ОЦЕНКА РАБОТЫ БИОЭНЕРГОБЛОКА ТЭЦ ШЯУЛЯЙ ПРИ СЖИГАНИИ ДРЕВЕСНОГО ТОПЛИВА
В связи с возрастающей с каждым годом ценой на природный газ большинство стран ЕС все больше обращает внимание на использование альтернативных, возобновляемых источников энергии. Одним из таких источников является древесное топливо. Частные компании, специализирующиеся на поставке тепла, особенно в регионах, богатых лесными ресурсами, все чаще рассматривают использование древесного топлива как вполне реальную и жизнеспособную альтернативу природному газу.
Такой путь энергосбережения и модернизации основных производственных фондов был выбран в Литве. Путем строительства новых, реконструкции старых районных котельных и небольших электростанций все больший процент тепла, потребляемого городами Литвы, переходит на сторону древесного топлива. Одним из ярких примеров было строительство в четвертом по величине городе в Литовской Республике Шяуляй с населением 125 тысяч человек биоэнергоблока, способного почти полностью удовлетворить потребности города в тепле и электричестве.
Генподрядчиком на строительство «под ключ» энергоблока, работающего на биотопливе, выступила компания «Axis Industries».
Рисунок 1 – Биоэнергоблок ТЭЦ Шяуляй
Биоэнергоблок введен в промышленную эксплуатацию в 2012 году.
Биоэнергоблок ТЭЦ Шяуляй состоит из основных компонентов:
– системы приема, сортировки и подачи древесной щепы в котел фирмы «Axis Industries» (Литва);
– барабанного котла типа DPCT 50-45-460 производства фирмы «DP Clean Tech Europe A/S» (Дания);
– системы золошлакоудаления и очистки дымовых газов «Axis Industries» (Литва) с двумя конденсационными экономайзерами производства фирмы «Axis Industries» по лицензии «SRE OPCON Group» (Швеция) тепловой мощностью Q ≥ 4,9 MВт;
– паровой турбины MARK 2-H01 производства фирмы «МАN TURBO» (Германия) с генератором НТМ-110С04 производства фирмы «ELIN Motoren» (Австрия).
Система приема, сортировки и подачи древесной щепы в котел фирмы «Axis Industries» (Литва)
Биотопливо завозится в тентованных самосвалах по рабочим дням с учетом создания запаса для работы биоэнергоблока в выходные или праздничные дни. Автотранспорт въезжает на территорию, взвешивается, регистрируется, измеряется влажность и берется образец биотоплива. Далее автотранспорт едет к месту приема топлива, где оборудована яма приемки топлива, расположенная ниже уровня пола склада. Надземный закрытый механизированный склад способный накопить запас топлива на 5 суток работы биоэнергоблока с номинальной нагрузкой. Склад оборудован двумя грейферными кранами, передающими и равномерно распределяющими топливо на складе или в промежуточный топливный бункер. Грейферные краны управляются программой, по датчикам уровня топлива в бункере котла и уровню топлива на складе, а также взвешивают топливо.
Находящиеся в бункере три скребковых транспортеры поставляют топливо на ленточный транспортер, с которого топливо попадает на дисковый сортировщик. Над ленточным транспортером оборудован металлоулавливатель, выводящий металл из топлива в отдельный контейнер. Из дискового сортировщика топливо, не отвечающее техническим требованиям, удаляется в отдельный контейнер, и в дальнейшем измельчается или возвращается поставщику топлива. Пригодное для сжигания топливо из сортировщика попадает на ленточный транспортер, затем на скребковый транспортер, который подает топливо в бункер топки котла.
С целью увеличения надежности топливоподачи описанная подача топлива от промежуточного бункера дублируется.
Рисунок 2 – Схема системы приема, сортировки и подачи древесной щепы в котел
Описание тепловой схемы
Принципиальная тепловая схема ТЭЦ представлена на рисунке 1.
Рисунок 3 – Принципиальная схема производства тепловой и электрической энергии биоэнергоблоком ТЭЦ Шяуляй
Питательная вода из деаэраторных баков подается питательными насосами, оснащенными регулируемыми приводами, в экономайзер котла.
