Настройка параметров низкотемпературного топочного факела с топливным реагентом переменного состава

Для снижения активности шлакования, образования оксидов азота и повышения надежности элементов горелок и их амбразур в факельных топках современных котлов организуют сжигание топлива при пониженном уровне температуры («низкотемпературное» факельное сжигание) [1– 5]. Перевод существующих котлоагрегатов на низкотемпературное горение связан с капитальными затратами. На кафедре промышленной теплоэнергетики ЮУрГУ разработана малозатратная технология, основанная на организации рассредоточенного ввода реагентов в топку. Такой ввод может быть выполнен различными способами [4–7]. На котлах БКЗ-210-140Ф Челябинской ТЭЦ-2 реагентные потоки рассредотачивают через индивидуальные каналы многофункциональных горелок, организуя прогрев, зажигание и начальное развитие экзотермических реакций в потоках топливовоздушной смеси при неполном количестве окислителя, а также последующее поддержание горения плавной приточно-диффузионной кислородной подпиткой из потоков вторичного воздуха [5, 7]. В сравнении с факелом обычной топливовоздушной смеси здесь темп выделения и накопления теплоты, максимальные теплосодержание и температура имеют пониженные значения, которые не достигают, в частности, значений тех же парамет- ров, необходимых для расплавления частиц сопутствующей породы, вводимых в топку с потоками топливной пыли. Это обуславливает снижение загрязнения элементов топок и горелок, их шлакования.

Дистанционирование начального участка факела2

При растягивании по длине l факела процесс экзотермического реагирования смещается в зону с максимальными теплонакоплением, теплосодержанием и температурой от среза горелок с l = 0 до отметки l ф = 1,5–2,5 м, что достаточно для уменьшения теплового потока в направлении горелочных амбразур, снижения их теплооблучаемости, активности терморазрушений и увеличения срока службы [4–7]. Помимо организации и поддержания пониженного температурного уровня в факеле горелочные устройства этого типа адаптированы к топливу переменного состава [6–7]. Однако при переходах от одного вида топлива к другому параметры факела меняются, требуется их корректировка путем перенастройки режимов работы топливопитающих систем, мельничного и тягодутьевого оборудования котлов.

Подобная перенастройка осуществляется по определенному алгоритму, который в зависимости от используемого оборудования и вида топлива на

различных ТЭС может иметь свои особенности. Из представленной на рис. 1 схемы видно, что топочный факел, сформированный многофункциональными горелками, условно можно разделить на участки воспламенения, максимального теплосодержания и охлаждения, а в качестве основных контролируемых параметров использовать принятые в топочной технике температуру и степень выгорания топлива в зоне максимального теплосодержания Т ф , К; а ф и в выходном сечении топки Т т// , К, а т . Ответственным за состояние факела в топке на всех участках являются его начальные параметры, определяющие активность процесса воспламенения; последний протекает в границах участка, начинающегося от среза горелок на отметке l = 0 м, где температура T = Т 0 , К; степень выгорания топлива а = 0, а заканчивается на отметке l = l ф , м, где температура Т = Т ф , К; степень выгорания топлива а = а ф . Каждому виду топлива соответствуют собственные значения l ф _i , а ф _i , Т ф _i . При обработке результатов зондирования факела на участке воспламенения получены универсальные зависимости для всех видов топливного реагента:

АТ = Т \= (6^2 " 8^3 + 3^4 )1m , (1) Тф Т о а = ааф = (6C2 - 8^3 + 3C4 )1n, (2) где ξ=l/lф – безразмерная длина факела, причем ^=0 на срезе горелки, а £=1,0 на длине l=lф; m=5; n=3,5 - для пыли бурого угля и природного газа.

Распределения параметров (1), (2) позволяют осуществлять поиск плавно меняющихся тепловых характеристик факела, в том числе подлежащих контролю l ф , Т ф и а ф . Последние связаны балансовой зависимостью [4, 5]:

dq_m = dq e ⁺ dq доп ^- dq ™^- dq w ^- dq # ^- dq p ^- dq рец , ⁽³⁾

или в развернутом виде:

, d и dT dq = -   Л— F dl = т dl I dl )

d d C

1 12 £- 24 C 2 + 12 ^ ³     Тф ^{- Т} _й

-- -------:——— Л-----F m(6C2 - 8C3 + 3C4 )1-Vm1

= d-аф (6C2 - 8C3 + 3C4 / nQoВоd^ + d с,

+ dQдопВдопdс-dI jt^Hi IamGo 1фТСрdC — dC                dC \/=1

• -    d C ( 2500W^p + C pw А t_wW^p + C pn А t n W p ) В о d C -

• - dC( CpAatA#) В0 dC -
• - df( Vccpv +(1 - Vc) c Рк +“ V 0 cРв) В0А t'd C —

• - dC( 1Ф-10) гВр dC ’

