Реконструкция парогенератора БКЗ-220-110 Жезказганской ТЭЦ ТОО «Kazakhmys Energy»
Мешков А.С.1, Жабалова Г.Г.2, Онищенко О.Н.3, *, Леликова О.Н.4, Камарова С.Н.5
1 Отдел развития котлостроения ТОО «Корпорация КазЭнергоМаш», Темиртау, Казахстан;
2, 3, 4, 5 Карагандинский государственный индустриальный университет, Темиртау, Казахстан
Аннотация. В статье рассматривается возможность реконструкции парогенератора БКЗ-220-110 Жезказганской ТЭЦ, на которой после демонтажа ширмового пароперегревателя, а также части первой ступени конвективного пароперегревателя возникли серьезные проблемы с обеспечением температурного режима третьей и четвертой ступеней пароперегревателя. Для решения возникших проблем предлагается реконструкция, которая позволит повысить паропроизводительность до 240 т/ч, используя в качестве топлива борлинский каменный уголь, увеличить надежность работы котлоагрегата и снизить выбросы NOx до величины менее 470 мг/нм3, при б=1,4.
Ключевые слова: тепловая электростанция, котлоагрегат, система сопел верхнего и нижнего дутья, пылеугольные и растопочные горелки.
На сегодняшний день в Республике Казахстан действуют 40 ТЭЦ, построенных, в основном, в 60ч80-е годы прошлого столетия с установленной электрической мощностью ~7053 МВт, располагаемой электрической мощностью ~ 5873 МВт [1]. Системы централизованного теплоснабжения на базе ТЭЦ получили наибольшее развитие в Северной зоне Казахстана - 64% от суммарной располагаемой тепловой мощности ТЭЦ Республики Казахстан, в Южной зоне тепловая мощность составляет 19%, в Западной - 17%. Основное топливо для казахстанских ТЭЦ - это: уголь ~ 80%; природный газ ~ 15%; мазут ~ 5% [2]. Ключевой проблемой для всех действующих ТЭЦ является моральный и физический износ основных фондов во всех звеньях системы. Падение спроса на тепловую энергию привело к уменьшению доли выработки электроэнергии на тепловом потреблении, к снижению эффекта комбинированной выработки тепла и электроэнергии и, соответственно, к ухудшению технико-экономических показателей и росту себестоимости производства тепла и электроэнергии. Возможность замены существующего оборудования новым с соблюдением требований по повышению эффективности ограничивается размерами ячеек установленного устаревшего оборудования, осложняется большой стесненностью площадок, поэтому одним из вариантов решения этой проблемы является модернизация существующего оборудования на действующих ТЭЦ [3].
Теплофикационное оборудование Жезказганской ТЭЦ обеспечивает тепловой энергией городские тепловые сети города Жезказган, Жезказганский медеплавильный завод ТОО «Казахмыс Смэлтинг» и Жезказганский горно-металлургический комбинат им. К. И. Сатпаева [4].
На ТЭЦ установлены и находятся в эксплуатации 8 паровых энергетических котлов высокого давления, в том числе: ст. № 4ч7 типа ТП-10, ст. № 8 и 9 типа ТП-13Б Таганрогского котельного завода (ТКЗ), ст. № 10 и11 типа БКЗ-220-100 Барнаульского котельного завода (БКЗ). Номинальная паропроизводительность каждого парового котла - 220 т/ч, расчётные параметры перегретого пара 100 кгс/см2 и 540 оС, но фактически, номинальная температура перегретого пара за котлами снижена до 520 оС [5].
