива. Достоверность результатов обусловлена широким диапазоном объектов исследований и их параметров, удовлетворительным совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований автора, сопоставлением и подробным анализом известных зависимостей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложено структурное разделение зоны активного горения на участки воспламенения и накопления основного количества теплоты окислительных реакций;
получены поправочные коэффициенты, рекомендуемые при проведении расчетов зоны активного горения топок по нормативному методу, а также
7 коэффициенты полиномиального распределения температуры и степени выгорания топлива по длине начального участка факела;
- разработана расчетная схема начального участка факела с учетом его
тепловых характеристик, зависимостей тепловыделения от степени выгорания
топлива и температуры по длине факела;
экспериментально определен диапазон длины начального участка факела в топке котла БКЗ-210-140Ф, обеспечивающий безопасную работу горе-лочных амбразур и задних экранов;
проведена экспериментальная проверка расчетной схемы изменения максимальных температуры и скорости газового потока по высоте участка охлаждения, получена хорошая согласованность теоретических и экспериментальных характеристик факела, расхождение результатов в пределах 5%;
- основные результаты диссертационной работы защищены 5 патентами.
Практическая ценность работы состоит:
в использовании результатов проведенного анализа тепловых условий воспламенения и горения топливных частиц при разработках новых технологий и узлов ввода реагентных потоков в топку, обеспечивающих повышение срока службы горелок и снижение выхода оксидов азота;
в разработке новых конструкций пылегазовых и газовых горелок с узлами рассредоточенного ввода реагентов в топку;
в разработке новой технологии сжигания разнородных видов топлива с рассредоточенным вводом реагентов через узлы универсальных горелок, по патентной версии - "многофункциональных горелочных устройств";
в разработке рекомендаций по проектированию, наладке и эксплуатации новых горелочных устройств.
Реализация результатов в промышленности.
1.Расчет начального участка факела использован в проектах систем сжигания с многофункциональными горелками для котлов БКЗ-210-140Ф Iй и 2" очередей Челябинской ТЭЦ-2, а также в проекте реконструкции газовых горелок котлов ПК-33 Южноуральской ГРЭС.
2.Разработанная схема управления параметрами факела на начальном участке использована в рекомендациях по наладке и включена в режимную документацию котлов БКЗ-210-140Ф Челябинской ТЭЦ-2.
3.Технология рассредоточенного ввода реагентных потоков в топку через узлы, размещённые в корпусе горелок, и конструкции многофункциональных горелок реализованы на котлах БКЗ-210-140Ф ЧТЭЦ-2, что подтверждается соответствующими актами использования результатов диссертационной работы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 58-60й научных конференциях ЮУрГУ (Челябинск, 2006-2008); на VI Всероссийской конференции "Горение твердого топлива" (с участием иностранных ученых), (Новосибирск, 2006); Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках" (Санкт-Петербург, 2007); IV научно-практической конференции Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов (Челябинск, 2007); Четырнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (Москва, 2008).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 19 печатных работ, из них 3 в источниках по списку ВАК, 5 в бюллетенях изобретений РФ.
Личный вклад автора заключается в самостоятельном анализе литературных данных; в проведении комплекса расчетов и экспериментальных исследований, обработке и обобщении результатов; участии в разработках новой технологии сжигания разнородных твердых топлив, конструкции горелок, рекомендаций по проектированию и эксплуатации горелочных устройств, наладке новых систем сжигания.
2.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность и формулируется цель работы.
В первой главе анализируется состояние проблемы, известных результатов исследований топочных процессов и методов управления параметрами среды в топках современных котлов.
Исследования факельных процессов проводятся на натуральных котлах и стендовых установках связаны с изучением влияния на технические, экологические характеристики схем Показано, что структура факела, его скоростные и температурные поля во многом определяют степень надёжности оборудования ТЭС.
Во второй главе проводится детальный анализ особенностей протекания внутритопочных процессов, газодинамика, поля температуры и скорости в топках с фронтальной компоновкой горелок. В таких топках факел смещен к задней стене и движется вдоль нее к выходному окну в полосе шириной 0,4-0,5 ширины топки. Неравномерность параметра по ширине восходящей ветви факела связана с неравномерным характером ввода в топку реагентных потоков.
В третьей главе рассмотрены особенности протекания факельных процессов в топках с фронтальной компоновкой горелок при изменениях технологии ввода и состава реагентных потоков. Здесь же рассмотрено влияние мероприятий по снижению выхода оксидов азота - различных схем рассредоточения окислительных потоков в топку на параметры факела, надежность котлов.
