Zerstört die Verfolgung der Netznachfrage Ihren großen Kohlekessel? Hier sind vier Bedenken, die es zu berücksichtigen gilt

Der Betrieb von mit Kohlenstaub befeuerten Kesseln unter Schwachlastbedingungen bringt mehrere Herausforderungen mit sich. Dieser Artikel bietet Tipps, um die Geräte im bestmöglichen Betriebszustand zu halten.

Auf dem heutigen Energiemarkt mit der zunehmenden Durchdringung erneuerbarer Energien und hocheffizienter Kombikraftwerke müssen viele der einst grundgeladenen Kohlenstaubkraftwerke (PC) zyklisch arbeiten und/oder bei niedriger Last arbeiten. Viele PC-Anlagen laufen in Zeiten, in denen die Versorgung mit erneuerbaren Energien ihren Höhepunkt erreicht, mit 25 % bis 50 % ihrer maximalen Dauerleistung. Dies bringt neue betriebliche Herausforderungen mit sich, die sich nicht nur auf die Effizienz der Anlage bei diesen Lasten, sondern auch auf die Zuverlässigkeit des Kessels auswirken.

Die Netzstabilität und -zuverlässigkeit hängt von der Kohleflotte ab, um schnelle Laständerungen zu ermöglichen, wenn erneuerbare Energien hoch- oder runtergefahren werden. Im Sommer und Winter sind Kohlekraftwerke bei extremen Wetterbedingungen für die Stromerzeugung von großer Bedeutung. Die Erfahrungen von Storm Technologies mit dem Niedriglastbetrieb und den damit verbundenen Herausforderungen reichen bis in die Zeit vor den jüngsten Betriebseigenschaften heutiger Kraftwerke zurück. Die meisten Fachleute in der Energiebranche sind sich der zusätzlichen Belastungen bewusst, die zyklischer Betrieb oder Betrieb bei geringer Last auf die Kesselmaterialien, unterschiedliche Metallschweißnähte und die Wasserchemie, um nur einige zu nennen, haben können. Im Gegensatz dazu hat Storm herausgefunden, dass es eine Reihe von Verbesserungen bei den kontrollierbaren Betriebs- und Wartungsparametern gibt, die vergleichbar kostengünstig sind und oft übersehen werden. Wenn diese Änderungen berücksichtigt und überwacht werden, können sie die Betriebsflexibilität und die Zuverlässigkeit der gesamten Anlage verbessern.

Während sie zyklisch laufen oder bei geringer Last arbeiten, arbeiten die Pulverisierer irgendwann am unteren Ende der Primärluftrampe oder am sogenannten minimalen Luftsollwert (Abbildung 1). Zu diesem Zeitpunkt ist der Pulverisierer am anfälligsten für Kohleabfälle. Kohlerückstände werden von Storm Technologies als „heimliche“ Wärmeleistungsstrafe betrachtet; Es stellt auch ein Sicherheitsrisiko dar, da der Rohbrennstoff durch den Hals ausläuft und in einer sehr luftreichen Umgebung dem heißen Primärluftstrom ausgesetzt ist.

1. Primärluftrampe im Vergleich zur Beladung des Pulverisierers. Mit freundlicher Genehmigung: Storm Technologies

Wenn beim Betrieb mit geringerem Durchsatz Kohlerückstände auftreten, hängt dies oft direkt mit dem geringeren Primärluftstrom zusammen, der zu einer geringeren freien Strahlgeschwindigkeit durch den Pulverisiererhals führt. Die Frage, wie viele Pulverisierer für den Betrieb über den gesamten Lastbereich Ihres Kessels benötigt werden, dürfte eine einfache Aufgabe sein und für den Betrieb gibt es wahrscheinlich ein entsprechendes Verfahren. Storm stellt jedoch häufig fest, dass Anlagen mit weniger in Betrieb befindlichen Pulverisierern betrieben werden könnten, die Betreiber sich jedoch einfach dafür entscheiden, die Pulverisierer nicht außer Betrieb zu nehmen. Dies verringert den Durchsatz durch die Pulverisierer und führt in vielen Fällen dazu, dass die Pulverisierer mit dem minimalen Luftanteil der Primärluftkurve arbeiten.

Abbildung 1 zeigt ein vereinfachtes Beispiel dafür, dass Sie durch die Außerbetriebnahme von zwei Pulverisierern und den Betrieb mit nur zwei Pulverisierern den Primärluftstrom durch die in Betrieb befindlichen Pulverisierer effektiv erhöhen, indem Sie zum geneigten Teil der Primärluftrampe wechseln. Durch die Außerbetriebnahme der Pulverisierer erhöhen Sie die Geschwindigkeit durch den Hals der in Betrieb befindlichen Pulverisierer, wodurch in den meisten Fällen die Kohlerückstände vermieden werden, die bei Pulverisierern bei minimalem Luftsollwert zu Problemen führen können.

