W poniższym artykule przedstawiono nowy system czyszczenia powierzchni grzewczych kotła wodnego rusztowego WR-25 zabudowanego w PEC Gliwice Sp. z o.o. PEC Gliwice, jako jedna z większych ciepłowni w Polsce zaopatruje w ciepło ok. 40 000 mieszkań w Gliwicach.

      W ciepłowni zabudowane są trzy kotły pyłowe WP-70 oraz cztery kotły rusztowe WR-25, opalane miałem węglowym dostarczanym bezpośrednio z kopalni Sośnica-Makoszowy. Zainstalowane kotły w pełni pokrywają moc zamówioną przez odbiorców na poziomie 320 MW. W latach 2003 – 2006 z czterech kotłów WR-25, trzy zostały gruntownie zmodernizowane. Czwarty z nich w najbliższym czasie będzie poddany modernizacji. W roku 2009 została oddana do eksploatacji instalacja odsiarczania spalin, utrzymująca emisję tlenków siarki na dopuszczalnym poziome. Emisję pyłu gwarantują pracujące elektrofiltry.

Fot. 1. Ciepłownia PEC Gliwice Sp. z o.o.

Przeprowadzone modernizacje

      Przedmiotowy kocioł WR-25 14N nr 3 w roku 2004 został przez RAFAKO S.A. zmodernizowany w technologii ścian szczelnych. Klasyczny kocioł La Monta na obmurzu ciężkim został zastąpiony ścianami szczelnymi w obrębie komory paleniskowej i drugiego ciągu. Wymianie uległ ruszt, odżużlacze, system odpylania (elektrofiltry), system AKPiA oraz pozostałe elementy kotła. Obmurze ciężkie zostało zastąpione lekką izolacją z wełny mineralnej i opancerzeniem zewnętrznym z blachy trapezowej. Konstrukcja kotła była tak zaprojektowana, aby zminimalizować problem zabrudzania – tworzenia się osadów w czasie jego bieżącej eksploatacji. Powierzchnie konwekcyjne (wężownice podgrzewacza wody) zostały podzielone na cztery pęczki, dwa zabudowane w II ciągu, pozostałe dwa w trzecim ciągu, będącym dodatkowym podgrzewaczem wody. W celu wydłużenia okresu eksploatacji bez czyszczenia ręcznego istnieje możliwość regulacji przepływu wody przez dodatkowy podgrzewacz w III-cim ciągu poprzez zawór regulacyjny. W początkowym okresie eksploatacji, po ręcznym czyszczeniu kotła, zawór regulacyjny zapewnia minimalny przepływ przez dodatkowy podgrzewacz wody, utrzymując temperaturę spalin na optymalnym poziomie. W przypadku, gdy temperatura spalin rośnie otwiera się zawór regulacyjny, który zwiększa przepływ wody przez dodatkowy podgrzewacz. Rozwiązanie to sprawdziło się na wielu ciepłowniach, wydłużając okres eksploatacji kotłów pomiędzy czyszczeniami. Dodatkowo projektant kotła WR-24 nr 3 (Biuro Techniki Kotłowej Sp. z o.o.) zabudował pęczki konwekcyjne podgrzewacza wody w układzie korytarzowym, przez co umożliwił bardziej efektywne czyszczenie ręczne.

