ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Большинство отечественных барабанных котлов высокого давления (15,5 – 16,2 МПа) выполнено по схеме двухступенчатого испарения с выносными циклонами, а также с паропромывочными устройствами в барабане котла. В ряде случаев, при повышенной производительности контура второй ступени (8 – 12% Äíîì) устанавливалось по два циклона с каждой стороны котла. При их последовательном включении такая схема превращалась в трехступенчатую с малой кратностью солесодержания между первой и второй ступенями (примерно 2,5 – 3,0) и большей – между первой и третьей ступенью (9 – 12) при расходе непрерыв-

ной продувки P, равной 1% Äíîì.

Характерной особенностью ступенчатого испарения является значительное увеличение солесодержания продувочной воды.

Даже при двухступенчатом испарении солесодержание продувочной воды (при P = 1% Äíîì) достигает 50 – 70 мг/дм3 и более (при солесодержании в первой ступени испарения 4 – 8 мг/дм3). При поддержании нормируемой концентрации фосфатов в первой ступени испарения (не более 2 мг/дм3 PO4) их концентрация в воде второй ступени (продувочной воде) определяется соотношением

S2 S1 (n P) ,

P

ãäå P – непрерывная продувка, % Äíîì (паропроизводительности котла); n – доля, % производительности контура второй ступени.

Òàê, ïðè n = 8% è P = 1%, S2 = 9S1 = 18 ìã/äì3 PO4. Поскольку фосфаты вводятся в котел в виде соединения Na3PO4, только за счет ввода фосфатов солесодержание продувочной воды может увели- читься примерно до 31 мг/дм3, не считая другие примеси питательной воды.

Для рассматриваемого случая (n = 8%) расход фосфатов в 9 раз больше необходимого при одноступенчатом испарении (18 мг/дм3 PO4). Повышенный расход фосфатов не обусловлен технологической необходимостью процесса коррекции со-

става котловой воды солевого отсека, а связан исключительно с повышенной внутренней продувкой из отсека первой ступени в последующие. Этот органический дефект схемы ступенчатого испарения до сих пор не акцентировался, хотя только за счет работы 700 котлов высокого давления в России ежегодно бесполезно использовалось и сбрасывалось в качестве промышленных отходов около 1400 т тринатрийфосфата.

Уменьшить эти бесполезные потери можно ча- стично путем использования известного конструктивного элемента котла с двухступенчатым испарением – линии регулирования кратности концентраций между ступенями испарения [1], которая была предусмотрена в качестве штатной системы для устранения несоответствия конструктивных элементов (паропроизводительности ступеней испарения и требуемой величины непрерывной продувки) установленным соотношениям водно-хи- мических показателей, зависящих от конкретного водно-химического режима на данной ТЭЦ.

Однако при использовании в ряде случаев линии регулирования кратности была получена некая информация о ее неэффективности. В частности, такое суждение содержится в результатах испытания ЦКТИ на котле ТГ-104 [2]. Причиной малой эффективности линии регулирования, по всей вероятности, могло быть подключение ее к первому по ходу воды из барабана выносному циклону вместо второго, из которого производилась непрерывная продувка. По оценкам ВТИ (проводившем также испытания на этом котле), отношение солесодержания в первом циклоне и барабане было около 3,0, а в продувочной воде и барабане – 6 – 7. Линию регулирования кратности следовало подключить ко второму циклону. При существующей схеме включения кратность концентраций уменьшилась с 10 до 7, что также нельзя считать неэффективным. По-видимому, испытания этой системы были недостаточно продолжительными. Тем не менее, негативная информация о линии регулирования кратности концентраций получила распространение и на ряде котлов. Линии были де-

B & 0 0 &

монтированы или не установлены при монтаже котла.

Обычно в соответствии с [1] схема линии регулирования состоит из одной трубы, соединяющей один из циклонов с нижним коллектором отсека первой ступени. При этом может появиться солевой перекос по длине барабана. Поэтому при восстановлении линии регулирования кратности на котлах ТГМ-96Б одной из ТЭЦ [3] по предложению ВТИ была выполнена симметричная схема, не дающая такого перекоса (рисунок).

