Національний університет «Львівська політехніка»

Кравець Тарас Юрійович

УДК 621.311.22;

662.933.1

Вплив якості палива на ефективність роботи енергоблоків теплових електричних станцій

05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Львів - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті „Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Мисак Йосиф Степанович,

Національний університет „Львівська політехніка”

завідувач кафедри „Теплотехніки і теплових електричних станцій”

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор,

член-кореспондент НАН України

Майстренко Олександр Юрійович,

Інститут вугільних енерготехнологій НАН України, заступник директора;

кандидат технічних наук

Куновський Генадій Петрович,

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, завідувач кафедри „Теплоенергетики” Бурштинського енергетичного коледжу

Захист відбудеться „ 26 ” червня 2008 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.04 при Національному університеті „Львівська політехніка” за адресою: 79013, Львів-13, вул. C. Бандери, 12, корпус 10, ауд. 51.

Із дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету „Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів - 13, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий „ 26 ” травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент Вашкурак Ю.З.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Необхідність визначення впливу якості твердого палива на ефективність роботи енергоблоків теплових електричних станцій (ТЕС) виникла одночасно із надходженням на ТЕС України твердого палива непроектної якості.

Виробництво електроенергії в Україні базується, в основному, на атомній і тепловій енергетиці, частка останньої у загальному виробництві енергії складає близько 50 %. Стале забезпечення ТЕС вугіллям українських басейнів призвело до суттєво нових умов експлуатації та функціонування існуючого устатковання енергогенерувальних потужностей України. Потрібно зазначити, що із зменшенням обсягів споживання тепло- і електроенергії, зумовлених загальною економічною кризою в державі, починаючи з 90-х років, об’єм постачання вугілля на ТЕС також суттєво знизився.

У зв’язку з тим, що на ТЕС України все таки надходить тверде паливо непроектної якості, виникає потреба у дослідженні впливу такого палива на ефективність та роботу блоків ТЕС і вирішення задач, які при цьому виникають. Одним із способів вирішення проблеми є детальне вивчення та розробка методів визначення впливу якості палива на техніко-економічні показники котлів та блоків ТЕС в цілому з подальшою реалізацією технічних рішень для підвищення ефективності роботи устатковання.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукова робота виконана за тематикою наукової роботи кафедри “Теплотехніки і ТЕС” Національного університету “Львівська політехніка” та за планами робіт ВАТ “ЛьвівОРГРЕС”, які враховували роботи координаційних планів галузі, рішень науково – технічних конференцій, семінарів, нарад з проблем енергозбереження.

Мета роботи і задачі досліджень. Метою роботи є визначення впливу якості твердого палива на ефективність і техніко-економічні показники енергоблоків ТЕС, розробка методів та технологій з метою досягнення оптимальної роботи устатковання.

Для досягнення поставленої мети у роботі вирішувались такі задачі:

- аналіз тенденцій зміни якісних показників палива, що поступає на ТЕС;

- проведення теоретичного обґрунтування впливу калорійності, зольності та вологості палива на ефективність роботи енергоблоків ТЕС;

- розроблення методу розрахунку збитку нанесеного відхиленням якості твердого палива від проектного значення на енергоблоках 200 і 300 МВт;

- розробка експериментально-розрахункового методу визначення поправочних коефіцієнтів до питомої витрати молольних куль млина типу КБМ 370/850 котла ТПП-210А енергоблоку 300 МВт та КБМ 287/410 котла ТП-10;

- експериментальне визначення питомої витрати електроенергії на розмелювання і пневмотранспорт пилу залежно від кульового завантаження барабана млина типу КБМ 370/850 котла ТПП-210А;

- виявлення впливу вологості вугілля на продуктивність млинів типу КБМ;

- розроблення алгоритму та методу розрахунку впливу якості твердого палива на обмеження досягнення номінальної потужності енергоблоків 200 та 300 МВт;

- розробка нових схем та способів роботи пиловугільних котлів енергоблоків 200 і 300 МВт.

Об’єктом дослідження є пиловугільні котли ТП-100, ТПП-210А з пилосистемами, що вміщають млини типу КБМ, енергоблоків потужністю 200 і 300 МВт, та котел ТП-10.

Предмет дослідження - вплив якості палива на ефективність та техніко-економічні показники роботи енергоблоків ТЕС потужністю 200 і 300 МВт.

Методи дослідження. В роботі використаний комплексний метод досліджень, що полягає у сумісному використанні експериментальних даних досліджень та аналітичного визначення оптимальної роботи пилосистем блоків ТЕС потужністю 200 і 300 МВт. Достовірність досліджень забезпечена застосуванням сучасних підходів до розробки моделей, а такох конкретністю гіпотез відносно процесів, що вивчаються.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

- вперше розроблено алгоритм та метод визначення продуктивності кульового барабанного млина під час розмелювання кам’яного вугілля змінної якості, що дозволяє ефективно визначати продуктивність млина;

- розроблено новий метод оцінювання збитку нанесеного ТЕС від зниження якості палива, який дає змогу оцінити втрати від спалювання непроектних палив;

- вперше розроблено алгоритм та метод для визначення поправочних коефіцієнтів до питомої витрати молольних куль та отримані числові значення для млинів типу КБМ 370/850 та КБМ 287/410, що дає можливість підвищити ефективність їх роботи;

- вперше розроблено алгоритм, метод та програму розрахунку з визначення потужності енергоблоків 200 та 300 МВт залежно від якості твердого палива, що дає можливість оперативно оцінювати величину потужності залежно від якості палива;

- отримано аналітичні залежності продуктивності млина типу КБМ від вологості кам’яного вугілля та режимних характеристик, що дозволяє оперативно визначати продуктивність млина.

