Sprawozdanie z praktyki studenckiej po IV roku studiów.

Czas odbywania praktyki: lipiec i sierpień 2006r.

Temat przewodni praktyki:

Uczestnictwo w pracach pomiarowo-badawczych prowadzonych przez firmę „ENERGOTEST” Wrocław w Elektrociepłowni Kraków i Wrocław

Optymalizacja procesu spalania węgla standardowego oraz niskozasiarczonego w kotle OP-430 nr 3

w Elektrociepłowni Kraków

oraz

OP-230 w Elektrociepłowni Wrocław

Piotr Kotowicz

1. Przedmiot i cel pracy

Przedmiotem pracy jest kocioł OP-430, K-3, oraz urządzenia pomocnicze kotła. Praca dotyczy nowych metod ograniczania emisji zanieczyszczeń do atmosfery poprzez dobór węgli o odpowiednich własnościach. Celem opracowania jest optymalizacja pracy kotła i jego urządzeń pomocniczych w czasie tygodniowych testów spalania węgla dotychczasowego (standard) oraz nowych gatunków węgli niskozasiarczonych, ocena własności i przydatności tych węgli do spalania w kotłach pyłowych.

Głównym celem testu jest wykazanie, że można spalać węgiel niskozasiarczony, wysokokaloryczny przez długi okres czasu bez żadnej szkody dla kotła i jego urządzeń pomocniczych, względnie należy podjąć określone działania mające na celu zapewnienie poprawności eksploatacji na takim paliwie. Testy odbyły się na bloku 3 w okresie od 10 kwietnia do 24 kwietnia 2006 r.

Przyjęte kryteria oceny przydatności nowych węgli do spalania w badanym kotle:

• dotrzymanie wymaganych parametrów pracy kotła, a w szczególności praca kotła z wysoką sprawnością z zachowaniem przeciętnej dotychczasowej żywotności.

• ograniczenie emisji SO₂ do poziomu poniżej 1028 mg/Nm³ w przeliczeniu na 6% O₂,

• ograniczenie emisji NOx do poziomu poniżej 600 mg/Nm³ w przeliczeniu na 6% O₂,

• ograniczenie zawartości części palnych w popiele do poziomu poniżej 6%, a w żużlu do poziomu poniżej 10%,

• dotrzymanie temperatury pary wylotowej na poziomie 540^oC,

• ocena poziomu maksymalnych temperatur procesu spalania w palenisku, wyeliminowanie procesu szlakowania ekranów komory paleniskowej i przegrzewaczy, zebranie doświadczeń co do możliwości ciągłego spalanie paliw wysokokalorycznych

dla pełnego zakresu pracy kotła, tj. 65 ÷ 100% WMT przy pracy we wszystkich konfiguracjach pracy młynów.

2. Zakres pracy

Harmonogram szczegółowy realizowanej pracy przewidywał:

2.1 Prace przygotowawcze, wykonywane przed rozpoczęciem testu:

a) analiza dokumentacji projektowej i obliczeniowej urządzeń pomiarowych zabudowanych na kotle, wykonanie obliczeń sprawdzających.:

b) sprawdzenie urządzeń pomiarowych ilości powietrza oraz szczelności przewodów impulsowych,

c) wyznaczenie niezbędnych punktów pomiarowych dla celów pomiarów regulacyjnych i pomiarów optymalizacyjnych, .

d) wzorcowanie urządzeń pomiarowych,

2.2. Prace pomiarowo-optymalizacyjne instalacji młynowych kotła dla węgla standard

a) sporządzenie charakterystyk podajników węgla,

b) wyznaczenie optymalnej wentylacji młynów,

c) pomiary rozpływu pyłu i czynnika nośnego na pyłoprzewody,

d) pobór próbek pyłu węglowego i ich analiza sitowa i określenie wilgotności resztkowej,

2.3. Prace pomiarowo-optymalizacyjne kotła na węglu standardowym

a) rejestracja w systemie komputerowym kotła wybranych parametrów pracy kotła i urządzeń pomocniczych (min. 2 tygodnie) oraz ich gruntowna analiza.

