Глава шестая НАЛАДКА КОТЛОВ
6.1. ДОСТИЖЕНИЕ НЕОБХОДИМОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ КОТЛОВ
Задача повышения производительности котлов, особенно в случаях, когда для этого необходима замена горелок, тягодутьевых машин или переделка газовоздуховодов, должна ставиться, как правило, при ожидаемом росте нагрузок, а также в случаях, когда при повышении производительности данного котла может быть достигнута заметная экономия топлива за счет более рационального распределения нагрузок (см. гл. 9) или в случаях, когда за счет этого можно существенно упростить эксплуатацию, например обеспечить работу одного котла вместо двух. Повышение производительности котлов сверх расчетной является сложной задачей, проекты реконструкции должны выполняться специализированными конструкторскими бюро, а выполнение работ требует привлечения специализированных монтажных организаций. Котлы типа ДКВр реконструируются на повышение производительности обычно за счет наращивания топочных экранов, что часто требует подъема барабанов и увеличения высоты котла. Дополнительные парообразующие поверхности обычно включают в выносные циклоны. Вопросы реконструкции водогрейных котлов с частичным переводом их на паровой режим, что дает возможность отказаться от установки в котельных дополнительных паровых котлов, подробно рассмотрены в [28]. В рамках наладочных работ по котельным в первую очередь рассматривают возможности повышения производительности котлов до расчетной, поскольку в эксплуатационных условиях котлы иногда работают с более низкой производительностью при общем недостатке производительности котельной. Ограничение производительности котлов в действующих котельных обычно связано с неправильным выбором вспомогательного оборудования — горелок, тягодутьевых машин, экономайзеров. В этих случаях при необходимости повышения производительности котлов следует заменять вспомогательное оборудование. При работе на одном природном газе целесообразно во всех случаях рассмотреть возможность увеличения поверхности нагрева экономайзера. При всех заменах горелочных устройств следует не стадии разработки предложения рассмотреть возможности использования существующих тягодутьевых машин, провести ревизию их состояния и испытания с проверкой давления и подачи, а также оценить возможности повышения частоты вращения с соответствующим повышением мощности электродвигателей. Горелочные устройства всех типов, устанавливаемые на котлах, должны пройти государственные испытания на эффективность их работы. Горелки типа ГМГ, устанавливаемые ранее на котлах типа ДКВР, из-за недостаточной эффективности часто требуется заменять на горелки типа ГМГм. При недостатке тяги и дутья до разработки предложений по замене тягодутьевых машин следует рассмотреть возможности устранения дефектов газовоздушных трактов (см. § 3.4). Расчетная производительность котлов типа ДКВр на газе и мазуте приведена в табл. 6.1. Комплектацию котлов вспомогательным оборудованием см. в гл. 1.
Таблица 6.1. Расчетная производительность котлов типа ДКВр
При повышении производительности котлов возможно ухудшение качества пара, особенно при работе на пониженном давлении. При наличии требований к качеству пара выполняется наладка водно-химического режима котла. Такая наладка при повышении производительности котла необходима для всех котлов с пароперегревателями независимо от наличия требований к качеству пара у потребителей. При влажности пара, не соответствующей требованиям потребителя или норм [11], следует рассмотреть, в частности, вопросы установки внутрибарабанных циклонов [58]. Расчетная производительность водогрейных котлов ПТВМ-30 составляет на газе 46 МВт (40 Гкал/ч), на мазуте — 40 МВт (35 Гкал/ч). Расчетная производительность котлов типов ТВГМ-30, КВ-ГМ и ТВГ не превышает номинальной (цифра в типоразмере, Гкал/ч). При повышении производительности водогрейных котлов (обычно за счет повышения температуры на выходе из котла) должно быть обеспечено требование [9] о недогреве воды на выходе из котла на 30 °С. Для выполнения этого требования давление воды на выходе из котла должно в зависимости от температуры воды на выходе быть не ниже следующих значений:
Приведенные минимальные значения давления исключают кипение воды в трубах при допустимом конструкцией котлов уровне тепловой и гидравлической разверки и во избежание гидравлических ударов должны обеспечиваться даже при кратковременных повышениях температуры воды за котлами. Учитывая также недостаточную надежность работы контуров башенных котлов ПТВМ, для них целесообразно держать давление воды за котлом по возможности на еще более высоком уровне. При повышенной температуре воды за котлом следует также поддерживать расход воды через котел по возможности выше расчетного. Наладка надежной работы котлов при минимальных нагрузках часто бывает необходима после пуска новых котельных, когда теплопотребление строящегося предприятия минимально. Иногда новые котельные работают с минимальными нагрузками в течение многих лет. Кроме того, минимальные нагрузки характерны для летнего времени, когда технологическое теплопотребление предприятия минимально. Вопросы надежного и экономичного теплоснабжения предприятий в летнее время и в первом периоде эксплуатации новой котельной с малыми нагрузками проектными институтами часто не решаются. Наладка котлов на надежную работу при минимальных нагрузках требует тщательной ревизии направляющих аппаратов дымососов и вентиляторов. Необходимо обеспечить полное закрытие всех поворотных лопаток направляющих аппаратов. Для надежного измерения давления воздуха на горелках можно отключить штатные манометры и перевести измерения на ТНЖ. Для улучшения условий регулирования разрежения и давления воздуха при минимальных нагрузках целесообразно зафиксировать в закрытом положении большую часть лопаток направляющих аппаратов дымососов и вентиляторов, оставив в работе 1 – 2 лопатки. Конструкция котлов ПТВМ-30 допускает их работу при минимальных нагрузках на самотяге. При необходимости длительной работы на минимальных нагрузка можно рассмотреть вопрос об уменьшении частоты вращения вентиляторов и дымососов за счет замены электродвигателей на более тихоходные, а для многоскоростных электродвигателей – переключением на меньшие скорости. Определенное значение для надежности работы промышленных паровых котлов имеет давление в барабане. При пониженном по сравнению с расчетным давлении обычно отмечается унос котловой воды с паром и неустойчивый уровень воды в барабане, а при значительном снижении давления возможно понижение надежности работы чугунных экономайзеров. Температура воды за экономайзером должна быть не менее чем на 20 °С ниже температуры кипения воды в котле. Минимальное давление пара в котле по этому условию должно быть не ниже следующих значений:
Для экономайзеров из стальных труб степень подогрева воды в них не ограничивается. При сжигании мазута на трубах котла, имеющих при избыточном давлении в барабане 0,1–0,2 МПа температуру стенки 120 – 140 °С, возможно выпадение сернокислотной росы, что приводит к интенсивной коррозии труб. Кроме того, имеются данные об авариях котлов типа ДКВр из-за нарушения циркуляции при работе с низким давлением и высокими нагрузками. По этим причинам при наладке котельной в необходимых случаях следует решать вопрос о повышении рабочего давления в котлах либо путем включения в работу имеющихся редукционных установок, либо за счет организации рациональной схемы подогрева воды в паровых бойлерах (см. рис. 2.4). Повышение надежности работы водогрейных котлов на мазуте связано с использованием дробеочистки, проведением периодических обмывок, поддержанием необходимой температуры воды на входе в котлы и другими эксплуатационными мерами, рассмотренными в § 3.4. Для паровых котлов с чугунными экономайзерами наиболее тяжелой проблемой при сжигании мазута является постепенный занос наружной поверхности экономайзера отложениями. Иногда отмечается сильная коррозия ребер — почти до трубы. Отложения на трубах конвективных поверхностей нагрева и экономайзеров при хорошем сжигании мазута могут быть светлыми или коричневыми, они растворимы в воде и удаляются при водной обмывке. При неудовлетворительном сжигании мазута отложения имеют черный цвет, становятся маслянистыми, при водной обмывке не удаляются. Для удаления этих отложений предложено [91] использовать следующие составы: воды 750 мл, CuNO3 75 г, NaCl 100 г, (NH4)2 SO4 96 г и воды 700 мл, CuNO3 110 г, NaNO3 100 г и NН4Сl 95 г. Перед употреблением составы нагревают до 80 — 90 ºС. Предложено [90] также использовать раствор пероксида водорода, подогретый до 70 °С. В результате взаимодействия с отложениями образуется легко удаляемая пена, которая имеет нейтральную реакцию. В случаях, когда невозможно доведение оборудования до состояния, отвечающего необходимым требованиям, следует ставить вопрос о его замене, если оно отработало нормативный срок службы. Одной из возможностей повышения надежности котлов является одновременное сжигание газа и мазута. При этом по сравнению с сжиганием одного мазута значительно снижаются коррозия и загрязнение поверхностей нагрева котлов. При определенных соотношениях газа и мазута может оказаться возможной длительная надежная работа котлов без дробеочистки и частой водной обмывки. Совместное сжигание газа и мазута наиболее целесообразно вести таким образом, чтобы в одной части горелок сжигался газ, а в другой части — мазут. При этом на мазуте должны работать нижние горелки, а на газе — верхние. Возможно одновременное совместное сжигание мазута и газа в одной горелке, но при этом и газовая и мазутная части работают с минимальными нагрузками, что обычно нецелесообразно. Регулирование нагрузки котла при совместном сжигании газа и мазута по возможности следует производить изменением подачи газа.
Интенсивность коррозии металла труб зависит от температуры стенки. Пример экспериментально найденной зависимости показателя агрессивности дымовых газов Пк от температуры стенки приведен на рис. 6.1 [29]. Сложная форма кривой связана с тем, что от температуры стенки зависят как скорость химической реакции, так и концентрация серной кислоты в жидкой фазе. Форма этой кривой, абсолютные значения максимумов, а также температура стенки, которой соответствует второй максимум, зависят от качества мазута и условий его сжигания. В частности, с ростом коэффициента избытка воздуха в топке скорость коррозии заметно возрастает. Например, по данным [29], при повышении a с 1,10 до 1,30 скорость коррозии возрастает в 6 раз. По этой причине энергетические котлы переводят на сжигание мазута с предельно низкими избытками воздуха (1,02 – 1,03), позволяющими снизить коррозию до минимума. С уменьшением нагрузки котла агрессивность продуктов сгорания снижается. При организации наладочной работы, направленной на повышение надежности работы котлов на мазуте, целесообразно снять кривые типа рис. 6.1 (например, с помощью зонда, описанного в § 4.4) для существующих условий и затем опробовать различные мероприятия по снижению коррозионной агрессивности — снижение избытка воздуха, совместное сжигание газа и мазута, ввод присадок, сжигание мазута в виде водомазутной эмульсии, увлажнение дутьевого воздуха и др. По кривым типа рис. 6.1 можно подобрать оптимальные условия работы котла при различных температурах наружного воздуха и при соответствующих им температурах сетевой воды по тракту котла. В соответствии с действующими нормами [9] температура воды на выходе из водогрейного котла при сжигании мазута должна поддерживаться постоянной и равной 150 ºС. Для этого при относительно высоких температурах наружного воздуха требуется очень высокая степень рециркуляции воды, которая не всегда может, быть реализована существующими насосами. Поэтому в большинстве случаев при наладке водогрейных котлов на мазуте необходимо подбирать оптимальный режим эксплуатации водогрейных котлов с учетом реальных кривых типа рис. 6.1 и возможностей существующей системы рециркуляции.