Практичне значення одержаних результатів полягає у створенні:

- методу визначення впливу якості твердого палива на обмеження номінальної потужності енергоблоку;

- нормативного документу для Мінпаливенерго України: “Норми витрат куль для вуглерозмольних млинів кульових барабанних на розмел антрациту, кам’яного та бурого вугілля”, ГКД 34.20.507, 2005р.

- двох технологічних схем пилосистем з млинами типу КБМ, енергоблоків з пиловугільними котлами, на які отримано патенти України на винахід (№73881, №80868) та способу підготовки до спалювання вугілля (Патент України №79202).

Впровадження результатів роботи виконано:

- на Трипільській ТЕС - метод визначення максимальної потужності блока

300 МВт з котлами ТПП-210А залежно від зміни якості палива - 2003р;

- на Бурштинській ТЕС - метод визначення поправочних коефіцієнтів до питомої витрати молольних куль млина типу КБМ 370/850 котла ТП-100 енергоблоку 200 МВт - 2005р;

- на Добротвірській ТЕС - метод визначення поправочних коефіцієнтів до питомої витрати молольних куль млина типу КБМ 287/410 котла ТП-10 - 2006р.

Особистий внесок здобувача полягає у постановці та вирішенні теоретичних та експериментальних задач, пов’язаних з розробкою методів, алгоритмів і нормативної бази впливу якості палива на роботу пилосистем блоків; методу визначення впливу показників якості палива на техніко-економічні показники пилосистем котельних установок і блоків; нормативної документації, що регламентує норми витрат куль для вуглерозмольних млинів кульових барабанних на розмел антрациту, кам’яного та бурого вугілля; обробці, аналізі та розрахунках отриманих результатів. Постановка завдання та формулювання висновків виконувались під керівництвом наукового керівника д.т.н., професора Мисака Й.С.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень та розробок автора обговорювалися на 6 міжнародних та республіканських конференціях, серед них: десята міжнародна конференція “Вдосконалення процесів та апаратів хімічних та харчових виробництв” (Львів , 1999р.); третя міжнародна науково-практична конференція “Проблеми економії енергії” (Львів, 2001р.); міжнародна науково-технічна конференція “Енергоефективність-2002” (Київ, 2002р.); четверта міжнародна науково-практична конференція “Проблеми економії енергії” (Львів, 2003р.); друга міжнародна науково-практична конференція “Сталий розвиток міст. Проблеми та перспективи енерго-, ресурсозбереження житлово – комунального господарства” (Харків, 2003р.); четверта міжнародна науково-практична конференція “Проблемы и пути совершенствования угольной теплоэнергетики” (Київ, 2006р.)

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано в 11 наукових працях, серед яких 5 статей у фахових наукових журналах України, 2 статті в наукових журналах країн СНД (Росія), отримано 3 патенти України на винахід, видано у співавторстві 1 нормативний документ для Мінпаливенерго України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Матеріали викладено на 179 сторінках тексту, містять: рисунків – 41, таблиць - 9. З них на 10 сторінках – список використаних джерел із 120 найменувань, на 23 сторінках – 2 додатки.

Основний зміст роботи

У вступі викладено суть, обґрунтовано актуальність роботи та сформульовано основну мету та задачі досліджень, показано новизну та практичне значення роботи. Представлено відомості про апробацію за темою роботи.

У першому розділі на основі огляду літературних джерел показано проблеми використання палив погіршеної якості на ТЕС України. Встановлено динаміку зміни якості твердих палив за останні 30 років, що поступають на ТЕС, розкрито проблеми впливу якості твердих палив на експлуатаційні характеристики пилосистем, котлів та енергоблоків в цілому.

Рис. 1. Якість вугілля, що спалюється на ТЕС України.

а) нижча теплота згоряння , МДж/кг; б) зольність Ар,%; в) вологість Wр, %; 1 – Трипільська ТЕС (Донецький АК); 2 – Ладижинська ТЕС (Донецьке Г); 3 – Запорізька ТЕС (Донецьке Г); 4 – Бурштинська ТЕС (Львівсько-Волинське Г); 5 – Добротвірська ТЕС (Львівсько – Волинське Г)

За останні 15 років структура паливозабезпечення підприємств теплової енергетики України зазнала докорінних змін, що пов’язані з переходом високореакційних видів органічного палива (природний газ, мазут) до категорії імпортованих енергоносіїв, вартість яких стає близькою до ціни на світовому ринку. Постачання природного газу на ТЕС за 15 років зменшилось від 30-34 млрд.м3 до 7-10 млрд.м3, а використання мазуту практично зведене до мінімуму – від 10-11млн.тон до 0,1-0,5млн.тон за рік. На тлі зазначених тенденцій стале забезпечення ТЕС вугіллям українських басейнів стало основним і визначальним фактором функціонування енергогенерувальних потужностей ТЕС України.

