автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка и исследование плазменного растопочного узла для прямоточных пылеугольных горелок котлов БКЗ-160-100Ф (на примере Алматинской ТЭЦ-3)

Лис г-Г, ОД

/ в ® "

ОСПАНОВ БАИТАС САНИТАСУЛЫ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОГО

РАСТОПОЧНОГО УЗЛА ДЛЯ ПРЯМОТОЧНЫХ ПЫЛЕУГОЛЬНЫХ ГОРЕЛОК КОТЛОВ БКЗ-160-100Ф (на примере Алматннской ТЭЦ-3)

Специальность 05.14.04- промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Республика Казахстан г. Алматы 1998 г.

Работа выполнена в Казахском научно-исследовательском институте энергетики им. академика Ш. Ч. Чокина

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ -

доктор технических наук, профессор Мессерле В.Е.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ -

доктор технических наук , доцент Мукажанов В.Н. кандидат технических наук Сулейменов К.А.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ -

Отраслевой центр плазменно- энергетических технологий РАО ЕЭС России при АО «Гусиноозерская ГРЭС»

Защита состоится »Ü - шел я 1998 г. в /У . часов на заседании диссертационного совета ДР 55.05.01 при Казахском научно-исследовательском институте энергетики им. академика Ш.Ч.Чокина по адресу: 480012, г. Алматы , ул. Байтурсынова,85.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Автореферат разослан .ttQ Ц 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ДР 55.05.01. ^^

C.H.C.,K.T.H. i/C^o

О.К.Ерекеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теин: Из-за сложной экономической ситуации в странах СНГ, пшюугольные тепловые электрические станции (ТЭС), традиционно сжигающие в качестве растопочного толлива-мазут, не обесгочива-ваются нужным его количеством, а в некоторых регионах из-за отсутствия мазута ТЭС вынуждены откладывать растопки котлов, что не только снижает маневренность ТЭС, но и может привести к останову станции.

Наиболее перспективным и эффективным методом решения данной проблемы является замена традиционного розжига пылеугольного факела растопочным мазутом на плазменную технологию безмазутного розжига и и стабилизации горения пылеугольной смеси.

В перспективе можно исключить дорогой и дефицитный мазут используемый, как растопочное и подсветочное топливо, и тем самым упростить технологическую схему пылеугольной ТЭС, исключив круглосуточно работающее мазутное хозяйство, на содержание которого приходится основная доля тепловой энергии потребляемой на собственные нужда ТЭС.

Целью работы является создание и исследование плазменного растопочного узла для прямоточных пылеугольных горелок котлов БКЗ-160-100Ф, сжигающих экибастузские угли, и проведение серии безмазутных растопок на Алматинской ТЭЦ-3.

Новизна полученных результатов заключается :

- в разработке и исследовании плазменного растопочного узла для прямоточной пылеугольной горелки, включающего в себя усовершенствованную конструкцию электродутового плазмотрона, камеру термохимической подготовки топлива (ТХПТ),схему энерго-водо-воздухообеспечения узла;

- в проведении промышленных испытаний плазменного растопочного узла для безмазутной растопки котла ВКЗ-160-1 СОТ Алматинской ТЭЦ-3;

- в выдаче практических рекомендаций для проектирования промышленных систем плазменного воспламенения (СПВ) и дальнейшего их использования на ТЭС;

- в выполнении технико-экономического обоснования (ТЭО) применения СПВ угля для безмазутной растопки котлов БКЗ-160-10ОТ, с учетом результатов испытаний и критического анализа затрат на содержание и эксплуатацию мазутного хозяйства ТЭС;

Практическая ценность работы: разработанный и созданный плазменный растопочный узел для прямоточной горелки прошел успешные промышленные испытания на котле БКЗ-160-100Ф ст.Л 6 Алматинской ТЭЦ-3,

сжигающей экибаетузские высокозольные угли. Результаты испытаний и практический опыт работы освоения промышленных СПВ, могут быть использованы при внедрении плазменной технологии безмазутной растопки котлов с прямоточными горелками на ТЭС, Казахстана,СНГ и за рубежом.

Полученные расчеты затрат на содержание мазутного хозяйства ТЭС, могут быть использованы для полноценных расчетов ТЭО применения СПВ угля для Оезмазутной растопки котлов на пылеугольных ТЭС. Автор защищает:

- плазменный растопочный узел в который входят: камера ТХПТ,электродуговой плазмотрон и схемы обеспечения их работы;

- результаты промышленных испытаний СПВ угля для безмазутной растопки котла БКЗ-160-100Ф АТЭЦ-3;

- результаты расчетов затрат на содержание мазутного хозяйства и ТЭО применения СПВ угля для безмазутной растопки котлов БКЗ-160-100Ф.

