Теплоэнергетика, 2022, № 2, стр. 33-41

АКТУАЛЬНОСТЬ СОВМЕСТНОГО РАСЧЕТА КОТЛА И ПЫЛЕСИСТЕМ

При выполнении теплового расчета любой системы пылеприготовления необходимо учитывать целый ряд ограничений. Температура за пылесистемой t₂ ограничена по верхнему пределу по условиям взрывобезопасности и надежности работы оборудования, по нижнему пределу – по условиям отсутствия конденсации. При использовании газовой или газовоздушной сушки топлива нужно следить, чтобы объемная концентрация кислорода в сушильном агенте (СА) удовлетворяла требованиям [5]. Если пыль транспортируется в горелки СА, необходимо, чтобы доля первичного воздуха соответствовала рекомендациям [2] или других регламентирующих документов.

Мельница должна обеспечивать определенную по условиям работы котла размольную производительность B_м, при этом остаток пыли R₉₀ на сите с ячейкой 90 мкм должен удовлетворять рекомендациям [2]. Помимо конструктивных характеристик мельницы размольная производительность обеспечивается вентиляционным расходом за пылесистемой V₂, который нужно поддерживать на требуемом уровне. Но влажность пыли W^пл тоже должна удовлетворять рекомендациям [2]. А она при t₂ = const зависит и от V₂, и от начальной температуры сушильного агента t₁.

Обычно применяется как минимум двухкомпонентный сушильный агент. Если температура горячего компонента СА достаточно высока, можно, изменяя доли компонентов, обеспечить такие условия сушки топлива, при которых значение W^пл за пылесистемой соответствует рекомендациям [2], а вентиляционный расход V₂ поддерживается постоянным по условиям размола. При этом сушильная производительность системы пылеприготовления B_суш будет равна размольной производительности B_м. Поэтому тепловой расчет пылесистемы в большинстве случаев проводится именно для того, чтобы в рамках перечисленных выше ограничений определить расходы (или массовые доли) компонентов СА, при которых B_суш = B_м.

Однако компоненты сушильного агента или транспортирующей среды формируются из теплоносителей, используемых в котле. Отбор части теплоносителей из трактов котла в системы пылеприготовления влияет на процессы теплообмена и, в конечном счете, на КПД котла и расход топлива. Поэтому расходы компонентов сушильного агента, полученные в результате теплового расчета пылесистем, должны быть учтены при проведении тепловых расчетов котла. Таким образом, системы пылеприготовления являются важнейшими элементами котельной установки и оказывают огромное влияние на работу пылеугольного котла. Единственным исключением являются пылесистемы с сушкой горячим воздухом и рециркуляцией СА, потому что холодный компонент (рециркулирующий СА) не отбирается из котла.

На работу самих систем пылеприготовления также влияет режим работы котла. Условия сушки топлива зависят от температуры компонентов сушильного агента. Важна и топливная загрузка пылесистем, которая определяется расходом топлива в котел B. Поэтому значения B и температуры компонентов СА, полученные при расчетах котла, являются исходными данными для теплового расчета пылесистем.

Влияние систем пылеприготовления на работу котла можно продемонстрировать на примере расчета корпуса котла ПК-39 при сжигании экибастузского угля марки 2СС на номинальной нагрузке. Каждый корпус котла укомплектован четырьмя пылесистемами с прямым вдуванием и воздушной сушкой с мельницами ММТ-2000/2600/596. Основной компонент СА – горячий воздух, отобранный после регенеративных воздухоподогревателей (РВП), второй компонент – холодный воздух.

При выполнении совместного расчета корпуса котла и пылесистем по программам Boiler Designer и рассмотренной в [4] температура уходящих газов равна 156.5°C, КПД котла составляет 90.294%. Если не учитывать влияние пылесистем и выполнить только тепловой расчета корпуса котла по программе Boiler Designer, получится соответственно 128.7°C и 91.946%. Рассмотрим, чем обусловлено такое существенное различие (рис. 1). Для простоты на рис. 1 не показано распределение пылевоздушной смеси и вторичного воздуха по отдельным горелкам.

Рис. 1.

