Главная > Статьи > Энергоисточник на биомассе: когда экономия обходится слишком дорого
10 апреля 2019

Энергоисточник на биомассе: когда экономия обходится слишком дорого

Один из самых ярких примеров такой «оптимизации» — возможность комбинации оригинальной топки для сжигания биотоплива от иностранного производителя с бюджетным
паровым котлом, изначально предназначенным для работы на мазуте или природном газе. Аргумент предлагающих такое решение прост: задача котла — просто подать пар нужных параметров, а значит, справиться с ней сможет любой агрегат, паропроизводительность которого соответствует заданным параметрам. Давайте разберемся, почему это не так.

Вначале вкратце перечислим основные конструктивные особенности котлов обоих типов:

Котлы на биомассе

Для примера рассмотрим котел производства компании Kablitz номинальной паропроизводительностью 50 т/ч (рисунок 1).

Топочное пространство располагается в нижней части котла, в верхней части котла устанавливается барабан с сепарационными устройствами.

Испарительная часть состоит из газоплотных панелей. В подъёмной части газохода расположены три последовательно соединённых пароперегревателя. Теплообменная поверхность пароперегревателей выполнена из гладких труб, образующих коридорный пучок труб. В опускной части газохода — пять экономайзерных поверхностей, теплообменная поверхность которых также состоит из гладких труб, образующих коридорный пучок. За экономайзерными поверхностями по ходу дымовых газов расположен воздухоподогреватель.

Поверхности нагрева пароперегревателей выполнены из жаропрочной легированной стали.

Рисунок 1. Котел производства компании Kablitz номинальной паропроизводительностью 50 т/ч.

Регулирование температуры пара осуществляется путём впрыска питательной воды в рассечки между пароперегревателями.

Котлы на природном газе или мазуте

Рассмотрим типовое решение: котел паропроизводительностью 25 т/ч российского производства.

Топка, экранированная газоплотными испарительными панелями, трубы изготовлены из углеродистой стали. В опускном газоходе расположены конвективный пароперегреватель, ступень экономайзера и трубчатый воздухоподогреватель.

В испарительный контур включены испарительные ширмы, установленные в горизонтальном газоходе на выходе из топочной камеры.

Горелки и сопла крепятся на коробках, приваренных к экранным трубам, и при тепловых расширениях экранов перемещаются совместно.

В верхней части котла устанавливается барабан с сепарационными устройствами.

Часто применяется изоляция облегченного типа, выполняемая из матов базальтовых прошивных энергетических.

Для обеспечения требуемого качества пара применяются схемы двухступенчатого испарения с соответствующими сепарационными устройствами.

Пароперегреватель котла по характеру восприятия тепла радиационно-конвективного типа. Радиационную часть составляют газоплотные панели, экранирующие потолок топки и опускного газохода, боковые и заднюю стены опускного газохода. Конвективная часть пароперегревателя состоит из поверхностей нагрева конвективного пароперегревателя, расположенного в опускном газоходе.

Регулирование температуры пара в процессе эксплуатации осуществляется в двух впрыскивающих пароохладителях путем впрыска «собственного» конденсата, полученного в двух конденсаторах.

В опускном газоходе котла после пароперегревателя последовательно по ходу газов расположены поверхности экономайзера и трубчатого воздухоподогревателя. В части опускного газохода, экранированного цельносварными пароперегревательными панелями, за ступенью конвективного пароперегревателя расположена ступень экономайзера. Далее, в неэкранированном опускном газоходе последовательно по ходу газов располагаются кубы второго (по ходу воздуха) и первого хода воздухоподогревателя.

А теперь сравним, как эти конструктивные особенности влияют на работу и эксплуатационные характеристики будущего энергоисточника:

1. Более развитая поверхность нагрева котлов, предназначенных для работы на древесном топливе, гарантированно обеспечивает набор номинальных параметров. Использовании же котлов, рассчитанных изначально на сжигание мазута и природного газа, в качестве котлов-утилизаторов за топкой (с температурой продуктов сгорания на входе в котёл (~1000°С), что существенно ниже адиабатической температуры сгорания расчётного топлива (газа или мазута)) приводит к тому, что теплосъём в топке может быть меньше расчётного примерно в 1,5 раза.

2. Эрозионный износ поверхностей нагрева при работе с биомассой значительно выше, чем на традиционных топливах, а его скорость пропорциональна третьей степени скорости дымовых газов.

В конфигурации «оригинальная топка+бюджетный котел» вследствие более низкого теплосъёма относительно штатных расчётных режимов (газ, мазут) в топке котла, средние скорости в пароперегревателе превышают расчётные, что может привести к интенсивному эрозионному износу. В котле же, предназначенном специально для работы на биомассе, низкие скорости продуктов сгорания (7,5 м/c на входе в пароперегреватель) позволяют избежать интенсивной эрозии. Дополнительную защиту от эрозионного износа поверхностей нагрева котла обеспечивает специальная конфигурация трубных пакетов поверхностей нагрева (коридорные пучки).

3. Принимая во внимание особенности твердого биотоплива, производители котлов, изначально предназначенных для работы на отходах, проектируют пароперегреватели котлов с учётом возможного загрязнения поверхностей нагрева со стороны продуктов сгорания. Как результат – такие котлы имеют больший запас поверхности нагрева для обеспечения стабильных параметров пара, несмотря на возможные загрязнения.

4. Жаростойкие материалы, используемые европейскими производителями котлов, обеспечивают больший ресурс элементов котла. Так, например, барабан котла Kablitz изготавливается из стали P355 GH, толщина стенки 65 мм. Котлы российских производителей, как правило, выполняются из стали меньшей прочности и имеют значительно меньшую толщину стенок цилиндрической части. Очевидно, что и ресурс у таких котлов значительно меньше.

5. Рассмотренный европейский котел, предназначенный для работы на биотопливе, позволяет обеспечивать точное поддержание температуры перегретого пара за счет наличия нескольких ступеней пароперегревателя и 2 впрысков для регулирования его температуры. Увеличенная поверхность теплообмена для перегрева пара даже у профильных европейских производителей котлов на биотопливе встречается редко, а для котлов на традиционном топливе, где вероятность загрязнения поверхностей ниже, не применяется в принципе.

Поэтому при использовании таких котлов для сжигания твердых топлив, обеспечить точное соблюдение и стабильное поддержание требуемых параметров пара в течение длительного времени практически невозможно: или этого возможно достичь путем частых остановов удаления отложений, или установкой специальных устройств для очистки, но это влечет дополнительные капитальные и эксплуатационные затраты, усложняет конструкцию установки и может привести к усилению износа при высоком содержании золы в топливе (в случае пневмоочистки).

Проведенное сравнение подтверждает, что только использование специализированных котлов для биомассы обеспечивает требуемые параметры пара (что особенно важно на ТЭЦ для стабильной электрогенерации), длительный межостановочный ресурс и продолжительную эксплуатацию без капитального ремонта.

Самый значимый из рисков при работе с другим оборудованием — отключение турбогенератора в случае работы котлов с температурой и давлением, не соответствующим требованиям производителей турбин.

Экономия на капитальных затратах за счет применения технически спорных решений, уже имеющих отрицательный опыт внедрения, с высокой вероятностью влечет за собой возможность недостижения требуемых для работы турбины параметров перегретого пара. А значит, ставит под угрозу запуск всего объекта и его стабильную эксплуатацию.

Андрей Шурыгин
Директор по работе с заказчиками Блока биоэнергетики компании «Первый инженер»

Наталья Баклыгина
Директор по маркетингу компании «Первый инженер»

Вернуться