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались и обсуждались :

- на отраслевых конференциях ГЭЭК "Казахстанэнерго";

- на научных семинарах КазНШэнергетики;

- на Международной научной конференции "Математическое моделирование в естественных науках" посвященной 75-лвтш академика АН РК Лукьянова А.Т. (Алматы, КазГУ им.Аль-Фараби, 17-18 апреля 1997);

- на II Международной конференции "Физика плазмы и плазменные технологии" - Беларусь, Минск, 15-19 сентября 1997.

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 3 печатных работы, получены одно авторское свидетельство, один предварительный патент и одно положительное решения о выдаче предварительного патента.

Структуре и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, списка используемой литературы из 65 наименований и пяти приложений.

Во введении обосновывается актуальность темы,определяется цель, новизна полученных результатов и их практическая значимость.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе анализируется современное состояние данной проблемы. Дефицит топочного мазута из-за ухудшения экономической ситуации в странах СНГ, вынуждает пылеугольные ТЭС, где традиционно сжигают в качестве растопочного топлива - мазут, искать технологии

для безмазутной растопки пылеугольных котлов. Кроме того, включение мазута в топливный баланс усугубляет без того трудное финансовое положение пылеугольных ТЭС, связанное с затратами на закупку, транспортировку топочного мазута и необходимостью содержания громоздкого, дорогого и экологически опасного мазутного хозяйства. При этом на эго содержание приходится основная доля потребления тепловой энергии на собственные нужда ТЭС.

Бэзмазутнне технологии воспламенения угля могут в перспективе исключить мэзут, как растопочное и подсветочное топливо и тем самым упростить технологическую схему пылеугольной ТЭС и в перспективе проектировать пылеугольные ТЭС без мазутного хозяйства.

Наиболее перспективным и эффективным методом для разрешения данной проблемы является применение плазменной технологии розжига и стабилизации горения пылеугольной смеси, основанной на использовании электродуговой плазмы с высокой концентрацией энергии (200-300 11Вт/м3), химически активных атомов (0,Н,С), радикалов (0Н,СН,Н02), ионов (О^Н^ОНТС^) и электронного газа, способствующих многократному ускорению термохимических превращений топлива и окислителя, а следовательно и более полному и быстрому выгоранию пылеугольного факела.

Сущность метода ТХПТ заключается в разделении пылеугольного потока на две неравных части и нагреве электродуговой плазмой мень-шй из них до температуры выделения летучих угля и частичной газификации коксового остатка,с тем,чтобы обеспечить суммарный выход горючих газов на уровне содержания летучих в высокореакционных углях, способных воспламеняться и устойчиво гореть без подсветки мазутом.

Как показано на рис.1, энергия плазменного факела расходуется: а )на нагрев окислителя и угольных частиц до температуры выхода летучих из угля (термическая составляющая-1);

Она нагрев коксового остатка и термохимические превращения топлива и окислителя при дальнейшем повышении температуры (термохимическая составляющая-2);

в)на ионизацию газовой фазы и газофазные реакции продуктов термохимических превращений с участием ионов и электронного газа (термоэлектрическая состааляицая-3).

При контакте потока холодной аэросмеси с электродуговой плазмой, истекающей из сопла плазмотрона, одновременно нагреваются окислитель-воздух и угольные частицы. Воздух аэросмеси нагревается от плазменного источника в соответствии с его тепловой мощностью и

разностью температур плазмы и воздуха,угольные же частицы при темпах нагрева кЯ-Ю* град.сек-1 претерпевают тепловой удар. Частицы размером до 250 мкм (4) из-за возникающих термических напряжений в объеме частицы раскалываются на множество осколков (5) за время 0,01-0,05 сек. Это явление,'приводит к резкому возрастанию площади поверхности раздела газовой и твердой фаз, а следовательно к фактическому увеличению реакционной способности топлив.

Взаймодействие плазменного факела с аэросмесью ПЛАЗМОТРОН

I

у//"//////;/////'///;//;;///;///////////////

со 2 -с, о, s, ни, сн, ог, н, см, н2, я2, с2,

СН4 ' С£, ОН, NO, СО, Si , АХ , Ca.

C^Hg 3 -в, с*, Н*, и*, К*. Si о"*, NO*, со*.

Рисунок I.

По плазменным технологиям розжига и стабилизации пылеугольного факела известны исследования и разработки Blackburn p.r. , Кеавоп I. (Англия), Duverger'D., Ashard I. (Канада), Жуков М.Ф., Полак Л.С., Перегудов B.C., Карпенко Е.И., Буянтуев С.Л., Сеулин H.A. (Россия), Энгельшт B.C. (Кыргызстан), Сакипов З.Б., Мессерле В.Е., Ибраев Ш.Ш. (Казахстан). Как видно, за рубежом и в странах СНГ представителями различных научных школ вдет активное освоение и оптимизация плазменных технологий безмазутного воспламенения углей.

