автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Безмазутная технология растопки котлов с использованием систем плазменного воспламенения топлива

МИНИСТЕРСТВО РАЗВИТИЯ ИНФРАСТРУКТУРЫ МОНГОЛИИ

УЛАН-БАТОРСКАЯ ТЭЦ-4 МИНИСТЕРСТВО ТОПЛИВА И ЭНЕРГЕТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ОТРАСЛЕВОЙ ЦЕНТР ПЛАЗМЕННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ РАО «ЕЭС РОССИИ» ПРИ АО «ГУСИНООЗЕРСКАЯ ГРЭС»

На правах рукописи

Ендонгомбо Генденсурэнгийн

УДК 66.092.662.61:533.9.15 БЕЗМАЗУТНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ РАСТОПКИ КОТЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМ ПЛАЗМЕННОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА (НА ПРИМЕРЕ КОТЛОАГРЕГАТА БКЗ-420-140-10С УЛАН-БАТОРСКОЙ ТЭЦ-4)

05.14.14 - тепловые электрические станции (тепловая часть)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

B.Е. Мессерле Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

C.Л. Буянтуев

г. Улан-Батор, г. Гусиноозерск, 1999 г.

Содержание

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ РАСТОПКИ КОТЛОВ, РАБОТАЮЩИХ НА ПЫЛЕУГОЛЬНОМ ТОПЛИВЕ._____________________ 9

1.1. Мазутная растопка и описание мазутного хозяйства ТЭС.__ 10

1.2. Технико-экономические и экологические показатели мазутной технологии растопки.____________________________ 14

1.3. Постановка задачи исследования и основные принципы безмазутной технологии растопки котлов с использованием систем плазменного воспламенения (СПВ) аэросмеси.__________________ 24

ГЛАВА 2. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСШЕ ОБОСНОВАНИЕ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ БЕЗМАЗУТНОЙ ТЕХНОЛОГИИ РАСТОПКИ КОТЛОВ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ НА ПРИМЕРЕ КОТЛА БКЗ-420-140-10С.________ 37

2.1. Методика термодинамического анализа с применением программы расчетов на персональных компьютерах - АСТРА-4/РС.____ 37

2.1.1. Методика определения исходного химического состава термодинамической системы (уголь + окислитель).______________ 53

2.1.2. Методика определения удельных энергозатрат и электрической мощности генератора плазмы____________________ 56

2.1.3. Методика определения удельной теплоты сгорания газообразных продуктов и коксового остатка.__________________ 60

2.2. Результаты расчета электротермохимической подготовки (ЭТХП) баганурских бурых углей к сжиганию, лежащей в основе безмазутной технологии растопки.______________________ 62

2.3. Технико-экономическая оценка эффективности плазменной безмазутной растопки котлов из холодного состояния._________ 64

ГЛАВА 3. ВЫБОР И МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ПЛАЗМЕННОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ БАГАНУРСКИХ УГЛЕЙ, РАЗРАБОТКА СХЕМ ЕЕ КОМПОНОВКИ С ГОРЕЛКОЙ._______ 73

3.1. Плазменные генераторы для воспламенения углей._____ 73

3.2. Системы электропитания плазменных генераторов постоянного тока.__________________________________ 81

3.3. Осцилляторы для возбуждения дуги в плазменных генераторах. ____________________________________ 84

3.4. Схема компоновки СПВ с прямоточной щелевой горелкой котла типа БКЗ-420-140-10С._______________________ 85

ГЛАВА 4. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ БЕЗМАЗУТНОЙ ТЕХНОЛОГИИ РАСТОПКИ КОТЛА БКЗ-640-140-10С ИЗ ХОЛОДНОГО СОСТОЯНИЯ._______________________ 100

4.1. Методика и программа проведения испытаний.______ 100

4.2. Промышленные испытания и результаты.__________ 102

4.3. Разработка и внедрение общестанционной системы плазменного воспламенения пылеугольного факела на 8 котлах БКЗ-420. _ 110

4.3.1. Общестанционная система электроснабжения плазмотронов.______________________________________ 110

4.3.2. Схема водогазоснабжения плазмотронов.__________ 112

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.__________________ 121

ЛИТЕРАТУРА.____________________________ 123

Приложения.______________________________

П1. Акт промышленных испытаний и сдачи в эксплуатацию

СПВ._____________________________________

П2. Распечатки расчетов на ПЭВМ процессов ТХП Баганурских углей.____________________________________

