La poursuite de la demande du réseau tue-t-elle votre grande chaudière à charbon ? Voici quatre préoccupations à aborder

L'exploitation de chaudières à charbon pulvérisé dans des conditions de faible charge présente plusieurs défis. Cet article propose des conseils pour maintenir les unités dans les meilleures conditions de fonctionnement possibles.

Dans le marché de l'énergie d'aujourd'hui, avec la pénétration accrue des énergies renouvelables et des centrales à cycle combiné à haut rendement, de nombreuses centrales à charbon pulvérisé (PC) à charge unique doivent fonctionner à faible charge. De nombreuses usines de PC fonctionnent à 25 % à 50 % de leur capacité continue maximale pendant les périodes où l'approvisionnement en énergie renouvelable atteint son maximum. Cela expose de nouveaux défis opérationnels qui ont un impact non seulement sur l'efficacité de l'installation à ces charges, mais également sur la fiabilité de la chaudière.

La stabilité et la fiabilité du réseau dépendent de la flotte de charbon pour les changements de charge rapides à mesure que les énergies renouvelables augmentent ou diminuent. En été et en hiver, lors de conditions météorologiques extrêmes, les centrales au charbon sont utilisées pour la production d'électricité majeure. L'expérience de Storm Technologies en matière de fonctionnement à faible charge et les défis qu'elle peut présenter remontent à bien avant les récentes caractéristiques de fonctionnement des centrales d'aujourd'hui. La plupart des professionnels de l'industrie de l'énergie sont conscients des contraintes supplémentaires que le cycle ou le fonctionnement à faible charge peuvent avoir sur les matériaux de la chaudière, les soudures métalliques différentes et la chimie de l'eau, pour n'en nommer que quelques-uns. À l'inverse, Storm a constaté qu'il existe un certain nombre d'améliorations dans les paramètres contrôlables d'exploitation et de maintenance qui sont d'un coût comparable et souvent négligés. Ces changements, lorsqu'ils sont traités et surveillés, peuvent améliorer la flexibilité opérationnelle et la fiabilité de l'ensemble de la centrale.

Pendant le cycle ou le fonctionnement à faible charge, les pulvérisateurs fonctionnent à un moment donné sur l'extrémité inférieure de la rampe d'air primaire ou ce que l'on appelle le point de consigne d'air minimum (Figure 1). À ce stade, le pulvérisateur est le plus sensible aux rejets de charbon. Les rejets de charbon sont considérés comme une pénalité de taux de chaleur «furtive» par Storm Technologies; c'est également un problème de sécurité en raison du carburant brut qui se déverse par la gorge et est exposé au flux d'air primaire chaud dans un environnement très riche en air.

1. Rampe d'air primaire versus chargement du pulvérisateur. Avec l'aimable autorisation de Storm Technologies

Si des rejets de charbon apparaissent lors d'un fonctionnement à des débits inférieurs, cela est souvent directement lié au débit d'air primaire inférieur, ce qui entraîne une vitesse de jet libre inférieure à travers la gorge du pulvérisateur. Déterminer combien de pulvérisateurs sont nécessaires pour fonctionner sur toute la plage de charge de votre chaudière devrait être une tâche assez facile et quelque chose pour laquelle les opérations ont probablement une procédure. Cependant, Storm constate souvent que les usines pourraient fonctionner avec moins de pulvérisateurs en service, mais les opérateurs choisissent simplement de ne pas mettre les pulvérisateurs hors service. Cela réduit le débit à travers les pulvérisateurs et, dans de nombreux cas, les pulvérisateurs fonctionnent sur la partie d'air minimum de la courbe d'air primaire.

La figure 1 illustre un exemple simplifié selon lequel, en retirant deux pulvérisateurs du service et en fonctionnant avec seulement deux pulvérisateurs, vous augmentez efficacement le débit d'air primaire à travers les pulvérisateurs en fonctionnement en vous déplaçant vers la partie inclinée de la rampe d'air primaire. À la suite de la mise hors service des pulvérisateurs, vous augmentez la vitesse à travers la gorge des pulvérisateurs en service, ce qui, dans la plupart des cas, élimine les rejets de charbon qui peuvent affecter les pulvérisateurs au point de consigne d'air minimum.

