Alternatywna metoda rozruchu energetycznych kotłów pyłowych

Przemysław KOBEL
Politechnika Wrocławska,
Wydział Mechaniczno-Energetyczny,
Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów
Alternatywna metoda rozruchu energetycznych kotłów pyłowych
wykorzystująca plazmę
W artykule zaprezentowana została metoda rozruchu energetycznych kotłów pyłowych
wykorzystująca plazmę. Stanowić może ona korzystną alternatywę dla tradycyjnego rozruchu
opartego o palniki mazutowe. Rozruchu kotła z wykorzystaniem mazutu jest uciążliwy dla
środowiska naturalnego ze względu na wysoką emisję do atmosfery ciężkich węglowodorów i
sadzy. Jest on także kosztowny z powodu wysokich ceny ropy naftowej oraz kosztów,
technologicznie skomplikowanej i energochłonnej mazutowej instalacji rozruchowej.
Plazmowy system rozruchowy umożliwia uruchomienie kotła wyłącznie z użyciem pyłu
węglowego jako paliwa przy pomocy zasilanych energią elektryczną generatorów plazmy
(plazmotronów) zamontowanych bezpośrednio na palnikach pyłowych. Rozwiązanie takie
umożliwia redukcję kosztów zarówno inwestycyjnych, jak i eksploatacyjnych. Pozwala również
zmniejszyć uciążliwość rozruchu kotła dla środowiska.
Artykuł przedstawia plazmowy system rozruchowy na przykładzie rozwiązania będącego
wynikiem prac badawczych prowadzonych w Zakładzie Spalania i Detonacji Instytut Techniki
Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej. Opisana została idea plazmowego
rozruchu kotła oraz budowa i zasada działania plazmowej instalacji rozruchowej. Przedstawiony
został plazmowy palnik pyłowy oraz będący jego główną częścią plazmotron, a także układy
pomocnicze systemu.
Słowa kluczowe: plazma, plazmotron, rozruch kotła
1. Plazmowy rozruch kotłów
W Polskiej energetyce podstawowym źródłem pary są kotły o dużej wydajności
opalane pyłem węglowym (węgla brunatnego lub kamiennego). Przy uruchamianiu takiego
kotła ze stanu zimnego konieczne jest przeprowadzenie procedury rozruchowej mającej na
celu stopniowe rozgrzanie kotła oraz współpracujących z nim urządzeń pozwalające
uniknąć niszczących naprężeń termicznych. Jako źródło ciepła podczas rozruchu
najczęściej wykorzystywane są pomocnicze palniki rozpałkowe opalane mazutem (ciężkim
olejem opałowym). Ta metoda jest jednak wysoce uciążliwa dla środowiska naturalnego ze
względu na wysoką emisję do atmosfery ciężkich węglowodorów i sadzy (co dla
postronnego obserwatora objawia się jako czarne dymienie z komina elektrowni).
Wykorzystanie mazutu jest także kosztowne z powodu wysokich cen ropy naftowej
będącej surowcem do jego produkcji. Dodatkowo instalacja mazutowa jest technologicznie
skomplikowana i cechuje się wysokimi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi. Do
rozruchu kotła stosować można także palniki opalane gazem. Paliwo to jest bardzie
ekologiczne i łatwiejsze w dystrybucji od mazutu, jednakże znacznie droższe i bardziej
niebezpieczne pod względem wybuchowości. Z tych powodów jest ono rzadko
wykorzystywane.
Wobec zaostrzających się norm dotyczących ochrony środowiska oraz wzrostu
ceny ropy naftowej stosowanie metody alternatywnej dla tradycyjnie stosowanego
rozruchu mazutowego wydaje się wysoce zasadne. Z ekonomicznego, energetycznego i
ekologicznego punktu widzenia najbardziej korzystne byłoby uruchamianie kotła
wyłącznie przy użyciu pyłu węglowego. Jest to jednak trudne, ponieważ wymaga
zapewnienia niezawodnego zapłonu i stabilnego działania palnika pyłowego w
niekorzystnych warunkach panujących w zimnym kotle. W celu inicjacji i stabilizacji
spalania pyłu wykorzystane mogą zostać zasilane energią elektryczną generatory plazmy
(plazmotrony) zamontowane bezpośrednio na palnikach pyłowych. Rozwiązanie takie
umożliwia redukcję kosztów zarówno inwestycyjnych, jak i eksploatacyjnych [1]. Pozwala
ono również zmniejszyć uciążliwość rozruchu kotła dla środowiska.
