СПОСОБ БЕЗМАЗУТНОЙ РАСТОПКИ КОТЛА Российский патент 2006 года по МПК F23Q5/00 F23D1/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для растопки пылеугольных котлов и стабилизации горения (подсветки) факела в них.

Известен способ растопки котла, работающего на угольной пыли, и подсветки факела в нем посредством мазута или природного газа. В начальной стадии растопки в топке котла сжигают мазут (или природный газ), подаваемый через мазутные форсунки. С ростом температуры в топке расход мазута увеличивают. По мере прогрева топки и доведения ее состояния до задаваемого инструкцией по эксплуатации котла теплового уровня в топку подают угольную пыль. Угольная пыль подогревается горящим мазутом и воспламеняется. Расход пыли постепенно увеличивают, оставляя включенными мазутные форсунки. По достижении устойчивого горения пылеугольного факела и задаваемого инструкцией по эксплуатации уровня тепловой нагрузки котла мазутные форсунки отключают и дальнейший подъем нагрузки осуществляют увеличением расхода угольной пыли. В этом способе стабилизацию горения (подсветку) пылеугольного факела осуществляют путем сжигания мазута. При этом в работу включают требуемое для устойчивого горения факела количество форсунок. Поскольку реакционная способность мазута выше, чем угля, мазут горит устойчиво, температура в топке возрастает и горение угольной пыли стабилизируется. (Дорощук В.Е., Рубан В.Б. Котельные и турбинные установки энергоблоков мощностью 500 и 800 МВт. - М.: Энергия, 1979).

Однако совместное сжигание мазута и угля, оптимальные (с точки зрения величины коэффициента избытка воздуха) режимы горения которых различны, влечет ряд негативных последствий: повышается мехнедожог топлива, эмиссия оксидов азота и серы (при сжигании высокосернистых топочных мазутов), возрастает коррозия поверхностей нагрева, появляется такой канцероген, как пятиокись ванадия и т.д. Кроме того, стоимость мазута, как правило, в несколько раз превышает стоимость угля (в расчете на единицу условного топлива). Все это снижает эффективность топливоиспользования.

Известен способ плазменного воспламенения пылеугольного топлива, заключающийся в генерировании струи низкотемпературной плазмы в плазмотроне, установленном на муфеле (камере термохимической подготовки), воспламенении струей плазмы пылеугольной аэросмеси, подаваемой в канал муфеля, и подаче нагретой топливной смеси из муфеля в топку котлоагрегата. Нагретая топливная смесь включает горючие в газовой фазе, коксовый остаток и газообразные продукты горения и имеет температуру выше температуры самовоспламенения. Она устойчиво воспламеняется и горит при смешении с вторичным воздухом в топке котлоагрегата (патент РФ 20544599, МПК F 23 С/24, опубл.20.02.96.). В процессе растопки плазмотрон периодически отключают: после прогрева камеры ТХП и достижения устойчивого горения факела его выключают; при снижении яркости факела плазмотрон вновь включают и далее цикл повторяется. Чрезвычайно важно включить плазмотрон в нужный момент, так как подача невоспламененной угольной пыли в недостаточно нагретую топку котла при его растопке категорически запрещается. Правилами технической эксплуатации котлоагрегатов. Этот способ можно использовать при сжигании высокореакционных углей.

Даже при постоянно работающем плазмотроне для воспламенения низкореакционных углей требуется значительно большая энергия источника воспламенения (Научно-технические основы и опыт эксплуатации плазменных систем воспламенения углей /Е.И.Карпенко, М.Ф.Жуков, В.Е.Мессерле, В.С.Перегудов и др. - Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1998. - 137с.; см. стр.81). При выключенном плазмотроне аккумулированной в муфеле тепловой энергии недостаточно для поддержания автотермического режима горения, т.е. обеспечить устойчивое горение низкореакционного угля этим способом невозможно.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ растопки котла, основанный на воспламенении пылеугольной аэросмеси плазменной струей (Научно-технические основы и опыт эксплуатации плазменных систем воспламенения углей / Е.И.Карпенко, М.Ф.Жуков, В.Е.Мессерле, В.С.Перегудов и др.-Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1998. - 137с.; см. стр.24 и далее). Плазменную струю генерируют электрической дугой в плазмотроне, который устанавливают на начальном участке муфеля плазменно-угольной горелки. В муфель подают поток пылеугольной аэросмеси и в этот поток вводят плазменную струю. В результате взаимодействия с плазменной струей происходит воспламенение и горение части угольной пыли. Благодаря этому нагревается вся аэросмесь внутри муфеля. Полученная в результате этого горящая топливная смесь поступает из муфеля в топку котла с образованием в топке горящего пылеугольного факела. Из-за дефицита окислителя в муфеле сгорает только часть летучих. В результате их горения остальная аэросмесь нагревается в нем до выхода летучих из остального угля и частичной газификации коксового остатка. В итоге в муфеле получают топливную смесь (горючие в газовой фазе плюс коксовый остаток плюс продукты сгоревшей части летучих), температура которой выше температуры самовоспламенения, и которая устойчиво воспламеняется и горит при смешении с вторичным воздухом в топке. Таким способом осуществляется и подсветка пылеугольного факела без использования второго вида топлива, но с обязательным применением низкотемпературной плазмы.