По оценке суммарный расход по линиям регулирования составил 1,76% (линии dòð = 60 мм, вентили dó = 50 мм), что обеспечило кратность концентраций 3 – 3,5 (таблица).

Для оценки влияния линии регулирования кратности концентраций на показатели водного режима котла в таблице приведены среднегодовые показатели солесодержания и концентрации фосфатов в чистых и солевых отсеках, близких по производительности котлов с линией регулирования кратности концентраций (открытой полностью) и без нее. Котлы без линии регулирования кратности: ТП-80, реконструированный на нагрузку 500 т ч с внутрибарабанными солевыми отсе-

ками, и ТП-87, реконструированный с призмати- ческой топкой (без пережима в зоне горелок) также на 500 т ч с двумя парами выносных циклонов. Они имеют паропроизводительность солевых отсеков примерно 7 и 9%.

Котлы, оборудованные линиями регулирования кратности (симметрично с двух сторон), – типовые ТГМ-96Б (480 т ч) с двумя выносными циклонами (производительность 5,5%). Все котлы работают на газе.

Из рассмотрения показателей водного режима, приведенных в таблице, можно отметить, что в связи с ограничением максимальной концентрации фосфатов в чистом отсеке (2 мг дм3 PO4 – по ПТЭ) для рассматриваемых котлов с кратностью по фосфатам 7 – 11 (без регулирования) ограничи- вается максимальное солесодержание продувоч- ной воды, составляющее около 40 мг дм3.

Снижение кратности солесодержания путем возврата части фосфатов из солевого отсека в чистый отсек позволяет уменьшить поступление фосфатов извне (от насоса-дозатора), поддерживая допустимую концентрацию PO4 в чистом отсеке в пределах 1 – 2 мг дм3. При кратности фосфатов 2,5 – 3 солесодержание продувочной воды снижается до 10 – 15 мг дм3 (таблица).

По результатам опроса РАО об эффективности ступенчатого испарения в барабанных котлах высокого давления, приведенного в 1996 г., можно считать, что на части котлов линии регулирования кратности солесодержания имеются.

Однако диапазон изменения кратности от 2 – 15 свидетельствует, что там, где на линии есть вентиль, он может быть закрытым. Вентиль предпочтительно держать открытым полностью. На отдельных котлах при наличии последовательно соединенных выносных циклонов линия регулирования кратности ошибочно присоединена к первому циклону от барабана, а она должна присоединять-

На золоотвалах ТЭС общей площадью около 22,0 тыс. га накоплено 1,3 млрд. т золошлаковых отходов с уровнем утилизации примерно 4%. Уменьшение этой негативной тенденции достигается подготовкой золы к ее утилизации непосредственно на территории ТЭС, что возможно реализовать только при удалении из бункеров золы в сухом виде.

При транспортировке золы воздухом на горизонтальном участке в непосредственной близости к бункеру слой золы движется равномерно распределенным, но постепенно в последующих зонах трубопровода частицы золы теряют электростати- ческий заряд, что определяет частично потерю свойств текучести. Частицы золы оседают и начи- нают образовывать чередующиеся дюны. При дальнейшем движении перемешивание слоя замедляется, происходит его залегание на стенках трубопровода.

Для исключения описанного процесса предложен способ пневмотранспорта золы в псевдоожиженном слое частиц по наклонным участкам – аэрогоркам [1]. Разработанная на основе этого способа система удаления золы, согласно принципу построения, позволяет осуществлять ее пневмотранспорт на значительные расстояния с высокой надежностью эксплуатации и ресурсом рабо-

ты, обусловленными низкой скоростью движения частиц.

Выбор конструктивных параметров и режимов работы рассматриваемой системы, схема которой изображена на ðèñ. 1, возможно осуществить только после разработки модели пневмотранспорта золы по секциям (аэрогоркам).

Каждая секция состоит из восходящего и наклонного участков трубопровода, сообщенных между собой в верхней части через полость верти-

L

34

/0

.

