Олонецкая теплостанция на биотопливе

Технические решения

В. П. Калинин, канд. техн. наук, Ядерное общество России,

Х. Кукконен, директор АО «Путкимаа»

В Олонецком районе имеются большие запасы такого биотоплива – лесосечных отходов на вырубках, коры деревьев, горбыля и опилок на лесопилках, торфа на обследованных Сарьмяжских и других болотах. До настоящего времени в котельных г. Олонца сжигался привозной каменный уголь – природное углеводородное топливо, которое в результате горения выделяет много шлака и вредных выбросов в атмосферу в виде двуокиси углерода, соединений серы, азота и мелких частиц (сажи). В мире наметилась тенденция по замене каменного угля на биотопливо. Кроме того, привозное топливо невыгодно использовать, поскольку затрачиваемые на закупку угля деньги не поступают в бюджет района. При использовании местного биотоплива этого не происходит, и обеспечивается надежное бесперебойное снабжение теплостанции топливом при минимальных транспортных издержках ввиду небольшого расстояния до своих торфоразработок. При этом большое значение имеет также обеспеченность местного населения работой по заготовке и переработке лесосечных отходов, добыче кускового торфа с учетом его сушки, складирования и транспортировки до котельной. В первой части статьи отмечалось также о значительном износе всего котельного оборудования и теплосети в целом и об отсутствии современных систем автоматического управления и механизации тяжелых работ, а также диагностики оборудования. Все это приводило к большим теплопотерям и частым ремонтам оборудования и трубопроводов в последние годы. Поэтому с переходом на местное биотопливо в г. Олонце полная замена котельного оборудования, обновление теплосети и ввод теплопунктов в жилых домах для снабжения абонентов теплой водой станет технически возможным и экономически обоснованным решением в кратчайшие сроки.

Город Олонец как объект централизованного теплоснабжения хорошо подходит для осуществления мероприятий по теплофикации и в первую очередь для замены устаревших котельных и теплосети новыми, поскольку при коротких теплопередающих сетях обеспечивается возможность реализации столь ответственных задач. При этом максимально могут быть использованы отдельно существующие здания прежних котельных для размещения и эксплуатации в них новой теплостанции, а также дизельных котлов пиковой и резервной мощности. Это в значительной степени улучшает рентабельность строительства и экс-плуатации современной мини-станции для централизованного теплоснабжения города, поскольку существенно снижаются необходимые инвестиционные затраты. Для обеспечения требуемых параметров по теплоснабжению такая теплофикационная система должна обладать высоким коэффициентом использования установленной мощности. Это достигается благодаря применению в г. Олонце оборудования и технологий, подтвердивших высокую эксплуатационную надежность на ряде западных и российских станций теплоснабжения. Кроме того, существенно снижается количество выбросов в атмосферу вредных газов и твердых частиц (сажи). Как отмечалось ранее, рост занятости населения на работах по сбору лесосечных отходов и заготовке щепы из них, по добыче торфа и на транспортных работах – все это придает уверенность в том, что таким путем обеспечивается надежное теплоснабжение и комфорт жизни, а также благополучие населения, т. к. уходившие ранее большие средства за пределы Олонецкого района теперь расходуются на зарплату местных жителей и на социальную сферу.

В последние годы наблюдается существенное увеличение сектора биоэнергетики как в Европе, так и во всей России. Поэтому правильное освоение технологий и грамотная эксплуатация нового котлоагрегата на биотопливе и всей теплостанции имеет большое значение, особенно в будущем.