6.2. НАЛАДКА РЕЖИМА ГОРЕНИЯ
Выбор оптимального избытка воздуха. Наладка режима горения существующих горелочных устройств прежде всего включает подбор оптимального избытка воздуха. Теоретический состав сухих продуктов сгорания природного газа в зависимости от коэффициента расхода воздуха α приведен на рис. 6.2. При стехиометрическом расходе воздуха (т.е. при a = 1) О2 = 0, СО2 = СО2макс = 11,8 %; СО = 0. При a > 1 в продуктах сгорания появляется избыточный кислород (О2 > 0), а концентрация СО2 падает по сравнению с концентрацией СО2макс. При недостатке воздуха (a < 1) СО2 также меньше CO2макс, но в продуктах сгорания появляется оксид углерода СО. В действительности, однако, полное сгорание топлива при a = 1 не достигается из-за несовершенства процесса смешения в горелках, где часть подаваемого воздуха не участвует в горении. Кроме того, для анализов продукты сгорания отбирают не в конце факела, а в более холодной зоне и картина осложняется присосами воздуха, не участвующего в горении. В продуктах неполного сгорания кроме СО содержится обычно водород Н2, (а иногда и метан СН4) и сажистые частицы. При их образовании выделяется только часть полной теплоты сгорания топлива Qрн поэтому в таких случаях говорят о химическом недожоге. Потеря теплоты топлива равна теплоте сгорания этих веществ. При избыточном количестве воздуха чаще всего достигается полное сгорание топлива, но часть теплоты топлива расходуется на бесполезный нагрев излишнего воздуха. Этот воздух нагревается до температуры факела, затем вместе с продуктами сгорания отдает часть полученной теплоты поверхностям нагрева котла. Таким образом, потеря теплоты за счет излишнего воздуха в конечном счете определяется его подогревом до температуры газов, уходящих из котельной установки. Зависимость основных балансовых потерь q2 и q3 от расхода воздуха на горение приведена на рис. 6.3. В качестве показателя расхода воздуха использовано давление воздуха перед горелками. На графике показано также соответствующее изменение a.
При a>aкр из-за затрат теплоты топлива на подогрев излишнего воздуха до температуры уходящих газов КПД котла медленно падает. При сжигании мазута снижение расхода воздуха до значения, близкого к критическому, обычно приводит к появлению видимого дыма. При сжигании газа появление дыма отмечается обычно только при очень значительном недостатке воздуха (a « aкр). В случаях, когда имеет место интенсивный теплообмен небольшого по объему факела с холодной окружающей поверхностью, из-за относительно низкой температуры в факеле возможно неполное сгорание топлива при больших избытках воздуха. В этих случаях повышение коэффициента избытка воздуха может привести к дальнейшему разбавлению факела воздухом и снижению температуры горения, что ведет к росту химического недожога. Такое явление наиболее характерно для сжигания газа в относительно малых по размеру «холодных» (т. е. полностью экранированных) топках, например в жаровых трубах, в котлах паровозного типа, котлах ВГД, Шухова — Сарафа и т. п. Для исключения переохлаждения факела начальную часть жаровых труб при сжигании газа обычно футеруют. Появление недожога при увеличении избытка воздуха в результате переохлаждения факела наиболее характерно для малых котлов, так как при уменьшении линейного определяющего размера х объем топки и количество находящихся в ней продуктов сгорания уменьшаются пропорционально х3, а площадь поверхности экранированных стен, принимающая участие в теплообмене, уменьшается пропорционально только х2. Для относительно больших топок химический недожог при значительных избытках воздуха возможен практически только при очень низких нагрузках котлов. Для выбора оптимального избытка воздуха при данной нагрузке котла проводят серию опытов с определением а и полноты сгорания. Для промышленных котлов расход воздуха обычно фиксируют по давлению воздуха перед горелками. При наличии на котле воздухоподогревателя удобнее фиксировать расход воздуха по перепаду давления на воздухоподогревателе. Результаты такой серии опытов при одной нагрузке котла представляются на графике типа приведенного на рис. 6.3. Опыты начинают обычно при α, заведомо большем необходимого. При этом обычно можно рассчитывать на практически полное отсутствие химического недожога, что дает возможность определить действительное значение RO2макс для сжигаемого в данной серии опытов газа (или мазута) по формуле (5.15а). При снижении давления воздуха у горелок постепенно снижаются α и q2 т. е. работа котла становится более экономичной. Однако с некоторого момента (критические значения a и рв) в дымовых газах начинают появляться продукты неполного сгорания. При дальнейшем снижении a потери теплоты q3 и сумма q2 + q3 быстро растут. Максимальное значение суммарных потерь q2 + q3 соответствует a < aкр. На рис. 6.3 заштрихован диапазон давлений воздуха, при котором экономичность котла максимальна. Ширину интервала оптимальных давлений воздуха выбирают исходя из возможностей настройки имеющейся системы автоматизации соотношения «топливо — воздух» — обычно 20 — 40 Па (2 — 4 кгс/м2). Для ручной регулировки ширина интервала выбирается исходя из точности отсчета давления по измерительным приборам и по возможностям фиксации регулирующих органов воздуха в заданном положении. Величина Q3 представляет собой потенциальную теплоту неполного сгорания продуктов химического недожога и одинакова по значению по всему газовому тракту котла начиная с участков с температурой ниже 400 — 500 ºС, где уже невозможно догорание. Значение Q2 зависит от степени утилизации теплоты уходящих газов и поэтому Q2 например, за экономайзером значительно ниже, чем Q2 за котлом. В связи с этим наиболее правильно определять минимум суммы q2 + q3 за последними поверхностями нагрева котла.
