Fala uderzeniowa a czyszczenie kotłów energetycznych

Wykorzystanie zjawiska fali uderzeniowej w praktyce przemysłowej może przynieść wiele korzyści. Pneumatyczne technologie impulsowe z powodzeniem stosowane są do czyszczenia instalacji technologicznych oraz powierzchni konwekcyjnych kotłów. Aktualnie wykorzystywane są generatory fal uderzeniowych z niedużą objętością gazu roboczego. Jak wygląda to w praktyce?

Analizując powstawanie pneumatycznego strumienia impulsowego można zrozumieć proces czyszczenia powierzchni z osadów, na które cyklicznie działają fale uderzeniowe i strumienie aerodynamiczne. Wzajemne zależności pomiędzy falą uderzeniową i strumieniem aerodynamicznym w procesie kruszenia osadów zależą od objętości, ciśnienia oraz warunków rozprężania czynnika roboczego. Również odległość od czyszczonej powierzchni oraz inne parametry strumienia impulsowego mają wpływ na efektywność usuwania osadów.

Konstrukcje urządzeń impulsowych

Wszystkie pneumatyczne technologie impulsowe oparte są na stosowaniu aerodynamicznych urządzeń impulsowych różnych konstrukcji. Należy zaznaczyć, że z powodu braku w literaturze jednolitej terminologii takie urządzenia noszą różne nazwy: pneumoimpulsowe generatory (PIG), pneumogeneratory (PG), generatory fal uderzeniowych (GFU) albo po prostu generatory.

Każdy pneumatyczny generator impulsowy ma zbiornik sprężonego powietrza, szybkodziałający zawór zapewniający okresowe rozprężenie sprężonego powietrza z komory sprężonego powietrza oraz dyszę wylotową, przeznaczoną do skierowania impulsowego strumienia gazowego na oczyszczane powierzchnie. Generatory impulsowe różnych producentów mają objętość zbiorników nieprzekraczającą 500dcm3. Najczęściej stosowane są zbiorniki o objętości od 10dcm3 do 100dcm3. Źródłem sprężonego gazu jest powietrze z istniejącej sieci lub specjalnie zabudowanej sprężarki. Ciśnienie czynnika roboczego zwykle zawiera się w przedziale 0,4-1,0MPa. Do zbiornika podłączony jest rurociąg zasilający w sprężone powietrze, armatura zaporowa oraz przyrządy do pomiaru i sterowania. Do rozprężania gazu stosowane są zawory membranowe lub tłokowe. Generatory z zaworami tłokowymi mają szereg zalet technologicznych. Aktualnie ten kierunek jest rozwijany przy projektowaniu pneumatycznych generatorów impulsowych.

Na fotografii 1 przedstawiono pneumatyczny generator impulsowy (z zaworem tłokowym) GFU-25/8 produkcji Nowosybirskiej spółki „Sibtechakadem” Sp. z o.o. na podstawie opracowań naukowych Instytutu Teoretycznej i Stosowanej Mechaniki Syberyjskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk. Konstrukcja generatora chroniona jest przez patent w Rosji i Polsce.

Fot. 1 Generator fal uderzeniowych GFU-25/8.

Fot. 1 Generator fal uderzeniowych GFU-25/8.

(kliknij w wykres, aby powiększyć)

Rys. 1 Ciśnienie powietrza w zbiorniku generatora fal uderzeniowych GFU-25/8 w trakcie napełniania i rozprężania.

Rys. 1 Ciśnienie powietrza w zbiorniku generatora fal uderzeniowych GFU-25/8 w trakcie napełniania i rozprężania.

Pneumatyczne technologie impulsowe z sukcesem są wykorzystywane w Rosji dla zwiększenia efektywności pracy parowych i wodnych kotłów, poprzez zapobieganie zabrudzaniu się powierzchni grzewczych osadami popiołowymi. Przedstawione systemy czyszczenia powierzchni grzewczych kotłów w obszarze niestacjonarnej aerodynamiki oraz w zakresie osiąganych skuteczności – nie mają odpowiedników w świecie.

Czyszczenie powierzchni grzewczych kotłów

Do niedawna podstawowymi sposobami czyszczenia powierzchni konwekcyjnych kotłów parowych i wodnych było stosowanie zdmuchiwaczy parowych, czyszczenia za pomocą śrutu oraz czyszczenia z wyzwoleniem fali uderzeniowej za pomocą gwałtownego spalania propanu-butanu.