Например, в 1989-98 г.г. проведены промышленные испытания СЕВ углей на котлах следующих типов :

ЦКТИ-75 У-Каменогорской ТЭЦ и БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ-3 (Казахстан), ТП-230 Мироновской ГРЭС (Украина), БКЗ-160 Бишкекская ТЭЦ (Кыргызстан), ТП-170 Новосибирской ТЭЦ-2 и ТПЕ-215 Гусиноозерской ГРЭС (Россия), E-2IQ Восточно-Пхеньянской ТЭЦ (Корея), БКЗ-420 У-Батор-ской ТЭЦ-4 и БКЗ-75 Эрдэнетской ТЭЦ (Монголия), 4-210 Сианьской ТЭЦ

(Китай).

Во второй главе приводятся методика и результаты расчетов процесса воспламенения экибастузского угля по длине камеры ТХПТ прямоточной горелки с использованием плазменного источника.

Модель процесса описывает двухфазный (частицы+воздух) химически реагирующий поток, распространяющийся в канале с внутренним источником тепла (электрическая дуга, факел плазмотрона или протекающие экзотермические химические реакции) или без него. Частицы и газ, равномерно перемешанные, поступают в камеру ТХПТ. Газ нагревается от источника тепла и нагревает частицы, по мере достижения которыми температуры выделения летучих начинается их выход в газовую фазу в соответствии с кинетическим механизмом этого процесса.

Кинетическая схема модели включает следующие стадии: выделение летучих из угля; термохимические превращения летучих в газовой фазе; газификация коксового остатка (всего 51 реакция).

Математическая модель состоит из системы обыкновенных дифференциальных уравнений: сохранения массы и изменения концетрации компонентов; сохранения числа частиц,импульса,энергии,скорости и температуры частиц; состояния идеального газа; времени пребывания газа и частиц.

Весь расчет автоматизирован и осуществляется ступенчато. Первая ступень расчета включает зону плазменного источника, где аэросмесь нагревается плазмой до температуры воспламенения, при которой начинается процесс газификации угольных частиц. Количество аэросмеси для каждой ступени подбирается таким образом, чтобы мощности теплового источнике хватило для инициирования этого процесса. Исходами данными для второй ступени расчета служат осредненные значения параметров исходного потока аэросмеси, полученных в результате расчета первой ступени. Однако на 2-й и последующих ступенях тепловым источником служит не плазмотрон как на 1-й ступени, а экзотерические реакции СО + 0,5 02 = С0£ , К, + 0,5 0г = К,0 ,

СНА + 2 0£ = С02 + 2 , С^ + 7,5 02 = 6 С02 + 3 £,0. Газ, образующийся на 1-й ступени выгорает в кислороде,содержащемся в аэросмеси 2-й ступени. Далее, после расчета 2-й ступени, подобным яе образом расчитываются остальные ступени.

При расчете принят следующий состав экибастузского угля (%): 45,0; С= 42,6; 1^= 2,33; ^0= 1,61; СО= 3,56; С02= 1,25;СН4=0,5; С6Н5= Зр15»

Процесс термохимической подготовки экибастузского угля происхо-

дат в канале диаметром 0,38 м и длиной около 2 м (рис.2).

Процесс расчета ТХГЕГ происходит в четыре ступени со следующими исходными данными для казвдой из них:

Первая ступень - Рзл =150 кВт, вуг =187,5 кг/ч, 0возд=288,4 кг/ч,

Твозд=343 К," Туг =343 К, Ь1=0,3 м; Вторая ступень - Рт =427 кВт, Оуг=650 кг/ч, Свозд=П75,2 кг/ч,

т!озд=633 К, Т^г=343 К, Ьг=0,45 м; Третья ступень - Р? =556 кВт, Суг=П93 кг/ч, 0возд=2369 кг/ч,

т1озд=76в К, Туг=343 К, Ь3 =0,75 м; Четвертая ступень - Рт =93 кВт, Оуг=И76 кг/ч, с£озд=280,7 кг/ч, Твозд =991 К, Туг=343 К, ЬЛ=0,5 м.

подача аэросмеси Оуг= 1,бт/ч ~ бвозд=2,4т/ч-

Схема расчетной камеры ТХПТ плазмотрон

0,3

0,45

0,75.

',0 м

0,5

диаметр 0,38 м

1,1,1,К - ступени расчета.

Рисунок 2.

На рис.3 показаны изменения концентрации компонентов газовой фазы по длине камеры ТХПТ. Из рис.За видно, что при достижении Х= 0,07 м, в газовой фазе появляются горючие компоненты СО и ^.концентрация которых возрастает с расстоянием, достигая при Х=0,15-0,2 м максимума. Концентрация кислорода при этом резко падает.Концентрация горючих газов, образовавшихся на 1-й ступени (СО.Н^СН^.С^) составляет- 39,4^.

За счет тепла, выделивщегося при сгорании этого горючего газа при соединении с кислородом на 2-й ступени, осуществляется термоподготовка аэросмеси на 2-й ступени (рис.Зь). Концентрация горючего газа, образовавшегося в конце 2-й ступени (х=0,75 м), в сумме составляет-15,3%. В результате полного расчета (конец 4-й ступени,х=2,Ом) концентрация горючего газа составляет в сумме около 6%. Остальной объем занимает помимо азота воздуха диоксид углерода (С0г) и водяной пар (Н^О).