Схема отбора воздуха в пылесистемы корпуса котла ПК-39. 1 – корпус котла; 2 – регенеративный воздухоподогреватель; 3 – дутьевой вентилятор; 4 – клапан

Если в пылесистемы не подается холодный воздух, то его доля в СА составляет r_х.в = 0 и весь организованно подаваемый в топку воздух проходит через РВП. Так было бы, если бы не учитывалась работа систем пылеприготовления. Но если выполнить тепловой расчет пылесистем, то из условия равенства сушильной и размольной производительностей получается, что r_х.в > 0. Тогда, согласно проводимому тепловому расчету корпуса котла, через РВП будет протекать меньше воздуха, его скорость снизится, а коэффициенты теплоотдачи α₂ и теплопередачи k станут меньше. В результате дымовые газы будут хуже охлаждаться в РВП, поэтому температура уходящих газов ϑ_ух возрастет, а КПД корпуса котла снизится.

Если используется двухкомпонентная газовая сушка топлива, то в зависимости от массовых долей горячих r_г.г и холодных r_х.г газов в СА будут изменяться их коэффициенты рециркуляции в котле. Поэтому условия протекания радиационного и конвективного теплообменов на участках газового тракта, охваченных рециркуляцией, будут зависеть от работы систем пылеприготовления. При использовании газовоздушной сушки топлива сушильный агент обычно формируется из продуктов сгорания, отбираемых из газового тракта, и горячего воздуха. Значит, и в этом случае от условий сушки топлива зависят доля газов в СА и коэффициент их рециркуляции в газовом тракте. Поэтому совместный расчет котла и пылесистем необходим практически во всех случаях. Исключение составляют только системы пылеприготовления с сушкой горячим воздухом при наличии рециркуляции сушильного агента.

СУЩЕСТВУЮЩАЯ СХЕМА РЕАЛИЗАЦИИ СОВМЕСТНОГО РАСЧЕТА И ЕЕ НЕДОСТАТКИ

Обычно для проведения совместных тепловых расчетов котла и систем пылеприготовления использовали две разные программы. Взаимодействие их приходилось организовывать пользователю примерно так, как это показано на рис. 2.

Рис. 2.

Схема совместного использования программ расчета котла и пылесистем

Расчет выполняли итерационным способом. Сходимость расчета контролировали по расходу топлива B, температурам t_i и расходам V_i компонентов сушильного агента на предыдущей и текущей итерациях. Как показывает опыт, расчет можно прекращать, когда при переходе на следующую итерацию изменение B составляет не более 0.05%, температур t_i – не более 1°C, расходов V_i – не более 0.05%. Обычно для того, чтобы добиться сходимости расчета, требуются три-четыре итерации.

Многовариантные совместные расчеты котлов и пылесистем, выполненные по такой схеме, описаны в работах [6–8]. В [6] использовали программы Boiler Designer и Trap, а в [7] – Boiler Designer и программу, представленную в [4]. В [8] приведены результаты расчетных исследований работы пылеугольного котла энергоблока 600 МВт с организацией сжигания по технологии Oxyfuel Combustion. При этом в топку вместо воздуха подается другая среда, содержащая окислитель (ССО) и состоящая из газов рециркуляции и кислорода, концентрация которого обычно больше, чем в воздухе. Это позволяет практически исключить азот из состава газов, уменьшить их расход за котлом, повысить в них концентрацию углекислого газа и тем самым облегчить выделение, транспортировку и захоронение углекислого газа. Для расчетов котла использовали программу Boiler Designer, которая без проблем позволила смоделировать технологию Oxyfuel Combustion. Но применить описанные выше программы расчета систем пылеприготовления не удалось из-за их существенного недостатка – они позволяют работать только с одной ССО – воздухом. Поэтому для теплового расчета пылесистем пришлось разработать модуль в среде Mathcad, который использовал методику [2], но был адаптирован к технологии Oxyfuel Combustion. В остальном расчеты также проводили по схеме, представленной на рис. 2.

Определенные сложности при выполнении совместных расчетов котла и пылесистем возникают также в том случае, когда для снижения выбросов вредных веществ на стадии сжигания топлива применяется Reburning Technology [9]. Так, например, случилось при расчетах котла Е‑320-13.8-560КТ, который обслуживался тремя системами пылеприготовления с прямым вдуванием, укомплектованными мельницами МВС-195 с динамическими сепараторами. Две пылесистемы обслуживали два основных яруса горелок. Их суммарная размольная производительность составляла 75% полного расхода топлива в котел, и они вырабатывали пыль с R₉₀ = 10% при организации воздушной сушки. Третья пылесистема, в которой размалывалось еще 25% топлива при газовоздушной сушке, что обусловлено выбранной схемой низкоэмиссионного сжигания, обслуживала восстановительный ярус горелок. Тонкость помола R₉₀ составляла 6%. Расчеты выполняли с использованием программ Boiler Designer и представленной в [4] по схеме, приведенной на рис. 2. Проблема заключалась в том, что совместно с котлом рассчитывали две группы систем пылеприготовления. При этом добиться сходимости теплового расчета котла и двух тепловых расчетов пылесистем оказалось гораздо сложнее.

