Разработка и внедрение системы воспламенения пылеугольного факела с использованием электродуговых плазмотронов на котлах ЦКТИ-75 Усть-Каменогорской ТЭЦ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ II УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

КАЗАХСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА Ш. Ч. ЧОКИНА

■:. од

На правах рукописи

1 п ¡^в

ТЮТЯЕВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ФАКЕЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЛАЗМАТРОНОВ НА КОТЛАХ ЦКТИ-75 УСТЬ-КАМЕНОГОРСКОЙ ТЭЦ

01.04.14 — теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ал маты, 1996

Работа выполнена в Казахском научно-исследовательском институте энергетик л им.академика Е.ЧЛокина Министерства энергетику, и угольной протноленяости Республики Казахстан

Научные рукоа^д::гели - доктор технических наук, профессор,

действительный член Ёью-Гюркской Академии наук^З.Б.Сакипов!

- доктор технических наук, главный научный сотрудниц З.Е.Мессерле

Официальные оппонента - член-корреспондент НАН РК,

заслуженный деятель науки РК, доктор технических наук, профессор П.А. Ершин

- кандидат технических наук,старик научный сотрудник В.П.Войчак

Ведущая организация - Алматинский энергетический институт

Защита состоится "^..'..^^.Н^ЛЭЭб г.в 14-00 на заседании Специализированного совета Д 27.03.11 при Казахской научно-исследовательском институте энергетики те. академика Ш.Ч.Чокина (480012, Алматн, ул.Байтурсынова,85, КазНШэнергетики).

С диссертапией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан Э9Б г.

Ученый секретарь Специализированного совета Д 27.08.11, кандидат

технических наук НьЩи^ К.А.Сулейыенов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОМ

Актуальность тепы.

Современное развитие теплоэнергетики характеризуется сокращением использования дефицитного топочного мазута на пылеуголь-ных тепловых электростанциях (ТЭС) и расширением применения твердых топлив, качество которых повсеместно снижается, вследствие чего снижается реакционная способность твердых топлив, ухудшается их воспламенение и выгорание в .топках котлов.

Данная проблема особенно актуальна для Республики Казахстан, энергетика которой базируется на низкосортных углях и испытывает значительный дефицит импорнпго мазута. По данным Государственной электроэнергетической компании "Казахстанэнерго" (1994г.) количество мазута, расходуемого только на растопку пылеугольных котлов составляет по Казахстану около 500 тыс.т.у.т. (тонн условного топлива) в год, а на подсветку пылеугольного факела и компенсацию недостаточного тепловыделения угля ухудшенного качества ежегодно расходуется более 500 тыс.т.у.т. мазута. Общая стоимость закупаемого топочного мазута составляет по мировым ценам более 80 млн.долларов США в год.

Известные методы снижения расхода мазута при сжигании низкосортных углей не решают проблему существенного сокращения расхода жидкого топлива на пылеугольных ТЭС, особенно на стадии мазутной растопки котлов, которая в отдельных случаях является доминирующей.

Из сказанного следует,что разработка и внедрение на ТЭС принципиально новых плазменных технологий беамазутной растопки котлов является весьма актуальной научно-технической задачей,решение которой повышает технико-экономические показатели твердотопливных электростанций.

Цель работы заключается в создании эффективных конструкций системы воспламенения углей с электродуговым плазмотроном, научно-техническом и экономическом обосновании целесообразности применения и внедрения на этой основе плазменном технологии .безмазутной растопки котлов Усть-Каменогорской ТЭЦ и ПОЭиЭ "Алтай-знерго".

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем.

I. Разработана усовершенствованная плазменная система беэмаэут-

ной растопки (СБР) и испытана на специализированном стенде.

2. Исследованы электрические и тепловые параметры СБР,вольт-амперные характеристики электродугового плазмотрона на воздухе, обобщенные в критериях подобия. Проведены детальные расчеты термохимической подготовки ранее не исследованных углей.

3. Проведены промышленные испытания СБР при безмазутной растопке котлов ЦКТИ-75-39Ф \ст.!Я0 и ст..Т°9 Усть-Каменогорской ТЭЦ.

4. Разработана и составлена техническая документация на изготовление, выданы практические рекомендации по внедрению СБР на пылеугольных ТЭС Казахстана.

5. Проведен технико-экономический анализ топливно-энергетического баланса ТЭС и парка пылеугольных котлов Казахстана, на основании которого определены: годовая потребность отрасли в СБР и экономия мазута при внедрении СБР в основных энергосистемах Казахстана.

Ппакткческая ценность работы.

На основании предложенных технических решений разработано . и изготовлено новое энергетическое оборудование, состоящее из электродугового плазмотрона постоянного тока, источника электропитания (таристорного преобразователя с блоком управления) и камеры электротермохимической подготовки топлива. Созданное плаз-менно-энергегическое оборудование проило успешные промышленные испытания на котлах Усть-Каменогорской ТЭЦ, сжигающих кузнецкие, карагандинские и шубаркольские каменные угли. Практический опыт, накопленный в результате промышленного освоения плазменных систем безмазутной растопки на указанной ТЭЦ, можно использовать на других энергоблоках(ЕКЗ-320 и ТПЕ-430А (500))Усть-Каменогорс-кой ТЭЦ.

