Исследования переходных процессов в топке высокотемпературного кипящего слоя

Экспериментальные исследования переходных процессов в топке высокотемпературного кипящего слоя котла малой мощности при сжигании торфа для разработки системы автоматического регулирования

Д.т.н. А.В. Смирнов, профессор, заведующий кафедрой; к.т.н. М.А. Карпов, старший преподаватель; А.Г. Киревнин, инженер; Р.В. Васильев, инженер, Военный инженерно-технический университет, г. Санкт-Петербург

Перспективным направлением реконструкции, модернизации и технического перевооружения муниципальных и ведомственных угольных котельных малой мощности для теплоснабжения объектов ЖКХ является применение технологии сжигания топлива в высокотемпературном кипящем слое (ВТКС), а также их перевод на сжигание местных сортов топлива (фрезерный торф, древесные отходы).

Исследования, проводимые в данном направлении специалистами кафедры теплосиловых установок Военного инженерно-технического университета (г. Санкт-Петербург), позволили получить патент на полезную модель «Котлоагрегат для сжигания фрезерного торфа и древесных отходов в кипящем слое» [1]. Следующим шагом стала разработка конструкторско-монтажной документации на котел КВП-1,5-ВТКС-Д, его промышленное изготовление. Конструктивная схема и общий вид разработанного котла приведены на рис. 1 и 2. Для котельного агрегата выполнены пуско-наладочные работы, теплобалансовые и комплексные испытания на статических режимах работы.

Данные испытания в целом показали устойчивую работу котла на фрезерном торфе с влажностью до 40% и выше с высоким КПД (в диапазоне 79-84%) в интервале нагрузок от 30 до 100%. Однако, не менее важными являются задачи по исследованию работы котла при пуске или останове, а также при изменении нагрузки на переходных режимах. Изучение таких режимов позволит разработать систему автоматического регулирования.

Известны результаты экспериментальных исследований переходных процессов [2, 3], выполненные для котельного агрегата КВП-1,74-ВТКС, работающего на угле. Однако данные результаты нельзя в готовом виде применить для котельного агрегата КВП-1,5-ВТКС-Д из-за следующих отличительных особенностей:

  • торф имеет существенно меньшую насыпную плотность, чем уголь, и, как следствие, повышенную «парусность». Данное обстоятельство оказывает существенное влияние на аэродинамические процессы в топке котла;
  • торф имеет существенно меньшую теплотворную способность, чем уголь. Кроме того, торф и уголь отличаются по своему химическому составу (торф имеет большую влажность, но меньшую зольность, чем уголь), что оказывает влияние на тепловой режим топочных процессов и аэродинамические процессы в топке котла (повышенный унос, отсутствие шлака);
  • конструкция котла КВП-1,5-ВТКС-Д отличается от угольного аналога тем, что отсутствует надрешеточная панель охлаждения и добавлен воздухоподогреватель, в котором воздух подогревается до 150 ОС. Данные конструктивные особенности оказывают существенное влияние на тепловое напряжение объема топочного пространства.
  • время запаздывания объекта находится в пределах 60-100 ОС;
  • время разгона объекта Тоб - в пределах 270...740 ОС;
  • заброс параметра ρ (температуры слоя) - в пределах 35-42 ОС.

Как видно, перечисленные особенности котла КВП-1,5-ВТКС-Д могут оказывать существенное влияние на протекание топочных процессов как при статических, так и при динамических режимах работы.

При работе топки кипящего слоя одним из основных параметров, который требует регулирования, является температура слоя. Данный параметр является важным индикатором качества процесса горения топлива. Какое-либо изменение температуры кипящего слоя будет свидетельствовать о нарушениях оптимального соотношения топливо-воздух, обеспечивающего полноту сгорания топлива и, как следствие, высокое значение КПД. При этом, чем быстрее будут изменены основные параметры кипящего слоя (давление и расход первичного и вторичного воздуха, разрежение, скорость движения колосниковой решетки) и приведены в оптимальное соотношение после возмущающего воздействия изменения расхода топлива, тем меньше времени котел будет работать в нерасчетном режиме с пониженным значением КПД. Поэтому своевременное реагирование на изменение температуры кипящего слоя при возмущающих воздействиях является важным фактором обеспечения экономичности работы котла.

Очевидно, что регулирование работы котла в ручном режиме со щита управления будет малоэффективным из-за значительного числа взаимосвязанных параметров. Система автоматического регулирования, работающая в соответствии с законами изменения температуры кипящего слоя при основных возмущающих воздействиях (изменение расходов топлива и воздуха), сможет максимально эффективно и оперативно переводить котел с одного режима на другой и поддерживать статический режим работы котла при каких-либо внештатных возмущениях с минимальным снижением экономичности.

Изложенное предопределяет необходимость исследования закона изменения температуры кипящего слоя при возмущающих воздействиях. Для решения этой задачи было проведено четыре серии экспериментов, в которых исследовалось влияние основных возмущений на температуру кипящего слоя (увеличение и уменьшение расхода топлива и воздуха).

Изменение подачи топлива осуществлялось изменением частоты вращения двигателя мотор-редуктора привода скребкового питателя при помощи частотного преобразователя. Кроме того, аналогичным частотным преобразователем осуществлялось регулирование скорости движения наклонной колосниковой решетки для изменения времени пребывания топлива в топке котельного агрегата, а, следовательно, для оптимизации полноты его выгорания.