Анализируя накопленный опыт проведения совместных расчетов котла и систем пылеприготовления с использованием двух программ, можно отметить следующие недостатки:

трудоемкость выполнения итераций;

возрастание вероятности ошибок из-за участия человека в обмене данными между программами;

увеличение количества файлов исходных данных в 2 раза (а иногда и более) и необходимость проведения работ по их синхронизации;

невозможность применения существующих программ теплового расчета пылесистем при использовании новых технологий сжигания (Oxyfuel Combustion) или значительное усложнение расчетов (Reburning Technology).

СПОСОБ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ

Первые три недостатка могут быть устранены, если тепловые расчеты котла и его систем пылеприготовления будут выполняться в одной программе. Для устранения последнего недостатка нужно, чтобы в этой программе была предусмотрена возможность моделирования работы пылесистем при использовании новых технологий сжигания. В программе Boiler Designer многие возможности для этого уже существуют [8]. Объектно-ориентированный принцип построения программы Boiler Designer позволяет создавать и внедрять в нее новые элементы, способные работать совместно с уже существующими. Для реализации возможности проведения совместных расчетов котла и систем пылеприготовления был создан элемент “Пылесистема”, который в дальнейшем можно совершенствовать.

Этот элемент может применяться для моделирования работы одной реально существующей системы пылеприготовления (мельница и обслуживающее ее оборудование) и нескольких систем, работающих с одинаковыми эксплуатационными параметрами. Поэтому можно учесть особенности работы отдельных мельниц (в том числе разного типа) при использовании Reburning Technology или в других случаях. В зависимости от способа сушки топлива (воздушная, газовая, газовоздушная) элемент “Пылесистема” включается в структуру воздушного, газового тракта или в схемы их обоих.

Количество исходных данных, которые необходимо ввести для нового элемента, невелико. К ним относятся влажность пыли W  ^пл, %, количество мельниц Z_м, затраты электроэнергии на размол Э_рзм, кВт ⋅ ч/т, коэффициент присоса K_прис, коэффициент K_мех, который учитывает долю энергии, переходящей в тепло при работе мелющих органов, абсолютные потери тепла в окружающую среду Q₅, кДж/ч (ккал/ч). Все они подготавливаются или принимаются по рекомендациям [2]. Но для выполнения расчета пылесистемы нужно знать и другие данные, например влажность топлива на рабочую массу W^r и размольную производительность мельницы B_м. Эта проблема решена за счет объектно-ориентированного принципа построения программы. Элемент “Пылесистема” является иерархическим и содержит группу, в которую просто копируется ранее созданный элемент “Топливо”. Благодаря этому становятся известны значения W  ^r и B и возможно определение B_м.

Тепловой баланс системы пылеприготовления описывается уравнениями, представленными в [2]. Постановка задачи ее теплового расчета обычно заключается в определении состава сушильного агента при V₂ = const и t₂ = const. Для выполнения этих условий необходимо применять два элемента “Регулятор расхода” в программе Boiler Designer. На рис. 3 показан пример использования этих элементов.

Рис. 3.

Структура воздушного тракта котла с элементом “Пылесистема” (фрагмент программы с монитора компьютера). 1 – элемент “Пылесистема”; 2 – смеситель; 3, 5 – регуляторы вентиляционного расхода и температуры t₂; 4 – клапан подачи горячего воздуха; 6 – клапан присадки холодного воздуха

В данном случае применяется воздушная сушка топлива, поэтому элемент “Пылесистема” 1 вставлен в структуру воздушного тракта котла. Перед ним расположен смеситель 2, в который поступают компоненты сушильного агента. Сушильный агент состоит из горячего воздуха, который отбирается за регенеративным воздухоподогревателем, присадки холодного воздуха, отобранного до РВП, и той части воздуха, подаваемого на уплотнение мельниц, которая попадает в них. Регулятор 3 обеспечивает выполнение условия V₂ = const, воздействуя на клапан подачи горячего воздуха на сушку 4. Регулятор 5 поддерживает постоянную температуру на выходе из пылесистем, для этого используется клапан присадки холодного воздуха 6.