Показано, что рассредоточением реагентных потоков в амбразурах можно осуществлять переходы к различным видам топлива без серьезных реконструкций узлов топливоподачи и собственно горелок.
В четвертой главе проведена расчетная оценка температурного уровня факела в зоне активного горения и на выходе из топки котла БКЗ-210-140Ф, показана необходимость введения дополнительного учета и корректировки результатов расчета температуры реагирующих потоков при использовании нормативной методики.
10 Показано, что в распределении температуры в направлении движения факела возможно изменение длины его начального участка 1ф от горелочных амбразур до зоны с максимумом накопленного тепла окислительной реакции, в которой фиксируется и максимальная температура факела Тф. В топочном объеме одного котла с фиксированной схемой компоновки горелок значения параметров 1Ф и Тф зависят от конструкции узлов подачи реагентов в топку и вида топлива; длина начального участка факела может меняться от 0,0м до 3-5м, а максимальная температура отклоняться на 100К и более.
В этой же главе рассмотрены вопросы использования новых многофункциональных горелок, методика выбора параметров этих горелочных устройств, изучена возможность замещения челябинского угля другими видами, твердого топлива на котлах БКЗ-210-140Ф Челябинской ТЭЦ-2. Использование многофункциональных горелок, реализующих относительно стабильное тепловыделение на длине участка воспламенения ф = 1,5 - 2,5 м, позволяет
осуществлять эксплуатацию котла с управляемой величиной нагрузки по задаваемым свойствам топлива. На Челябинской ТЭЦ-2 в существующих ячейках котлов БКЗ-210-140Ф возможно размещение котлов паропро-изводительностью 320т/ч для сжигания природного газа и кузнецкого слабо-спекающегося угля. Использование челябинского бурого угля на этих агрегатах будет связано со снижением нагрузки до 2 Ют/ч, что необходимо для организации бесшлаковочного сжигания. Во всех случаях уровень падающих тепловых потоков и температурный режим амбразур не изменяется, это обеспечивает длительную безаварийную работу горелок при низком выходе оксидов азота в продуктах сгорания.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
З.ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации представлены результаты работы, выполненной кафедрой ПТЭ ЮУрГУ в сотрудничестве с Челябинской ТЭЦ-2, в которой автор принимал участие в качестве диссертанта. Автор искренне благодарит своего научного руководителя д.т.н. профессора Торопова Е.В. за постановку задачи,
организацию работы и поддержку в подготовке материалов и оформлении рукописи, главного инженера ЧТЭЦ-2, ныне генерального директора ЧГРЭС Сухарева М.П. за организацию работ на натурном оборудовании, бывшего директора ЧТЭЦ-2 Петрова В.В. и профессора д.т.н. Кузнецова Г.Ф. за подготовку и оформление результатов использования диссертации, а также всех сотрудников кафедры ПТЭ, ЧТЭЦ-2, ОАО "Челябэнергоремонт", ОАО "Инженерно-диагностический центр" принимавших участие во внедрении и подготовке результатов к публикациям и патентованию.
Исследования топочных процессов и методов управления структурой факела в топках современных котлов
В послевоенный период (50--802 г.г.) актуальной становится задача повышения экономичности и улучшения экологических показателей парогенераторов ТЭС. Общего решения обозначенных проблем в виде некой унифицированной конструкции топочного устройства найдено не было, что связано с большим расхождением теплофизических свойств топлива и сопутствующих ему минеральных включений [4-9]. При этом котлы, использующие в качестве основного топлива газ и мазут, проектировались достаточно уверенно, прогнозирование их рабочих характеристик осуществлялось на весьма высоком уровне [9,10,22-50]. Вопросы увеличения единичной мощности скрупулёзно отрабатывались на существующем котельном оборудовании, моделях, стендах по изучению свойств минеральной части топлива [16-56,61-211]. Улучшения работы топочного и вспомогательного оборудования искали в направлении совершенствования термогазодинамических характеристик факела: рационализации его температурных, скоростных, концентрационных полей [16-211].
Исследованием, наладкой и проектированием факельных топочных устройств в разное время в различных аспектах и целях занимались в ВТИ, его СКБ и филиалах [23-77], ЦКТИ [78-102], МЭИ [103-117], Союзтехэнерго и его предприятиях [118-134], ЭНИН [135-139], КазНИИЭнергетики [140-154], Сре-дАзВНИИПромгаз [155-161], СредАзНИИЭнергетики [162-169], ПО"Красный котельщик" [170-177], ЗиО [178-181], ПО"Сибэнергомаш" [182-186], ЛПИ [187], ТаллПИ [192-197], УГТУ-УПИ [198-205], ЮУрГУ [204-212]. Серьёзное внимание исследованию и улучшению факельных характеристик уделялось специалистами Германии, США, Англии, Японии [16-21,62].