b) określenie przebiegu ciśnienia powietrza gorącego w kolektorze i jego regulacja,

c) określenie właściwego nadmiaru powietrza w kotle oraz strumieni powietrza wtórnego,

d) określenie ilości powietrza do dysz OFA z uwagi na emisję NOx, CO i zawartość części palnych w żużlu i popiele oraz dotrzymywanie dopuszczalnych temperatur przegrzewu pary.

e) opracowanie niezbędnych funkcji opisujących nastawy do UAR oraz wprowadzenie ich do systemu automatyki procesu spalania w kotle OP 4301K-3.

f) pomiary sprawnościowe kotła przy jego optymalnym ustawieniu.(4 obciążenia)

2.4. Prace pomiarowo-optymalizacyjne instalacji młynowych kotła dla węgla LSC.

a) analiza pracy młynów na węglu LSC i ewentualna korekta do wentylacji młynów,

b) pomiary rozpływu pyłu i czynnika nośnego na pyłoprzewody,

c) pobór próbek pyłu węglowego i ich analiza sitowa i określenie wilgotności resztkowej,

2.5. Regulacja i optymalizacja procesu spalania w kotłe dla węgla LSC

a) rejestracja w systemie komputerowym kotła wybranych parametrów pracy kotła i urządzeń pomocniczych (cały okres testu oraz ich gruntowna analiza.

b) analiza pracy kotła na węglu LSC i opracowanie ewentualnych korekt do funkcji opisujących nastawy do UAR oraz wprowadzenie ich do systemu automatyki procesu spalania w kotle OP 4301K-3.

2.6. Prace po zaprogramowaniu UAR spalania

Wykonanie pomiarów końcowych na węglu LSC - sprawdzających instalację kotłową przy optymalnych parametrach pracy w celu ostatecznego potwierdzenia dotrzymywania wymaganych parametrów pracy kotła w całym zakresie obciążeń cieplnych i różnych konfiguracjach młynów.

2.7. Analiza wyników i opracowanie sprawozdania wraz z wytycznymi co do poprawnej eksploatacji kotła oraz remontów.

Zakres badań kotła dla pojedynczego wariantu obejmował:

1. wyznaczenie wydajności cieplnej kotła,

2. wyznaczenie sprawności kotła oraz strat cieplnych,

3. pomiar zanieczyszczeń gazowych (NO_x,SO₂, CO₂, CO) w spalinach,

4. pomiar temperatury spalin ciągły przed i za konwekcyjnym stopniem przegrzewacza pary oraz przed i za obrotowym podgrzewaczem powietrza,

5. pomiar temperatury pary ciągły przed i za każdym regulatorem wtryskowym oraz za kotłem,

6. rejestracja ciągla ilości wody do wtrysków,

7. pomiar ilości powietrza młynowego, powietrza wtórnego oraz mieszanki pyłopowietrznej,

8. pomiary młynów węglowych,

3. Przebieg realizacji.

Badania wykonane zostały z uwzględnieniem wymogów następujących norm:

1. Norma PN-72/M-34128."Kotły parowe: wymagania i badania odbiorcze"

2. Norma PN-89/M-34130/01; "Instalacje młynowe-wymagania i badania".

3. Norma PN-91/34131; "Instalacje młynowe-pobieranie próbek pyłu".

4. Norma ASME - PTC 4.3 - 1968

5. Norma PN-93/M-53950/01 "Pomiar strumienia masy i strumienia objętości płynów za

pomocą zwężek pomiarowych.

Testy spalania węgli o niskiej zawartości siarki w kotle K-3 prowadzone były w dniach od 17.04.06 do 24.04.06. Przed i po teście spalano węgiel standardowy, obecnie spalany w sposób ciągły.