Результаты расчетно-теоретических исследований и экспериментальные данные, обобщенные в критериях подобия, могут быть использованы для расчета параметров СБР с электродуговым плазмотроном мощностью до 500 кВт и распространим плазменных технологий на ТЭС других энергосистем Казахстана.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась использованием в экспериментах надежных и аттестованных средств и методик измерения и подтверждалась хорошей воспроизводимостью результатов в стендовых условиях и при многократных безмазутных растопках котлов в условиях Усть-Каменогорской ТЭЦ.

При расчетно-теоретическом анализе процесса термохимической подготовки к сжиганию основных энергетических углей Казахе-

тана (экибастузского, карагандинского, шубаркольского, куучекинс-кого, берлинского и кузнецкого) использовались современные численные методы с контролируемой относительной погрешностью счета, не превышающей 1,5-2$.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Технологическая схема и оптимизированная конструкция плазменной установки для растопки пылеугольных котлов.

2. Результаты расчетов процесса термохимической подготовки энергетических углей и'экспериментов по изучению электрических и теплотехнических параметров плазменной установки,а также вольт-амперных характеристик электродугового плазмотрона.

3. Результаты промышленных испытаний плазменных систем (передвижной и стационарной) безмазутной растопки котлов ЦКТИ-75

ст.$9 и ст."ТО Усть-Каменогорской ТЭЦ.

4. Техническая-документация на изготовление СВР с электродуговым плазмотроном (ЗДПУ-02) и рекомендации по ее внедрению для растопки пылеугольных котлов ТЭС, сжигающих каменные угли и в первую очередь для ПОЭиЭ "Алтайэнерго".

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы из 34 наименований и трех приложений. Работа изложена на 260 страницах, содержит 27 рисунков и 76 таблиц.

Личный вклад автора на всех этапах расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, включая промышленные испытания плазменной технологии безмазутной'растопки котлов ЦКГИ-75 на Усть-Каменогорской ТЭЦ и технико-экономическое обоснование применения СЕР, был реиающим.

Апробация работы. Результаты, содержащиеся в диссертации, докладывались на технических совещаниях, проведенных в ПОЭиЭ "Алтайэнерго":

• I. Исследование и опытное внедрение плазмотронов для розкига и стабилизации горения углей на котлах Усть-Каменогорской и Ле-ниногорской ТЭЦ (г.Усть-Каменогорск,28 ирля 1992 года).

2. Внедрение плазмотронов для розжига и стабилизации горения углей на котлах СС НР 10 ЭТП 13 Усть-Каменогорской ТЭЦ и ЩГК Лениногорской ТЭЦ Сп.Усть-Каменогорсгг, 5 января 1994г.).

3. Действующие и перспективные варианты плазменных систем безмазутной растопки котлов./Совещание главных инженеров энергосистем / (г.Алматы,27 сентября 1994г.).

б -

4. Опытная эксплуатация модернизированной установки для.растопки котлов Усть-Каменогорской ТЭЦ (г.Усть-Каменогорск,16 июня 1995года).

Публикации.Основные результаты исследований опубликованы в работах /1-3/.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении обоснована актуальность темы, сформулирована , цель диссертации, научная новизна и ценность проведенных исследований, даны основные положения, выносимые на- защиту.

В первой главе (раздел 1.1) анализируется современное состояние проблемы использования топочного мазута на пылеугольных ТЭС Республики Казахстан и отдельно для Производственного объединения энергетики и электрификации (ПОЭиЭ) "Алтайэнерго". На основании аналитического обзора определено (по состоянию на 01.01.1994г.) количество пылеугольных ТЭС в республике, включая теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), государственные районные электростанции (ГРЭС) и промышленные котельные. Приведено распределение ТЭЦ и ГРЭС по энергосистемам и представлены характеристики энергетических котлов, использующих мазут для растопки и подсветки пыле-угольного факела. Анализ технико-экономических показателей и топ-ливоиспользования ТЭС Казахстана показал,что около 80% (по мощности) ТЭС Казахстана работают на угле. На твердом топливе работает 31 электростанция суммарной установленной мощностью 12780 МВт.

В ПОЭиЭ "Алтайэнерго" имеется 5 пылеугольных ТЭС, включая промкотельную, суммарной мощностью 345 МВт. Паропроизводитель-ность.котлов в ПОЭиЭ "Алтайэнерго" БЭрЬКрувТСЯ от 40 до 500 т/ч. В целом по Казахстану единичная производительность котлов ТЭС изменяется в интервале от 30 до 1650 т/ч. Количество пылеугольных горелок, установленных на этих котлах, варьируется от 2 до 24 штук на один котел. Расход угля через эти горелки также изменяется в широких пределах: от 2,3 до"13,4 т/ч. Всего на пылеугольных ТЭС Казахстана сжигается 15 разновидностей твердого топлива (каменных и бурых углей). Основными видами из них являются экибао-тузский уголь - 75,3, карагандинский -8,6, борлинский - 7,3, куу-чекинский - 4,1 и кузнецкий - 2,9% от общего объема сжигаемых на ТЭС углей. Теплотехнические характеристики этих углей различны: зольность колеблется от 10 до 48$, влажность от 5 до 37??, выход летучих от 22 до 48,5?., а тчплота сгорания изменяет-

ся от 3100 до 5465 ккал/кг.

