УЧРЕДИТЕЛИ

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ, РОССИЙСКОЕ ОАО ЭНЕРГЕТИКИ

ÈЭЛЕКТРИФИКАЦИИ “ЕЭС РОССИИ”, ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ АССОЦИАЦИЯ “КОРПОРАЦИЯ ЕЭЭК”, НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИРМА “ЭНЕРГОПРОГРЕСС”, РОССИЙСКОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО ЭНЕРГЕТИКОВ

ÈЭЛЕКТРОТЕХНИКОВ

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ

Главный редактор

Ольховский Г.Г.

Зам. главного редактора

Антипов К.М.

Волков Э.П., Денисов В.И., Зотов В.М., Корниенко А.Г., Кощеев Л.А., Ляшенко В.С., Неклепаев Б.Н., Нечаев В.В., Орфеев В.М., Охотин В.Н., Прушинский Б.Я., Ремезов А.Н., Решетов В.И., Савваитов Д.С., Седлов А.С., Соловьева Т.И., Федосеев Б.С., Широкова М.И.

РЕДАКЦИЯ

Зам. главного редактора

Соловьева Т.И.

Ответственный секретарь

Широкова М.И.

Научный редактор

Шишорина Г.Д.

Литературный редактор

Евсеева В.Н.

Секретарь редакции

Васина С.А.

Компьютерный набор

Коновалова О.Ф.

Раздел “Энергохозяйство за рубежом”

Научные редакторы

Алексеев Б.А., Котлер В.Р.

АДРЕС РЕДАКЦИИ

115280, Москва, ул. Ленинская слобода, 23

ТЕЛЕФОНЫ

Редакция

[phone], 234-7419

Главный редактор

[phone]

Ôàêñ

[phone]

Internet www.energy-journals.ru

E-mail [e-mail]

Сдано в набор 30.12.2002 Подписано в печать 27.01.2003

Формат 60 84 1/8 Бумага офсетная ¹ 1. Печать офсетная

Печ. л. 10,75. Тираж 1915. Цена свободная

Оригинал-макет выполнен в издательстве “Фолиум”

127238, Москва, Дмитровское ш., 58 Тел/факс: [phone] Internet: www.folium.ru

E-mail: [e-mail]

Отпечатано в типографии издательства “Фолиум”

©НТФ “Энергопрогресс”, “Электрические станции”, 2003

Å Æ Å Ì Å Ñ ß × Í Û É Ï Ð Î È Ç Â Î Ä Ñ Ò Â Å Í Í Î - Ò Å Õ Í È × Å Ñ Ê È É Æ Ó Ð Í À Ë

I S S N 0 2 0 1 - 4 5 6 4

ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Толчинский Е. Н., Лаврентьев А. Ю. Критерий взрываемости топливной пыли как основа классификации природного твердого топлива по пригодности его к хранению на открытых угольных

складах	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	. 2
Пронин М. С.,	Бруер Г. Г., Бычков А. М., Кириллов М. А. Использование березовских углей Канско-
Ачинского бассейна для сжигания в мощных парогенераторах ТЭС . . . . . . . . . . . . . . . .		6
Вайнман А. Б., Жабров А. В. О некоторых повреждениях барабанов котлов высокого давления . . . .		10
Трояновский Б. М. Варианты проточной части паровых турбин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .		18
Филиппова Е. А. Назначение диагностируемых показателей состояния и их критериальных значений
для гидротехнических сооружений ГРЭС и ТЭС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .		23
ЭНЕРГОСИСТЕМЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ
Владимирский Л. Л., Печалин Д. С., Тиходеев Н. Н., Брюкнер М., ʸíèã Ï., Фрезе Г.-Ю., Ольман		Ã.
Использование длинностержневых фарфоровых изоляторов в районах с различной степенью
загрязнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .		28
Äîíè Í. À., Левиуш А. И., Тонких Е. В., Ужегов В. Т. О предельных длинах ВЛ, защищаемых дифферен-
циально-фазными защитами без устройств компенсации емкостных токов . . . . . . . . . . .		34
Березнев Ю. И. Учет отклонения напряжения при выборе проводов распределительных линий . . . .		37
Дмитренко А. М. Об использовании предельной кратности трансформаторов тока при проектирова-
нии и анализе поведения дифференциальных защит трансформаторов . . . . . . . . . . . . .		41
Маруда И. Ф. Релейная защита понижающих трансформаторов от коротких замыканий на линии при
разрывах фаз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .		44
Манилов А. М., Масляник В. В. Дальнее резервирование действия релейной защиты и выключателя
линии и трансформаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .		46
Кузьмичева К. И., Подъячев В. Н. Защита генераторных цепей мощных энергоблоков от перенапря-
жений .	. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	48
Софинский А. В., Кучеренко В. И., Хуртов И. И., Багаев Д. В., Ильиных М. В., Сарин Л. И. Резистивное за-
земление нейтрали в сети собственных нужд Энгельсской ТЭЦ-3 Саратовэнерго . . . . . . . .		51
Головко С. И.,	Потапов П. Н. Защита от замыканий на землю кабельных линий 6 – 10 кВ в сетях с
компенсацией емкостных токов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .		56

