Analiza możliwości obniżenia minimum technicznego kotłów parowych na podstawie przeprowadzonych badań

Drukuj PDF

Autor

Kazimierz Zamorowski
„ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.
Zakład Techniki Cieplnej

W związku ze zmiennym zapotrzebowaniem rynku na ciepło może wystąpić potrzeba obniżenia wydajności minimalnej kotłów w elektrociepłowniach. Obniżenie dotychczasowego minimum technicznego kotłów ułatwia dostosowanie ich wydajności do aktualnych, często zmniejszonych potrzeb sieci ciepłowniczej. Obniżenie minimalnej wydajności kotła wiąże się jednak ze zmianą wielu aspektów pracy kotła, jego urządzeń pomocniczych oraz urządzeń i instalacji z nim współpracujących. W celu zbadania tych aspektów konieczne jest przeprowadzenie analizy możliwości obniżenia minimum technicznego kotła.

Analiza powinna obejmować następujące warunki i zagadnienia: zachowanie bezpieczeństwa pracy części ciśnieniowej kotła, zachowanie stabilności spalania w komorze paleniskowej, zachowanie niezbędnych parametrów pracy, dostosowanie zakresu regulacyjności urządzeń pomocniczych oraz współpracujących instalacji. W artykule omówiono wyżej wymienione aspekty obniżania minimum technicznego kotłów na podstawie wyników badań i analiz wykonanych przez ENERGOPOMIAR w tym zakresie, w szczególności kotłów OP-230, OP-140 i OP-430 [1−5].

Zachowanie bezpieczeństwa pracy części ciśnieniowej kotła

W kotłach z naturalnym obiegiem czynnika roboczego w parowniku woda z walczaka spływa rurami opadowymi usytuowanymi najczęściej poza komorą paleniskową do komór zbiorczych, z których rurami wznoszącymi (ekranowymi) przepływa do walczaka. Ruch czynnika w parowniku, nazywany obiegiem lub cyrkulacją, odbywa się na skutek różnicy ciężarów właściwych wody w rurach opadowych i mieszaniny parowo-wodnej w ogrzewanych rurach ekranowych, przejmujących ciepło z komory paleniskowej. Obniżenie wydajności skutkuje obniżeniem obciążenia cieplnego komory paleniskowej, a co za tym idzie zmniejszeniem prędkości przepływu wody w rurach ekranowych. Pogarsza to warunki wytwarzające naturalną cyrkulację czynnika w parowniku. Cyrkulacja czynnika jest warunkiem niezbędnym do zapewnienia bezpiecznej pracy części ciśnieniowej kotła. Cyrkulująca mieszanina wody i pary w parowniku oraz przepływająca przez przegrzewacze para odbiera ciepło od spalin i jednocześnie chłodzi rury ekranowe i wężownice przegrzewaczy nie dopuszczając do ich przegrzania i zniszczenia. Dlatego istotne jest, aby przy obniżaniu wydajności kotła zachować bezpieczną prędkość minimalną przepływu w rurach ekranowych. 

Teoretyczne zależności dotyczące powstawania cyrkulacji czynnika roboczego w parowniku jako kryterium bezpiecznej pracy części ciśnieniowej kotła zostały szerzej omówione w artykule [1]. Przedstawiono w nim również przeprowadzone badania kotła OP-230, metodykę pomiarową oraz uzyskane wyniki pomiarów prędkości przepływu wody w rurach ekranowych w czasie prób, temperatury metalu rur ekranowych i przegrzewaczy pary a także krotność obiegu oraz wnioski. Jednym ze sposobów umożliwiających zwiększenie prędkości przepływu wody w parowniku (poprawy cyrkulacji) jest obniżenie ciśnienia czynnika roboczego. Obniżenie ciśnienia wody zasilającej przy niskim obciążeniu kotła wpływa na zwiększenie udziału ciepła potrzebnego na odparowanie, co wynika z własności termodynamicznych pary wodnej. Zatem obniżenie ciśnienia wody zasilającej przy niskim obciążeniu wymusza większe obciążenie cieplne parownika i co za tym idzie − zwiększa prędkość przepływu wody w ekranach. Powyższe przedstawiono na rysunku 1, jako zależność średniej prędkości przepływu wody w rurach ekranowych w funkcji ciśnienia pary przy 50% obciążenia kotła OP-230 [1]. Obniżenie ciśnienia pary w badanym przypadku z 13,5 MPa do 10,0 MPa przyczyniło się do wzrostu średniej prędkości z 0,88 m/s do 1,02 m/s. W celu zachowania bezpiecznych warunków pracy części ciśnieniowej kotła przy obniżaniu minimum, należy wyznaczyć krzywą bezpiecznej cyrkulacji czynnika woda-para w parowniku, to jest zależność ciśnienia od wydajności kotła i utrzymywać punkt pracy na bezpiecznym polu, to jest poniżej krzywej. Na rysunku 2 pokazano przykładową zależność ciśnienia pary w walczaku od wydajności dla zachowania bezpiecznej cyrkulacji kotła OP-430 [5]. 