Рисунок 1. (подробнее) Олонецкая станция для централизованного теплоснабжения с котлами РМА – 5–6 МВт (щепа + торф), РМ 4 МВт и РМ 2 МВт (диз. топливо) (Принципиальная схема, предпроектный вариант)

Разработчик и изготовитель котла на биотопливе

Недавно представители г. Олонца (население около 11 000 чел) и финской фирмы-изготовителя котлов «Путкимаа» начали переговоры и сотрудничество с целью строительства котельного комплекса на биотопливе для теплоснабжения жилищного и социального сектора. В результате было установлено, что создание тепловой станции при использовании котла с перемещающейся колосниковой решеткой было бы наиболее оптимальным решением, выгодным и наиболее надежным с точки зрения конструкции. Исходя из имеющегося многолетнего опыта, тепловая мощность такого котельного комплекса должна составить 5–6 МВт при использовании щепы и торфа в качестве топлива. Помимо основного котла, в поставку входят: два котла на дизельном топливе, устройство для загрузки топлива в топку, вентиляторы для подачи воздуха в различные зоны топки, мультициклонный отделитель сажи в дымовых газах, мокрый скребковый конвейер для золоудаления, система управления и участие в пуско-наладке и пробном пуске станции и комплект технической документации. По отдельному договору будет изготовлен и поставлен второй аналогичный котел для обеспечения теплоснабжения дополнительного числа потребителей (второй этап, через несколько лет после пуска в эксплуатацию первого котла).

Котел с перемещающейся колосниковой решеткой используется довольно широко на аналогичных объектах теплоснабжения, поэтому можно утверждать, что он представляет собой надежную и испытанную технику и технологию. Использование дизельных котлов в качестве резервного и пикового на Олонецкой теплостанции (см. технические характеристики ниже) обеспечивает теплоснабжение в случаях пиковых нагрузок, в аварийных ситуациях, а также при проведении ремонтно-профилактических работ на основном котле. Подобная организация теплоснабжения города считается нормальной, благоприятной и экономически выгодной.

Строительство Олонецкой станции централизованного теплоснабжения в сотрудничестве с изготовителем предусматривается таким образом, что котел и связанные с ним основные вспомогательные устройства будут изготовлены на заводе АО «Путкимаа» в Оулу. Местные предприятия в г. Олонце будут выполнять все строительные работы, а также монтаж укрупненных на заводе секций главного котла и других устройств (будет всего несколько сварных и болтовых соединений). Проектирование, изготовление и наладка систем автоматики во время монтажа оборудования входит в поставку всей теплостанции. В системах автоматики станции предусмотрено использование ряда новых технологий. Монтажные работы и пуск котельного комплекса в эксплуатацию будут осуществляться под непрерывным руководством изготовителя с тем, чтобы сборка и монтаж оборудования были выполнены должным образом, и пуск котельного комплекса в эксплуатацию с проведением необходимых регулировок осуществлялся бы в соответствии с техническими требованиями и при непосредственном участии разработчика. Такая организация работ на монтаже и в период пуска в эксплуатацию вполне обоснована, поскольку эта фирма имеет большой опыт по этим вопросам. Будущий эксплуатационный персонал будет принимать участие в проведении монтажно-наладочных работ и уточнении регулировок. Отдельно предусмотрено также обучение персонала в цеху у изготовителя. Все это способствует вниканию будущих экс-плуатационников в суть процессов и, конечно, поможет им хорошо освоить новую технику и технологию с новейшей системой автоматики теплостанции. Выполнение строительных и монтажных работ местными силами существенно выгоднее во всех отношениях – и в техническом плане, и в экономическом.

При этом квалификация местных технических кадров быстрее поднялась бы до необходимого уровня. Одновременно обеспечивалась бы возможность наладить сотрудничество с другими проектами в будущем.

Принцип действия котла с колосниковой решеткой.
Процесс горения и факторы, влияющие на него

В котлах с колосниковой решеткой топливо подается на изготовленное из чугунных частей наклонное основание, которое может приводиться в механическое движение. В таких котлах твердое топливо при горении на колоснике превращается в газообразное. Необходимый для этого воздух подается снизу сквозь решетчатую конструкцию. При этом часть образующегося газа загорается сразу, а остальную сжигают во второй зоне горения котла. Подача воздуха во вторую зону горения осуществляется при помощи регулируемых форсунок. Путем регулирования соотношения подаваемого количества воздуха снизу сквозь колосниковую решетку и во вторую зону горения обеспечивается возможность оптимизации процесса горения. Регулирование количества подаваемого воздуха и давления производится при помощи частотного регулятора первичного и вторичного вентилятора.