Обеспечение надежной и безопасной работы топочных устройств сегодня связывают с двумя проблемными зонами: активного горения и выходным окном [9,10], рис. 1.1. Для каждой из зон вводят проектные температурные нормативы факела, выдерживание которых гарантирует минимизацию процессов высокотемпературной коррозии металла труб и шлаковых загрязнений топки и пароперегревателей [9,10]. При этом нормативы индивидуальны по виду, марке, месту добычи топлива [9,10], таблицы 1.1, 1.2. Многие исследователи газодинамики и температурных полей в топках отмечают неизбежное наличие высокой степени неравномерности факельных параметров [29-35, 37-46, 57-60, 65-153, 170-192]. Появление неравномерности связывают со струйным истечением реагентов в топочный объем, а характер распределения параметров и уровень их отклонения от средних и расчетных величин - со схемами компоновки и включения в работу горелочных устройств [29-211]. Участки факела с максимумами тепловыделения и температуры являются источниками перегревов труб и шлакования [16-21, 29-77]. В зависимости от схемы компоновки и включения горелок эти участки смещаются в объеме и сечениях топочных камер [38,39,46].
О влиянии неравномерностей на надежность и экономичность работы котлоагрегатов можно составить представление по работам [29-35, 37-46, 57-60, 65-153, 170-192]. В [13] показано, что наибольшее число отказов в работе котлов обусловлено, с одной стороны, технологическими дефектами, в первую очередь заводской сварки, с другой - перегревом труб вследствие повышенных тепловых разверок поверхностей нагрева, главным образом топочных экранов и пароперегревателей. При рассмотрении вопросов пережогов труб авторы отмечают случаи разрывов в результате неравномерности распределения рабочего тела по трубам и от тепловых и скоростных неравномерностей в потоках газов.
Для снижения повреждений труб, в первую очередь пароперегреватель-ных поверхностей, были предложены схемы пароводяного тракта, обеспечивающие равномерное распределение рабочего тела [66-68]. Однако, в целом повышая надежность пароперегревателей, эти схемы не учитывают возможных изменений температурных профилей с газовой стороны.
При исследовании работы котлов фирм ФРГ, сжигающих каменные угли, Schneider А. [16] установил взаимосвязь механизма перегрева труб с высокотемпературной коррозией и последней - с температурой газовой среды. Им была выявлена экспоненциальная зависимость скорости коррозии от температуры и показано, что ее максимальную величину следует ожидать в области с максимальными температурами газов, рис. 1.2.
Многочисленными исследованиями неоднократно отмечена сильная зависимость интенсивности шлакования от температуры золовых частиц,
находящихся в набегающем потоке дымовых газов [30-34]. При этом температура и состояние частиц в первую очередь определяются температурой газового потока [9,10,28]. В работах [170-183] показано, что неравномерности температуры значительно осложняют борьбу со шлакованием пароперегревателей даже в условиях общего снижения температурного уровня, при этом зонами шлакования являются в основном участки развития факела с максимальными значениями температуры дымовых газов.
В работах [9,17] показано, что эффективность тепловосприятия поверхностей нагрева во многом зависит от степени неравномерности параметров набегающего газового потока, причем максимальному тепловосприятию соответствуют ровные скоростные и температурные поля. Отмечая негативные последствия, вызываемые неравномерностью, указанные выше работы подчеркивают важность задачи прогнозирования и управления динамическими и температурными полями в топках.
Методы управления тепловыми характеристиками факела в топках с фронтальной компоновкой горелок
В процессе эксплуатации топочного оборудования нередко возникает необходимость в повышении надежности горелок, топочных экранов и пароперегревателей, улучшении степени выгорания топлива, снижении концентрации вредных компонент в продуктах сгорания, сбрасываемых в атмосферу. По существу те же проблемы стоят и перед специалистами при проектировании новых котлов. Существенно повысить эффективность мероприятий позволяют сведения о протекании основных процессов в реакторных полостях камер сгорания, наличие информации о тепловых и температурных полях.
