ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Каминский В. П., èíæ.

ОАО Ростовэнерго

Повышение надежности и экономичности эксплуатирующихся агрегатов ТЭС может быть достигнуто при условии глубокого анализа состояния оборудования и реализации возможностей применения наработанных и практически проверенных эффективных мероприятий. Для этого необходимо углубление знаний на первый взгляд даже незначительных факторов, непосредственно и косвенно влияющих на работу каждого из узлов агрегатов. Например, при определенности гидравлических схем, кроме конструктивных и компоновочных особенностей панелей нижней радиационной части (НРЧ) котла и расположения зоны процесса парообразования в трубах, следует уделять внимание стабильности воспламенения, горения и аэродинамики топочного факела с учетом факторов, влияющих на процесс теплопередачи от факела к рабочей среде в трубах, а также на образование, концентрацию и состояние компонентов факела, на тепловое, физическое и химическое его воздействие на элементы НРЧ. Условия работы панелей НРЧ усугубляются химическими процессами горения топлива и близостью ядра топочного факела с наиболее высокой температурой (1650 – 1750°С), воздействием на них мощных воспринимаемых тепловых потоков ( qâ = 150 300 êÂò/ì2), жидкого шлака и коррозионно-агрес- сивных компонентов топочного факела.

На одной ТЭС за контрольные 10 лет повреждаемость труб НРЧ котлов типа ТПП-110 моноблока 300 МВт, оборудованных вихревыми пылеугольными горелками мощностью по 35 МВт, в результате тепловых и коррозионных воздействий в среднем за 1 год из расчета на один котел составила 1,5 случая, а для котлов ТПП-210 – 1,45. На котлах ТПП-210А, оборудованных вихревыми пылеугольными горелками мощностью по 70 МВт, число рассматриваемых повреждений труб НРЧ из расчета в среднем за 1 год и на один котел составило 2,4 случая. Вероятно, это объясняется более мощным факелом в топках этих котлов с температурой на 100 – 200°С выше, чем для котлов типа ТПП-110 и ТПП-210 (1650°С).

На один аварийный останов только на 56 ч и последующий пуск котла ТПП-110 моноблока

300 МВт расходуется около 210 т условного топлива, а на один котел ТПП-210А дубль-блока – около 85 т условного топлива. С учетом затрат на подготовку и ремонт котла, дополнительных расходов электроэнергии и обессоленной воды, недовыработки энергии в результате простоя, а также неизбежных при этом издержек при изменении режимов работы других энергоблоков с нерациональным увеличением их загрузки с выходом из оптимального диапазона регулирования топочного процесса практически в условиях имеющегося при эксплуатации недостатка тяги можно утверждать, что потери высоки. Число названных повреждений за последние годы имело место в условиях недогрузок и простоев энергоблоков в резерве. Так, в начале 90-х годов число часов работы, приходящееся в среднем на один котел в год, составляло около 6850 ч, а в самом конце 90-х годов сократилось на 2650 ч. При этом средняя по энергоблокам нагрузка снизилась на 22 МВт. При увеличении нагрузок и кампании работы энергоблоков число повреждений НРЧ их котлов, в частности, из-за наружной высокотемпературной коррозии (НВТК), может возрасти.

На работу труб НРЧ прямо или косвенно, а чаще единовременно, оказывает отрицательное воздействие множество имеющих место в условиях эксплуатации факторов. В данной статье рассматриваются только факторы, влияющие на процессы НВТК, коррозионно-усталостные и тепловые повреждения труб НРЧ. Заводские ремонтные, эррозионные, стояночная коррозия и другие виды повреждений в статье не приводятся.

На надежность эксплуатации НРЧ значительное косвенное отрицательное влияние оказывают нарушения режимов работы барабана мельниц, бункеров пыли АШ, пылепитателей и РВП. Пониженная в условиях эксплуатации температура воздуха за РВП котла (270 – 320°С вместо 390°С по проекту и 450°С рекомендуемой в ПТЭ), аэропыли на выходе из барабана ШБМ (100 – 120°С вместо 130°С и выше), а также сверхнормативные присосы холодного воздуха через неплотности тракта пылесистемы (40 – 60% вместо 22% нормативных) и плохое состояние теплоизоляции, приводя-

