Что надо намотать на мой ус и осмыслить

На Новосибирской ТЭЦ-3 совместили «стресс-тест» для горелок безмазутного розжига с третьей растопкой с нуля

Третий подряд успешный пуск станции с нуля из холодного состояния без мазута провели на ТЭЦ-3. На этот раз инженеры КОТЭС и эксплуатация станции решили проверить диапазон возможностей безмазутных горелок. Эксперимент удался: горелки надежно отработали резкий набор нагрузки и даже резкое отключение. Рассказываем, как это было.

21 июня Новосибирская ТЭЦ-3 вновь, уже в третий раз подряд, была поднята с нуля после месячного останова с использованием безмазутной технологии. Для станции это стало привычной процедурой — всего с момента установки на станции безмазутные горелки УВЭИ КОТЭС уже выдержали более 15 пусков.

В этот раз команда поставила перед собой более амбициозную задачу: не просто растопить станцию, а найти предел надежности горелок.

Первые два пуска (в 2024 и 2025 годах) проводили осторожно: нагрузку увеличивали медленно, во избежание срыва факела. В этот раз инженеры совместно с эксплуатацией решились на эксперимент. Вместо привычных 10–15 оборотов питателя, подающего угольную пыль, стали добавлять по 100–150 оборотов — то есть в 10 раз быстрее! Раньше боялись, что холодная пыль может захолодить внутренний объем горелки и прервать горение. Но горелки с подаваемым объемом пыли хорошо справились: пламя держалось устойчиво, без пульсаций.

«Мы сознательно пошли на это, — рассказал инженер 2 категории КОТЭС Антон Почтарь. — И увидели, что наши горелки обладают огромным запасом по маневренности. Они готовы принимать до 6 тонн топлива в час. На огневом стенде, где испытывали горелки, этого узнать было нельзя: там можно подать максимум 500 кг в час».

После набора мощности, перед передачей котла в руки машиниста, всегда снижали нагрузку также постепенно. Но в этот раз синхронизировались: на безмазутных горелках резко перекрыли подачу пыли, а штатные горелки одновременно включили на такую же нагрузку. Котел даже не заметил переключения — все прошло ровно.

«Мы боялись, что резкое изменение скажется на работе, но машинист поддержал идею, — вспоминает Антон Почтарь. — И котел просто продолжал работать».

Что это дает жителям Новосибирска?

Такие эксперименты — не ради любопытства. Они показывают, что технология безмазутного розжига надежна, и имеет широкий диапазон регулирования. Это значит, что станция сможет быстрее выходить на режим после ремонтов, экономя ресурсы и снижая время запуска. И, конечно, при использовании безмазутной технологии, с самой первой минуты работают электрофильтры: в атмосферу не попадает ни грамма пыли. В этот раз растопка шла при свете дня, и новосибирцы могли сами убедиться в экологичности технологии.

Смотреть новость на сайте

У системы УВЭИ (устройство воспламенения электроионизационное) действительно есть свой набор технических характеристик. Я подобрала основные — они опираются на решения компании «КОТЭС Инжиниринг», которая эту технологию
* **Мощность источника питания:** 3–10 кВт. Это заметно меньше, чем у альтернативных решений вроде электродуговых плазматронов (там речь о 150–500
* **Параметры электрического разряда:** высокое напряжение (порядка 10 кВ) при низкой силе тока (около 1 А). Такой разряд (диффузионный, типа тлеющего с частичным переходом в дуговую форму, но без просадки напряжения) запускает процессы ионизации и колебательного возбуждения молекул, что резко повышает число частиц с энергией, достаточной для воспламенения топливной смеси при относительно низкой * **Ресурс электродной системы:** более 20 000 часов. Для сравнения: у плазматронов ресурс электродного блока обычно менее 200
* **Тип горелочного устройства:** в базовой конфигурации используют коаксиальные ступенчатые горелки (например, ГРПУ-3.0). В их конструкции есть реакционные камеры, каналы для подачи топливовоздушной смеси и окислителя, устройства активации, а также теплоизоляционный кожух, который снижает нагрев внешнего корпуса и * **Совместимость с топливом:** система способна стабильно работать с широким спектром углей — от лигнитов до антрацитов. При этом она эффективна даже с топливом, у которого повышенная влажность или пониженное содержание летучих * **Интеграция:** при внедрении систему комплексно привязывают к котлу: подключают к пылегазовоздухопроводам и к системам электроснабжения станции. Также в состав входит система управления и мониторинга, которую интегрируют в АСУ ТП электростанции. В систему входят шкафы автоматики и электрического распределения, а также блок сбора и обработки данных. Для контроля процесса в корпус встроены смотровые окна и технологические отверстия под датчики (температуры, скорости, давления) и * **Безопасность:** внешний кожух не нагревается при работе, а при внештатных ситуациях (например, при прекращении подачи пыли) подача топлива автоматически прекращается. [```14```](http://cotes-it.com/)