Низкая надежность горелочных устройств обычно связана с повышенным тепловыделением вблизи амбразур. Высокий уровень падающего лучистого тепла со стороны факела вызывает разрушение обмуровки и металлоконструкций горелок. При нерациональной организации подачи реагентов в топку можно наблюдать шлакование амбразур.
Улучшения тепловых характеристик факела добиваются изменением конструкции узлов ввода реагентов в топку [10,205,207], а снижения температурного уровня факела и тепловых потоков в направлении амбразур -подачей через горелки необходимого количества дымовых газов [10,210].
Плохое зажигание и низкая степень выгорания топлива обычно связаны с теплофизическими характеристиками последнего. Улучшение процесса горения достигают утонением пыли, присадкой высокореакционного газа или другого подсветочного топлива [10,91-97,211].
Развитие процессов шлакования и высокотемпературной коррозии экранов и пароперегревателей вызвано превышением температуры факела над нормативным для данного вида топлива [10]. При этом неравномерный и переменный характер температурных полей усугубляет проблему поиска рациональных решений по воздействию на структуру факела: требуется снизить не только общий уровень, но и локальный максимум температуры. Снижение неравномерности температуры - одна из самых сложных задач в топочной технике.
В качестве методов снижения температуры факела используют такие дорогостоящие методы как увеличение высоты топочной камеры, установку двухсветных экранов и ширм-щек в выходных сечениях топки.
Наращивание высоты топки не может быть признано эффективным средством борьбы со шлакованием пароперегревателя: отклонения максимальных значений температуры факела могут достигать 100 - 200С, а темп падения температурного уровня в топке не более 50С на каждые 10-15м [219].
Из-за нестабильности местоположения зон с максимальными значениями температуры охлаждение факела с использованием двухсветных экранов и ширм-щек может не столько улучшить протекание топочного процесса, сколько усугубить его шлакованием и коррозией самих поверхностей нагрева внутри реакторной полости топки [219].
Методы с капитальной реконструкцией топочного реактора не являются мобильными, не учитывают меняющийся профиль неравномерности параметров. Наиболее приспособлены для подавления максимумов температуры методы с использованием струйного ввода газов рециркуляции с рассредоточением по ширине топки и сосредоточенно в область с максимальными значениями температуры [10,73,75,76,104,170,171,192].
Авторы [38] показали, что наиболее эффективен и экономичен метод автоматического включения сопл, связанных со схемой работы горелочных устройств. На котлах с фронтальной компоновкой горелок сопла рециркуляции устанавливают на задней стене топки и рассчитывают на глубину проникновения 0,15 - 0,20 глубины камеры сгорания [38].
Необходимость снижения выхода NOx с продуктами сгорания обуславливает применение ступенчатого перераспределения ввода воздушных потоков по высоте топки [57,157]. Как правило, такой способ организации горения приводит к его затягиванию по высоте топки и увеличению тепловых потерь с недожогом топлива и уходящими газами. При анализе температурных полей топок с фронтальной компоновкой горелок была выявлена схема с симметричной загрузкой топливом периферийных зон реактора и разгрузкой его приосевой области [38,41]. Такая схема рекомендована заводам-изготовителям котлов: она обеспечивает относительно стабильный профиль температуры факела по ширине камеры сгорания, максимальную активность лучистого теплообмена и улучшение экономических характеристик. В топках с такой компоновкой горелок существенно облегчено управление температурным полем с установкой ширм и вводом газов рециркуляции в периферийные зоны реакторной полости.
Особенности факельного сжигания пыли челябинского угля на котле ПК-14 в условиях одноступенчатого и многоступенчатого ввода воздуха в топку
Необходимость улучшения экологических характеристик ТЭС челябинской области, использующих местный бурый уголь, обусловили активный поиск приемлемых решений. Применяемые для снижения выхода NOx известные методы ступенчатого ввода воздуха в топку, как правило, вызывают ухудшение технико-экономических показателей котлов - увеличение потерь тепла с уходящими газами и механическим недожогом топлива. Для выбора рационального варианта снижения выхода NOx без ухудшения отмеченных потерь тепла кафедрой ПТЭ ЮУрГУ с участием представителей СредАзНИИЭнергетики на котле ПК-14 ст.№11 Южно-Уральской ГРЭС были проведены сравнительные испытания различных систем сжигания пыли челябинского угля со следующими характеристиками: Орн = 11,64 - 12,60 МДж/кг; Vs = 36 - 40%; Ас = 36 42%; W = 14,0 - 18,5%; R90 = 36 - 42% [166].