щие к расхолаживанию транспортирующего воздуха и пыли АШ до ввода в бункер пыли еще на 5 – 20°С (особенно в зимнее время), являются прямой причиной поступления в промбункер уже захоложенной пыли и образования в нем застойных зон, достигающих по нашему определению до 50% его объема. В результате имеют место хаотич- ные обрушения пыли в приемную камеру пылепитателей, когда по нашим измерениям в 1,5 – 2,0 раза резко возрастает подача пыли к горелкам при неизменном положении регулятора пылепитателя с соответствующим снижением коэффициента избытка воздуха в устье горелки ã и грубым нарушением горения пыли АШ. Это, в свою очередь, приводит к образованию в факеле H2S и его воздействию на металл труб, а также к пульсации тепловой нагрузки на поверхность нагрева НРЧ, перегреву и тепловым разрушениям труб ее панелей.

Практически не получили распространения расходомеры топлива и воздуха на каждую из горелок. В результате на котлах, работающих на пыли АШ с жидким шлакоудалением, ã отличался от оптимального (1,02 – 1,05) на 0,35. Имеет место недостаток подаваемого в горелки воздуха из-за ограничений по тяге в результате увеличения присосов воздуха в топку (до 8 – 10%), газоходы (до 45 – 60%) и пылесистемы (до 40 – 60%) котлоагрегата, а также золового износа лопаток его дымососов. Кроме этого, без контроля или с примитивным существующим контролем за расходом топлива и воздуха по горелкам режим работы горелок, как правило, существенно отличается от оптимального с последующим ущербом в экономичности и надежности работы котла. Установка названных расходомеров на нескольких котлах и их эксплуатация в течение нескольких лет показали необходимость этого мероприятия, позволившего повысить КПД котла примерно на 2%.

Изменения качества АШ с непредсказуемым колебанием влажности W = 9 13% и зольности Àð = 27 35% при проектных соответственно 7,5% и 18% снижают устойчивость горения пыли АШ, приводят к необходимости дополнительного включения мазутных форсунок в пылеугольных горелках и создают большие трудности в обеспе- чении оптимальных режимов работы горелок, аэродинамики топочного объема, процессов горения. При этом создаются условия для существования в факеле восстановительной среды и образования в ней коррозионно-агрессивного H2S с соответствующей активизацией процесса НВТК на поверхности труб НРЧ. Одновременно неизбежна тепловая неравномерность по ширине экранов НРЧ.

Концентрация H2S в среде топочного факела и, в частности, у поверхности труб зависит от соот-

ношения топливо – воздух в факеле и степени его восстановительности

X = 100CO(CO2 + CO + H2) – 1.

В процессе исследования структуры топочного факела при сжигании АШ значение X достигало 50, а объемная концентрация H2S – 0,14%, что при неудовлетворительном состоянии карборундовой набивки и шипов ошипованной части НРЧ может привести к наружному утонению стенки трубы при температуре металла около 450°С на 4 мм в год. При 0 < X 50 имеет место зависимость

H2S = 0,00924 + 0,00354X.

Воздействие H2S на металл стенок труб НРЧ можно представить упрощенно в виде

Fe + H2S = FeS + H2.

В зонах факела с достаточным наличием O2 идет реакция

2H2 + O2 = 2H2O.

Слой FeS на поверхности труб химически неустойчив и в присутствии O2 активно с ним реагирует

3FeS + 5O2 = Fe3O4 + 3SO2.

Пленка из сульфидов и оксидов железа на поверхности труб и шипов из низколегированных и углеродистых сталей хрупка и легко отслаивается. Низкие защитные свойства сульфидной пленки обусловлены наличием в ней больших внутренних напряжений из-за высокого соотношения молекулярных объемов сульфида и металла (2,5 – 4,0). Активность НВТК при такой пленке определяется скоростью химической реакции Fe с H2S и не тормозится со временем, как это происходит при плотных чисто оксидных пленках.

По мере повышения температуры металла стенок труб tò от 300°С процесс НВТК активизируется. Значительное влияние на уровень tò оказывает, в частности, удельная загрязненность внутренней поверхности труб K. В условиях эксплуатации ведется контроль за значением K. Однако вырезки образцов труб для определения K, как правило, производятся в наиболее доступных и удобных для ремонтников, выполняющих эти вырезки, местах без необходимой объективной информации по закономерностям зон с повышенной K. Выполненные нами исследования сотен образцов труб, вырезанных равномерно по всей площади экранов НРЧ нескольких котлов, показали, что в условиях эксплуатации допускаются значительные неточности в определении истинного значения K, а это значит – и в определении концентрации реагента в моющем растворе, своевременности, продолжите-

льности и эффективности химических промывок поверхностей нагрева.