ОБОРУДОВАНИЕ СТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ Ситас В. И., ϸøê À., Фаткуллин Р. М. Применение регулируемых гидромуфт для уменьшения расхода

электроэнергии на собственные нужды электростанций . . . . . . . . . . . . . . . . . .	. . . . 61
Ванин Б. В., Львов Ю. Н., Львов М. Ю., Неклепаев Б. Н. Показатели состояния изоляции для	оценки
возникновения внутренних коротких замыканий в силовых трансформаторах . . . . . . .	. . . 65

ЭНЕРГОХОЗЯЙСТВО ЗА РУБЕЖОМ
Макеева Е. Н., Котлер В. Р. Развитие технологий производства электроэнергии для устойчивого раз-
	вития мирового сообщества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .		70
Ольховский Г. Г. (К 70-летию со дня рождения) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .			75

ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Критерий взрываемости топливной пыли как основа классификации природного твердого топлива по пригодности его к хранению на открытых угольных складах

Толчинский Е. Н., êàíä. òåõí. íàóê, Лаврентьев А. Ю., èíæ.

Всероссийский теплотехнический институт

Нерегламентированное по времени поступление твердого топлива на электростанции, а также возможность длительных перерывов в его доставке вследствие природно-климатических, техниче- ских и социальных причин вызвали необходимость организации его запасов на открытых угольных складах, размещаемых, как правило, на промышленных площадках ТЭС.

Топливо при хранении на открытом угольном складе подвергается физико-химическим изменениям: увеличивается его влажность, уменьшается теплота сгорания в основном вследствие его самонагревания и самовозгорания.

Самонагревание твердого топлива представляет собой процесс, характеризующийся медленной скоростью протекания химической реакции окисления и равномерным нарастанием температуры угля. Если выделяющееся в ходе экзотермической реакции тепло полностью рассеивается в окружающую среду, то происходит низкотемпературное окисление угля, вследствие чего увеличивается его зольность, а температура угольного скопления при этом мало отличается от температуры окружающей среды. Нарушение баланса между приходом и расходом тепла приводит либо к охлаждению, либо к саморазогреванию скопления угля. При достижении критической температуры самонагревания увеличивается скорость реакции, приводящая к прогрессирующему росту температуры и к самовозгоранию. Самовозгорание, обусловленное природой угля, выполняет функцию теплового импульса, который способствует возникновению эндогенного пожара на поверхности или внутри штабеля топлива в условиях способности окружающей среды поддерживать горение.

Критическая температура не является константой угольного вещества и зависит как от его состава, так и от условий формирования очага, которые определяются его формой и размерами, а также притоком воздуха и теплообменом с окружающей средой. По данным [1], критическая температура

самонагревания колеблется от 403 К для бурых углей до 453 К для каменных углей; для антрацитов она превышает 573 К. После достижения в очаге температуры возгорания, которая на 130 – 170 К выше критической температуры самонагревания, наступает стадия горения.

Данные по нагреву топливной пыли в адиабатической печи показали, что пробы пыли битуминозного и суббитуминозного каменного угля при обдувании их слабым потоком увлажненного воздуха начинают самонагреваться в диапазоне температур 35 – 135°С, а образец пыли антрацита – при температуре 145°С [2]. Была выявлена также зависимость между температурой самонагревания tñí и содержанием кислорода в сухой беззольной массе топлива Î daf

tñí = 139,7 – 6,6 Î daf.

(1)

С коэффициентом корреляции 0,934 и средней относительной погрешностью 10,6% эта зависимость не противоречит экспериментальным данным для всех углей США от лигнита до антрацита.

Тепло, выделяемое при окислении угля, приводит к его самонагреванию и возгоранию только при наличии благоприятных внешних условий. Интенсивность тепловыделения в скоплении угля определяется химической активностью угля и его разогрев связан со способностью угольного скопления аккумулировать тепло, что зависит от характера теплообмена между скоплением угля и окружающей средой. Поэтому опасность самовозгорания, или иначе, эндогенная пожарная опасность, определяется как химической активностью угля, так и внешними условиями, способствующими постоянному притоку кислорода и накоплению тепла в угольном скоплении [3].