Цель проведенных испытаний - определение экономичных условий работы котла при умеренной интенсивности шлакования и перегревов труб экранов и пароперегревателей с минимальным выходом в атмосферу оксидов азота.
Котёл имеет П-образную компоновку газоходов и рассчитан на выработку пара с параметрами Дпп = 230т/ч, Рпп = 10,7МПа, Тпп = 510С, оборудован четырьмя шахтно-мельничными установками, примыкающими к фронтовой стене, верхними и нижними шлицами для ввода потоков вторичного воздуха, шлакоудаление - сухое; на задней стене размещены четыре сопла третичного дутья (рис.3.1).
На котле осуществлена реконструкция системы ввода в топку топливно-воздушных потоков, позволяющая эксплуатировать оборудование в режимах ступенчатого сжигания пыли. В окна шахтно-мельничной установки встроены стабилизаторы горения, через которые подаётся часть вторичного воздуха. Третичный воздух вводится через сопла, установленные на боковых и задней стенах топки (рис.3.2).
Сравнивались различные варианты ввода дополнительного воздуха (вторичного и третичного) при фиксированной подаче угольной пыли через мельницы. Во время экспериментов подача первичного воздуха через шахтные мельницы также была фиксирована на уровне 75 - 80% от общего расхода воздуха на горение. Режимы 1 и 2 (табл.3.1) являются соответственно основным и вспомогательным исходными режимами эксплуатации котла. Температура горячего воздуха в процессе экспериментов поддерживалась на уровне 360 -390С. В процессе сравнения оценивались следующие интегральные характеристики горения: концентрация оксидов азота NOx в продуктах сгорания с приведением к коэффициенту избытка воздуха ак=1,40, потери теплоты с уходящими газами q2, механическим q4 и химическим ?3 недожогами топлива, КПД котла брутто tfpKa и нетто ц . При анализе и расчёте перечисленных параметров использованы нормативные методы [9,10] и рекомендации работ [118,220].
Кроме того, исследован характер загрязнений и температурный режим топки и пароперегревателя. Для оценки уровня температур и падающих тепловых потоков применяли хромель-алюмелевые термопары и радиационные пирометры. Температура газов на выходе из топки Гт" рассчитывалась по тепловому балансу с использованием измеренной температуры в поворотном газоходе Тпг. Результаты испытаний при коэффициенте избытка воздуха за топкой аг= 1,23 - 1,27 и нагрузке котла Дпп = 220 - 225т/ч сведены в табл.3.2.
Работа котла в основном исходном режиме при подаче всего воздуха через амбразуры шахтно-мельничных установок (режим 1) характеризовалась относительно высоким уровнем потерь теплоты с уходящими газами q2 — 8,6 -8,8%) при степени механического недожога топлива qA= 1,2 - 1,4%, что давало КПД котла цбрка = 89,0 - 89,6% и ц" = 82,9 - 83,4%. Высокий уровень q2 объяснялся сильным загрязнением экранов, особенно задних, вдоль которых развивается факел, с ухудшением теплообмена в топке, о чём свидетельствовал и высокий уровень температуры отводимых продуктов сгорания (Tr" = 1095 -1120С). Включение сопл заднего дутья, через которые проходило до 10% всего дожигающего воздуха (режим 2 - резервный вариант эксплуатации котла), практически не сказывалось на характере протекания топочного процесса, более чистым был задний экран, начиная с отметки ввода третичного воздуха.
Уровень концентраций оксидов азота в продуктах сгорания для основного исходного режима 1 составил 590 - 660 мг/м ; с включением заднего дутья этот уровень снижался на 8 - 10%.
Перевод котла на режимы ввода вторичного воздуха через встроенные в амбразуры стабилизаторы пламени (режим 3) несколько улучшил технико-экономические показатели горения со снижением степени механического недожога на Д 4 0,4% и потерь теплоты с уходящими газами на Aq2 0,6%), что объяснялось улучшением условий воспламенения топлива, более раннего его выгорания в топке при активном подсосе горячих газов как на периферии, таки в центральную часть топливно-воздушных струй, истекающих из амбразур. Если для исходного режима 1 уровень Aq4 -8-10% на выходе факела из зоны активного горения, то для режима 3 Aq4 4 - 6% в том же сечении топки. Полоса максимальных значений температуры факела сместилась от задней стены к фронту.