В камере горения котлаТПП-210 по высоте бокового экрана НРЧ от пода до носика пережима (в зоне ошиповки) K = 100 300 ã/ì2 с максимумом в середине по ширине экрана на отметке около 11,0 м, а на гладкотрубном участке выше пережима K = 150 600 ã/ì2 с максимумом на отметке 18 – 20 м. Даже на малом участке по ширине экрана значение K может отличаться в несколько раз. Так, для труб ¹ 40 – 60 от фронтового экрана на указанной отметке K = 150 300 ã/ì2, а рядом для труб ¹ 70 – 100 – уже 500 – 600 г/м2. Аналогично расположение зон K труб бокового экрана котла ТПП-210А. На фронтовом экране для труб ¹

Определено, что K существенно зависит от энтальпии i и воспринимаемого теплового потока qâ. Òàê, ïðè i = 1600 кДж/кг в условиях эксплуатации каждые 100 кВт/м2 прироста qâ увеличивали K в среднем примерно на 7 – 9 г/м2 за 1000 ч эксплуатации котла, а при qâ = 180 êÂò/ì2 увеличение i на каждые 100 кДж/кг приводит к приращению K за это же время на 1,5 – 2,0 г/м2. Прирост K заметно наблюдается при qâ = 150 300 êÂò/ì2 è i = 1200 2200 кДж/кг. Выявлено, что на K в трубах НРЧ влияет содержание оксидов железа в питательной воде Kïâ в соответствии с полученной эмпириче- ской формулой

K = (512 · 10 – 3Kïâ – 2,17)D 10 – 6

ïðè 0 < Kïâ < 100 ìêã êã âîäû, ãäå D – расход воды через котел, кг ч.

Из изложенного следует, что для своевременного и эффективного проведения химпромывки, в частности труб НРЧ, необходимо предварительно определить зоны повышенных K и их максимальные значения. Определено, что эти зоны для названных котлов имеют в основном практически неизменное место расположения и должны быть обозначены в специальных, составленных для контроля за K картах для выбора мест вырезок образцов труб. Предварительный расчет расхода химических реагентов для промывки труб, оценку срочности и продолжительности проведения химпромывки целесообразно выполнять уже с учетом определенной K в зонах максимальных отложений в трубах.

Следует учитывать, что при qâ = 250 350 êÂò ì2, начальной K = 100 150 ã ì2, температуре среды в трубах НРЧ около 380 – 400°С прирост K íà 200 ã ì2 и более в эксплуатационных условиях может привести к увеличению tò до 550°С и выше вплоть до недопустимого для стали 12Х1МФ значения. Наличие в топочной среде у

или недостатка подачи воздуха к горелкам и пульсации горения.

Ïðè qv = 480 êÂò ì3 частота колебаний n температур tê, tø è tò за контрольные 8,5 ч составила в среднем по 7 раз ч, а при tê, равным 100 – 200°С, 25 – 80°С и меньше 25°С, за указанное время изменялось соответственно 14, 20 и 21 раз. Максимум амплитуды tø был около 150°С и tò – в пределах 8 – 20°С. Скорость изменения tø составила 5 – 20°С мин в зависимости от амплитуды возмущения. При увеличении hø на каждый миллиметр выше 16 мм tø возрастала в среднем на 20 – 22°С. Чем выше шип, тем резче и больше изменние tø и быстрее обгорание шипов, особенно при восстановлении обгоревших шипов по схеме “шип – на шип”, когда площадь их приварки составляет 40 – 60%, а с учетом раковин и шлаковых включе- ний – около 30% при минимально допустимой,

равной 80%. В случаях увеличения qv, коэффициента неравномерности тепловосприятия, коэффициента гидравлической разверки расхода среды в трубах панели, удельной загрязненности внутренней поверхности труб, включении мазутной форсунки или газовой горелки в крайней к экрану горелке tê, tø è tò и амплитуда их пульсации возрастают и приводят к снижению надежности работы НРЧ. При существующих эксплуатационных условиях и максимально допустимой для стали 12Х1МФ температуре сравнительно надежно могут работать только шипы с hø = 10 12 ìì.