Sofern kein mechanisches Problem innerhalb des Pulverisierers vorliegt, hängen Kohlerückstände fast ausschließlich mit der Geometrie der Engstelle des Pulverisierers bei bestimmten Einlassbedingungen zusammen. Wenn der offene Bereich um den Hals so bemessen ist, dass die Geschwindigkeit der Primärluft unter 7.000 Fuß pro Minute (fpm) sinkt, beginnt Rohkohle aus dem Pulverisierer auszutreten. Auch dies führt in den meisten Fällen zu einer Kraftstoffverschwendung und erhöht die Gefahr eines Ausflugs.

Seit vielen Jahren wendet Storm technische Lösungen an, um die Halsgeschwindigkeiten zu erhöhen, so dass bei minimalem Luftsollwert die Halsgeschwindigkeit des Pulverisierers 7.000 Fuß pro Minute beträgt und es keine Kohleabwürfe gibt, indem eine von Storm entwickelte rotierende Hals- und Deflektorbaugruppe installiert wird (Abbildung 2). . Im Laufe der Jahre gab es bei Anlageningenieuren Bedenken hinsichtlich dieser bewährten Konstruktion: Durch die Reduzierung des offenen Bereichs unmittelbar um den Hals herum nimmt der Druckabfall über dem Hals zu, wenn der Primärluftstrom zunimmt. Aus diesem Grund entwickelten und patentierten die Storm-Ingenieure einen verstellbaren Hals, der den erhöhten Druckabfall bei höheren Primärluftstromraten lindert und gleichzeitig die erforderlichen Halsgeschwindigkeiten von 7.000 fpm beim minimalen Primärluftstrom-Sollwert aufrechterhält. Dies wird effektiv durch die Bereitstellung eines zweiten Primärluftpfads zum Pulverisierer und die genaue Steuerung des Primärluftstroms zu jeder Zone durch ein kalibriertes Venturi erreicht. Insgesamt eliminieren sowohl das ursprüngliche als auch das neue patentierte Storm-Throat-Design den Kohlerückstand, der beim Betrieb eines Pulverisierers bei niedrigen Durchsätzen entsteht, was die Zuverlässigkeit Ihres Kraftwerks verbessern kann.

2. Der originale Storm-Rotationshals und -Deflektor ist links abgebildet, während das neuere, von Storm patentierte, verstellbare Halsdesign rechts abgebildet ist. Mit freundlicher Genehmigung: Storm Technologies

Wenn eine PC-Anlage, die für den Grundlastbetrieb ausgelegt ist, dem Netzbedarf folgen und mit außer Betrieb befindlichen Pulverisierern arbeiten muss, kann dies äußerst schädlich für die Gesundheit der außer Betrieb befindlichen Kohlenstaubbrenner sein. Viele Leser denken vielleicht, dass, wenn der Kohlenstaubbrenner in Betrieb ist, die Brennermaterialien aufgrund der 3.000F-Flamme, die 15 bis 30 Zentimeter von der Spitze entfernt gehalten wird, der größten Hitze ausgesetzt sind der Brenner. Das genaue Gegenteil ist jedoch der Fall.

Während der Brenner in Betrieb ist, strömt durch die Brennerdüse der meisten US-Einheiten ein Luft-Brennstoff-Gemisch mit einer typischen Temperatur zwischen 135 °F und 180 °F, wodurch der Brenner während des Betriebs effektiv auf eine Metalltemperatur von 300 °F bis 400 °F gekühlt wird. Sobald ein Pulverisierer oder eine Gruppe von Kohlenstaubbrennern außer Betrieb genommen wird, beginnen die Metalltemperaturen deutlich anzusteigen.

Heutige Brenner sind im außerbetrieblichen Zustand nicht mehr wie früher mit einer Kühlluftzufuhr ausgestattet. Daher wird die gesamte Kühlung der Sekundärluft überlassen, die im Durchschnitt etwa 650 °F beträgt. Wenn ein Brenner außer Betrieb ist, ist er extremer Strahlungswärme aus dem Verbrennungsprozess in der Brennerbandzone des Ofens ausgesetzt. Dadurch kann die Temperatur des Brennermetalls schnell auf über 1.400 °F ansteigen. Wenn Brennerdüsen im Laufe der Zeit diesen Temperaturen ausgesetzt werden, beginnen sie sich zu verziehen und zu reißen, wie in Abbildung 3 dargestellt, was sich nachteilig auf die Brennereffizienz auswirkt.