При совместном расчете котла и пылесистем в одной программе удается повысить точность теплового расчета пылесистем. Это обеспечивается благодаря тому, что расчет ведется по фактическим значениям энтальпий потоков СА на входе в систему пылеприготовления и выходе из нее, а в [2] теплоемкости этих потоков определяются приближенно. Правда, и в программе, описанной в [4], теплоемкости вычисляются по фактическому составу сред, но некоторые температуры, необходимые для их определения и полученные из теплового расчета котла, приходится вводить как исходные данные.

Элемент “Пылесистема” позволяет довольно просто смоделировать рециркуляцию СА в любой системе пылеприготовления. Как было показано в [7, 10], рециркуляция сушильного агента может быть полезна не только для пылесистем с промежуточным бункером и шаровыми барабанными мельницами. В [10] описан опыт внедрения данного мероприятия на действующем котле, укомплектованном мельницами-вентиляторами.

Системы пылеприготовления с промежуточными бункерами тоже можно моделировать с помощью элемента “Пылесистема”, но только при работе с коэффициентом запаса K_зап = 1. Это означает, что суммарная размольная производительность всех мельниц по сырому топливу должна быть равна расходу топлива в котел, так как в текущей версии программы Boiler Designer не учитываются накопление топлива в промежуточном бункере и передача пыли из одной пылесистемы в другую. Полный расход топлива в котел определяется исходя из уравнения его теплового баланса. Но чаще всего встречаются системы пылеприготовления с промежуточным бункером, воздушной сушкой и рециркуляцией СА. Они обладают тем преимуществом, что практически не влияют на работу котла независимо от значения K_зап. Но если все-таки необходимо выполнить тепловой расчет пылесистемы с K_зап ≠ 1, в программе предусмотрена и такая возможность, так как можно проводить расчет системы пылеприготовления любого типа отдельно от котла (рис. 4).

Рис. 4.

Моделирование пылесистемы отдельно от котла (фрагмент программы с монитора компьютера)

На рис. 4 показаны расчетная схема и результаты теплового расчета пылесистемы с промежуточным бункером, воздушной сушкой и рециркуляцией СА. Элемент “Рег. V2” обеспечивает V₂ = const, но для поддержания t₂ = const в этом случае использовать отдельный регулятор не нужно, потому что с элементом “Пылесистема” совмещен клапан рециркуляции сушильного агента (Кл. рецирк.). В окошке клапана можно задать нужное значение t₂ (в данном случае 140°C), включить опцию “Регулирование”, и программа обеспечит коэффициент рециркуляции СА, при котором температура за системой пылеприготовления поддерживается на заданном уровне.

Новая версия программы Boiler Designer, позволяющая проводить совместный расчет котла и его пылесистем, была протестирована. При этом рассматривали прямоточные котлы и котлы с естественной циркуляцией, в которых сжигаются разные угли (в двух случаях совместно с природным газом). Они были укомплектованы системами пылеприготовления различного типа с разными способами организации сушки топлива. В каждом случае сравнивались результаты двух расчетов. Первый был выполнен по схеме использования двух программ (см. рис. 2), второй – по новой версии Boiler Designer.

Результаты одного из вариантов тестирования для режима работы котла ТП-14А при совместном сжигании угля и природного газа приведены в таблице. Из представленных данных видно, что в целом совпадение результатов хорошее, но по ряду параметров наблюдается небольшое расхождение. Это может быть связано с тем, что в программе, представленной в [4], и в Boiler Designer физические свойства продуктов сгорания определяются по разным методикам. А при совместном сжигании угля и природного газа это наиболее заметно.

Не исключено и влияние человеческого фактора, потому что расчет по двум программам при совместном сжигании угля и газа сводить сложнее. В новой версии Boiler Designer это происходит без участия пользователя и с большей точностью. Процесс тестирования подтвердил, что выполнять совместный расчет котла и пылесистем по новой версии программы проще, удобнее и быстрее, чем старым способом с использованием двух программ. При этом трудоемкость снижается не менее чем в 2 раза. В этом заключается практическая ценность выполненной работы.

ВЫВОДЫ

1. В подавляющем большинстве случаев работа систем пылеприготовления оказывает существенное влияние на работу котла. Поэтому задача совместного расчета котла и пылесистем с помощью современного программного обеспечения является актуальной.

2. Анализ существующей схемы реализации этого совместного расчета показал, что она обладает рядом недостатков. По сути, все они обусловлены тем обстоятельством, что для расчета котла и пылесистем используются две разные программы, а коммуникацию между ними осуществляет пользователь.

3. Тестирование новой версии Boiler Designer показало, что задача совместного расчета котла и его систем пылеприготовления может быть успешно решена с использованием одной программы. При этом удалось устранить недостатки, присущие старой схеме выполнения этого расчета.