Nadzór merytoryczny nad całością zagadnień związanych z testami prowadziła Politechnika Wrocławska. W czasie trwania testu Politechnika przeprowadziła badania kotła zarówno na węglu testowanym jak też dla celów porównawczych na węglu spalanym przed testem. Pomiary wykonano dla całego zakresu wydajności w.w. kotłów przy różnych konfiguracjach młynów. Wykonano pomiary młynów przy pracy na obu węglach. Zadokumentowano materiał badawczy opisujący stan kotłów i urządzeń pomocniczych w czasie trwania testów. Biorąc pod uwagę krótki okres spalania węgla LSC (ok. 194 godz.) oraz przewagę niskich obciążeń kotła zebrany materiał pomiarowy nie pozwala na szerszą analizę i ocenę zachowania się kotła przy spalaniu nowych węgli. Szczególnie, jeśli chodzi o zjawiska ewentualnego szlakowania i zanieczyszczania się powierzchni ogrzewalnych.

4. Opis badanego obiektu.

4.1. Ogólna charakterystyka kotła

Kocioł OP-430 zaprojektowany został do współpracy w bloku z turbiną upustowo-przeciwprężną typu 13 UP 110. Palenisko kotła przystosowane jest do spalania węgla kamiennego o wartości opałowej 18855÷20950 kJ/kg. Przewidziano możliwość przeciążenia kotła w szczy­cie ciepłowniczym do wydajności 450 t/h, przy zachowaniu temperatury wody zasila­jącej 485K (212°C) lub przy wydajności 430 t/h z obniżeniem temperatury wody zasila­jącej do 403K (130°C).

4.2. Ogólna charakterystyka konstrukcyjna kotła

Kocioł ma sylwetkę odwróconej litery „U” (Rys.1) i podwieszony jest na ruszcie nośnym wspartym na słupach nośnych budynku kotłowni. Kocioł wyposażony jest w trzystopniowy przegrzewacz pary z następującym roz­mieszczeniem:

• stopień pierwszy - strop kotła, ściany II-go ciągu, ściana boczna międzyciągu, przewał

• stopień drugi - grodzie kotła (pierwsza i druga)

• stopień trzeci - gródź ciasna w przedniej części przewału.

Pierwszy i drugi stopień przegrzewacza wyposażone są w schładzacze pary. Za drugim ciągiem umieszczone są obrotowe podgrzewacze powietrza, których wirniki wsparte są na osobnej konstrukcji nośnej przez dolne łożyska, natomiast obudowy podtrzymywane są na konstrukcji nośnej budynku i kotła. Szczelne połączenie między wylotem z leja żużlowego kotła, a lejem wlotowym odżużlacza zapewnia zamknięcie wodne.

Rys. 1. Kocioł OP-430 EC Kraków

4.3. Parametry techniczne kotła

Wydajność maksymalna trwała (WMT) 430 t/h

Wydajność od której osiąga się przegrzew pary świeżej 540°C 280 t/h

Minimalna wydajność kotła bez rozpalania palników olejowych 250 t/h

Ciśnienie pary na wylocie z kotła 13,8 MPa

Ciśnienie robocze w walczaku 15,4 MPa

Ciśnienie wody zasilającej na wlocie do kotła 15,8 MPa

Temperatura pary na wylocie z przegrzewacza 813K (540°C)

Temperatura wody zasilającej przy WM 483K (210°C)

Natężenie wody wtryskowej do schładzaczy pary przy WMT 9 t/h

Maksymalna wydajność instalacji schładzaczy pary 18 t/h

4.4. Powietrze

Temperatura powietrza przed wentylatorami powietrza 293K (20°C)

Temperatura powietrza gorącego przy WMT 628K (355°C)

Ilość powietrza do spalania 380 000 Nm3/h

Nadmiar powietrza na wylocie z komory paleniskowej λ=1,25

Nadmiar powietrza na wylocie z kotła λ=1,35

4.5. Spaliny

Temperatura spalin na wylocie z kotła 408K/443°C (135°C/170°C)

Ilość spalin na wylocie z komory paleniskowej 415 000 Nm3/h

Zawartość CO2 w spalinach przed podgrzewaczem obrotowym 15%

Zawartość CO2 w spalinach za podgrzewaczem obrotowym 13,8%

4.6. Straty i sprawność kotła

Strata wylotowa 5,5%

Strata niecałkowitego spalania 0,1%

Strata niezupełnego spalania 2,5%

Strata do otoczenia 0,5%

Suma strat 8,6%

Sprawność kotła η = 91,4%

4.7. Wentylatory spalin

Typ wentylatora - promieniowy BAB-120 (dwubiegowy)

