Wojciech SZWARC, Je rz y KUTA, K rzysztof BADYDA, Andrzej MILLER, Ja n u sz LEWANDOWSKI
Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika W arszaw ska
ZMODERNIZOWANA INSTALACJA BADAWCZA Z CIŚNIENIOWYM KOTŁEM FLUIDALNYM
S tr esz c z en ie . W pracy przedstaw iono opis instalacji badawczej z ciśnieniowym kotłem fluidalnym o mocy cieplnej 3 MW i ciśnieniu spalania 0,6 MPa, zlokalizowanej w Laboratorium Zakładu MiUE In s ty tu tu Techniki Cieplnej Politechniki W arszaw skiej. Omówiono roz
w iązania techniczne podstawowych elem entów i urządzeń instalacji.
Przedstaw iono założenia i zakres m odernizacji u k ład u kontrolno-po
miarowego i sterow ania. Opisano przebieg b ad ań procesu rozruchu ciśnieniowego kotła fluidalnego. Przykładowe wyniki pom iarów zareje
strow ane w czasie b adań przedstaw iono n a wykresach.
MODERNIZED PFBC TEST INSTALLATION
Sum m ary. The paper presen ts th e pressurized bed combustion (PFBC) te s t installation. The in stallatio n of m axim al th erm al output 3 MW and combustion p ressu re 0,6 M Pa is located a t th e In stitu te of H eat Engineering, W arsaw U niversity of Technology. Technical solutions of basic elem ents and system s are described. The brief foredesign, conception and realization of com puterized m easu rin g and control system is presented. R esults of s ta r t- u p process are given.
MODERNISIERTE VERSUCHSANLAGE MIT DEM DRUCKWIRBESCHICHTKESSEL
Z u sa m m en fa ssu n g. Im B eitrag w urde B eschreibung der V ersuchsinstallation m it dem D ruckw irbelschichtkessel (therm ische Leistung 3 MW, D ruck in d er F eu eru n g 0,6 MPa), die im Labor des In stitu te s fü r W ärm etechnik der TU W arszaw a geb aut worden ist, vorgestellt. Es w urde E ntw icklung der H au p telem ente der Installatio n beschrieben. K onstruk tio n san n ah m en des M eß- und Steuerungssystem s sind beschrieben. Schließlich w urden die Ergebnisse der U ntersuchungs des A nfahrens des Druckw irbelschichtkessels illu strie rt u nd besprochen.
94 Wojciech Szwarc i inni
1. W STĘP
Instalacja badawcza z ciśnieniowym kotłem fluidalnym o mocy cieplnej 3 MW i ciśnieniu spalania 0,6 M Pa została zaprojektow ana i wybudowana w Laboratorium Zakładu MiUE ITC PW w latach 1988-90 w ram ach CPBR 5.1.2.6. W 1990 roku dokonano próby poszczególnych elem entów i urządzeń instalacji oraz przeprowadzono w stępny rozruch ciśnieniowego kot
ła fluidalnego. U zyskane wówczas wyniki potwierdziły prawidłowe działanie w szystkich elem entów instalacji, wykazując jednocześnie pewne ograniczenie możliwości układu kontrolno-pom iarow ego i sterow ania z p u n k tu widzenia współczesnej techniki pom iarowej.
2. OPIS INSTALACJI BADAWCZEJ
Ogólny schem at instalacji z ciśnieniowym kotłem fluidalnym z zaznacze
niem punktów pomiarowych i elem entów autom atycznego i zdalnego sterow a
nia przedstaw iono n a rys. 1. Główny elem ent instalacji, ciśnieniowy kocioł fluidalny, je s t połączony z pięcioma podstawowymi układam i: zasilania w powietrze, zasilania w paliwo i sorbent siarki, odpopielania, odpylania i od
prow adzania spalin oraz chłodzenia. Ponadto ciśnieniowy kocioł fluidalny wyposażono w instalację rozpałową z autom atycznym system em kontroli pło
m ienia i sterow ania gazowego p aln ika rozpałowego. A gregat sprężarkowy posiada własny, autom atyczny system kontroli i sterow ania strum ieniem m asy tłoczonego powietrza.
2.1. C iśn ie n io w y k o c io ł flu id a ln y
Ciśnieniowy kocioł fluidalny typu wodnego składa się z dwóch głównych elementów: cylindrycznego zbiornika ciśnieniowego i zam kniętego w nim k a
n a łu spalin, mieszczącego palenisko fluidalne i rurow y w ym iennik ciepła.