Изменение концентраций газообразных компонентов по длине камеры ТХПТ

а - 1-я ступень; Ь - 2-я ступень.

Рисунок 3.

На рис.4 представлены изменения температур угольных частиц и газовой фазы по длине камеры ТХПТ. Угольная пыль, которая добавляется на всех ступенях в процесс ТХПТ, имеет одинаковую начальную тем-пературу-343 К, равную температуре первичного воздуха аэросмеси перед горелкой. Нагрев аэросмеси плазменным факелом, от 343 до 1296 К, осуществляется на участке СК X <0,2 м. На этом участке происходит интенсивная газификация угольных частиц. Температура в конце 1-й ступени достигает 1259 К для газа и 1239 К для частиц.

На 2-й ступени плазменный источник отсутствует и его функции по нагреву аэросмеси выполняют нагретые продукты термохимической подготовки (газовая фаза и коксовый остаток) 1-й ступени. Максимальная температура частиц на 2-й ступени достигает 1080 К. Температура све-ких частиц и газа возрастает и в конце 2-й ступени, достигая термического равновесия (Тд=Тк=1080К). На выходе из камеры ТХПТ получены т£=1030 К, тд=1031 к (рис.4).

Изменение температуры угольных частиц по ступеням и среднего значения температуры газовой фазы по длине камеры ТХПТ

1300-г

1100

900

(Я СП

700

500-

300

X, т

2.0

угольные частицы (-

-),газовая фаза (—), 1Д,Ш,К-ступени расчетов. Рисунок 4.

Изменение степени газификации угольных частиц

вОп

к

о

X

20

/

v,

( ..../... 1 ...../....1 1« ....... v

1.0 Х,гл

1,1,1,И ступени расчетов, У-среднее значение по длине камеры ТХПТ.

Важной характеристикой процесса ТХПТ к сжиганию, лежащего в основе плазменного воспламенения, является степень газификации (Хс) угольных частиц , которая показана на рис.5. В конце 1-й ступени (Х=0,3 м) этот показатель достигает 60%. На 2-й ступени (Х=0,75м) степень газификации составляет 33%, на 3-й ступени -24% и 4-й -7,4%. По линии V приведено среднее значение Хс по длине камеры ТХПТ. В итоге, пылеугольный поток на выходе из камеры ТХПТ имеет среднюю степень газификации, равную - 46,3%,

Анализируя результаты расчета,можно сделать вывод, чяо в канэле камеры ТХПТ диаметром 0,38 м и длиной 2 м (рис.2), поступающая аэросмесь успевает пройти термохимическую подготовку к сжиганию, инициируемую на 1-й ступени плазмотроном мощнбстью-150 кВт.

На выходе из камеры ТХПТ получены параметры, которые вполне достаточны для интенсивного воспламенения топливной смеси при смешении со вторичным воздухом на выходе в топочное пространство котла.

Однако на практике, при малых расходах аэросмеси через камеру ТХПТ, когда подаваемый поток неравномерен или смещен в какую-нибудь сторону по оси, мы не можем контролировать требуемый расход пылеуг-ольного потока через зону взаимодействия топлива и плазменного- факела. В связи с этим возможен недостаточный контакт угольных частиц с плазменным факелом и как следствие-слабое протекание процесса ТХПТ.

Поэтому с целью контроля и интенсификации процесса ТХПТ к сжиганию, решено разделить поток аэросмеси, подаваемой в канал ТХПТ в зоне работы плазмотрона - разделительной доской по середине плоскости (рис.9) и тем самым направить около 50% аэросмеси в зону действия плазменного факела.

Расчет протекания процесса ТХПТ к сжиганию сделан для различных расходов угля через камеру ТХПТ. При разделении камеры диаметром 0,38м на две половины, максимальный расход угля через одну из них -800 кг/ч, минимальный-250 кг/ч. Для расчета взят приведенный диаметр - 0,268 м.

На рис.6 показано изменение температуры угольных частиц и газовой фазы при воздействии плазменного факела по длине разделенной камеры и при различных расходах угля. Температура частиц и газов стабилизируется после отметки Х=0,7 м, полученная средняя температура потока в этом сечении составляет-ПЗО К.

На рис.7 показано изменение степени газификации угольных частиц (Хс,%) по длине камеры ТХПТ. На отметке 0,7 м при расходе 250-400 кг/ч степень газификации угольного потока достигает в среднем - 57%.

Изменение температуры угольных частиц и газа по длине камеры ТХПТ (приведенный диаметр 0,268 м)

1300

Т,К

1100-

900-

зоо

700-----

500--

I I I I 11 М I I I I I I )

0.0 0.2 0.4

11 I I i I I т I I М I I I 0.8 1.0

Х,т

угольные частицы (-) , газовая фаза (—)

Кривые: 1,2- при расходе угля 250 кг/ч; 3,4- 400 кг/ч; 5,6- 800 кг/ч.