Образующийся в котле пар давлением 45 бар и температурой 460 °С направляется в паровую турбину. При аварийных остановах турбины и пусковых режимах в схеме предусматривается использование пускорезервной редукционно-охладительной установки 45/0,3 бар (а) для сброса пара от котла в конденсатор турбины.
Отработанный пар с выхлопа турбины направляется в конденсатор, в котором происходит подогрев сетевой воды. Расчетная тепловая нагрузка конденсатора паровой турбины составляет 27,97 MВт.
Конденсат из конденсатора турбины конденсатными насосами перекачивается в деаэраторы. Пар на деаэратор подается из регенеративного отбора турбины либо через редукционно-охладительную установку 45/2,6 бар (а).
Выдача тепла от ТЭЦ осуществляется за счет подогрева сетевой воды в конденсаторе турбины и контактных экономайзерах.
Трубопроводы сетевой воды от биоэнергоблока подключаются к схеме действующей котельной для совместной работы.
В отопительный период вся обратная сетевая вода поступает на сетевые насосы ТЭЦ, подогревается в контактном экономайзере и конденсаторе паровой турбины. При необходимости дальнейший догрев сетевой воды осуществляется котлами котельной.
В неотопительный период и межсезонье весь отпуск тепла осуществляется от биоэнергоблока.
Барабанный котел типа DPCT 50-45-460 производства фирмы «DP Clean Tech Europe A/S» (Дания)
Котел DPCТ 50-45-460 предназначен для получения перегретого пара. Котел – однобарабанный, вертикально-водотрубный, с естественной циркуляцией. Основные расчетные характеристики котла:
паропроизводительность котла …………………………... 50 т/ч;
давление перегретого пара ….………………………….…. 45 бар;
температура перегретого пара ……..……………….…….. 460 оС;
температура питательной воды ...…..…………………….. 104 оС;
температура уходящих газов …………………………...… 150 оС;
КПД котла брутто ………………….................................…. 87 %;
диапазон регулирования паропроизводительности ……….42 – 100 %.
Мелкие частицы топлива воспламеняются при поступлении в камеру сгорания, сгорание более крупных частиц происходит на решетке. Частицы, сжигаемые на решетке, излучают тепло и поджигают мелкие частицы во взвешенном состоянии. В зависимости от влажности и содержания летучих в топливе, около 75% энергии выделяется при сжигании частиц во взвешенном состоянии. Когда свежее топливо подается сверху на сжигаемое топливо, то оно высушивается и быстро загорается.
В качестве расчетного топлива для котельной установки принята древесная щепа (опилки, древесные отходы, кора) и смесь древесной щепы и фрезерного торфа в соотношении 70/30 соответственно.
Рисунок 4 – Схема барабанного котла
Характеристика древесного топлива, используемого при эксплуатации, приведена в таблице 1.
Таблица 1
Характеристика топлива | Расчетное древесное топливо | Допустимый диапазон разброса результатов |
Низшая теплота сгорания, на рабочую массу, МДж/кг | 7,6 | 5,2*- 12,3 |
Влажность, среднее значение, % | 50 | 30 - 60 |
Зольность, сухая (815), % | 3,0 | 0,2 - 4,0 |
Зольность, на рабочую массу, % | 1,5 | - |
Котел – полностью сварной, водотрубный, с естественной циркуляцией воды, стационарно смонтированный с самонесущей конструкцией, в котором опускные трубы являются частью несущей конструкции котла.
Котел выполнен по П-образной сомкнутой компоновке и состоит из топочной камеры и конвективной шахты, соединенных в верхней части горизонтальным поворотным газоходом.
Стены котла, конвективной шахты и вибрационная решетка составляют испарительный контур котла и образуют полностью сварную газонепроницаемую камеру для сжигания топлива и отвода горячих дымовых газов.
Котел имеет три контура:
– первый состоит из топки – радиационные поверхности нагрева;
– второй – из радиационных и конвективных поверхностей нагрева с пароперегревателем и испарителем;
– третий – из водяного экономайзера и воздухоподогревателя, установленных в отдельно стоящей шахте.
Вибрационная решетка является одним из контуров рециркуляции котла.
Топочная камера представляет собой подъемный газоход, разделенный на топочную камеру и радиационные поверхности нагрева котла. Верхняя часть топки покрыта огнеупорной футеровкой. В нижней части топки расположена вибрационная решетка и канал для удаления шлака.