Parametry paliwa

      Zabiegi projektowe związane z konstrukcją kotła są efektywne w przypadku spalania węgla o odpowiednich parametrach dla kotłów rusztowych. PEC Gliwice Sp. z o.o. zaopatruje się w miał węglowy u jednego dostawcy. Paliwo poprzez system taśmociągów transportowane jest na składowisko bezpośrednio z kopalni Sośnica-makoszowy. Sytuacja ta z jednej strony jest bardzo korzystna dla ciepłowni (minimalizacja kosztów transportu, ograniczenie zapasów węgla na składowisku, uniezależnienie się od poddostawców), z drugiej strony ma się minimalny wpływ na jakość paliwa. W większości przypadków w umowach w Polsce z dostawcami miału węglowego określane są tylko podstawowe parametry paliwa. Każdy z eksploatujących kotły rusztowe dba, aby wartość opałowa była w granicach od 21 000 do 23 000 kJ/kg, zawartość popiołu nie przekraczała 20%, zawartość siarki była na poziomie 0,6 ÷ 0,8 % gwarantującym dochowanie emisji oraz dotrzymana była odpowiednia granulacja węgla.
Pozostałe własności paliwa mające podstawowy pływ na tworzenie się osadów często się nie określa. W mojej ocenie wiele ciepłowni skazane jest na spalanie miału węglowego takiego jaki jest dostępny na rynku. Temperatura mięknięcia popiołu, zdolność spiekania, liczba ROGI, zawartość sodu i potasu (związków alkalicznych) jest istotna dla jakości paliwa, ale trudna i kosztowna do mierzenia. Nawet okresowo pobrane próbki nie dają całościowego obrazu parametrów spalanego paliwa. Wydawałoby się, że PEC Gliwice zaopatrując się w węgiel u jednego dostawcy, będzie w lepszej sytuacji od wielu podobnych ciepłowni. Z roku na rok pogarszające się własności węgla pod kątem zabrudzania się kotłów powodowało częste odstawienia kotłów do ręcznego czyszczenia. Występowały sytuacje, że kocioł WR-25 po przepracowaniu 350 godzin (15 dni) kwalifikował się do kolejnego ręcznego czyszczenia. Jednym z podstawowych parametrów limitujących dalszą pracę kotła była temperatura spalin, która dla wydajności nominalnej nie mogła przekroczyć 185 C. Pomimo stosowania różnych dodatków do paliwa oraz aktualnie zabudowanych systemów oczyszczania dyspozycyjność kotłów pod kątem pracy na optymalnych parametrach była pod dużym znakiem zapytania. Zdarzały się okresy częstych odstawień, jak i okresy względnego spokoju. Sytuacja ta w sezonie zimowym była nie do przyjęcia.

@nowa_strona@

Kolejne etapy modernizacji

      Szybki przyrost temperatury spalin na poszczególnych pęczkach podgrzewacza wody oraz mała dyspozycyjność kotłów była motorem do poszukiwań efektywnej instalacji czyszczenia powierzchni grzewczych. Rozważano zabudowę różnych systemów. Zastosowanie zdmuchiwaczy parowych w kotłach wodnych jest niemożliwe. Systemy oparte na falach dźwiękowych (pyłofony, infrafony i.t.p. ) do końca nie gwarantowały sukcesu. Z inicjatywy współautora artykułu Andrzeja Zubera została podjęta decyzja o zabudowie pierwszej w Polsce instalacji czyszczenia powierzchni grzewczych opartej na generatorach fal uderzeniowych GFU-24/8 zasilanych sprężonym powietrzem. Umowa na system czyszczenia została podpisana na prostych warunkach. Pokaż, że instalacja jest efektywna, później zapłacimy. W przypadku braku skuteczności instalacja czyszczenia, zgodnie z umową miała zostać zdemontowana, a kocioł miał być przywrócony do stanu pierwotnego na koszt Wykonawcy. Ryzyko niepowodzenia zostało całkowicie przerzucone na Wykonawcę. Aby uniknąć dowolności oceny skuteczności instalacji zostały uzgodnione podstawowe wskaźniki eksploatacyjne. Parametrem gwarantowanym dla zabudowanej instalacji czyszczenia na kotle WR-25 nr 3 był wzrost  temperatury spalin przy stałej wydajności w okresie 336 godzin (14 dni) pracy kotła nie większy niż o 10° C. Testy takie wykonano na kotle po zabudowaniu instalacji, który nie był wyczyszczony i posiadał część ciśnieniową zabrudzoną w stopniu kwalifikującym go do ręcznego czyszczenia (Fot. 2).

Fot. 2. Zdjęcie podgrzewacza wody kotła WR-25 w drugim ciągu, bezpośrednio za festonem.