Растопка котла плазменным безмазутным способом начинается включением плазмотронов и подачей угольной пыли в горелки с муфелями, оснащенными плазмотронами. С момента подачи угольной пыли в топке появляется активно горящий пылеугольный факел. Расход пыли через эти горелки постепенно увеличивают, и температура в топке возрастает. По достижении теплового уровня топки, указанного в Инструкции по эксплуатации котла для аналогичных условий режима растопки посредством мазута, в топку подают угольную аэросмесь через горелки, не оснащенные плазмотронами, с последующим увеличением ее расхода. Плазмотроны поочередно отключают при достижении тепловой нагрузки, аналогичной указанному в Инструкции моменту отключения мазутных форсунок при растопке мазутом. Безмазутную подсветку пылеугольного факела осуществляют, согласно этому способу, аналогично растопке: включают плазмотроны и подают угольную пыль в горелки, на которых они установлены. Количество включаемых плазмотронов определяется конкретными условиями работы котла и подбирается экспериментально.

Однако в этом известном способе не предусмотрены действия, обеспечивающие достижение указанного ниже технического результата. Действительно, растопка котла осуществляется в течение нескольких часов (4-6 и более), а подсветка может быть постоянной - т.е. система плазменного воспламенения пылеугольной аэросмеси находится в работе постоянно. Во время работы плазмотрона возможно изменение напряжения на дуге, например из-за изменения расхода через него плазмообразующего воздуха как результат колебания давления в системе воздухоснабжения. При этом с увеличением расхода воздуха напряжение источника электропитания может оказаться недостаточным для устойчивого горения дуги и она погаснет. Все это создает условия, при которых растопка котла может быть приостановлена. Напомним, что в соответствии с Правилами технической эксплуатации котлов и в целях взрывобезопасности не допускается поступление в холодную (или недостаточно нагретую) топку невоспламененной угольной пыли. В случае плазменной растопки котла посредством нескольких плазменно-угольных горелок при погасании факела одной из них в топку начнет поступать невоспламененная пылеугольная аэросмесь, в результате чего возникнет взрывоопасная ситуация и потребуется экстренное прекращение подачи пыли в эту горелку. Для котла с системой пылеприготовления с прямым вдуванием пыли в этом случае наиболее вероятной операцией будет выключение мельницы и останов растопки котла. Это связано с неизбежными экономическими потерями. В противоположном случае, при уменьшении давления в системе воздухоснабжения и расхода плазмообразующего воздуха через плазмотрон, напряжение на дуге понизится, снизится мощность плазменной струи и надежность воспламенения угольной пыли. Возможно погасание факела данной горелки и общего факела в топке с указанными выше негативными последствиями. Современные источники электропитания плазмотронов обеспечивают достаточно высокую стабильность заданного тока дуги при изменении расхода плазмообразующего воздуха. Поэтому для поддержания постоянной мощности, подводимой к плазмотрону, в этом случае достаточно поддерживать постоянным напряжение на дуге. В дополнение к этому, при пониженном расходе воздуха в плазмотронах с газодинамическим перемещением приэлектродных участков дуги (которые чаще всего используются в рассматриваемых процессах) возрастает эрозия электродов. На поверхности электрода появляются впадины, которые быстро прогрессируют даже при восстановленном расходе воздуха, значительно сокращая его ресурс. Поэтому важно поддерживать напряжение на дуге плазмотрона в определенных пределах. Напряжение на дуге может изменяться и под действием других факторов. Например, в результате образования окисной пленки в зоне привязки дуги на поверхности медного электрода по мере увеличения времени его работы напряжение на дуге возрастает. Корректировать его и в этом случае можно изменением расхода плазмообразующего воздуха.

