ОЦІНКА РОБОТИ БІОЕНЕРГОБЛОКА ТЕЦ ШЯУЛЯЙ (ЛИТВА) ПРИ ПАЛЮВАННІ ДЕРЕВНОГО ПАЛИВА

У зв'язку зі зростаючою з кожним роком ціною на природний газ більшість країн ЄС все більше звертає увагу на використання альтернативних, відновлювальних джерел енергії. Одним з таких джерел є деревне паливо. Приватні компанії, що спеціалізуються на постачанні тепла, особливо в регіонах, багатих на лісові ресурси, все частіше розглядають використання деревного палива як цілком реальну і життєздатну альтернативу природному газу.

Такий шлях енергозбереження та модернізації основних виробничих фондів був обраний в Литві. Шляхом будівництва нових, реконструкції старих районних котелень і невеликих електростанцій все більший відсоток тепла, споживаного містами Литви, переходить на бік деревного палива. Одним з яскравих прикладів було будівництво в четвертому за величиною місті в Литовській Республіці Шяуляй з населенням 125 тисяч чоловік біоенергоблока, здатного майже повністю задовольнити потреби міста в теплі та електриці.

Генпідрядником на будівництво «під ключ» енергоблока, що працює на біопаливі, виступила компанія «Axis Industries».

Рисунок 1 – Біоенергоблок ТЕЦ Шяуляй

Біоенергоблок введений в промислову експлуатацію в 2012 році.

Біоенергоблок ТЕЦ Шяуляй складається з основних компонентів:

– системи прийому, сортування та подачі деревної тріски в котел фірми «Axis Industries» (Литва);

– барабанного котла типу DPCT 50-45-460 виробництва фірми DP Clean Tech Europe A/S» (Данія);

– системи золошлаковидаления і очищення димових газів «Axis Industries» (Литва) з двома конденсаційними економайзерами виробництва фірми «Axis Industries» за ліцензією «SRE OPCON Group» (Швеція) тепловою потужністю Q ≥ 4,9 MВт;

– парової турбіни MARK 2-H01 виробництва фірми «МАN TURBO» (Німеччина) з генератором НТМ-110С04 виробництва фірми «ELIN Motoren» (Австрія).

Система прийому, сортування та подачі деревної тріски в котел фірми «Axis Industries» (Литва)

Біопаливо завозиться в тентованих самоскидах в робочі дні з урахуванням створення запасу для роботи біоенергоблока у вихідні або святкові дні. Автотранспорт в'їжджає на територію, зважується, реєструється, вимірюється вологість і береться зразок біопалива. Далі автотранспорт їде до місця прийому палива, де обладнана яма для приймання палива, розташована нижче рівня підлоги складу. Надземний закритий механізований склад здатний накопичити запас палива на 5 діб роботи біоенергоблока з номінальним навантаженням. Склад обладнаний двома грейферними кранами, які передають і рівномірно розподіляють паливо на складі або в проміжний паливний бункер. Грейферні крани управляються програмою, згідно з датчиками рівня палива в бункері котла і рівнем палива на складі, а також зважують паливо.

Три скребкові транспортери, які знаходяться в бункері, постачають паливо на стрічковий транспортер, з якого паливо потрапляє на дисковий сортувальник. Над стрічковим транспортером обладнаний металоулювлювач, який виводить метал з палива в окремий контейнер. З дискового сортувальника паливо, що не відповідає технічним вимогам, видаляється в окремий контейнер, і в подальшому подрібнюється або повертається постачальнику палива. Придатне для спалювання паливо з сортувальника потрапляє на стрічковий транспортер, потім на скребковий транспортер, який подає паливо в бункер топки котла.

З метою підвищення надійності подачі палива описана подача палива від проміжного бункера дублюється.

Рисунок 2 – Схема системи прийому, сортування та подачі деревної тріски в котел

Опис теплової схеми

Принципова теплова схема ТЕЦ представлена на рисунку 1.