На котле ТПП-210А при qv = 520 êÂò ì3 è hø = 17 мм при подаче на крайнюю к экрану горелку дополнительно к АШ около 1,5 т ч мазута или 4000 м3 ÷ ãàçà tê è tø в наиболее теплонапряженных зонах возрастают примерно на 300°С и 270°С, достигая соответственно 1000°С и 950°С (òàáë. 1, ðèñ. 2). Увеличение подачи пыли АШ с 5 до 10 т ч дает снижение tê è tø на 90 – 140°С. Увеличение qv äî 550 êÂò ì3 è hø до 20 мм дает увеличение tê äî 1200°Ñ è tø – до 1000 – 1100°С. Наиболее легкие температурные условия эксплуатации панелей НРЧ в камере горения создаются при работе крайних к экранам горелок только на пыли АШ.

По мере снижения нагрузки корпуса котла с

470 äî 410 ò ÷ ïðè tïâ = 260°C è Pî = 24 МПа температуры tê, tø è tò уменьшились в среднем соот-

ветственно с 1080 до 1040°С, с 880 – 820 до 730 – 700°С и с 470 до 430°С (ðèñ. 3). При снижении D ñ 410 äî 280 ò ÷ è P в НРЧ от 24 до 19 МПа температура насыщения на выходе из НРЧ понижается с 373 до 360°С, а tò с 435 до 390°С. Кратковременные (3 – 5 мин) снижения расхода воды на панель НРЧ (10 – 15%) увеличивают tò на 8 – 20°С и одновременно дают прирост температуры среды за ВРЧ (пар) на t = 50 70°С со скоростью W2 = 7 14°Ñ ìèí (ðèñ. 4). Значения t è W2 при указанных D могут быть иными и зависят от многих факторов: как N, Pî, tïâ, величины подсветки пылеугольного факела мазутом или газом, организации ведения режима работы горелок и др. При этом усложняются условия работы труб ВРЧ. Однако в выполненных испытаниях запредельных температур металла труб НРЧ и ВРЧ отмечено не было. Подъемная часть импульсной характеристики по температуре пара за ВРЧ может быть изображена математически во времени

t2 = A 3 – B 2 – C + E,

ãäå t2 – температура среды за ВРЧ и – продолжительность возмущения. Коэффициенты A, B, C è E имеют различные значения в зависимости от силы и продолжительности воздействия указанных факторов и могут быть определены по графическому изображению фактической импульсной характеристики при помощи компьютера.

W2, °C/ìèí 20

15

10

5

$ 7$ ( * + 1

+ : 2 3''1&%4 *

* + +

Снижение D котла ТПП-110 с 750 до 660 т ч с одновременным изменением Pî ñ 25 äî 18 ÌÏà ïðè tïâ = 250°С, хорошем состоянии труб НРЧ и их ошипованной части дает снижение tò до 410°С или примерно на 30°С в наиболее теплонапряженной их зоне (òàáë. 2).

При обязательном условии хорошего состояния шипов и огнеупорной набивки ошипованных участков НРЧ, удовлетворительных режимах горения топлива, гидравлики пароводяного тракта и аэродинамики топочного объема во время испытаний котлов температура металла труб НРЧ и ВРЧ не превышала допустимого для стали 12Х1МФ уровня. Однако температура металла шипов из этой стали превышала на 200 – 400°С ее предельное значение, что приводило к быстрому обгоранию шипов с hø более 15 мм, разрушению карборундовой огнеупорной набивки и недопустимому ухудшению условий работы металла труб НРЧ. Большое значение для повышения надежности работы экранов НРЧ котлов имеет организация наиболее рационального топочного режима с недопущением появления в объеме факела и особенно у поверхности экранов восстановительной среды и образования в ней коррозионно-агрессивного сероводорода путем установки и применения расходомеров топлива и воздуха для каждой из горелок с обеспечением оптимального воздушного режима работы горелок и топки в целом, например, с коэффициентом избытка воздуха в устье горелок не менее 1,02.

В коррозионно-опасных зонах следует располагать панели экранов с наименьшей для них тем-

Ò à á ë è ö à 2

3 * + * # 2 3''1%%4

* + + +

*