Предлагаемая расчетная оценка тепловых характеристик факела в топке с фронтальной компоновкой горелок
С увеличением диаметра сопловых отверстий dzc параметр ф увеличивается: при dec= 0,014 м примерно до 3,5 м, при dec = 0,016 м примерно до 4,5 м. С ростом доли дожигающего воздуха, в частности, через боковые сопла gcWK значение параметра ф уменьшается: в диапазоне изменения dzc = (0,013 - 0,016)м повышение доли бокового дутья до g6oi = 0,1 вызывает снижение ф на Аф = (0,5 - 1,0)м; с доведением этой доли до ge0K — 0,2 происходит дальнейшее снижение ф на Аф = (1,0 - 1,5)м. Увеличение угла наклона горелок у с 10 до 30 вызывает увеличение параметра фв среднем на 0,5 м (рис.3.9,а,д).
Те же конструктивные и режимные параметры рассматриваемой системы сжигания газа оказывают влияние на выход оксидов азота, загрязнение экранов топки сажей, температурные характеристики пароперегревателя (рис.3.9Дв,е, ж,з). При работе котла на номинальной нагрузке с коэффициентом избытка воздуха в топке аТ = 1,15 - 1,21, фиксированных gemop = 0,05 g3ad = 0,05 концентрация оксидов азота NOx = 80 - 120 мг/м , выход вредного вещества с максимальной концентрацией соответствует d?c = 0,013 м и g6OK 0. Уровень концентрации NOx снижается с увеличением dzc и g6oK: при dzc = 0,016 м и ge0K-0,2 отмечено минимальное значение NOx = 80 мг/м . Изменение угла наклона горелок с 10 до 30 незначительно повлияло на уровень NOx (рис.3.9Де).
С приращением дожигающего дутья и диаметра сопловых отверстий наблюдалось затягивание процесса химического взаимодействия реагентов, увеличение области сажеобразования и светимости факела, а также снижение его дальнобойности. При работе котла с горелками, имеющими сопловые отверстия drc=0,013M, поверхность экранов топки практически не загрязнялась сажей gc = F(/FT 0, где Fc, FT - поверхность стен, загрязненная сажей, и общая поверх 89 ность стен топки, м . С наращиванием параметра dac увеличивалось значение gc при йгс— 0,016 м gc 15 - 25%. С вводом бокового дожигающего дутья значение gc снижалось в 2 - 3 раза (рис.3.9,е,о/с).
Для обеспечений надежной работы теплосилового оборудования по ТЭС поддерживаются нормативные параметры рабочей среды. По ЧТЭЦ-2, в частности, необходимо поддерживать температуру перегретого пара Тпп = T"m = 823К с отклонениями ± 5К (относительный параметр Тт =Тт 1Т"т — 1,0 ± 0,07). Опыт сжигания газа на котлах БКЗ-210-140Ф ЧТЭЦ-2 показал, что данное условие достигается при dzc (0,013 - 0,014)м. При установке горелок с сопловыми отверстиями диаметром dzc= 0,016 м даже при отключенном пароохладителе наблюдался выбег значений температуры перегретого пара из разрешенного диапазона (рис.3.9,г,з).
При анализе работы котла на угольной пыли необходимо иметь в виду, что отмеченное ранее ограничение паровой нагрузки котла 165 - 190т/ч обусловлено в настоящее время не столько температурным режимом топки (Таг и Т"), которым можно управлять различными методами, сколько мощностью установленных дымососов, не рассчитанных на работу котлов совместно с реализуемой сегодня системой очистки дымовых газов.
Процесс выработки пара подачей в топку угольной пыли реализуется при перегрузке молотковых мельниц влагой и породой, а по сравнению с проектными характеристиками топлива на 30 - 40%. Это неизбежно вызывает необходимость увеличения доли первичного воздуха на помол и последующий вынос в топку более крупных фракций пыли, снижение доли рассредоточенного дожигающего дутья и эффективности режимного воздействия последним на параметры факела.
На эффективность работы пылесистемы и топки оказывает сильное влияние степень износа мельничных бил п = 1/1исх (где /, 1исх- изношенная и исходная длина рабочей части бил, м): при п 0,5 на мельницы для устранения завалов топливом вынуждены подавать дополнительное количество первичного воздуха, что интенсифицирует вынос крупных фракций пыли. Эксперименты, выбранные для последующего анализа, проведены при п 0,5.
Как и при сжигании газа, на характеристики факельного процесса оказывают сильное влияние конструктивные параметры многофункциональных горелок, в частности, ширина пылевых каналов Вп при фиксированном проходном сечении амбразур и угол их наклона в сторону пода у, а также режимное перераспределение воздушного дутья по горелочным и топочным соплам.