Рисунок 3 – Принципова схема виробництва теплової та електричної енергії біоенергоблоком ТЕЦ Шяуляй

Живильна вода з деаераторних баків подається живильними насосами, оснащеними регульованими приводами, в економайзер котла.

Пара, що утворюється в котлі, тиском 45 бар і температурою 460 °С направляється в парову турбіну. При аварійних зупинах турбіни і пускових режимах в схемі передбачається використання пускорезервної редукційно-охолоджувальної установки 45/0,3 бар (а) для скидання пари від котла в конденсатор турбіни.

Відпрацьована пара з вихлопу турбіни направляється в конденсатор, в якому відбувається підігрів мережевої води. Розрахункове теплове навантаження конденсатора парової турбіни становить 27,97 MВт.

Конденсат з конденсатора турбіни конденсатними насосами перекачується в деаератори. Пара на деаератор подається з регенеративного відбору турбіни або через редукційно-охолоджувальну установку 45/2,6 бар (а).

Видача тепла від ТЕЦ здійснюється за рахунок підігріву мережевої води в конденсаторі турбіни і контактних економайзерах.

Трубопроводи мережевої води від біоенергоблока підключаються до схеми діючої котельні для спільної роботи.

В опалювальний період вся зворотна мережева вода надходить на мережеві насоси ТЕЦ, підігрівається в контактному економайзері і конденсаторі парової турбіни. При необхідності подальший догрів мережевої води здійснюється котлами котельні.

У неопалювальний період і міжсезоння весь відпуск тепла здійснюється від біоенергоблока.

Барабанний котел типу DPCT 50-45-460 виробництва фірми «DP Clean Tech Europe A/S» (Данія)

Котел DPCТ 50-45-460 призначений для отримання перегрітої пари. Котел – однобарабанний, вертикально-водотрубний, з природною циркуляцією. Основні розрахункові характеристики котла:

паропродуктивність котла ……………………….. 50 т/год;

тиск перегрітої пари ….………………………...… 45 бар;

температура перегрітої пари ………………….…. 460 ^оС;

температура живильної води ...………………...… 104 ^оС;

температура відхідних газів ………………...….… 150 ^оС;

ККД котла брутто ……………………………….…. 87 %;

діапазон регулювання паропродуктивності ……… 42 – 100 %.

Дрібні частинки палива займаються при потраплянні в камеру згоряння, згоряння більших частинок відбувається на решітці. Частинки, що спалюються на решітці, випромінюють тепло і підпалюють дрібні частинки в підвішеному стані. Залежно від вологості і вмісту летких речовин в паливі, близько 75% енергії виділяється при спалюванні частинок в підвішеному стані. Коли свіже паливо подається зверху на спалюване паливо, то воно висушується і швидко загоряється.

В якості розрахункового палива для котельної установки прийнята деревна тріска (тирса, деревні відходи, кора) і суміш деревної тріски і фрезерного торфу в співвідношенні 70/30 відповідно.

Рисунок 4 – Схема барабанного котла

Характеристика деревного палива, використовуваного при експлуатації, наведена в таблиці 1.

Таблиця 1

Котел – повністю зварний, водотрубний, з природною циркуляцією води, стаціонарно змонтований з самонесучою конструкцією, в якому опускні труби є частиною несучої конструкції котла.

Котел виконаний за П-подібним зімкнутим компонуванням і складається з топкової камери і конвективної шахти, з'єднаних у верхній частині горизонтальним поворотним газоходом.

Стіни котла, конвективної шахти і вібраційна решітка складають випарний контур котла і утворюють повністю зварну газонепроникну камеру для спалювання палива і відведення гарячих димових газів.

Котел має три контури:

– перший складається з топки – радіаційні поверхні нагріву;

– другий – з радіаційних та конвективних поверхонь нагріву з пароперегрівачем і випарником;

– третій – з водяного економайзера та підігрівача повітря, встановлених в шахті, що стоїть окремо.

Вібраційна решітка є одним з контурів рециркуляції котла.