Практично на всіх ТЕС України встановлено пиловугільні котлоагрегати з факельною технологією спалювання вугільного пилу, яка вимагає використання високоякісного проектного вугілля з теплотою згоряння ~ 20 МДж/кг і вище, що є практично неможливим з огляду на існуючу ресурсну базу держави. Крім цього, факельне спалювання вугілля характеризується високими значеннями викидів оксидів азоту і сірки, а забезпечення необхідного теплового навантаження передбачає використання високореакційного палива на “підсвічування” факелу.

Для України вугілля є практично єдиним енергоносієм для ТЕС місцевого походження, запасів якого (47-50 млрд. тон) за сучасними темпами його використання вистачить на сотні років. Тому виникла потреба у визначенні та прогнозуванні тенденцій зміни якісних характеристик твердого палива.

За 30-ти літній період на ТЕС України, що спалюють вугілля українських родовищ, погіршилась якість твердого палива, що постачається, порівняно з його проектними показниками (рис. 1). Калорій-ність палива, що надходило на ТЕС у 1975 році становила 19 – 21 МДж/кг, а у 2005 році - 14 – 17 МДж/кг. Тобто спостерігається досить значна зміна якісних характеристик вугілля протягом року, а, нерідко, і протягом однієї робочої зміни. Це пов’язано з тим, що вугілля надходить одночасно з декількох шахт та збагачувальних фабрик, тому вологість вугілля різних постачальників становить 9 – 13 %, зольність 29 – 46 %, теплота згоряння 14 – 17 МДж/кг .

Для аналізу динаміки якісних характеристик вугілля введене поняття відносних показників якості. Динаміку зміни відносних показників якості вугілля різних родовищ України було підраховано та встановлено, що за останні 20 років відносна теплота згоряння вугілля знизилась на 0,25-0,3 у порівнянні з проектними показниками, відносна зольність і вологість вугілля зросла на 0,3 і на 0,1 - 0,2 відповідно.

Одним з основних негативних наслідків погіршення якості вугілля є зниження номінальної потужності котлів і блоків в цілому. Тому можна виділити три групи причин, що впливають на зниження номінальної потужності котлів, які працюють на вугіллі погіршеної якості:

- конструктивні – невідповідність конструкції основного та допоміжного устатковання умовам експлуатації, що змінилися;

- технологічні - пов’язані із зміною параметрів перебігу технологічного процесу (зниження температури ядра факелу, підвищення вологості і тугоплавкості золи, тощо);

- експлуатаційні - високі присмокти повітря, нестабільність роботи живильників пилу, інтенсивна золова ерозія труб конвективних поверхонь нагріву і газоходів тощо.

Блок - схему впливу зміни якості палива на техніко - економічні показники котлів та блоків в цілому показано на рис. 2.

Отже, використання вугілля для отримання тепло- та електроенергії буде актуальним досить тривалий період часу для України та вимагає свого технічного вирішення.

У другому розділі на основі аналізу експериментальних досліджень та аналітичного обґрунтування показано основні фактори, що впливають на процес горіння палива погіршеної якості в паливнях потужних котлів, розроблено метод обчислення збитку нанесеного відхиленням якості палива від проектного значення для енергоблоків 200 і 300 МВт з котлами ТП-100, ТПП-210А.

Рис. 2. Блок - схема впливу якості палива на техніко - економічні показники котлів і енергоблоків ТЕС

Збиток нанесений відхиленням якості палива від проектного можна оцінити, якщо підрахувати основні пункти затрат, пов’язані з погіршенням його якості. До цих пунктів відносимо: перевитрату палива від зниження ККД нетто котла, перевитрату палива від вимушеного спалювання в пиловугільних котлах газу та мазуту, перевитрату палива через зниження середнього навантаження блока, перевитрату палива через понаднормові простої в ремонті блоків з високими економічними показниками.

На основі аналізу експериментальних досліджень отримано залежність зміни втрат тепла з механічним недопалом від зміни калорійності палива, яку можна записати наступним чином:

, (1)

де - коефіцієнт пропорційності.

Зміну втрати тепла з механічним недопалом від зміни зольності можна описати:

, (2)

де - коефіцієнт пропорційності.

Для блоків 300 МВт з котлами ТПП-210А на кожні =100 ккал/кг та на кожен 1% вугілля марки АК ?0,31%.

Аналіз спалювання непроектного палива показує, що із зниженням теплоти згорання АК зростають втрати тепла з відхідними газами. За результатами експериментального дослідження котлів ТПП-210А температура відхідних газів зростає на 1,3 0С на кожні 100 ккал/кг зниження , що відповідає росту втрат тепла з відхідними газами на 0,1% на кожні 100 ккал/кг зниження .

Загальну зміну втрати тепла з відхідними газами , апроксимувавши експериментальні дані, можна записати:

, (3)

де - коефіцієнт пропорційності.

Таким чином, зменшення ККД нетто котельного агрегату ТПП-210А блоку 300 МВт при зниженні теплоти згоряння палива на 100 ккал/кг складе: =0,54%, що відповідає зниженню економічності при зниженні теплоти згорання від 5790 до 4620 ккал/кг ? 6,3%.

Числові значення коефіцієнтів пропорційності формул 1 - 3 для блоків 300 МВт з котлами

ТПП-210А наведено в табл. 1.

Виконано аналітичне обґрунтування та отримано основні математичні залежності для розрахунку перевитрат палива внаслідок зниження економічності роботи устатковання по наступних трьох основних складових.