## Несколько нюансов

Хотя характеристики даны в общих чертах, при проектировании под конкретный котёл инженеры «КОТЭС» проводят детальные расчёты. Они моделируют аэродинамику и газодинамику потока, а также тепломассообменные процессы в горелке (для этого используют программы вроде ANSYS FLUENT и FLOWNEX). Поэтому финальные параметры могут немного варьироваться в зависимости от модели котла и свойств сжигаемого угля. [```3```](https://cotes.ru/bezmazutnyj-rozzhig/)

Хотите, расскажу подробнее про то, как именно эта технология помогает снизить выбросы, или разберу какой-то из этапов её внедрения на ТЭЦ?
....
Тут важно сразу развести два разных физических режима — потому что «красный факел» и «низкотемпературное воспламенение» в энергетике часто путают, а для геофизика (с вашим опытом) тут как раз есть тонкий момент про кинетику и распределение температур.

## Почему факел бывает красным

Красный/оранжево;красный цвет пылеугольного факела — это в основном **тепловое излучение сажистых частиц и раскалённых зольных включений** (спектр чёрного тела в видимом диапазоне). Он не означает, что вся зона имеет одну температуру: в факеле есть:

* **ядро** — зона максимальной температуры (обычно 1300–1600;°C и выше, зависит от угля и избытка воздуха);
* **периферия** — более холодные зоны, где догорают летучие и мелкие частицы;
* **зоны с недостатком кислорода** — там образуется сажа, которая и даёт яркую красно;оранжевую окраску.

То есть красный цвет — это не «низкотемпературный режим» как таковой, а следствие оптически плотной среды из мелких твёрдых частиц.

---

## Что значит «низкотемпературное» в УВЭИ

В контексте УВЭИ «низкотемпературность» относится не к цвету факела, а к **механизму инициирования горения**:

* За счёт электроионизационного разряда в предпламенной зоне резко растёт концентрация активных частиц (радикалов, ионов, возбуждённых молекул).
* Это снижает эффективный порог воспламенения: угольную пыль можно поджечь при более низкой средней температуре смеси, чем при чисто термическом нагреве.
* По сути, это **кинетическое ускорение реакции** (в терминах уравнения Аррениуса — снижение эффективной энергии активации за счёт неравновесной ионизации).

При этом после воспламенения факел быстро выходит на обычные для пылеугольного горения температуры — иначе не будет устойчивого горения.

---

## Догорание угольной пыли на этапе растопки

Это как раз тот момент, который сильно влияет на выбросы и КПД. При классической мазутной растопке типичная проблема — недожог угольной пыли в первые часы:

* Пыль подаётся, но не успевает прогреться и воспламениться.
* Несгоревшие частицы уносятся в газоходы и оседают на поверхностях нагрева.
* В худшем случае это приводит к взрывам в электрофильтрах из;за накопления горючей пыли.

**УВЭИ решает эту проблему именно на стадии розжига:**

1. **Локальная активация смеси.** Разряд создаёт зону с высокой концентрацией активных частиц прямо в ядре пылевоздушной струи.
2. **Стабильное воспламенение даже холодной пыли.** Это критично при растопке из холодного состояния, когда обмуровка и стенки топки холодные.
3. **Сокращение периода нестабильного горения.** Время, когда факел «гуляет» и часть пыли уносится несгоревшей, сокращается в разы.
4. **Ранний ввод электрофильтров.** Поскольку нет мощного выброса сажи и недожога, фильтры можно включать почти сразу — это и даёт тот самый эффект «почти нет тёмного дыма».