Топкова камера  –  підйомний газохід, розділений на топкову камеру і радіаційні поверхні нагріву котла. Верхня частина топки покрита вогнетривкою футеровкою. У нижній частині топки розташована вібраційна решітка і канал для видалення шлаку.

Конвективна шахта котла – опускний газохід. Стеля, передня, задня і бічні стіни конвективної шахти екрановані газощільними панелями, включеними у випарну систему котла.

У конвективній шахті котла послідовно по ходу газів розташовані:

– пароперегрівач третього ступеня;

– пароперегрівач другого ступеня;

– пароперегрівач першого ступеня;

– випарник.

Випарник і пароперегрівачі виконані з горизонтальних дренованих труб, які підводяться через задню стінку котла, закриту зовні газощільним покриттям, яке в разі потреби можна легко замінити.

Пароперегрівач котла –  однопотоковий триступеневий (ПП-1, ПП-2 і ПП-3). Для зниження температури перегрітої пари за ПП-1 і ПП-2 встановлено пароохолоджувачі-вприски (введення живильної води в паровий потік) між ними.

Регулювання температури перегрітої пари на виході з котла здійснюється каскадним регулюванням температури пари вприсками живильної води в пароохолоджувачі між ступенями пароперегрівача.

Після пароохолоджувача, встановленого перед другим ступенем пароперегрівача, виконаний відбір пари на сажеобдувні апарати.

Випарник встановлений в конвективній шахті після пароперегрівача по ходу відхідних газів. Циркуляційний контур має власний замкнутий цикл безпосередньо з барабана до випарника і назад в барабан котла.

Живильна вода, що надходить в барабан котла, попередньо підігрівається відхідними газами у водяному економайзері, розташованому в окремому корпусі. Економайзер умовно розділений на дві секції (ступені). Частина потоку живильної води подається по байпасу повз першого ступеня економайзера через підігрівач повітря і назад в потік живильної води до другого ступеня водяного економайзера для підігріву повітря для горіння, перед «LUFO».

Підігрівач повітря «LUFO» призначений для підігріву первинного повітря вище температури піролізу палива. Підігрівач повітря «LUFO» умовно розділений на чотири секції. Повітря рухається від пучка до пучка назустріч димовим газам.

Між пучками труб пароперегрівачів, ступенями водяного економайзера і секціями підігрівача повітря розташовані сажеобдувні апарати для очищення поверхонь нагріву від сажі.

Конденсаційна парова турбіна типу MARK 2-H01

Конденсаційна парова турбіна типу MARK 2-H01 потужністю 10,8 МВт призначена для приводу генератора змінного струму типу НТМ 110СО04 виробництва фірми «ELIN Motoren» (Австрія).

Рисунок 5 – Схема турбогенератора

Турбогенератор складається з наступних модулів:

– власне парова турбіна, яка являє собою одновальний агрегат і складається з циліндрів високого та низького тиску;

– редуктор з паралельним валом, розміщений між турбіною і генератором;

– трифазний синхронний генератор з безщітковим збудником.

Основні технічні характеристики турбіни при номінальному навантаженні:

тиск свіжої пари…………...................................... 42 бар (а);

температура свіжої пари …....................................... 455 °C;

тиск в конденсаторі…………................................ 0,3 бар (а).

Пара з котла подається до стопорному клапана, звідти через регулюючий клапан надходить в циліндр низького тиску. Пройшовши через циліндр низького тиску, пара надходить в конденсатор.

Конденсатор призначений для конденсації пари, що надходить в нього, створення розрідження у вихлопному патрубку турбіни і запасу конденсату.

У конденсатор підводиться хімзнесолена вода (для заповнення). Відсмоктування повітря з конденсатора турбіни здійснюється одним основним пароструйним ежектором, другий знаходиться в резерві. Утворений в конденсаторі конденсат відкачується одним конденсаційним насосом (другий знаходиться в резерві) і підводиться в деаератор.