Котел БКЗ-220-100-9 ст.№11 Жезказганской ТЭЦ проектировался на сжигание Куу-Чекинского каменного угля со средними характеристиками: . После замены проектного топлива на каменный уголь Борлинского месторождения повысилась температура дымовых газов на выходе из топки и, соответственно, увеличилось тепловосприятие пароперегревателя, в результате чего, температура перегретого пара превысила предельно допустимую. Для устранения этой проблемы станцией было принято решение демонтировать ширмовый пароперегреватель, а также часть первой ступени конвективного пароперегревателя. После выполнения данных мероприятий возникли проблемы с обеспечением температурного режима третьей и четвертой ступеней пароперегревателя, а также произошло повышение температуры газов перед второй ступенью воздухоподогревателя, что привело к деформации верхней трубной доски. Для снижения температуры металла верхней трубной доски (снижения температуры горячего воздуха) были демонтированы нижние кубы первой ступени воздухоподогревателя. В связи с этим, на котле БКЗ-220-100-9 возникли следующие серьезные проблемы: постоянный занос конвективных поверхностей нагрева переходного газохода и постоянное обрушение золы в топку, что приводит к останову котла (срабатывает защита по погасанию факела); повышенный золовой износ водяных экономайзеров из-за высоких скоростей газов; высокие температуры по конвективной шахте (включая температуру уходящих газов); выбросы NOX в пределах 1100 мг/нм3.
Ошибочный демонтаж ширм привел к повышению температуры газов перед конвективным пароперегревателем, увеличению допустимой температуры в конвективных поверхностях нагрева и разрушению этих поверхностей. Для решения возникших проблем предлагается реконструкция парогенератора БКЗ-220-110, которая позволит повысить паропроизводительность до 240 т/ч, используя в качестве топлива борлинский каменный уголь, увеличить надежность работы котлоагрегата и снизить выбросы NOx до величины менее 470 мг/нм3, при б=1,4.
Для реализации данной реконструкции необходимо заново изготовить и смонтировать следующие элементы котельной установки: пылеугольные горелки; воздушные сопла верхнего и нижнего дутья; растопочные мазутные горелки; элементы крепления топочно-горелочных устройств; паромазутопровод в районе котла; разводки топочных экранов под установку пылеугольных горелок, сопел верхнего и нижнего дутья; трубы для восстановления мест демонтированных горелок; монтажные детали топки в объеме реконструкции; опускные трубы в объеме реконструкции; внутрибарабанные устройства; гляделки (лючки) в объеме реконструкции.
Реконструкция заключается в следующем: в нижней части скатов холодной воронки по встречно-смещенной схеме устанавливаются 9 сопел нижнего дутья (НД) под углом 15° к горизонтали на отметке 4620 мм. Расчетная доля горячего воздуха, подаваемого через сопла нижнего дутья, в диапазоне нагрузок 60-100 % от составляет 20 % от теоретически необходимого для горения. Таким образом, применение системы нижнего дутья также способствует: снижению температуры газов на выходе из топки за счет смещения факела вниз, растягивание зоны активного горения и увеличения тепловосприятия экранов холодной воронки; уменьшению потерь тепла с механической неполнотой сгорания топлива в провале; увеличению диапазона нагрузки котла без подсветки факела за счёт повышения температуры газов в холодной воронке; предотвращению шлакования поверхностей нагрева [6].
Топка оснащается 8 прямоточными горелками, которые устанавливаются на фронтовой и задней стенах топки вертикально в два яруса, по две в общей амбразуре, на отметках 9400 мм и 11200 мм. Оси горелок направлены по касательной к воображаемой окружности диаметром 800 мм. Кроме того топка оборудуется четырьмя растопочными вихревыми мазутными горелками с индивидуальным подводом воздуха, предназначенными для растопки котла. Растопочные горелки - однопоточные, состоящие из воздушного короба с аксиальным завихрителем, выполненным из 8 лопаток [7], устанавливаются на боковых стенах топки в один ярус на отметке +9400 мм. Выше основных горелок, на отметке 14250 мм, на фронтовой и задней стенах топки тангенциально размещаются четыре сопла верхнего дутья (ВД). Оси сопел верхнего дутья направлены по касательной к воображаемой окружности диаметром 2000 мм. Направление крутки третичного (верхнего) дутья противоположно направлению крутки основных горелок. Расчетная доля горячего воздуха, подаваемого через воздушные сопла верхнего дутья, в диапазоне нагрузок 60-100% составляет 15% от теоретически необходимого для горения. Система сопел верхнего дутья позволяет снизить уровень NOx за счет снижения количества «топливных» оксидов азота, которые образуются, в основном, на начальном участке факела в зоне воспламенения и выгорания летучих [8]. Перераспределение вторичного воздуха между горелками и соплами верхнего и нижнего дутья позволяет регулировать скоростной режим горелок, способствует снижению температуры газов на выходе из топки за счет снижения уровня «ядра» факела, что растягивает зону горения и увеличивает тепловосприятие холодной воронки. Схемы установки сопел нижнего и верхнего дутья показаны на рисунке 1.