Конвективная шахта котла представляет собой опускной газоход. Потолок, передняя, задняя и боковые стены конвективной шахты экранированы газоплотными панелями, включенными в испарительную систему котла.
В конвективной шахте котла последовательно по ходу газов расположены:
– пароперегреватель третьей ступени;
– пароперегреватель второй ступени;
– пароперегреватель первой ступени;
– испаритель.
Испаритель и пароперегреватели выполнены из горизонтальных дренируемых труб, которые подводятся через заднюю стенку котла, закрытую снаружи газоплотным покрытием, которое в случае необходимости можно легко заменить.
Пароперегреватель котла – однопоточный трехступенчатый (ПП-1, ПП-2 и ПП-3). Для понижения температуры перегретого пара за ПП-1 и ПП-2 установлены пароохладители-впрыски (введение питательной воды в паровой поток) между ними.
Регулирование температуры перегретого пара на выходе из котла осуществляется каскадным регулированием температуры пара впрысками питательной воды в пароохладители между ступенями пароперегревателя.
После пароохладителя, установленного перед второй ступенью пароперегревателя, выполнен отбор пара на сажеобдувочные аппараты.
Испаритель установлен в конвективной шахте после пароперегревателя по ходу уходящих газов. Циркуляционный контур имеет собственный замкнутый цикл непосредственно из барабана к испарителю и обратно в барабан котла.
Питательная вода, поступающая в барабан котла, предварительно подогревается уходящими газами в водяном экономайзере, расположенном в отдельно стоящем корпусе. Экономайзер условно разделен на две секции (ступени). Часть потока питательной воды подается по байпасу помимо первой ступени экономайзера через воздухоподогреватель и обратно в поток питательной воды к второй ступени водяного экономайзера для подогрева воздуха для горения, перед «LUFO».
Воздухоподогреватель «LUFO» предназначен для подогрева первичного воздуха выше температуры пиролиза топлива. Воздухоподогреватель «LUFO» условно разделен на четыре секции. Воздух движется от пучка к пучку навстречу дымовым газам.
Между пучками труб пароперегревателей, ступенями водяного экономайзера и секциями воздухоподогревателя расположены сажеобдувочные аппараты для очистки поверхностей нагрева от сажи.
Турбина паровая конденсационная типа MARK 2-H01
Турбина паровая конденсационная типа MARK 2-H01 мощностью 10,8 МВт предназначена для привода генератора переменного тока типа НТМ 110СО04 производства фирмы «ELIN Motoren» (Австрия).
Рисунок 5 – Схема турбогенератора
Турбогенератор состоит из следующих модулей:
– собственно паровая турбина, которая представляет собой одновальный агрегат и состоит из цилиндров высокого и низкого давления;
– редуктор с параллельным валом, размещенный между турбиной и генератором;
– трехфазный синхронный генератор с бесщеточным возбудителем.
Основные технические характеристики турбины при номинальной нагрузке:
давление свежего пара………….................................... 42 бар (а);
температура свежего пара….......................................... 455 °C;
давление в конденсаторе…………................................ 0,3 бар (а).
Пар из котла подается к стопорному клапану, оттуда через регулирующий клапан поступает в цилиндр низкого давления. Пройдя через цилиндр низкого давления, пар поступает в конденсатор.
Конденсатор предназначен для конденсации поступающего в него пара, создания разрежения в выхлопном патрубке турбины и запаса конденсата.
В конденсатор подводится химобессоленная вода (для заполнения). Отсос воздуха из конденсатора турбины осуществляется одним основным пароструйным эжектором, второй находится в резерве. Образовавшийся в конденсаторе конденсат откачивается одним конденсационным насосом (второй находится в резерве) и подводится в деаэратор.
Основные технические характеристики конденсатора:
расход пара …………………………………………… 45,970 т/ч;
давление пара ………………………………………… 0,3 бар (а);
температура конденсации ……………………………. 70 оС;
поверхность теплообмена ……………………………. 792 м2 .
Турбина имеет один нерегулируемый отбор, предназначенный для нагрева и деаэрации воды в деаэраторах.
Турбина снабжена валоповоротным устройством, которое служит для вращения ротора с целью предотвращения его прогиба при прогреве и остывании турбины, обеспечивающим вращение роторов с частотой 300 об/мин.