Liczba sztuk na kocioł 2

Wydajność wentylatora 420 000/350 000 m3/h

Spiętrzenie wentylatora P =5070/3470 Pa przy 1,2 kg/m³

Masa właściwa spalin 0,9 kg/m³

Temperatura spalin 303÷343K (130÷170°C)

Prędkość obrotowa silnika 735/595 obr/min

4.8. Wentylatory powietrza WP1, WP2

Typ wentylatora - promieniowy WPPS-170/1,4 A+K

Liczba sztuk na kocioł 2

Wydajność wentylatora 254000 m3/h

Spiętrzenie wentylatora przy 1,2 kg/m3 Po=4050 Pa (405 kG/m2)

Masa właściwa powietrza 1,2 kg/m3

Temperatura powietrza 293K (20°C)

4.9. Młyny

Typ młyna - pierścieniowo-kulowy MK-25

Liczba sztuk na kocioł 4

Wydajność wymagana przy węglu:

- gwarancyjnym 23,3 t/h

- granicznym 25,0 t/h

Zapotrzebowanie powietrza suszącego 34500 Nm3/min (9,58 Nm3/sek)

Maksymalna dopuszczalna temperatura
powietrza suszącego 648K (375°C)

Granulacja węgla surowego 0 ÷ 30 mm

Maksymalna dopuszczalna wilgotność węgla 20%

Pozostałość na sicie R 0,09 30 ÷ 32%

Pozostałość na sicie R 0,2 5 ÷ 8%

4.10. Podajnik ślimakowy węgla surowego

Wydajność 25 t/h

Zakres regulacji obrotów 4-20 obr/min

4.11. Wentylator młyna

Typ wentylatora WPM-87/2,3

Liczba sztuk na kocioł 4

Wydajność nominalna 72000 m3/h

Spiętrzenie 9500 Pa (950 kG/m2)

Temperatura robocza powietrza pierwotnego 562K (289°C)

Temperatura dopuszczalna powietrza pierwotnego 633K (360°C)

4.12. Instalacja paleniskowa

Węgiel z zasobników węglowych dostarczony jest do młyna za pomocą podajnika. Ilość dostarczanego węgla do młyna regulowana jest zmianą szybkości obrotowej ślimaka. Następnie węgiel przewodem rurowym przedostaje się do młyna, gdzie zostanie zmielony i jako mieszanka pyło-powietrzna przewodami rurowymi dostarczany jest do palników. Młyn MW1 zasila poziom górny palników a młyn MW4 zasila poziom dolny. wyprowadzone są przewody rurowe mieszanki pyłowej dopro­wadzone do 4 narożnych

Ustawienie pochylenia palników odbywa się przy pomocy siłowników, co pozwala na właściwe ustawienie płomienia w komorze paleniskowej i uzyskanie właściwego przegrzewu pary. Czynnikiem suszącym węgiel i transportującym pył jest gorące powietrze pierwotne dostarczone do młynów przez 4 wentylatory młynowe. Kocioł współpracuje z dwoma wentylatorami podmuchu, z których powietrze zimne skierowane jest do dwóch obrotowych podgrzewaczy, skąd przewodami jest dostarczane do palników głównych jako powietrze wtórne i do wentylatorów młynowych WM1÷4 (jako powietrze pierwotne) oraz do palników rozpałkowych. Przewody wyposażone są w klapy re­gulacyjne i odcinające oraz kompensatory wydłużeń termicznych. W ramach modernizacji kotła na palenisko niskoemisyjne kocioł wyposażono w dwa poziomy dysz SOFA (po cztery dysze w poziomie) zasilane powietrzem gorącym, Rys.2.

Rys. 2. Schemat układu paliwowo-powietrznego kotła

5. Opis pomiarów.

Badania wykonała grupa pomiarowa firmy ENERGOTEST pod kierownictwem dr inż. Mieczysława Świętochowskiego. W czasie badań kocioł prowadzony był przez obsługę EC, która prowadziła urządzenie kotłowe zgodnie z programem badawczym ustalonym przez grupę pomiarową.