Болытое разнообразие теплотехнических характеристик сжигае- -мых углей, конструкций горелочных устройств (прямоточные, плоскофакельные и вихревые) и их компоновки с котлоагрегатами требует индивидуального подхода к разработке плазменных технологий безмазутного воспламенения пылеугольного факела и техники для их осуществления в каждом конкретном случае /1-3/.

Анализ расхода твердого и жидкого топлива на пылеугольных ТХ приводится в разделе 1.2. На пылеугольных электростанциях Республики расходуется около 26 млн.т у.т. органического топлива, в том числе 2 млн.т у.т. газомазутного топлива, из которых собственно мазут составляет 1,08 млн.т у.т. Таким образом,-средний удельный расход мазута на пылеугольных котлах Казахстана составляет 4,2^ от суммарного расхода топлива. Анализ распределения расхода мазута пылеугольными ТЭС показал, что его доля для конкретных станций варьируется от 0,42 до 34,4% от суммарного расхода топлива на них.

При сжигании твердого топлива мазут расходуется на следующие цели:

- на растопку котлов - 40-45?;

- на подсветку пылеугольного факела - 1-5?;

- на компенсацию недостающего количества тепла при сжигании непроектного топлива (угля ухудиенного качества) - 50-55^-.

При переходе к безмазутной технологии растопки котлов и подсветки пылеугольного факела, помимо экономии дефицитного мазута, существенную роль играют экономические факторы, определяемые соотнопением цен на топочный мазут и уголь, которым замещают мазут в нпвой технологии. Существующая в последние годы тенденция повышения цен на* энергоносители легко прослеживается на примере стоимости экибастузского угля, цена которого с марта 1994г. возросла приблизительно в 30 раз, составив на март 1996г. около 350-400 тенге за тонну натурального топлива (в зависимости от его качества). Стоимость импортируемого мазута составляет 25003500 тенге за тонну (в зависимости от его марки). По оценкам Института энергетических исследований РАН цены на топливо в Казахстане будут возрастать и дальше, что следует из общей тенденции в государствах СНГ, и в 1997г. составят: уголь - 15-30 долларов; мазут 1С2-1С7 доллара и газ 52-72 доллара США за I т натурального топлива.

Отсюда следует экономическая целесообразность замены мазута энергетическими углями на стадиях растопки котлов и подсветки пылеугольногп факела, поскольку стоимость твердых топлив в настоящее время в 8-10 раз ниже стоимости замечаемого ими мазута. На ближайшую перспективу (до 2СС0г.) эта тенденция сохранится и стоимость мазута будет превышать таковую для углей в 3-5 раз.

В этой связи весьма актуальными направлениями являются разработка и внедрение новых плазменных технологий безмазутного воспламенения пылеугольного факела.

В разделе 1.3 описаны основные принципы плазменной технологии безмазутнпго воспламенения углей, которые базируются на электротермохимической подготовке топлив (ЭТХТГ) к сжиганию, Она заключается в нагреве электродуговым плазмотроном определенной части пылеугольного потока до температуры полного 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. Тем самым из меньшей части аэросмеси (уголь-воэдух), протедпей электродуговую зону, получают (независимо от качества исходного угля) высокореакционное двухкомпонент-ное топливо (горючий газ + коксовый остаток), способное воспламеняться при смешении с основным потоком яэросиеси и стабилизировать процесс горения.

Доля аэросмеси, необходимая для ЭТХПТ, составляет 10-20? и определяется из уравнения теплового баланса-таким образом, чтобы тепла, выделяющегося при сгорании получаемого двухкомпонентно-го топлива, в 'сумме с энергией электродуговой плазмы было достаточно для нагрева основного потока аэросмеси от начальной темпе- ' ратуры до температуры воспламенения.

Для достижения цели работы, сформулированной вьгае, в разделе 1.4 поставлена задача исследований:

1. Осуществить анализ потребления мазут на пылеугольных ТЭС Казахстана и на этой основе выбрать оптимальную технологию безмазутной растопки котлов и подсветки факела.

2. Выполнить расчетно-теоретическое обоснование эффективности использования выбранной плазменной технологии безмазутного воспламенения углей.

3. Создать эффективную конструкцию плазменной системы сезмазут-ной растопки, провести ее промысленные испытания на котлах Усть-

Каменогорской ТЭЦ к разработать техническую документацию для серийного производства СВР,

4. Выдать по результатам промышленных испытаний технико-экономические и технологические рекомендации по освоению СБР на пыле-угольных ТЭС Казахстана, использующих мазут в качестве второго топлиза.

