Nutzen Sie Detonationswellen, um Kesselrohre zu reinigen

Eine der großen Überraschungen, mit denen Kraftwerke konfrontiert sind, die von einer mehr oder weniger standardmäßigen Steinkohle auf eine westliche Kohle umsteigen, ist die Zunahme von Verschlackung und Verschmutzung. Viele Kraftwerke haben deutlich mehr Verschmutzung mit Kohle aus dem Powder River Basin (PRB) gemeldet als mit ihrer vorherigen Kohle. Um mit mehr Verschmutzung fertig zu werden, müssen in der Regel entweder die Anzahl, der Typ oder der Standort der Rußbläser geändert und ihre Betriebsfrequenz erhöht werden. Es gibt auch eine Reihe von Automatisierungssystemen, die thermodynamische Modelle des Dampferzeugers verwenden, um Art und Häufigkeit der Reinigung vorherzusagen. andere verwenden Sensoren im Gasweg, um zu „melden“, wann Rohroberflächen gereinigt werden müssen. Die einzige Konstante seit fast einem Jahrzehnt ist die Mechanik des Rußblasens.

Es ist kostspielig, wenn Sie Ihr System zur Reinigung der Gasdurchlaufflächen zu Hause nicht in Ordnung bringen. Angesammelte Asche führt dazu, dass Dampferzeuger weniger effizient arbeiten. Das bedeutet, dass mehr Treibstoff verbrannt wird und die Todesspirale beginnt. Die Herausforderung besteht darin, dass jeder Kessel, jeder Brennstoff und jedes Betriebsszenario einzigartig ist und normalerweise eine maßgeschneiderte Lösung erfordert, um effektiv zu sein. Die richtige Kombination kann schwer zu finden sein. Niedrigere Wirkungsgrade werden durch einen Anstieg des Gesamtdruckabfalls, der Abgastemperatur und/oder der Lüfterleistung angezeigt; zusätzliche Rohrerosion und Undichtigkeiten; anhaltend hohe Betriebs- und Wartungskosten; und häufigere ungeplante Ausfälle ausschließlich für Reinigungszwecke. Wenn dies nach Ihrer Anlage klingt, haben wir möglicherweise genau die Lösung, die Sie suchen.

Vor etwa fünf Jahren wurde in der US-Stromerzeugungsindustrie eine neue Technologie eingeführt. Es nutzt die Detonationsreinigung, abgeleitet von der Pulse Detonation Engine von Pratt & Whitney, die zum Antrieb eines Überschallfahrzeugs verwendet wird (Abbildung 1). Die Ingenieure, die den futuristischen Impulsdetonationsmotor entwickelten, konnten nicht vorhersehen, dass diese Technologie als neuartigste Kesselreinigungstechnologie seit vielen Jahren in die Elektrizitätsindustrie Einzug halten würde. Die neue ShockSystem-Detonationsreinigungsbrennkammer (Abbildung 2) hat nichts mit der Verwendung von Dynamit oder Sprengschnur zu tun, wenn eine Einheit offline ist – die aufwändigste Reinigungsmethode, die noch verwendet wird. Es bezieht sich auch nicht auf andere Online-Reinigungssystemoptionen wie Schallhörner oder Wasserwerfer.

1. Stoßwelle. Dies ist das Konzept eines Künstlers eines Impulsdetonationsmotors, der ein Raumschiff antreibt. Das Konzept ist einfach: Ein Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemisch füllt ein Rohr und wird gezündet. Das schnelle Brennen geht in eine Detonationswelle über, die sich mit bis zu achtfacher Schallgeschwindigkeit durch den Zylinder bewegt. Die Verbrennung ist abgeschlossen, bevor das Gas Zeit hatte, sich auszudehnen. Der entstehende Explosionsdruck wird dann in Schubkraft für das Fahrzeug umgewandelt. Mit freundlicher Genehmigung: NASA Marshall Space Flight Center

2. Einfaches Systemdesign. Eine typische Pratt & Whitney ShockSystem-Brennkammer, die für die Online-Kesselreinigung verwendet wird. Mit freundlicher Genehmigung von Pratt & Whitney MMI