где dqт – поток теплоты в направлении поступления топливовоздушной смеси; dqв – тепловыделение основного топлива; dqдоп – тепловыделение подсветочного топлива; dqотв – отведенный тепловой поток к экранам топки; dqW – количество теплоты, необходимое на испарение влаги, нагрев воды и пара; dqА – тепловые потери с балластом золы топлива; dqр – потери теплоты на нагрев обеззоленной части топлива и воздуха; dq рец – потери теплоты на нагрев газов рециркуляции. В формуле (4): Л - условный коэффициент тепло-n проводности, кВт/(м-К); Т=f(x,y,z) = tf(Xi>yi>Zi) — i=1

текущая усредненная в поперечных направлениях температура среды, К; x – текущая продольная координата факела, м; F – поперечное сечение факела, м²; Q 0 – теплота сгорания на сухую массу, кДж/кг, Q 0 = Q л V^е + Q k ( 1 - V^c ) , где Q л , Q к - теплоты сгорания летучих и обеззоленного коксового остатка, кДж/кг, V^с – содержание летучих;

Рис. 1. Схема выделения зон и участков развития факела в топке с фронтальной компоновкой многофункциональных горелок:

1, 2 – фронтовая и задняя стены топки, 3 – горелки, 4 – участок воспламенения, 5 – участок максимального теплосодержания, 6 – выходное сечение участка максимального теплосодержания, 7 – участок охлаждения факела, 8 – выходное сечение топки и участка охлаждения, 9 – расчетная плоскость развития неравномерности скорости и температуры факела на участке охлаждения

В о - расход топлива, кг/с; Bр - расчетный расход топлива, кг/с; Qдоп, Bдоп - теплота сгорания, кДж/нм3, и расход дополнительного подсветочно-го топлива, нм3/с; ат - степень черноты; Тср - средняя температура факела на участке воспламенения, К, с учетом распределения (1) может быть опреде лена из выражения l2 Тср - ГТ JTdl ■ 12 l1 11

• -    ? . ^² + Тф / J ( б § ² - 8 ^ ³ + 3 § ⁴ ) ^V m d §

• § ² § 1 §         §     §

(применительно к пылевому и газовому факелу Т с _р- 0,925 Т ф ); о₀ = 5,7-10^-11 кВт/(м²-К⁴) - универсальная постоянная Стефана-Больцмана (коэффициент излучения абсолютно черного тела);

n

∑ ii стен стен верх верх низ низ i-1

-

условный параметр переизлучения, где Нстен, Нверх, Нниз - высота стен, ограничивающих горизонтальный участок активного горения в топке, ширина верхнего сечения участка активного горения и ширина нижнего сечения того же участка, причем Нниз определяется с учетом лучистой поверхности холодной воронки, м, Тстен, Тверх, Тниз - степени отвода теплоты из зоны активного горения через боковые стены, верх и низ топки, которые определяются по приближенным формулам:

^ сен ( Т ср ^4- Т стен ⁴)/ Т ср ⁴; Т верх =( Т ср ⁴- Т верх4 )/ Т ср ⁴;

Т низ =( Т ср ⁴- Т низ ⁴)/ Т ср ⁴;

Т стен , Т верх , Т низ - температуры стен, верхнего нижнего сечений участка воспламенения,

и

К;

W - рабочая влажность; срW, срп - средние теплоемкости воды и паров газовой смеси, кДж/(кг-К); ATW=Ткип-ТW, К; ATп=Т-Ткип, К; Ac - зольность на сухую массу топлива; срА - теплоемкость золы в интервале температур Т0 и текущей температуры факела, кДж/(кг-К); ATА= Т-Т0, К; V0 - удельный объем воздуха при средней температуре факела на участке воспламенения, м3/кг; срУ, срк, срв - теплоемкости летучих, коксового обеззоленного остатка, воздуха в интервале температур T0 и Tср, кДж/(кг-К); AT=Tср-Tо, К.

Параметр а = f ( R ₉₀), где R ₉₀ - условный показатель тонины помола пыли; в отсутствии опытных значений, полученных на котле (например, при настройке оборудования для проведения опытного сжигания топлива), может быть использована методика оценки а = f (R₉₀) на базе экспериментальных данных В.И. Бабия, Ю.Ф. Куваева для одиночных частиц [8].

