Теплоэнергетика, 2022, № 5, стр. 58-64

Цель настоящих исследований заключалась в проведении сравнительного анализа основных технико-экономических и экологических показателей работы Железногорской ТЭЦ (ЖТЭЦ) на проектном топливе (бородинский бурый уголь марки 2БР) и на смеси топлив (50% по массе – бородинский уголь марки 2БР, 50% – большесырский уголь марки 3БР) за длительный период эксплуатации. Анализ проводился с использованием отчетных данных ЖТЭЦ.

Железногорская ТЭЦ расположена в г. Сосновоборск Красноярского края и в настоящее время работает в режиме котельной. Основное оборудование на ЖТЭЦ – четыре паровых котла марки БКЗ-160-1.4-5 с твердым шлакоудалением, которые имеют следующие технические характеристики:

Проектным топливом является бородинский бурый уголь марки 2БР. Для его размола котлы БКЗ-160-1.4-5 оборудованы четырьмя пылесистемами прямого вдувания с мельницами-вентиляторами типа МВ 1600/400/980 с газовой сушкой топлива. Топливо из бункера сырого угля скребковыми питателями ПС-700/9000 и ПС-700/21000 производительностью 16 т/ч подается в мельницы-вентиляторы. Управление данным процессом осуществляется изменением частоты электродвигателя, а также регулированием толщины слоя топлива (по месту). Рекомендуемая тонина помола (расчетная R₉₀ = 57%) достигается установкой лопаток сепаратора МВ в определенное положение. После сепаратора пылеугольная аэросмесь поступает в пыледелитель, из которого по пылепроводам подается в горелочные устройства.

Для сушки угля используются горячие топочные газы, отбираемые из верхней части топки, и холодные дымовые газы, отбираемые за дымососом. Температура сушильного агента регулируется изменением соотношения количества топочных и холодных дымовых газов, подаваемых на сушку топлива. Для забора уходящих дымовых газов установлен дымосос рециркуляции газов типа ДН-15БК.

Восемь пылеугольных горелок расположены по тангенциальной схеме в углах топки в два яруса. На скатах холодной воронки, в нижней части топки котла, установлены семь сопл нижнего дутья по встречно-смещенной схеме. Они предназначены для снижения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания, предотвращения шлакования холодной воронки и уменьшения потери тепла от механической неполноты сгорания. Система очистки поверхностей нагрева котла от золошлаковых отложений состоит из аппаратов водяной обдувки топки, паровой обдувки и дробевой очистки конвективных поверхностей нагрева.

Котел оборудован дутьевым вентилятором типа ВДН-18К и дымососом типа ДН-22×2-062К. Очистка дымовых газов от твердых частиц золы осуществляется электрофильтром типа ЭГВ2-30-9-6-3.

В 2016 г. на Железногорской ТЭЦ было проведено опытное сжигание смесей углей [1]. В качестве добавочного топлива использовался бурый уголь 3БР разреза “Большесырский” Канско-Ачинского бассейна. Характеристики топлива, использованного во время испытаний, приведены в табл. 1. Большесырский уголь сжигался в чистом виде, а также в смеси с бородинским углем в процентном соотношении по массе 30/70 и 50/50. Угольный склад ЖТЭЦ позволял организовать раздельное хранение углей разных марок. Тракт топливоподачи обеспечивал надежное конвейерное смешение большесырского и бородинского углей и подачу этой смеси к котлам.

Сжигание большесырского угля в чистом виде сопровождалось более интенсивным шлакованием топочных экранов по сравнению со сжиганием его в смеси с бородинским углем. Кроме того, при сжигании угля повышенной калорийности для регулирования температуры сушильного агента в оголовок газозаборных шахт пришлось вводить слабоподогретый воздух из-за недостатка расхода низкотемпературных газов рециркуляции при работе котла на трех пылесистемах.

По результатам опытов рекомендовалось сжигать смесь большесырского и бородинского углей в процентном соотношении по массе 50/50. Были отмечены преимущества сжигания такой смеси по сравнению с проектным бородинским углем: повышение КПД брутто котла на 0.7–1.2%, снижение общего расхода топлива, расширение регулировочного диапазона нагрузок котла при работе двух пылесистем, сокращение выбросов в атмосферу золы и уменьшение объема золошлаковых отходов.

В начале 2020 г. ЖТЭЦ полностью перешла на сжигание смеси большесырского и бородинского углей в пропорции 50/50% по массе (далее смесь). Для борьбы со шлакованием топочных экранов к двум существующим аппаратам водяной обдувки топки дополнительно было установлено еще два. Это позволило обеспечить надежную работу топочных экранов по условиям шлакования.

В процессе эксплуатации система аспирации топливоподачи и пылеподавление в узлах пересыпки работали штатно. Проблем с подачей и проходом по тракту топливоподачи непроектного большесырского угля и его смеси с бородинским углем не возникало. Случаев возгорания укатанного послойно штабеля большесырского угля не наблюдалось.

