Иркутск по численности населения занимает двадцать третье место в России, а снабжающая его энергией Ново-Иркутская ТЭЦ расположилась на той же строчке в перечне крупнейших по тепловой мощности станций страны. В Сибири она входит уже в тройку лидеров. Кто-то вспомнит, что станция – единственный источник централизованного теплоснабжения города с населением 623 тысячи человек – отличается значительным коэффициентом использования установленной мощности – более 70%. А специалисты заметят, что среди прочих агрегатов в столь же высокой степени загружен котёл БКЗ-820, носящий восьмой станционный номер. Эта установка – единственная в своём роде. Она – самый крупный котлоагрегат барабанного типа в стране и единственный в практике мирового энергомашиностроения котёл с уникальной кольцевой топкой.

КАТЭКу нужна мощность

– Его строительство в конце семидесятых было определено программой Государственного комитета СССР по науке и технике на 1981–1985 годы по созданию малогабаритных котлов большой мощности, – рассказывает инженер по подготовке кадров Ново-Иркутской ТЭЦ Валерий Сеннов, раньше возглавлявший на станции производственно-технический отдел, а ныне занимающийся организацией и проведением практических занятий со студентами Иркутского энергетического колледжа. – Она, в свою очередь, была связана с разработкой Канско-Ачинского угольного бассейна и развитием КАТЭКа – Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса. Была поставлена задача: создать малогабаритные котлы, способные сжигать низкосортные шлакующие сорта топлива – берёзовский, ирша-бородинский, ирбейский угли.

Топливная часть программы развития КАТЭКа, которую Государственный комитет по топливной промышленности при Госплане СССР утвердил в 1964 году, предполагала создание в Красноярском крае, Иркутской и Кемеровской областях 52 угольных разрезов. Ежегодный объём добычи на них, как ожидалось, должен был достигать 1 млрд тонн. Часть сырья – бурого угля – должна была использоваться в качестве топлива для новых угольных электростанций, которые, в свою очередь, обеспечивали бы энергией промышленные производства, создаваемые в рамках Канско-Ачинского комплекса.

Полвека назад специалисты Томского отделения научно-исследовательского института «Теплоэлектропроект» подсчитали, что ресурсы только трёх месторождений – Берёзовского, Итатского и Назаровского – позволили бы построить десяток ГРЭС, каждая из которых немногим бы уступала по мощности легендарной Братской ГЭС – 4 ГВт. Впоследствии план пересмотрели в пользу восьми конденсационных станций по 6,4 ГВт каждая. Огромную мощность должны были обеспечить восемь энергоблоков мощностью 800 МВт. Для них и было решено разработать малогабаритные котлы.

Вопрос управления

Свои идеи выдвинули несколько организаций. Среди них было хозрасчётное предприятие «Сибтехэнерго» из Новосибирска. Подразделение производственного объединения «Союзтехэнерго» предложило создать котёл с кольцевой топкой. «Это предложение было основано на результатах многих исследований, в том числе проведённых в лаборатории моделирования «Сибтехэнерго», – пишет заместитель генерального директора, директор по новым технологиям ООО «ЗиО-КОТЭС» Феликс Серант в материалах, посвящённых эксплуатации агрегата. – В них было показано, что при организации сильнозакрученного вихревого течения в приосевой зоне тангенциальной топки создаётся большая малопроточная область, которая может быть использована для установки дополнительной поверхности нагрева». Феликс Анатольевич вместе с бывшим сотрудником Ново-Иркутской ТЭЦ Владимиром Полосковым является автором патента на способ работы котлов с кольцевой топкой. А в 1999 году он защитил докторскую диссертацию по конструированию крупных энергоблоков тепловых электростанций на базе таких агрегатов.

Ещё раньше, в восьмидесятых, опытно-промышленные малогабаритные котлы было решено разместить на одной из станций Новосибирска, Усть-Илимской и Ново-Иркутской ТЭЦ. В настоящее время подобную установку эксплуатируют только на последней из них. Её – котёл Е-820-140-1С производительностью 820 тонн пара в час и давлением 13,8 МПа с температурой пара на выходе 560 градусов – тридцать с небольшим лет назад изготовило производственное объединение «Сибэнергомаш» из Барнаула. На Ново-Иркутскую ТЭЦ оборудование начало поступать во второй половине восьмидесятых. «Вопрос о том, чтобы его установить, поднимали ещё в то время, когда мы монтировали шестой и седьмой котлы, – вспоминает Сеннов. – Станция строилась, развивалась, главный корпус был рассчитан на восемь агрегатов. Котёл Е-820 попал в план Министерства энергетики и электрификации СССР. Но поначалу некоторые наши руководители отказывались от его установки – мне на глаза попадалась записка в главк о том, что Ново-Иркутская ТЭЦ значительно загружена по теплу и нам нужен стандартный агрегат, который будет надёжно выдавать пар. Однако управляющий РЭУ «Иркутскэнерго» Борис Варнавский настоял на том, чтобы котёл установили на станции».

Путь от принципиального решения до его исполнения занял не один год – экономическая обстановка в стране ухудшилась настолько, что стало не до масштабных проектов. К тому же упадок промышленного производства сделал нецелесообразным увеличение мощности станции, пусть и оставшейся после отказа от строительства ТЭЦ-8 единственным источником централизованного теплоснабжения для бытовых и промышленных потребителей Иркутска. Монтировать котёл, части которого хранились на открытом воздухе, начали только в 1994 году. «Локомотивом», как и раньше, стал руководитель: директор Ново-Иркутской ТЭЦ Олег Будилов, занявший этот пост в 1992 году, выступил за то, чтобы расширить станцию за счёт новой установки. Высокая квалификация и большой практический опыт позволили ему принять единственно правильное, как показало будущее, решение.