Der Prozess zur Erzeugung einer Detonation besteht darin, eine Mischung aus Brennstoff und Oxidationsmittel in eine Kammer einzuspritzen, diese Mischung zu zünden, die resultierende Verbrennungswelle in eine Detonationswelle umzuwandeln und dann mit Luft zu spülen, um den nächsten Zyklus vorzubereiten (Abbildung 3). Die Detonationswelle breitet sich mit Überschallgeschwindigkeit innerhalb der Brennkammer aus und zerfällt schnell zu einer Druckwelle, sobald sie die Kammer verlässt und sich im offenen Raum (oder innerhalb einer großen Struktur wie einem Kessel) ausbreitet. Die Druckwelle – auch Druckwelle, Druckimpuls oder einfach Impuls genannt – verfügt über die erforderliche Energie, um versinterte und ungesinterte Asche im Rücklauf von Kesseln zu entfernen. Diese Druckwelle hat kaum oder gar keine negativen Auswirkungen auf die Rohrerosion und die erforderliche Betriebsfrequenz ist viel geringer als die von akustischen Hörnern.

3. Innenleben. Diese Zeichnung veranschaulicht den ShockSystem-Betriebszyklus. Quelle: Pratt & Whitney MMI

Durch die Detonationsreinigung entsteht eine Druckwelle, die sich vom Brennkammerausgang in alle Richtungen ausbreitet. Bisher werden alle Anwendungen außerhalb der Kesselwand montiert und leiten die Druckwelle durch eine Durchdringung. Diese Anwendungen wurden sowohl bei Kesseln mit positivem als auch bei ausgeglichenem Zug installiert. Der Vorteil dieser Montageart besteht darin, dass die Brennkammer entlang der Kesselwand oder um Außenkonstruktionen herum verlegt werden kann, ohne dass das Lanzenrohr durch Verbiegen, Hängenbleiben oder Abbrechen im Betrieb verloren geht. Ein weiterer großer Vorteil für Kesselbetreiber besteht darin, dass die Druckwellen online gesteuert und angewendet werden, wodurch unnötige Ausfälle vermieden werden. Die langfristigen Auswirkungen auf die Rohrerosion sind minimal, die Anlagenemissionen werden gesenkt, die Abgastemperatur wird gesenkt und die Gesamteffizienz des Kessels wird erhöht.

Die omnidirektionale Druckwelle der Detonationsreinigung breitet sich durch die gesamte Rohrbaugruppe aus, während die Rußblastechnologie auf die Sichtlinienreinigung beschränkt ist. Jeder Detonationsimpuls entspricht mehreren 6-minütigen Rußbläserzyklen, und eine Brennkammer kann je nach Kesselkonfiguration bis zu vier Rußbläser ersetzen. Ein Standardplan für die Detonationsreinigung erfordert 10 Impulse (von denen jeder nur wenige Millisekunden dauert), die alle 12 Stunden pro Brennkammer wiederholt werden. Rußbläser benötigen typischerweise alle 4 Stunden einen 6-Minuten-Zyklus pro Rußbläser. Die Detonationsreinigung ist im kontinuierlichen Wartungsmodus und im Sanierungsreinigungsmodus erfolgreich und entfernt bereits bei der Erstinstallation vorhandene Ablagerungen. Rußbläser werden hauptsächlich im Dauerwartungsmodus eingesetzt und sind bei der Entfernung von angesammelter und versinterter Asche unwirksam.

Detonationsreinigungsbrenner befinden sich außerhalb des Kessels, wohingegen Rußbläser innerhalb des Kessels verfahren müssen. Das Pratt & Whitney ShockSystem erfordert nur zwei routinemäßige Wartungsanforderungen: den Austausch der Kraftstoff-/Oxidationsmittelfilter und den Austausch der Brennkammerzündkerze – ähnlich wie bei der routinemäßigen Wartung Ihres Fahrzeugs. Vergleichen Sie dies mit der Wartung, die für Standard-Rußbläser mit einziehbarer Lanze erforderlich ist, bei denen Düsen und Getriebedichtungen abgenutzt oder beschädigt sind. verzogene, geschmolzene oder korrodierte Lanzenrohre; und beschädigte Zuführschläuche erfordern ständige Aufmerksamkeit.

