送電網の需要を追うことで大型石炭ボイラーが機能不全に陥っていませんか? 対処すべき 4 つの懸念事項

低負荷条件下での微粉炭焚きボイラーの運転には、いくつかの課題があります。この記事では、ユニットを可能な限り最良の動作状態に保つためのヒントを提供します。

再生可能エネルギーと高効率複合サイクル発電所の普及が進んでいる今日のエネルギー市場では、かつてベースロードされていた微粉炭（PC）発電所の多くは、サイクル運転や低負荷での運転が必要です。多くの PC プラントは、再生可能エネルギーの供給がピークになる期間中、最大連続定格の 25% ～ 50% で稼働しています。これにより、これらの負荷におけるプラントの効率だけでなく、ボイラーの信頼性にも影響を与える新たな運転上の課題が明らかになりました。

送電網の安定性と信頼性は、再生可能エネルギーの増加または減少に伴う急速な負荷変化に対する石炭火力発電所に依存します。夏と冬の異常気象時には、石炭火力発電所が主要な発電に依存します。 Storm Technologies の低負荷運転の経験とそれがもたらす可能性のある課題は、今日のプラントの最近の運転特性が現れる前に遡ります。電力業界のほとんどの専門家は、サイクリングや低負荷運転によってボイラーの材料、異種金属の溶接、水の化学反応などにさらなるストレスがかかる可能性があることを認識しています。逆に、Storm は、運用とメンテナンスの制御可能なパラメータに、同等の低コストでありながら見落とされがちな改善点が数多くあることを発見しました。これらの変化に対処して監視すると、プラント全体の運用の柔軟性と信頼性が向上します。

サイクル中または低負荷での動作中、粉砕機はある時点で一次空気ランプの下端、または最小空気設定値と呼ばれる値で動作しています (図 1)。この時点で、粉砕機は石炭の廃棄の影響を最も受けやすくなります。 Storm Technologies では、石炭の廃棄は「ステルス」熱速度のペナルティとみなしています。また、空気が豊富な環境では原燃料が喉からこぼれ、高温の一次空気流にさらされるため、安全性にも懸念があります。

1. 一次エアランプと粉砕機の負荷。提供: ストーム・テクノロジーズ

低いスループットで運転しているときに石炭の廃棄物が発生する場合、それは多くの場合、一次空気流量の低下に直接関係しており、その結果、粉砕機のスロートを通過するフリージェット速度が低下します。ボイラーの負荷範囲全体で動作させるために必要な粉砕機の数を指定することは、十分に簡単な作業であり、運用には手順が定められている可能性があります。しかし、ストーム氏は、稼働中の粉砕機の数が少なくてもプラントが稼働している可能性があることに気づきましたが、オペレーターは単純に粉砕機の稼働停止をサイクルしないことを選択しています。これにより、粉砕機のスループットが低下し、多くの場合、粉砕機は一次空気曲線の最小空気部分で動作することになります。

図 1 は、2 台の粉砕機を稼働から外し、2 台の粉砕機のみで運転することで、一次空気ランプの傾斜部分に移動することで、稼働中の粉砕機を通過する一次空気流量を効果的に増加させるという単純化した例を示しています。粉砕機を稼働から外すと、稼働中の粉砕機のスロートを通過する速度が増加し、ほとんどの場合、最小空気設定値で粉砕機を悩ませる可能性のある石炭の排出が排除されます。

粉砕機内の機械的問題を除けば、石炭の廃棄はほぼ独占的に、所定の一連の入口条件における粉砕機のスロートの形状に関係します。スロートの周囲の開口領域が、一次空気速度が 7,000 フィート/分 (fpm) を下回るようなサイズになっている場合、原石炭が粉砕機からこぼれ始めます。繰り返しになりますが、ほとんどの場合、これにより燃料が無駄になり、遠出の可能性が高まります。

長年にわたり、Storm はスロート速度を高めるためのエンジニアリングソリューションを適用してきました。これにより、最小空気設定値で粉砕機のスロート速度が 7,000 fpm になり、Storm が設計した回転スロートとデフレクターアセンブリを取り付けることで石炭の廃棄がなくなりました (図 2)。。この実証済みの設計に関して、長年にわたりプラントエンジニアが抱えてきた懸念の 1 つがありました。それは、スロートのすぐ周囲の開口領域が減少することにより、一次空気流量が増加するにつれてスロート全体の圧力降下が増加することです。その結果、Storm のエンジニアは、最小一次空気流量設定値で必要な 7,000 fpm のスロート速度を維持しながら、より高い一次空気流量での圧力降下の増加を軽減する調整可能なスロートを設計し、特許を取得しました。これは、粉砕機に 2 番目の一次空気経路を設け、校正されたベンチュリによって各ゾーンへの一次空気流を正確に制御することによって効果的に行われます。全体として、オリジナルと新しい特許取得済みのストームスロート設計は両方とも、低スループットでの粉砕機の運転に伴う石炭の廃棄を排除し、発電所の信頼性を向上させることができます。