L – длина секции; Lâ è Lí – длина трубопроводов восходящего и наклонного участков секции; lâ – длина вертикального уча- стка секции; 1 – бункер; 2 – трубопровод подачи воздуха; 3, 4 – соответственно восходящий и наклонный участок секции; 5 – вертикальный участок секции; 6 – выход воздуха

lâ, ñì

80

60

40

4

20

1 2 3

0

" #

& 2 &

D 0 r .

1 – V = 1 ã ñì3, Q = 10 ò ÷; 2 – V = 0,8 ã ñì3, Q = 10 ò ÷; 3 –V = 1 ã ñì3, Q = 20 ò ÷; 4 – V = 0,8 ã ñì3, Q = 20 ò ÷

кального участка трубопровода. В нижней части восходящего участка осуществляется подача воздуха для псевдоожижения золы, выше места пода- чи воздуха вводится зола (из бункера или из предыдущей секции). Далее псевдоожиженная зола поднимается до установленного уровня в полости вертикального участка трубопровода, воздух че- рез верхнее отверстие этого трубопровода удаляется в атмосферу, а зола поступает в наклонный участок трубопровода, где движется вниз под действием гравитационных сил и массы золы в вертикальном участке.

Минимизация расхода воздуха на пневмотранспорт достигается выбором режима скорости его подачи, соответствующего минимальной скорости псевдоожижения. В этом случае последовательно соединенные полость бункера и N секций системы (аэрогорок) можно рассматривать как сообщающиеся сосуды, заполненные псевдоожиженным слоем золы. Скорость пневмотранспорта будет достаточно низкой (10 – 20 см с) и выбираться из условий опорожнения бункеров в расчетное время, причем ее значение не зависит от скорости витания наиболее крупных частиц, так как процесс пневмотранспорта в основном осуществляется за счет поступления золы в бункер и ее выдавливания по длине N секций аэрогорок.

Суммирование потоков золы от бункеров возможно осуществлять соединением наклонных участков трубопровода. В этом случае необходимо выполнять условие их одновременного заполнения золой, иначе говоря, встряхивание электродов над этими бункерами должно происходить одновременно. Это необходимо для исключения обрат-

ной флюидизации воздуха через наклонный участок трубопровода, расход золы в котором в основном зависит от ее уровня в вертикальном участке.

Для определения условий пневмотранспорта и выбора соотношений для расчета режима работы и конструктивных параметров секций системы необходима следующая последовательность операций:

задать начальные условия режима пневмотранспорта (расход, минимальные и максимальные размеры частиц, среднюю плотность, предельные параметры секций);

иметь расчетные соотношения для определения минимальной и предельной скорости псевдоожижения, потери напора на потоке псевдоожиженного слоя золы;

определить критическую высоту сепарационного пространства и затем рассчитать режим работы и конструктивные размеры системы.

Конкретные значения параметров зависят от множества факторов, в частности, мощности энергоблока, свойств угля и т.д. Так, для блока 300 МВт, работающего на кузнецком угле, максимальный расход золы определим следующим образом.

При среднем расходе золы через бункер 1-го поля 2,5 – 3 т ч, паузе между циклом встряхивания 13 мин, продолжительности одного цикла встряхивания 2 мин получим расход золы через течку бункера в период циклов встряхивания около 5 кг с.

Иначе говоря, в период встряхивания через течку истекает поток золы, более чем в 6 раз превышающий средний часовой расход золы. Для исключения залегания золы в бункере производительность системы должна быть примерно 20 т ч.

Эффективное сечение трубопровода для обеспечения расхода золы этого уровня можно определить, используя известную эмпирическую корреляцию (Джонс и Дэвидсон) для истечения твердых частиц при

d í 40 [2], d

Q

S í 0,5 V 2 g lâ ,

ãäå dí è d – соответственно эффективный диаметр отверстия (наклонного трубопровода) и диаметр частиц, см; g – ускорение свободного падения, см с2; V – средняя плотность золы в наклонном

участке трубы, г см3; Sí – эффективное сечение отверстия, см2; lâ – длина вертикального участка трубы, см.

