Уважаемые читатели! Ничто в мире не стоит на месте и, развиваясь и совершенствуясь, все движется вперед, преследуя свою цель. Руководствуясь законами жизни, наша команда пришла к выводу, что час "Х" настал, что привело к кардинальным изменениям в "облике" электронного журнала Зеленая энергетика. Архивные материалы прошлых выпусков остаются для Вас, читатели, в свободном доступе на нашем прежнем ресурсе journal.esco.co.ua Надеемся, что новая подача журнала полюбится и приглянется Вам, друзья. Ведь мы стараемся именно для Вас. С уважением, редакционный коллектив журнала Зеленая энергетика. Read more...
   |   

Опыт применения энергоэффективных технологий на котлах ТЭС и промышленных котельных

И.Ш. Загретдинов,
В.В. Тропин (ОАО «Группа Е4»), г. Москва;
С.И. Сомов, проф., д.х.н. (Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН), г. Екатеринбург;
Л.С. Казаринов, проф., д.т.н. (Южно-Уральский Государственный Университет), г. Челябинск.

Обобщен опыт работ по созданию систем точного регулирования соотношения топливо-воздух в топках котлов на основе твердотельных кислородных сенсоров.

Долгие годы проводимая государственная политика «дешевых» энергоносителей привела к тому, что основная масса эксплуатируемых котлов на ТЭС и промышленных котельных регулируется старыми энергозатратными методами. Сегодня большой практический интерес представляют малозатратные, быстроокупаемые ресурсо- и энергосберегающие мероприятия и технологии, позволяющие существенно снизить потребление топлива и электроэнергии. Мировой опыт показывает, что эффективным способом экономии топлива на котлах является повышение точности регулирования соотношения топливо-воздух, а электроэнергии - применение на насосах и тягодутьевых машинах технологии частотно-регулируемого электропривода, поскольку ими потребляется более 65% вырабатываемой в мире электроэнергии [1-4].

Котлы проектировались более 30 лет назад и в основном оснащены медленнодействующими магнитными кислородомерами и тягодутьевыми машинами (ТДМ) с дроссельным способом регулирования производительности. Испытания котлов Троицкой ГРЭС, Рефтинской ГРЭС, Челябинской ТЭЦ-3, Сургутской ГРЭС-2, Набережночелнинской ТЭЦ показали, что резерв в экономии топлива, связанный с повышением точности регулирования избытка воздуха в топке, составляет 0,3-3%.

 Особенности энергетических котлов как объекта регулирования

Протекающие в топке физико-химические процессы характеризуются большой сложностью, быстротечностью, недостаточной изученностью, предельно высокими температурами. Время пребывания топлива и воздуха в топке не превышает 1,0-2,5 с. Оператор котла физически не способен контролировать и управлять столь быстротечным процессом. Для обеспечения эффективной работы котла с максимальной тепловой эффективностью, независимо от вида сжигаемого топлива и размеров топки, необходимо в темпе процесса контролировать текущее соотношение топливо-воздух в горелках с целью поддержания избытка воздуха в топке (α”m) на оптимальном значении.

Повышенный расход топлива и энергии на котлах обусловлен:

■ нестабильностью зависимости потерь тепла с химическим (q3) и механическим недожогом (q4) и КПД котла (ηкбр) от α”m, т. к. на их характер и оптимальное значение α”mопт существенно влияют неконтролируемые колебания качественного состава топлива (С/Н), его реакционных свойств (скорости горения), колебания температуры атмосферного воздуха, нагрузки котла, присосов, состояния горелок;

■ большой неравномерностью в распределении топлива и воздуха по горелкам;

■ неравномерностью и нестабильностью полей газового состава и, как следствие, низкой представительностью отбираемой на анализ пробы дымовых газов;

■ использованием режимных карт с завышенной подачей воздуха, что приводит к повышенным потерям тепла с уходящими газами (q2) и перерасходу электроэнергии на тягу и дутье;

■ несовершенством применяемых средств контроля и регулирования избытка воздуха в топке и схем авторегулирования (контроль за правильностью соотношения топливо-воздух ведется зачастую по косвенным параметрам: давлению газа и воздуха перед горелкой, цвету пламени, температуре газа, не учитывающих неконтролируемых колебаний качества топлива, колебания температуры атмосферного воздуха. Например, сезонное понижение температуры наружного воздуха на 22 ОС приводит к увеличению избытка воздуха в топке котла на 10%);

■ установленные на котлах ТДМ выбраны с большим запасом по производительности и напору, регулирование производительности осуществляется энергозатратным дроссельным способом (направляющими аппаратами), что приводит к перерасходу электроэнергии на 20-60%.