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Увеличение глубины переработки нефти до рекомендуемых 90-94 % снижает выход мазута, повышает его стоимость и делает мазут весьма дефицитным энергоносителем. С другой стороны, повсеместное снижение качества энергетических углей требует увеличения расхода топочного мазута на пылеугольных ТЭС. Как известно, мазут используется при растопке котлов, а также - для стабилизации горения пылеугольного факела при работе котлов на непроектных (низкосортных) углях или в режиме пониженной нагрузки. Снижение качества энергетических углей связано с ростом их зольности, влажности, снижением калорийности и выхода летучих. Кроме того, при совместном сжигании угля с мазутом ухудшаются эколого-экономические показатели котлов: на 10-15% повышается мехне-дожог топлива и на 2-3 % снижается КПД-брутто, на 1-2 % возрастает удельный расход условного топлива на отпускаемую в сеть электроэнергию, возрастает скорость высокотемпературной коррозии экранных поверхностей топок; на 30-40% увеличивается выход оксидов азота и серы (в случае более высокого содержания серы в мазуте); появляются выбросы канцерогенной пятиокиси ванадия. Но даже эти недостатки отходят на второй план в сравнении с ситуацией, когда из-за отсутствия мазута на ТЭС невозможно осуществить растопку пылеугольных энергоблоков, особенно в зимнее время.

Вышеперечисленные факторы делают весьма актуальной задачей современной теплоэнергетики разработку технологий безмазутного воспламенения углей, позволяющих снизить потребление мазута на пылеугольных ТЭС. Традиционные методы решения этой проблемы (снижение тонины помола угольной пыли, высокий подогрев аэросмеси, подача пыли высокой

концентрации - ПВК) не дают радикального результата. Поэтому наиболее перспективным и эффективным методом решения этой задачи является использование новых плазменных технологий безмазутного воспламенения пылеугольного топлива. Эффективность плазменных технологий в процессе безмазутного воспламенения углей объясняется высокой концентрацией

о

энергии в электродуговой плазме (200-300 МВт/м ) и химически активных центров (ионов, электронов, радикалов и атомарных форм), способствующих многократному ускорению термохимических превращений топлива и окислителя, а, следовательно, более полному и быстрому выгоранию факела. Цель работы заключается в следующем:

а) анализ особенностей технологии плазменно-угольной растопки котлов и технико-экономическая оценка ее применения;

б) расчетно-теоретическое обоснование плазменной технологии применительно к Улан-Баторской ТЭЦ-4;

в) выбор схемы компоновки плазменной системы безмазутной растопки котла (ПСБРК);

г) разработка и выбор плазменного оборудования для создания ПСБРК;

д) разработка методики исследований и проведение промышленных испытаний безмазутной растопки котла БКЗ-420-140-10С Улан-Баторской ТЭЦ-4;

е) разработка по результатам испытаний общестанционной схемы элек-троводогазоснабжения плазменных систем безмазутной растопки котлов БКЗ-420-140-10С (ст. № 1-8) Улан-Баторской ТЭЦ-4.

Научная новизна работы: а) выполнены расчеты термохимической подготовки (ТХП) к сжиганию Баганурских углей Монголии, по результатам которых определена мощность плазмотронов и оптимальные температуры процесса ТХП;

б) найдены научно обоснованные схемные решения камеры ТХП Бага-нурских углей и компоновки с ней плазмотронов;

в) разработана методика проведения испытаний и составлена «Инструкция по плазменной безмазутной растопке котла БКЗ-420»;

г) разработана общестанционная схема электроводогазоснабжения плазмотронов для котлов БКЗ-420-140-ЮС (ст. № 1-8) Улан-Баторской ТЭЦ-4.

Практическая ценность результатов:

а) по результатам испытаний все котлы Улан-Баторской ТЭЦ-4 оборудованы ПСБРК;

б) оснащение 8 котлов БКЗ-420 ПСБРК дает экономию мазута более 12000 т/год или около 250000 долларов США/год.