Основні технічні характеристики конденсатора:

витрата пари …………………………………………… 45,970 т/год;

тиск пари …………………………………………….… 0,3 бар (а);

температура конденсації …………………………….... 70 ^оС;

поверхня теплообміну ……………………………...…. 792 м² .

Турбіна має один нерегульований відбір, призначений для нагріву та деаерації води в деаераторах.

Турбіна оснащена валоповоротним пристроєм, який служить для обертання ротора з метою запобігання його прогину при прогріванні і охолодженні турбіни, що забезпечує обертання роторів з частотою 300 об/хв.

Для ущільнення ротора турбіни при роботі в стаціонарних режимах і в режимах пуску та зупину використовується власна пара.

потужність номінальна ...………………………………. 13450 кВА;

потужність активна ……………………………………... 10760 кВт;

частота ………………………………………………….... 50 Гц;

номінальна швидкість …………………………………... 1500 об/хв.

Система очищення димових газів та конденсаційні економайзери

Пройшовши технологічний цикл, відхідні гази відводяться з верхньої частини конвективної шахти котла, проходять систему очищення – електростатичний фільтр і контактні економайзери.

Рисунок 6 – Схема системи очищення димових газів

Конденсаційні економайзери призначені для очищення газів від твердих частинок та утилізації тепла відхідних газів парового котла. Принцип роботи кожного конденсаційного економайзера заснований на зниженні температури відхідних газів нижче точки роси і використанні прихованого тепла пароутворення.

Основні розрахункові характеристики контактного економайзера:

теплова потужність ……………………….….. ≥ 4,9 MВт;

температура димових газів на вході ……….... 0÷200 ^оС;

вміст в димових газах твердих частинок ……. 0÷200 мг/м³ ;

вміст в димових газах CO ….………………..... 0÷3000 мг/м³;

вміст в димових газах NOx ………………....… 0÷2000 мг/м³;        

вміст в димових газах SO₂ ………………….…. 0÷1000 мг/м³;

температура мережевої води ………………….. 0÷70 ^оС;

тиск мережевої води ……………………............ 6 бар.

Для включення кожного конкретного конденсаційного економайзера в технологічний цикл або його відключення, байпасування газів повз нього безпосередньо в димову трубу використовуються перекидні шибери, встановлені безпосередньо в приміщенні установки конденсаційних економайзерів.

Відхідні гази, проходячи в похилому димоході конденсаційного економайзера, контактують з краплями води і частково конденсуються (рис. 7).

Пройшовши через конденсаційний економайзер, відхідні гази направляються в димову трубу. Для подолання опору розпилених потоків води в кожному конденсаційному економайзері використовується додатковий димосос з частотним приводом.

Вода подається в похилий димохід конденсаційного економайзера за допомогою спеціальних форсунок, розташованих по всьому димоходу. Частинки води виконують функцію теплообмінника прямого (контактного) типу, конденсуючи вологу, що міститься у відхідних газах, і виконуючи додаткову функцію фільтрації твердих частинок, що залишились після електрофільтра. Утворений в димоходах конденсат разом з розпиленою водою стікає по похилій поверхні димоходу в ємності для накопичення конденсату і далі за допомогою насоса конденсату подається в теплообмінники, підігріваючи зворотну мережеву воду.

Таким чином, прихована теплота відхідних газів потрапляє в тепловий цикл біоенергоблока.

Конденсат, пройшовши через теплообмінники і передавши своє тепло мережевій воді, подається в розбризкувачі, завершуючи технологічний цикл.

Частина води після теплообмінника направляється в систему очищення конденсату VBH. Пройшовши систему очищення, вода повертається в першу ємність.

Система автоматичної підтримки рівня рН вимірює і задає необхідний рівень рН потоку конденсату в першій ємності.

Рисунок 7 – Принципова схема конденсаційного економайзера

Зворотна мережева вода надходить на мережеві насоси ТЕЦ, підігрівається в контактному економайзері і конденсаторі парової турбіни. У неопалювальний період весь відпуск тепла здійснюється від біоенергоблока.