Na dzień dzisiejszy plazmowa technika rozruchu kotłów nie jest
rozpowszechniona. Istnieją instalacje plazmowego rozruchu o różnym stopniu
zaawansowania technicznego (laboratoryjne, pilotowe, a nawet w skali przemysłowej). Do
wysoce dojrzałych rozwiązań zaliczają się rosyjskie [2], chińskie [3] i czeskie [4]. Brakuje
jednak pełnych danych eksploatacyjnych na ich temat. Istnieje wiele problemów i
wątpliwości związanych między innymi z niezawodnością.
W Zakładzie Spalania i Detonacji Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów
Politechniki Wrocławskiej prace badawcze nad zastosowaniem techniki plazmowej do
rozruchu i stabilizacji pracy energetycznych kotłów pyłowych prowadzone są od kilku lat.
Opracowana została własna konstrukcja plazmotronu, która obecnie podlega badaniom i
optymalizacji. Prowadzone są prace nad bezzakłóceniowymi układami zapłonowymi.
Stworzona została także doświadczalna plazmowa instalacja rozruchowa w
Elektrociepłowni Czechnica.
2. Wnękowy plazmotron rozruchowy
W plazmotronach plazma wytwarzana jest poprzez elektryczne wyładowanie
łukowe w gazie, prowadzące do jego silnego nagrzania i jonizacji. Powstały strumień
plazmy charakteryzuje się temperaturą rzędu 103÷104 K i bardzo dużą koncentracją mocy.
Pozwala to na przekazanie w krótkim czasie dużych ilości energii w określone miejsce.
Istnieje wiele rozwiązań technicznych plazmotronów różniących się budową,
wykorzystywanym czynnikiem plazmotwórczym, sposobem zasilania lub osiąganą mocą.
Jednym z możliwych rozwiązań konstrukcyjnych jest tzw. plazmotron wnękowy
(rys. 1). W rozwiązaniu tym elektrody mają postać wykonanych z miedzi tulei,
ustawionych wzdłużnie i oddzielonych ceramiczną przegrodą izolacyjną. Czynnik
plazmotwórczy (powietrze) doprowadzany jest do plazmotronu dwoma niezależnymi
strumieniami. Pierwszy – tzw. wzdłużny – wprowadzany jest od strony katody i podlega
zawirowaniu względem osi plazmotronu. Drugi – tzw. obwodowy – doprowadzany jest
poprzez przegrodę izolacyjną i również podlega zawirowaniu. Takie doprowadzenie
powietrza powoduje wirowe przemieszczanie się punktów przyczepienia łuku po
powierzchniach elektrod, co chroni je przed miejscowym przegrzaniem i przepaleniem.
Wielkości i wzajemny stosunek strumieni powietrza dobiera się eksperymentalnie, celem
zapewnienia optymalnej pracy plazmotronu. Aby odprowadzić nadwyżkę ciepła, mogącą
uszkodzić plazmotron, elektrody są intensywnie chłodzone wodą [5].
Istotnym elementem plazmotronu jest układ zapłonowy. Aby wytworzyć główne
wyładowanie plazmowe konieczne jest wstępne zjonizowanie czynnika plazmotwórczego
w przestrzeni międzyelektrodowej. Opracowano urządzenie zapłonowe z
wysokonapięciowym, niskoczęstotliwościowym wyładowaniem iskrowym. Cechuje się
ono prostą konstrukcją i dużą niezawodnością oraz niskim poziomem zakłóceń
elektromagnetycznych [6].
Rys. 1. Plazmotron wnękowy – schemat [5] i widok.
3. Instalacja rozruchowa wykorzystująca plazmotrony
Procedura plazmowego rozruchu kotła pyłowego jest podobna do normalnego
rozruchu z zastosowaniem palników mazutowych. Jej istotą jest to, że od początku (od
stanu zimnego kotła) pracują palniki pyłowe z zainstalowanymi plazmotronami (Plazmowe
Palniki Pyłowe). Pozostałe palniki są uruchamiane stopniowo po osiągnięciu wymaganych
parametrów cieplnych komory paleniskowej oraz innych elementów bloku. Jako PPP
mogą zostać wykorzystane istniejące palniki pyłowe po modyfikacji lub nowe, specjalnie
w tym celu stworzone. Liczba, moc i konfiguracja PPP zależy przede wszystkim od
wydajność kotła i rodzaju paleniska [7]. Na rys. 2 pokazano potencjalną konfigurację PPP
dla kotła OP-130, gdzie plazmotrony zainstalowane są na istniejących muflowych
palnikach rozpałkowych.