Рисунок 6.

Изменение степени газификации угольных частиц по длине камеры ТХПТ (приведенный диаметр 0,268 м)

Хс,я

40--

20--

- С-250 ^/h 1--и.-~-1

d J

Г { ' ———s 1 f\ \ 1 / 1 t j / 5 G-&OD kji/h / / 1 1

I / ' '

- 1 ИТтгУЯ1 Т П1 Г 1 TT Г J 1 1 1 / ' 1 1 / ' ' 1 j i i 1 j i i / / • « f J \ t / ' ' \S i » mimi rlrruinnlmninr'

Х,т

о.о

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Концентрации компонентов газовой фазы на отметке Х=0,7м приведены в таблице I, откуда видно, что суммарная концентрация горючих газов (СО.Н^СК^ ,С&К6)- 2 довольно высокая и составлявт-37% при расходах 250-400 кг/ч, а именно эти расходы являются растопочными параметрами.

Таблица I. Концентрации компонентов газовой фазы на отметке X = 0,7 м , об Л.

йуг.кг/ч СО н2 С6Н6 СНд к2о со2 К2 °2 Е

250 20,95 16,25 0,53 0,4 0,28 5,84 55,72 0,0001 37,63

300 20,97 16,22 0,53 0,41 0,35 5,86 55,65 0,0001 37,63

400 20,07 16,2 0,53 0,41 0,45 6,21 56,05 0,064 36,71

Таким образом, можно отметить, что параметры, полученные в расчете на отметке 0,7 м: температура аэросмеси - ИЗО К; суммарный выход горючих газов - 37,6%; степень газификации угля 57% - являются вполне достаточным для ТХПТ к сжиганию. Поэтому длина перегородки взята - 0,7 м. Оставшихся 1,3 м достаточно для нагрева, частичной газификации и ТХПТ к сжиганию оставшейся половины аэросмеси.

Одним из основных элементов плазменного растопочного узла является электродуговой плазмотрон, надежность которого имеет определяющее значение . Исследования по усовершенствованию работы плазмотрона приведены в третьей глава.

В имеющейся конструкции плазмотрона за период эксплуатации 1992- 95 года были выявлены некоторые недостатки: прожоги внутренней стенки охладителя графитового электрода; "прилипание" образующегося плазменного факела к торцевой поверхности плазмотрона в некоторых режимах работы.

Исследовательская работа по выявлению причин вышеперечисленных неполадок, а затем и по созданию усовершенствованного плазмотрона (рис.8) проводилась на опытной базе КазНИИэнергетики .

В итоге, часть охладителя со стороны анода стала выполнятся из меди, обладающей по сравнению с нержавеющей сталью в десятки раз большей тепло- и электропроводностью, что препятствует образованию высокотемпературных электродных пятен-опорннх пунктов столба элек-

тряческой дуги.

Также сила усилена торцевая поверхность электромагнитной катушки водоохлаздаемой стенкой, предохраняющей от термического воздействия плазменным факелом, иногда являющегося причиной выхода из строя корпуса катушки.

Опыты показали,что правильное геометрическое оформление устья, выходе плазмообразущего газа (воздуха) из анода влияет на аэродинамику факела. При выдвижении плоскости анода 9 на 15-20 мм от плоскости торцевой поверхности электромагнитной катушки, плазменный факел не "прилипает" к торцевой поверхности и имеет требуемую аэродинамику и необходимую длину.

Электродуговой плазмотрон КазНШЭ

I-катод, 2-механизм подачи электрода, 3-изолятор, 4-корпус, 5-подача воздуха, 6-подача воды на охлаждение катушки и торцевой поверхности, 7-охладитель, 8-подача воды на охлаждение анода, 9-анод, Ю-дуга, II-электромагнитная катушка, 12-охлавдение торцевой поверхности, 13-обмуровка.

Компоновка камеры ТХЛТ с плазмотроном на прямоточной горелке котла БКЗ-160-1СШ.

1-тыепровод, 2-камера ТХПТ, 3-плазмотрон, 4 плазменный факел, 5-терегродка, 6-короб вторичного воздуха, 7-граница топки, 8,9-системы электро-газо-водоснабжения плазмотрона, 10-горелка .>42(нижняя), П-горелкз #6(верхняя).

Рисунок 9.

Экспериментально была определена зависимость расхода плазмооб-разуюцегося таза (воздуха) от электрических параметров плазмотрона и составлена таблица для ее использования во время эксплуатации СПВ на ТЭС.

Также приводится окончательная схема компоновки разработанного растопочного плазменного узла с пылеугольной горелкой (рис.9), схемы технологического и электрического снабжения СПВ.

Таким образом, созданный плазменный растопочный узел работает следующим образом.