Первоначально самовозгорание угля объяснялось пиритной теорией, согласно которой непосредственным тепловым импульсом при возникновении эндогенных пожаров является тепло, выделяющееся при окислении содержащегося в угле

2

2003, ¹ 2

пирита (FеS2) кислородом воздуха. Экспериментально было установлено, что температура 1 т угля, содержащего 1% серы, может повыситься на 117°С вследствие взаимодействия пирита с растворенным в воде кислородом. Однако практика показала, что наличие пирита не является определяющим в процессе самовозгорания угля. Достаточно часто самовозгораются угли Кузнецкого бассейна с низким содержанием серы, в то же время угли Кизеловского и Подмосковного бассейнов довольно устойчивы при хранении в штабелях на открытых угольных складах, несмотря на почти в 10 раз большее содержание в них пирита [3].

Затем процесс самовозгорания углей стали объяснять фенольной теорией и теорией угольнокислородных комплексов, в основе которых лежат реакции окисления углерода кислородом, которые при полном сгорании (окислении) угля до диоксида углерода протекают с экзотермическим эффектом 405,46 Дж/моль [3].

Степень устойчивости угля к окислению легла в основу системы классификации углей по пригодности к хранению, первая попытка создания которой предпринята для углей Донецкого бассейна [4]. Устойчивость к окислению донецких углей оценивалась по снижению удельной теплоты сгорания при хранении топлива в опытных штабелях [4]. Метод, основанный на количественной оценке снижения удельной теплоты сгорания топлива при хранении его в опытных штабелях, а также необходимость их закладки и длительных системати- ческих наблюдений оказался весьма трудоемким и поэтому не нашел практического применения.

Способ классификации углей различных бассейнов и месторождений по группам устойчивости и рекомендации по оптимальным срокам их хранения в штабелях предложен в [5]. Этот способ, используемый в настоящее время, разработан путем обобщения опыта хранения углей различ- ных бассейнов и месторождений на ТЭС, промышленных предприятиях и на транспорте, а также с учетом результатов лабораторных исследований поведения топлива с использованием химиче- ских, физико-химических и физических методов. Данный способ, как и способ, изложенный в [4], предусматривает деление всех углей на четыре группы, что нашло свое отражение и в последнем варианте классификации углей по склонности их к окислению и самовозгоранию [6].

Метод оценки пригодности топлива к хранению по удельной интенсивности тепловыделения, определяемой лабораторным способом, предложен в [7]. Этот метод не требует систематического наблюдения за поведением топлива в опытных или эксплуатационных штабелях и характеризует поведение собственно топлива как вещества, а не интегральную характеристику с учетом условий его хранения. Как показано в [8], классификация твердого топлива по пригодности к хранению по

удельной интенсивности тепловыделения практи- чески совпадает с подходами, предложенными в [4, 5].

Âсоответствии с [6] все угли по склонности к окислению и самовозгоранию разделены на четыре группы. С возрастанием порядкового номера группы увеличивается склонность углей к самовозгоранию и повышается вероятность возникновения эндогенных пожаров, что определяет технологию укладки штабелей при хранении угля на открытых угольных складах.

Наиболее устойчивые к окислению и самовозгоранию при хранении угли относятся к первой группе; устойчивые к окислению и редко самовозгорающиеся – ко второй, а угли со средней и повышенной склонностью к окислению и самовозгоранию – соответственно к третьей и четвертой группам.

Âсоответствии с классификацией [6] склонность к окислению и самовозгоранию углей соотнесена с названием угольного бассейна или месторождения и его маркой, что предопределило основные недостатки этой классификации. В частности, классификация не может претендовать на универсальность по ряду обстоятельств: например, прекратилась добыча угля в связи с его выработкой на ряде месторождений, названия которых

âней фигурируют; появились новые месторождения, склонность к окислению и самовозгоранию углей которых еще не изучена и их названия не отражены в классификации.

Марка углей в этой системе классификации также не позволяет однозначно идентифицировать принадлежность тех или иных углей к соответствующей группе по склонности их к окислению и самовозгоранию. Например, газовые и длиннопламенные угли марок Г и Д, жирный каменный уголь марки Ж по склонности к окислению попадают во все четыре группы; коксовый уголь марки К попадает в первые три группы, а слабоспекающийся каменный уголь марки СС – во вторую и третью.

Приведенные примеры говорят об условности рассматриваемой классификации энергетического топлива по склонности к окислению и самовозгоранию при хранении в штабелях на открытых складах. Это связано с тем, что свойства углей, в том числе и склонность к окислению, могут широко изменяться как в пределах одного месторождения, так и в пределах марки.