Выполнение такой серии опытов с точным определением минимума потерь требует использования в котельной хроматографа или другого прибора, обеспечивающего определение концентраций важнейших продуктов неполного сгорания — СО и Н2. При невозможности использования хроматографа значение aкр или pкрв можно найти с применением индикаторных трубок на СО. Постепенно снижая расход воздуха, находят критическое значение pкрв и aкр, при котором по индикаторной трубке отмечаются следы СО. Строить левую часть графиков типа приведенного на рис. 6.3 и определять q3 по индикаторной трубке нецелесообразно из-за недостаточной точности определения СО и невозможности определения Н2. Поэтому результаты целесообразно представлять на упрощенных графиках (рис. 6.4). Действительный интервал значений расхода воздуха, при которых достигается максимальный КПД, по таким измерениям найти невозможно, и рекомендуемый интервал устанавливают обычно с некоторой перестраховкой при расходах воздуха, несколько больших критического значения. Легко видеть, что применение более точных приборов — хроматографов — позволяет выявить и рекомендовать более экономичные режимы работы котлов.
Рис. 6.6. Режимный график Учет влияния температуры дутьевого воздуха. Приведенное в режимном графике на рис. 6.6 давление воздуха перед горелкой Нв, Па, пропорционально динамическому давлению воздуха: Нв = zrw2/2, где z — коэффициент сопротивления; r — плотность воздуха, кг/м3; w — скорость воздуха, м/с. Скорость воздуха можно
представить через расход воздуха G, кг/с, и площадь проходного сечения
горелки F, м2: w = G/(rF). После подстановки этого выражения в формулу для Нв, очевидно, что расход G пропорционален Если в данной котельной температура дутьевого воздуха (непосредственно перед горелкой) существенно различна летом и зимой, то для достижения одинакового расхода воздуха через горелку необходимо поддерживать перед ней различное давление воздуха в зависимости от его плотности. Плотность воздуха обратно пропорциональна его абсолютной температуре, и условием постоянства расхода является равенство отношений Н/Т для всех температур воздуха. Расчетная формула имеет вид Нр/Тр = Ни/Ти, где индексы «р» относятся к расчетному режиму, а «и» — к условиям испытаний. Например, при наладке котла, работающего на мазуте, летом при температуре дутьевого воздуха 313 К (40 °С) было получено оптимальное значение давления воздуха перед горелкой Нив = 1220 Па (124 кгс/м2). Зимой при температуре воздуха перед горелкой 276 К (3 °С) при той же нагрузке котла давление воздуха перед горелкой должно быть равно Нив = 1220 · 276 / 313 = 1076 Па (110 кгс/м2). Аналогичные зависимости имеют место и для сопротивления горелок по газовой стороне. В связи с этим на графиках рис. 6.6 следует указывать температуры газа и воздуха, при которых проводились наладочные работы с тем, чтобы при изменении температур можно было бы выполнить пересчет. При заметных сезонных изменениях температур может вообще оказаться целесообразным представлять результаты наладочных работ в координатах Нг/Тг и Нв/Тв, которые инвариантны по отношению к изменению температуры. При температуре наружного воздуха до 25 °С можно не учитывать зависимости плотности дутьевого воздуха от его влажности, если непосредственно в котельной воздух существенно не увлажняется. Автоматизация соотношения «топливо — воздух». На промышленных котлах она обычно осуществляется путем регулирования подачи воздуха по давлению газа перед горелками. При сжигании мазута иногда используют в качестве импульса механическое перемещение исполнительного механизма регулятора топлива [79]. Система автоматизации поддерживает оптимальное соотношение подачи топлива и воздуха при всех нагрузках котла. При невозможности включения системы поддержание оптимальных режимов горения зависит от добросовестности обслуживающего персонала, и в обычных условиях котлы далеко не всегда работают в оптимальных режимах. Поэтому для практической реализации найденных при наладке оптимальных режимов необходимо одновременно с наладкой горения вести наладку системы автоматизации.
Рис. 6.7. Системы механической связи регулирующих органов газа и воздуха для котла типа ДКВр: a — с непосредственным соединением воздушных заслонок; б — с промежуточным валом: 1 — фронт котла; 2 — газовый коллектор; 3 – заслонки вторичного воздуха у горелок; 4 — регулирующая газовая заслонка; 5 —штатный рычаг привода газовой заслонки; 6 — дополнительный рычаг; 7 — тяга; 8 – рычаг ; 9 — приводной вал; 10 – приводной рычаг; 11—тяга; 12 — рычаг привода воздушной заслонки
Рис. 6.8. Графики настройки системы механической связи
Многие эксплуатируемые в настоящее время котлы оборудованы системами автоматизации, которые практически неработоспособны из-за физического или морального износа. Для них необходимо заказывать проекты и оборудование для автоматизации, что часто требует нескольких лет. В качестве временной меры могут найти применение системы непосредственной механической связи регулирующих органов топлива и воздуха. За рубежом такие устройства традиционно широко используются. Для котлов типа ДКВр такие системы могут быть выполнены в различных исполнениях (рис. 6.7). Схема рис. 6.7, а относительно проще в изготовлении, но изменение расхода воздуха осуществляется на две горелки от одного вала, что несколько усложняет настройку системы. Несколько более сложная система рис. 6.7, б допускает индивидуальную настройку горелок. Принципиальная схема и графики соотношения углов поворота механически связанных рычагов 6 и 8 приведены на рис. 6.8. Через R обозначена длина рычага, через s — угол отклонения рычага от вертикали в крайнем верхнем положении, через d — рабочий угол поворота. Соотношение углов поворота зависит от соотношения длин рычагов. Линия 1 на рис. 6.8, б соответствует условию R1<R2, линия 2 – R1=R2, линия 3 – R1>R2. Отклонения зависимости от прямой можно добиться за счет использования разных исходных углов s. Например, линия 4 на рис. 6.8, в соответствует условию s1<s2, линия 5 — условию s1>s2. За счет использования более сложной схемы с кулисным механизмом [89] можно получить более сложную кривую 6, обеспечивающую, в частности, возможность настройки системы на минимальные нагрузки. При настройке системы регулирования в соответствии с графиками настройки рис. 6.8 необходимо опытным путем подобрать оптимальные размеры рабочих длин рычагов 6 и 9 и исходных углов их поворота, а также подобрать соотношение степени открытия заслонок 3. Необходимо предусмотреть возможность изменения рабочей длины всех рычагов и штанг и фиксации их в заданном положении. Аналогично должна быть предусмотрена возможность поворота и фиксации оси заслонок 3 по отношению к приводу. Для надежной работы штанги 7, соединяющей рычаги, которые движутся в разных плоскостях, на ней должны быть шарниры карданного типа. В схеме рис. 6.7, а при смещении осей заслонок 3 для их соединения также необходимо устанавливать соединения типа карданного вала. Все сочленения должны быть выполнены с минимальными допусками (без люфтов), иначе будет отмечаться заметный гистерезис, т. е. положение воздушной заслонки 3 при одном и том же положении газовой заслонки 4 будет различным в зависимости от направления движения системы — на закрытие или открытие. На рис. 6.9 приведены результаты испытаний котла ДКВр-10 с горелками ГМГ-5,5/7 с механической связью по рис. 6.7, б. Механическая система обеспечивает достаточно низкий коэффициент избытка воздуха (за котлом), близкий к критическим значениям aкр (рис. 6.5). Повышенный уровень a при низких нагрузках был установлен для поддержания положительного давления воздуха перед горелками по условиям работы технологической защиты (систем безопасности), поскольку горелка ГМГ-5,5/7 не обеспечивает избыточного давления воздуха при низких нагрузках. Особенности наладки при сжигании мазута.