Согласно выбранной модели пневмотранспорта поток золы заполняет вертикальный участок аэрогорки до расчетного уровня в lâ. Этот режим определяет слив золы под воздействием напора ее псевдоожиженного слоя над верхним отверстием

Q, ò/÷

4 " # 0

2 & .

1 – = 0,8 ã ñì3, dí = 76 ìì; 2 – = 0,8 ã ñì3, dí = 56 ìì

наклонного участка трубы. На ðèñ. 2 построен график зависимости изменения диаметра верхнего отверстия наклонного участка трубы dí от уровня золы на вертикальном участке lâ, из анализа которых можно оптимизировать конструкцию аэрогорки.

Действительно, целесообразность использования вертикального участка очевидна, так как, например, при = 1,0 г см3 è Q = 20 т ч увеличе-

íèå lâ от 20 до 60 см определяет возможность уменьшения dí от 8,5 до 6,5 см. Используя зависимость lâ = f (Q ), изображенную на ðèñ. 3, можно выбрать для установленного значения Q при известности и dí длину вертикального участка lâ.

Дисперсный состав частиц золы нас интересует с точки зрения обеспечения пневмотранспорта наиболее крупных частиц и минимизации уноса в атмосферу мелких частиц, причем последняя зада- ча решается определением критической высоты сепарационного пространства и установкой в этом пространстве (вертикальном участке) отбойных пластин. Дисперсный состав золы достаточно широк – от 5 до 400 мкм, причем наиболее крупные частицы – полые микросферы для кузнецкого угля, имеют плотность 600 кг м3 при коэффициентах заполнения объема около 60%. Примерно 10% объема золы занимают магнетитовые микрошарики с плотностью около 3700 кг м3, средним размером 80 – 100 мкм.

Конструктивные параметры секции системы необходимо выбирать из соображений технологичности ее сборки для различных длин пневмотранспорта, определяемой отличием компоновок бункеров на ТЭС. Целесообразен модульный подход при монтаже системы транспорта. В этом слу- чае каждый модуль системы (несколько секций)

должен иметь габариты и массу, позволяющие их перемещать без использования специальных подъемников. Например, при высоте секции 800 мм, ее длине около 1600 мм один модуль из трех секций позволит осуществить транспорт на 4800 мм, что соответствует среднему расстоянию между бункерами.

Минимальная скорость псевдоожижения при выбранной модели пневмотранспорта является параметром, определяющим не только оптимальный расход воздуха, но и надежность пневмотранспорта. Расчет минимальной скорости псевдоожижения легко осуществляется из условия равенства падения давления в неподвижном слое порозностью 0 весу слоя на единице площади поперечного сечения, т.е.:

P (1 0 )( ò â )g, l

ãäå P – потери напора в слое золы, Па; l – длина слоя золы, см; 0 – порозность неподвижного слоя;ò, â – плотность соответственно материала золы и воздуха, г см3.

Используя уравнение Козени для определения напора в неподвижном слое при ламинарном режиме, получим

где – вязкость псевдоожиженного агента, Па с; u0 – минимальная скорость псевдоожижения, см с; – угол наклона к вертикали восходящего участка секции, град.; – фактор формы частиц золы; d – диаметр частиц золы, см, откуда

Произведем оценку изменения u0 для некоторых частиц золы.

Ïðè = 0,67, d = 0,03 ñì, 0 = 0,5 для полых микросфер, ò = 0,6 ã ñì3, â = 1,3 10 – 3 ã ñì3 ïî-

Для максимальной скорости u0 расход воздуха не превышает 0,5 м3 ч, для малых частиц расход воздуха составляет около 0,1 м3 ÷.

Определение предельной (максимальной) скорости псевдоожижения uïð необходимо для исклю- чения уноса частиц в атмосферу. Соотношение для расчета ее значения выводится из определения предельной скорости – скорости, для которой сила воздействия на частицу в направлении движения

1

2

3

4

5

+ /0

& 0 .

