3.3. Пылеугольный котел с кольцевой топкой для крупных энергоблоков

Развитие энергетики в России и в других странах,например, Китай, Индия предусматривает строительство крупных угольных тепловых электростанций.

Для энергетики России наиболее перспективным является использование каменных углей Кузнецкого бассейна и бурых углей Канско-Ачинского бассейна. Разведанные запасы угля первого бассейна составляют 57,3 млрд. т, второго – около 150 млрд т. Особенностями этих углей – высокая теоретическая температура горения и повышенная склонность к шлакованию и загрязнению топочных и пароперегревательных поверхностей нагрева. Для обеспечения высокой надежности и экономичности пылеугольного котла, работающего на таких углях, принимаются умеренные теплонапряжения и сравнительно низкие температуры газов в топочной камере.

При существующих традиционных конструкциях топочных устройств это приводит к увеличению размеров котлоагрегата, особенно в высоту. Так, например, высота Т-образного (двухгазоходного) котла типа П-67 для блока 800 МВт, изготовленного российским заводом «ЗиО – Подольск» и установленного в России на Березовской ГРЭС, составляет более 90 м. Опыт работы котла П-67 на бурых углях показывает, что для обеспечения надежной бесшлаковочной работы топки, даже с учетом установки большого числа обдувочных устройств, требуется, чтобы максимальная температура в топке не превышала 1250 ^оС. При этом должна обеспечиваться равномерность распределения температуры по сечению топочной камеры.

Соблюдение вышеуказанных требований с учетом необходимости сжигания бурых углей с повышенной влажностью и высокой теоретической температурой горения (1550 – 1560 ^оС), является весьма сложной задачей. Учитывая перспективы использование подобных углей в России и других странах, инжиниринговая компания «СибКОТЭС» совместно с заводом «ЗиО – Подольск» разработала конструкцию котлов для блоков 800 – 1000 МВт с использованием (нетрадиционного) топочного устройства – кольцевой топки (рис.3.8).

Особенности конструкции котла с кольцевой топкой

• Кольцевая топка представляет собой восьмигранную вертикальную экранированную призму, внутри которой по всей высоте коаксиально (соосно) установлена восьмигранная экранированная вставка. Поперечный размер этой вставки для разных топлив составляет 50 – 60 % поперечного размера наружной камеры. Стены внутренней и наружной камер состоят из газоплотных сварных панелей.

• При таком решении вращающийся факел оказывается зажатым в кольцевом пространстве между внутренними и наружными экранами. Условия смешения, воспламенения и выгорания топлива и теплообмена в такой топке существенно отличается от условий в обычных тангенциальных топках, где в центральной (приосевой) области практически отсутствует активное движение газов. Проведенные сравнительные исследования цилиндрической и многогранной кольцевых камер показали, что при восьмигранном сечении аэродинамика кольцевой топки близка к течению цилиндрической кольцевой камеры.

• Кольцевая топка для обоих котлов представляет собой восьмигранную наружную камеру с установленным диаметром 27,5 – 28 м, внутри которой соосно установлена полная восьмигранная камера с условным диаметром 13,75 – 14 м.

• Основные параметры котлов приведены в табл. 3.1. Характеристики углей – в табл. 3.2.

• Экраны наружной и внутренней камер выполнены в виде вертикальных цельносварных газоплотных панелей из труб диаметром 32х6 (ст. 12Х1МФ) с шагом 48 мм.

• Во внутренней камере установлена основная строительная колонна («пилон»), лифт и площадки обслуживания.

• Топка оборудуется 32 прямоточными горелками, расположенными в четыре яруса по одному горелочному блоку на каждой наружной грани топки. Для обеспечения вращательного трения в горизонтальном сечении оси горелок направлены по тангенциальной схеме.

• В кольцевой топке используются специальные регулируемые горелки, обеспечивающие возможность изменения направления ввода в объем топочной камеры горелочных струй. Это позволяет сравнительно легко настроить положение вращающегося факела без активного касания его внутренней и наружной камер.

• Для дополнительного снижения выбросов NO_x часть вторичного воздуха вводится в топку отдельно от горелок на их уровне расположения, а также в зону выше горелок. При этом для уменьшения крутки газов перед их входом в конвективные газоходы верхний ввод воздуха (OFA) организован по тангенциальной схеме с направлением, противоположным вращению основного потока топочных газов.

Рис. 3.8. Принципиальная схема кольцевой топочной камеры Ф.А. Серанта

Таблица 3.1.

Основные параметры котлов с кольцевой топкой для блока 800 МВт.