Основной целью является газификация (переводе в газообразное состояние) максимальной части горящего топлива на колосниковой решетке для того, чтобы доля несгоревшего топлива в золе была минимальной и тем самым обеспечивался бы максимальный коэффициент полезного действия. Все это достигается путем соответствующей оптимизации подачи необходимого количества и температуры воздуха, регулирования скорости перемещения колосниковой решетки при горении топлива в котле. При помощи современных регулирующих устройств вполне реально управление всеми этими параметрами. Все же выбор правильных значений упомянутых регулировок требует от оператора определенного опыта, поскольку состав входящих в биотопливо компонентов нередко меняется. Обеспечение хорошего горения важно также с той точки зрения, чтобы исключить чрезмерное загрязнение внутренних теплопередающих поверхностей котла. Появление загрязнений на поверхностях нагрева снижает коэффициент теплопередачи через них и требует дополнительной прочистки этих поверхностей нагрева от грязи.

На величину КПД котла с колосниковой решеткой в существенной мере оказывает влияние такой фактор, как конечная температура дымовых газов, поскольку это непосредственно оказывает влияние на потерю температуры дымовых газов. Чем ниже будет обеспечена температура дымовых газов, тем меньше будут потери тепловой энергии с дымовыми газами в атмосферу. Все же температура дымовых газов не должна быть слишком низкой и нельзя допустить, чтобы температура влаги, содержащейся в дымовых газах, достигла температуры росы. Ведь при температуре росы пары влаги (водяной пар) могут уплотниться с образованием капель воды, а это способствует более интенсивному загрязнению и коррозии поверхностей нагрева котла. Поэтому ведется непрерывное наблюдение за конечной температурой дымовых газов, и производится необходимая регулировка ее до оптимального уровня путем соответствующих изменений циркуляции воды. Величина температуры росы зависит от содержания водяных паров в дымовых газах, а это обусловливается непосредственно степенью влажности и составом применяемого топлива. При более низкой влажности топлива достигается более высокий КПД, поэтому оправданной оказывается вложение средств на своевременный сбор, подготовку, хранение и транспортировку топлива.

За процессом горения производится непрерывное слежение путем проведения измерений количества остаточного кислорода в дымовых газах. В случае снижения содержания кислорода дымовых газов ниже допустимого уровня прекращается горение топлива. Снижение содержания кислорода в дымовых газах может указывать на то, что в котел не поступает достаточное количество кислорода для нормального горения топлива. В такой ситуации возникает опасность накопления слишком большого количества горящих газов, способных стать причиной взрыва в топке котла. Поэтому разумно прекратить горение топлива немедленно и выяснить, по какой причине произошло такое отклонение. Останов котла в таких случаях происходит автоматически.

Таблица (подробнее) Технические характеристики котлов Олонецкой теплостанции (предварительные)

Циркуляция воды в котле

Циркуляция воды в котле предусмотрена таким образом, чтобы вода сначала поступала в конвективную зону удаленной части котла. В этой зоне котла осуществляется регулирование конечной температуры дымовых газов. После этого вода проходит по стенкам топки, одновременно нагреваясь и охлаждая материал топочной стенки. В нормальном состоянии котел должен быть полностью заполнен водой и быть под соответствующим давлением – тем самым предотвращается разрушение котла. Это необходимо обеспечить путем организации равномерной циркуляции воды внутри котла, тогда во всех его зонах будет непрерывная циркуляция воды. Вода, прогретая при прохождении по стенкам топки, собирается в один трубопровод и далее отводится в теплофикационную систему. На выходе нагретой воды из котлоагрегата производится регулирование ее температуры путем подмешивания обратной теплофикационной воды в нагретую воду на выходе. Таким образом достигается оптимизация температуры уходящей воды из котла в теплосеть.