Podstawowe parametry pracy kotła odczytywano z aparatury kontrolno-pomiarowej

w nastawni kotła. Parametry spalin i powietrza przed i za obrotowymi podgrzewaczami powietrza (Luvo) mierzono aparaturą własną. Nadmiary powietrza wzdłuż drogi spalin określono na podstawie pomiarów parametrów spalin wykonanych aparaturą własną.

W czasie pomiarów pobierano próbki węgla, żużla oraz popiołu spod elektrofiltru.

W czasie pomiaru wyznaczono poszczególne wielkości charakterystyczne w następujący sposób:

• strumienie powietrza - za pomocą pomiaru ciśnienia różnicowego na zabudowanych elementach spiętrzających. Wartości ciśnień odczytywano na mikromanometrze Recknagla.

• w nastawni kotła odczytywano również wskazania wielkości strumieni powietrza mierzonych przez aparaturę kotła;

• ciśnienia statyczne w przekroju sondowania oraz przed i za Luvo zarówno po stronie spalin jak i powietrza mierzono manometrem, U-rurką napełnioną wodą destylowaną;

• temperaturę powietrza zewnętrznego - mierzono termometrem rtęciowym;

• ciśnienie otoczenia - za pomocą barometru rtęciowego;

• zawartość tlenu w komorze paleniskowej, przed i za Luvo, zawartość CO w spalinach wylotowych oraz temperaturę spalin przed i za Luvo i temperaturę powietrza gorącego za Luvo mierzono przenośnym analizatorem typu GA-20 firmy Madur;

• emisję zanieczyszczeń gazowych z kotła oraz zawartość tlenu w spalinach za kotłem mierzono analizatorem spalin typu GA-40 firmy Madur; pomiarów temperatury spalin wylotowych dokonywano przy pomocy termopary płaszczowej i miernika temperatury;

• pobór próbek pyłu węglowego z pyłoprzewodów realizowano agregatem własnej konstrukcji zgodnie z PN-Z-04030-7 i norm związanych. Analizy sitowe pyłu wykonano na sitach znormalizowanych.

• natężenie przepływu mieszaniny pyłowo-gazowej w przewodach mierzono przy pomocy cylindrycznej rurki spiętrzającej z półkolistym zakończeniem i mikromanometru cieczowego Recknagle'a w tych samych miejscach, w których pobierano próbki pyłu.

• temperatury w instalacji młynowej mierzono przy pomocy laboratoryjnych termometrów rtęciowych. Pomiarów ciśnień dokonywano przy pomocy U-rurek napełnionych wodą destylowaną. Podczas przeprowadzanych pomiarów odczytywano wskazania przyrządów ruchowych badanego zespołu młynowego w nastawni blokowej.

• analizy chemiczne węgla, żużla i popiołu oraz pyłu węglowego wykonało Laboratorium Chemiczne Elektrociepłowni Kraków.

Ponadto prowadzono ciągłą rejestrację podstawowych parametrów pracy kotła, wybranych przez grupę pomiarową, przez system pomiarowo-rejestrujący kotła. Do analizy przyjęto również zarejestrowane przez system pomiarowy bloku dwutygodniowe serie danych pomiarowych z przed testu i po teście.

6. W czasie trwania prac pomiarowych zapoznałem się ponad to z budową kotła, młynów, wentylatorów. Zapoznałem się z systemem wizualizacji pomiarowej bloku energetycznego oraz z systemem jego sterowania. Zapoznałem się z zasadami prowadzenia prac pomiarowych na dużym kotle energetycznym.

7. Opracowanie na podstawie pomiaru kotła OP-230 w EC Wrocław bilansu cieplnego kotła.

Wrocław, 23.09.2006

Krótkie streszczenie: Praca dotyczyła nowych metod ograniczenia emisji zanieczyszczeń do atmosfery poprzez dobór węgli o odpowiednich własnościach. Celem pracy była optymalizacja pracy kotła i jego urządzeń pomocniczych w czasie testów spalania węgla dotychczasowego oraz nowych gatunków węgli niskozasiarczonych.

Politechnika Wrocławska

Wydział Mechaniczno - Energetyczny

---