Для уплотнения ротора турбины при работе в стационарных режимах и в режимах пуска и останова используется собственный пар.
Основные технические характеристики генератора DEV55E16:
мощность номинальная ...………………………………. 13450 кВА;
мощность активная …………………………………….... 10760 кВт;
частота …………………………………………………... 50 Гц;
номинальная скорость ………………………………….. 1500 об/мин.
Система очистки дымовых газов и конденсационные экономайзеры
Пройдя технологический цикл, уходящие газы отводятся с верхней части конвективной шахты котла, проходят систему очистки – электростатический фильтр и контактные экономайзеры.
Рисунок 6 – Схема системы очистки дымовых газов
Конденсационные экономайзеры предназначены для очистки уходящих газов от твердых частиц и утилизации тепла уходящих газов парового котла. Принцип работы каждого конденсационного экономайзера основан на снижении температуры уходящих газов ниже точки росы и использовании скрытого тепла парообразования.
Основные расчетные характеристики контактного экономайзера:
тепловая мощность …………………….…………. ≥ 4,9 MВт;
температура дымовых газов на входе …………... 0÷200 оС;
содержание в дымовых газах твердых частиц …. 0÷200 мг/м3 ;
содержание в дымовых газах CO ….…………..... 0÷3000 мг/м3;
содержание в дымовых газах NOx ……………… 0÷2000 мг/м3;
содержание в дымовых газах SO2 …….………… 0÷1000 мг/м3;
температура сетевой воды ……………………..... 0÷70 оС;
давление сетевой воды …………………………... 6 бар.
Для включения каждого конкретного конденсационного экономайзера в технологический цикл или его отключения, байпасирования уходящих газов помимо него непосредственно в дымовую трубу используются перекидные шибера, установленные непосредственно в помещении установки конденсационных экономайзеров.
Уходящие газы, проходя в наклонном дымоходе конденсационного экономайзера, контактируют с каплями воды и частично конденсируются (рис. 7).
Пройдя через конденсационный экономайзер, уходящие газы направляются в дымовую трубу. Для преодоления сопротивления распыленных потоков воды в каждом конденсационном экономайзере используется дополнительный дымосос с частотным приводом.
Вода подается в наклонный дымоход конденсационного экономайзера с помощью специальных форсунок, расположенных по всему дымоходу. Частички воды выполняют функцию теплообменника прямого (контактного) типа, конденсируя влагу, содержащуюся в уходящих газах, и выполняя дополнительную функцию фильтрации оставшихся после электрофильтра твердых частиц. Образовавшийся в дымоходах конденсат вместе с распыленной водой стекает по наклонной поверхности дымохода в ёмкости накопления конденсата и далее при помощи насоса конденсата подается в теплообменники, подогревая обратную сетевую воду.
Таким образом, скрытая теплота уходящих газов попадает в тепловой цикл биоэнергоблока.
Конденсат, пройдя через теплообменники и передав свое тепло сетевой воде, подается в разбрызгиватели, завершая технологический цикл.
Часть воды после теплообменника направляется в систему очистки конденсата VBH. Пройдя систему очистки, вода возвращается в первую емкость.
Система автоматического поддержания уровня рН измеряет и задает необходимый уровень рН потока конденсата в первой емкости.
Рисунок 7 – Принципиальная схема конденсационного экономайзера
Обратная сетевая вода поступает на сетевые насосы ТЭЦ, подогревается в контактном экономайзере и конденсаторе паровой турбины. В неотопительный период весь отпуск тепла осуществляется от биоэнергоблока.
Для подтверждения гарантийных показателей биоэнергоблока, заявленных Генподрядчиком при проведении конкурса поставщиком тепла в г.Шяуляй АВ «Siauliu Energija» на строительство «под ключ» энергоблока, работающего на биотопливе, были проведены опыты по определению фактических характеристик работы при сжигании проектных видов топлива.
Гарантийные испытания проводили наши специалисты совместно c представителями Заказчика АВ «Siauliu Energija», Генподрядчика UAB «AXIS ТECHNOLOGIES» и поставщиков основного оборудования по принадлежности.
