Точное регулирование соотношения топливо-воздух энергетических котлов

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 проектировалась более 30-50 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 0,3-1,5%.

Регулирование производительности механизмов собственных нужд осущест­вляется, как правило, дросселированием рабочей среды (воды, воздуха, газов) механи­ческими устройствами (клапанами, шиберами, направляющими аппаратами). В случае широкого диапазона изменения производительности, такой способ регулирования при постоянной частоте вращения асинхронных двигателей переменного тока, понижает к.п.д. технологического процесса и сопровождается перерасходом ­энергии на 40-60%. Переход на частотное регулирование электродвигателей переменного тока является эффектив­ным средством энерго-ресурсо­сбережения, повышения надежности и безопас­ности, эксплуатации оборудования собственных нужд при техническом перевооружении и реконструкции ТЭС, а также новом строительстве. Применение преобразователей частоты необходимо, в первую очередь, на питательных насосах и тягодутьевых механизмах (ТДМ), сетевых и подпиточных насосах. По данным /2/, оснащение указанных механизмов частотно-регулируемым приводом (ЧРП) позволит получить экономию на энергообъектах отрасли до 3,6-3,9 млрд. кВт´ч/год, что эквива­лентно годовой выработке электроэнергии четырех энергоблоков мощностью 200 МВт.

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 (a"_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 (h^к_бр) от a²_m, т. к. на их характер и оптимальное значение a²_m^опт 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 дутьё;

§ 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°С приводит в 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 в 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 a²_m^опт имеют место при таком расходе воздуха на горение, при котором микроконцентрации продуктов химнедожога (СО, Н₂, СН₄, С_nH_m) в дымовых газах начинает увеличиваться до значений СО»100-350 ppm, т.е. в точке перегиба кривой q₃=f (a²_m), рис.1.

В качестве прямых показателей эффективности сжигания топлива сегодня общепринята концентрация 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, NO_X. 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.

Для примера на рис. 2 и 3 представлены поля газового состава по О₂ и СО в сечении газохода котла ТГМ-84Б ст. №4 Набережночелнинской ТЭЦ при работе на газе. Минимальная концентрация кислорода и максимальные концентрации продуктов химнедожога наблюдаются на расстоянии 3-4 метров от наружной стенки. В этих условиях зондовые датчики на О₂, углублённые в газоход на 1,0-1,2 м, дают завышенные показания на 0,8-1,5 % об. О_2. 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 a²_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 фирмы Westinghouse 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 °C, 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 твёрдого 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 установливаются на автомобильных двигателях (l-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 твёрдом 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-6 и 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 (см. рис.1), 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 a²_m^опт=1,018-1,02 и обеспечить работу котла с h^к_бр=93,8-93,9%. Потери тепла q₂ снизились на 0,12-0,14%. Вредные выбросы NO_X 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, пропорции­ональный избытку или недостатку кислорода, потенциометрический сигнал несет информацию о горючих компонентах, а сигнал термо-э.д.с., 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, NO_X и др. /5/.

Частотно-регулируемый электропривод

К разряду стратегических задач в области научно-технического прогресса и энергосберегающей политики относится внедрение систем частотно-регулируемого электро­привода на предприятиях энергетики, в промышленности и ЖКХ. Перспективным направлением, рационального использования элек­трической энергии является применение частотно-регулируемого привода на механизмах собственных нужд ТЭС (насосы, ПСУ, ТДМ, транспортеры, компрессоры, краны, транспортеры). Применение ЧРП обеспечивают одновременно: повышение надежности и безопасности эксплуатации оборудования, двух-трёх кратное снижение расхода электроэнергии, повышения управляемости технологических процессов, переход на качественно новый уровень автоматизации. По данным института энергетики США в 87,3% случаев применение частотно-регулируемого электропривода обусловлено прежде всего необходимостью повышения надёжно­сти и автоматизации технологических процессов и только в 7,5% - чисто энерге­тической составляющей.

Обширный зарубежный опыт внедрения систем ЧРП показывает, что в первую очередь происходит упрощение технологической схемы объекта, надежности и управляемость процессов. Необходимо также отметить, что асинхронный электродвигатель за год потребляет энергию, стоимость которой в 5-8 раз превышает стоимость самого двигателя. Сегодня срок окупаемости ЧРП составляет 0,6-1,5 года.

Благодаря возрастающей вычислительной мощности современных микропроцессоров, в преобразователях частоты (ПЧ) становятся базовыми такие функции, как автоматическая настройка, локальный и дистанционный мониторинг, новые более точные алгоритмы управления, идентификация двигателя, функции ПИД-регулирования.

Компактность ПЧ наряду с невысокой стоимостью приводят к массовой замене приводов постоянного тока системами ПЧ-АД, а также к появлению новых областей применения регулируемого электропривода как активного элемента АСУ ТП.

Современные преобразователи частоты обладают широким набором функций, которые наряду с регулированием скорости электродвигателя позволяют также передавать в систему автоматизацию верхнего уровня всю необходимую информацию о работе двигателя и приводного механизма, осуществлять дистанционное управление и мониторинг. Это позволяет полностью контролировать работу регулируемого агрегата и, как следствие, оптимизировать производственный процесс в целом. Новые "интеллектуальные" силовые модули, усовершенствованные технологии теплоотвода, более компактные модули управления обуславливают компактность и высокую надежность современных преобразователей.