2. オリジナルの Storm 回転スロートとディフレクターを左側に示し、Storm が特許を取得した新しい調整可能なスロート設計を右側に示します。提供: ストーム・テクノロジーズ

ベースロード運転用に設計された PC プラントが系統需要に従い、粉砕機が稼働していない状態で稼働する必要がある場合、稼働していない微粉炭バーナーの健全性に極めて悪影響を与える可能性があります。多くの読者は、微粉炭バーナーの使用中、つまりバーナーの先端から 6 インチから 12 インチの範囲で保持される 3,000F の炎により、バーナーの材料が最大の熱にさらされるときであると考えるかもしれません。バーナー。ただし、まったく逆のことが当てはまります。

バーナーの稼働中、米国のほとんどのユニットのバーナーノズルでは、通常 135°F ～ 180°F の温度のノズルを通過する混合気があり、稼働中はバーナーを 300°F ～ 400°F の金属温度まで効果的に冷却します。粉砕機または微粉炭バーナーのセットが停止すると、金属の温度が大幅に上昇し始めます。

現在のバーナーは、使用を停止した場合、かつてのように冷却空気を供給するように設計されていません。したがって、冷却はすべて二次空気 (平均約 650°F) に委ねられます。バーナーが稼働していない場合、バーナーは炉のバーナーベルトゾーンでの燃焼プロセスからの大量の放射熱にさらされます。これにより、バーナーメタルの温度が急速に 1,400F 以上に上昇する可能性があります。バーナーノズルが時間の経過とともにこれらの温度にさらされると、図 3 に示すように歪みや亀裂が生じ始め、バーナーの効率に悪影響を及ぼします。

3. 過熱によるバーナーの損傷。提供: ストーム・テクノロジーズ

Storm は、図 4 に示すように、ノズルの先端から約 6 インチ後方にパッド溶接熱電対を取り付けることを常に支持してきました。その後、これらの熱電対を制御室で監視して、適切な量の冷却空気が理想的な状態に維持されていることを確認できます。停止中はバーナー温度を 700F 以下に保ってください。さらに、粉砕機の始動中に、700°F 未満に十分に冷却されていないバーナーに微粉炭が送られると、石炭がバーナーノズル、石炭ディフューザー、または石炭が接触するその他の金属表面に付着し始める可能性があります。バーナー火災の原因となる可能性があります。

4. パッド溶接されたバーナーノズル熱電対。提供: ストーム・テクノロジーズ

二次空気だけでバーナー温度を 700F 以下に維持することはほぼ不可能です。そのため、ストーム氏は、1970 年代のボイラーでは一般的であった外部冷却空気ファンを使用してバーナーを冷却する必要があると強く感じています。そうは言っても、ボイラーにバーナー冷却装置が装備されているかどうかに関係なく、パッド溶接熱電対は、燃焼を乱す図 3 のような損傷につながる可能性のあるバーナーメタルの過度の温度を回避するのに役立つ非常に便利なツールです。バーナー部品の早期交換やバーナー火災の原因となります。

粉砕機とボイラーに供給される空気流量の正確な測定と制御がなければ、いかなる負荷でも効率的なボイラーの運転と制御を達成することはできません。米国防火協会のボイラーおよび燃焼システム危険規定 (NFPA 85) では、PC ボイラーが動作中に許容される最小空気流量として全負荷空気流量の 25% を維持することが求められています。極端な場合、ストームは、ボイラーが低負荷で動作しているときに、燃焼に必要な空気流量よりもほぼ 100% 多い空気流量で動作していることを発見しました。

どうすれば空気の流れがこれほど遠くまで届くのでしょうか？ Storm の経験では、低負荷時に過度のエアフローを引き起こす主な要因が 3 つあります。 1 つ目は、正確な空気流量測定ができないことです。表 1 は、470 MW ボイラーでの総二次空気流量テストの結果を示しています。ご覧のとおり、空気流量の表示は、負荷が低い場合は平均 13% から外れており、実際に測定された空気流量は表示よりも高くなります。さらに、各テスト間の北側翼形部の測定値の偏差に一貫性がないことに気づくかもしれません。これは翼形部または感知ラインの詰まり/漏れを示しており、このタイプのテストを実施するときによく見られます。

