Реферат: Разработка и внедрение системы воспламенения пылеугольного факела с использованием электродуговых
Видно, что удельные энергозатраты монотонно возрастают в интервале 800-1400К для всех типов углей. При Т>1400К .= Qуд резко увеличивается ( в 3-4 раза), что делает нецелесообразным проведение ЭТХПТ при Т> 1400К.
Учитывая, что максимальный выход горючих компонентов (Н2 +СО+СН4 ) наблюдается при Т=1200К, её можно считать оптимальной температурой процесса ЭТХПТ. При этой температуре удельные энергозатраты заключаются в интервале 0,07-0,13 кВт.ч/кг угля. В среднем их можно принять равными 0,1 кВт.ч. для всей гаммы основных энергетических углей Казахстана. Расчёты по формуле (2) для Qуд =0,1 кВтч./кг угля и разных температур процесса ЭТХПТ, видно, что при используемых на практике пылеугольных горелках и расходах угля от 500 до 2000 кг/ч ( через одну горелку) требуемая мощность плазматрона варьируется от 50 до 200 кВт. Таким образом, для энергетических углей Казахстана необходим универсальный плазматрон с мощностью, регулируемой в диапазоне 50-200 кВт.
Количество плазматронов на котле при реализации безмазутной растопки определяется в соответствии с “Инструкцией по эксплуатации котлоагрегатов” конкретного типа, исходя из условий обеспечения за время растопки 30% (от номинальной) тепловой нагрузки котла. Это означает, что не менее 30% пылеугольных горелок на любом котле должны быть оснащены плазматронами соответствующей мощности из интервала 50-200 кВт.
В частности, на котлах Усть-Каменогорской ТЭЦ ЦКТИ-75 (паропроизводительностью 75 т/ч), оснащённых тремя горелками, устанавливают один плазматрон(33% от тепловой мощности котла); на котлах БКЗ-320 (паропроизводительностью 320 т/ч), имеющих 8 горелок, устанавливаются 3 плазматрона, обеспечивающих 37,5% от номинальной нагрузки котла; на котле Е-500 ( паропроизводительностью 500 т/ч), оснащённом 8 горелками, целесообразно установить 4 плазматрона (2 на фронтальной и 2 на тыльной стенках котла) в противоположных пылеугольных горелок. На самых крупных котлах в Казахстане (Экибастузэнерго) типа П-57 ( паропроизводительностью 1650 т/ч) с 24 горелками необходима установка 8 плазматронов (33% от тепловой нагрузки) в пылеугольные горелки.
При переходе от одного типа котлов к другому меняется лишь число устанавливаемых плазматронов и их компоновка с горелками различных типов. При этом сама конструкция плазматрона и его электрическая мощность остаются неизменными.
(3) Между катодом и анодом включают электрическую дугу и по патрубку в плазматрон подают плазмообразующий газ- воздух. 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. Коммутация тока плазматрона производится силовыми тиристорами У1/У6. Автомат Q отключает ток нагрузки только в аварийных ситуациях, например, при пробое тиристоров. Датчики тока (ДТ) выдают сигналы, необходимые для работы автоматики. Дроссель (ДР) сглаживает пульсации выпрямлённого тока.
Эксперименты проводились на трёх типах углей (ЭУ,БУ и КЗУ), а также антрацитовом штыбе (АШ) и двух типах горелок: турбулентной двухулиточной и муфельной. Камера ЭТХПТ с плазмотроном устанавливается на оси двухулиточной горелки вместо мазутной форсунки, а в случае муфельной горелки камера ЭТХПТ с улиткой аэросмеси устанавливается в торце муфельного предтопка. При такой компоновке процесс ЭТХПТ осуществляется в объёме горелок (двухулиточной и муфельной), а в топочное пространство выходит подготовленное к сжиганию двухкомпонентное высокореакционное топливо. Плазменная технология безмазутного воспламенения реализуется следующим образом.
Вначале подают плазмообразующий газ ( воздух) в плазматрон 1 и первичный воздух в улитку 2. возбуждается электрическая дуга и через 2-3 мин. в камеру ЭТХПТ 10 подают аэросмесь, где она взаимодействует с воздушной плазмой. Полученное в камере 10 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 газификации угольных частиц. При этом из-за малого количества окислителя, окисление углерода происходит только до окси углерода СО. Температура аэросмеси в зоне П достигает 800-100К за счёт энтальпии двухкомпонентного топлива и экзотермической реакции С+0,5О2 =СО, осуществляемой при частичном выгорании топлива в термостойкой центральной трубе 4. Последняя, нагреваясь, служит своеобразным стабилизатором горения и способствует воспламенению двухкомпонентного топлива в течение определённого времени даже при периодическом включении плазматрона.
На рис.3.1 показаны изменения максимальной температуры и длины участка зажигания факела при различных значениях удельных энергозатрат. Длина участка зажигания представляет собой расстояние от среза амбразуры горелки до сечения максимальной температуры по оси факела.