Для котлов с
несколькими горелками при их обычном включении с полностью открытыми
запорными органами топлива и воздуха могут отмечаться существенные неравномерности
в распределении топлива и воздуха по горелкам. В этом случае найденное по
изложенной выше методике значение aкр будет определяться фактически условиями работы только
одной наихудшей горелки, в то время как остальные могут работать с избытком
воздуха. За счет подрегулировки горелок можно обычно достичь дальнейшего
снижения aкр и соответствующего повышения экономичности котла. Для
этого постепенно снижают расход воздуха до ркрв, а затем поочередно на всех горелках
снижают расход воздуха с помощью отключающих шиберов до появления продуктов
неполного сгорания, после чего воздушные заслонки горелок устанавливают в
положение минимального открытия, при котором еще нет значительного недожога.
После того как для всех горелок будут найдены оптимальные положения воздушных
заслонок, они фиксируются так, чтобы они имели два положения – «закрыто» для
останова и растопки котла и «открыто» в установленном оптимальном положении
для наиболее характерной для данного котла нагрузки.
Найденные
в процессе опытов коэффициенты избытка воздуха за котлом включают присосы
воздуха в топку и газоходы до места отбора проб.
При сжигании
Присосы зависят от разрежения в газоходе, поэтому разрежение в топке следует поддерживать на минимальном уровне, обеспечивающем отсутствие выбивания газов из верхней части топки, особенно при больших нагрузках. По этой причине нецелесообразно регулирование тяги в топке шибером за котлом, поскольку при этом экономайзер оказывается под значительным разрежением, что ведет к большим присосам воздуха и снижению эффективности экономайзера. При излишне вдвинутых в топку мазутных форсунках возможен проход части дутьевого воздуха из амбразуры горелки помимо конуса распыленного топлива; этот воздух или его часть в горении может не участвовать. Кроме того, излишне выдвинутая в топку головка форсунки перегревается, что ведет к ее быстрому коксованию и выходу из строя. Если же форсунка установлена слишком глубоко в амбразуре, то конус факела может касаться поверхности амбразуры, что приведет к образованию в ней наростов кокса и явному ухудшению горения. Образование коксовых наростов в амбразуре возможно и при неправильной форме амбразур — овальности, наличии выгоревших мест, уступов, отличия конусности от рекомендованной и т. п. Часто имеет место установка форсунок со смещением от оси амбразур, что также может вести к их коксованию и ухудшению горения. При работе на газе форма и состояние амбразур также сказываются на aкр. При подборе оптимального избытка воздуха следует также обратить внимание на возможность поступления воздуха в топку через неработающие горелки из-за неплотности отключающих устройств, неправильной установки указателей их положения и т. п. В связи с этим наладка режимов горения топлива на действующих котлах требует в большинстве случаев не только подбора оптимальных режимов, но и ремонта и переделок амбразур, отключающих устройств горелок, правильного выбора и установки форсунок. При наладке котлов на мазуте необходимо обращать особое внимание на качество работы форсунок, давление и температуру мазута, качество его очистки от твердых примесей, засоряющих форсунки. Размер ячейки фильтра тонкой очистки, мазута для форсунок с диаметром сопла меньше 2,5 мм должен быть 0,5 × 0,5 мм, больше 2,5 мм – 1 × 1 мм. Рекомендуемая температура подогрева мазута зависит от типа форсунок и марки мазута:
Пределы снижения избыточного давления мазута для механических форсунок устанавливаются при наладке. Проектные значения: для форсунок производительностью до 500 кг/ч — 0,7 МПа, от 500 до 800 кг/ч — 0,8 МПа, более 1500 кг/ч — 1,0 МПа. Паромеханические форсунки должны обеспечивать надежную работу в диапазоне производительности от 10 до 100% номинальной. Паровые форсунки в паровых котлах наиболее рационально использовать с насадками, обеспечивающими увеличение угла разноса факела и уменьшение его длины. Недопустимо, однако, касание мазутным факелом экранных труб. Давление первичного воздуха при работе на мазуте обычно не регулируют и поддерживают максимально возможным при всех нагрузках. Давление мазута перед форсунками при отсутствии или неустойчивой работе клапана на линии рециркуляции мазута из котельной может самопроизвольно меняться, что сильно усложняет, в частности, испытания котлов на мазуте. Поэтому при подготовке наладочных работ необходимо обратить особое внимание на регулирование давления в главной мазутной магистрали котельной. Важнейшей частью наладки котла на мазуте является проверка форсунок. При сборке необходимо тщательно осматривать форсунки с целью проверки чистоты поверхностей, отсутствия забоин, кокса и грязи; детали форсунок даже с незначительными дефектами к сборке не допускаются.