Перевитрата палива від зниження ККД котла. Абсолютне збільшення питомої витрати умовного палива на кВт·год виробленої енергії, г.у.п./(кВт·год):

, | (4)

де ву – питома витрата умовного палива на блок, г.у.п./(кВт·год); - відносна зміна ККД нетто котла, яка визначається:

=, | (5)

де - питома зміна ККД нетто котла, %/(100 ккал/кг); - початковий ККД котла по відношенню до якого виконується розрахунок перевитрати палива, %; - початкове значення калорійності вугілля якому відповідає , ккал/кг; - значення калорійності вугілля, для якого виконано розрахунок перевитрати палива ккал/кг.

Таблиця 1-Коефіцієнти пропорційності , ,

Тип обладнання | Коефіцієнти пропорційності:

Енергоблоки 300 МВт з котлами ТПП-210А | 0,643 | 0,65 | 0,112

Перевитрата палива від зниження ККД нетто котла ТПП-210А енергоблоку 300 МВт на

0,54 %/(100 ккал/кг) складе: 23,9 г.у.п./(кВт•год). В цілому перепалювання вугілля марки АК через погіршення його якості складе:

(6)

де - різниця між калорійностями проектного та реального палив, ккал/кг;

В - річна витрата палива, т.у.п./рік; - ККД котлоагрегату під час його роботи на паливі проектної якості, %.

Для блоків 300 МВт з котлами ТПП-210А перевитрата донецького АК внаслідок зниження його калорійності від 5790 до 4620 ккал/кг при загальному споживанні його за рік 19 млн. т.у.п. складе: 1,33 млн. т.у.п./рік.

Для середньої по Мінпаливенерго України вартості вугілля АК 184 грн/т.у.п. збиток у грошовому еквіваленті складе 244,7 млн. грн/рік.

Перевитрата палива від вимушеного спалювання в пиловугільних котлах газу та мазуту. Абсолютне збільшення питомої витрати умовного палива на блок з пиловугільними котлами, порівняно з газомазутними котлами, г.у.п./(кВт·год):

, | (7)

де - середнє значення ККД брутто газомазутних котлів блоків, %; - ККД пиловугільних котлів, що спалюють газ (мазут) сумісно з твердим паливом, %; - питома витрата умовного палива на кВт·год виробленої електроенергії пиловугільного блока, г.у.п./( кВт·год); ав – частка високореакційного палива (по теплу, умовному паливу), що спалюється в паливнях пиловугільних котлів.

Для котла ТПП-210А енергоблоку 300 МВт абсолютне збільшення питомої витрати умовного палива буде становити: г.у.п./(кВт•год).

Перевитрата палива внаслідок зниження середнього навантаження блока. Зниження середнього навантаження пиловугільних блоків пов’язано, як із залученням їх до регулювання навантаження, так і з обмеженням зумовленим зниженням калорійності спалюваного твердого палива.

Величина перевитрати палива внаслідок зниження навантаження, г.у.п./(кВт·год): |

(8)

де - зміна питомої витрати палива на вироблену кВт·год при зміні навантаження блоку на 1 МВт, (г.у.п./ кВт·год)/МВт; - зміна навантаження блока, МВт.

Розрахунок перевитрати палива внаслідок зниження навантаження не враховує втрат від недовідпущення електроенергії споживачам.

Сумарна перевитрата палива від зниження економічності устатковання. Сумарна перевитрата палива від зниження економічності устаткування за рік в т.у.п./рік дорівнює: |

(9)

де Nвст – встановлена потужність блока (електростанції, групи електростанцій, що працюють на досліджуваному виді палива), кВт; ф – число годин використання встановленої потужності, год/рік.

У грошовому еквіваленті витрати від спалювання палива погіршеної якості складатимуть, грн/рік:

, (10)

де Куп – ціна тони умовного палива, грн/т.у.п.

Сумарний збиток нанесений блокам 300 МВт ТЕС з сумарною перевитратою вугілля марки АК за рік 1,33 млн. т.у.п. і ціні тони умовного палива 184 грн/т.у.п. складе 244,72 млн. грн/рік.

Вплив якості вугілля на ремонтне обслуговування. Середнє навантаження блоків має тенденцію з кожним роком знижуватись, а вартість капітальних ремонтів котлів зростає з часом, в основному, внаслідок збільшення вартості матеріалів та об’єму робіт з відновлення і заміни швидкозношуваних вузлів і зменшення терміну служби поверхонь нагріву.

Абсолютне подорожчання ремонтного обслуговування котельного устатковання від зниження якості вугілля, грн/рік: |

(11)

де ДС – питоме подорожчання ремонтного обслуговування котельного устатковання при зниженні калорійності твердого палива на 100 ккал/кг, коп.//(кВт·год); - абсолютне зниження калорійності вугілля, ккал/кг; - річний відпуск електроенергії блоком (електростанцією), (кВт·год)/рік.

Збільшення затрат на ремонт. Показано, що зниження теплоти згоряння палива і збільшення його зольності призводять до значного збільшення об’ємів палива, що використовується на електростанціях. Це викликає надмірну інтенсивну експлуатацію устатковання і підвищене зношування окремих його елементів. Оцінку затрат для кожного виду палива рекомендується проводити за рівнянням, грн/рік: |

(12)

де В – річна витрата твердого палива окремої марки, т/рік; d – умовна витрата пари на вироблення кВт·год електроенергії, кг/(кВт·год); Ц – питома вартість ремонтів, грн/т.пари при зміні на 100 ккал/кг; в0 – середня питома витрата палива окремого виду кг/(кВт·год); – частка твердого палива в загальному балансі електростанцій; Д - погіршення теплоти згоряння палива в розглядуваному році по відношенню до нормативної, ккал/кг.