На участке максимального теплосодержания принимается постоянство значений энтальпии, температуры и степени выгорания факела ( I ф i -const; T ф i -const; а ф i -const) по каждому из i -го вида топлива [9].

На участке охлаждения факел отдает свою теплоту топочным экранам; здесь же происходит дожигание топлива с изменением параметров Tфi, К и афi до Tгi, К и атi в выходном окне топки. Эти изменения могут быть учтены балансовыми уравнениями теплоты [10], либо в первом приближении оценены экспериментальными зависимостями [11]. В любом случае T, =fTф) и T/ < Tф.

В сечении топки факел неоднороден [11-13]. В топках с фронтальной компоновкой горелок его основная тепловыделяющая восходящая ветвь смещена к задней стене [12, 13]. По ширине этой ветви имеют место скоростная и температурная неравномерности; уровень и распределения текущих параметров по ширине слоя факела, примыкающего к задней стене, зависят от схемы включения горелок [12, 13]. Для безопасной работы топки в бесшлаковочных режимах необходим контроль за соблюдением условий: T ф 'К ф < T ф ^н и T _г ^{/ /}•К_т< T , ^н, где К ф и К т - коэффициенты температурной неравномерности, соответственно в зоне максимального теплосодержания и выходном окне топки; T ф ^н и T , ^н - нормируемые значения [14].

Помимо контроля основных факельных параметров l ф i , T ф i , а ф i , T т i" а т i при переходах с одного вида топлива на другой необходима перенастройка оборудования. При оценке характеристик, входящих в уравнение (4), можно выделить основные, способные к перенастройке процесса горения при эксплуатации котла: расход подсветочного топлива B _доп, нм³/с, расход газов рециркуляции в мельницы G _г . _р, м³/с, а также тонина помола по показателю R₉₀=f , (п_ш), где n _ш - положение шибера возврата пыли на домалывание, %.

Построение алгоритма задачи управления низкотемпературным топочным факелом

Алгоритм работы котла с перенастройкой систем топливоприготовления и подачи подсве-точного топлива в зависимости от вида ( i -го) топлива и схемы включения основных горелок для условий Челябинской ТЭЦ-2 представлен на рис. 2. Из последнего видно, что включению в работу стандартного блока регулирования параметрами котла предваряет выбор ( i -го) топлива и соответствующей ему режимной карты. Все параметры этой карты получены опытным путем при наладке, режимных испытаниях, отрабатываются системой управления до смены другого вида топлива [9, 14]. Существующая система управления охватывает челябинский бурый уголь ЧУ1 ( Q ^р н =102б5 кДж/кг; А ^с = 47 %; W =25 %; V = 3б %), ЧУ2 ( Q ^р н =12780кДж/кг; А ^с=40 %; W p =13 %; V = 39 %), переясловский бурый уголь ( Q ^р_н = = 17179 кДж/кг; W p = 20 %; А ^с = 8 %; V = 50 %;), кузнецкий каменный СС 1 ( Q ^р_н = 21369 кДж/кг; W p = 10 %; А ^с = 25 %; V = 30 %;), кузнецкий каменный ТР ( О р = 20500 кДж/кг; W = 10 %; А ^с = 30 %; V =13 %;), углеродосодержащий материал (УМ) электродного производства, природный газ с О р = 33550 кДж/нм³.

Рис. 2. Пример построения алгоритма управления параметрами котла с многофункциональными горелками при сжигании топлива переменного состава

Широкий спектр топливного реагента неизбежно влечет изменение условий хранения и топ-ливоподачи по условиям пожаробезопасности и запыленности, а также золоудаления по условиям гипсования. Эти условия должны соответствовать Нормам и Инструкциям по эксплуатации соответствующих аппаратов и оборудования.

Выводы

• 1.    Разработанный алгоритм управления котлом, оснащенного многофункциональными горелками, позволяет выполнять переходы с одного вида топлива на другой без затратных перенастроек вспомогательного оборудования.

• 2.    В процессе эксплуатации котла поддерживаются рабочие параметры топливного, газовоздушного и пароводяного трактов по режимным картам соответствующих видов топлива.

• 3.    Выбор рабочих характеристик топливопо-дачи и пылеприготовления при подаче на котел нового вида топлива осуществляется по предварительной расчетной оценке степени выгорания и нормативным параметрам факела с последующим опытным сжиганием, наладкой и режимными испытаниями котла.

• 4.    Переход к горелкам и топливосистемам иного типа потребует корректировки рассмотренного в статье алгоритма.