Как видно из рис.3.1, безразмерная длина участка зажигания с ростом относительной электрической мощности плазматрона уменьшается, приближаясь к единице при E=2,4. Максимальная температура с увеличением Е возрастает от 15000 С, что свидетельствует об интенсифицирующем воздействии плазменного источника, и подтверждается также значительным снижением мехнедожога; для АШ q4 снижается с 15 до 4,5%, для ЭУ с 3,5 до 1,3 , и для БУ с 7 до 4%, 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≤ Qуд ≤0,12 кВтч/кг угля, что полностью согласуется с результатами расчётов.
Результаты стендовых испытаний воспламенения углей и обобщения вольтамперных характеристик (ВАХ) плазматронов легли в основу проекта промышленной СБР для Усть-Каменогорской ТЭЦ.
(4)Технические решения по компоновке СБР с электро- тепломеханическим оборудованием ТЭС и результаты промышленных испытаний плазменной растопки котлов ЦКТИ-75, ст. № 9 и ст. № 10 Усть-Каменогорской ТЭЦ.
Безмазутная растопка котлов ЦКТИ-75 Усть-Каменогорской ТЭЦ проводилось на карагандинских угля со следующими характеристиками: теплота сгорания 4290 ккал/кг, зольность 20%, влажность 18% и выход летучих 36%. Котёл оборудован двумя растопочными муфельными предтопками с расходом угля до 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 (R90 =37%).После включения плазмотронов в камеры ЭТХПТ подавали уголь с плавным увеличением расхода от 0,75 до 1,5 т/ч. Мощность плазмотрона 65 кВт, ток 260 А и напряжение 250 В. При этом наблюдалось устойчивое воспламенение и интенсивное горение пылеугольного факела на выходе из муфельных предтопков. Температура факела 1200-13000 С при расходе воздуха на один муфель около 2000 м3 /ч. После выхода муфелей на стационарный тепловой режим плазматроны отключались, а подача аэросмеси с воспламенением в муфеле продолжалась до повышения давления в барабане котла не менее 27 атм. Затем котёл переводили на работу трёх основных турбулентных горелок. Время растопки котла 3,5 часа. Скорости увеличения давления (≈0,13 атм./мин) и температуры пара (≈2 град/мин) соответствовали режимной карте котла ЦКТИ-75 при его растопке на мазуте. Температура питательной воды после завершения растопки составляет 1320 С, уходящих газов -1500 С и перегретого пара - 4300 С.
Относительные затраты электроэнергии на плазмотрон составили 0,6% от тепловой мощности муфельной горелки. Многократные испытания безмазутной растопки котлов ЦКТИ-75 подтвердили высокую эффективность плазменного воспламенения аэросмеси в муфельном предтопке, по сравнению с существующей технологией растопки. В 1995 г. Плазменные системы безмазутной растопки котлов были сданы в постоянную эксплуатацию на Усть- Каменогорской ТЭЦ.
(5) Технико– экономическое обоснование эффективности применения плазменной системы растопки котлов в основных энергосистемах Казахстана. Определено, что в 7 основных энергосистемах находится в эксплуатации ≈215 пылеугольных 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 плазматронами. Минимальное количество систем безмазутной растопки, требуемое для оснащения 215 пылеугольных котлов, составляет около 500 штук. Для их серийного выпуска необходима организация промышленного производства.
Методика расчёта экономии мазута при внедрении СБР на ТЭС. Методика базируется на принципе замещения мазута эквивалентным по теплоте сгорания количеством угля и учётом стоимости электроэнергии, затрачиваемой на плазматроны за время растопки. Также учитывается стоимость СБР, ресурс которых при среднем числе растопок котла 20 в год составляет 3 года.
Поскольку стоимость угля, которым замещают мазут, на порядок меньше стоимости самого мазута, стоимость одного комплекта СБР ≈20000$, то экономическая эффективность достигает значительной величины 40-50$ на 1 т. Замещаемого углём мазута.
Результаты расчётов экономической эффективности для основных энергосистем, показали, что суммарная экономия составляет около 30 млн. $ в год.
Основные результаты исследования
1. Посредством термодинамического анализа процессов ЭТХПТ основных энергетических углей обоснована научно-техническая целесообразность применения на ТЭЦ плазменных систем безмазутной растопки пылеугольных котлов.
2. Расчёты с помощью модифицированного программного комплекса АСТРА-4 показали, что необходимая мощность плазматрона для безмазутного воспламенения факела составляет 50-200 кВт, что позволяет разработать универсальный плазмотрон с регулируемой в этих пределах мощностью.
3. Расчётным путём выявлены и экспериментально подтверждены оптимальные теплотехнические параметры процесса ЭТХПТ: температуры (1200-1500К), концентрация пыли в аэросмеси (0,4-0,6 кг/кг) и суммарный расход горючих газов (50-60% от органической массы угля)
4. Проведённые эксперименты по изучению электрических и тепловых параметров плазменной системы безмазутной растопки и вольтамперных характеристик плазматрона позволили оптимизировать конструкцию СБР.
5. Разработаны и освоены технологические схемы совместного функционирования плазменного и станционного оборудования при безмазутной растопке пылеугольных котлов на Усть-Каменогорской ТЭЦ.
6.Разработана техдокументация на изготовление плазменных СБР с электродуговым плазматроном, необходимая для организации серийного производства плазменно-энергетического оборудования в Казахстане.