表 1. 二次空気テストの合計結果。提供: ストーム・テクノロジーズ

第 2 に、Storm は、現場のプラントエンジニアが最小空気流量の所定の位置に小さなクッションまたは安全要素を配置することを好むことが多いことを発見しました。そのため、最小空気流量を 30% または 35% に増やす可能性があります。しかし、これを、エアフロー表示が実際よりも 13% 少ないエアフローを示している可能性があるという事実と組み合わせると、低負荷ではすぐに総エアフローの 40% ～ 50% になってしまう可能性があります。

最後に、点火装置が使用されている場合、暗い/かすんだ炎が発生する可能性があります。プラントからの最初の反応は、ボイラーへの空気流量を増加させることかもしれませんが、4 番目の懸念事項で詳しく説明するように、これは必ずしも有益であるとは限りません。

オペレーターがボイラーの燃焼に集中している場合、空気を追加することはそれほど悪い考えではないかもしれません。ただし、空気が多すぎるとボイラーの乾燥ガス損失のペナルティが増加し、十分に高い場合は、低負荷で過熱度を下げるスプレー流が必要になる可能性があり、これも熱量のペナルティになります。さらに、ボイラーが 25% の負荷で動作している場合、過熱器間の差圧は全負荷差圧の 16 分の 1 になる可能性があり、大量のスプレー水によって過熱器管回路が詰まり、短期的な故障が発生する可能性があります。過熱による故障。

始動中、停止中、または停止中の粉砕機の補助点火としてオイル点火装置が稼働しているとき、点火装置には「遅延」火炎パターンが発生することがよくあります。これは、液体オイルのキャリーオーバーや不透明度の上昇の原因となることが知られており、さらにはエアヒーター火災の原因にもなりました。図 5 の調整前と調整後の写真に見られる火炎パターンと強度の違いは、燃焼用空気の大部分を停止中のバーナーに供給していた補助空気ダンパー制御の不適切な直接の結果であることが判明しました。稼働中のイグナイターの代わりに。ダンパーを調整し、稼働中のイグナイターに空気を強制的に送り込むことで、不透明度が 40% から 5% 未満に減少し、液体オイルのキャリーオーバーが排除されました。

5. 点火装置の不十分な炎 (左) と最適な炎 (右)。提供: ストーム・テクノロジーズ

最近では、Storm は循環流動床 (CFB) ボイラーの起動時の調整に携わりました。調整前のボイラーは、起動時の CO レベルが 0.4 ～ 0.5 lb/MMBtu で動作し、3,000 ガロンものオイルを使用していました。蒸気計や油圧計の測定にはさまざまな課題が見つかりましたが、最終的にはボイラーに供給される総風量を実測値より46.5%削減し、一次空気と二次空気の風量配分を最適化することができました。ボイラーへの空気流の分配と制御を改善することにより、プラントは石油使用量を 50% 以上削減し、CO レベルを大幅に改善して起動することができました (0.106 ポンド/MMBtu)。

最後に、この記事を書く際の Storm Technologies の目的は、最近までスタートアップ時の短期間にしか経験されなかったが、今日のエネルギー市場の PC ボイラーではより一般的になりつつある、運用の柔軟性を向上させるための 4 つの見落とされがちな機会を提示することでした。現在、石炭火力発電所は、派遣不可能で稼働が必須の再生可能エネルギーと競合しているため、より柔軟な運用が求められています。

エネルギー情報局によると、2018 年の石炭燃料による平均発電量は米国の電力構成の 27.5% でした。しかし、国立エネルギー技術研究所は、天然ガスパイプラインの制限、競争力のある発電コスト、コンバインドサイクルガスタービンプラントの運転の困難さにより、冬の最も寒い日のピーク負荷時には、石炭の発電量が38%にも達する可能性があることを発見しました。。つまり、石炭火力発電所の柔軟性と信頼性は、発電所の所有者や運営者だけでなく、国家安全保障や顧客の幸福にとっても、これまで同様に重要であるということです。 ■

—Shawn Cochran、PE は、ノースカロライナ州アルベマールに本拠を置く Storm Technologies のフィールドサービスおよびプロジェクトエンジニアリング担当副社長です。

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