Рис. 1 -Установка сопел нижнего и верхнего дутья
реконструкция парогенератор тепловая электростанция
Для розжига растопочных мазутных горелок предусматривается установка безгазовых высокоэнергетических искровых запальников HESI - 4 шт (на каждую растопочную горелку) [9]. Для контроля за факелом растопочных горелок предусматривается установка фотодатчиков типа ФДСА-03М-01 [10]. Каждая растопочная горелка должна быть оборудована пароаккустической (ультразвуковой) форсункой «Факел» типа ФУЗ-2000, установленной в трубе по оси горелки [11]. Суммарная производительность всех мазутных форсунок обеспечивает 30 % нагрузки котла. Две растопочные горелки будут задействованы в системе автоматического подхвата факела (защита от потускнения пылеугольного факела). Для обеспечения нормативных выбросов оксидов азота (NOx менее 470 мг/нм3 при б=1,4) на котле кроме установки по тангенциальной схеме прямоточных горелок должно быть организовано ступенчатое сжигание топлива за счет подачи части воздуха, необходимого для выгорания топлива, через воздушные сопла нижнего и верхнего дутья. Пылеугольные и растопочные горелки и воздушные сопла нижнего и верхнего дутья должны крепиться на коробках, приваренных к экранным трубам, и при тепловых расширениях экранов перемещаться вместе с ними.
Таким образом, перспективная схема установки топочно-горелочных устройств с системой сопел верхнего и нижнего дутья позволит добиться устойчивого горения топлива в топке котлоагрегата, повысить срок службы ширмового пароперегревателя и воздухоподогревателя второй ступени за счет снижения температуры уходящих газов на выходе из топки, а также реконструкция позволит улучшить экологическую обстановку в регионе за счет снижения концентрации NOx с 800 мг/м3 до 470 мг/м3.
Список литературы / References
1. Электроэнергетика Казахстана: ключевые факты [Электронный ресурс] //Сайт Казахстанской компании по управлению электрическими сетями KEGOC. - URL: www.kegoc.kz/ru/elektroenergetika/elektroenergetika-kazahstana-klyuchevye-fakty (дата обращения: 25.06.2019).
2. Состояние и перспективы развития централизованного теплоснабжения в Казахстане. [Электронный ресурс] //АО «Институт «КазНИПИЭнергопром», - URL: http://www.eep.kz/upload/files/prezentacia_gucaliuk.pdf (дата обращения: 25.06.2019).
3. Беликов С.Е. Котлы тепловых электростанций и защита атмосферы / Беликов С.Е.. - М.: Аква-Терм, 2016г. - 212 c.
4. Жезказганская ТЭЦ ТОО «Kazakhmys Energy» (Казахмыс Энерджи). [Электронный ресурс] //Сайт ТОО «Kazakhmys Energy», - URL: http://kazakhmys-energy.kz/ru/about-us (дата обращения: 25.06.2019).
5. Паспорт котельного цеха Жезказганской ТЭЦ. - Жезказган: 2006. - 132 с.
6. Глейзер И.Ш. Котлы энерготехнологических и тепловых электростанций / Глейзер И.Ш. - М.: Энергосервис, 2015. - 248 c.
7. Винтовкин А.А. Горелочные устройства промышленных печей и топок / Винтовкин А.А., Ладыгичев М.Г. Конструкции и технические характеристики. - М.: Интермет Инжиниринг,1999. - 560 с.
8. Котлер В.Р. Ступенчатое сжигание - основной метод подавления оксидов азота на пылеугольных котлах / Котлер В.Р.//Научный журнал «Теплоэнергетика» - 1 989 - № 8 - с. 18-21.
9. HESI Высокоэнергетичный электрический запальник. [Электронный ре-сурс]//Сайт компании «Си Ай С-Контролс» (CIS-Controls), - URL: http://www.cis-controls.ru/flame-control-and-ignition/fireye/igniters/hesi.html (дата обращения: 25.06.2019).