В основу изобретения положена задача создания способа плазменной растопки котла и подсветки факела, который позволяет повысить надежность воспламенения плазмой угольной аэросмеси внутри горелки и топливной смеси на выходе ее из муфеля в топку, а также увеличить ресурс работы плазмотрона и, тем самым, повысить стабильность процесса растопки (подсветки) в целом при сохранении (а возможно и снижении) подводимой к плазмотрону электрической мощности. При этом достигаются технические результаты, заключающиеся: в повышении надежности и устойчивости воспламенения вытекающей из муфеля топливной смеси; исключении аварийного останова оборудования из-за обрыва дуги в плазмотроне или погасании факела на выходе муфеля; повышении безопасности работы котла при плазменной растопке (подсветке) благодаря исключению взрывоопасной ситуации в топке; снижении износа электродов плазмотрона. В итоге это повышает эффективность процессов растопки котла и подсветки факела.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе растопки котла путем получения плазменной струи, генерируемой электрической дугой в плазмотроне, установленном на входе муфеля, вводом этой плазменной струи внутрь муфеля в подаваемый в него поток пылеугольной аэросмеси, воспламенения аэросмеси в результате взаимодействия с плазменной струей, получения в муфеле топливной смеси в результате частичного горения угольной пыли, подачи этой горящей топливной смеси из муфеля в топку котла с образованием в топке горящего пылеугольного факела согласно изобретению - по сигналу датчика величины напряжения на дуге плазмотрона автоматическим варьированием расхода плазмообразующего воздуха изменяют напряжение на дуге плазмотрона, поддерживая его в пределах от U_min до U_max. Максимальное значение напряжения U_max выбирают экспериментально для данных условий, определяемых параметрами электрической цепи и характеристиками плазмотрона, напряжением электрической сети и его возможными колебаниями. Оно должно быть по возможности близко к напряжению, при котором происходит обрыв электрической дуги и, в то же время, обеспечивать стабильную (без обрыва дуги) работу плазмотрона. В случае, если для увеличения ресурса работы электрода используется осевое сканирование электродного пятна дуги (Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела / Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B.C. и др.- Новосибирск: Наука. - 1995. - 304 с.; см. стр.198-199), минимальное значение напряжения U_min может быть принято равным U_min=U_max-U, где U - колебание напряжения в результате сканирования. В отсутствии сканирования U_min может быть задано на 1-2% ниже U_max.

Таким образом, в отличие от аналога, где предусматривается выключение плазмотрона после прогрева муфеля при продолжающейся подаче в него угольной аэросмеси, или прототипа, где в процессе растопки котла плазмотрон должен работать непрерывно, но мер, обеспечивающих стабильную его работу, не принято, в заявляемом способе обеспечивается поддержание стабильной работы плазмотрона и мощности плазменной струи, что повышает надежность воспламенения и стабильность горения пылеугольного факела в топке котла.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где схематично показан муфель 1, в который подают поток аэросмеси 3. В аэросмесь вводят струю низкотемпературной плазмы 12, генерируемую в плазмотроне 2. Плазмообразующий воздух из системы 6 через управляющие вентили 4 и 4' подается в две закруточные камеры плазмотрона. Для определенности будем рассматривать плазмотрон двухкамерной схемы. (Описание такого плазмотрона см., например, в книге: Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела / Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B.C. и др. - Новосибирск: Наука. - 1995. - 304 с.; стр.198 - 199.). Хотя в большей части плазмотронов других схем напряжение на дуге плазмотрона также находится в прямой зависимости от расхода плазмообразующего газа. Электропитание плазмотрона осуществляют от источника постоянного тока 10. Пылеугольная аэросмесь 3 воспламеняется плазменной струей 12 и поступает в топочную камеру 11.