Чтобы свести к минимуму потери тепла с дымовыми газами, которые на котлах могут достигать 30%, следует свести к минимуму величину избытка воздуха в топке. Уменьшение величины избытка воздуха на 15% (на 1,3% об. О2) повышает КПД котла на 1% [1]. Максимальный КПД котла и оптимальный избыток α”mопт имеют место при таком расходе воздуха на горение, при котором микроконцентрации продуктов химнедожога (СО, Н2, СН4, CnHm) в дымовых газах начинают увеличиваться до значений СО~100-350 ррm, т.е. в точке перегиба кривой q3=f (α”m).

В качестве прямых показателей эффективности сжигания топлива сегодня общеприняты концентрации в дымовых газах свободного кислорода (О2) и моноокиси углерода (СО).

Важное значение имеет задача обеспечения необходимой представительности измерения в контролируемых сечениях средних и локальных концентраций О2, СО, NOX. Причем приоритетное значение имеют локальные значения. При пороговой точности измерения по О2 0,01-0,02% об., ошибка измерения, обусловленная неравномерностью полей газового состава в сечении газохода, как показывает практика, может достигать 200-400%.

Для оценки неравномерности полей газового состава, определения минимального числа и точек контроля состава дымовых газов на каждом котле необходимо исследовать поля газового состава. У каждого котла аэродинамика газовых потоков индивидуальна, с изменением нагрузки и вида топлива она меняется. На характер полей существенно влияют неравномерность распределения топлива и воздуха по горелкам, схема и интенсивность крутки потоков топлива и воздуха в горелках. В ядре факела наблюдаются более высокие температуры и скорости течения химических реакций. Поэтому для центральной части топки характерны пониженная концентрация кислорода и повышенные концентрации продуктов химнедожога. Пристенные области обычно обогащены присосами воздуха.

Минимальная концентрация кислорода и максимальные концентрации продуктов химнедожога наблюдаются на расстоянии 3-4 метров от наружной стенки. В этих условиях зондовые датчики на О2, углубленные в газоход на 1,0-1,2 м, дают завышенные показания на 0,8-1,5% об. О2. С изменением нагрузки и вида топлива характер полей изменяется. Поэтому для определения оптимального числа и мест точек контроля на каждом котле необходимо располагать экспериментальными данными по полю газового состава. В частности, в ходе испытаний при работе котла ТГМ-84Б на газе и мазуте в штатных режимах были зафиксированы дополнительные потери тепла и топлива, достигающие 0,3-2,5%, а потенциал энергосбережения от повышения точности регулирования α”m составляет ~7 млн руб./год.

 Средства оперативного контроля за эффективностью процесса горения

Появление на мировом рынке в шестидесятых годах прошлого века малоинерционных кислородных сенсоров на основе твердого электролита из стабилизированного диоксида циркония произвело революцию в области теплотехники [4]. Твердотельные сенсоры обладают высокой устойчивостью к неблагоприятным факторам окружающей среды: температурам, агрессивным средам, высокой запыленности, механическим нагрузкам. Их отличает высокая селективность и однозначная аналитическая зависимость выходного сигнала (Е, мВ) от О2 в диапазоне от 10-25 до 100% при температуре 600-1800 ОС, малая инерционность и высокая точность измерения, простота, малые габариты и длительный срок службы. Измерение производится непосредственно в среде дымовых газов. Поскольку измерительная ячейка всегда нагрета, наличие в дымовых газах водяных паров не приводит к их конденсации и загрязнению датчика. Уникальность свойств твердого электролита из стабилизированного диоксида циркония обусловила их высокую эффективность применения в энергетике. Они позволили включить в работу автоматику горения на всех котлах, независимо от мощности и вида используемого топлива [4]. Их применение дает экономию топлива до 1-5% на мощных котлах (в малой энергетике от 2,4 до 15%), снижение вредных выбросов в атмосферу. Кислородные циркониевые сенсоры повсеместно устанавливаются на автомобильных двигателях (А-датчики).

В результате сотрудничества с Институтом Высокотемпературной электрохимии УрО РАН отечественные электрохимиические датчики на О2 потенциометрического типа успешно применяются в энергетике на котлах, работающих на природном газе, мазуте и твердом топливе. Более 15 лет кислородные сенсоры успешно эксплуатируются на котлах Троицкой ГРЭС, Челябинских ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3, Аргаяшской ТЭЦ, Кировской ТЭЦ-5, Сызранской ТЭЦ-9, Яйвинской ГРЭС, Иркутской ТЭЦ-6и др., на котлах промышленных котельных ОАО «КХП им. Григоровича», «Челябинский КХП №1», «МАКФЫ», «Равис - птицефабрика Сосновская» и др. Хорошо себя они зарекомендовали в системе контроля локальных значений избытка воздуха котла П-57 блока 500 МВт ст. № 8 Троицкой ГРЭС, работающем на экибастузском угле [3].