Jednak eksploatacja kotłów parowych, wodnych, odzyskowych oraz pieców grzejnych wyposażonych w tradycyjne systemy czyszczenia powierzchni konwekcyjnych wykazała ich niewystarczającą skuteczność i niezawodność. Parowe zdmuchiwacze wpływają korozyjnie i erozyjnie na grubość rur powierzchni grzewczych oraz powodują skrócenie ich żywotności. Dodatkowo wilgoć sprzyja utwardzaniu się osadów na rurach, w wyniku czego konieczne są częste odstawienia kotłów do ręcznego czyszczenia. Z kolei czyszczenie z wykorzystaniem śrutu jest skomplikowane, energochłonne i mało skuteczne. Natomiast gazoimpulsowe systemy czyszczenia (GIO) oparte o wybuchowe spalanie mieszanki propan-butan wymagają przestrzegania zaostrzonych zasad bezpieczeństwa (niespalona mieszanina palna może wywołać wybuch wewnątrz kotła). W związku z tym zagrożeniem, szereg przedsiębiorstw rezygnuje z wprowadzonych wcześniej systemów GIO.

Pneumatyczne systemy impulsowe w praktyce

Zaczęto poszukiwać nowych rozwiązań w zakresie czyszczenia powierzchni konwekcyjnych kotłów. Prace związane z badaniem możliwości zastosowania generatorów fal uderzeniowych (GFU-25/8) do czyszczenia powierzchni grzewczych kotłów zostały rozpoczęte w Nowosybirsku w Instytucie Teoretycznej i Stosowanej Mechaniki SO RAN w 1992 roku. W 1995 roku został wybudowany doświadczalny system oczyszczania SPO-1 na kotle BKZ-320 w elektrociepłowni nr 3 w Nowosybirsku. System ten miał za zadanie utrzymywanie w czystości rurowych pęczków ekonomizera kotła.

Kolejnym etapem w rozwoju technologi generatorów fal uderzeniowych było opracowanie systemu do czyszczenia kotła P-67 Bieriezowskoj GRES o mocy 800MW. Jego podstawą były generatory PGI o dużej mocy. Sprężone powietrze o ciśnieniu do 10bar, zostało zgromadzone w komorze o średnicy 300mm i długości 8m. Energia zgromadzona w komorze przy ciśnieniu powietrza 10bar wynosiła 560kJ. Fala uderzeniowa czyściła powierzchnię około 80m2.

W 2003 r. system czyszczenia, wykorzystujący generatory GFU-25/8 został zamontowany na kotle KE-16-24-350 („EFKO” S.A. miasto Aleksiejewka), w którym spalano łuskę słonecznikową. Na kotle i ekonomizerze zamontowano 16 szt. generatorów. Instalacja pracuje do dziś w trybie automatycznym. Dzięki zastosowaniu instalacji czyszczenia, kocioł pracuje na parametrach znamionowych (temperatura pary 350°C) z wysoką, bo ponad 83% sprawnością. Postój kotła następuje jedynie w momencie braku zapotrzebowania na parę lub w okresie planowanych remontów.

W latach 2004 ÷ 2006 zostały zabudowane kolejne systemy czyszczenia na kotłach KE-16-23-370, DKWr-10-13-250 i na wielu innych obiektach w przedsiębiorstwach w Rosji, Kazachstanie, na Ukrainie i Białorusi. Duża skuteczność oraz niezawodność systemu czyszczenia została potwierdzona przez długotrwały okres eksploatacji.

W 2006 roku dwa systemy czyszczenia zostały zainstalowane w mieście Lensk (Jakucja) na Centralnej i Przemysłowej Kotłowni, na dwóch kotłach typu DE-10-13 i DKWr-20-13-23, opalanych ropą naftową. Instalacja została zabudowana w miejsce niepracującego systemu GIO. Uwzględniając pozytywne doświadczenia z eksploatacji kotłów w okresie zimowym, została podjęta decyzja o zastosowaniu generatorów na wszystkich kotłowniach miasta Lensk.

W 2008 roku firma „Sibtechakadem” Sp. z o.o. przystąpiła do opracowywania pneumatycznych systemów czyszczenia dla kotłów energetycznych o dużej mocy. Dziś firma ta wytwarza systemy czyszczenia na zasadzie „pod klucz” na istniejących i nowobudowanych kotłach dużej, średniej i małej mocy.