На защиту выносятся:

— результаты аналитического обоснования плазменно-угольной растопки котлов БКЗ-420;

— результаты термодинамических расчетов процессов ТХП Баганурских углей к сжиганию;

— схемные и технические решения отдельных узлов и в целом общестанционной системы безмазутной растопки котлов БКЗ-420;

— результаты промышленных испытаний и последующего использования плазменных технологий безмазутной растопки котлов БКЗ-420 на Улан-Баторской ТЭЦ-4.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на Международной научно-практической конференции по плазменным технологиям в энергетике (Гусиноозерск, 1993); Международном семинаре «Новые технологии и техника в теплоэнергетике» (Гусиноозерск, 1995); XXX научной конференции Восточно-Сибирского государственного техно-

логического университета (ВСГТУ) (Улан-Удэ, 1992); XXXV юбилейной научной конференции ВСГТУ (Улан-Удэ, 1997); научно-методических семинарах Института теплофизики СО РАН, КазНИИ Энергетики (Новосибирск, Алма-Ата, 1995-1998 гг.); научно-технических совещаниях Центральной энергосистемы Монголии (Улан-Батор, 1994-1998 гг.); научно-практических совещаниях Отраслевого Центра плазменно-энергетических технологий (ОЦ ПЭТ) РАО «ЕЭС России» (Гусиноозерск, 1996-1998 гг.) и «Бурятэнерго» (Улан-Удэ, 1995-1997 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 печатные работы.

Структура, объем и краткое содержание работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы из 52 наименований.

Во введении кратко обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, отмечена научная новизна результатов и перечислены выносимые на защиту основные положения работы.

В первой главе дан краткий анализ современного состояния проблемы растопки котлов пылеугольных ТЭС. Описываются схемы мазутного хозяйства ТЭС и технико-экономические и экологические показатели мазутной технологии растопки. Сформулированы основные принципы безмазутной технологии растопки котлов с использованием систем плазменного воспламенения аэросмеси и сделана постановка задачи исследований.

Вторая глава посвящена расчету процесса термохимической подготовки баганурских углей к сжиганию, лежащей в основе плазменной технологии безмазутного воспламенения пылеугольного топлива. Описана методика термодинамических расчетов с помощью универсальной автоматизирован-

ной программы АСТРА-4. Выполнена технико-экономическая оценка эффективности плазменной безмазутной растопки котлов БКЗ-420 Улан-Баторской ТЭЦ-4.

В главе 3 представлена схема компоновки СПВ с прямоточной щелевой горелкой котла БКЗ-420 и описаны основные элементы СПВ (плазмотрон, осциллятор, источник электропитания плазменных генераторов) и схема водо-газоснабжения плазмотронов.

В главе 4 приведены результаты промышленных испытаний безмазутной растопки котла БКЗ-420 Улан-Баторской ТЭЦ-4 из холодного состояния. Представлена методика проведения испытаний.

В заключении сделаны выводы и рекомендации для внедрения СПВ на пылеугольных ТЭС.

В приложении к работе представлены распечатки расчетов процесса ТХП баганурских углей и акты промышленных испытаний и сдачи в эксплуатацию СПВ на Улан-Баторской ТЭЦ-4.

ГЛАВА 1.

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ РАСТОПКИ КОТЛОВ, РАБОТАЮЩИХ НА ПЫЛЕУГОЛЬНОМ ТОПЛИВЕ.

Современное развитие теплоэнергетики характеризуется сокращением использования дефицитного жидкого топлива, являющегося ценным сырьем для нефтеперерабатывающей промышленности, и расширением применения твердых топлив, качество которых неуклонно снижается. Ухудшение качества твердых топлив (повышение зольности, влажности, снижение теплоты сгорания и выхода летучих) обусловлено истощением месторождений высококачественных углей, добываемых шахтным способом, и переходом к разработке угольных месторождений открытым способом с использованием высокопроизводительной техники [1].

В настоящее время более 90 процентов всей электроэнергии в Монголии и около 40 % - в мире [2] производится на ТЭС, основным топливом которых в перспективе будет твердое топливо, а в Монголии - низкосортные забалластированные золой и влагой угли открытой добычи с теплотой сгорания 6-8 МДж/кг.

Для улучшения воспламенения и стабилизации горения низкосортных углей в теплоэнергетике осуществляют дополнительные мероприятия [2-5], которые в основном сводятся к повышению тонины помола (до остатка на сите с ячейками 90 мкм Я90 = 6-8 %), высокому подогреву аэросмеси (до 410 К) и вторичного воздуха (до 673 К), подаче угольной пыли высокой концентрации (до 50 кг/кг) и, наконец, совместному сжиганию с углем мазута и природного газа. Однако, эти меры обладают существенными недостатками,

снижающими эффективность топливоиспользования и надежность работы котлоагрегата с одновременным ухудшением экологических показателей [68]. В частности, повышение тонины помола приводит к значительному перерасходу энергозатрат на помол и усложнению разделения пыли, что уменьшает КПД (нетто) котла. Возрастание температуры аэросмеси и вторичного воздуха выше названных пределов невозможно из-за взрывоопасно-сти [3].