10. ФДСА-03М-01-IP65, устройство селективного контроля пламени. [Электронный ресурс]//Сайт компании НПП «ПРОМА», - URL: http://www.promav.ru/production/fotodatchiki-i-signalizatory-goreniya/ustroystvo-selektivnogo-kontrolya-plameni-fdsa-03m-01-ip65/ (дата обращения: 25.06.2019).
11. ФАКЕЛ, форсунки. [Электронный ресурс]//Сайт компании НПП «ПРО-МА», - URL: http://www.promav.ru/production/forsunki-mazutnye/forsunki-fakel/ (дата обращения: 25.06.2019).
Список литературы на английском языке / References in English
1. Jelektrojenergetika Kazahstana: kljuchevye fakty [Power industry of Ka-zakhstan: key facts][ [Electronic resource] // Sajt Kazahstanskoj kompanii po upravleniju jelektricheskimi setjami KEGOC. - URL: www.kegoc.kz/ru/elektroenergetika/elektroenergetika-kazahstana-klyuchevye-fakty (accessed: 25.06.2019). [in Russian]
2. Sostojanie i perspektivy razvitija centralizovannogo teplosnabzhenija v Kazahstane. [State and the prospects of development of the centralized heat supply in Kazakhstan.] [Electronic resource]// AO «Institut «KazNIPIJenergoprom», - URL: http://www.eep.kz/upload/files/prezentacia_gucaliuk.pdf (accessed: 25.06.2019). [in Russian]
3. Belikov S.E. Kotly teplovyh jelektrostancij i zashhita atmosfery. [Coppers of thermal power plants and protection of the atmosphere] / Belikov S.E. - М.: Akva-Term, 2016. - 212 р.
4. Zhezkazganskaja TJeC TOO «Kazakhmys Energy». [Zhezkazgan combined heat and power plant «Kazakhmys Energy»] // Sajt TOO «Kazakhmys Energy», - URL: http://kazakhmys-energy.kz/ru/about-us (accessed: 25.06.2019). [in Russian]
5. Pasport kotel'nogo ceha Zhezkazganskoj TJeC. [Passport of the boiler shop of the Zhezkazgan combined heat and power plant.] - Zhezkazgan: 2006. - 132 p.
6. Glejzer I. Sh. Kotly jenergotehnologicheskih i teplovyh jelektrostancij [ Glazer I. Sh. Coppers of power technological and thermal power plants] / Glejzer I. - М.: Jenergoservis, 2015. - 248 p.
7. Vintovkin A.A. Gorelochnye ustrojstva promyshlennyh pechej i topok. Konstrukcii i tehnicheskie harakteristiki. [Devices for burning of industrial furnaces and fire chambers. Designs and technical characteristics] / Vintovkin A.A., Ladygichev M.G. - М.: Intermet Inzhiniring,1999. - 560 p.
8. Kotler V.R. Stupenchatoe szhiganie - osnovnoj metod podavlenija oksidov azota na pyleugol'nyh kotlah [Step burning - the main method of suppression of nitrogen oxides on coal-dust coppers] / Kotler V.R. // Nauchnyj zhurnal «Teplojenergetika» [Scientific magazine « Power system»] - 1989 - № 8 - р. 18-21
9. HESI Vysokojenergetichnyj jelektricheskij zapal'nik. [HESI High energy electric igniter] // [Electronic resource] Sajt kompanii CIS-Controls, - URL: http://www.cis-controls.ru/flame-control-and-ignition/fireye/igniters/hesi.html (accessed: 25.06.2019). [in Russian]
10. 1ФДСА-03М-01-IP65, ustrojstvo selektivnogo kontrolja plameni [ФДСА-03М-01-IP65, selective flame control device] [Electronic resource]// Sajt kompanii NPP «PROMA», - URL: http://www.promav.ru/production/fotodatchiki-i-signalizatory-goreniya/ustroystvo-selektivnogo-kontrolya-plameni-fdsa-03m-01-ip65/ (accessed: 25.06.2019). [in Russian]