À moins d'un problème mécanique à l'intérieur du pulvérisateur, les rejets de charbon sont presque exclusivement liés à la géométrie de la gorge du pulvérisateur pour un ensemble donné de conditions d'entrée. Si la zone ouverte autour de la gorge est dimensionnée de telle sorte que la vitesse de l'air primaire tombe en dessous de 7 000 pieds par minute (fpm), alors le charbon brut commencera à sortir du pulvérisateur. Encore une fois, cela entraîne dans la plupart des cas un gaspillage de carburant et augmente le risque d'excursion.

Depuis de nombreuses années, Storm applique des solutions techniques pour augmenter les vitesses de gorge de sorte qu'au point de consigne d'air minimum, la vitesse de gorge du pulvérisateur soit de 7 000 fpm et qu'il n'y ait pas de rejets de charbon en installant un ensemble de gorge et déflecteur rotatif conçu par Storm (Figure 2) . Au fil des ans, les ingénieurs de l'usine ont eu une préoccupation avec cette conception éprouvée, c'est-à-dire qu'en réduisant la zone ouverte entourant immédiatement la gorge, la chute de pression à travers la gorge augmente à mesure que le débit d'air primaire augmente. En conséquence, les ingénieurs de Storm ont conçu et breveté une gorge réglable qui soulage la chute de pression accrue à des débits d'air primaires plus élevés, tout en maintenant les vitesses de gorge requises de 7 000 fpm au point de consigne de débit d'air primaire minimum. Cela se fait efficacement en fournissant un deuxième trajet d'air primaire au pulvérisateur et en contrôlant avec précision le débit d'air primaire vers chaque zone par un venturi calibré. Dans l'ensemble, la conception originale et la nouvelle conception brevetée du col Storm élimineront les rejets de charbon associés à l'utilisation d'un pulvérisateur à faible débit, ce qui peut améliorer la fiabilité de votre centrale électrique.

2. La gorge et le déflecteur rotatifs Storm d'origine sont illustrés à gauche, avec la nouvelle conception de gorge réglable brevetée par Storm illustrée à droite. Avec l'aimable autorisation de Storm Technologies

Lorsqu'une centrale PC conçue pour un fonctionnement de base doit suivre la demande du réseau et fonctionner avec des pulvérisateurs hors service, cela peut être extrêmement préjudiciable à la santé des brûleurs à charbon pulvérisé qui sont hors service. De nombreux lecteurs peuvent penser que lorsque le brûleur à charbon pulvérisé est en service, c'est à ce moment-là que les matériaux du brûleur seront soumis à la plus grande quantité de chaleur, en raison de la flamme de 3 000F qui est maintenue de six pouces à 12 pouces de la pointe de le brûleur. Cependant, c'est exactement le contraire qui est vrai.

Pendant que le brûleur est en service, la buse du brûleur sur la plupart des unités américaines a un mélange air-carburant traversant la buse qui est généralement de 135F à 180F, ce qui refroidit efficacement le brûleur à une température du métal de 300F à 400F en service. Une fois qu'un pulvérisateur ou un ensemble de brûleurs à charbon pulvérisé est mis hors service, c'est à ce moment que les températures du métal commencent à augmenter de manière significative.

Les brûleurs d'aujourd'hui, lorsqu'ils sont hors service, ne sont plus conçus avec une alimentation en air de refroidissement, comme ils l'étaient autrefois. Par conséquent, cela laisse tout le refroidissement à l'air secondaire, qui est en moyenne d'environ 650F. Lorsqu'un brûleur est hors service, il est alors exposé à des quantités extrêmes de chaleur rayonnante provenant du processus de combustion dans la zone de la courroie du brûleur du four. Cela peut rapidement augmenter les températures du métal du brûleur au-dessus de 1 400F. Lorsque les buses de brûleur sont exposées à ces températures au fil du temps, elles commencent à se déformer et à se fissurer, comme illustré à la figure 3, ce qui nuit à l'efficacité du brûleur.