Во второй главе проведен термодинамический анализ процессов ЭТХПТ основных энергетических углей. Методика расчетов с использованием универсального программного комплекса АСТРА-4 (Автоматизированная Система Термодинамических Расчетов - версия 4) описана в разделах 2.1 и 2.2. В основе метода лежит принцип максимума энтропии для изолированных термодинамических систем, находящихся в состоянии равновесия, характеризующемся максимумом энтропии относительно термодинамических степеней свобода, к которым относятся концентрации компонентов систем и какая-либо пара задаваемых переменных (например, давление и температура). Установление равновесия достигается за счет внутренних, фазовых и химических превращений в изолированной системе, равновесные параметры которой могут быть определены путем решения задачи о нахождении максимума энтропии системы с учетом ограничений, накладываемых фундаментальными законами сохранения массы, энерии и заряда.

Цель расчетов в определении равновесного состава газообразных и конденсированных продуктов ЭТХПТ, удельных энергозатрат и электрической мощности плазмотрона, вычисляемых по выражениям /I/:

0уд. х^равн -Лсх . кЕт.ч/кг , (I)

где С7исх и Уравн - полная энтальпия, отнесенная к I кг рабочего тела (уголь ^воздух), находящегося соответственно в исходном и равновесном (после всех превращений) состояниях.

Знание 0. позволяет рассчитать необходимую вкладываемую мощность плазмотрона из соотношения:

Рэл. =(}уд • , кВт, (2)

где &р т - расход рабочего тела, кг/ч.

Рассмотрим результаты расчета на примере пироко распространенного экибастузкого угля (ЭУ) с теплотой сгорания 4075 ккал/кг, выходом летучих на сухую массу 125? с составом, приведенным в таблице 2.1 (раздел 2.3). ,

Таблица 2.1 Состав сухого угля, массовое содержание компонента,#

С ! О 1 Н ! л/ ! S tSiOa.|4eAtCaOtM<1OtFet.Oa I 41,30 6,47 2,81 0,67 0,75 31,1014,82 0,36 0,40 1,32 100,0

На рис.2.1 показан характерный равновесный состав двухком-понентного топлива, получаемого из ЭУ. Как видно (рис.2.1а),концентрация горючих компонентов (CCU-Hg+CH^) нарастает с увеличением температуры процесса, составляя 50-60$ в интервале температур 9C0-I200K. При этом теплота сгорания горючего газа достаточно высока и равна 2000-2500 ккал/кг. Весьма важно с точки зрения экологии, что азот исходной воздушноугольной смеси представлен в основном молекулярным азотом /Уа. , концентрация которого остается практически постоянной в интервале 8C0-I6C0K. Выход оксидов азота //0* не превышает 1-5 мг/нм3, что на два порядка меньше, чем в дымовых газах ТЭС. Сера топлива•выходит в газовую фазу в основном в виде сероводорода (HtS) ,а концентрация оксидов серы пренебрежимо мала ( < I мг/нмэ).

Заметное снижение концентрации углерода в коксовом остатке в интервале температур 800-I2C0K (рис.2.16) обусловлено переходом углерода в газовую фазу по реакции 0+0,502 = 2С0. В дальнейшем концентрация углерода резко снижается (Т?1600К),в связи с восстановлением минеральной части углей и образованием ферросилиция ) и карбосилиция ( Si С ). Качественно подобная картина получается и для других углей, приведенных в таблице 2.2.

Таблица 2.2 Характеристики основных энергетических углей

Тип вольность, '.Влажность, Шыход '.Содержание пеплота сго-Угля , Ас.% !wp %' (Летучих,, серы ,рания

iVr'* ! So6iq.,% jQB ,

I 1 2 1 3 1 4 ! 5 ! 6

ЭУ 40-48,0 5,0 24,2 0,6-0,8 3600-4150

КУ 30-32,0 8,0 28,0 0,8-0,9 4900-5020

БУ 46,0 8,0 27,0 0,6 3270

КУУ 44,0 7,0 21, С 0,8 3960

КЗУ 16,0-18,0 12,5 38-40,0 0,4 4660-5120

(обозначения к табл.2.2 см. на рис.2.2)

Результаты расчета удельных энергозатрат по формуле (I) для вышеуказанных углей в зависимости от температуры процесса ЭТХПТ представлены на рис.2.2.

Из рисунка видно,что удельные энергозатраты монотонно возрастают в интервале" 800-I4CCK для всех типов углей. При Т> I400K С|уд резко увеличивается (в 3-4 раза), что делает нецелесообразным проведение ЭТХПТ при Т >I4GCK.

Учитывая, что максимальный выход горючих компонентов (Hg+ СО + СН^) наблюдается при T=I2GGK, ее можно считать оптимальной температурой процесса ЭТХПТ. При этой температуре удельные энергозатраты заключаются в интервале 0,07-0,13 • В среднем их можно принять равными 0,1 кВт.ч. для всей гаммы основных энергетических углей Казахстана. Расчеты по формуле (2) для = 0,1 кВтч./кг угля и разных температур процесса ЭТХПТ представлены на ркс.2.3. Кз рисунка видно, что при используемых на практике пылеугольных горелках и расходах угля от 500 до 20СО кг/ч (через одну горелку) требуемая мощность плазмотрона варьируется от 50 до 2CG кВт. Таким образом, для энергетических углей Казахс-тан^необхпдим универсальный плазмотрон с мощностью, регулируемой в диапазоне 50-2СС кВт.