2
1
4
Kocioł OP -130
5
3
1. komora spalania
2. palniki główne
3. palniki rozpałkowe
4. zasilanie pyłem węglowym
5. plazmotron
Rys. 2. Konfiguracja plazmowych palników pyłowych dla kotła OP-130
Działanie plazmowego palnika pyłowego polega na wprowadzeniu strumienia
plazmy do przewodu, którym przepływa mieszanka pyłowo-powietrzna (rys 3). Pod
wpływem fizyko-chemicznego oddziaływania plazmy na pył węglowy następuje
gwałtowne wydzielanie części lotnych, rozpad cząstek pyłu i zapłon. W efekcie otrzymuje
się stabilny płomień pyłowy [8]. Główne źródło energii dla takiego palnika stanowi pył
węglowy, a plazma pełni rolę zapłonową i stabilizującą oraz intensyfikuje proces spalania.
plazmotron
mieszanka
pyłowopowietrzna
czynnik
plazmotwórczy
płomień
pyłowy
energia
elektryczna
czynnik
chłodzący
Rys. 3. Plazmowy palnik pyłowy – schemat
Poza plazmotronem i palnikiem pyłowym w skład plazmowej instalacji
rozruchowej wchodzą różnorodne układy pomocnicze:
o układ zasilania w pył węglowy zapewniający paliwo niezbędne do pracy PPP
o układ zasilania elektrycznego obejmujący rozdzielnie elektryczną, układy zabezpieczeń
przeciwprzeciążeniowych i przeciwporażeniowych, zasilacz plazmotronu (dla
plazmotronów stałoprądowych jest to prostownik dużej mocy) i układ inicjujący;
o układ zasilania czynnikiem plazmotwórczym;
o układ chłodzenia odbierający nadmiar ciepła z plazmotronu i zasilacza
o układy kontroli, pomiarów i sterowania uwzględniające integrację z automatyką bloku.
W przypadku zastosowania kilku plazmotronów, układy pomocnicze mogą być
przez nie współdzielone. Kiedy instalacja rozruchu plazmowego jest dobudowywana na
istniejącym obiekcie instalacja może ona wykorzystywać jego zmodyfikowaną
infrastrukturę.
Opracowano i wykonano doświadczalną plazmową instalację rozruchową dla
kotła OP-130 (rys. 4). Do stworzenia plazmowego palnika pyłowego wykorzystano
istniejący rozpałkowy palnik muflowy kotła wraz z jego układem zasilania pyłem.
Instalacja jest autonomiczna i nie przeszkadza w normalnym funkcjonowaniu bloku.
Umożliwia ona prowadzenie badań plazmotronu zarówno w czasie pracy, jak i postoju
kotła [5]. Z wykorzystaniem instalacji wykonano liczne doświadczenia w tym udane próby
zapłonu pyłu węglowego (rys. 5).
Rys. 4. Plazmowa instalacja rozruchowa na
kotle OP-130
1- rozpałkowy palnik muflowy, 2- zasilanie pyłem
węglowym, 3- plazmotron, 4-szafa sterowniczozasilająca plazmotronu, 5-układy elektryczne
plazmotronu, 6-główne palniki kotła
Rys. 5. Widok plazmowego palnika
pyłowego podczas próby zapłonu pyłu
węglowego
Bibliografia
[1] P. Bukowski, A. Dyjakon, W. Kordylewski, M. Salmonowicz, Analiza ekonomiczna plazmowego
rozruchu kotłów pyłowych, Międzynarodowa X Konferencja Kotłowa 2006, Szczyrk, 17-20.10.2006.
[2] E. Karpenko, V. Messerle, A. Ustimenko, Plasma aided solid fuel combustion, Proceedings of the
Combustion Institute 31 (2007), s. 3353–3360
[3] The Application of Plasma Ignition Technology in China, prezentacja firmy EDF China Division, 2008
[4] Plasma Technology - The most modern technology of boiler starting, prezentacja firmy ORGREZ a.s.,
Międzynarodowa X Konferencja Kotłowa 2006, Szczyrk, 17-20.10.2006;
[5] P. Kobel, W. Kordylewski, T. Mączka i inni, Zastosowanie plazmotronu wnękowego w muflowym
palniku pyłowym do rozruchu kotła energetycznego, Jubileuszowa Konferencja Kotłowa 2009 […],
Szczyrk, 13-15.10.2009
[6] [P. Kobel, W. Kordylewski, T. Mączka, Opracowanie i wykonanie bezzakłóceniowych układów
rozruchu plazmotronu dużej mocy, Raporty ITCMP,.Ser. SPR nr 37, 2008
[7] P. Kobel, W. Kordylewski, T. Mączka, Zastosowanie plazmotronu wnękowego do zapłonu muflowego
palnika pyłowego, M. K. N. T. Efektywność Energetyczna 2009, Kraków, 21-23.09.2009
[8] P. Kobel, W. Kordylewski, Zastosowanie plazmotronu zasilanego powietrzem do stabilizacji płomienia
pyłowego, Archiwum Spalania, vol. 8, nr 1-2, 2008