Подбор форсунок по производительности должен обеспечить их работу в пределах рабочего диапазона при характерных нагрузках данного котла. При необходимости уменьшения производительности форсунок не следует уменьшать диаметр одного выходного сопла, это ведет к ухудшению качества распыла. Необходимо в соответствии с чертежом форсунки меньшей производительности уменьшать также сечение тангенциальных каналов завихрителя или их количество. В принципе возможно также снять часть толщины штатного завихрителя до необходимого уменьшения общего проходного сечения тангенциальных каналов. Вообще же обеспечить требуемое качество изготовления шайб форсунок на неспециализированных предприятиях удается редко, и целесообразно заказать необходимые типоразмеры серийно выпускаемых форсунок. Для контроля производительности и качества распыла форсунок необходимо иметь в котельной специальный стенд (рис. 6.10), к которому подводят воду из питательной линии паровых котлов или сетевую воду, если ее давление достаточно для проверки форсунок. Для проверки паровых или паромеханических форсунок к стенду подводят сжатый воздух. Все трубопроводы выполняют обычно из труб диаметром 20 мм, и для измерительной диафрагмы приходится делать вставку из трубы диаметром 50 мм (минимальной для стандартных диафрагм по [3]) либо, как показано на рис. 6.10, делают диафрагму диаметром 20 мм и тарируют ее с помощью мерного бака. При проверке комплекта форсунок на стенде следует: проверять качество распыливания: конус распыленной воды должен иметь мелкодисперсную структуру без заметных отдельных капель, сплошных струй и легко различимых местных сгущений, полос; проверять угол раскрытия факела: этот угол не должен отклоняться от паспортных данных более чем на 5°; проверять разницу в номинальной производительности отдельных форсунок в комплекте; в случае отличия давления воды во время тарировки от действительного давления мазута расчетные характеристики форсунок должны быть пересчитаны на действительное давление. После проверки на стенде форсунки следует снабдить бирками с указанием производительности и диаметра распылителя. Запасные форсунки должны храниться на специально оборудованном стеллаже. Срок службы форсунок на работающем котле зависит от места установки головки форсунки в амбразуре, от качества изготовления и сборки элементов, условий фильтрации топлива и т. п. При работе котла и его наладке необходимо постоянно контролировать качество распыливания топлива, следить за отсутствием в факеле дымных полос и летящих искр. В случаях, когда при оптимальной по условиям горения длине штанги форсунки ее головка перегревается и коксуется, иногда целесообразно приварить к штанге ребро высотой 100 мм, которое уменьшит крутку воздуха в районе головки и обеспечит подвод к ней дутьевого воздуха для охлаждения.
6.3. СНИЖЕНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ
При горении углеводородных топлив в продуктах сгорания содержатся помимо практически безвредных диоксида углерода СО2 и водяного пара Н2О также токсичные вещества: оксид углерода СО, оксиды серы SO2 и SO3, оксиды азота NO и NO2, летучая зола, сажеобразные вещества, а также канцерогенные углеводороды. Оксид углерода СО образуется при неполном сгорании топлива, и при оптимальных режимах горения его концентрация в продуктах сгорания минимальна, но тем не менее составляет 50 — 350 миллионных частей по объему, т. е. 0,005 — 0,035%. Оксиды азота представляют собой смесь NO2 и NO, и их обычно не разделяют, обозначая NOX. Они образуются двумя путями — окислением химически связанного азота, входящего в состав горючей массы топлива, и частичным окислением азота воздуха, участвующего в горении. В природном газе связанный азот практически отсутствует, и топливная составляющая в NOX равна нулю. В мазуте содержание азота невелико, и при сжигании мазута содержание NOX значительно меньше, чем при сжигании угля. Количество образующихся оксидов азота возрастает с ростом температуры факела, концентрации свободного кислорода и времени пребывания реагирующих компонентов в зоне высоких температур. Эти факторы всегда взаимосвязаны, и предсказать заранее влияние различных мероприятий на выход оксидов азота не всегда возможно. Образование NOх, при сжигании природного газа и мазута зависит от мощности котлов (чем больше котлы, тем больше NOх) и условий сжигания. Диоксид серы SO2 образуется при горении содержащейся в топливе серы. Очень небольшая часть серы сгорает в SO3, но именно эта часть определяет коррозию поверхностей нагрева котлов. Для оценки вредных выбросов SO2 и SO3 обычно не разделяют. Некоторое количество оксидов серы может связываться основными оксидами, образующими минеральную часть топлива. Сажеобразные вещества образуются при неполном сгорании топлива. При наличии в топливе серы образующийся при ее сгорании триоксид серы SO3 конденсируется в серную кислоту при температуре ниже 140 °С и может склеивать частицы сажи в большие хлопья, которые могут заметно загрязнять окружающую территорию. Летучая зола представляет собой минеральную часть топлива (мазута) и содержит оксиды ванадия, которые в промышленных котлах практически не опасны для самих котлов, но в виде выбросов в атмосферу токсичны, как и все соединения тяжелых металлов. Из канцерогенных веществ в продуктах сгорания газа и мазута и природного газа главным является тяжелый углеводород бенз(а)пирен C20N12, который может являться составной частью сажи. Оптимальными температурными условиями образования бенз(а)пирена при пиролитических реакциях считаются 700 — 800 °С. Чем полнее осуществляется процесс горения, тем меньше содержание бенз(а)пирена. При исследовании работы паровых котлов