Виконано аналітичне дослідження впливу якісних характеристик вугілля, що спалюються в котельних уставах блоків ТЕС на процес розмелювання в млинах типу КБМ, блоків ТЕС.

Характер подрібнення в млинах описується законом Кірпічова – Кіка.

Розв’язок рівняння ускладнюється багатофакторністю представленої задачі. Тому під час обробки експериментальних даних, встановлено залежність продуктивності розмелювання вугілля в млині типу КБМ від вологості твердого палива та режимних характеристик пилосистем.

Отримано залежність продуктивності В, т/год КБМ від вологості кам’яного вугілля :

, | (13)

- марка Т Донецького басейну:

- марка Г Львівсько-Волинського басейну:

, | (14)

- марка АК Донецького басейну:

, | (15)

- марка Т Кузнецького басейну:

. | (16)

В третьому розділі на основі результатів досліджень процесів розмелювання вугілля і зношення молольних куль для млинів типу КБМ 370/850 (Ш-50А) і КБМ 287/410 (Ш-12) розроблено і експериментально перевірено метод визначення поправочних коефіцієнтів до питомої витрати куль від збільшення вологості вугілля. Отримано питому витрату електроенергії на розмелювання і пневмотранспорт залежно від кульового завантаження барабана млина.

Дослідження виконували на котлах ТПП-210А Трипільської ТЕС, які обладнано пилосистемами з млинами типу КБМ 370/850 (Ш-50А) для розмелювання кам’яного вугілля марки АК Донецького басейну та котлах ТП-10 Добротвірської ТЕС, які обладнано пилосистемами з млинами типу КБМ 287/410 (Ш-12) для розмелювання кам’яного вугілля марки Г Львівсько-Волинського басейну.

Експериментально-розрахунковий метод включає послідовне виконання трьох етапів:

- складання розрахункових залежностей;

- експериментальне визначення продуктивності пилосистеми залежно від кульового завантаження барабана млина і вологості вугілля;

- порівняння значень поправочних коефіцієнтів, визначених за розрахунковими залежностями та експериментальними даними і на підставі результатів порівняльного аналізу уточнення розрахункових формул поправочних коефіцієнтів.

Принципову схему пилосистеми з розміщенням точок вимірювання наведено на рис. 3.

Формулу дійсної питомої витрати молольних куль можна подати у вигляді залежностей, які складено:

а) за розрахунковими даними:

, | (17)

де - питома витрата куль з врахуванням коефіцієнтів, на які не впливає зміна продуктивності млина; - розрахунковий коефіцієнт, який враховує зменшення продуктивності млина порівняно з проектним значенням:

, (18)

де - коефіцієнт, який враховує зменшення кульового завантаження барабана; - коефіцієнт, який враховує збільшення вологості вугілля;

б) за експериментальними даними:

, | (19)

де - експериментальний коефіцієнт, який враховує зменшення фактичної продуктивності млина порівняно з проектним значенням:

Рис. 3 Принципова схема системи з розміщенням точок вимірювання для КБМ 370/850 котла ТПП-210А блока 300 МВт.

БСВ - бункер сирого вугілля; КБМ - кульовий барабанний млин; БП - бункер пилу; МВ - млиновий вентилятор

, | (20)

Рис. 4. Залежність продуктивності пилосистеми з КБМ 370/850 котла ТПП-210А блока 300МВт від кульового завантаження барабана млина.

1 – пилопродуктивність, Впо для R90 = 7%; 2 - фактична продуктивність, Вм; 3 - витрата сухого вугілля, ; 4 - фактична пилопродуктивність, Вп

де - проектна і фактична продуктивність млина відповідно, т/год.

Експериментально визначалося:

- продуктивність млина, склад та якість вугілля;

- пилопродуктивність пилосисте-ми, фракційний склад та вологість готового пилу;

- темп (швидкості) зниження кульового завантаження під час довготривалої роботи млина без поповнення барабана молольними кулями;

- питому витрату електроенергії на розмелювання і пневмотранспорт.

Графічні залежності продуктивності пилосистеми від зміни кульового завантаження барабана показано на рис. 4. Залежності питомої витрати електроенергії на пилоприготування від кульового завантаження барабана млина наведено на рис.5.

Рис. 5. Залежність питомої витрати електроенергії на пилоприготування від кульового завантаження барабана млина КБМ 370/850 котла ТПП-210А блока 300МВт.

1 - питома витрата електроенергії на пилоготування; 2 - фактична питома витрата електроенергії на розмел; 3 - питома витрата електроенергії на розмел, яка приведена до =7%; 4 - питома витрата електроенергії на пневмотранспорт

Результати розрахунку оптималь-ного кульового завантаження млинів наведено в табл. 2.

Зміну експериментальних і розрахункових значень поправочних коефіцієнтів і залежно від кульового завантаження барабана млина наведено на рис.6, що показує хорошу узгодженість між експериментальними та розрахунко-вими даними і тим самим підтверджує достовірність розробленого методу.

, | (21)

Загальний поправочний коефіцієнт:

де - коефіцієнт, який враховує зменшення діаметра куль під час роботи млина без регламентованого ПТЕ поповнення кульового завантаження.