На газовом котле ТГМП-204ХЛ блока 800 МВт ст. № 5 Сургутской ГРЭС-2, оснащенном электрохимическими датчиками О2, по поручению НТС Минэнерго выполнены специальные балансовые и динамические испытания. Включение регулятора с малоинерционными кислородными датчиками типа ЭХД-1 позволило уменьшить рабочий избыток воздуха в топке до α”mопт=1,018-1,02 и обеспечить работу котла с ηкбр=93,8-93,9%. Потери тепла q2 снизились на 0,12-0,14%. Вредные выбросы NOX в атмосферу снизились с 500 до 350 мг/м3.

 Многофункциональные микросенсоры

Для массового применения твердоэлектролитных сенсоров для погорелочного регулирования соотношения топливо-воздух на котлах ТЭС, на котлах малой энергетики, вплоть до индивидуальных бытовых отопительных котлов, необходимо резко снизить цену анализаторов и расширить число контролируемых компонентов. Работы по созданию нового поколения многокомпонентных микросенсоров для управления горением интенсивно ведутся в нескольких направлениях, а именно: усовершенствование традиционных потенциометрических сенсоров, разработка и применение амперометрических сенсоров, разработка и применение многофункциональных твердоэлектролитных сенсоров, миниатюризация сенсорных элементов.

Комбинируя в одном устройстве несколько твердоэлектролитных элементов, можно существенно расширить измерительные функции сенсора. Кроме того, единичный твердоэлектролитный элемент может выполнять одновременно несколько измерительных функций. Данные возможности удается в полной мере реализовать именно на твердоэлектролитных элементах. В этом сенсорном устройстве амперометрический элемент дает сигнал, пропорциональный избытку или недостатку кислорода, потенциометрический сигнал несет информацию о горючих компонентах, а сигнал термо-ЭДС, генерируемый неизотермическим твердоэлектролитным элементом, имеет разный знак в окислительных и восстановительных газовых смесях. Из-за малых размеров чувствительного элемента многофункциональные сенсоры превосходят традиционные датчики по устойчивости к термоударам. Конструкция чувствительного элемента позволяет использовать при его изготовлении групповые технологии микроэлектроники, что при больших масштабах производства обеспечивает низкую цену при высокой надежности. Функциональные возможности сенсоров реализуются через аналитические методики, заложенные во вторичном цифровом преобразователе. Это обстоятельство снижает общую стоимость приборов и затраты на их эксплуатацию и одновременно делает данные приборы гораздо более гибким аналитическим инструментом. Наиболее перспективный путь для повышения функциональных возможностей сенсоров, при одновременном значительном снижении их стоимости - это миниатюризация чувствительных элементов. Поскольку эти элементы могут быть реализованы в виде планарных структур на керамических подложках, то их групповое изготовление наиболее просто осуществить методом сеткографии. Этот метод обеспечивает точность геометрических размеров электродов до 10 мкм, что в данном случае вполне приемлемо. Наибольшие возможности для миниатюризации имеются в случае многофункциональных твердоэлектролитных сенсоров, позволяющих одновременно измерять О2, СО, СО2, NOX и др. [5]. 

Литература

1. Energy Efficiency Handbook /Alliance to Save Energy, Council of Industrial Boiler Operators, U.S. DOE Office of Industrial Technologies. -1998. - 64 p.

2. Решение Международного научно-технического семинара РАО «ЕЭС России» по проблемам регулируемого электропривода для электроэнергетики от 25.10.1999.

3. Тропин В.В., Будницкий A.M., НеуйминА.Д. Опыт применения твердоэлектролитических газоанализаторов для контроля и регулирования режима горения. // В кн. «Совершенствование энергетического оборудования ТЭС». - Челябинск, ЮУКИ, 1991.

4. Climate wise Boiler and Steam Efficiency rules. (Pamela Herman, Steven R. Winkelman). Industrial Energy Technology Conference.- Alliance to Save Energy, 1998.

5. Сомов С.И. Способ анализа состава газовых смесей и газоанализатор для его реализации. // Патент на изобретение № 2171468, RU G 01 N 27/12, 27/416, приоритет от 10.04.2000.

6. Тропин В.В., Васильев С.К, Ташлыков П.И. Опыт внедрения энергосберегающих технологий в объединении «СОЮЗПИЩЕПРОМ». Труды V Международного симпозиума «Ресурсоэффективность и энергосбережение», Казань, 1-2 декабря 2004г./Под общей редакцией к.э.н. А.М.Лахомова, д.т.н. Е.В. Мартынова, Л.П. Аблатыповой. Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина, 2005. 748 с.

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Мы в соцсетях:

rss   фейсбук   твиттер   

 
 
Зеленая энергетика
3625997
Сегодня
Вчера
Этот месяц
Всего
3731
10724
125660
3625997

Ваш IP: 54.221.73.186
Server Time: 2017-12-13 09:04:41