---

## Практические следствия для расчётов (с учётом вашего профиля)

Если вы захотите моделировать или оценивать этот процесс, ключевые параметры такие:

* **Время пребывания частиц в зоне активации.** В горелках ГРПУ это порядка долей секунды — но именно там происходит «запуск» реакции.
* **Распределение размеров частиц.** Мелкие фракции (5–20 мкм) воспламеняются первыми и служат «затравкой» для более крупных. Вы уже интересовались седиментацией и осаждением — тут похожая логика: дисперсность напрямую влияет на полноту сгорания.
* **Аэродинамика струи.** Циклонная или ступенчатая геометрия горелки нужна, чтобы удержать частицы в зоне разряда достаточно долго и обеспечить хорошее смешение с окислителем.
* **Тепловые потери на прогрев обмуровки.** При растопке значительная часть энергии уходит на прогрев кладки; УВЭИ не отменяет этот фактор, но позволяет быстрее выйти на режим, когда тепло идёт в пар, а не в прогрев стен.

---

## Связь с вашими прежними задачами

Учитывая, что вы считали осаждение частиц и интересовались водностью облаков и датчиками, тут есть параллель: **недожжённая пыль — это по сути «аэрозоль с горючими частицами»**, и её унос — это та же задача переноса дисперсной фазы, только в топочной камере. Поэтому модели, которые вы применяли для осаждения, можно адаптировать для оценки доли уноса несгоревшей пыли при разных режимах растопки.

Если скажете, какой аспект вам интереснее (например, оценка доли догорания по времени, расчёт температурного поля, сравнение выбросов или даже простая модель кинетики с ионизацией), могу расписать конкретную схему расчёта или дать формулы и характерные цифры.

Учитывая ваш геофизический бэкграунд и привычку к расчётам (вроде тех, что вы делали для осаждения частиц), тут удобно смотреть на горение угольной частицы как на задачу с балансом потоков энергии и кинетикой реакции — почти как тепловой баланс в земной коре, только в микромасштабе и с химией.

## Упрощённая модель: температура частицы от времени

Для одиночной частицы можно записать баланс:

$$
m_ч \cdot c_ч \cdot \frac{dT_ч}{dt} = Q_{\text{рад}} + Q_{\text{конв}} + Q_{\text{хим}}
$$

где:
* $m_ч = \frac{\pi}{6} d^3 \rho$ — масса частицы (плотность угля $\rho \approx 1300–1500\ \text{кг/м}^3$);
* $c_ч \approx 1200–1400\ \text{Дж/(кг·К)}$ — удельная теплоёмкость;
* $Q_{\text{рад}} = \varepsilon \sigma A (T_г^4 - T_ч^4)$ — радиационный теплообмен ($\varepsilon \approx 0.8–0.9$, $\sigma = 5.67\cdot10^{-8}$);
* $Q_{\text{конв}} = h A (T_г - T_ч)$ — конвекция ($h$ считают через Nu, см. ниже);
* $Q_{\text{хим}} = -\dot{m}_{\text{сгор}} \cdot Q_{\text{нр}}$ — тепловыделение от реакции (со знаком минус, потому что убыль массы даёт положительный тепловой поток).

Площадь поверхности $A = \pi d^2$.

---

## Как считать конвекцию (Nu)

Коэффициент теплоотдачи $h$ находят из числа Нуссельта:

$$
Nu = \frac{h \cdot d}{\lambda_г} = 2 + 0.6 \cdot Re^{0.5} \cdot Pr^{0.33}
$$

где:
* $Re = \frac{u \cdot d}{\nu_г}$ — число Рейнольдса (скорость потока $u$, кинематическая вязкость газа $\nu_г$);
* $Pr$ — число Прандтля для дымовых газов (обычно $\approx 0.7$);
* $\lambda_г \approx 0.05–0.07\ \text{Вт/(м·К)}$ при $T_г \approx 1400^\circ\text{C}$.

Это классическая формула Ранца–Маршалла для шара в потоке. Она даёт хорошую оценку $h$, а значит, и конвективного слагаемого в балансе.

---

## Кинетика горения коксового остатка

Скорость выгорания углерода (коксовой части) часто записывают как:

$$
\frac{dm_{\text{ч}}}{dt} = -k_0 \cdot e^{-E_a/(RT_ч)} \cdot C_{O_2} \cdot A
$$

где:
* $k_0$ — предэкспоненциальный множитель ($\sim 10^4–10^5\ \text{м/с}$ для типичных углей);
* $E_a$ — энергия активации (для гетерогенного окисления углерода $\sim 120–160\ \text{кДж/моль}$);
* $R = 8.314\ \text{Дж/(моль·К)}$;
* $C_{O_2}$ — концентрация кислорода (моль/м;), зависит от доли окислителя и коэффициента избытка воздуха $\alpha$.