на мазуте [60] содержание бенз(а)пирена, мкг/100 м3 продуктов сгорания, колебалось от 5 до 90, а при работе на природное газе — от 1 до 3. Образование бенз(а)пирена уменьшается с увеличением нагрузки котлов. Для уменьшения вредного воздействия бенз(а)-пирена необходимо сжигать топливо с минимальным образованием оксидов азота и серы, так как наличие их в продуктах сгорания усиливает воздействие бенз(а)пирена. Своеобразным индикатором наличия бенз(а)пирена в продуктах сгорания является сажа. Нормативные методики расчета выбросов вредных веществ в атмосферу [55, 56] предусматривают расчет выброса СО, SO2, твердых частиц, оксидов азота и ванадия. Результаты этих расчетов используются для выбора высоты дымовых труб, определения концентраций вредностей в приземном слое, для установления норм предельно допустимых выбросов в атмосферу. Количество выбросов оксида углерода СО следует определять по результатам непосредственных измерений концентрации СО, выполняемых как в режиме «фотографий», так и в рекомендуемых режимах. Целесообразно также выполнять непосредственные измерения концентрации NOХ,. Методики измерений аналогичны обычно используемым в санитарной химии при наладке вентиляции. Режимные мероприятия по снижению выбросов. Прежде всего следует рассмотреть возможности изменения коэффициента избытка воздуха. На рис. 6.11 представлена зависимость концентрации оксидов азота в продуктах сгорания котла ДКВр-10 с горелками ГМГ-5,5/7 от коэффициента избытка воздуха при разных нагрузках [38]. Установлено, что значение коэффициента избытка воздуха в топке, соответствующее максимальному образованию NOX, зависит от типа горелок, и необходимо выявлять зависимость типа показанной на рис. 6.11 для условий работы каждого котла путем непосредственных измерений. Выявление такого рода зависимости и соответствующая корректировка режимных карт и систем автоматизации горения на режим со сниженным выбросом NOХ, при минимальном снижении экономичности котла может являться одним из наиболее простых режимных мероприятий по снижению выбросов NOХ. ![]() Из простых режимных мероприятий можно рекомендовать также подачу непосредственно в факел паpa или распыленной воды. При этом ожидаемая концентрация NOх, уменьшится пропорционально коэффициенту g, определяемому по формуле [57] g = 1 – gGвп / Dп, где Gвп — расход воды или пара, кг/с; g = 50 при подаче воды (Gвп/Dп £ 0,006) в центральный воздушный канал горелок, g = 10 при подаче воды или пара (Gвп/Dп £ 0,02) в воздух перед горелками; Dп — номинальная паропроизводительность котла, кг/с. В общем случае подача пара
в зону горения
К режимным мероприятиям можно отнести также рециркуляцию дымовых газов. Для этого часть продуктов сгорания подают в корень факела. Следует отметить, что наиболее простой путь — подача части продуктов сгорания из напорного патрубка дымососа на всасывающий патрубок дутьевого вентилятора — не всегда возможен по санитарным соображениям. Это связано с тем, что продукты сгорания, содержащие токсичные компоненты, будут подмешиваться к дутьевому воздуху, каналы для которого по типовым проектам паровых котельных выполняют обычно в бетонном полу. Гарантировать их герметичность нельзя, и возможно попадание продуктов сгорания из этих воздушных каналов в помещение котельной. Поэтому для осуществления рециркуляции в паровых котельных необходимо либо надежно уплотнять бетонные воздуховоды (внутренней металлической обшивкой, например), либо устанавливать отдельный дымосос рециркуляции и вести отдельные газоходы к горелкам. При рециркуляции до 30% дымовых газов можно обеспечить снижение выбросов NOХ на 30 — 40% при номинальной нагрузке. При частичных нагрузках котла это снижение будет меньше. На крупных энергетических котлах опробовано и широко внедряется снижение выбросов оксидов азота за счет двухступенчатого сжигания топлива. Топливо в основных горелках сжигается с недостатком воздуха, и полученные продукты неполного сгорания затем дожигаются за счет подачи дополнительного воздуха в зону над основными горелками. При подаче 20% воздуха помимо основных горелок возможно снижение выхода NOХ, на 40%. Следует иметь в виду, что все режимные мероприятия по снижению выхода NOХ ведут, как правило, к некоторому снижению экономичности котлов. Сжигание водомазутных эмульсий является эффективным средством снижения вредных выбросов в атмосферу. Для относительно небольших котельных при недостаточно эффективном сжигании мазута таким путем можно достигнуть и повышения экономичности. При сжигании водомазутной эмульсии достигается заметное улучшение сгорания мазута. Выходящие из форсунки капли эмульсии в факеле быстро нагреваются, содержащаяся в них вода вскипает и испаряется, что ведет в взрыву капли и дроблению ее на мельчайшие частицы мазута, которые мгновенно сгорают. Содержание сажи в продуктах сгорания резко падает. Полное сгорание водомазутной эмульсии достигается при меньшем избытке воздуха, чем сгорание мазута, а снижение сажеобразования позволяет улучшить условия работы хвостовых поверхностей нагрева котлов. Большое значение имеет качество перемешивания воды и мазута; следует исключить возможность существования крупных капель воды. Чем лучше качество перемешивания воды и мазута, тем меньше воды в эмульсии необходимо для получения того же эффекта улучшения горения. Приготовление эмульсии осуществляется в специальных устройствах, в которых достигается тщательное перемешивание смеси. Используются ультразвуковые устройства, различные струйные смесители и механические устройства с кавитацией. В качестве водного компонента эмульсии могут использоваться нефтесодержащие сточные воды. Имеющийся опыт сжигания водомазутной эмульсии на