Растопку котла согласно предлагаемому способу осуществляют следующими операциями. Выполняют подготовительные работы согласно Инструкции по плазменной растопке котла. Включением источника электропитания 10 зажигают электрическую дугу в плазмотроне 2. При этом на выходе из плазмотрона в муфель появляется струя плазмы 12. Включением соответствующих механизмов (например, электродвигателя пылепитателя - штатный элемент котельного оборудования - не показан) подают угольную пыль в смеси с первичным воздухом - аэросмесь - 3 в муфель 1. В результате взаимодействия с плазмой 12 часть аэросмеси воспламеняется. Небольшая доля угля сгорает, нагревая остальную аэросмесь до выхода летучих и частичной газификации коксового остатка. Образовавшаяся в муфеле топливная смесь поступает в топку 11, где она активно горит. При этом выделяется значительное количество тепла, необходимого для разогрева топки. Количество подводимого тепла в топку регулируют изменением расхода угля, подаваемого в муфель, и количеством включенных в работу муфелей с плазмотронами. Аналогичные действия выполняют при включении в работу плазменных систем для поддержания стабильности горения (подсветки) пылеугольного факела в топке котла. Количество включаемых для подсветки муфелей с плазмотронами зависит от конкретных условий и определяется оперативным персоналом по эксплуатации котла. Однако оно, как правило, меньше требуемого количества при растопке котла из холодного состояния. Необходимые при растопке котла и подсветке факела стабильность параметров плазменной струи и надежность работы плазмотрона, согласно изобретению, обеспечивают следующими приемами. Сигнал 8, характеризующий напряжение 9 на дуге плазмотрона 2, подают в микропроцессор 7, где он сравнивается с заданными величинами U_max и U_min. Если напряжение на дуге окажется больше U_max, то микропроцессор дает сигнал в электропривод 5 на частичное закрытие вентиля 4, регулирующего расход воздуха, например, во вторую (по потоку воздуха в канале двухкамерного плазмотрона) закруточную камеру. При этом, как только напряжение на дуге станет меньше U_max, микропроцессор 7 даст сигнал на выключение электропривода 5, и закрытие вентиля 4 прекратится. Если же напряжение на дуге окажется меньше U_max и меньше U_min, то микропроцессор 7 даст сигнал в электропривод 5 на частичное открытие вентиля 4. Его открытие будет осуществляться до того момента, когда напряжение на дуге превысит U_min. В процессе закрытия (открытия) вентиля 4 микропроцессор 7 сравнивает сигнал 8 напряжения на дуге с заданными значениями U_max и U_min. Таким путем напряжение на дуге будет поддерживаться в пределах от U_max до U_min. Если по какой-то причине (например, низкое давление в системе воздухоснабжения плазмотрона) напряжение на дуге не может быть установлено в заданных пределах, микропроцессор включает сигнал (световой или звуковой) на пульте оператора плазменной системы.

Подобными операциями с электроприводом 5' и вентилем 4' может осуществляться варьирование расхода воздуха в первую камеру плазмотрона, а с ним и напряжения на дуге. Очередность включения электропривода 5 или 5' задается программой, заложенной в микропроцессор. Электропривод 5 (5') для рассматриваемых целей используется тот же, что обеспечивает изменение расхода плазмообразующего воздуха с целью сканирования приэлектродного пятна дуги по поверхности электрода в осевом направлении. По истечении заданного срока работы электрода с привязкой дуги к его поверхности в заданной области автоматическое смещение привязки дуги на другую область поверхности осуществляется сигналами микропроцессора посредством этих же электроприводов.

Пример 1. Котел ТП-170 имеет 6 пылеугольных горелок. Система пылеприготовления - с промбункером. Для обеспечения его растопки и подсветки факела без использования мазута котел оснащен двумя плазменными системами, каждая из которых включает муфель с установленным на нем плазмотроном постоянного тока двухкамерной схемы мощностью до 100 кВт. Схема этих систем аналогична приведенной на чертеже. В котле сжигают уголь с характеристиками: Q^р _н=5100 ккал/кг, А^р=19,3%, V^Г=17,2%. Тонина помола угольной пыли характеризуется остатком на сите R₉₀=12,5%. Растопку котла, согласно изобретению, осуществляли следующими операциями. После подготовки к растопке согласно инструкции по эксплуатации котла включили подачу первичного воздуха в муфели. В соответствии с инструкцией по плазменной растопке котла выполнили подготовку плазменных систем к работе и включением источника электропитания осуществили запуск каждого плазмотрона. Регулированием расхода плазмообразующего воздуха установили напряжение на дуге в пределах 370-375 В и регулированием тока дуги задали мощность, подводимую к плазмотрону, 85-90 кВт. Предварительно было установлено, что напряжение, при котором наблюдается обрыв дуги, равно 380(+5) В. В программу микропроцессора введено максимально допустимое напряжение на дуге U_max=375 В, при превышении которого он подает сигнал на частичное закрытие вентиля подачи плазмообразующего воздуха во вторую (по потоку газа в канале) камеру плазмотрона. По достижении напряжения на дуге 375 В по сигналу микропроцессора электропривод вентиля выключается. Также в программе микропроцессора задано минимально допустимое напряжение на дуге, равное U_min=370 В. При уменьшении напряжения от этого значения микропроцессор подает сигнал на дополнительное открытие указанного выше вентиля и по достижении значения напряжения 370 В он дает сигнал на выключение электропривода вентиля. Предусмотрено, что в случае, если такие операции не приводят к установлению напряжения на дуге в пределах 370-375 В микропроцессор, в соответствии с введенной в него программой, включает световой сигнал на пульте оператора.