Pneumoimpulsowy system czyszczenia kotłów dużej mocy

Do czyszczenia kotłów dużej mocy pneumoimpulsowy system musi spełniać następujące wymagania:

  • duża moc wylotowa strugi (nie mniej niż 250kJ),
  • niskie ciśnienie powietrza roboczego (poniżej 10bar),
  • wysoka niezawodność i łatwość obsługi generatorów,
  • ochrona ruchomych elementów systemu czyszczenia przed agresywnymi spalinami,
  • niski koszt produkcji i montażu systemu.

Na etapie projektowania, przy wyborze ilości generatorów oraz konfiguracji systemu czyszczenia, należy każdorazowo uwzględniać charakter osadów oraz szybkość ich powstawania na rurach pęczków konwekcyjnych. System czyszczenia powinien być dobierany indywidualnie do kotła z uwzględnieniem geometrii i cech konstrukcyjnych czyszczonych powierzchni. W czasie montażu rur wylotowych na czyszczone powierzchnie, należy uwzględnić konstrukcję ścian kotła. W przypadku ścian szczelnych należy wykonać odpowiednie odgięcia. Materiał rur dobiera się zgodnie z temperaturą spalin w strefie montażu. Dysze montuje się w jednej płaszczyźnie z ekranami albo ścianą kotła. Długość rury wylotowej od generatora fal uderzeniowych do wylotu na czyszczone powierzchnie może wynosić do 30m. Zapotrzebowanie na sprężone powietrze zależne jest od ilości generatorów oraz przyjętych cykli działania. Generatory efektywnie działają przy ciśnieniu powietrza 6-10bar. Nad pracą systemu czuwa układ automatycznego sterowania i kontroli.

Kocioł typu PK-38 – system czyszczenia w praktyce

W 2009r. została uruchomiona instalacja czyszczenia powierzchni grodziowych kotła energetycznego typu PK-38 Nazarowskoj GRES w miejsce istniejących zdmuchiwaczy parowych i systemu czyszczenia śrutem. Zadaniem instalacji PIO jest zapobieganie tworzeniu się popiołowych osadów na grodziowych przegrzewaczach pary oraz przylepianiu cząsteczek popiołowych do elementów konwekcyjnych kotła. Na pierwszej elektrowni Nazarowskoj GRES eksploatowanych jest 6 bloków o mocy 150MW z kotłami PK-38. Kocioł parowy PK-38 (№ 6A) jest kotłem pionowym, dwuciągowym, z płynnym systemem odprowadzenia żużla, zaprojektowanym do spalania węgla brunatnego z Nazarowskich kopalni. Podstawowe parametry kotła podano w tabeli 1. Na rys. 2 widać rozmieszczenie generatorów na grodziowych powierzchniach kotła PK-38 (№6A), z kolei na rys. 3 pokazano dyszę wylotową umieszczoną pomiędzy dwoma grodziami na stropie.

Tabela 1. Dane techniczne kotła PK- 38.

Tabela 1. Dane techniczne kotła PK- 38.

Rys. 2 Rozmieszczenie generatorów fal uderzeniowych na grodziowych powierzchniach kotła PK-38 (№6A), gdzie: 1 – sprężarka,  2 - układ  sterowania, 3 - generator  PG-25/8, 4 – rury wylotowe  z  generatora,  5 - instalacja  sprężonego  powietrza, 6 - instalacja AKPiA, 7 – grodzie przegrzewaczy pary świeżej, 8 – grodzie przegrzewaczy pary wtórnej, 9 - przepływ spalin.

Rys. 2 Rozmieszczenie generatorów fal uderzeniowych na grodziowych powierzchniach kotła PK-38 (№6A), gdzie: 1 – sprężarka, 2 – układ sterowania, 3 – generator PG-25/8, 4 – rury wylotowe z generatora, 5 – instalacja sprężonego powietrza, 6 – instalacja AKPiA, 7 – grodzie przegrzewaczy pary świeżej, 8 – grodzie przegrzewaczy pary wtórnej, 9 – przepływ spalin.

Rys. 3 Dysza wylotowa fali umieszczona między grodziami przegrzewacza pary.

Rys. 3 Dysza wylotowa fali umieszczona między grodziami przegrzewacza pary.