Высокая цена на мазут, его дефицитность, ряд негативных последствий технико-экономического и экологического характера, эксплуатационные трудности, связанные с его использованием, делает его замещение в энергетике как в мировом масштабе, так и в условиях Монголии, важной и весьма актуальной задачей.

Наиболее эффективными решениями этой задачи являются работы, связанные с воспламенением топлив посредством низкотемпературной плазмы или с предварительной электротермохимической подготовкой топлив (ЭТХПТ) к сжиганию с использованием электроэнергии в форме низкотемпературной плазмы [3, 7-13].

1.1. Мазутная растопка и описание мазутного хозяйства ТЭС.

Энергетическим топливом для котлов Улан-Баторской ТЭЦ-4 является баганурский бурый уголь с теплотой сгорания 12,5 МДж/кг. В качестве вспомогательного (для растопки котлов и поддержания горения факела) топлива используется мазут. Паропроизводительность котла 420 т/ч.

Котел БКЗ-420 оснащен 12 прямоточными щелевыми пылеугольными горелками, расположенными в три яруса на отметках 13, 16и 19 м. Их производительность 6,25 т/ч при общем расходе угля на котле 75 т/ч. Для рас-

топки котла и подхвата факела предусмотрены 4 мазутные форсунки, которые установлены в нижнем ярусе. Производительность одной мазутной форсунки 2,5 т/ч. Расход мазута на одну растопку 33 т, время растопки котла из холодного состояния 3,5-5 ч.

Котел оборудован двумя индивидуальными замкнутыми системами пылеприготовления с промбункером. В качестве сушильного агента принята смесь дымовых газов, забираемых из верхней части топки с температурой 140 °С. 4 мазутные форсунки обеспечивают 30 % тепловой нагрузки котла. После подготовки котла к растопке из холодного состояния в соответствии с «Инструкцией по эксплуатации котлоагрегата БКЗ-420-140-10С» поочередно включают 4 мазутные форсунки. Через 3,5-4 часа растопки котла температура уходящих газов за поворотной камерой котла достигает 350 °С, температура металла барабана в нижней части составляет 230 °С, а в верхней -260 °С. После чего осуществлялось подключение котла к главной паровой магистрали и перевод его на работу основных пылеугольных горелок.

Охарактеризуем мазутное хозяйство ТЭЦ-4 в Улан-Баторе (Монголия)

[20].

По данным статотчетности ТЭЦ-4 общий расход мазута колеблется в пределах 25-27 тыс. т в год, из него на растопку котлов из разных тепловых состояний приходится почти 50 %.

Ниже приводится описание мазутного хозяйства Улан-Баторской ТЭЦ-4.

Мазутное хозяйство предназначено для приема и слива мазута, подготовки мазута к сжиганию, бесперебойного снабжения котлов подогретым и профильтрованным мазутом в количестве, требуемом нагрузкой, с давлением и температурой (вязкостью), необходимой для нормальной работы форсунок котлоагрегата. На рис. 1.1 показана принципиальная схема мазутного хозяйства на ТЭЦ.

Мазутное хозяйство состоит из следующих технологических комплексов: приемно-сливное устройство, мазутохранилище, мазутонасосная, эстакада трубопроводов от мазутонасосной до главного корпуса ТЭЦ.

Приемно-сливное устройство предназначено для приема, слива и перекачки в резервуары мазутохранилища мазута, прибывшего в железнодорожных цистернах и включает в себя следующее оборудование и сооружения, такие как: эстакада для обслуживания цистерн сверху, железнодорожный путь для установки 4-х цистерн, сливной лоток, гидрозатвор с фильтросет-кой, и приемная емкость объемом 250 м3, на которой установлены погружные центробежные насосы.

Мазутохранилище предназначено для хранения и подготовки мазута к сжиганию (подогрев, перемешивание с водой, откачка воды из резервуара) и

О

состоит из 3-х резервуаров (мазутных баков - МБ) вместимостью 1000 м

о

каждый, одного дополнительного 3000 м (на рисунке не показан) и трубопроводов разного назначения (всасывающий, напорный, заполнения, рециркуляции и т.д.)

Мазутонасосная предназначена для подачи мазута в главный корпус и циркуляционный разогрев и перемешивание мазута в резервуарах и приемной емкости и состоит из мазутных насосов (МН) первого подъема типа 2НК-5х1, второго подъема типа 5Н-5х4, фильтров грубой (ФГО) и тонкой (ФТО) очистки мазута, подогревателя мазута (ПМ) типа ПМ-10-60 и различных насосов для откачки конденсат