Количество плазмотронов на котле при реализации безмазутной растопки определяется в соответствии с "Инструкцией по эксплуатации котлоагрегатов" конкретного типа, исходя из условий обес-, печения за время растопки 30? (от номинальной) тепловой нагрузки котла. Это означает,что не менее 30? пылеугольных горелок на любом котле должны- быть оснащены плазмотронами соответствующей мощности из интервала 50-200 кВт.

В частности, на"котлах Усть-Каменогорской ТЭЦ ЦКТИ-75 (па-ропроизЕодительностью 75 т/ч), оснащенных тремя горелками, устанавливают один плазмотрон (33? от тепловой мощности котла); на котлах EK3-320 (паропроиэводительностью 320 т/ч), имеющих 8 горелок, устанавливаются 3 плазмотрона, обеспечивающих 37,5? от номинальной нагрузки котла; на котле Е-50С •(паропроиэводительностью 500 т/ч),■ оснащенном 8 горелками, целесообразно установить 4 плазмотрона (2 на фронтальной и 2 на тыльной стенках котла) в противоположных пылеугольных горелках. На самых крупных котлах в Казахстане (Экибастузэнерго) типа П-57 (паропроиэводительностью 1650 т/ч) с 24 горелками необходима установка 8 плазмотронов

(33$ от тепловой нагрузки) в пылеугольные горелки.

При переходе от одного типа котлов к другому меняется лишь число устанавливаемых плазмотронов и их компановка с горелками различных типов. При этом сама конструкция плазмотрона и его электрическая мощность остаются неизменными.

В главе 3 описаны плазменная СВР и результаты ее испытаний в стендовых условиях. В разделе 3.1 описан электродуговой плазмотрон постоянного тока, состоящий из цилиндрического корпуса, подаваемого графитового катода и медного водоохлаждаемого анода, охваченного электромагнитной катушкой /I/. Между катодом и анодом включают электрическую дугу и по патрубку в плазмотрон подают плазмообразующий гаэ-воэдух. В камеру ЭТХПТ через тангенциальный ввод подают аэросмесь, которая, нагреваясь, воспламеняется при смешении с вторичным воздухом или с первичным воздухом аэросмеси в случае разделения исходного потока аэросмеси /I/. В разделе 3.2 представлена схема источника электропитания плазмотрона, выполняющего функции выпрямителя переменного тока /2/. Коммутация тока плазмотрона производится силовыми тиристорами У1 * Уб. Автомат С^ отключает ток нагрузки только в аварийных ситуациях, например, при пробое тиристоров. Датчики тока (ДГ) выдают сигналы, необходимые для работы автоматики. Дроссель (ДР) сглаживает пульсации выпрямленного тока.

Результаты стендовых испытаний на факельном стенде КаэНИИЭ описаны в разделе 3.3. Эксперименты проводились на трех типах углей (ЭУ,БУ и КЗУ), а также антрацитовом штыбе (АШ) и двух типах горелок: турбулентной двухулиточной (рис.3.1) и муфельной (рис.3.2) /I/. Камера ЭТХГГГ с плазмотроном устанавливается на оси двухулиточной горелки вместо мазутной форсунки (рис.3.1), а в случае муфельной горелки (рис.3.2) камера ЭТХПТ с улиткой аэросмеси устанавливается в торце муфельного предтопка. При такой компоновке процесс ЭТХПТ осуществляется в объеме горелок (двухулиточной и муфельной), а в топочное пространство выходит подготовленное к сжиганию двухномпонентное высокореакционное топливо. Плазменная технология безмазутного воспламенения реализуется следующим образом (рис.3Л).

Вначале подают плазмообразующий газ (воздух) в плазмотрон I и первичный воздух в улитку 2. Возбуждается электрически дуга и через 2-3 мин в камеру ЭТХПТ 1°подают аэросмесь, где она взаимодействует с воздушной плазмой (зона I). Полученное в каме-

рэ I высокореакционное двухкомпонентное топливо с уровнем температур 1300-1500К поступает в зону П, где смешивается с основным потоком аэросмеси (80-90^» общего расхода топлива через горелку). В зоне П осуществляется нагрев основного потока аэросмеси с выделением летучих и частичной газификацией угольных частиц. При этом из-за малого количества окислителя, окисление углерода происходит только до окиси углерода СО. Температура аэросмеси в зоне П достигает 800-1000К за счет энтальпии двухкомпонентного топлива и экзотермической реакции 0+0,502=00, осуществляемой при частичном выгорании топлива в термостойкой центральной трубе 4. Последняя, нагреваясь, служит своеобразным стабилизатором горения и способствует воспламенению двухкомпонентного топлива в течение определенного времени даже при периодическом выключении плазмотрона.

На рис.3.3 показаны изменения максимальной температуры и длины участка зажигания факела при различных значениях удельных энергозатрат. Длина участка зажигания представляет собой расстояние от среза амбразуры горелки (диаметр Да) до сечения максимальной температуры по оси факела.

Нак видно из рис.3.3, безразмерная длина участка зажигания с ростом относительной электрической мощности плазмотрона уменьшается, приближаясь к единице при £ = 2,4£. Максимальная температура с увеличением & возрастает от 1500°С, что свидетельствует об интенсифицирующем воздействии плазменного источникам подтверждается также значительным снижением мехнедожога (рис.3.4); для АШ и снижается с 15 до 4,5?., для ЭУ с 3,5 до 1,3 , и для БУ с 7 до т.е. в среднем потери тепла с мехнедожогом уменьшаются в 2-3 раза.