Zachowanie stabilności spalania w komorze paleniskowej

O stabilności spalania w komorze paleniskowej, będącej warunkiem niezbędnym przy obniżonym minimum, decydują następujące główne czynniki: 

  • cechy konstrukcyjne układu paleniskowego kotła, w tym palników pyłowych, 
  • obciążenie cieplne pasa palnikowego komory paleniskowej oraz utrzymujące się temperatury spalin w tym rejonie, parametry spalanego paliwa, to jest wartość opałowa,
  • zawartość części lotnych oraz zawartość wilgoci i popiołu,
  • sposób eksploatacji. 

Obsługa kotła posiada jedynie wpływ na sposób eksploatacji – wybór układu pracujących młynów i sposobu prowadzenia pracy młynów, nadmiar powietrza za komorą paleniskową (zawartość tlenu w spalinach) oraz rozpływ powietrza pierwotnego, wtórnego oraz dopalającego do komory paleniskowej. W ograniczonym zakresie obsługa wpływa na parametry spalanego paliwa poprzez możliwości jego wyboru. O stabilności spalania, oprócz bezpośrednich obserwacji pracy układu paleniskowego i ewentualnych pulsacji płomienia w komorze paleniskowej, świadczą następujące parametry: podciśnienie spalin w komorze paleniskowej, różnica podciśnienia spalin w komorze (góra-dół), jasność płomienia kontrolowana przez czujniki lub fotokomórki. Przy obniżonym minimum, kiedy to należy szczególnie nadzorować stabilność spalania, obsługa kotła zwykle posiada do dyspozycji kontroli stabilności spalania wyżej wymienione możliwości. Ponadto nadzór nad stabilnością spalania spełnia również układ zabezpieczeń kotła. Do układu zabezpieczeń od zaniku płomienia wchodzą zazwyczaj wielkości: sygnał jasności płomienia zwykle z trzech czujników (fotokomórek), różnica ciśnień w komorze paleniskowej góra-dół (np. Δp większe niż 120 Pa). 
Zabezpieczenie od zaniku płomienia wyłącza kocioł z ruchu po określonym czasie, np. po 3 s, jeśli w tym czasie pojawią się jednocześnie sygnały z dwóch fotokomórek oraz zostanie przekroczona wartość bezpieczna Δp. 

Do układu zabezpieczeń kotła mogą wchodzić ponadto następujące wielkości, działające w określonych warunkach: 

  • minimalny przepływ powietrza do kotła, jeśli jest mniejszy od wartości minimalnej, 
  • temperatura mieszaniny pyłowo-powietrznej za młynami – jeśli jest mniejsza od wartości minimalnej lub większa od wartości maksymalnej, 
  • ciśnienie spalin w komorze paleniskowej, jeśli nie mieści się w bezpiecznym zakresie, 
  • temperatura spalin, jeśli nie mieści się w bezpiecznym zakresie. 

Stabilność spalania badanych kotłów OP-140 i OP-430 [3−5] oceniono na podstawie bezpośrednich obserwacji płomienia w komorze paleniskowej, rejestracji podciśnienia spalin u góry komory paleniskowej i wskazań czujników jasności płomienia. Wyniki uzyskane przy obniżonym minimum porównano do wielkości otrzymanych przy dotychczasowym minimum. Z przeprowadzonej analizy wynikało, że przy najniższych badanych wydajnościach stabilność spalania badanych kotłów była wystarczająca. Na rysunku 3 podano przykłady dotyczące stabilności spalania dla kotła OP-430 współpracującego z instalacją odsiarczania spalin (IOS). Przedstawiono przebieg podciśnienia spalin podczas dwóch wybranych prób (próba nr 1 przy dotychczasowym minimum 250 t/h oraz próba nr 3 przy obciążeniu 205 t/h). Amplitudy wahań podciśnienia spalin u góry komory paleniskowej w poszczególnych próbach podczas obniżania minimum były do siebie zbliżone i utrzymywały się w zakresie 10−30 Pa. Jasność płomienia oceniano na podstawie wskazań wszystkich trzech fotokomórek zabudowanych na ścianie lewej, prawej i przedniej komory paleniskowej. Wskazania jasności płomienia były stabilne podczas prób i nie wykazywały zaniku płomienia zarówno przy dotychczasowym minimum, jak i obniżonym, a ich wartość utrzymywała się w zakresie 87−77%. Bezpośrednie obserwacje spalania w komorze paleniskowej również potwierdziły, że spalanie było stabilne i nie zaobserwowano dużych pulsacji płomienia. Reasumując, spalanie we wszystkich próbach było stabilne, a sygnały wchodzące do układu zabezpieczeń od zaniku płomienia kotła nie zostały pobudzone.

Przeczytaj pełny tekst w Biuletynie Naukowo-Technicznym ENERGOPOMIARU, który ukazał się w miesięczniku „Energetyka" - czytaj