№ п/п	Параметры	Котел для бурых углей	Котел для каменных углей
1	Паропроизводительность котла, т/ч	2650	2450
2	Давление первичного пара за котлом, МПа	25	25
3	Температура первичного пара на выходе из котла, оС	545	545
4	Температура питательной воды, оС	275	275
5	Расход вторичного пара, т/ч	2186	2020
6	Давление вторичного пара на выходе из котла, МПа	3,5	3,5
7	Температура вторичного пара на выходе из котла, оС	545	545
8	КПД котла, %	91,0	92,6
9	Температура дымовых газов, оС в конце зоны активного горения на выходе из топки	1174 1062	1230 1054

Таблица 3.2.

Характеристики топлива

Наименование	Обозначение	Бурый уголь	Каменный уголь
Влажность, %	Wr	33	15,5
Зольность, %	Ar	4,7	6,6
Теплотворная способность, кДж/кг	Qr i	15655	23750
Выход летучих, %	Vdaf	48	33,8

Для котлов принята схема пылеприготовления с прямым вдуванием и использованием восьми мельниц-вентиляторов для котла на каменных углях. При этом каждая мельница подключена на 4 горелки одного горелочного блока, расположенного на одной грани топки.

Профилактическая очистка топочных экранов от золовых отложений производится с помощью дальнобойных и маловыдвижных водяных аппаратов, установленных на наружных стенах топки.

Выполненные по программе «FLUENT» расчеты позволяют получить распределение скорости и температуры в горизонтальном сечении топки. Установка в приосевой области топки большей поверхности нагрева в виде внутренней вставки и дополнительная интенсификация теплообмена обеспечивают в кольцевой топке сравнительно низкий (1200–1230 ^оС) уровень максимальных температур факела, при котором может быть исключено активное шлакование топочных экранов. При этом, несмотря на низкие температуры, в кольцевой топке обеспечивается устойчивое воспламенение и экономичное выгорание топлива.

По построению схемы пароводяного тракта котел с кольцевой топкой практически не отличается от обычного котла Т-образной компоновки. Тракт первичного пара выполнен в виде двух (по числу газоходов) несмешивающихся параллельных потоков с автономными системами регулирования. При этом каждый поток, в свою очередь, делится на два подпотока, которые периодически перемешиваются для исключения тепловых разверок.

Тракт вторичного пара состоит из четырех самостоятельно регулируемых потоков. Схема включения поверхности нагрева, их конструкция и применение полнопроходных встроенных сепараторов позволяют обеспечить работу котла на скользящих параметрах.

Особенностью конструкции котла с кольцевой топкой в части строительных решений является установка в центральной части внутренней камеры мощного строительного пилона, лифта и площадок обслуживания, что значительно облегчает развязку каркаса и всей подвесной системы котла.

Основные технические решения, принятые для рассмотренных выше котлов для блоков 800 МВт, проверены и обработаны в течение пяти лет на котле паропроизводительностью 820 т/ч, установленном в России на Ново-Иркутской ТЭЦ (г. Иркутск).

Котел с естественной циркуляцией рассчитан на параметры пара сдавлением 14 МПа и температурой 560 ^оС и работает на бурых шлакующих углях с влажностью 25 – 33 %, зольностью 6 – 12,8 %, содержанием летучих 46 – 48 % и теплотворной способностью 15655 кДж/кг. Плавкостные характеристики золы Т_А =1100 – 1180 ^оС, Т_В =1210 – 1300 ^оС, Т_с=1230 – 1310 ^оС.

Восьмигранная кольцевая топка имеет размеры по наружной камере 18,54 м и по внутренней – 9,27 м. Топка рассчитана на теплонапряжение объема – 97 кВт/м³ и сечения 2,83 МВт/м².

Специальные регулируемые горелочные устройства по высоте топки установлены в три яруса по высоте топки на шести наружных гранях. Указанное количество горелочных блоков связано с ограничениями по условиям его компоновки в существующем здании (не более шести мельниц-вентиляторов).

При этом каждая мельница подключена по топливу к своему блоку горелок. На двух противоположных гранях топки, оставшихся без вводов топлива, установлены только сопла вторичного воздуха.

Регулируемые горелки позволяют за счет перераспределения потоков вторичного воздуха в широких пределах изменять направление горелочных струй относительно внутреннего и наружного экранов топки.

В верхней части топки установлены сопла третичного воздуха (OFA). Для лучшего смешивания и ликвидации остаточной крутки факела эти струи направлены по тангенциальной схеме в противоположном направлении вращению основного факела. На выходе из топки и в двух последующих конвективных газоходах расположены ширмовой и конвективный пароперегреватель и экономайзер. Трубчатый воздухоподогреватель вынесен в отдельную колонку. Во внутренней шахте котла смонтированы ремонтные площадки и водоотпускные трубы, идущие от барабана к нижним камерам котла.