Для підтвердження гарантійних показників біоенергоблока, заявлених Генпідрядником при проведенні конкурсу постачальником тепла в м. Шяуляй АВ «Siauliu Energija» на будівництво «під ключ» енергоблока, що працює на біопаливі, були проведені досліди з визначення фактичних характеристик роботи при спалюванні проектних видів палива.

Гарантійні випробування проводили наші фахівці спільно з представниками Замовника АВ «Siauliu Energija», Генпідрядника UAB «AXIS ТECHNOLOGIES» та постачальників основного обладнання за належністю.

Вимірювання та розрахунки проводилися згідно з діючими в Євросоюзі та Литовській Республіці стандартами, що застосовуються для даного енергетичного об'єкта: SFS-EN 12952-15, DIN 1943, LAND 43-2001, SFS-EN 13284-1. Визначалися основні величини параметрів роботи ТЕЦ: вироблена ТЕЦ електрична потужність, вироблена теплова потужність біоенергоблока, тепло, внесене з біопаливом в топку котла, екологічні характеристики роботи енергоблока (концентрація оксидів азоту (NOх), оксиду вуглецю (СО), твердих частинок золи у відхідних газах).

Під час випробувань в листопаді-грудні 2012 року в топці котла спалювалась деревна тріска з наступними усередненими характеристиками: калорійність – 9440 кДж/кг, вологість на робочу масу – 43,5 %, зольність на робочу масу – 1,77 %. В результаті проведених випробувань гарантійні показники роботи біоенергоблока при спалюванні заявленого гарантованого палива були підтверджені.

У всьому діапазоні робочих навантажень вироблена біоенергоблоком електрична потужність при спалюванні 100% деревного палива є вищою, ніж межа розрахункової потужності ТЕЦ, гарантована постачальником обладнання.

Рисунок 8 – Залежність виробленої електричної енергії ТЕЦ без власних потреб від тепла внесеного палива при спалюванні 100% деревного палива

Теплова енергія також знаходиться в секторі виконання заявлених при будівництві ТЕЦ гарантованих теплових навантажень. На рисунку 9 представлена залежність фактично виробленої біоенергоблоком ТЕЦ Шяуляй теплової енергії від витрати тепла палива, що вноситься в топку котла.

Рисунок 9 – Залежність виробленої теплової енергії ТЕЦ від тепла внесеного палива при спалюванні 100% деревного палива

Порівняння фактичних параметрів роботи біоенергоблока, приведених до гарантованої витрати тепла, внесеного паливом, з гарантованими Генпідрядником представлено в таблицях 1 і 2.

Таблиця 2 – Порівняння фактичних показників роботи біоенергоблока з гарантованими Генпідрядником

Основні характеристики роботи біоенергоблока ТЕЦ Шяуляй – вироблені електрична і теплова потужності, приведені до розрахункового тепла, що вноситься в топку котла з паливом, є вищими, ніж гарантовані значення, у всьому діапазоні робочих навантажень.

Екологічні показники роботи біоенергоблока не перевищують прийнятих в Євросоюзі гарантованих значень і становлять:

– концентрація оксидів азоту NOх у відхідних газах – 100,4-226 мг/м³, гарантована величина ≤ 600 мг/м³;

– концентрація оксиду вуглецю СО у відхідних газах – 60-620,4 мг/м³, гарантована величина ≤ 800 мг/м³;

– концентрація частинок золи за електрофільтром – 44,2-98,3 мг/м³, гарантована величина ≤ 200 мг/м³.

Визначені фактичні характеристики роботи біоенергоблока ТЕЦ Шяуляй є вищими, ніж значення, заявлені Генпідрядником.

    Висновки:

1 Біоенергоблок в м. Шяуляй з відмінними технічними характеристиками є реальним показником відмови від дорогого природного газу та переходу на спалювання відновлювального та дешевого джерела енергії.

2 Основні характеристики роботи біоенергоблока мають високі технічні та екологічні показники і є вищими, ніж гарантовані значення, у всьому діапазоні робочих навантажень.