На плазмотрон подается напряжение. Мезду катодом I и анодом 9 (рис.8) зажигают электрическую дугу. Одновременно включается электромагнитная катушка II. По патрубку 5 в камеру плазмотрона вводят плазмообразувдий газ (воздух). Под действием внешнего магнитного поля катушки II дуговой столб 10 начинает вращаться в межэлектродном пространстве и перекрывает поперечное сечение. Плазмообразующий газ, интенсивно нагреваясь вращающейся электрической дугой, истекает в камеру ТХПТ в виде плазменного факела.

По пылепроводу I (рис.9) поступает аэросмесь, которая при входе в камеру ТХПТ 2 разделяется пергородкой 5 на две части. Одна из них проходит через активную зону и подвергается воздействию плазменного факела. Здесь происходит ТХПТ, т.е., полный выход летучих угля и частичная газификация коксового остатка. Суммарный выход горючих газов достигает уровня содержания летучих в высокореакционых углях. Далее, высокореакционное двухкомпонентное топливо (горючий газ+коксовый остаток) смешивается в камере ТХПТ с "холодным" потоком аэросмеси и воспламеняет его в топочном пространстве котла, после смешения со вторичным воздухом.

Количество плазмотронов на котле при реализации его безмазутной растопки из холодного состояния определяется в соответствии с "Инструкцией по эксплуатации котельных агрегатов" конкретного типа,исходя из условия обеспечения за время растопки 30% от номинальной тепловой нагрузки котла.

Согласно инструкции и для лучшего смешения угольных потоков, прошедших ТХПТ, с остальным топливом, а также для обеспечения равномерного температурного напряжения в топке и эффективного использования энергии плазмотронов - решено устанавливать их по диагонали, как поквзано на рис.Ю, в горелках нижнего яруса (Ж и №4). Резервный плазмотрон был установлен в верхней горелке 346.

Размещение пылеугольных горелок и плазмотронов на котле БКЗ-160-Ю0Ф в поперечном разрезе.

.Рисунок 10.

В четвертой главе дана краткая характеристика котла БКЗ-160-100Ф. Описана методика проведения испытаний, приводятся результаты промышленных испытаний и даются рекомендации для модернизации плазменного растопочного узла и проектирования промышленных СПБ.

В период промышленных испытаний (1996 - 1998 года) на Алматин-ской ТЭЦ-3, Сыло проведено семь безмазутных растопок котла из холодного состояния. Сжигался зкибэстузский уголь зольностью - 45% и теплотворной способностью - 3511 ккал/кг.

Испытания показали, что мощности двух плазмотронов было достаточно для осуществления растопки, как и предпологалось. При включении третьего плазмотрона отмечалось резкое повышение всех параметров котла, что приводило к нарушению режимной карты растопки.

После включения плазмотронов К и Х2 были включены пылепитатели соответствующих горелок. Стартовая электрическая мощность плазмотрона составила-140 кВт, конечая-160 кВт. Рост растопочных параметров регулировался подачей топлива. Скорость подъема давления в барабане не превышала 0,4 атм/мин, а температура пара-2,4 град/мин, что соответствовало режимной карте растопки котла.

Устойчивое, без срывов воспламенение факелов в холодной топке наблюдалось ухе через 2-3 секунды после подачи топлива. Температура пылеугольного факела из каждой горелки на выходе в топочное пространство достигала 1200-1300 °С, а его длина 5-6 м. Ядро факела ярко-желтого цвета наблюдалось в "центре топки.

Согласно программы исследовательских работ, одна из растопок была проведена со снятием перегородки в камере ТШГ нижней горелки №4 (плазмотрон Ж), результаты которого приведены в таблице 2.

Таблица 2. Сравнение показателей работы камеры ТХПТ с разделением и без разделения потока аэросмеси во время растопки котлоагрегата.

Камера ТХПТ время воспламенения факела в топке,сек. температура факела,°С длина факела,м

с перегородкой 2-3 1200 - 1300 5-6

без перегородки 20 - 30 900 - 1000 2-3

Как видно из таблицы 2, ухудшились все параметры работы камеры ТХПТ без перегородки, также было отмечено шлакование поверхностей камеры и скопление шли. Таким образом, испытания подтвердили важную роль стабилизирущей процесс ТХПТ- перегордки в камере ТХПТ во время растопки котлоагрегата.

Растопка котла, согласно инструкции, длилась 3,5 часа. Были достигнуты рабочие параметры котла: давление пара на выходе из котла -НО атм, температура пара - 510 °С, температура вторичного воздуха -340 °С, температура уходящих газов - 165 °С.

После стабилизации горения пылеугольного факела в топке и достижения устойчивого режима работы котла, поочередно отключили плазмотроны.

Узлы плазмоторона во время испытании работали надежно.

В таблице 3 приведены результаты испытаний СПВ на котле БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ-3.