Циркуляция воды осуществляется при помощи двух насосов, один из которых постоянно находится в работе, а другой – в резерве. Тем самым обеспечивается питание котла водой, даже если основной насос вышел из строя. Для защиты котла от возможной аварии, например, в случаях чрезмерного перегревания воды или превышения давления до значений сверх допустимого, в котле предусмотрена система защиты. Эта система защиты функционирует таким образом, что путем автоматического замера температуры производится непрерывный контроль за состоянием воды в котле. Например, при повышении температуры воды выше допустимого значения происходит автоматическое прекращение процесса горения топлива. Дополнительно котел защищен предохранительными клапанами, которые срабатывают при превышении допустимого давления в котле. За изготовлением котельного оборудования на заводе-изготовителе как и в других странах-изготовителях котельного оборудования, установлено строгое инспектирование. Каждый изготовленный котел перед отправкой заказчику должен пройти испытания и разрешительное инспектирование органами технадзора. Испытание системы защиты котла производится перед принятием его в эксплуатацию и, кроме того, периодические испытания котла должны проводиться с целью обеспечения его эксплуатационной работоспособности.

С точки зрения теплопереноса существенным является то, чтобы теплопередающие поверхности в конвективной части котла оставались достаточно чистыми. При необходимости теплопередающие поверхности должны быть прочищены. Для этого типа котла такая прочистка поверхностей производится водой. Степень загрязнения котла зависит, прежде всего, от горения и вида топлива. Например, при сжигании древесной щепы степень загрязнения больше, чем в случае торфяного топлива, поскольку древесина содержит вещества, обладающие большей прилипаемостью летучей фракции золы к стенкам котла. При эксплуатации хорошо отрегулированного котла с колосниковой решеткой подобное загрязнение не будет представлять проблему.

Обращение с топливом и подача его в котел

На Олонецкой теплостанции для сжигаемого топлива необходимо иметь свой топливный склад, на котором можно было бы складировать доставляемое топливо. Топливный склад должен быть достаточно большим, поскольку всегда имеется риск опоздания доставки очередной партии топлива. В этом случае можно сжигать имеющееся на складе топливо. Топливный склад должен обеспечивать защиту топлива, например, от дождя, поскольку нежелательно, чтобы топливо набирало влагу при хранении его на складе. На таком складе различные виды топлива разгружаются в отдельных местах и это позволяет всегда правильно выбрать необходимый вид топлива.

Топливный склад должен быть оборудован автоматизированным скребковым транспортером или иными разгрузочными устройствами такой же производительности. Скребками в виде лопаток осуществляется загрузка топлива на транспортер, доставляющий топливо к загрузочной воронке, по которой топливо подается на колосниковую решетку топки. Загрузочная воронка снабжена двумя заслонками для предотвращения возгорания топлива в загрузочной воронке и распространения огня далее по транспортеру. Электроблокировка заслонок топливопровода (после загрузочной воронки) устроена таким образом, чтобы всегда минимум одна заслонка была в закрытом положении.

Система транспортировки топлива по этому проекту полностью автоматизирована. Действия автоматики основаны на том, что на основании результатов измерения уровня топлива в загрузочной воронке производится включение системы транспортировки топлива. После достижения заданного уровня топлива транспортер останавливается. Толщина слоя топлива на колосниковой решетке поддерживается примерно одинаковой с тем, чтобы подача топлива на колосниковую решетку всегда была равномерной. Неравномерная подача топлива на колосниковую решетку затрудняет управление процессом газообразования в котле и тем самым ухудшает процесс горения топлива.

Рисунок 2. (подробнее) Принципиальная схема системы автоматизации Олонецкой теплостанции с котлами РМА 5–6 МВт, РМ 4 и РМ 2 (Предпроектный вариант)

Обращение с золой и дымовыми газами

Образующаяся на колосниковой решетке зола и недогоревшее топливо перемещаются на дальний конец колосниковой решетки и там выпадают на заполненную водой транспортерную ленту. В воде происходит охлаждение золы, и транспортер выводит ее в зольный контейнер.