Объективные недостатки существующей системы классификации углей по склонности к окислению и самовозгоранию при хранении обусловлены природой углей. Термином “уголь” охватывается широкий диапазон природных гетерогенных материалов – от черного хрупкого антрацита до коричневого волокнистого лигнита. Благодаря значительным изменениям, происходящим в процессе углефикации, угли, образованные из одинаковых смесей растительных составляющих, могут обладать совершенно разными свойствами, так

2003, ¹ 2

3

Kò
8
7
6
	IV
5
4
3
	III
2
1	II
	I
0
	A	T	OC	CC K Cланец Ж	ÇÁ	2Á	Ã	Ä	1Á	ÔÒ

А – антрацит; Т – тощий; ОС – отощенный спекающийся; СС – слабоспекающийся; К – коксовый; Ж – жирный; Г – газовый; Д – длиннопламенный; 3Б, 2Б, 1Б – бурый; ФТ – фрезерный торф

как они могут находиться в разных стадиях процесса углефикации. Альтернативно они могут находиться и на одинаковой стадии углефикации, но по своим свойствам быть совершенно разными, поскольку разными были их исходные составляющие [8].

Состав углеобразующих растений и условия их изменения определяют генетическую классификацию природного твердого топлива, а возможность использования угля как сырья для последующей переработки – промышленную. Промышленная классификация углей предусматривает разделение на марки и технологические группы, определяющее их основные и технологические свойства. По взаимному соглашению сторонников генетиче- ской и промышленной классификации для описания углей используется термин “марка”.

Попытка усовершенствования классификации энергетических углей по пригодности к хранению на открытых складах предложена в [9]. Суть этого предложения состоит в том, чтобы для отнесения конкретного угля к соответствующей группе по пожарной опасности использовать обобщенную характеристику группы. Для этого необходимо располагать классификационным критерием, по которому можно судить о групповой принадлеж-

Ò à á ë è ö à		1
Группа угля			Классификационный критерий
I			Êâ 13	ë 0,9	Â20c 40
II		13	< Êâ 30	0,7 < ë 0,9	40 < Â20c 130
III		30	< Êâ 47	0,5 < ë 0,7	130 < Â20c 250
IV			47 < Êâ	ë < 0,5	250 < Â20c

ности данного угля. В качестве таких обобщенных критериев, по мнению автора [9], могут быть использованы расчетные методы оценки взрывоопасных свойств пыли этого топлива, которые могут быть вычислены по данным элементного и технического состава топлива. К таким методам относятся расчет коэффициента взрывоопасности Êâ [10], топливного коэффициента ë [11] и индекса взрывоопасности B20ñ [12]

		Êâ = [(Vr + Sr )/(Cr + Wãè + Ar )]/100;					(2)
		ë = 2,37(H daf – O daf/8)/Cdaf;					(3)
B	ñ	Q daf (V daf K	1	)(1 0,01A d )(K	2	A d ),	(4)
	20	s

ãäå V r è S r – содержание летучих и серы в рабочей массе топлива, %; W ãè è Ar – соответственно гигроскопическая влажность и зольность в рабочей массе топлива, %; C r Ctr C ër – содержание угле-

рода в коксе, %; Ctr – содержание углерода в рабо- чей массе топлива, %; C ër – содержание углерода в

летучих на рабочую массу топлива, %; Cdaf, H daf è O daf – содержание углерода, водорода и кислорода

в летучих на сухую беззольную массу, %;

C daf = V daf – (H daf + O daf + N daf + S ëdaf ), %; V daf –

выход летучих, %; N daf è S ëdaf – содержание азота и серы в летучих в сухой беззольной массе, %; Qsdaf –

удельная теплота сгорания сухой беззольной массы топлива, ккал/кг; Ad – зольность на сухую масcу, %; K1 = 20% – минимальный выход летучих веществ, при котором уголь становится взрывоопасным; K2 = 60% — минимальная зольность, при которой пыль угля становится взрывобезопасной.