По результатам испытаний для дальнейшего использования плазменных систем персоналом станции, составлена "инструкция по плазменной растопке котла БКЗ-160-Ю0Ф."

Таблица 3. Обобщенные результаты промышленных испытаний СПВ на котле

БКЗ-160-100Ф АТЭЦ-3.

* Наименование ед-ца измерения результаты

I Стартовый расход аэросмеси на котел: угольной шли т/ч 2 - 2,2

первичного воздуха куб.м/ч 1800-2000

г Температура факела на выходе в топку из камеры ТХПТ °С 1200-1300

3 Длина факела метр 5-6

4 Расход угля на одну растопку тонна 16,5

5 Удельный расход электроэнергии на плазмотроны во время растопки кВт-ч/кг 0,07-0,15

6 Мощность плазмотрона кВт 140-160

7 Расход графитового электрода на одну растопку (диаметр-50 мм) метр 0,5-0,7

8 Продолжительность растопки котлоагрегата час 3,5 - 4

В пятой главе приводится технико-экономическое обоснование (ТЭО) применения СПВ углей для безмазутной растопки котлов БКЗ-160-Ю0Ф.

При расчете затрат на растопку котла в базовом, традиционном режиме, кроме расхода мазута - 12 т на растопку (Змаз), учитывались затраты на содержание этих 12 т мазута в контуре мазутохозяйства станции (Змх), включающих в себе затраты на: -тепловую<и электрическую энергию циркуляции и подогрева мазута в контуре; -тепловую энергию на подогрев и слив мазутной цистерны.

Збаз= Змаз+ Змх+ Зуг

Если значения Змаз и Зуг постоянны или незначительно меняются, то значения Зю меняются значительно с увеличением срока хранения мазута в баке. Например,суточные эксплуатационные затраты на содержание мазута увеличиваются на 14% по отношению к его покупной стоимости, в итоге общие затраты на растопку в базовом режиме повышаются на 13,5% за каждые сутки и составят 2,3 млн.тенге в год.

При содержании мазута в баке 5 суток, затраты тепловой энергии составят -88,5Ж от покупной стоимости мазута и в целом затраты на

растопку увеличатся на 54,2% и составят 3,5 млн.тенге в год.

При расчете затрат на растопку в новом режиме (без мазута с применением СПВ) учтены следующие затраты: -на уголь (Зуг); -электроэнергию на плазмотроны (Зэл); -на реконструкцию шлеугольных горелок и стоимость нового оборудования (Зспв); -на техническую воду и сжатый воздух (Звв).

8йов= Зуг+ Зэл+ Зспв+ Звв= 980 тыс.тенге в год

Таблица 4. Годовой экономический эффект (Э) применения СПВ и срок окупаемости оборудования СПВ (Ток) на один котел БКЗ-160 в зависимости от осредненного срока хранения (Тер) мазута в мазутном баке.

\ Тер (сутки) I 2 3 • 4 5

3 = Збаз~ 3нов- млн-танге 1,32 1,63 1,94 2,25 2,56

а • п + ц • п гор гор СПВ СПВ Гок=- ,год Э 2,4 1,96 1,64 1,42 1,24

Из расчетов ТЭО видно, что экономический эффект применения СПВ для котла БКЗ-160 зависит не только от покупной стоимости мазута, но и от эксплуатационных издержек,связанных с затратами на эксплуатацию •мазутного хозяйства, работащего круглосуточно. По расчетам экономический эффект составил - 1,32 млн.тенге в год при среднем годовом сроке хранения мазута в баке равном I суткам и при сроке хранения 5 суток -2,56 млн.тенге в год. Средний срок окупаемости оборудования СПВ составил около 1,5 лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. Успешное проведение промышленных испытаний системы плазменного воспламенения углей на ГЭС подтверждает правомерность принятых рас-четно теоретических и методических концепций при разработке и создании плазменного растопочного узла пылеугольной прямоточной горелки, в функциональной основе которого лежит принцип термохимической подготовки топлива к сжиганию.

2. Разработан и освоен плазменный растопочный узел с электродуговым

плазмотроном для прямоточной горелки котла БКЗ-160-1OOS. Получен один предварительный патент и решение о выдаче предварительного патента Патентного ведомства PK на узел пылеугольной горелки и электродуговой плазмотрон.

3. Разработана и освоена технологическая схема совместного функционирования плазменного и станционного оборудования при безмазутной растопке пылеугольных котлов.

4.Проведены полномасштабные промышленные испытания СПВ для безмазутной растопки на котле БКЗ-160-100Ф ct.JS6 Алматинской ТЭЦ-3.

5. Технико-экономическое обоснование применения СПВ для безмазутной растопки котла БКЗ-160-100Ф выполнено по данным, полученным в промышленных испытаниях, также определены затраты на содержание мазутного хозяйства ГЭС и выявлено их влияние на станционные издержки,что делает ТЭО более обоснованным и надежным.

6. Приобретение двух комплектов СПВ для одного котла окупает себя в течении 1,5 лет.