На колосниковой решетке при горении топлива образуется газ, и вместе с этим с поверхности горящего топлива отрываются частицы, увлекаемые далее дымовыми газами. Такая летучая фракция золы отделяется от дымовых газов при помощи установленного за котлоагрегатом мультициклонного золоотделителя. Такой золоотделитель состоит из нескольких небольших циклонов, в которых дымовые газы подвергаются вращательному движению, в результате чего частицы летучей золы тяжелее газа выделяются и выпадают в сборник-воронку, размещенный на дне циклона. Из этого сборника-воронки частицы летучей золы выпадают на мокрый транспортер, по которому выводится также зола с колосниковой решетки топки. При помощи таких устройств обеспечивается отделение наибольшей части летучих частиц (из дымовых газов) и на котлах конструкции изготовителя удается достичь уровня очистки дымовых газов ниже допустимых значений, регламентируемых требованиями технадзора.

После мультициклонного золоотделителя дымовые газы отсасываются в дымоходную вентиляционную систему и выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу. Назначение вентилятора для дымовых газов заключается не только в их удалении, но и создании разрежения внутри котла. Путем регулирования степени разрежения в котле обеспечивается воздействие на скорость потоков газа в топке и тем самым – на процесс горения.

Степень автоматизации котельного комплекса и его эксплуатация

Олонецкую теплостанцию централизованного теплоснабжения предусмотрено максимально оснастить автоматикой для того, чтобы потребность в персонале была минимальной. Тем самым обеспечивается снижение эксплуатационных затрат. На самой тепловой станции необязательно наличие постоянного эксплуатационного персонала, а управление котлов может осуществлять ответственный за эксплуатацию оператор, который с помощью мобильного телефона принимает сигналы от системы автоматического управления. Дежурный оператор все время своего дежурства должен оставаться недалеко от своей станции. Конечно, во время эксплуатации теплостанции ежедневно предусматривается выполнение текущих работ, в том числе профилактических, а также проведение определенного контроля и измерений. Имеющийся опыт эксплуатации аналогичных тепловых станции показывает возможность достижения значительной экономии при нормальной ее эксплуатации.

Выводы

Предложения по решению проблемы централизованного теплоснабжения г. Олонца Республики Карелия можно свести к строительству комплекса объектов, а именно:

1. Теплостанция I очереди с главным котлом на местном топливе (5–6 МВт) и дизельными котлами пиковой и резервной мощности (2 МВт и 4 МВт) – в здании эксплуатируемых котельных «ДСПМК» или «Гостиница/Центральная».

2. Второй котел на биотопливе (II очередь), исходя из конкретных потребностей дополнительных абонентов после 3–5 лет эксплуатации теплостанции (п. 1) также с использованием существующих помещений прежних котельных.

3. Цех добычи и сушки кускового торфа – топлива для котла теплостанции.

4. Новая теплосеть города с использованием новых технологий и «вечных» материалов.

5. Тепловые пункты в жилых домах для снабжения абонентов теплой бытовой водой.

Ранее для Пряжи (юго-восток Карелии) тот же изготовитель поставил аналогичный котлоагрегат меньшей тепловой мощности, чем предложенный для г. Олонца. Пряжинский котел с колосниковой решеткой на местном топливе эксплуатируется уже почти шесть лет и подтверждает надежность работы оборудования. В качестве основного вида топлива для Пряжинского котлоагрегата используется древесная щепа, а резервного топлива – торф. Осуществление проекта Олонецкой теплостанции на биотопливе действительно актуально и конкурентоспособно и обеспечило бы потребности по теплоснабжению и теплой бытовой воде население всего города. В итоге открылась бы перспектива по строительству подобных котлоагрегатов для теплоснабжения населенных пунктов в других районах Республики Карелия и России.