Монтажные работы заняли несколько лет, и в 1998 году состоялся первый пуск котлоагрегата. «Я даже горжусь тем, что мне доверили поднести факел и первым разжечь его горелку, – говорит наш собеседник. – Хотя машинистом я никогда не был – из наладчиков перешёл в руководители котельного цеха, а потом возглавил производственно-технический отдел. Но главный ижненер Виталий Филиппов, руководивший первой растопкой котла, почему-то именно мне сказал: «Ну что, Сеннов, ты долго этим котлом занимался. Разжигай». Агрегат, заработавший в год дефолта, поначалу не включили в паровой баланс станции – опытный образец нуждался в «обкатке». В промышленную эксплуатацию его ввели в 2003 году, выполнив наладочные и доводочные работы, а также проведя испытания во всём диапазоне нагрузок.

Больше экранов, меньше температуры

Конструкция, как показала дальнейшая работа, оказалась весьма удачной. Ключевое её отличие от традиционных котлов – кольцевая топка, которая представляет собой вертикальную камеру с восемью, а не четырьмя гранями. Внутри неё по всей высоте и по той же оси установлена восьмигранная вставка меньшего сечения. Стены внутренней и наружной камер выполнены из экранных панелей – труб, в которых образуется пароводяная смесь. Для формирования факела, который вращается в кольце между внутренним и наружным экранами, на каждой из граней располагаются горелки. На агрегате Ново-Иркутской ТЭЦ, правда, их не восемь, а шесть, так как опытную машину пришлось монтировать в уже построенном производственном корпусе.

Котёл с кольцевой топкой, к слову, на 30% ниже традиционного аналога, что при возведении новой станции позволяет сократить затраты на строительство здания. Дешевле обходятся также изготовление и монтаж самого агрегата , поскольку он отличается меньшей массой поверхностей нагрева, работающих под давлением. Снижение температуры факела за счёт того, что изменены условия теплообмена, позволяет эксплуатировать котёл в бесшлаковочном режиме. Тот шлак, который всё-таки образуется, без проблем смывается водой. «Мы года три работали, не имея никаких обдувочных аппаратов, – говорит Сеннов. – Их не установили, но они, в принципе, и не были нужны. Те обдувочные аппараты, которые потом были смонтированы для обдувки поверхностей нагрева пароперегревателя, мы так ни разу не запустили и в итоге демонтировали».

Поскольку поверхности нагрева котла практически не шлакуются и обогреваются равномерно, он работает более надёжно по сравнению с традиционными агрегатами. «Восьмой агрегат мы растапливаем где-то в ноябре, когда тепловые нагрузки уже приличные, и он работает до мая без остановок», – отмечает Сеннов. Максимальная наработка в отопительный сезон превышает 4000 часов. А достигнутый одной из недавних зим срок непрерывной работы на отказ тянет на рекорд – 3600 часов. Коэффициент полезного действия котла, в свою очередь, значительно превышает расчётный показатель и составляет около 93%. Это сравнимо с КПД обычных котлов, но с точки зрения экологической эффективности агрегат с кольцевой топкой значительно их превосходит. Пониженная температура факела способствует сокращению в полтора-два раза выбросов оксидов азота – газов, которые вносят существенный вклад в парниковый эффект.

«Способ работы прост»

Пониженное в сравнении с традиционными аналогами воздействие на окружающую среду – плод не только удачных технических решений, но и способа эксплуатации котла, который запатентовали в «Иркутскэнерго». Он заключается в том, чтобы подавать топливовоздушную смесь и вторичный воздух в нижнюю часть топки через горелки и дополнительные воздушные сопла в направлении вихревого факела, а третичный воздух – через сопла в верхней части топки во встречном направлении. Образующиеся при сгорании смеси топочные газы, поднимаясь вверх по спирали, отдают тепло внешним и внутренним экранам. На Ново-Иркутской ТЭЦ пришли к тому, чтобы при работе котла с нагрузкой от 80% до 100% номинально подавать на 15–20% больше воздуха, чем это необходимо теоретически. Через горелки при этом подают 70–90% всего воздуха, а оставшуюся его часть распределяют между соплами вторичного и третичного воздуха в соотношении один к трём. Если котёл нагружен менее 80% от номинала, то одну или две горелки из шести отключают, но воздух на них подают в том же объёме.

При образовании шлака на поверхностях нагрева режим работы котла меняют. Если при нагрузке, близкой к номинальной, происходит шлакование внутренних экранов, то в горелках прекращается подача вторичного воздуха через боковые сопла. Когда шлак образуется на внешних экранах, его расход увеличивают до максимума. Выработанный на Ново-Иркутской ТЭЦ способ эксплуатации котла с кольцевой топкой, во-первых, позволяет повысить надёжность его работы. Во-вторых, возрастает полнота сгорания топлива, что ведёт к сокращению эмиссии оксидов азота. «Способ работы котла с кольцевой топкой на разных режимах прост в эксплуатации и может найти применение на действующих и строящихся ТЭС», – сказано в описании патента, зарегистрированного в качестве интеллектуальной собственности «Иркутскэнерго».

Справедливость этого тезиса подтверждают, к примеру, итоги седьмой Всероссийской конференции «Реконструкция энергетики – 2015». На ней представители федерального Минэнерго и ведущих отраслевых институтов пришли к однозначному решению: котлы с кольцевой топкой нужно устанавливать на новых тепловых электростанциях России. Один из объектов, где их рекомендовали использовать, – перспективная Ерковецкая ТЭЦ в Амурской области мощностью 5–8 ГВт, которую планируют построить для экспорта электроэнергии в Китай.