W pierwszym etapie system czyszczenia składał się z 18 generatorów typu PG-25/8 (7 sztuk do czyszczenia grodzi pary świeżej, 6 sztuk do czyszczenia grodzi pary wtórnej oraz 5 sztuk na końcowej grodzi pary wtórnej). Instalacja została uruchomiona 01.10.2009r. W dniach 12-14.10.2009r. przeprowadzono regulację pracy systemu czyszczenia. Od 14.10.2009r. system PIO był włączony w trybie automatycznym. Zadziałanie generatorów fal uderzeniowych następowało, co 30 minut. Przerwa między działaniem generatorów na grodziach pary świeżej i wtórnej została ustawiona, co 5 minut. Ciśnienie sprężonego powietrza w układzie wynosiło ok. 8 bar. W okresie prowadzonych prób w kotle spalany był Nazarowskij węgiel brunatny. Skład spalanego węgla zmieniał się w zakresie:

  • wilgotność robocza Wr = 38,4…39,6%,
  • zawartość popiołu robocza Ar = 5,3…6,6%,
  • kaloryczność węgla Qr = 13 570…13 680kJ/kg.

Dopuszczalne temperatury spalin na wyjściu z komory paleniskowej ze względu na tworzenie twardych osadów popiołowych określono na poziomie 1166…1180°C. Dlatego w 2005 roku zostało wprowadzone ograniczenie wydajności parowej kotła №6A z nominalnej (270t/h) do 235t/h. Jednak, rzeczywista temperatura spalin w górnej strefie komory paleniskowej na poziomie grodzi już przy wydajności kotła 230t/h osiągała 1 225 … 1 237°C, a przy wydajności 240t/h – 1 260…1 270°C. Po 48 godzinach pracy systemu czyszczenia, temperatura spalin przy wydajności kotła 230t/h zmniejszyła się o ok 160°C – później zmieniała się nieznacznie. 31.10.2009r. w wyniku awarii na ekonomizerze kocioł został odstawiony. System czyszczenia pracował jeszcze dobę po odstawieniu kotła w celu usuwania osadów popiołowych z grodzi – następnie został wyłączony. Rewizja kotła wykazała, że grodzie pary świeżej i wtórnej znajdują się w stanie eksploatacyjno czystym. W czasie postoju kotła przeprowadzono przegląd systemu czyszczenia. Wszystkie zabudowane generatory były sprawne.

Od 1 grudnia 2009r. do 1 marca 2010r. kocioł №6A pracował bez odstawienia z maksymalnym obciążeniem do 235 ton pary na godzinę. Przed montażem systemu czyszczenia obciążenie parowe kotła №6A wynosiło średnio 200-215t/h. Po zabudowaniu systemu czyszczenia obciążenia parowe kotła wzrosło do poziomu 215-235t/h, przy średnim obciążeniu 225t/h.

W okresie prowadzonych prób mierzono za pomocą termopar, zamontowanych na dwóch bokach kotła, temperaturę spalin w strefach pomiędzy dwoma stopniami przegrzewacza pary świeżej. Zaobserwowano, że po uruchomieniu systemu czyszczenia temperatura spalin pomiędzy pęczkami przegrzewacza zmalała średnio o 50°C. Potwierdza to fakt zwiększenia skuteczności wymiany ciepła kotła PK-38 №6A. Analogiczne dane rozkładu temperatury kotła №6B (na którym nie pracował pneumoimpulsowy system czyszczenia) nie wykazywały żadnego spadku w rozpatrywanym czasie. W wyniku pozytywnych prób pneumoimpulsowego czyszczenia powierzchni grodziowych kotła, w 2010r. podjęto decyzję o zamontowaniu dodatkowych generatorów fal uderzeniowych do oczyszczania pozostałych powierzchni konwekcyjnych w drugim ciągu. Aktualnie pneumoimpulsowy system, zamontowany na kotle PK-38 №6A składa się z 72szt. generatorów fal uderzeniowych PG-25/8. W drugim ciągu zabudowane są 54 szt. generatorów fal uderzeniowych.