      W grudniu 2009 r. testowany kocioł ustawiono na optymalnych parametrach pracy: wydajność – 27 MW, temperatura wody wlotowej – 67,5° C, średnia zawartość O2 w spalinach – 5,75 %, przepływ wody przez kocioł – 350 t/h oraz maksymalny przepływ wody przez podgrzewacz w III-cim ciągu. Po ustabilizowaniu pracy kotła uzyskano temperatury spalin za II-gim ciągiem na poziomie 225 ° C a wylotowych z kotła 141° C. Czas załączania generatorów GFU-24/8 ustawiono w cyklach co jedną godzinę. Kocioł w okresie próbnym pracował przy różnych obciążeniach i parametrach pracy wynikających z bieżących potrzeb ruchowych Ciepłowni. Po dwutygodniowym okresie eksploatacji kotła z systemem czyszczenia wykonano początkowe ustawienia parametrów w celu porównania temperatur spalin. Otrzymane rezultaty pracy instalacji generatorów fal uderzeniowych były lepsze od gwarantowanych. Temperatury spalin były niższe od początkowych i wynosiły odpowiednio: 215° C za II-gim ciągiem oraz 135 ° C na wylocie z kotła. Pierwszy etap umowy został pomyślnie zakończony. Instalacja czyszczenia w okresie testowym potwierdziła swoją skuteczność. W styczniu i lutym 2010 roku prowadzono dalsze obserwacje pracy instalacji przy różnych czasach załączania się poszczególnych generatorów. Istniała możliwość załączenia się generatorów w dowolnym czasie – nawet co minutę. Instalację poddano optymalizacji przy cyklach pracy krótszych od 10 minut do 2 godzin oraz mieszanych uzyskując zadawalające rezultaty. Po przepracowaniu 1300 godzin i optymalizacji instalacji kocioł wyłączono i dokonano rewizji wewnętrznej stanu części ciśnieniowej pod względem możliwości zaistnienia erozji i wytarć na powierzchniach rur. Stan rur w drugim ciągu, w obszarze działania generatorów nie wykazywał jakichkolwiek oznak uszkodzeń lub erozji. Nie zaobserwowano osadów w formie luźno-przylegających do rur. Poprzez intensywne działanie fal uderzeniowych nastąpiło zjawisko kruszenia się osadów trwale przylegających do rur (Fot. 3), które wcześniej tylko można było usunąć poprzez piaskowanie.

Fot. 3. Podgrzewacz wody kotła WR-25 w drugim ciągu, bezpośrednio za festonem po 1500 h pracy generatorów.

@nowa_strona@

Skuteczność generatorów

      Rewizję kotła przeprowadzono pod koniec stycznia, przed planowaną następną, lutową falą mrozów. Profilaktycznie zadecydowano o wyczyszczeniu drugiego ciągu z twardych osadów, które zaczęły się odrywać od rur pęczka konwekcyjnego. Rezultaty czyszczenia pokazano na zdjęciu nr 4, gdzie w obrębie leja popiołowego z drugiego ciągu zaobserwowano liczne osady pochodzące z okresu przed włączeniem instalacji czyszczenia (Fot. 4).

Fot. 4. Obszar leja odprowadzającego popiół spod drugiego ciągu do odżużlacza.

      Styczniowa rewizja kotła WR-25 oraz bieżąca eksploatacja (ok. 1 800 h) jednoznacznie oceniła bardzo wysoką skuteczność zabudowanych generatorów w drugim ciągu oraz brak sypkich, luźno przylegających osadów do rur konwekcyjnego podgrzewacza wody w II-gim ciągu. Pomimo niskiej temperatury spalin wylotowych z kotła zaobserwowano mniejszą skuteczność generatorów w trzecim ciągu (dodatkowy podgrzewacz wody). Stan ten został poprawiony i od miesiąca marca kocioł WR-25 pracuje z inną lokalizacją generatorów. Wstępne uruchomienie generatorów gwarantuje osiągnięcie zamierzonych celów. Z uwagi na niższą temperaturę pył w trzecim ciągu jest łatwy do usunięcia. Powierzchnie konwekcyjne o wiele łatwiej można utrzymać w czystości, gwarantując tym samym bardzo niską temperaturę spalin na wylocie z kotła.
Jak zbudowana jest instalacja czyszczenia kotła WR-25 oparta o pneumatyczne generatory fal uderzeniowych. Aby bezdyskusyjnie osiągnąć efekt instalacja składa się z 13 szt. generatorów GFU-24/8 (Fot. 5).