3. Brennerschaden durch Überhitzung. Mit freundlicher Genehmigung: Storm Technologies

Storm war schon immer ein Befürworter der Installation von polstergeschweißten Thermoelementen etwa 15 cm von der Düsenspitze entfernt, wie in Abbildung 4 dargestellt. Diese Thermoelemente können dann im Kontrollraum überwacht werden, um sicherzustellen, dass eine ausreichende Kühlluftmenge im Idealfall aufrechterhalten wird Halten Sie die Brennertemperatur bei Außerbetriebnahme unter 700 °F. Wenn beim Starten des Pulverisierers außerdem pulverisierte Kohle zu einem Brenner geleitet wird, der nicht ausreichend auf weniger als 700 °F abgekühlt wurde, kann die Kohle außerdem beginnen, an der Brennerdüse, den Kohlediffusoren oder anderen Metalloberflächen, mit denen die Kohle in Kontakt kommt, zu kleben , was zu einem Brennerbrand führen kann.

4. Brennerdüsen-Thermoelement mit Polsterschweißung. Mit freundlicher Genehmigung: Storm Technologies

Es ist nahezu unmöglich, die Brennertemperatur mit Sekundärluft allein auf unter 700 °F zu halten, weshalb Storm der festen Überzeugung ist, dass die Brennerkühlung mit einem externen Kühlluftgebläse erreicht werden sollte, was in den 1970er-Jahren bei Kesseln üblich war. Unabhängig davon, ob Ihr Kessel mit einer Brennerkühlung ausgestattet ist oder nicht, können plattengeschweißte Thermoelemente ein sehr nützliches Werkzeug sein, um übermäßige Temperaturen des Brennermetalls zu vermeiden, die zu den in Abbildung 3 gezeigten Schäden führen können, die die Verbrennung stören. Dies kann zu einem vorzeitigen Austausch von Brennerkomponenten oder einem Brennerbrand führen.

Ohne eine genaue Messung und Steuerung des Luftstroms, der den Pulverisierern und dem Kessel zugeführt wird, kann bei keiner Last ein effizienter Betrieb und eine effiziente Kesselsteuerung erreicht werden. Der National Fire Protection Association Boiler and Combustion Systems Hazards Code (NFPA 85) schreibt vor, dass ein PC-Kessel 25 % des Volllast-Luftstroms als minimal zulässigen Luftstrom während des Betriebs aufrechterhalten muss. In extremen Fällen hat Storm festgestellt, dass Kessel mit fast 100 % mehr Luftstrom betrieben werden, als für die Verbrennung bei niedriger Last erforderlich ist.

Wie kann der Luftstrom so weit wegkommen? Nach Storms Erfahrung gibt es drei Hauptfaktoren, die zu einem übermäßigen Luftstrom bei niedrigeren Lasten führen. Der erste Grund ist das Fehlen einer genauen Luftstrommessung. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse eines Gesamtsekundärluftstromtests an einem 470-MW-Kessel. Wie Sie sehen können, weichen die Luftstromanzeigen bei reduzierter Last um durchschnittlich 13 % ab, wenn der tatsächlich gemessene Luftstrom höher ist als angegeben. Darüber hinaus könnte man die Inkonsistenz in der Abweichung der Nord-Flügelprofilmessung zwischen den einzelnen Tests bemerken. Dies weist auf ein verstopftes/undichtes Tragflächenprofil oder eine Sensorleitung hin, was bei der Durchführung dieser Art von Tests sehr häufig vorkommt.

Tabelle 1. Gesamtergebnisse des Sekundärlufttests. Mit freundlicher Genehmigung: Storm Technologies

Zweitens hat Storm herausgefunden, dass Anlageningenieure vor Ort oft ein kleines Polster oder einen Sicherheitsfaktor bei minimalem Luftstrom bevorzugen, sodass sie den minimalen Luftstrom auf 30 % oder 35 % erhöhen können. Wenn Sie dies jedoch mit der Tatsache verbinden, dass die Luftstromanzeige möglicherweise 13 % weniger Luftstrom als tatsächlich anzeigt, können Sie bei geringer Last schnell bei 40 % bis 50 % Ihres gesamten Luftstroms landen.

Schließlich können die Zündgeräte, wenn sie in Betrieb sind, dunkle/trübe Flammen haben. Die erste Reaktion der Anlage besteht möglicherweise darin, den Luftstrom zum Kessel zu erhöhen. Wie wir jedoch in unserem vierten Anliegen ausführlicher besprechen werden, ist dies nicht immer vorteilhaft.