1 – бункер; 2 – трубопровод подачи воздуха; 3 – восходящий участок основной линии; 4 – сливной патрубок; 5 – восходящий участок линии для крупных частиц

будет равна весу частицы минус сила Архимеда. В области небольших чисел Re можно использовать формулу Стокса, которая с учетом ориентации направления движения вдоль восходящего участка

Для мелких частиц золы d = 0,001 ñì,ò = 2 ã ñì3, â = 1,3 10 – 3 ã ñì3, = 1,8 10 – 5 Ïà ñ, g = 981 ñì ñ2 получим uïð = 1,2 ñì ñ.

Сравнивая значения u0 è uïð соответственно для частиц крупной и мелкой фракций золы, полу- чим превышение u0 íà 1 ñì ñ íàä uïð. Это означа- ет, что при обеспечении минимального псевдоожижения крупной фракции золы будет происходить унос ее мелкой фракции. Даже, исходя из допущения, что перемещение частиц золы по трубопроводу происходит в виде агломератов, ее унос пропорционален четвертой степени скорости газового потока в расчете на свободное сечение трубопровода. Известно [3], что унос изменяется пропорционально корню квадратному из значения концентрации мелочи в слое и обратно пропорционально высоте сепарационного пространства. При высотах последнего, превышающих высоту участка пневмотранспорта, унос изменяется более медленно.

Исключение уноса мелких частиц можно полу- чить при установке над восходящим участком трубы ее вертикальной части длиной, соответствующей критической высоте сепарационного пространства, а также размещением в нижней полости восходящего участка трубы сливного патрубка, сообщающего эту полость с параллельной линией пневмотранспорта для крупных частиц или с емкостью для их заполнения (ðèñ. 4). В линии пневмотранспорта крупных частиц золы осуществляется подача псевдоожижающего воздуха со скоростью, соответствующей скорости u0 наиболее крупных частиц. Предпочтительнее вариант, в котором ограничивается высота секции до кри-

тического значения, после которого начинается процесс эффективной сепарации частиц по сече- нию восходящего участка.

Возможность определения этого критического значения вытекает из факта уменьшения эффективности процесса сепарации с увеличением порозности и поперечного сечения псевдоожиженного слоя частиц [2]. Установлено также [4], что для псевдоожиженного слоя, состоящего из сфериче- ских частиц двух различных размеров одинаковой плотности, существует критическое значение порозности, ниже которого сепарация не наблюдается.

Для определения эффективности сепарации на восходящем участке секции были проведены экспериментальные работы при сборе из бункера сухой золы кузнецких углей через секцию с внутренним диаметром трубопровода 86 мм и отбором золы в нескольких патрубках, размещенных по высоте восходящего участка. Эффективность сепарации оценивалась по изменению массы отмагни- ченных частиц в потоке золы согласно выражению

c cn cñð 100%,

cñð

ãäå ñn – масса отмагниченной золы при n-м измерении; ññð – масса отмагниченной золы до восходящего участка.

Выбранная методика определения эффективности сепарации приближенная, однако при среднем размере магнетитовой пыли 90 – 100 мкм и плотности около 3700 кг м3 отделение этой фракции в гравитационном поле происходит более эффективно. Кроме того, оценка степени сепарации по количеству отмагниченных частиц значительно упрощает методику экспериментов. Относительные характеристики в этом случае позволяют достаточно точно определить влияние различных факторов на сепарацию частиц. Результаты работ отображены на зависимости lâ = f (ñ ) (ðèñ. 5). Из анализа полученных зависимостей следует, что процесс эффективной сепарации частиц начинается на длине восходящего участка более 8 калибров трубопровода. Причем, увеличение скорости псевдоожижения обусловливает снижение эффективности сепарации частиц по сечению трубопровода.

Таким образом, при ограничении высоты секции примерно 10 калибрами трубопровода можно получить достаточно однородную структуру псевдоожиженного слоя, что позволяет минимизировать унос легких частиц в атмосферу. Как указывалось ранее, для исключения уноса частиц в верхней полости восходящего участка необходима установка вертикального трубопровода длиной, соответствующей критической высоте сепарационного пространства (КВСП) – высоте надслоевого пространства, необходимой для возврата частиц в слой, т.е. отделения частиц от восходящего газового потока.