Ein Detonations-Rußbläser bietet enorme Kosteneinsparungen im Vergleich zu herkömmlichen Luft- und Dampf-Rußbläsern, wie in der Tabelle dargestellt. Die tatsächlichen Einsparungen sind wahrscheinlich sogar noch höher, da Detonationsrußbläser häufig mehrere herkömmliche Rußbläser ersetzen können. Ebenso ergibt sich ein Kostenvorteil, wenn Ausfallzeiten für Rußbläserreparaturen oder zusätzliche Kesselreinigung entfallen.

Wirtschaftliche Alternative. Die Betriebs- und Wartungskosten beim ShockSystem-Detonationssystem können geringer sein als bei herkömmlichen Rußbläsersystemen. Quelle: Pratt & Whitney

Die Industrie hat auch eine omnidirektionale akustische Reinigung ohne die negativen Rohrerosionseffekte herkömmlicher Luft- und Dampfrußbläser eingesetzt. Die Ergebnisse mit akustischen Hörnern waren bestenfalls mäßig. Akustische Hörner erzeugen Schallwellen mit verschiedenen Frequenzen, um ungesinterte Asche in den Regionen mit niedrigerer Temperatur des Rückkanals zu entfernen. Sie wurden auch an weiter flussabwärts gelegenen Umweltkomponenten installiert. Auch hier erbringen Akustikhörner oft nicht die beworbene Leistung. In bestimmten Anwendungen müssen Akustikhörner viel häufiger laufen als ursprünglich vorgesehen, um ihre Leistung zu verbessern. Angesichts der relativ geringen erzielten Reinigung hat dies große Bedenken hinsichtlich der langfristigen Integrität des Kessels hervorgerufen.

Das Detonationsrußblasen bietet außerdem zusätzliche Flexibilität bei der Platzierung der Ausrüstung. Herkömmliche Rußbläser erfordern große Deckflächen, auf denen die einziehbaren Lanzenrohre abgestellt werden können, wenn sie nicht in Betrieb sind. Detonationsbrennkammern können in vielen verschiedenen Konfigurationen installiert werden, ohne dass die Reinigungskraft verloren geht.

Detonationsreinigungsmittel können entlang der Kesselwand installiert und gebogen werden, um Hindernissen auszuweichen. Bei einer gebogenen Rohrkonfiguration ist die Außenkante einer Brennkammer nur etwa 6 Fuß von der Kesselwand entfernt. Durch die Einbettung mehrerer Röhren wird die Reinigung optimiert und gleichzeitig der Platzbedarf des Geräts minimiert. Da Detonationsreinigungsprodukte in vielen Anwendungen Rußbläser ersetzen, können sie auch an vorhandenen Rußbläserstandorten angebracht werden, indem die Durchdringungen des Rußbläsers an die Brennkammer angepasst werden (Abbildung 4).

4. Viele Installationsmöglichkeiten. Detonationsrußbläser bieten dem Besitzer viele Optionen für die Installation, darunter (von links nach rechts): gebogene Brennkammer, eingebettete Brennkammer und gerade Brennkammerkonfigurationen. Mit freundlicher Genehmigung von Pratt & Whitney MMI

Die auf Detonation basierende Online-Kesselreinigungstechnologie ist kein „turbogeladenes“ akustisches Horn. Die von einer Detonationsbrennkammer erzeugte Druckwelle ist eine diskrete Druckdiskontinuität, die sich grundlegend von den zyklischen Wellen akustischer Hörner unterscheidet. Auch die Druckamplitude ist bei einer Druckwelle um Größenordnungen höher als bei einer akustischen Hornschallwelle.

Obwohl akustische Technologien von Natur aus omnidirektional sind, liefert jeder Druckwellenimpuls einer Detonationsbrennkammer weit mehr Energie, als ein akustisches Horn, das im Bereich von 25 bis 220 Hz arbeitet, an einem ganzen Tag liefern kann – selbst wenn es kontinuierlich betrieben wird. Gemessen auf der Dezibel-Skala ist die vom ShockSystem im Kessel erzeugte Druckwelle größer als 175 dB, während akustische Hupen zwischen 130 und 150 dB liegen. Außerhalb des Kessels wurden Geräuschpegel im Bereich von 100 dB gemessen, was weit unter den akzeptablen OSHA-Grenzwerten liegt und keinen größeren Gehörschutz erfordert, als normalerweise in einem Kraftwerk verwendet wird.