Для сравнения эксплуатационных показателей работы котлов ЖТЭЦ при сжигании бородинского угля и смеси были выбраны два периода – декабрь 2019 г. и январь 2020 г. Средневзвешенные значения влажности, зольности, содержания серы и азота, низшей теплоты сгорания данных видов топлива по отчетным данным ЖТЭЦ за указанные периоды представлены в табл. 2. В декабре 2019 г. за 26 сут четырьмя котлами было сожжено 54 381.7 т бородинского угля, выработано 814 036 ГДж тепловой энергии, средняя тепловая нагрузка котлов при этом составила Q_ср = 98 МВт. За 26 сут в январе 2020 г. четырьмя котлами было сожжено 50 775.5 т смеси, выработано 837 410 ГДж тепловой энергии, средняя тепловая нагрузка котлов составила Q_ср = 96.8 МВт.

Воздушные режимы работы котла № 1 на бородинском угле и смеси практически одинаковы (рис. 1). Анализ зависимости номинального значения коэффициента избытка воздуха в уходящих газах (α_ух) от нагрузки котлов (Q) показал, что коэффициенты избытка воздуха котлов № 2–4 при сжигании бородинского угля и смеси существенно различаются, поэтому сопоставление технико-экономических показателей в условиях штатной эксплуатации на обоих видах топлива целесообразно провести на примере котла № 1 и в целом по группе котлов № 1–4.

Рис. 1.

Коэффициент избытка воздуха в уходящих газах котлов № 1–4 (а–г) при сжигании топливной смеси и бородинского угля. 1 – сжигание бородинского угля в декабре 2019 г.; 2 – сжигание смеси бородинского и большесырского углей в январе 2020 г.

Из рис. 2 видно, что температура уходящих газов (t_ух) котла № 1 при сжигании смеси на 15–18°С ниже по сравнению с таковой при сжигании бородинского угля, а потери тепла с уходящими газами (q₂) меньше на 1.1–1.3%. Сокращение потерь тепла с уходящими газами при работе котла на смеси обусловлено уменьшением температуры уходящих газов из-за более низкой приведенной влаги угольной смеси. Потери тепла от механической неполноты сгорания (q₄) не имеют существенных различий для обоих видов топлива. КПД брутто (η_бр) котла № 1 при работе на смеси на 1.2–1.6% выше, чем на бородинском угле, что соответствует результатам, полученным в период опытного сжигания смесей бородинского и большесырского углей [1].

Рис. 2.

Технико-экономические показатели работы котла № 1 на бородинском угле и смеси бородинского и большесырского углей. 1 – сжигание бородинского угля в декабре 2019 г.; 2 – сжигание смеси бородинского и большесырского углей в январе 2020 г.

Авторами данной статьи проводится сравнение показателей работы ТЭЦ в целом при сжигании обоих видов топлива. На рис. 3 приведены показатели работы группы котлов (средневзвешенные по котлам № 1–4) по отчетным данным ЖТЭЦ за декабрь 2019 г. на проектном бородинском угле и за январь 2020 г. на смеси. Качественная картина зависимостей осталась такой же, как для котла № 1 (см. рис. 2). В количественном отношении произошли изменения. Температура уходящих газов при сжигании смеси снизилась всего на 3–4°С, а КПД брутто возрос на 0.4%, что в 3–4 раза меньше, чем на котле № 1. Причина, по мнению авторов данной статьи, заключается в том, что по сравнению с котлом № 1 эксплуатационные режимы котлов № 2–4 при сжигании бородинского угля и смеси существенно различались из-за разных значений коэффициента избытка воздуха (см. рис. 1).

Рис. 3.

Технико-экономические показатели работы группы котлов (№ 1–4) на бородинском угле и смеси его с большесырским. 1 – сжигание бородинского угля в декабре 2019 г.; 2 – сжигание смеси бородинского и большесырского углей в январе 2020 г.

Переход на сжигание смеси углей привел к снижению среднечасового расхода топлива (B) на 5–7 т/ч (рис. 4) из-за увеличения теплоты сгорания смеси на 1.59 МДж/кг и повышения КПД брутто группы котлов. Удельные расходы топлива на выработку тепла составили 66.804 кг/ГДж на бородинском угле и 60.633 кг/ГДж на смеси. При месячной выработке тепловой энергии ЖТЭЦ 963 000.0 ГДж/мес разница расходов бородинского угля и смеси составит (66.804 – 60.633) × × 963 000.0 × 10^–3 = 5943 т/мес (9.2%).

Рис. 4.

Часовой расход топлива группой котлов (№ 1–4) при сжигании бородинского угля и смеси его с большесырским. 1 – сжигание бородинского в декабре 2019 г.; 2 – сжигание смеси бородинского и большесырского углей в январе 2020 г.

Оценка выбросов газообразных загрязняющих веществ, твердых частиц, а также количества золошлаковых отходов выполнялась согласно [2, 3]. При работе на угольной смеси валовые выбросы диоксида серы возросли на 40.6 т/мес (14.4%) вследствие более высокого содержания серы в угольной смеси. Валовые выбросы оксидов азота снизились на 5%: оксида азота на 1.1 т/мес, диоксида азота на 6.6 т/мес. Приведенная зольность смеси топлив в 1.34 раза ниже, чем таковая бородинского угля, в связи с чем валовые выбросы твердых частиц в атмосферу уменьшились на 15.1 т/мес (25.2%), а количество золошлаковых отходов сократилось на 1166 т/мес (25.3%).