Изменение подачи воздуха регулировалось с помощью газоплотных поворотных заслонок, приводимых в движение электрическими однооборотными механизмами (МЭО). Поворотные заслонки установлены на каждом из коллекторов вторичного дутья и по всем четырем зонам первичного дутья. Для точного регулирования подачи первичного воздуха по зонам дутья было принято техническое решение о замене воздуховодов квадратного сечения, которые применялись на котельных агрегатах КВП-1,74-ВТКС, работающих на угле в пос. Горская Ленинградской области, на воздуховоды круглого сечения. Это позволило заменить негерметичные заслонки квадратного сечения на газоплотные поворотные заслонки.

Предусмотрено регулирование разрежения в топке котла, которое осуществляется при помощи шибера, установленного на дымоходе, и направляющего аппарата дымососа. Контроль за давлением по зонам первичного дутья, в коллекторах вторичного дутья, а также контроль за разрежением в топке возможен с помощью показывающих приборов. При возникновении каких-либо аварийных ситуаций срабатывает световая сигнализация.

Снятие временных характеристик топки котла КВП-1,5-ВТКС-Д производилось следующим образом. После установления стационарного состояния и стабилизации исследуемых величин, отображаемых на щите управления, создавалось возмущающее воздействие путем быстрого изменения положения одного из регулирующих органов.

В результате проведения экспериментальных исследований были получены временные характеристики котла по каналам регулирования температуры слоя (рис. 3, 4).

Анализ полученных результатов показал следующее:

  • при увеличении подачи топлива в начале переходного процесса наблюдается некоторое снижение температуры слоя из-за увеличения расхода тепла на испарение влаги и прогрев топлива, а затем рост температуры по мере увеличения концентрации горючих в объеме слоя (рис. 3а);
  • уменьшение расхода топлива приводит к некоторому увеличению температуры слоя из-за уменьшения расхода тепла на испарение влаги и прогрев топлива, а затем к уменьшению температуры по мере уменьшения концентрации горючих в объеме слоя (рис. 3б);
  • увеличение расхода воздуха приводит к незначительному увеличению температуры кипящего слоя за счет увеличения интенсивности горения топлива (при подаче большего количества воздуха), в дальнейшем наблюдается снижение температуры кипящего слоя в связи с увеличением доли тепла, расходуемого на нагрев большего количества воздуха, поступающего в топку (рис. 4а);
  • уменьшение расхода воздуха приводит к незначительному уменьшению температуры кипящего слоя за счет снижения интенсивности горения топлива при подаче меньшего количества воздуха, в дальнейшем наблюдается увеличение температуры кипящего слоя в связи с уменьшением доли тепла, расходуемого на нагрев воздуха, поступающего в топку (рис. 4б).

На основе анализа результатов экспериментальных исследований были определены динамические параметры объекта, а именно:

Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что процесс сжигания топлива в топках котлов с ВТКС является инерционным и продолжительным процессом. Это подтверждают численные значения времени запаздывания и времени переходного процесса, причем продолжительность процесса при изменении подачи топлива (740 с) в среднем в 2,7 раза выше, чем при изменении подачи воздуха (270 с). Немаловажно, что при возмущающих воздействиях, процессы, происходящие в котле, являются переходными процессами с самовыравниванием.

Предельные возмущающие воздействия в ходе проведения экспериментальных исследований оценены не были в виду того, что экспериментальная установка установлена не на постоянно действующей котельной. Однако, основываясь на результаты экспериментальных и теоретических исследований, с полной уверенностью можно утверждать, что топка котла малой мощности является хорошим тепловым аккумулятором, имеет инерционность и способность к самовыравниванию при ступенчатых возмущениях в пределах 20-30%.

Проведя сравнительный анализ с данными, описанными в [3, 4] для угольного котла КВП- 1,74-ВТКС, можно сделать вывод о том, что плавность регулирования на переходных процессах котельного агрегата с топкой кипящего слоя, работающего на торфе, приравнивается к плавности регулирования переходных процессов котельных агрегатов, работающих на жидком и газообразном топливе. Это объясняется тем, что выход летучих у торфа достигает 70% и реакция горения происходит большей частью в гомогенной среде, а не в гетерогенной, как это происходит при горении угля (выход летучих около 15%). Следовательно, процессы, происходящие при создании возмущающих воздействий на котельные агрегаты при горении торфа, являются менее инерционными, чем при горении угля.

Анализ показал, что значения динамических параметров, характеризующих работу котельного агрегата (время разгона, коэффициент само- выравнивания, коэффициент передачи, время запаздывания и др.) при сжигании торфа и угля имеют существенные отличия. Так, например, время разгона при увеличении подачи топлива составляет 740 с, что на 37% меньше, чем у котлов, работающих на угле. Заброс параметра (температуры слоя) при увеличении подачи топлива составил 35 ОС, что на 25% меньше, чем у котельных агрегатов, работающих на угле. Время запаздывания лежит в пределах 60-100 с, что на 40-50% меньше, чем для угольных котлов. Все это наблюдается не только из-за принципиального отличия процесса горения угля и торфа, связанного с высоким выходом летучих в торфе, что обуславливает большое тепловыделение в надслоевом пространстве, но и рядом конструктивных отличий между котельными агрегатами, работающими на торфе и угле. К таким отличиям, прежде всего, относится отсутствие погружных поверхностей нагрева и наличие воздухоподогревателя.

Выполненные экспериментальные исследования могут быть использованы для разработки программного обеспечения комплектного устройства [5] управления топочными процессами котлоагрегатов малой мощности с топками ВТКС при сжигании фрезерного торфа, а также при проектировании, строительстве, пуско-наладочных работах и эксплуатации твердотопливных котельных малой мощности на объектах ЖКХ муниципальных и ведомственных образований Российской Федерации.

329