Zbiornik ciśnieniowy o średnicy w ew nętrznej 1400 mm i wysokości 4900 mm je s t zam knięty dnam i eliptycznymi. Przez dno górne je s t przeprowadzony przewód wylotowy spalin. Powietrze główne dopływa do kotła pierścieniowym kanałem króćca wlotowego wzdłuż przewodu wylotowego spalin, zapewniając dobre chłodzenie króćca oraz ścian zbiornika n a całej wysokości. Przez dolne dno zbiornika są przeprowadzone przewody: dolotowy i wylotowy wody, zasi
lan ia w paliwo i sorbent oraz odpopielania paleniska fluidalnego.
W dolnej cylindrycznej części zbiornika je s t um ieszczony właz m ontażowy o średnicy 700 mm oraz króćce przepustow e instalacji rozpałowej i układu pomiarowego. Kocioł je s t posadowiony n a czterech podporach przytw ierdzo
nych do dolnego dna zbiornika.
R ys. 1. S c h e m a t in s ta la c ji badaw czej z ciśn ien io w y m k o tłe m flu id aln y m : 1 - ciśnieniow y kocioł flu id aln y , 2 - z a so b n ik w ęgla, 3 - z a so b n ik s o rb e n tu , 4 - dozow nik w ę g la /s o rb e n tu , 5 - stru m ie n ic a , 6 - s p r ę ż a rk a , 7 - zb io rn ik w yrów naw czy, 8 - zaw ór reg u lacy jn y , 9 - chłodnica popiołu, 10 - dozow nik popiołu, 11 - zb io rn ik popiołu, 12 - odpylacz cyklonow y, 13 - zaw ór red u k c y jn y , 14 - sch ład zacz
s p a lin , 15 - gazow y p a ln ik rozpalkow y
Fig. 1. T he P F B C te s t in s ta lla tio n d ia g ra m : 1 - P F B C boiler, 2 - coal h o p p e r, 3 - s o rb e n t h o p p er, 4 - co al/so rb e n t feed er, 5 - in jecto r, 6 — com pressor, 7 - eq u alizin g ta n k , 8 - co n tro l valve, 9 - a s h feeder, 11 - a s h s to ra g e , 12 - cyclone, 13 - p r e s s u r e re d u c in g v alv e,
14 - flu e g as cooler, 15 - s t a r t - u p g as b u rn e r CD
cn
rnizowanainstalacjabadawcza...
96 Wojciech Szwarc i inni
K anał spalin, zawieszony n a podporach w górnej części zbiornika, jest wykonany ze szczelnych ścian m em branow ych z ru r o średnicy zewnętrznej 38 mm w podziałce 50 mm.
Przekrój k an a łu wynosi 0,55 x 0,55 = 0,3 m 2, co zapew nia prędkość fluidy- zacji 2 m/s przy mocy paleniska 3 MW i ciśnieniu sp alania 0,6 MPa. Górny wylot k a n a łu spalin je s t zam knięty przym ocowaną do kołnierza pokrywą z wychodzącym z niej przewodem wylotowym spalin oraz podwieszonym kon
wekcyjnym w ym iennikiem ciepła, wprowadzonym do k a n a łu spalin. Wężow- nicowy, dwupęczkowy w ym iennik ciepła je s t zbudowany w układzie przestaw nym z r u r o średnicy zewnętrznej 26,9 mm w podziałce 60 mm. Dolny pęczek wym iennika, zanurzony w złożu fluidalnym , m a powierzchnię 6,5 m2, co zapew nia możliwość u trzym ania te m p e ra tu ry w palenisku n a poziomie 800°C przy pracy kotła w zakresie mocy m aksym alnej. Górny pęczek, którego zada
niem je s t schłodzenie spalin n a wylocie z kotła do poziomu 500°C, m a powierz
chnię 6,1 m 2. Do dolnego kołnierza k a n a łu spalin je s t przytwierdzony kołpa
kowy rozdzielacz powietrza, obudowany blaszanym k anałem skrzyni powie
trza, do której je s t przytwierdzony od dołu gazowy palnik rozpałowy w kształ
cie cylindra z pierścieniow ą kom orą spalania. In teg raln y elem ent kon struk cyjny p alnik a stanow i w ew nętrzny przewód zasilan ia kotła w paliwo i sor
bent, zakończony w palenisku zwrotnym zaworem kulowym o specjalnej kon
strukcji, k tó ra zapew nia równom ierny rozdział paliw a w w arstw ie fluidalnej.
W jednym z naroży rozdzielacza pow ietrza przeprowadzono przewód odpro
w adzania m ateriału złoża połączony z układem odpopielania.