Для оценки потенциальной склонности к взрыву и степени взрывоопасности пыли данного топлива сегодня используется критерий взрываемости Êò, который рассчитывается по фактическим данным технического и элементного составов топлива [13]. Критерий взрываемости представляет собой отношение концентрации летучих сухой массы топлива V d к нижнему концентрационному пределу распространения пламени смеси горючих компонентов летучих с воздухом в присутствии

балласта (золы и кокса)			í	, ò.å.
			ë.á
K	ò	V d		í	.	(5)
				ë.á

Критерий взрываемости Kò свободен от недостатков изложенных ранее методик и является основой для оценки взрывоопасных свойств пыли твердого природного топлива. В зависимости от степени взрывоопасности топлива, что отслеживается значением критерия взрываемости, выбираются организационно-технические мероприятия, выполнение которых обеспечивает взрывобез-

4

2003, ¹ 2

Ò à á ë è ö à 2

					Группа угля
	Параметр
			I		II	III	IV
	Критерий взрываемости		Êò 1,0		1 < Êò 1,5	1,5 < Êò 3,5	Kò > 3,5
	Способ закладки штабеля угля			Послойное планирование
			Послойного уплотнения не требуется			Послойное уплотнение
	Толщина каждого слоя, м			1,5 – 2,0		Не более 1,5	Не более 1,0*
	Удельное давление на топливо, кгс /см2		–		–	3,0	4,0
	Срок хранения угля, год		6		4	3	2**
	Эксплуатационный контроль за состоя-		Не реже 2 раз в месяц			1 раз в неделю	3 раза в неделю
	нием штабеля

*Для бурых углей Березовского месторождения – не более 0,5 м.

**Бурые угли Канско-Ачинского месторождения – 1 год.

опасную эксплуатацию топливоподачи и пылеприготовительных установок [14]. По значению критерия взрываемости пыль всех видов природного твердого топлива по предрасположенности к взрыву разделена на четыре группы, с увеличением порядкового номера которой взрывоопасные свойства пыли возрастают (рисунок).

Результаты расчетов по [10 – 12] в своей основе довольно хорошо согласуются между собой и методом, приведенном в [13].

Так как расчетные методы [10 – 13] включают в себя показатели качества топлива, которыми определяются взрывоопасные свойства его пыли, то они могут быть использованы для оценки и пожарной опасности этого топлива. К сожалению, методы [10 – 12] в ряде случаев имеют расхождения между сопоставляемыми показателями из-за того, что каждый из методов оценки отражает отдельные особенности исследуемого топлива. (Более подробный анализ этих методик, их особенностей и недостатков изложен в [15].)

Поскольку каждый из методов, изложенных в [10 – 12], в отдельности не может выступить в ка- честве обобщающего классификационного критерия, то, во избежание случайных ошибок, в [9] предлагается оценивать пожароопасные свойства топлива путем анализа результатов вычисления по всем этим методам (òàáë. 1), что создает известные неудобства.

Так как критерий взрываемости Kò учитывает все основные характеристики топлива, которые наиболее полно определяют его предрасположенность к окислению и самовозгоранию, то он может быть использован и в качестве обобщенной характеристики распределения топлива по группам устойчивости к окислению и самовозгоранию. С увеличением порядкового номера группы, в которую попадает топливо, возрастает предрасположенность его к окислению и самовозгоранию, что увеличивает вероятность эндогенного пожара. В зависимости от групповой принадлежности топлива используются апробированные на практике

технология закладки штабелей для надежного хранения на открытых угольных складах и другие мероприятия по предотвращению и локализации возгорания штабелей (òàáë. 2).

Вывод

Âкачестве обобщающего показателя, по которому можно оценить предрасположенность данного топлива к окислению и самозгоранию, предлагается критерий взрываемости Êò, основанный на использовании всех показателей, характеризующих склонность топлива к возгоранию при хранении в штабелях на открытом угольном складе.

Âсоответствии со значением Êò достаточно

просто и надежно устанавливается группа пожароопасности данного топлива. Исключается необходимость при идентификации пожароопасных свойств топлива использования не предназначенных для этих целей названия бассейна, месторождения и марки, что не позволяет достаточно надежно определить групповую принадлежность данного топлива, а, следовательно, и достаточные для обеспечения пожаробезопасности мероприятия.

Оценка взрывоопасных свойств топлива и распределение его по группам пожароопасности в соответствии с Êò, в рамках которой предписываются мероприятия, апробированные многолетней практикой, повысят пожаробезопасность топлива при его хранении на открытых угольных складах.

Список литературы

1.Самовозгорание промышленных материалов / Веселовский В. С., Алексеева Н. Д., Виноградова Л. П. и др. М.: Наука, 1964.

2.Miron Y., Smith A. C., Lazzara C. P. Methods to predict the spontaneous combustion potential of coal. In: 9 th annual international Pittsburgh coal conference: coal – energy and the environment, Pittsburgh, PA, USA, 12 – 16 Okt. 1991.

3.Игишев В. Г. Борьба с самовозгоранием угля в шахтах. М.: Недра, 1987.

2003, ¹ 2

5