Затем последовательно включили пылепитатели и задали расход пыли в каждый муфель в соответствии с инструкцией по плазменной растопке. На выходе муфелей появились горящие факелы. По мере прогрева топки увеличивали расход пыли в муфели, а затем подали пыль в горелки, не оснащенные плазмотронами. Последующую часть растопки осуществляли аналогично растопке посредством мазутных форсунок. По завершении растопки подачу пыли в муфель прекратили и плазмотроны отключили.

В ходе дальнейшей эксплуатации котла в силу производственных условий нагрузка котла была снижена до 80% от номинальной. В результате устойчивость горения факела снизилась - возникла потребность в его подсветке. При этом действиями, аналогичными описанным выше, включили в работу один плазмотрон и подали аэросмесь в муфель, на котором он установлен. На выходе муфеля появился горящий факел и горение общего факела в котле стало устойчивым. В этом опыте случаев обрыва дуги или установившегося напряжения на ней ниже 370 В не наблюдалось.

Пример 2. Оборудование то же, что в примере 1. Микропроцессор выключен и осуществляется ручное регулирование расхода плазмообразующего воздуха в плазмотрон. Растопку котла проводили в соответствии с приведенной в примере 1 последовательностью операций. При этом ручным регулированием расхода воздуха в плазмотроны задали напряжение на дуге каждого из них в пределах 370-375 В. В процессе растопки напряжение на дуге неоднократно выходило за указанные пределы. Был случай обрыва дуги и наблюдалось снижение качества воспламенения из-за понижения напряжения на дуге и, как следствие, понижение подводимой к плазмотрону мощности. Требуемый режим восстанавливали ручной корректировкой расхода плазмообразующего воздуха.

Так же, как и при растопке, в процессе подсветки возникала необходимость путем дополнительного открытия или частичного закрытия вентилей корректировать расход плазмообразующего воздуха в плазмотрон из-за колебаний давления в общестанционной системе воздухоснабжения.

Использование заявляемого способа растопки котла обеспечивает:

повышение надежности и устойчивости воспламенения выходящей из муфеля топливной смеси благодаря стабильно поддерживаемой заданной мощности плазмотрона; исключение останова оборудования, обеспечивающего подачу угольной пыли в муфели (мельницы, пылепитателей и т.п.) по причине обрыва дуги в плазмотроне или погасания факела на выходе муфеля из-за снижения напряжения на дуге и, как результат, мощности плазмотрона; повышение безопасности работы котла при плазменной растопке (подсветке) благодаря высокой стабильности воспламенения угля в муфеле и горения факела на выходе муфеля; снижение износа электродов плазмотрона в силу того, что не допускается снижение расхода плазмообразующего воздуха в плазмотрон и, тем самым, снижение скорости перемещения приэлектродного пятна дуги по его поверхности. Все это повышает надежность процесса воспламенения угля и работы плазменного оборудования, а в итоге - эффективность процессов растопки котла и подсветки факела.

Изобретение может быть использовано для растопки пылеугольных котлов и подсветки факела в них. Способ растопки котла путем генерирования струи плазмы в плазмотроне, установленном на входе муфеля, вводом этой струи плазмы внутрь муфеля в подаваемый в него поток пылеугольной аэросмеси, воспламенения аэросмеси при взаимодействии с плазменной струей, получения в муфеле топливной смеси в результате частичного горения угольной пыли, подачи этой горящей топливной смеси из муфеля в топку котла с образованием в топке горящего пылеугольного факела. Автоматическим варьированием расхода плазмообразующего воздуха в плазмотрон регулируют напряжение на дуге плазмотрона, поддерживая его в наперед заданных пределах. Изобретение позволяет повысить устойчивость процесса воспламенения угольной аэросмеси и надежность работы элементов системы плазменного воспламенения углей. 1 ил.

Способ растопки котла путем генерирования струи плазмы в плазмотроне, установленном на входе муфеля, вводом этой струи плазмы внутрь муфеля в подаваемый в него поток пылеугольной аэросмеси, воспламенения аэросмеси при взаимодействии с плазменной струей, получения в муфеле топливной смеси в результате частичного горения угольной пыли, подачи этой горящей топливной смеси из муфеля в топку котла с образованием в топке горящего пылеугольного факела, отличающийся тем, что автоматическим варьированием расхода плазмообразующего воздуха в плазмотрон регулируют напряжение на дуге плазмотрона, поддерживая его в наперед заданных пределах.