По результатам экспериментов могут быть рекомендованы значения удельных энергозатрат, лежащие в интервале 0,08 0,12 кВт.ч/кг угля, что полностью согласуется с результатами расчетов (см.раздел 2.3).

. Результаты стендовых испытаний воспламенения углей и обобщения вольт-амперных характеристик (ВАХ) плазмотронов легли в основу проекта промышленной СЕР для Усть-Каменогорской ТЭЦ.

В главе 4 приведены технические решения по компановке СЕР с электро-тепломеханическим оборудованием ТЭС и описаны результаты промышленных испытаний плазменной растопки котлов ЦКТИ-75, ст.№9 и ст.№10 Усть-Каменогорской ТЭЦ. В разделе 4.1 представлены схемы компоновки турбулентных (рис.3.1), муфельных (рис.

3.2) и прямоточных горелок с камерой ЭТХПТ. Б последнем случае плазмотрон устанавливается непосредственно на подвод аэросмеси к горелке /I/. Схемы водо-воздухо-элеятроснабженкя плазмотронов (раздел 4.2) включают источник электропитания (стационарный или передвижной) и узлы подачи воды на охлаждение плазмотрона и плаз-мообразующего газа-воздуха /1,2/. Расходы воздуха до ICO м 3/ч, а воды до I м3/ч на один плазмотрон.

Безмазутная растопка котлов ЦКТИ-75 Усть-Каменогорской ТЭЦ (ст.1?Э и ст.РЮ) проводилась на карагандинских углях со следующими характеристиками (раздел 4.3): теплота сгорания 4290 ккал/кг, зольность 20?, влажность 38? и выход летучих 36? /2,3/. Котел оборудован двумя растопочными муфельными предтопками (горелками) с расходом угля дп 1,5 т/ч. В муфельных горелках обоих котлов были смонтированы плазмотроны с камерами ЭТХПТ.

Растопку котлов производили из холодного состояния. Угольную пыль на безмазутную растопку подавали из промбункера .(^.90 = 37?). После включения плазг^птронов в камеры ЭТХПТ подавали уголь с плавлым увеличением расхода от 0,75'до 1,5 т/ч. Мощность плазмотрона 65 кВт, ток 260 А к напряжение 25СВ. При этом наблюдалось устойчивое воспламенение и интенсивное горение пылеугольного факела на выходе из муфельных предтопков. Температура факела 1200-1300°С при расходе воздуха на один муфель около 2000 мэ/ч. После выхода муфелей на стационарный тепловой режим плазмотроны отключались, а подача аэроскеси с воспламенением в муфеле продолжалась до повыиенкя давления в барабане котла не менее 27 атм. Затем котел переводили на работу трех основных турбулентных горелок.Время растопки котла 3,5 часа. Скорости увеличения давления 0,13 атм/мйн ) и температуры пара (^2 град/мин) соответствовали режимной карте котла ЩСГК-70-39Ф при его растопке на мазуте. Температура питательной воды после завершения растопки составляет 132° С , уходящих газов - 150°С и перегретого пара - 430°С.

Относительные затраты электроэнергии ..а плазмотрон составили 0,6? от тепловой мощности муфельной горелки. Многократные испытания безмазутной растопки котлов ЦКТИ-75 подтвердили высокую эффективность плазменного воспламенения аэросмеси в муфельном пред-топке, по сравнению с существующей технологией растопки. В 1995г. плазменные системы безмазутной растопки котлов были сданы в постоянную эксплуатацию на Усть-Каменогорской ТЭЦ.

Е главе 5 приведено технико-экономическое обоснование эффек-

тивности применения плазменной системы растопки котлов в основных энергосистемах Казахстана. В разделе 5.1 определено, что в 7 основных энергосистемах находится в эксплуатации 215 пылеуголь-ных котлов с общей паропроизводительностью 63795 т/ч. Эти котлы выбраны на основе анализа их пригодности для внедрения безмазутной технологии растопки. В соответствии с основной концепцией плазменной технологии растопки в среднем 30£ пылеугольных горелок котла оснащается плазмотронами. Минимальное количество систем безмазутной растопки, требуемое для оснащения 215 пылеугольных котлов, составляет около 500 штук. Для их серийного выпуска необходима организация промышленного производства.

В разделе 5.2 описана методика расчета экономии мазута при внедрении СВР на ТЭС (на примере Усть-Каменогорской ТЭЦ). Методика базируется на принципе замещения мазута эквивалентным по теплоте сгорания количеством угля и учетом стоимости электроэнергии, затрачиваемой на плазмотроны за время растопки. Также учитывается стоимость СБР, ресурс которых при среднем числе растолок котла 20 в год составляет 3 года /I/.

Поскольку стоимость угля, которым замещают мазут, на порядок меньше стоимости самого мазута, стоимость одного комплекта СБР (с учетом транспортных расходов) не превышает 20000 долларов США,то экономическая эффективность достигает значительной величины 40-50 долларов США на I т замещаемого углем мазута.