По известной экспериментально полученной графической корреляции [5] увеличение диаметра псевдоожиженного слоя определяет соответственное увеличение высоты КВСП, что объясняется авторами пристеночным эффектом в трубопроводах малого диаметра. С учетом рассмотренных материалов можно выбрать оптимальные конструктивные параметры вертикального участка трубы: диаметр и высоту соответственно 0,6 – 0,8 и 6 – 10 диаметров восходящего участка.

Согласно проведенным испытаниям при использовании вертикальной трубы диаметром и длиной соответственно 0,8 и 10 диаметров восходящего участка, а также при выполнении условияlâ ! l практически исключаются выбросы твердых частиц в атмосферу. В верхней торцовой части вертикального участка устанавливается жеклер диаметром 2 мм, равный жеклеру, через который осуществляется подача воздуха в каждую секцию.

Таким образом можно определить конструктивные параметры секции аэрогорок, обеспечивающие пневмотранспорт золы в заданных режимах. Для расчетных скоростей истечения просто в этом случае определить необходимое значение расчетного давления. Примем допущения, что на ограни- ченных длинах пневмотранспорта, где мало проявляется эффект сепарации частиц, их перемещение происходит в виде агломератов с осредненной ско-

ростью начала псевдоожижения в нашем случае uñð0 = 2 ñì ñ ïðè dñð = 0,01 ñì, = 0,6.

При ламинарном режиме формула Лева для определения потерь давления имеет вид

ãäå = 0,67, = 1,8 10 – 5 Ïà ñ; äëÿ L = 150 ñìP = 0,6 êãñ ñì2.

В итоге мы получили основные соотношения, позволяющие определить условия пневмотранспорта по секциям аэрогорок и рассчитать конструктивные и динамические параметры рассмотренной системы пневмотранспорта.

Принимая во внимания ограничения по выбору высоты секций (около 1 м), пневмотранспорт на длине более 50 м этой системой нецелесообразен. Действительно, необходимость монтажа при двухметровой длине каждой секции 25 секций при длине системы пневмотранспорта 50 м ограничи- вают ее использование.

Основными достоинствами анализируемой системы являются:

высокая надежность, определяемая исключе- нием возможности осаждения частиц на наклонных участках;

низкое давление воздуха для пневмотранспорта (примерно 0,6 кг см2);

lâ

15

2 1

10

@ " # ##

0 ! &

.

lâ – длина восходящего участка в калибрах трубопровода; 1 – u0 = 1 ñì ñ; 2 – u0 = 3 ñì ñ

низкие скорости пневмотранспорта и, следовательно, высокий ресурс работы;

сравнительно низкая себестоимость системы. Эти достоинства обеспечивают широкие масш-

табы применения системы для удаления золы из бункеров к сборным емкостям с последующим накоплением для реализации потребителям.

Как указывалось ранее, псевдоожижение золы на восходящем участке инициирует сепарацию ее частиц. Поэтому при соответствующей постановке задачи возможно на одной секции с расчетной высотой осуществлять сепарацию частиц по их гравитационным свойствам. Например, при средних размерах полых микросфер 200 – 400 мкм, коэффициенте заполнения объема около 60%, плотности 600 кг м3 можно подобрать фиксированные значения скорости псевдоожижающего воздуха, определяющие вывод этой фракции из потока золы. Малые скорости пневмотранспорта упрощают подачу сухой золы в магнитный сепаратор для отделения магнетитовых шариков. Пневмотранспорт отсепарированной фракции к месту ее накопления (на расстоянии 5 – 8 м) также удобно осуществлять с использованием двух-трех секций аэрогорок.

Изготовление и монтаж системы пневмотранспорта достаточно просто реализуются при использовании модульного принципа. Действительно, в этом случае возможно вдоль линии пневмотранспорта использовать один трубопровод для воздуха с отводами по вертикали вниз к каждой секции. Сборка модулей, содержащих три-четыре секции, осуществляется в механическом цехе, а их монтаж – вдоль трубопровода подачи воздуха. Число секций в модуле зависит от их массы с целью исключения