7. Результаты испытаний и созданный плазменный растопочный узел прямоточной горелки можно использовать при разработке СПВ для любых котельных агрегатов с различной паропроизводительностыо, имеющих прямоточные пылеугольные горелки, не только в Казахстане, но и в странах СНГ и дального зарубежья. Например, только на ТЭС Минэнерго PK имеются 65 таких котлоагрегатов.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1.Ибраев Ш.Ш., Локша Б.К., Тютяев A.A., Оспанов B.C. Промышленные испытания передвижного плазменного 'агрегата для розжига пылеугольных котлов ТЭС //Энергетика и топливные ресурсы Казахстана. 1993,* 4. г.Мвссерле В.Е..Устименко A.B..Сакипова Ш.З.,Оспанов B.C. Математическая модель плазменной активизации горения энергетических углей и сравнение с экспериментом на промышленном котле Алматинской ГЭЦ-3 // Материалы Мевдународаой научной конференции "Математическое моделирование в естественных науках". Алматы, КазГУ, 1997.

3.Мессерле В.Е.,Лукъященко В.Г..Сейтимов Т.М.,Локша Б.К.,Оспанов Б.С Устименко A.B..Сакипова Ш.Е. Применение электродуговой плазмы в процессах безмазутного воспламенения высокозольных энергетических углей //Материалы конференции "Физика плазмы и плазменные технологии". Минск,1997,том 4.

4.Авторское свидетельство J6 9790 "Устройство для зажигания топлива"

Патентного ведомства РК. Дата подачи заявки 19.07.93. //Ибраев Ш.Ш., Локша Б.К., Тютяев А.А., Оспанов Б.С.

5.Предварительный патент J6 5349 от 15.10.97 Патентного ведомства РК. "Узел пылеугольной горелки с системой плазменного воспламенения топлива" //Мессерле В.Е., Лукъященко В.Г., Локша Б.К., Оспанов B.C., Сейтимов Т.М., Сакипов З.Б., Устименко А.Б.

6.Положительное решение о выдаче предоатента Патентного ведомства РК от 23.02.98 на заявку № 9702II.I (дата подачи заявки 04.03.97). "Электродуговой плазмотрон"// Мессерле В.Е., Сейтимов Т.М., Лукъященко В.Г., Локша Б.К., Оспанов Б.С., Устименко А.Б.

Т Y К Ы Р Ы М

Оспанов Байтас Санитасулы

"ЕКЗ-160-Ю0Ф казандагынын тура 9Тк1зпш кем1р жандыргыштарына арналган плазмалык от алдаргыш кондаргысын жасау жэне зерттеу" (Алматы 3-ЖЭО Улг1с1нде)

05.14.04 - иенд1р1ст1к жылуэнергэтикаси" мамандыгы бойынша бер1лет1н техника гылывдарынын кандидаты гадами дэрежесШ алуга арналган

Диссертациялык жумыс жылу электр станцияларында орнатылган БКЗ-160-100Ф бу казандыктарын плазмалык технологияларга арка суйеп, суй-ык отынсыз от алдыруга арналган. Сол уш!н казандыктын тура етк!зг1ш кем!р жандыргыштарына kgmíp агындарын плазмалык жалынмен термохимия-лык дайындыктан втк1зет!н арнайы камера жасалган. Камерага электрдо-галык куаты 200 кВт-ка дейш кететгн плазмотрон жасалып орнатылган.

Плазмалык от алдаргыш кондыргысы курдел! гылыми зерттеулерден eTín, eHflípic жагдайында толык масштабты сынактардан жаксы багамен еткен.

Осы диссертациялык кумыс, койылган максатка жету yuiíh колданыл-ган есепПк-теориялык жэне галыми-методикалык эд1стерд!н дурыстырен енд1р!ст1к жагдайда дэлелдеп шыкты.

SUMMARY Ospanov Baitas Sanitaeuly

"Development and research of plasma ignition devioe lor ooal's straight-direoted burner of boilers BKZ-160-100F" (on example Alraaty Thermic Power Central-3)

On the competition of soientifio degree of oandidate of technical scionoes with specialization 05.14.04 - industrial heatenergetios

The thesis is devoted ignition of boilers BKZ-160 without the liguid fuel with application of plaema technology. For that special camera instead of straight-directed burner and eleotrioal-aro plaB-motron with the oapasity -200 kW for thermoohemioal preparation of coal dust flow were developed.

Soientifio researches and industry teste6 of the plasma ignition devioe were suooesfull.

The thesis proved correctness of oaloulates-theoretioal and soientifio-methodioal ooneeptions for solution of given problem under industry oonditons.

Подписано в печать 25.05.98 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,39. Усл. кр.-от. 1,51. Уч.-изд. л. 1,12. Тираж 100 экз. Заказ 234.

Типография КазгосИНТИ: 480096, г. Алматы, ул. Богенбай батыра, 221.