Измерения и расчеты проводились согласно действующим в Евросоюзе и Литовской Республике стандартам, применимым для данного энергетического объекта: SFS-EN 12952-15, DIN 1943, LAND 43-2001, SFS-EN 13284-1. Определялись основные величины параметров работы ТЭЦ: выработанная ТЭЦ электрическая мощность, выработанная тепловая мощность биоэнергоблока, тепло, внесенное с биотопливом в топку котла, экологические характеристики работы энергоблока (концентрация оксидов азота (NOх), оксида углерода (СO), твердых частиц золы в уходящих газах).
Во время испытаний в ноябре-декабре 2012 года в топке котла сжигалась древесная щепа со следующими усредненными характеристиками: калорийность – 9440 кДж/кг, влажность на рабочую массу – 43,5 %, зольность на рабочую массу – 1,77 %. В результате проведенных испытаний гарантийные показатели работы биоэнергоблока при сжигании заявленного гарантированного топлива получили подтверждение.
Во всем диапазоне рабочих нагрузок выработанная биоэнергоблоком электрическая мощность при сжигании 100 % древесного топлива является выше границы расчетной мощности ТЭЦ, гарантированной поставщиком оборудования.
Рисунок 8 – Зависимость выработанной электрической энергии ТЭЦ без собственных нужд от тепла внесенного топлива при сжигании 100 % древесного топлива
Тепловая энергия также находится в секторе выполнения заявленных при строительстве ТЭЦ гарантированных тепловых нагрузках. На рисунке 9 представлена зависимость фактически выработанной биоэнергоблоком ТЭЦ Шяуляй тепловой энергии от расхода тепла топлива, вносимого в топку котла.
Рисунок 9 - зависимость выработанной тепловой энергии ТЭС от тепла внесенного топлива при сжигании 100% древесного топлива.
Сравнение фактических параметров работы биоэнергоблока, приведенных к гарантированному расходу тепла, внесенного топливом, с гарантированными Генподрядчиком представлено в таблицах 1 и 2.
Таблица 2 – Сравнение фактических характеристик работы биоэнергоблока с гарантированными Генподрядчиком
Гарантированная тепловая мощность ТЭЦ, МВт | Гарантированный расход тепла топлива, МДж/ч | Выработанная тепловая мощность ТЭЦ, приведенная к гарантийному расходу тепла топлива, МВт | Выполнение гарантийных показателей выработки тепла, Да/Нет | Гарантированная электрическая мощность ТЭЦ, кВт | Выработанная электрическая мощность ТЭЦ, приведенная к гарантийному расходу тепла топлива, кВт | Выполнение гарантийных показателей, Да/Нет |
34,146 | 161283 | 37,629 | Да | 9477 | 10311 | Да |
24,000 | 114884 | 27,223 | Да | 6752 | 7391 | Да |
20,000 | 96230 | 21,845 | Да | 5656 | 6282 | Да |
15,000 | 72124 | 16,369 | Да | 3892 | 4155 | Да |
Основные характеристики работы биоэнергоблока ТЭЦ Шяуляй – вырабатываемые электрическая и тепловая мощности, приведенные к расчетному теплу, вносимому в топку котла с топливом, являются выше гарантированных значений во всем диапазоне рабочих нагрузок.
Экологические показатели работы биоэнергоблока не превышают принятых в Евросоюзе гарантируемых значений и составляют:
– концентрация оксидов азота NOх в уходящих газах – 100,4-226 мг/м3, гарантированная величина ≤ 600 мг/м3;
– концентрация оксида углерода СO в уходящих газах – 60-620,4 мг/м3, гарантированная величина ≤ 800 мг/м3;
– концентрация частиц золы за электрофильтром – 44,2-98,3 мг/м3, гарантированная величина ≤ 200 мг/м3.
Определенные фактические характеристики работы биоэнергоблока ТЭЦ Шяуляй выше значений, заявленных Генподрядчиком.
Выводы:
1 Биоэнергоблок в г. Шяуляй с отличными техническими характеристиками является реальным показателем отказа от дорогого природного газа и перехода на сжигание возобновляемого и дешевого источника энергии.
2 Основные характеристики работы биоэнергоблока имеют высокие технические и экологические показатели, и являются выше гарантированных значений во всем диапазоне рабочих нагрузок.