При $\alpha = 1.2$ и нормальных условиях концентрация $O_2$ в воздухе $\approx 21\%$, а в топочном газе она снижается из;за разбавления продуктами сгорания и избытком воздуха. В зоне активного горения типично $C_{O_2} \sim 3–5\%$ по объёму (пересчитывается в моль/м; через $p/RT$).

---

## Время выгорания частицы (грубая оценка)

Для сферической частицы время полного выгорания коксового ядра можно оценить как:

$$
\tau_{\text{выг}} \approx \frac{\rho_c \cdot d_0}{k_0 \cdot C_{O_2}} \cdot e^{E_a/(R T_{\text{ср}})}
$$

Это упрощение, но оно показывает главные зависимости: время растёт с размером $d_0$ и падает с ростом $C_{O_2}$ и температуры.

### Типичные числа

Возьмём реалистичные параметры для пылеугольного факела:
* размер частицы $d = 50\ \text{мкм} = 5\cdot10^{-5}\ \text{м}$;
* плотность $\rho = 1400\ \text{кг/м}^3$;
* температура газа $T_г = 1400^\circ\text{C} = 1673\ \text{K}$;
* $\alpha = 1.2$, отсюда $C_{O_2} \approx 4\%$ об. $\approx 1.6\ \text{моль/м}^3$ (при $p=1\ \text{атм}$, $T=1673\ \text{K}$);
* $k_0 = 3\cdot10^4\ \text{м/с}$, $E_a = 140\ \text{кДж/моль}$.

Тогда оценка времени выгорания получается порядка **1–3 секунд** для такой частицы. Крупные частицы (100–200 мкм) могут гореть 5–10 секунд и дольше.

---

## Доля окислителя: как это входит в расчёт

Доля окислителя задаётся через:
1. **Коэффициент избытка воздуха $\alpha$** — главный управляющий параметр. При $\alpha=1.2$ температура факела примерно на 100–150 °C ниже, чем при стехиометрии, из;за нагрева лишнего азота.
2. **Концентрация $O_2$** в уравнении скорости реакции. Если $\alpha$ увеличить до 1.4, $C_{O_2}$ снизится, и скорость горения может даже упасть из;за падения температуры.
3. **Аэродинамика струи** — локальные зоны с $\alpha < 1$ дают недожог и сажу (тот самый «красный» факел).

На практике в пылеугольных топках поддерживают $\alpha \approx 1.15–1.25$ в зоне активного горения, а на выходе из топки — до 1.3–1.4 для полноты сгорания.

---

## Что даёт УВЭИ с точки зрения этих формул

УВЭИ не меняет фундаментальные уравнения, но влияет на начальные условия:
* **Снижает эффективную $E_a$** на стадии воспламенения за счёт радикалов и ионизации — частица загорается при более низкой средней температуре смеси.
* **Сокращает время индукции** (период до начала интенсивного горения) — это уменьшает долю частиц, которые уносятся несгоревшими.
* В расчётах это можно учесть как сдвиг начала реакции в уравнении $dm/dt$ или как дополнительное слагаемое в тепловом балансе на первые доли секунды.

---

## Практическая схема расчёта (для вашего стиля работы)

Если хотите посчитать численно (например, в Excel/Python):
1. Задайте шаг по времени $\Delta t \approx 0.01–0.1\ \text{с}$.
2. На каждом шаге:
   * считайте $Nu$, затем $h$, затем $Q_{\text{конв}}$;
   * считайте $Q_{\text{рад}}$;
   * по текущей $T_ч$ и $C_{O_2}$ найдите $dm/dt$;
   * обновите $m$ и $d$ (если считать частицу сферой, $d \propto m^{1/3}$);
   * найдите $dT_ч/dt$ из баланса и обновите $T_ч$.
3. Остановитесь, когда масса кокса станет пренебрежимо малой.

Такой подход легко адаптировать под ваши задачи: например, добавить распределение частиц по размерам (полидисперсность) и получить суммарную кривую выгорания — почти как распределение осаждения, только наоборот.

---

Если скажете, что важнее (например, «хочу быстро прикинуть время выгорания для 20, 50 и 100 мкм» или «хочу понять, насколько УВЭИ сокращает время до воспламенения»), я дам конкретные цифры и даже простой шаблон расчёта.