3. Dommages au brûleur dus à une surchauffe. Avec l'aimable autorisation de Storm Technologies

Storm a toujours préconisé l'installation de thermocouples soudés à tampon à environ six pouces de l'extrémité de la buse, comme illustré à la figure 4. Ces thermocouples peuvent ensuite être surveillés dans la salle de contrôle pour s'assurer qu'une quantité adéquate d'air de refroidissement est maintenue pour idéalement maintenir la température du brûleur en dessous de 700 F lorsqu'il est hors service. De plus, pendant les démarrages du pulvérisateur, si le charbon pulvérisé est envoyé à un brûleur qui n'a pas été suffisamment refroidi à moins de 700 F, le charbon peut commencer à coller à la buse du brûleur, aux diffuseurs de charbon ou à toute autre surface métallique avec laquelle le charbon entre en contact. , ce qui peut entraîner un feu de brûleur.

4. Thermocouple de buse de brûleur soudé. Avec l'aimable autorisation de Storm Technologies

Maintenir des températures de brûleur inférieures à 700F avec de l'air secondaire seul est presque impossible, c'est pourquoi Storm est fermement convaincu que le refroidissement du brûleur devrait être réalisé avec un ventilateur d'air de refroidissement externe, ce qui était courant sur les chaudières dans les années 1970. Cela dit, peu importe si votre chaudière est équipée d'un système de refroidissement du brûleur ou non, les thermocouples soudés peuvent être un outil très utile pour aider à éviter les températures excessives du métal du brûleur qui peuvent entraîner les dommages illustrés à la figure 3, ce qui perturbera la combustion, entraîner un remplacement prématuré des composants du brûleur ou un incendie du brûleur.

Un fonctionnement et un contrôle efficaces de la chaudière ne peuvent être obtenus à aucune charge sans une mesure et un contrôle précis du débit d'air fourni aux pulvérisateurs et à la chaudière. Le Code des dangers des chaudières et des systèmes de combustion de la National Fire Protection Association (NFPA 85) exige qu'une chaudière PC maintienne 25 % du débit d'air à pleine charge comme débit d'air minimum autorisé pendant le fonctionnement. Dans les cas extrêmes, Storm a trouvé des chaudières fonctionnant avec près de 100 % de débit d'air en plus que ce qui est nécessaire pour la combustion lorsqu'elles fonctionnent à faible charge.

Comment le flux d'air peut-il aller si loin ? Il y a trois facteurs principaux dans l'expérience de Storm qui conduisent à des quantités excessives de flux d'air à des charges plus faibles. Le premier est un manque de mesure précise du débit d'air. Le tableau 1 illustre les résultats d'un test de débit d'air secondaire total sur une chaudière de 470 MW. Comme vous pouvez le constater, les indications de débit d'air sont décalées en moyenne de 13 % à charges réduites, où le débit d'air mesuré réel est supérieur à celui indiqué. De plus, on peut noter l'incohérence dans l'écart de mesure de la voilure nord entre chaque test. Cela indique un profil aérodynamique ou une ligne de détection bouché/fuyant, ce qui est très courant lors de la réalisation de ce type de test.

Tableau 1. Résultats totaux des tests d'air secondaire. Avec l'aimable autorisation de Storm Technologies

Deuxièmement, Storm a constaté que les ingénieurs de l'usine sur site préfèrent souvent qu'un petit coussin, ou un facteur de sécurité, soit en place au débit d'air minimum, de sorte qu'ils peuvent augmenter le débit d'air minimum à 30 % ou 35 %. Mais si vous associez cela au fait que l'indication du débit d'air pourrait indiquer un débit d'air inférieur de 13 % au débit réel, vous pouvez rapidement vous retrouver à 40 % à 50 % de votre débit d'air total à faible charge.

Enfin, les allumeurs, s'ils sont en service, peuvent avoir des flammes sombres/brumeuses. La réaction initiale de l'usine peut être d'augmenter le débit d'air vers la chaudière, mais comme nous le verrons plus en détail dans notre quatrième préoccupation, cela n'est pas toujours bénéfique.