Результаты расчетов экономической эффективности для основных энергосистем, приведенные в таблице 5.1, показали,что суммарная экономия составляет около 30 млн. долларов в год.

В выводах сформулированы основные результаты исследования.

1. Посредством термодинамического анализа процессов ЭТХПТ основных энергетических углей обоснована научно-техническая целесообразность применения на ТЭС плазменных систем безмазутной растопки пылеугольных котлов.

2. Расчета с помощью модифицированного программного комплекса АСТРА-4 показали,что необходимая мощность плазмотрона для безмазутного воспламенения факела (в зависимости от типа угля и производительности горелок) составляет 50-200 кВт, что позволяет разработать универсальный плазмотрон с регулируемой в этих пределах мощностью,

3. Расчетным путем выявлены и экспериментально подтверждены оптимальные теплотехнические параметры процесса ЭТХПТ: температуры (1200-150СЮ, концентрация пыли в аэросмеси (0,4-0,6 кг/кг)

Таблица 5.1

Необходимое количество низменных систем беамазутной растопки пыяеугояьннх котяов в их стоимость (изготовление,,поставка,ыонтак в др.) в сопоставлений со стоимостью высвобождаемого мазута (в мировых ценах)

ш пп

Эвергооистека

1Колячеетво 'неоСхо№аое!Копичество Стойкость СЕР !шлеугояь- 1кояичество .высвэбох- 1(20000 дояяа-

-I«»* nonnnuv.fTifQQiiatTmiv »wnftlffttlA Un_ _ ТТЛ та Г»П?Л □ п

f ЙНХ

'котлов

паровых.плазменных 'лаемого ма- fpoB США за :ов,шт 'систем, !зуга (45% orí комплект) комплекты

1

.общего расхода),т.н.т

!

! Стоимость , сгкономгенного 1 мазута (в лоя-t дарах США)

! !

I. .L. а........1 ■з -1-4___ 1 5 t 6 "Г 7.....

I. Аятайанврго (без учета Семипалаганской ТЭЦ) 22 52 31693 1,04 ыян. 3,2 мен.

2. Еввлодаронерго 28 90 52562 1,8 иан. 5,2 ылн.

3. Экибасгуз8Н8ргс (баз учета ЭгРЭО-2 в водогрейных котяов гтэш 17 7В II8576 1,56 или. 11,8 илн.

4. Raparaадаэнорго 59 170 II4577 3,5 ыян. 11,4 нян.

5. Аяматыэнврго (баз учета ТЭЦ-1) 16 45 15478 900.0 тыс. 1,5 млн.

£. Цвдинэнерго 20 48 43735 960,0 тыс. 4,4 илн.

7. 1кказ8вэрго 18 18 19885 360,0 тыс. 1,98 млн.

ИТОГО: 180 501 336506 10.02 илн. 39,5 млн.

о> i

и суммарный выход горючих газов (50-6С$ от органической массы угля).

4. Проведенные эксперименты по изучению электрических и тепловых параметров плазменной системы безмазутной растопки и вольт-амперных характеристик плазмотрона позволили оптимизировать конструкцию СВР.

5. Разработаны и освоены технологические схемы совместного функционирования плазменного и станционного оборудования при безмазутной растопке пылеугольных котлов на Усть-Каменогорской ТЭЦ.

6. Проведены полномасштабные промышленные испытания СВР котлов ЦЬСГИ-75 ст.№9 и ст.№10 Усть-Каменогорской ТЭЦ, по результатам которых эти системы сданы в постоянную эксплуатацию.

7. Разработана техдокументация на изготовление плазменных СВР с электродуговым плазмотроном (ЭДДУ-02), необходимая для организации серийного производства плазменно-энергетического оборудования в Казахстане.

8. Освоены методы оценки экономической эффективности применения плазменных технологий безмазутной растопки пылеугольных котлов. Показано,что использование плазмотронов в 7 основных энергосистемах Казахстана позволяет сэкономить около 400000 т мазута

в год и получить годовой экономический эффект около 30 млн.долларов США.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Сакипов З.Б,Дютяев A.A. Плазменная технология розжига котлов и стабилизации горения пылеугольного факела.// Энергетика и топливные ресурсы Казахстана.-1993.2(4).-с.51-61.

2. Ибраев Ш.И.Дютяев А.А.,Локша Б.К. Промышленные испытания передвижного плазменного агрегата для розжига пылеугольных котлов // Энергетика и топливные ресурсы Казахстана.-1993.-М.-

с.45-50.

3. Заявка 931738.I, Казахстан. Устройство для сжигания топлива/ Тютяев A.A. и др. - решение о выдаче патента Республики Казахстан. 19941

Состав лвухкошонентного энергетического топлива, получаемого аз экибасгузского угля зольностью 48$

Рве. 2.1

а- газовая фаза; 6- конденсированная фага.