2.2. U k ład z a sila n ia w p o w ie tr z e
Głównym elem entem uk ładu zasilania w powietrze je s t celkowa sprężarka rotacyjna typu 2VZWZ 125/396 produkcji VEB K om binat H alle o wydajności 0,7 m 3/s, przy ciśnieniu tłoczenia 0,6 MPa, wyposażona w chłodnice między- stopniową i końcową. Ze sprężarki powietrze je s t kierow ane do zbiornika ciśnieniowego kotła. Powietrze do zasilania system u pneum atycznego stero
w ania zaworam i regulacyjnym i i odcinającymi oraz p n eu m otranspo rtu paliwa i sorbentu do kotła je s t pobierane z sieci sprężonego pow ietrza In sty tu tu . 2.3. U k ład z a sila n ia w p a liw o i so r b e n t
W instalacji badawczej zastosowano ciśnieniowy system u k ład u zasilania kotła fluidalnego w paliwo i sorbent, w skład którego wchodzą następujące elementy:
- zasobnik węgla o objętości 5,8 m 3, - zasobnik sorbentu o objętości 1,8 m 3,
- dwie zasuw y odcinające umieszczone n a wylotach zasobników,
- dwa dozowniki ślimakowo-celkowe z falownikowym regulatorem prędkoś
ci obrotowej elektrycznych silników napędowych,
- strum ienica pow ietrzna do tra n sp o rtu pneum atycznego paliw a i sorbentu z dozownika do paleniska,
- przewód doprowadzający z zaworem zwrotnym , rozprowadzającym . 2.4. U k ład o d p o p ie la n ia
W układzie zastosowano dwa ciśnieniowe ciągi odpopielania paleniska flui
dalnego oraz zbiornika cyklonowego odpylacza spalin, składające się z n a s tę pujących elementów:
- chłodnicy popiołu,
- dozownika celkowego z falownikowym regulatorem prędkości obrotowej silnika napędowego,
- dwóch kulowych zaworów odcinających ze zdalnie sterow anym i siłow nika
mi pneum atycznym i,
- zbiornika popiołu o objętości 0,9 m 3.
2.5. U k ład o d p y la n ia i o d p r o w a d z a n ia sp a lin
Ze względu n a badawczy c h a ra k te r instalacji zastosowano integralny, ciś
nieniowy uk ład odpylania, składający się z dwóch głównych elementów: cylin
drycznego zbiornika ciśnieniowego i zam kniętego w nim cyklonowego odpyla
cza spalin. N a przewodzie wylotowym spalin ze zbiornika zam ontowano za
wór redukcyjny do regulacji ciśnienia w kotle, z którego spalm y po schłodze
niu ich w tryskiem wody kierow ane są do kom ina.
2.6. U k ład c h ło d z e n ia
Do chłodzenia dwóch głównych elem entów instalacji: ciśnieniowego kotła fluidalnego i agregatu sprężarkowego zaadaptow ano istniejący w Laborato
rium ITC PW uk ład chłodzenia z w entylatorow ą chłodnią kom inową i zespo
łem pomp obiegowych o wydajności 0,015 m 3/s i ciśnieniu 0,6 MPa. Do zasila
nia chłodni popiołu i wtryskowego schładzania spalin w ykorzystano instalację wody sieciowej.
3. ZMODERNIZOWANY UKŁAD KONTROLNO-POMIAROWY I STEROWANIA
Pierw otny układ kontrolno-pom iarow y instalacji badawczej z ciśnienio
wym kotłem fluidalnym został w ykonany i uruchom iony w oparciu o projekt techniczny z 1988 r. Część analogową w ykonano w przem ysłowym s ta n dardzie sygnałów 4 - 2 0 mA. Część cyfrową oparto n a kom puterze PC AT, współpracującym z typowymi urządzeniam i peryferyjnym i (m onitor, d ru k a r
ka, ploter) oraz specjalną k a rtą portów równoległych, m ultiplekserem i 12-bi- towym przetw ornikiem A/C, połączonymi z częścią analogową. Do obsługi systemu kontrolno-pom iarow ego opracowano i zainstalow ano program
98 Wojciech Szwarc i inni
Rys. 2. S c h e m a t ideow y sy s te m u k o n tro ln o -p o m iaro w eg o i ste ro w a n ia ciśnieniow ego k o tła flu id aln eg o
Fig. 2. T he P F B C m e a s u rin g a n d co n tro l sy s te m d ia g ra m
MIKROMEL, będący zbiorem modułów służących do obserwacji, p rzetw arza
nia i rejestracji danych pomiarowych.