Таблиця 2 - Результати розрахунку оптимального кульового завантаження млинів типу КБМ 370/850 та КБМ 287/410

Найменування показника | КБМ 370/850 | КБМ 287/410

Критична швидкість обертання барабана, об/хв | 22 | 25

Співвідношення швидкостей обертання барабана[ - ] | 0,8 | 0,75

Оптимальна міра заповнення барабана кулями[ - ] | 0,18 | 0,2

Оптимальне кульове завантаження барабана млина, т | 80,7 | 26,0

У четвертому розділі подано розроблені та впроваджені на ТЕС методи визначення впливу якості твердого палива на ефективність роботи енергоблоків ТЕС, а також розроблені нові схеми та способи роботи пилосистем.

Рис. . Зміна експериментальних і розрахункових значень поправочних коефіцієнтів залежно від кульового завантаження барабана млина типу КБМ 370/850 котла ТПП-210А блока 300МВт.

? - коефіцієнт експериментальний Ке;

? - коефіцієнт розрахунковий Кр

Основним фактором, що обмежує паропродуктивність котлів і наявну потужність енергоблоку є дефіцит пиловугільного палива, який виникає за рахунок зменшення продуктивності млинів пилосис-тем у випадку розмелювання вугілля погіршеної якості.

У пилосистемах ТЕС України розмелювання кам’яно-го вугілля багатьох марок виконують в кульових барабанних млинах типу КБМ, тому актуальним є визначення продуктивності млинів такого типу залежно від зміни якості робочого палива.

Вплив характеристик робочого тіла на продуктивність млина рекомендується оцінювати коефіцієнтом розмельності , а рівень усіх інших показників є сталий.

Якщо вологість робочого палива відрізняється від проектної, то коефіцієнт розмельності можна подати у вигляді:

, | (22)

де – коефіцієнти розмельності реального і проектного вугілля відповідно; - вологість на робочу масу реального і проектного вугілля відповідно, %;

m – показник степеня, який визначається за результатами експериментальних вимірювань продуктивності млина становить: для бурого вугілля - m = 0,3ч0,5; для кам’яного вугілля - m = 0,5ч0,8; для АК – m = 0,8ч1,0.

Продуктивність млина типу КБМ визначається за формулою, т/год:

, | (23)

де - продуктивність млина під час розмелювання проектного вугілля, т/год.

Для млина типу КБМ зменшення величини кульового завантаження барабана і збільшення засмоктувань холодного повітря в пилосистему необхідно враховувати через систему поправочних коефіцієнтів.

Коефіцієнт, який враховує зменшення кульового завантаження млина:

, | (24)

Рис. . Залежність продуктивності млина типу КБМ від вологості кам’яного вугілля різних марок.

1 - Т Донецького басейну; 2 - Г Львівсько-Волинського басейну; 3 - АК Донецького басейну; 4 - Т Кузнецького басейну

де - вага завантаження млина паливом реальним і середньоексплуатаційним відповідно, т.

Збільшення засмоктувань холодного повітря в пилосистему К2 визначається за співвідношенням:

, | (25)

де б і б' – реальний і середньоексплуатаційний коефіцієнт засмоктувань холодного повітря в пилосистему відповідно; а – частка загальної кількості засмоктувань холодного повітря в пилосистему, яка надходить у вхідну горловину млина.

З урахуванням поправочних коефіцієнтів дійсна продуктивність млина (т/год) визначиться за формулою:

, | (26)

Результати визначення продуктив-ності млинів залежно від зміни вологості кам’яного вугілля різних марок під час його розмелювання показані на рис. 7.

Для АК погіршеної якості підвищення вологості на робочу масу палива від 7,5 до 12,0 % призводить до зниження продуктивності млина типу КБМ 370/850 (Ш-50А) в середньому на 4,2 т/год на кожен відсоток збільшення вологості, а в діапазоні 12 ч 19 % - на 1,8 т/год.

Актуальним є визначення досягнутої потужності залежно від якості палива. Максимальна потужність енергоблоку залежить від: складу та якості твердого палива; максимальної продуктивності пилосистеми; економічності котла і величини “підсвітки” пиловугільного факелу високореакційним паливом.

Розроблено алгоритм, метод та програму для розрахунку потужності енергоблоків

200 і 300 МВт з врахуванням послідовності зміни технологічних параметрів від моменту розмелювання твердого палива до генерування електричної енергії, які враховують:

- наявну витрату пиловугільного палива на котел від вологості на робочу масу палива ВВ=f(Wр);

- корисне тепловиділення твердого палива від наявної витрати пиловугільного палива на котел і його калорійності =f(ВВ,, );

- витрату тепла брутто на турбоагрегат від корисного тепловиділення твердого палива і частки тепла на підсвітку пиловугільного факела =f( аф);

- максимальну потужність енергоблока від витрати тепла брутто на турбоагрегат NT=f().

Рис. . Номограма визначення потужності енергоблоку 300 МВт з котлом ТПП-210А, та млинами типу КБМ 370/850 (Ш-50А).

, МДж/кг: 1 – 20,93; 2 – 18, 84; 3 – 16,75; 4 – 14,65; 5 – 12,56;

аф: 6- 0,05; 7 –0,1; 8 – 0,2; 9 – 0,3; 10 – 0,4; 11 – 0,5; 12 – 0,6

Практичне застосування розробленого методу виконано на прикладі визначення максимальної потужності енергоблоку 300 і 200 МВт. Номограма визначення потужності енергоблоку 300 МВт показана на рис. 8.