Fot. 5. Generator fal uderzeniowych GFU-24/8 na tle skrzyni podmuchowej kotła WR-25.

      Każdy z generatorów o pojemności 25 litrów jest zasilany sprężonym powietrzem o ciśnieniu do 8 bar. Zadziałanie generatora następuje poprzez podanie impulsu 24 V na zawór elektromagnetyczny. W wyniku różnicy ciśnienia następuje bardzo gwałtowne rozprężanie sprężonego powietrza, który jest czynnikiem inicjującym powstanie fali uderzeniowej. Z uwagi na bardzo małe zapotrzebowanie na sprężone powietrze źródłem zasilania może być istniejąca sieć zakładowa. Idąc w kierunku zgodnym z przepływem spalin nad górnym pęczkiem konwekcyjnym bezpośrednio za festonem zabudowano na ścianie tylniej pięć szt. generatorów GFU-24/8( Fot. 6).

Fot. 6. Zabudowa generatorów na ścianie tylniej II ciągu nad pęczkiem podgrzewacza w obrębie festonu.

@nowa_strona@

Nad drugim pęczkiem konwekcyjnym w II ciągu zabudowano następne 4 szt. generatorów (Fot. 7).

Fot. 7. Zabudowa generatorów na ścianie tylniej II ciągu nad drugim pęczkiem podgrzewacza.

Pozostałe 4 szt. generatorów zabudowano na ścianach bocznych dodatkowego podgrzewacza wody (dwa pęczki), po dwa na każdą stronę (Fot. 8).

Fot. 8 Zabudowa generatorów na dodatkowym podgrzewaczu wody – strona prawa.

      Dysze wlotowe do kotła z generatorów kończą się na ścianie bocznej i nie wymagają dodatkowego chłodzenia (Fot. 9). Nie są również narażone na wysoką temperaturę oraz agresywne działanie spalin. W przypadku środowiska o bardzo wysokiej temperaturze lub silnie narażonego na korozję można stosować na końcówkę rury wydechowej materiały o odpowiedniej jakości lub stosować wylewki z materiałów ceramicznych. W tym przypadku skorodowany wylot dyszy wylotowej nie ma wpływu na efektywność oczyszczenia powierzchni grzewczych.

Fot. 9 Dysze wlotowe do kotła – etap montażu instalacji.

Reasumując

      Przedstawiliśmy analizę pracy pierwszej zbudowanej w Polsce i Europie instalacji czyszczenia powierzchni konwekcyjnych kotła wodnego rusztowego WR-25, opartej na generatorach fal uderzeniowych GFU-24/8.

Zastosowane generatory fal uderzeniowych charakteryzują się:

• niskim zużyciem sprężonego powietrza o ciśnieniu do 8 bar,
• możliwością zadziałania w dowolnym czasie i konfiguracji w zależności od czystości powierzchni grzewczych (gotowość zadziałania generatorów następuje po minucie od zadziałania),
• małym wpływem korozyjnym i erozyjnym na oddziaływane powierzchnie części ciśnieniowej,
• wysoką skutecznością w stosunku do wydatku energetycznego,
• zastosowaniem jako czynnika roboczego sprężonego powietrza, bez potrzeby rozbudowy istniejącej sprężarkowi,
• możliwością zabudowy generatorów na nowych i istniejących kotłach na obmurzu ciężkim lub ścianach szczelnych,
• prostotą w automatyzacji procesu czyszczenia.

      Ponad trzymiesięczna eksploatacja instalacji czyszczenia na bazie generatorów fal uderzeniowych potwierdziła jej skuteczność w różnych warunkach pracy kotła i godna jest polecenia użytkownikom kotłów energetycznych.