Зявиоииооть удельных энергозатрат от температуры термохимической подготовки аэросмеси основных энергетических углей Казаха тана п ^ ч

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0 Я

///

1 f/

800

1200

1600

2000

Рйс.2.2 , , кг ч

Состав аэрось-еси: 1000 кг угля ■+ 2500 кг воздуха (0,4 кг ' Обозначения: I -куу-чекинскнй уголь (KIT), 2- экиоастузокий • уголь (ЗУ), 3- борлинский уголь (ЕЛ, 4- карагандинский уголь ТКУ), 5- кузнещсиа уголь (КЗУ)

Зсшиоиыооть полезной электрической мощности плазмотрона от температура процесса ЭТХДТ я расхода шубаркольского угля чор0Э пылеугольнуп горелку (ju. =0.425 кг ) Рэ/ч, кбт

кг

: , Ф

70ООХ TZ10K

Рис.2.3

О угли , иг/ч

Схема осушеогвления технологии ЭХШТ в турбулентной шлеугошшй горелке

Рис.3Л

I - камера ЭТХПГ с плазмотроном, II - внутренняя груба горелки; { - плазмотрон, 2 - улитка азросмеси, 3- улитка вторичного воздуха, 4- центральная труба горения.

-21-

Схеыв компоновал камеры ЭТХПТ с турбулентной горенкой на муфельном предтошсе

Рис. 3.2/.

I- муфэльный продтопок, 2- короб вторичного воздуха, 3- уляткз, 4- подвод авросиеоя, 5- пхааиотрон, 6,7 -подвод и олив оэышхдащей воды

Обобщенная загистосгь безразмерной длины учаотка зажигания факела (£/1>а.) и его максимально!! температуры (Тто*) от электрической мощности плазмотрона фа. = 0,52 м)

е/м 2,2

и

ч о-г/. 1а -Ттах

\ N 1

1 >

Т/пах, "С то то ш

I

0,4 _1_

0,8 /,2. /,£ 2,3 2.« в

I I I ( ^ Рэл, КйТ

.В 12 {3 24 Гис.3.5

31

Влияние вкладываемой электрической годности на мехнздожог при скнганиа различных низкосортных углей (Х/£>«»16,6)

<6 а 8

4 О

% 2-бУ 3-ЭУ

1> "Н

< _ 2 ®3 >

ю

0,04

20 О.

Зо _|_

40

о,О 8 0,12.

Рио.3.4

0,16

Рз Л.КЙТ

-I . кЬт-1

о.г

кг угля

"Оскенен ЮО да тексэрхлген каэандарды мазутсыз тутату жуйесш зэрттву жэнв ендхру" атты Алексей Александрович Твтяевг1ч техника гылимдарынын кандадаты гнльми дэрежэсш алу шхн дайшдалган дассертацияньщ

Резсмвс!

Диссертация техника гыльмдарыньщ кандидаттык; дарекесш 05.14.02- злектр стенциялары/злект1рл1к бвлшйГ1/торабтар, электрзнэргчтикалык жуйелер жэнв оларды баскару жэнв 01.04.14-жылуфизикасы жэнв молвкулярлык физика мамандыктары бойынша алу УШ1н дайшдалган.

Доргалатын жумыс кэмхр тозацын .тагатын цазандарды мазутсыз тутату иубылысын зерттеп соныч нег1зхнд8 элвктр догальщ плаямотронды жэнв алвктрмен кврэктендхоу кеэд* мазутсыз тутату плазмалын жуйес1Н1ч ти1мдх курынымдарын жасауга арналган.

Автор энергетикальщ кемгрлердх плазмалын тутату к^былысын есептеу-теориялыц эд1стер1мен жэнв зэрттвулер1н жасаган жэнв

зшлу злектр станцияларыныч кемхр тоэацын мазутсыз тутату жуйвсхнщ злектр жзнв жылутехникалыц керсеткштврхшн тишд1 мвлперлврхн аныцтаган.

Осы зерттвулер нег1зхнд8 мазутсыз тутатудыц плазмалык

жуй8С1н 9скэменн1ц 130 гыньщ казандарында 9ндхр1ст1К тексеру етк1з1лгвн жэнв мвяутсыз тутату жуйзсш Казахстан Рвспубликасын-дагы квм1ртозавды жылу электр станцияларында колданудыц

усыныстары жасалган.

" 24 "

SUMMERY on thesis of Alexel X. Tyutyaer on topic "The Development and Installation of the Plasma System of Boiler Ignition without Use of Black Mineral Oil on the Ust-Kamenogorsk

Cecwal Thermal Electric Power Station"

Thesis written for the degree of Bachelor of Soience specialising ini 05.1^.02 - Eleotrio Power Stations (Electric Part), Electric Network, Bleotric Power Systems and Control, and 01.0+.14 - Thermophys'ics and Molecular Rhyeics.

Shis project is a reseeroh of the plasma process of ignition of coal dust flow without black mineral oil and development of effective design of the plasma system of ignition without black mineral oil with electric-arch plasmathrone and source of electricity.

Tha author accomplished theoretical and experimental research of plasma ignition of energetic coal and determina*i tioa of appropriate eleotrio, technical and thermal conditions for ignition of coal-dust bailers without black mineral oil on electric power stations.

On the basis of this research industrial tests of the plasma system of ignition without use of black mineral oil were conducted on the boilers of the Ust-Kamenogorsk Central Thermal Sleotric Power Station.