Die Detonationsreinigung ist sowohl im kontinuierlichen Wartungsmodus als auch im Sanierungsreinigungsmodus erfolgreich, bei dem festsitzende Ablagerungen entfernt werden müssen. Die akustische Reinigung wird hauptsächlich im Dauerwartungsmodus eingesetzt und eignet sich nicht zur Entfernung von Asche, die sich angesammelt und versintert hat. Eine Reihe von Vorher- und Nachher-Fotos, die auf der ShockSystem-Website (www.shock-system.com) veröffentlicht wurden, veranschaulichen die Reinigungswirksamkeit des Systems.

Ergebnisse von Demonstrationen sowie permanenten Installationen des ShockSystems haben gezeigt, dass die Online-Detonationsreinigung in verschiedenen Kesselregionen bei der Kontrolle der Ansammlung von Ascheablagerungen, der Begrenzung von Anlagenausfällen und der Verbesserung der Heizrate genauso effektiv oder effektiver ist als herkömmliche Methoden (Abbildung 5). ).

5. Es ist ein Riesenspaß. Durch die omnidirektionale Beschaffenheit des Strahls wird Energie in drei Dimensionen freigesetzt, wodurch die Wärmeübertragungsfläche gründlich gereinigt wird. Der Prozess besteht aus drei Phasen (von links nach rechts): Zunächst erfolgt die Brückenbildung und Plattenbildung – dargestellt im Querschnitt eines Kessels vor der Reinigung. Dann bewegt sich eine Stoßwelle durch den Kesselrohrraum, wenn das ShockSystem gezündet wird, und schließlich erfolgt die teilweise Reinigung Die Rohroberflächen sind dargestellt, nachdem sich die Stoßwelle aufgelöst hat. Die Reinigung kann bei Bedarf wiederholt werden. Mit freundlicher Genehmigung von Pratt & Whitney MMI

Die Reinigungswirkung der Druckwelle außerhalb der Sichtlinie kann mit herkömmlichen Rußbläserdüsen nicht erreicht werden. Das Detonationsreinigungsgerät arbeitet während des normalen Kesselbetriebs und reduziert dadurch die Anzahl und/oder Dauer von Anlagenausfällen, die für die Reinigung ansonsten unzugänglicher Stellen erforderlich sind. Es wird erwartet, dass diese neue Technik aufgrund der geringeren Geschwindigkeit der mitgerissenen Asche, die mit der Druckwelle einhergeht, zu einem geringeren Rohrverschleiß führt, der auf Partikeleinschlagerosion zurückzuführen ist. Dies führt zu einer längeren Lebensdauer der Einheit und einer geringeren Anzahl ungeplanter Ausfälle.

Die Online-Detonationsreinigungsbrennkammer belastet keine wertvollen Anlagenressourcen wie Dampf oder Hochdruckluft (und die zugehörigen Kompressoren). Dieser Vorteil dürfte zu deutlich geringeren Betriebskosten führen. Ein weiterer Vorteil im Vergleich zur herkömmlichen Rußbläsertechnologie besteht darin, dass das Online-Detonationsreinigungsgerät weniger mechanische Teile aufweist, da es nicht in den Kessel eingeführt oder eingefahren werden muss. Das bedeutet geringere Wartungskosten. Darüber hinaus kann die Detonationsbrennkammer auf vielfältige Weise konfiguriert werden, sodass Installationen in engeren Bereichen möglich sind als bei herkömmlichen einziehbaren Rußbläsern, für deren Installation üblicherweise ein langer, offener Raum außerhalb des Kessels erforderlich ist.

—Kirk Lupkes ([email protected]) ist der technische Leiter von Pratt & Whitney MMI. A. Tofa McCormick ([email protected]) ist leitender Analyst in der Marketing- und Kommunikationsgruppe.

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