Виконано перевірення результатів запропонованого методу на енергоблоці 300 МВт з котлом ТПП–210А.

Результати випробувань і знайдені за розробленим методом показали розходження не більше 2% від величини прямих вимірювань потужності.

Для підвищення ефективності роботи пиловугільних котлів енергоблоків під час спалювання непроектних видів палива розроблені нові схеми та способи роботи пилосистем.

На рис. 9 показана пилосистема маневреного котла. В основі запропонованої пилосистеми закладено принцип підвищення продуктивності кульового барабанного млина КБМ-370/850 в режимах пікових навантажень, а також його маневреності під час використання вугілля змінної якості.

На лінії повернення недомелу із сепаратора в кульовий барабанний млин додатково встановлено бункер повернення недомелу із сепаратора з живильниками, пилопроводами, які з’єднані послідовно з сепаратором і млином. За рахунок додатково встановленого бункера повернення пилу із сепаратора, та використання його в години „пік” досягається збільшення продуктивності млина.

Рис. . Пилосистема маневреного котла.

1 - бункер сирого вугілля; 2 - відсічний шибер; 3 - живильник сирого вугілля; 4 - проміжний бункер пилу; 5 - живильник звороту пилу; 6 - повітропровід; 7 - млин; 8 - сепаратор; 9 - мигалки; 10 - циклон; 11 - млиновий вентилятор; 12 - скидні пальники котла

Розмелювання зворотньо-го пилу можна виконувати періодично по мірі накопичення в бункерах пилу поверненого із сепаратора незалежно від навантаження котла, тим самим підвищуючи маневре-ність пилосистеми.

На рис.10 показано пилосистему котла, що дозволяє підвищити економіч-ність та стабільність роботи котла шляхом роздільного спалювання тонких та грубих фракцій готового пилу.

Досягається це послідов-ним розташуванням сепарато-рів і під’єднання трубопроводу повернення додаткового сепаратора до ізольованої частини бункера пилу або окремого бункера. Така компоновка пилосистеми дозволяє отримувати пил різного фракційного складу для роздільного спалювання без зниження загальної пилопродуктивності системи, що збільшує стабільність та економічність процесу горіння, покращує вихід рідкого жужелю, дозволяє розширити експлуатаційний діапазон навантажень котла, підвищити маневреність в пікових та нестаціонарних режимах його роботи.

Запропоновано новий спосіб підготовки до спалювання твердого палива, який через покращення займання і стабілізації процесу горіння вугільного пилу, дозволяє ефективне його спалювання (рис. 11).

Аеросуміш в межах пальника розділяється на два потоки з різними концентраціями вугільного пилу, під час цього змішується потік меншої концентрації з гарячим повітрям.

Рис. . Пилосистема.

1 - млин; 2, 6 - сепаратор; 3, 7 - пристрій регулювання тонкості млива; 4, 5, 8, 9 - трубопровід; 10 - циклон; 11 - бункер пилу грубих фракцій; 12 - бункер пилу тонких фракцій | Рис.  Пристрій для підготовки до спалювання твердого палива змінної якості.

1-дільник потоку аеросуміші; 2, 3 - канал аеросуміші; 4 - сопло гарячого повітря

На виході з пальника утворена горюча суміш з летких речовин і повітря займається під дією випромінювання топкового об’єму і сприяє більш ранньому запалюванню потоку аеросуміші з меншою концентрацією вугільного пилу, який в свою чергу є запалювальним факелом для решти потоку аеросуміші. Таке трьохступеневе займання аеросуміші забезпечує загальну стабілізацію процесу горіння.

висновки

1. За 30-ти літній період на ТЕС, що спалюють вугілля українських родовищ, погіршилась якість твердого палива: калорійність палива, що надходило на ТЕС у 1975 році становила 20 – 21 МДж/кг, а у 2005 році - 14 – 17 МДж/кг, зросла зольність та вологість. Показано проблеми, які виникають при цьому на енергоблоках ТЕС.

2. Вперше на основі аналітичних та експериментальних досліджень розроблено метод обчислення збитку нанесеного відхиленням якості палива від проектного значення для енергоблоків 200 і 300 МВт з котлами ТП-100, ТПП-210А.

3. Отримано аналітичні залежності та поправочні коефіцієнти зміни втрат тепла з механічним недопалом для палив марки АК, що спалюється в паливнях котлів ТПП-210А, як функція від його калорійності та зольності.

4. Вперше розроблено метод визначення поправочних коефіцієнтів , , до питомої витрати для млинів типу КБМ 370/850 (Ш-50А) котла ТПП-210А.

5. Розроблено та впроваджено у виробництво експериментально - розрахунковий метод визначення продуктивності млина типу КБМ при розмелюванні вугілля змінної якості. Введені коефіцієнти і , що враховують зменшення кульового завантаження млина та збільшення засмоктування холодного повітря в пилосистему відповідно, виявлено залежність показника степеня від коефіцієнта розмельності .

6. Розроблено алгоритм, метод та програму для розрахунку потужності енергоблока з врахуванням послідовності зміни технологічних параметрів від моменту розмелювання твердого палива до генерування електричної енергії. Побудовано практичні номограми для блоків 200 і 300 МВт з котлами відповідно ТП-100 і ТПП-210А.