Ajouter plus d'air peut ne pas sembler une si mauvaise idée lorsque les opérateurs se concentrent sur la combustion de la chaudière. Cependant, trop d'air augmente les pénalités de perte de gaz sec des chaudières et, si elles sont suffisamment élevées, peuvent nécessiter des débits de pulvérisation de désurchauffe à faibles charges, ce qui est également une pénalité pour le taux de chaleur. De plus, si la chaudière fonctionne à une charge de 25 %, la pression différentielle à travers le surchauffeur est probablement d'un seizième de la pression différentielle à pleine charge, et de grandes quantités d'eau pulvérisée pourraient entraîner le colmatage des circuits du tube du surchauffeur, ce qui entraînerait des dommages à court terme. pannes de surchauffe.

Lors du démarrage, de l'arrêt ou lorsque les allumeurs à huile sont mis en service comme allumage supplémentaire pour les pulvérisateurs hors service, les allumeurs souffrent souvent de schémas de flamme «paresseux». Ceci est connu pour être la source de transfert d'huile liquide, de niveaux d'opacité élevés et a même provoqué des incendies de réchauffeurs d'air. La différence dans les modèles de flamme et l'intensité observée dans les images avant et après le réglage de la figure 5 s'est avérée être le résultat direct d'un mauvais contrôle du registre d'air auxiliaire, qui fournissait la majorité de l'air de combustion aux brûleurs hors service. au lieu des allumeurs en service. En ajustant les registres et en forçant l'air vers les allumeurs en service, l'opacité a été réduite de 40 % à moins de 5 %, et le transfert d'huile liquide a été éliminé.

5. Mauvaises flammes de l'allumeur (gauche) par rapport aux flammes optimales (droite). Avec l'aimable autorisation de Storm Technologies

Plus récemment, Storm a participé au réglage d'une chaudière à lit fluidisé circulant (CFB) lors du démarrage. Avant tout réglage, la chaudière fonctionnait avec des niveaux de CO de 0,4 à 0,5 lb/MMBtu lors du démarrage, tout en utilisant jusqu'à 3 000 gallons d'huile. Un éventail de problèmes a été trouvé concernant les mesures des manomètres de vapeur et d'huile, mais au final, le débit d'air total fourni à la chaudière a été réduit de 46,5 % par rapport au débit tel qu'il a été trouvé, et la répartition du débit d'air entre l'air primaire et l'air secondaire a été optimisée. En améliorant la distribution et le contrôle du débit d'air vers la chaudière, l'usine a pu démarrer avec une réduction de plus de 50 % de la consommation de mazout et des niveaux de CO nettement améliorés (0,106 lb/MMBtu).

En conclusion, l'objectif de Storm Technologies en écrivant cet article était de présenter quatre opportunités souvent négligées d'amélioration de la flexibilité des opérations qui, jusqu'à récemment, n'étaient expérimentées que pendant de courtes périodes lors du démarrage, mais qui deviennent de plus en plus courantes avec les chaudières PC sur le marché de l'énergie d'aujourd'hui. Aujourd'hui, les centrales au charbon sont en concurrence avec des énergies renouvelables non distribuables et incontournables, et par conséquent, elles doivent devenir beaucoup plus flexibles dans leurs opérations.

En 2018, la production moyenne d'électricité par le charbon représentait 27,5 % du mix américain, selon l'Energy Information Administration. Cependant, le National Energy Technology Laboratory a constaté que pendant les pics de charge les jours les plus froids de l'hiver, la production de charbon peut atteindre 38 % en raison des limites des gazoducs, des coûts de production compétitifs et des difficultés opérationnelles de démarrage des centrales à turbine à gaz à cycle combiné. . Cela signifie que la flexibilité et la fiabilité des centrales au charbon sont plus importantes que jamais, non seulement pour les propriétaires et les exploitants de centrales, mais aussi pour la sécurité nationale et le bien-être des clients. ■

—Shawn Cochran, PE est vice-président des services sur le terrain et de l'ingénierie de projet chez Storm Technologies, basé à Albemarle, en Caroline du Nord.

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