Das Hinzufügen von mehr Luft scheint keine so schlechte Idee zu sein, wenn sich die Bediener auf die Kesselverbrennung konzentrieren. Zu viel Luft erhöht jedoch die Einbußen bei den Trockengasverlusten des Kessels und kann, wenn sie hoch genug sind, bei niedrigen Lasten Enthitzungssprühströme erforderlich machen, was ebenfalls eine Einbuße bei der Heizrate darstellt. Wenn der Kessel außerdem mit 25 % Last betrieben wird, beträgt der Differenzdruck über dem Überhitzer wahrscheinlich ein Sechzehntel des Differenzdrucks bei Volllast, und große Mengen an Sprühwasser könnten zu einer Verstopfung der Rohrkreisläufe des Überhitzers und damit zu Kurzzeitschäden führen Überhitzungsfehler.

Beim Starten, Herunterfahren oder wenn Ölzündgeräte als Zusatzfeuerung für außer Betrieb befindliche Pulverisierer in Betrieb genommen werden, kommt es häufig vor, dass Zündgeräte unter „trägen“ Flammenmustern leiden. Es ist bekannt, dass dies die Ursache für die Verschleppung von flüssigem Öl und erhöhter Opazität ist und sogar zu Bränden in Lufterhitzern geführt hat. Es wurde festgestellt, dass der Unterschied in den Flammenmustern und der Intensität, der in den Vor- und Nach-Tuning-Bildern in Abbildung 5 zu sehen ist, eine direkte Folge einer schlechten Steuerung der Zusatzluftklappe war, die den außer Betrieb befindlichen Brennern einen Großteil der Verbrennungsluft zuführte statt an die in Betrieb befindlichen Zündgeräte. Durch die Einstellung der Dämpfer und die Zuführung der Luft zu den in Betrieb befindlichen Zündgeräten konnte die Opazität von 40 % auf weniger als 5 % reduziert und die Verschleppung von flüssigem Öl verhindert werden.

5. Schlechte Zündflammen (links) im Vergleich zu optimalen Flammen (rechts). Mit freundlicher Genehmigung: Storm Technologies

In jüngerer Zeit war Storm an der Abstimmung eines Kessels mit zirkulierender Wirbelschicht (CFB) während der Inbetriebnahme beteiligt. Vor jeglichen Anpassungen lief der Kessel während der Inbetriebnahme mit CO-Werten von 0,4 bis 0,5 lb/MMBtu und verbrauchte bis zu 3.000 Gallonen Öl. Bei den Messungen des Dampf- und Öldruckmessers wurden eine Reihe von Problemen festgestellt, aber am Ende wurde der dem Kessel zugeführte Gesamtluftstrom um 46,5 % gegenüber dem ermittelten Luftstrom reduziert und die Verteilung des Luftstroms zwischen Primär- und Sekundärluft wurde optimiert. Durch die Verbesserung der Luftstromverteilung und -steuerung zum Kessel konnte die Anlage mit einer Reduzierung des Ölverbrauchs um mehr als 50 % und deutlich verbesserten CO-Werten (0,106 lb/MMBtu) in Betrieb genommen werden.

Abschließend bestand das Ziel von Storm Technologies beim Verfassen dieses Artikels darin, vier oft übersehene Möglichkeiten zur Verbesserung der Betriebsflexibilität aufzuzeigen, die bis vor kurzem nur für kurze Zeiträume während der Inbetriebnahme zu beobachten waren, bei PC-Heizkesseln auf dem heutigen Energiemarkt jedoch immer häufiger auftreten. Heutzutage stehen Kohlekraftwerke im Wettbewerb mit nicht regelbaren erneuerbaren Energien, die unbedingt betrieben werden müssen, und müssen daher im Betrieb deutlich flexibler werden.

Nach Angaben der Energy Information Administration betrug die durchschnittliche Stromerzeugung aus Kohle im Jahr 2018 27,5 % des US-Strommixes. Allerdings hat das National Energy Technology Laboratory herausgefunden, dass bei Spitzenlasten an den kältesten Wintertagen die Kohleerzeugung aufgrund von Einschränkungen in der Erdgaspipeline, wettbewerbsfähigen Erzeugungskosten und betrieblichen Schwierigkeiten bei der Inbetriebnahme von GuD-Gasturbinenanlagen bis zu 38 % betragen kann . Das bedeutet, dass Flexibilität und Zuverlässigkeit von Kohlekraftwerken so wichtig wie eh und je sind, nicht nur für Anlagenbesitzer und -betreiber, sondern auch für die nationale Sicherheit und das Wohlergehen der Kunden. ■

—Shawn Cochran, PE ist Vizepräsident für Field Services und Projekttechnik bei Storm Technologies mit Sitz in Albemarle, North Carolina.

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