энергетическом котле производительностью 200 т/ч дал положительные результаты [78]. Приготовление эмульсии осуществлялось в многоступенчатых (22 ступени) центробежных насосах-эмульгаторах. Установлено, что с увеличением влажности эмульсии содержание NOХ экспоненциально уменьшается с 300 — 400 до 120 — 220 мг/м3 до влажности 20%, после чего уменьшение NOХ прекращается. Верхние значения относятся к большим нагрузкам и коэффициентам избытка воздуха. Одновременно с увеличением влажности водомазутной эмульсии от 0 до 20% содержание сажистых частиц в дымовых газах экспоненциально уменьшается со 120 до 20 — 30 мг/м3. Значительное уменьшение сажеобразования при сжигании эмульсии указывает на возможность уменьшения выброса также канцерогенных веществ, и в первую очередь бенз(а)пирена. Основную роль в уменьшении образования NOХ при сжигании водомазутных эмульсий играют снижение уровня максимальных температур и повышение температурной однородности факела. Снижение сажеобразования является следствием улучшения процессов распыливания и смешения с воздухом, вызываемых эффектом микровзрывов капель эмульсии. В результате этого, в частности, возможно существенное снижение коэффициента избытка воздуха, что свидетельствует и о снижении образования серного ангидрида SO3, определяющего коррозию поверхностей нагрева котлов. Перерасход топлива на дополнительное испарение воды, содержащейся в эмульсии, во многих случаях может быть перекрыт экономическим эффектом от утилизации нефтесодержащих сточных вод и от снижения вредных выбросов в атмосферу. Аналогичные результаты получены при сжигании водомазутной эмульсии в котле производительностью 75 т/ч [37]. При сжигании мазута в продуктах сгорания содержалось 50 мг/м3 сажи, а при сжигании водомазутной эмульсии с влажностью 8% содержание сажи снизилось до 15 мг/м3. При влажности эмульсии до 22% концентрация NOX снизилась по сравнению с работой котла на мазуте на 30–35%, концентрация бенз(а)пирена — на 70%. Экономический эффект за счет снижения затрат в народном хозяйстве на компенсацию последствий загрязнения воздушного бассейна выбросами значительно превысил перерасход топлива на испарение влаги из водомазутной эмульсии. Для мелких котлов, где сжигание мазута осуществляется обычно с заметным сажеобразованием, использование водомазутной эмульсии часто дает и экономический эффект. Опыт использования водомазутной эмульсии для отопительных котлов описан в [31]. Приготовление эмульсии осуществлялось путем подачи мазута и воды в емкость через перфорированные коллекторы с последующей циркуляцией смеси по замкнутому контуру. Для хорошего распределения воды в топливе оказалась достаточной трехкратная циркуляция смеси. При сжигании эмульсии с влажностью 10 — 12% сократилась длина факела, повысилась его светимость, резко снизился шум. Коэффициент избытка воздуха в топке удалось уменьшить с 1,25 – 1,32 до 1,05 – 1,07, температура уходящих газов была снижена с 280 до 180—190 °С. химический недожог отсутствовал. За счет этого достигнуто повышение КПД котлов. Выход оксидов азота снижался с увеличением влажности эмульсии по линейной зависимости. При влажности 10% содержание NОХ в продуктах сгорания сократилось на 34, сажи и СО – на 50%. Аналогичные результаты получены для котлов тепловой мощностью от 0,25 до 20 МВт при сжигании водомазутной эмульсии, полученной в струйных смесителях [93]. Число Бахараха снижалось при сжигании эмульсии с 7 — 9 до 1—2. температура уходящих газов снижалась на 10 — 30 °С. Максимальное повышение КПД достигалось в мелких котлах, где сжигание мазута обычно неудовлетворительно. В [75] описан опыт сжигания водомазутной эмульсии, приготовленной шестеренчатыми насосами путем рециркуляции. В результате достигнута работа котлов ТЭЦ сахарного завода без химического недожога с a = 1,05÷1,1, исключено оседание сажи на поверхностях нагрева. После работы котлов на водомазутной эмульсии в течение сезона сахароварения (4 мес) на поверхностях нагрева топки и газоходов не было обнаружено отложений. Увлажнение дутьевого воздуха. Установлено, что ввод в дутьевой воздух влаги в любом виде (водяной пар, вода, пароводяная смесь) приводит к улучшению горения газа и мазута и сокращает выброс оксидов азота. На крупном энергетическом котле достигнуто снижение выбросов NОХ, на 20 — 25% при вводе в тракт горячего воздуха влаги в количестве 1,5 — 2% номинальной производительности котла [33]. Такие же результаты получены в [30]. Подача воды через специальные диспергаторы в количестве 6 — 8% расхода топлива обеспечивала снижение выбросов NOХ на 30%. Дополнительные потери теплоты от ввода в топку воды не превышали 0,5%. За рубежом начали находить применение увлажнители воздуха с минимальным расходом воды. Увлажнитель воздуха Vapormid [92] представляет собой небольшой закрытый сосуд, частично заполненный водой с тонкой масляной пленкой. Воздух вводится в сосуд, барботирует через воду и поступает в горелку. Для ротационных и мощных (более 2 МВт) горелок разработаны более сложные устройства. Предполагается, что молекулы воды в пламени расщепляются на атомарный водород и гидроксил, которые конвертируют кислород воздуха в активный атомарный, что обеспечивает повышение эффективности горения. Практический эффект установки увлажнителя был очевиден и выражался в более чистом и горячем пламени. Отмечалось уменьшение загрязнения поверхностей нагрева и снижение коэффициента избытка воздуха и выброса сажи, а также выгорание накопившихся ранее углеводородных отложений на поверхностях нагрева. Имеются предложения использовать для увлажнения дутьевого воздуха выпар деаэратора, который можно подавать непосредственно на вход дутьевого вентилятора. |
|