• Котел установлен в существующем здании, запроектированном ранее под котел производительностью 500 т/ч. Верхняя отметка котла – 50 м, что на 20 м ниже аналогичного по тепловой мощности котла с обычной топкой.

• За несколько лет на котле проведено много исследований и испытаний на разных топливах, в результате которых полностью подтверждена работоспособность и высокая эффективность кольцевой топки. В ходе этих испытаний проверены различные режимы работы котла на нагрузках от 380 до 820 т/ч при различном количестве (от четырех до шести) и сочетании работающих мельниц. На заключительном этапе испытаний был успешно проведен тестовый опыт на максимальной нагрузке 900 т/ч.

На основании анализа результатов проведенных испытаний и полученного опыта эксплуатации установлено:

В проверенном диапазоне нагрузок 480 – 900 т/ч (60–110 % D_ном) котел обеспечивает расчетные выходные параметры по температуре и давлению пара. При этом даже при нагрузке 900 т/ч отсутствуют ограничения по тяге, дутью и регулированию температуры перегретого пара.

Во всем диапазоне нагрузок промежуточные температуры пара и металла не превышают расчетных и предельных значений.

Конструкция кольцевой топки с регулируемыми горелочными устройствами обеспечивает устойчивое вращательное движение факела без заметного «прижатия» его к внутренним и наружным экранам при любом сочетании работающих мельниц. При этом практически отсутствует сепарация невоспламенившихся частиц топлива в холодную воронку.

Максимальный температурный уровень в топке (усредненный по кольцевому сечению уровень температур в зоне их максимума), замеренный оптическим пирометром при нагрузке 820 т/ч, составляет 1180–1190 ^оС вверху топки – 950–960 ^оС, в поворотной камере – 620 ^оС. При этом сравнительно низком уровне температур заметного загрязнения шлакования экранов и пароперегревателя не обнаружено. В период испытаний проектные средства очистки топки и пароперегревателя не использовались. Характер распределения температур по газовому тракту близок к расчетному.

Минимально устойчивая (без подсветки факела мазутом) нагрузка котла, выявленная в период испытаний при работе четырех и пяти мельниц, составляет 60 % D_ном (в условиях относительно незагрязненных экранов топки).

В большинстве режимов с различным сочетанием пяти работающих мельниц в кольцевой топке обеспечивается высокая равномерность распределения температуры факела по периметру топки. При работе четырех мельниц наибольшая неравномерность возникает при одностороннем включении мельниц. В этом случае на котле происходят перекосы по температуре пара по газоходам Т-образного котла на уровне 20 – 30^оС, при этом значения не превышают предельно допустимые. При всех других возможных сочетаниях четырех и пяти работающих мельниц при вихревом движении факела в кольцевой топке обеспечивается равномерная раздача газов и распределение температуры пара и газов по обоим газоходам.

Применение подачи «холодных» газов с противокруткой в верхнюю часть кольцевой топки позволяет активно воздействовать на температуру пара по потокам, расположенным в правом и левом газоходах котла.

В диапазоне нагрузок 60 – 100 % D_ном КПД котла брутто составляет 92,3 – 93,8 % при t_ух =125 – 140 ^оС и q₄=0,35 – 0,7 % (проектный КПД в этом диапазоне нагрузок – 91,4 % при t_ух =136 – 147 ^оС и q₄=0,5 %). При этом более высокий КПД (до 93,8 %) получен при сжигании более сухого азейского угля.

Сравнительно низкий температурный уровень в зоне горения (ниже 1200 ^оС) и высокая интенсивность смесеобразования при вихревом движении газов в кольцевой топке обеспечивают (при нагрузках 60 – 100 % D_ном и α_пп=1,2 – 1,25) относительно низкие концентрации вредных выбросов NO_х=370–410 мг/нм³ и СО=20–70 мг/нм³. Полученные результаты достигнуты без применения системы третичного дутья и отработки специальных низкоэмиссионных режимов.

Котел легкоуправляем как в стационарных, так и переходных режимах.

Использование кольцевой топки позволяет:

• снизить высоту котла на 30 – 40 %;

• уменьшить металлоемкость и, следовательно, стоимость поверхности нагрева котла с кольцевой топкой на 20 %

• повысить надежность работы экранных панелей топки за счет более высокой равномерности их тепловосприятия по периметру топки;

• уменьшить загрязнение и шлакование топки за счет снижения температурного уровня в топке;

• снизить выбросы NOх за счет снижения температуры, интенсификации смесеобразования и внутренней рециркуляции;

• облегчить решение строительных и опорно-подвесных конструкций котла.

Испытания и опыт эксплуатации котла подтвердили его эффективность и целесообразность широкого применения кольцевых топок для крупных котлоагрегатов при сжигании различных топлив.

В 2000 г. котел рекомендован к внедрению РАО «ЕЭС России».