7. Запропоновано нові системи та способи пилоприготування з КБМ, що дозволяють підвищити маневрені характеристики котлів та блоків під час спалювання непроектних видів палива, на які отримано патенти на винахід.

Основні публікації за темою дисертації

1. Голишев Л.В., Мисак Й.С., Кравець Т.Ю. Визначення продуктивності кульового барабанного млина при розмелі кам’яного вугілля погіршеної якості // Энергетика и Электрификация. Київ - 2000. - №8. - С. 13-15. Особистий внесок: виконання розрахунків по визначенню закономірностей процесу розмелювання кам’яного вугілля, та розроблення алгоритму визначення продуктивності млинів.

2. Мисак Й.С., Івасик Я.Ф., Кравець Т.Ю. Вплив якості палива на техніко-економічні показники котельних установок теплових електростанцій // Вісник НУ “Львівська політехніка“. Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. Львів – 2000. – №404. – С. 89 - 96. Здобувачеві належить проведення літературного огляду по даній тематиці .

3. Влияние качества твёрдого топлива на ограничение номинальной мощности энергоблока / Голышев Л.В., Мисак Й.С., Довголетес Г.А., Сиденко А.П., Кравець Т.Ю. // Теплоэнергетика. Москва- 2001. - №7. – С. 19-22. Здобувачеві належить концепція статті та розроблення алгоритму послідовності визначення номінальної потужності енергоблока.

4. Економічна ефективність використання низькоякісного твердого палива західного регіону України для виробництва електроенергії / Гелетій З., Росколупа А., Мисак Й., Кравець Т. // Вісник НУ “Львівська політехніка“. Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. Львів – 2002. – №460. – С. 123 - 127. Здобувачеві належить аналіз літературних джерел за даною тематикою та підготовка статті до друку.

5. Проблеми спалювання низькосортного палива в котельних установках

/ Мисак Й.С., Кравець Т.Ю., Матусевич В.К., Омеляновський П.Й. // Науково-технічний збірник конференції “Сталий розвиток міст. Проблеми та перспективи енерго-, ресурсо-збереження житлово-комунального господарства”. Львів – 2003. - №49. - С.47 - 51. Здобувачеві належить розробка концепції наукової праці та проведення літературного огляду.

6. Голишев Л.В., Мисак Й.С., Кравець Т.Ю. Влияние зольности угля на устойчивость горения угля АШ в котле ТПП – 210А // Электрические станци. Москва - 2006. - № 1. – С. 6 - 9. Здобувачеві належить аналіз джерел літератури та визначення мінімальної величини газомазутного палива на підсвітку пиловугільного палива.

7. Визначення поправкових коефіцієнтів до питомої витрати розмелювальних куль у разі розмелювання вугілля марки АК / Голишев Л.В., Мисак Й.С., Міщенко Ю.М., Кравець Т.Ю.// Энергетика и Электрификация. Київ – 2005. - №10. – С. 6 - 9. Здобувачеві належить розроблення методу визначення поправочних коефіцієнтів до питомої витрати молольних куль у випадку розмелювання вугілля марки АК.

8. Нормативний документ. Норми витрат куль для вуглерозмольних млинів кульових барабанних на розмел антрациту, кам’яного та бурого вугілля / Лошак О.С., Галайко В.Д., Сушицька Е.І., Мисак Й.С., Голишев Л.В., Кравець Т.Ю.// Галузевий резервно-інвестиційний фонд розвитку енергетики. - 2005. - СОУ – Н МПЕ 40.1.10.333:200. –14с. Здобувачеві належить розроблення методу визначення поправочних коефіцієнтів до питомої витрати молольних куль.

9. Патент України 73881, F23К1/00. Пилосистема маневреного котла / Мисак Й.С., Кравець Т.Ю., Клуб М.В., Винницький І.П., Кузик М.П. - №2004021422; Заявл.27.02.2004р.; Опубл.15.09.2005., Бюл. №9.-2с. Здобувачеві належить розроблення схеми пилосистеми, підготовка матеріалів.

10. Патент України 79202, F23D1/00. Спосіб підготовки до спалювання твердого пилоподібного палива / Голишев Л.В., Мисак Й.С., Винницький І.П., Климчук О.В., Івасик Я.Ф., Ільницький А.К., Кравець Т.Ю. - №а200509609; Заявл.13.10.2005р.; Опубл25.05.2007., Бюл. №7.-2с. Здобувачеві належить проведення аналізу існуючих способів підготовки до спалювання твердого пилоподібного палива та розробка ідеї винаходу.

11. Патент України 80868, F23К3/00. Пилосистема / Голишев Л.В., Мисак Й.С., Ільницький А.К., Клуб М.В., Івасик Я.Ф., Кравець Т.Ю. - №а200509625; Заявл. 13.10.2005р.; Опубл.12.11.2007.-2с. Здобувачеві належить розроблення схеми пилосистеми під час роботи її з твердим паливом погіршеної якості.

АНОТАЦІЯ

Кравець Т.Ю. Вплив якості палива на ефективність роботи енергоблоків теплових електричних станцій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2008.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню впливу якості палива на ефективність та техніко - економічні показники роботи пиловугільних котлів типу ТП-100, ТПП-210А з пилосистемами, що мають млини типу КБМ енергоблоків ТЕС 200 і 300МВт для досягнення оптимальної роботи устатковання.

В роботі виконано низку експериментальних досліджень, на основі яких було