По инициативе "Группа Е4" в партнерстве со специалистами мирового технологического лидера VACON GROUP (г.Вааса, Финляндия) и НПО «ЭЛСИБ» для российского рынка разработана комплектная система частотно-регулируемого привода Е4 VEDA ELSIB на основе преобразователей частоты серии VАCON для управления высоковольтными асинхронных двигателей ЭЛСИБ на 6 и 10 кВ. Достоинствами данного решения является:

- специальная конструктивная разработка для применения в тяжелых условиях эксплуатации;

- полная адаптация преобразователей частоты для серийно выпускаемых электродвигателей производства ОАО НПО «ЭЛСИБ»;

- встроенные системы самодиагностики и защиты для работы в «слабых» электрических сетях;

- высокая устойчивость к броскам напряжения и провалам электропитания;

- возможность использования в условиях холодного климата;

- уникальные функциональные возможности (встроенные ПИД-регуляторы, системы самодиагностики, мониторинга);

- русскоязычная графическая панель управления;

- специальная конструкция преобразователей частоты с дополнительной обработкой плат для тяжелых условий эксплуатации и агрессивных сред;

- использование фильтров гармоник для обеспечения синусоидальности напряжения, подаваемого на обмотки двигателя;

- минимальные массогабаритные показатели;

- высокая надежность и большое число внедрений на ответственных механизмах электроэнергетики в Мосэнерго, Ленэнерго, Татэнерго, , а также в ЛУКОЙЛ, Газпром, СИБУР, АЛРОСА, Челябинских тепловых сетях, Курганводоканале и др.

Проработано комплексное техническое решение, которое позволяет:

- Существенно сократить сроки внедрения оборудования на объекте.

- Значительно снизить стоимость предлагаемого решения за счет оптимального подбора параметров и характеристик системы ЧРП – асинхронный двигатель – преобразователь частоты. Благодаря индивидуальному подходу снижение капитальных затрат составляет 15-25%. При сохранении КПД системы во всем диапазоне рабочих частот (5…60 Гц) составляет 94…96%.

- Оптимизировать и повысить управляемость технологического процесса, учитывая комплексный подход к реализации системы двигатель+система частотного регулирования.

- Снизить потребление электроэнергии на внедряемых объектах до 40%.

- Существенно повысить срок эксплуатации оборудования (насосы, ТДМ, ПСУ и т.п.) и снизить издержки на ремонт и его замену.

- Перейти на качественно новый уровень автоматизации технологического процесса и снижением затрат на общеблочную АСУ ТП, в связи с передачей ряда функций управления (ПИД-регулирование, блокировки, защиты двигателя и насоса) во встроенный в ПЧ PLC.

На Набережно­челнинской ТЭЦ, Казанской ТЭЦ-3, Нижнекамской ТЭЦ в результате оснащения ЧРП насосов тепловой сети и горячего водоснабжения расход электроэнергии на собственные нужды снизился на 30…40%, но главное - это существенное повысилась надежность работы тепловых сетей г. Набережные Челны, Нижнекамска и Казани и ответственной системы водоснабжения г. Набережные Челны.

В Челябинской области на котельных объединения «Союзпищепром» создана демонстрационная площадка энергоэффективных технологий /6/. На всех котлах внедрена всережимная система точного регулирования горения на основе твердотельных электрохимических сенсоров, система частотно-регулируемого привода питате­льных насосов, ТДМ, обеспечивающая работу котлов с максимальным тепловым к.п.д. во всём диапазоне нагрузок, независимо от колебания нагрузки, температуры воздуха, состава и качества топлива. Экономия топлива составила 6…10%. На ОАО "Челябинский КХП №1" введена в промышленную эксплуатацию система ЧРП на основе преобразователей Vacon NXS с автоматическим ПИД-регулированием кислорода и разрежения в топке, давления питательной воды в магистрали, системой непрерывной само­диагностики и интеллектуальными функциями защит. В автоматическом режиме система работает с момента пуска во всём диапазоне рабочих нагрузок. Расход электроэнергии на питательных насосах снизился 20...50%, на ТДМ на 40…80%.

Высокая эффективность применения преобразователей частоты получена на насосах подпитки тепловой сети МУП "Тепловые сети" г. Куса. Экономия электро­энергии составила более 50%. Встроенный в преобразователь ПИД-регулятор стабилизирует давление на оптимальном значении. Снижение средне­суточных колебаний давления в сети с 1,0 до 0,01 кг/см², рис. 4. Потребление электроэнергии насосом подпитки теплосети снизилось в два раза. Затраты на ремонты теплосети, двигателей и аппаратуры сократились в три раза. Надёжность работы теплосети зимой увеличилась многократно.

Следует отметить, что на механизмах собственных нужд ТЭС мощностью до 1600 кВт, оптимальным решением является использование однотрансформаторной схемы с одним понижающим сухим, необслуживаемым трансформатором в комплекте с низко­вольтным компактным преобразо­вателем частоты с использованием отечественных двигателей низкого напряжения (380, 500, 690 В). Применение однотрансформаторной схемы в МУП Курганводоканал на насосе станции 2-ого подъема очистных сооружений мощность 630 кВт, 380 В позволило снизить капитальные затраты посравнению с двухтрансорматорной схемойц на 35 %. Экономия составила 82560 кВтч или 280 тыс. руб. в месяц.

Существенный энергосберегающий эффект достигается путем правильного выбора рабочих параметров и типа насосного агрегата. Например, на котельной пос. Мебельный в г.Челябинске были установлены насосы "Vogel Pumpen" (ITT), обладающие высоким и крутой рабочей характеристикой в результате мощность двигателей и потребляемая мощность может снижены ещё на 20-40%.

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 А.М., Неуймин, А.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 Energu 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.Пахомова, д.т.н. Е.В.Мартынова, Л.П.Аблатыповой.- Казанский государственный университет им.В.И.Ульянова-Ленина, 2005 -748 с.