Po reaktyw acji instalacji w 1993 r. przeprowadzono m odernizację u k ład u kontrolno-pom iarowego i przystosowano go do w ym agań współczesnej techni
ki pomiarowej. Jak o jednostkę cen traln ą zastosowano k o m puter PC 486DX wyposażony w dwie 32-kanałow e k a rty pom iarowe z optoizolacją PCL 813. Do obsługi system u kontrolno-pom iarow ego i sterow ania w ykorzystano profesjo
nalny program kom puterow y Labtech Control am erykańskiej firm y Laborato
ry Technologies Corporation. U kład realizuje kontrolę, rejestrację i przetw a
rzanie wszystkich wielkości mierzonych. U sytuow anie punktów pomiarowych na obiekcie przedstaw iono n a rys. 1. Schem at ideowy u k ład u kontrolno-po
miarowego i sterow ania przedstaw ia rys. 2. Ja k o uzupełnienie u k ład u zapro
jektowano i w ykonano popraw nie działający system kontroli płom ienia i ste rowania gazowego paln ik a rozpalowego oraz zastosowano nowe falowniki z możliwością autom atycznej regulacji prędkości obrotowej silników do napędu dozowników ślimakowo—celkowych w układzie zasilan ia w paliwo i sorbent oraz odpopielania.
4. BADANIA ROZRUCHU CIŚNIENIOW EGO KOTLA FLUIDALNEGO B adania procesu rozruchu przeprowadzono w następującej kolejności:
a. Napełniono palenisko fluidalne m ateriałem inertnym (m ieszanka popiołu i dolomitu o ziarnistości 0 , 5 - 8 mm) do wysokości w arstw y fluidalnej w stanie usypowym 400 mm ponad poziom kołpakowego rozdzielacza powietrza.
b. Napełniono zbiorniki: paliw a wysuszonym węglem o ziarnistości 0,5-8 mm i sorbentu dolomitem o ziarnistości 0,5-3 mm.
c. Włączono układ chłodzenia kotła, agregatu sprężarkowego i chłodnic popiołu.
d. O tw arto zawory: dolotowy pow ietrza i wylotowy spalin, uruchom iono sprę
żarkę i ustalono strum ień pow ietrza głównego do kotła n a poziomie 0,15 m 3/s oraz strum ień pow ietrza do p n eu m otran sportu ok. 0,03 m 3/s.
e. Włączono system kontroli płom ienia gazowego p aln ik a rozpałkowego i uruchom iono p alnik doprowadzając w okresie ok. 30 m in tem p e ra tu rę złoża fluidalnego do 550°C.
f. Po wyrównaniu tem p eratu ry w całej objętości złoża do poziomu 550°C uruchom iono dozownik paliw a z w ydajnością 0,024 kg/s, zapłon węgla uwidocznił się nagłym w zrostem tem p eratu ry . Po osiągnięciu te m p e ra tu ry złoża fluidalnego 750°C wyłączono p aln ik gazowy.
g. U stalono sta n równowagi cieplnej kotła n a poziomie 0,5 MW. P aram etry pracy palen isk a fluidalnego przy tej mocy wynosiły: te m p e ra tu ra złoża 800°C, współczynnik n a d m iaru pow ietrza 1,3 (zaw artość C 0 2 w spalinach 14,5%), prędkość fluidyzacji 2,3 m/s.
TEMPERATURA[st.C]
Rys. 3. R ozkład te m p e r a t u r w ko m o rze p alen isk o w ej ciśnieniow ego k o tła flu id aln eg o Fig. 3. T e m p e r a tu rę d is trib u tio n in P F B C
100 WojciechSzwarci inni
h. Po ok. 10 m in stabilnej pracy kotła wygaszono palenisko przerywając dopływ węgla i chłodząc złoże powietrzem .
Przykładowy przebieg rozkładu te m p e ra tu r złoża fluidalnego i spalin w komorze paleniskowej zarejestrow any przez u k ład pom iarowy podczas badań przedstawiono n a rys. 3.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Tadeusz CHM IELNIAK
Wpłynęło do Redakcji 8.08.1994 r.
A bstract
The pap er p resen ts th e p ressurized fluidized bed com bustion (PFBC) te s t installation. The installatio n of m axim al th e rm a l o u tp u t 3 MW and combustion p ressu re 0,6 M Pa is located a t th e In stitu te of H eat Engineering, W arsaw U niversity of Technology. The PFBC w a te r type boiler is integ rated into th e p ressu re vessel. The combustion a ir is fed by th e ro ta ry compressor.
The fuel and sorbent are fed into th e bed pneum atically. The h eig h t of th e fluidized bed is controlled by p ressurized ash rem oval system . Flue gases are cleaned in cyclones in teg rated into th e se p ara te p ressu re vessel. The m easurem ent and control system is based on IBM PC 486/DX computer.
Technical solutions of basic elem ents and system s are described. The brief foresdesign, conception an d realization of com puterized m easuring and control system is presented. R esults of s ta r t- u p process are given.