W styczniu 2011r. został wyłączony dodatkowy system czyszczenia powierzchni grodziowych oparty o zdmuchiwacze parowe oraz tzw. system śrutowy. W sierpniu tego samego roku instalacja czyszczenia oparta o generatory fal uderzeniowych kotła PK-38 №6A Nazarowskoj GRES oficjalnie została przyjęta do eksploatacji. W czasie eksploatacji kotła od 2011r. do 2012r. wspomagający system czyszczenia oparty o zdmuchiwacze parowe włączano raz na trzy doby. Wcześniej istniała konieczność pracy zdmuchiwaczy parowych dwa razy na dobę. W wyniku zmniejszonej częstotliwości pracy zdmuchiwaczy, zlikwidowano problem wycierania się rur grodziowego przegrzewacza pary. W okresie pracy systemu PIO nie zaobserwowano uszkodzenia ani jednej rury. Dla porównania na analogicznym kotle №6B (bez systemu PIO) w tym samym okresie usuwano awarię około 100 rur.

Rys. 4 Obszary oddziaływania strumienia fali uderzeniowej na konwekcyjny przegrzewacz pary świeżej.

Rys. 4 Obszary oddziaływania strumienia fali uderzeniowej na konwekcyjny przegrzewacz pary świeżej.

Kocioł №6A, który w 2007 roku wykazywał najmniejszą średnią wydajność w całej elektrowni, po uruchomieniu w 2009r. systemu czyszczenia opartego o generatory fal uderzeniowych odnotował przyrost średniej wydajności o 10 ton pary na godzinę.

Dalszy rozwój systemów czyszczenia kotłów

Pozytywne wyniki prób pneumoimpulsowego systemu czyszczenia zabudowanego w elektrowni w Nazarowskoj GRES spowodowały podjęcie przez kierownictwo Barnaulskiej Fabryki Kotłów SA „Sibenergomasz” decyzji, o stosowaniu tego typu systemów czyszczenia na wytwarzanych przez nich kotłach węglowych. Na podstawie tej decyzji firma „Sibtechakadem” w 2012 roku zaprojektowała pneumoimpulsowy system czyszczenia dla kotłów BKZ-220-140F (wydajność: 220t/h) działający na Barnaulskiej Elektrociepłowni-2. System przeznaczony jest do czyszczenia konwekcyjnych powierzchni grzewczych kotłów przy przejściu na spalanie węgli o gorszej jakości.

Zgodnie z zamówieniem Barnaulskiej Fabryki Kotłów opracowano także roboczy projekt pneumoimpulsowego systemu czyszczenia dla nowego kotła BKZ-640PT-1 (wydajność – 640t/h pary) dla elektrowni Gusinooziorskiej GRES. System składa się z dwóch stacji sprężarek, 104 szt. generatorów fal uderzeniowych oraz automatycznego układu sterowania. Służy do czyszczenia powierzchni konwekcyjnych kotła i ma zapewniać stabilne parametry pary. Aktualnie montaż instalacji czyszczenia jest zakończony i system jest przygotowany do prowadzenia prac rozruchowych po oddaniu kotła do eksploatacji.

Stosowanie pneumatycznych technologii impulsowych może zapewnić istotne zwiększenie skuteczności procesów czyszczenia powierzchni konwekcyjnych kotłów. W wyniku efektywnego czyszczenia zwiększa się żywotność części ciśnieniowej oraz eliminuje się częstotliwość awarii związana z działaniem zdmuchiwaczy parowych. Utrzymując powierzchnie wymiany ciepła w czystości stabilizujemy parametry pracy kotła oraz zmniejszamy zużycie paliwa.

Od 2011 roku „Sibtechakadem” Sp. z o.o. współpracuje z polską firmą EKOZUB Sp. z o.o. w zakresie wykorzystania pneumoimpulsowych technologii w różnych gałęziach przemysłu i w energetyce. EKOZUB Sp. z o.o. zbudowała kilkanaście instalacji czyszczenia na kotłach rusztowych opalanych węglem kamiennym oraz wymiennikach płomieniówkowych. Więcej informacji na temat wykorzystania fali uderzeniowej można znaleźć na stronie internetowej www.ekozub.pl.

Autorzy:

  • mgr inż. Andrzej Zuber, prezes zarządu EKOZUB Sp. z o.o.,
  • mgr inż. Patrycjusz Ploszka, redaktor/właściciel portalu Elektroenergetyka i przemysł online. Inżynieria w praktyce.

Literatura:

Opracowanie powstało przy wykorzystaniu literatury rosyjskojęzycznej (opracowań „Sibtechakadem” Sp. z o.o. oraz Instytutu Teoretycznej i Stosowanej Mechaniki Syberyjskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk).

Fot., rys.: zasoby własne autora

Czytaj także: