Моделирование топочной среды при переводе пылеугольных котлов с твердым шлакоудалением на непроектное топливо

Гиль, Андрей Владимирович

Моделирование топочной среды при переводе пылеугольных котлов с твердым шлакоудалением на непроектное топливо тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Гиль, Андрей Владимирович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2008 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Моделирование топочной среды при переводе пылеугольных котлов с твердым шлакоудалением на непроектное топливо»

Автореферат диссертации на тему "Моделирование топочной среды при переводе пылеугольных котлов с твердым шлакоудалением на непроектное топливо"

□□3454432

На правах рукописи

Гиль Андрей Владимирович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОПОЧНОЙ СРЕДЫ ПРИ ПЕРЕВОДЕ ПЫЛЕУГОЛЬНЫХ КОТЛОВ С ТВЕРДЫМ ШЛАКОУДАЛЕНИЕМ НА НЕПРОЕКТНОЕ ТОПЛИВО

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ЦЕНЯ®

Томск - 2008

003454432

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Томский политехнический университет"

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Старченко А.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Пузырев Е.М

доктор технических наук, профессор

Лебедев В.М.

Ведущая организация:

Институт теплофизики им С.С. Кутателадзе СО РАН (г Новосибирск)

Защита диссертации состоится «23» декабря 2008 года в 16 00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДС 212.025.01 в Томском политехническом университете по адресу: 634050, г. Томск, пр Ленина, 2, корпус 10, ауд. 228.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической Библиотеке ГОУ ВПО "Томский политехнический университет"

Автореферат разослан «Л /» ноября 2008 г

Ученый секретарь ^--—

диссертационного co^etíi Долматов О.Ю. к ф.-м н. ( .____

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В условиях резкою изменения ценовой политики продаж нефти н природного газа в развитых странах интерес к использованию твердого топлива как к основному мировому энергоносителю продолжает неуклонно повышаться. В России с окончанием «газовой паузы» и наметившимися тенденциями перехода к более глубокой переработке нефти увеличивается доля потребления угля в теплоэнергетике. Поэтому вопрос о развитии новых энергоэффективных технологий сжигания углей в «большой» и «малой» энергетике является актуальным.

Однако повышение спроса на твердое топливо сопровождается необходимостью решения задачи об использовании на ТЭС непроектных марок углей Это связано с тем, что по действующим нормам проектирования и строительства ТЭС располагаются вблизи угольных месторождений и рассчитываются на использование определенных углей (обычно одной марки) с учетом их запасов и теплотехнических свойств. Эксплуатационный срок службы энергетического оборудования составляет около 100000 ч, то есть приблизительно 12 лет, однако на практике при действующей системе капитальных ремонтов большинство электростанций России работает более 30 лет. Иногда в течение этого срока происходит исчерпание запасов проектного угля или изменение его теплотехнических характеристик

В качестве иримера можно у казать проблему перевода Омских ТЭЦ-4 и 5 на сжигание непроектных топлив, поскольку зольность базового экибастузского угля, поступающего на ТЭС России, в последние годы достигает 50 %, что приводит к превышению ПДВ и ПДК твердых частиц в окружающей среде. При этом на Омской ТЭЦ-4 золоотвал переполнен, а на Омской ТЭЦ-5 требуются огромные инвестиции для поддержания его в работоспособном состоянии.

Современный уровень развития математического моделирования физических процессов и специального программного обеспечения позволяет решать задачи теплоэнергетики менее затратным путем численного исследования, преимущества которого наиболее очевидны при необходимости отбора технических решений при конструкторской проработке нескольких вариантов.

Актуальность темы диссертации определяется ее соответствием современным тенденциям в развитии топливно-энергетического комплекса России, а именно внедрением новых технологий, связанных с использованием на ГЭС непроектных марок углей, для увеличения доли угольного топлива при выработке электрической и тепловой энергии.

Работа выполнялась в соответствии с основными направлениями научной деятельности Томского политехнического университета

(«Разработка методов и средств повышения надежности и эффективности эксплуатации энергетических объектов», «Развитие теоретических основ и разработка технологий производства энергии и энергоресурсосбережения в различных отраслях») Также исследования выполнялись при поддержке федеральной целевой программы № 360303601 «Разработка методов расчета динамики, горения и теплообмена в полидисперсных гетерогенных потоках» Целью диссертационного исследования является разработка и апробация технологии проведения предпроектного анализа конструкторских решений по модернизации пылеугольных топочных камер котельных агрегатов БКЗ-420-140 при замещении базового топлива непроектным с использованием численного моделирования на основе пакета прикладных программ FIRE 3D.

Основные задачи исследования:

• усовершенствование пакета прикладных программ FIRE 3D для учета выхода влаги из угольных частиц с целью обеспечения более качественного анализа протекания сложных аэротермохимических процессов в топочном объеме,

• проведение тестирования пакета FIRE 3D по известным экспериментальным данным для пылеугольных топок котлов, сжигающих близкие по составу и теплофизическим свойствами угли,

• разработка различных схем организации факельного сжигания замещающих углей в топке котла БКЗ-420-140;

• проведение вычислительного эксперимента, позволяющего оценить влияние конструкции исследуемой топки, типа и компоновки горелочных устройств, режимных параметров, условий ввода аэросмеси и воздуха на аэродинамические и тепловые характеристики топочного устройства;

• выявление наиболее перспективных конструкторских решений при различных схемах факельного сжигания непроектных топлив в топке котла БКЗ-420-140

Научная новизна полученных результатов:

• впервые для топки с твердым шлакоудалением выполнены полномасштабные исследования процессов аэродинамики, теплообмена и горения при замещении базового топлива непроектными углями;

• выполнена модернизация пакета прикладных программ FIRE 3D, связанная с учетом выхода влаги из пылеугольного топлива в процессе его сжигания,

• разработана технология применения методов математического моделирования и специализированных вычислительных пакетов для

предпросктной проработки конструктивных изменений топок котлов, переводимых на неприемное топливо.

Практическая значимость работы:

• полученные результаты исследования и модернизированная методика численного анализа могут применяться при проектировании и реконструкции котельных агрегатов на различных видах твердого топлива;

• результаты исследования топочных процессов в топке котла БКЗ-420-140 используются на Омской ТЭЦ-4 для достижения оптимальных условий теплообмена и горения в топке, а так же при анализе эффективности сжигания непроектных топлив;

• методика исследования используется в учебном процессе по специальности 140502 «котло- и реакторостроение» в Томском политехническом университете (включена в лекционный курс и лабораторный практикум по дисциплине «Методы защиты окружаюшей среды», в тематику выпускных квалификационных работ и учебно-исследовательской работы студентов)

Достоверность результатов обеспечивается применением апробированных математических моделей и надежных методов вычислений, согласованием расчетов с экспериментальными данными других авторов, а также с результатами, полученными по нормативному методу теплового расчета

На защиту выносятся:

• постановка задачи численного моделирования аэродинамики, теплообмена и горения при сжигании углей в пылеугольной топке котла БКЗ-420-140 с использованием специального прикладного пакета FIRE 3D,

• результаты тестирования усовершенствованного пакета FIRE 3D на экспериментальных данных сжигания лылеугольного топлива;

• предложенные схемы организации сжигания замещающих проектное топливо углей в топке котлоагрегага БКЗ-420-140,

• результаты математического моделирования сложных физических процессов во всем объеме топочной камеры котла БКЗ-420-140 Омской ТЭЦ-4 при использовании непроектного топлива и изменения схемы и условий выгорания топливно-воздушной смеси. Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации

докладывались на VI Всероссийском совещании «Энергоэффективность, энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России» (г. Томск, 2005 г.), 3-й Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии» (г. Томск, 2006 г), XII Всероссийской научно-технической конференции

«Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, 2006 г.), VI Всероссийской конференции «Горение твердого топлива» (г Новосибирск, 2006 г ), IV научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов» (г. Челябинск, 2007 г), VIII Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (г Новосибирск, 2007 г.), XIV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2008 г.)

Публикации. По теме диссертационного исследования автором опубликовано 11 работ, в том числе 1 статья в рецензируемом издании из списка ВАК РФ

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы (106 наименований) Работа содержит 171 страницу, 9 таблиц и 48 рисунков.

Личное участие автора. Автор непосредственно участвовал в постановке задач, усовершенствовании пакета прикладных программ FIRE 3D, в разработке схем и условий сжигания заметающих углей в топке котла БКЗ-420-140, анализе и обобщении результатов

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается анализ современного состояния российской энергетики в аспекте темы диссертационной работы и подчеркивается актуальность проблемы замещения проектных топлив на ТЭС страны, и, в частности, на Омской ТЭЦ-4. Обосновывается выбранная методика проведения исследований.

В первой главе представлены основные тенденции, связанные с замещением проектных топлив. Это и высокие цены на нефтепродукты, повышение цен на природный газ и в перспективе сокращение объемов его добычи, что приведет к завышению цен на газ и снижению поставок на внутреннем рынке, поскольку необходимо выполнять экспортные поставки газа. Кроме того, монополизация рынка угля и ухудшение качества отгружаемой с разрезов продукции заставляют руководство ТЭС искать другое угольное топливо в замен проектного

Подробно рассмотрено состояние угольной промышленности, поскольку в перспективе развитие топливно-энергетического комплекса России связывают с повышением потребления угля. На основе компонентного состава и теплофизических свойств, а также по оценке запасов отечественных углей в качестве замещающих экибастузский уголь на Омской ТЭЦ-4 предложены каменный кузнецкий уголь марки Д и бурый ирша-бородинский марки 2Б

Представлен обзор проведенных исследований, связанных с проблемой перехода на непроектное топливо, как на основе экспериментального подхода, так и на основе применения пакетов прикладных программ Из обзора следует, что зачастую при замещении базового топлива кроме топлива изменяется конструкция топки котла и условия эксплуатации оборудования, при этом крупномасштабные изменения в конструкции требуют значительного количества материальных затрат, привлечения большого числа специалистов, вывода котельных агрегатов из работы на длительные сроки, и при всем при этом гарантировать надежную и эффективную работу котла после реконструкции невозможно Проведение вычислительных экспериментов с использованием специализированных пакетов для предпроектной проработки реконструкции котельного агрегата при замещении топлив и решении других проблем позволяет уже на ранней стадии отказаться от вариантов, не соответствующих требованиям надежной, эффективной и экологически чистой работы котла. При этом затраты на проведение численного исследования гораздо меньше, сроки проведения исследований минимальны по отношению к экспериментальным и теоретическим методам.

Во второй главе описывается физико-математическая постановка задачи, в которой рассматривается объект исследования - котельный агрегат БКЗ-420-140 Омской ТЭЦ-4 и теплофизические свойства проектного и замещающих углей (таблица 1).

Таблица 1 - Основные характеристики проектного и замещающих углей

Параметры углей Экибастуз ский 1СС Кузнецкий Д Ирша- Бородинский 2Б

Влажность V/ \, % 6,5 11,5 33

Зольность Аг , % 36,9 15,9 7,4

Содержание серы , % 0,7 0,4 0,2

Содержание углерода Сг, % 44,8 56,4 42.6

Содержание водорода Нг, % 3 4 3

Содержание азота /V , % 0,8 1,9 0,6

Содержание кислорода Ог, % 7,3 9,9 13,2

Низшая теплота сгорания , МДж/кг 17,38 21,9 15,28

Выход летучих У^1 , % 25 40,5 47

Для построения адекватной математической модели аэродинамики, горения и теплообмена в топках, сжигающих пылеугольное топливо, в данной работе используется метод, совмещающий Эйлеров и Лагранжев подходы для описания движения газа и взвешенных частиц. Согласно этому методу движение, теплообмен и горение в газовой фазе представляются на основе Эйлерова способа описания, г.е. используются стационарные пространственные уравнения баланса массы, импульса, концентраций газовых компонентов и энергии для газовой смеси. Лагранжев подход применяется для описания движения и тепломассообмена одиночных частиц топлива и золы вдоль их траекторий с учетом обратного влияния дисперсной фазы на несущую среду Турбулентные характеристики газа рассчитываются с использованием двухпараметрической «й>г» модели турбулентности, также учитывающей влияние движущихся частиц. Радиационный теплообмен в двухфазном потоке представляется в рамках Р1 приближения метода сферических гармоник, который показывает хорошие результаты применения к пылеугольным топкам.

Считается, что подача топливовоздушной смеси и воздуха не зависит от времени и осуществляется равномерно по сечениям амбразуры горелок. Поступающие в топку полидисперсные частицы угольного топлива, содержат влагу после пылесистемы IV"" 2 Жги. Перемещаясь по топочному объему, частицы топлива продолжают нагреваться за счет радиационно-конвективного теплообмена и их сушка продолжается в топке. При дальнейшем нагреве (выше 600 К) начинается выход летучих компонентов, их воспламенение, горение и догорание коксового остатка. Предполагается, что газовая среда в топке состоит из химически инертных молекулярного азота N¡, двуокиси углерода СО,, паров воды Я ¿О, а также реагирующих СЬ, СО и летучих

Математическая модель включает 1) Уравнение изменения массы газовой смеси за счет выхода влаги, летучих и горения коксового остатка,

где р - плотность газовой смеси; и, (г = 1,2,3 ) - компоненты скорости газа,

х, (I = 1,2,3) - декартовы координаты, ,/еиар, .1тр, .],Лт - массовые

скорости испарения влаги, выхода летучих и догорания коксового остатка. 2) Уравнения изменения массы газовых компонентов,

¿{ри,)

(1)

е\'ир

сИаг >

dpC0,U, д

ах,

и, дСо,_л

дх, 1 Se, дх,

~ ~ РСО^СО ~ J char

dpCmlU, _ д ( //, дС„

дх,

"" 1Г)/

дх, \ Se, дх,

' ^vapJ\iip J vol

дрСсои, _ д

ц, дСс0

дх, дх, ^ Se, дх, j

dPCii2oU, д ( и, дснго дх, дх, 1 5с, дх,

+ J.

со

char

-Jt

СО•

(3)

(4)

(5)

^evap + Г(1 + Aol)Jvol,

(6) (7)

£ С, = 1 , (с„2 + с0; + Ст1 + Ссо + Сс02 + СНго = 1).

1 = Н2,02уЫ,С0,С0г,Н70

Здесь С - концентрации газовых компонентов; //,, 5с, -

турбулентная вязкость газа и турбулентное число Шмидта (5с, = 0,9), Jvn¡ -массовая скорость горения летучих, зависящая от скорости химической реакции горения углеводородов СтН„, Д,о/ - количество 02, необходимое для сгорания 1 кг летучих, сстр - массовая доля летучих. 3) Уравнения количества движения для газовой фазы

Фи,и, _ ф

¿к

■ + pg,+Fj +

iV + Ит)

dU, M -L +-L

âct дх,

I / ч C^k

рк+(м + Мт)~Г-âxk

= 1,2,3,

(8)

где р - давление, ит - турбулентная вязкость; ц - молекулярная вязкость;

к - энергия турбулентности, 8,, - символы Кронеккера (¿„=1;

8 - 0(; Ф ])), g, ~ проекции ускорения свободного падения на декартовы

оси, - компоненты силы межфазного взаимодействия между частицами и

несущей средой. 4) Уравнение энергии для газа

дрЦ,сТ _ /л /у, дТ_ дх, Рг Рг, дх

дх.

+ Ôvo/Ло/ + QcqJCO "

дЯ:

rad

дх,

- + 0, (9)

где с - теплоемкость смеси газов, Рг, Рг, - молекулярное и турбулентное (Рг, = 0,9) числа Прандтля, Т - температура газа, , ()со - тепловые эффекты реакций горения летучих и угарного газа; д^ - компоненты вектора радиационного теплового потока; 0 - интенсивность теплообмена между несущей средой и частицами 5) Уравнение состояния

Р-

ЯсТ

СОг , С"7 , СуЫ , ССО , ССОг , СН1Р

м0, М„г Мт1 Мс0 МСОг МНг0

(Ю)

где М( - молекулярные веса компонентов газовой смеси, Л0 -универсальная газовая постоянная, р - давление.

Задание граничных условий для системы уравнений (1-10) определяется типом границы. На входе используются известные однородные распределения для всех характеристик В качестве граничных условий на стенках топочного объема используются условия прилипания для скорости, граничные условия первого рода для температуры газа, равенство нулю производной по нормали концентраций компонент газа

Поведение топливных и золовых частиц в топочном объеме описывается в рамках Лаграпжева подхода При этом интенсивность их тепло-массообмена с окружающей топочной средой определяется одной из следующих стадий

6) Нагрев и сушка частицы. Если температура частицы Тр ниже температуры кипения воды, то в этом случае изменение ее массы и температуры описывается по следующим балансовым соотношениям'

он

где т - текущая масса частицы, Т - текущая температура частицы, ср -теплоемкость, Ар - площадь поверхности частицы, Нс и А - коэффициенты массо- и теплообмена, (СЯг0) и (Снг0) - концентрация водяных паров у поверхности частиц и в газе, с р - степень черноты частицы, а - постоянная Стефана-Больцмана, Вк - температура излучения, 1тр - теплота парообразования, - локальная температура сплошной среды

7) Когда температура частицы достигает значения, соответствующего температуре кипения, предполагается, что в этом случае все потери, связанные с быстрым испарением влаги, компенсируются приходящими конвективно-радиационными потоками тепла Поэтому до выполнения условия тр - (l - IV" /100^7?® (W,r - влажноеib угольной пыли после размола

в %, тр - начальная масса частицы) температура частицы не меняется, а масса частицы предсказывается по закону (11).

8) Выход летучих. После сушки частицы и достижения температуры начала выхода летучих Тшр начинается процесс термической деструкции частицы, в

результате которого в окружающую сплошную среду поступают горючие (углеводороды) и инертные летучие продукты. Математическое моделирование выхода летучих осуществляется аналогично пп. 6 и 7.

9) Догорание коксового остатка Когда заканчивается выход летучих из частиц, при определенном уровне локальных температур происходит воспламенение и догорание коксового остатка. В этом случае уравнения теплового баланса и изменения массы запишутся следующим образом

mpcpQL=hApfc-Tp)-Q^+ Ар£ра{в1-Т;), (13)

(14)

где Q - тепловой эффект от горения кокса, {С0г) - локальная концентрация молекулярного кислорода, hD - скорость горения коксового остатка с учетом диффузии кислорода к поверхности частицы.

Численная реализация выбранной математической модели аэродинамики, теплообмена и горения аэросмеси в объеме топки осуществлялась с использованием специализированного пакета прикладных программ FIRE 3D, разработанного на кафедре парогенераторостроения и парогенераторных установок теплоэнергетического факультета ТПУ. Для учета влияния выхода влаги из топливных частиц в процессе их перемещения но топочному объему в соответствии с описанной выше математической моделью в пакет FIRE 3D был добавлен модуль, рассчитывающий скорость выхода влаги и концентрацию водяных паров в камере сгорания котлоагрегата Необходимость модификации пакета FIRE 3D обусловлена тем, что один из претендентов на замещение проектного топлива - ирша-бородинский бурый уголь - имеет высокую влажность и не может быть подвергнут интенсивной сушке горячим воздухом в пылесистеме

В третьей главе проведено тестирование математической модели и дана оценка ее адекватности результатам численного исследования.

В качестве объектов исследования выбраны два котельных агрегата ПК-39 и ЬКЗ-210-140 - абсолютно разных в конструктивном исполнении, по условиям подачи гопливно-воздушной смеси и сжигаемому твердому топливу

Данные парогенераторы выбраны не случайно, а с целью определения достоверности в численном расчете физических процессов пакета прикладных программ FIRE 3D при различных схемах сжигания. Кроме того, уголь, сжигаемый в топке котла ПК-39, аналогичен проектному углю исследуемого котла БКЗ-420-140 Омской ТЭЦ-4, а уголь, сжигаемый в натурных исследованиях в топочной камере котла БКЗ-210-140, относится к бурым высокозольным и влажным углям Канско-Ачинского бассейна, как и предложенный в качестве замещающего угля - ирша-бородинский.

Учитывая большие габариты топочной камеры котла ПК-39, для экспериментального исследования* развития физических процессов была рассмотрена часть объема топки, включающая область работы одной горелки нижнего яруса. Измерения проводились на горизонтальном участке оси нижнего яруса горелок на расстоянии 0,225 м, 0,64 м, 1,28 м, 1,99 м от устья горелки, что составляло соответственно 0,165; 0,47, 0,94, 1,471 da (da - диаметр амбразуры горелки)

На рисунке 1 представлены результаты натурных экспериментов и математического моделирования в графическом виде.

Из графиков видно, что результаты численного расчета дают подобные профили зависимых переменных в сравнении с данными измерений, проведенных в топке котла Причем большинство экспериментальных точек совпадают, либо находятся в непосредственной близости к значениям численного расчета.

На рисунке 2 представлены результаты изменения максимальных и средних в горизонтальных сечениях значений температуры, а так же средней в горизонтальных сечениях концентрации кислорода в зависимости от вертикальной координаты, полученных на основе математического моделирования и экспериментальных данных. Также представлено значение температуры на выходе из топки, рассчитанное по нормативному методу.

Из графиков видно, что результаты исследований имеют достаточно близкие значения и качественно незначительно отличаются друг от друга

Если провести сравнение результата численного моделирования и результата полученного по нормативному расчету, то разница между

'Серант Ф А , Остапенко В.Е., Волобунв А Н Исследование топочного процесса на котле ПК-39 блока 300 МВт Ермаковской ГРЭС при сжигании экибастузских углей по схеме прямого вдувания технический отчет - ОРГРЭС Сибирское отделение - Новосибирск -1975 -264 с

значениями температур составляет 50 °С Но нормативный метод не

учитывает влияния пространственною аэродинамики топки

характера процесса горения

ГТФТ

8 Я % ЫигсЦяеЫоя

■£> -Г -Г'

з/п Ч1ЭОсЫз

г г О хйккаймах

1ЧЧПФ11

ч ч 5 ° 5 Я еенадвв*)«».*«!

О,

11111 |Т'|Т

Г. Ч 5-' 2 " " 54 "-'О

са и.

.» о

2 ¡4

^Г и

чо 3"

о' а н

<53

2 н

1Л1

(Ч

сГ а

я СЗ н

I Г)

ОС О и о.

СО ||

а. 1'

си 1

X ■

н о я

о «

с?

о и

О а,

ч с о и ш

>Х 15 о

о н

Ж л: О £ ж и

1) 2

га к

Н Ч £Х

£ и и

О Ч с

О о о

о к

а т

и « л н

са Л Св

са н н

о л

О >. с;

Си н о н >, п о

2 о Р.

о. са 2 1

<и сь Т

X и «

X X

и сЗ

и ш

п о

а 2 о. к

ЕЙ

и оо ч

5! о

Си —" 2

Рис. 2 Изменение температуры и концентрации 02 но высоте топки когда 11К-39 —.....- , —-

максимальные и средние в

горизонтальных

сечениях

значения температур и 03; Ф

результаты исследования, X нормативного расчета

натурного | значение ^

Р""ГГ Г" '"Т"(,"1

Поскольку в качестве замещающего проектное топливо котла БКЗ-420-140 Омской ТЭЦ-4 предложен бурый ирша-бородинский уголь с высокой влажностью, то было решено провести анализ результатов математического моделирования не только на достоверность, но и оценить влияние влажности на моделирование физических процессов в топке котла.

На рисунке 3 представлены графики изменения максимальных и средних в горизонтальных сечениях температуры и концентрации 02 по высоте топки при численном моделировании и экспериментальном исследовании*. Также на графике температуры указано рассчитанное по нормативному методу значение температуры на выходе из топки.

Результаты математического моделирования в большей степени совпадают с данными натурных испытаний на котле. Имеющиеся расхождения, по-видимому, следует отнести к трудности проведения практических измерений в топке и неточностью задания входных данных для математической модели.

Сравнивая результат численного моделирования с результатом, полученным на основе нормативного расчета при вычислении температуры на выходе из топки, можно отметить, что разница между значениями не превышает 50 °С, что удовлетворяет погрешности нормативного расчета. Эю также свидетельствует о достаточно хорошем уровне адекватности

'Маршак Ю.Л.. Всрзаков В.Н. Исследование горения бсрсзовского угля в тангенциальной топочной камере с газовой сушкой топлива I) Тсплогтсргстмка. • 1982. №8. С 4 9.

математической модели и метода расчета в представлении исследуемых процессов.

Влияние учета влажности топлива представлено на рисунке 4, где в графическом виде дан сравнительный анализ значений температур и кислорода по высоте топки. Из представленных результатов отчетливо видно, что без учета влажности процесс воспламенения и выгорания пылеугольной смеси проходит гораздо интенсивнее на уровне горелочного пояса, что приводит к повышению температурного уровня и теплового напряжения в данной области топки и к снижению аналогичных параметров выше области расположения горелок.

Рис. 3 Изменение температуры и концентрации СЬ по высоте топки

когла БКЗ-210-140: — — , -

максимальные и средние в горизонтальных сечениях

значения температур и СЬ; в -результаты натурного

исследования; Ж - значение нормативного расчета

'I | , , ! [ Т-р-рч

1 ш ш гжут

Температура. *С

1 I ' ! ' I ' I

Ксицеяграфя О."'.

Рис. 4 Изменение температуры и концентрации СЬ по высоте топки

котла БКЗ-210-140.--, -

максимальные и средние в горизонтальных сечениях

значения температур и СЬ с учетом выхода влаги;

..... максимальные и средние в

горизонтальных сечениях

значения температур и 02 без учета выхода влаги; ® результаты натурного

исследования; ^ - значение нормативного расчета

' I ' I ' I'"Г"Т

1 Ш Ш Т«мп«раггурз. 'С

1 I ' Т 1'!.....1

На основе полученных результатов сравнительного анализа можно сделать заключение, что используемые подходы к решению задач численного моделирования протекания топочных процессов, реализованные в модернизированном пакете прикладных профамм FIRE 3D с учетом выхода влажности, имеют высокую достоверноегь при предсказании моделируемых физических процессов в пылеугольных топках.

В четвертой гласе приведен анализ результатов численных исследований топочных процессов при сжигании экибастузского угля (проектное топливо), кузнецкого Д и ирша-бородинского (замещающие угли).

Исследования физических процессов в топке котла БКЗ-420-140 Омской ТЭЦ-4 при использовании экибастузского угля не сопровождались какими-либо конструктивными изменениями в схеме сжигания (рис. 5, а).

Так как задача замещения проектного топлива сопровождалась требованиями минимальных конструктивных изменений в схеме сжигания, то было принято решение о проведении исследования сжигания кузнецкою угля при аналогичной компоновке горелок (рис. 5. а). А также рассмотрена аэродинамическая схема организации факела за счет взаимодействия прямоточных струй в топочном объеме, характерная для сжигания высокореакционных ушей, причем -принята схема, при которой достигаются наименьшие конструктивные изменения топки (рис. 5, б),

JIJ.M _ _______ _V.it

а) б)

Рис. 5 Схема размещения горелок (в плане) и направления результирующих векторов горелочных струй в топке котла БКЗ-420-140: а) базовая схема сжиганиия; б) тангенциальная схема сжигания

На рисунках 6 и 7 представлены результаты численного моделирования изменения средней в горизонтальных сечениях температуры, концентрации 02, частиц и СО по высоте топочной камеры при протекании сложных аэродинамических процессов, переноса тепла излучением, в поглощающей и рассеивающей двухфазной топочной среде, с учетом гетерогенных реакций выхода летучих компонентов угля и догорания коксового остатка, а также гомогенных реакций в газовой фазе, происходящих при горении реагирующих летучих и дожигания монооксида углерода.

Рис. 6 Изменение средней интегральной в горизонтальных сечениях

температуры и концентрации Ог по высоте топки при сжигании углей: -

экибастузского; """в"™™ кузнецкого в базовой компоновке; Ф кузнецкого

при тангенциальной компоновке горелок;--ирша-бородинского при

тангенциальной компоновке горелок

Оценивая наиболее перспективную схему сжигания для замещающих углей из рассмотренных в проведенном исследовании, качественно выделяется схема с тангенциальной компоновкой прямоточных горелочных устройств, поскольку процесс воспламенения и выгорания тогшивно-воздушной смеси протекает наиболее эффективно, равномерно и с минимальными потерями.

Так при базовой компоновке горелочных устройств и при сжигании кузнецкого угля процесс воспламенения и выгорания нестабилен на уровне горелочных устройств, что приводит к увеличению времени прогрева частиц, а следовательно, и реакции с окислителем. Процесс горения затягивается по высоте топки, что способствует перераспределению угольных частиц в гоночном объеме, повышению концентрации кислорода и температуры на выходе из топки. Это крайне негативно отразится на надежной работе конвективных и полурадиационных поверхностей нагрева, возрастает нагрузка на впрыскивающие пароохладители, увеличивается вероятность образования большого количества оксидов азота. Избежать данного негативного последствия можно путем изменения параметра крутки и температуры подачи аэросмеси и вторичного воздуха, что потребует дополнительных исследований.

Концентрация частиц, кг/ма Концентрация СО. %

Рис. 7 Изменение средней интегральной концентрации частиц и концентрации СО в горизонтальных сечениях по высоте топки при сжигании

углей:- экибастузского; кузнецкого в базовой компоновке; Ф1

кузнецкого при тангенциальной компоновке горелок; — — ирша-бородинского при тангенциальной компоновке горелок

Из рассматриваемых замещающих углей при сжигании в топке котла БКЗ-420-140 наиболее высокие показатели надежной, эффективной и экологически чистой работы имеет ирща-бородинский уголь. При сжигании ирша-бородинского угля температурный уровень в топке наиболее

равномерный и не превышает значений температуры начала плавления золы [а в пристенном слое, а также на выходе из топки соответствует рекомендованным нормативным значениям Кроме того, в данном случае имеются минимальные значения потерь с химическим и механическим недожогом топлива.

Анализируя алгоритм проведенного исследования можно установить четкий план действий для решения задач по переводу котельных агрегатов на непроектные угли Поскольку выполнение исследований с использованием методологии математического моделирования предполагает взаимодействие триады «модель - алгоритм - программа», то технология проведения предпроектной проработки конструкторских решений по модернизации котельного оборудования на основе специализированного программного обеспечения может быть описана следующим образом:

1. Физическая постановка проблемы проведения модернизации теплоэнергетического оборудования. Дается краткое описание объекта исследования - котельного агрегата и топочной камеры, приводится их графическое изображение, геометрические размеры и особенности функционирования, определяются цели и задачи модернизации котельного оборудования Формулируются упрощающие предположения для математической модели

2. Математическое моделирование аэродинамики и горения пылеугольного топлива в топке котлоагрегата. В соответствии с принятыми допущениями приводятся система законов сохранения массы, импульса и энергии в дифференциальной форме и граничные условия, а также замыкающие соотношения для коэффициентов тепломассопереноса, скоростей выхода влаги и летучих и догорания коксового остатка.

3. Подготовка исходных данных для расчета топочных процессов по специализированному программному обеспечению. Готовится для пакета прикладных программ информация о геометрических характеристиках топочной камеры котлоагрегата, условиях подачи топливовоздушной смеси, дисперсионном составе угольной пыли и ее кинетических параметрах, эффективности теплообменных поверхностей топочной камеры.

4. Отладка специализированного программного обеспечения для выбранного набора данных. Производится исправление ошибок, связанных с вводом исходной информации, и тестирование пакета на задачах с подобными условиями сжигания пылеугольного топлива.

5. Счет по программе с верифицированными исходными данными и анализ результатов расчета топочных процессов. Осуществляются расчеты на ЭВМ. Полученные с помощью численного счета результаты моделирования аэродинамики, теплообмена и горения представляются в

фафическом и табличном виде, анализируются и сравниваются с экспериментальными данными и расчетами по другим методикам Оформляется соответствующая научно-техническая документация, в которой приводится подробное описание степени выполнения задач, поставленных в конструкторской предпроектной проработке б Внедрение полученных результатов на объектах с модернизируемым котельным оборудованием

ВЫВОДЫ

1. Использование методов численного моделирования позволило провести полномасштабное исследование сложных физических процессов, детально изучить такие топочные процессы, как распространение пылевоздушной смеси в топочном объеме с учетом гомогенных и гетерогенных реакций горения, тепломассообмена с учетом взаимодействия частиц, радиационного излучения и г п При гаком способе анализа теплофизических процессов сокращается трудоемкость, материальные и временные затраты, что позволяет в кратчайшие сроки проводить сложные полномасштабные вариантные исследования.

2. Выполнена модернизация оригинального пакета прикладных программ FIRE 3D, разработанного в ТПУ на кафедре ПГС и ПГУ теплоэнергетического факультета, за счет введения дополнительного расчетного модуля, учитывающего процесс выхода влаги из топливных частиц в объеме гопки и разработанного с целью повышения достоверности численных расчетов, что особенно актуально для высоковлажных топлив На основе сравнительного анализа установлено, что погрешность в расчетах, проведенных без учета выхода влаги в топке, может достигать 20 %

3 Выполненные тестовые расчеты сжигания углей с существенно отличающимся рабочим составом и влажностью в пылеугольных топках с различной организацией топочного процесса показали хорошую сходимость с экспериментальными данными и результатами, полученными с использованием нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов. В частности, вычисленная в результате математического моделирования температура на выходе из топки различается с экспериментальными и «нормативными» значениями не более чем на 50 °С

4 Используя метод численного расчета, выявлено, что при сжигании проектного топлива в топке котла БКЗ-420-140 аэродинамическая схема сжигания хорошо согласуется с условиями эффективного воспламенения и выгорания топливно-воздушной смеси Но концентрация летучей золы на выходе из топки превышает значение 2,5 кг/м\ что в 8 раз больше,

чем при сжигании ирша-бородинского и в 5 раз больше, чем при сжигании кузнецкого угля.

5 На основе проведенного вариантного анализа с использованием модернизированного пакета Fire 3D установлено, что в качестве наиболее перспективного замещающего топлива из исследованных в данной работе углей для сжигания в топке котла БКЗ-420-140 Омской ТЭЦ-4 при минимальных конструктивных изменениях является бурый ирша-бородинский уголь.

6. Результаты диссертационного исследования внедрены на Омской ТЭЦ-4 применительно к базовому варианту и к вариантам, отвечающим условию минимального объема реконструктивных изменений в топке котла БКЗ-420-140 при сжигании замещающих углей, а также используются в учебном процессе по специальности 140502 «котло- и реакторостроение» в Томском политехническом университете (включены в лекционный курс и лабораторный практикум по дисциплине «Методы защиты окружающей среды», в тематику выпускных квалификационных работ и учебно-исследовательской работы студентов)

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях

1. Гиль AB., Заворин А.С , Красильников СВ., Старченко A.B., Обухов С.В Исследование аэродинамики и горения в топке котла БКЗ-420-140 применительно к вариантам замещения проектного топлива - Известия Томского политехнического университета. Том 310, №1. - Томск- Изд-во ТПУ, 2007. С.175-181.

2. Аношин Р.Г, Гиль A.B., Григорьев К.А., Заворин A.C., Красильников C.B., Лебедев Б.В., Парамонов А.П., Рундыгин Ю.А., Скудицкий В.Е, Старченко A.B. Математическое моделирование топочных процессов при сжигании грубоизмельченного топлива. - Горение и плазмохимия, 2006 - Т.4 - № 4. - С. 255-259.

3. Гиль A.B., Старченко A.B., Обухов С.В, Красильников C.B. Компьютерное тестирование аэродинамики и горения в гопке котла БКЗ-420-140 Омской ТЭЦ-4. - Материалы докладов VI Всероссийского совещания «Энергоэффективность, энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России». - Томск' Изд-во ЦНТИ, 2005. - С. 81-85.

4. Гиль A.B., Красильников C.B., Старченко A.B. Исследование и анализ топочных процессов в топке котла БКЗ-420-140 Омской ТЭЦ-4 при помощи математического моделирования. - Материалы 3-й Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии». - Томск: Изд-во Института оптики и атмосферы СО РАН, 2006 - С. 699-702.

5. Гиль A.B., Заворин A.C., Красильников C.B., Старченко А В Численное моделирование топочных процессов в топке котла Е-160-10 при сжшании угля Таловского месторождения. - Материалы докладов XII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика, экология, надежность, безопасность». - Томск Изд-во ТПУ, 2006. - С. 145-147.

6. Гиль A.B., Заворин A.C., Красильников C.B., Старченко А В Применение пакета прикладных программ FIRE 3D для исследования вариантов перевода котлов на непроектное топливо. - Сб. докладов VI Всероссийская конференция «Горение твердого топлива», Новосибирск- Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2006. - Ч. 1 - С. 214-220.

7. Гиль А В , Заворин А С., Красильников C.B., Старченко A.B., Обухов С В. Исследование распределения частиц в топке котла БКЗ-420-140 на основе численного моделирования сжигания углей. - Сборник докладов IV научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов» - Челябинск, 2007. - Том II.

- С. 42-49

8. Гиль А В., Заворин А С., Красильников С В., Старченко А.В , Обухов C.B. Анализ аэродинамики и теплообмена в топке котла БКЗ-420-140 на основе математической модели при переводе на технологию низкотемпературного вихревого сжигания непроектного угля. -Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири». - Иркутск, 2008. - С. 116-117

9 Гиль AB, Красильников C.B., Старченко А.В Применение пакета прикладных программ FIRE-3D при реконструкции котельных агрегатов

- Сборник тезисов «VIII Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям», Новосибирск, 2007. - С. 40-41.

10. Гиль A.B., Тайлашева Т.С., Лебедев Б В. Математическое моделирование аэродинамики и горения природного газа в котле типа ДКВР -Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства к использования энергии в условиях Сибири». - Иркутск, 2008 - С. 97-101.

11. Гиль А.В, Старченко A.B., Обухов C.B. Численный анализ топочных процессов в гопке котла БКЗ-420-140 при переходе на технологию низкотемпературного вихревого сжигания твердого топлива. - Сборник трудов «XIV Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии»» в 3-х томах. Т. 3. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. - 621 с.

Подписано в печать 12 11 2008. Формат 60x84/16. Гарнитура Times Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,4 Тираж 100 экз Заказ № 129.

Отпечатано в типографии ООО «Аграф-Пресс» 634055, г. Томск, пр. Академический, 10/3, стр. 4, к. 104, тел. 252-484, 8901 610 7013

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Гиль, Андрей Владимирович

Принятые обозначения и сокращения

Введение

Глава 1 Тенденции развития, специфика и методы исследования замещения проектных углей

1.1 Современные тенденции замещения проектных топлив

1.2 Состояние угольной промышленности России

1.3 Обзор результатов опытных исследований замещения топлив

1.4 Обзор результатов численного исследования замещения топлив

1.5 Краткий обзор современных пакетов прикладных программ

1.6 Выводы

Глава 2 Физико-математическая постановка задачи перевода котельного агрегата БКЗ-420-140 Омской ТЭЦ-4 на непроектные угли

2.1 Объект исследования

2.2 Характеристика проектного и замещающих углей

2.3 Физико-математическая постановка задачи

2.4 Выводы

Глава 3 Численное моделирование аэродинамики и горения в топках на основе пакета прикладных программ ГШЕ-ЗБ

3.1 Описание пакета прикладных программ РШЕ-ЗБ

3.2 Сравнительный анализ протекания физических процессов в топках котельных агрегатов с математическими моделями

3.3 Выводы

Глава 4 Численное исследование топочных процессов при сжигании пылеугольного топлива в камерной топке котла БКЗ-420-140 Омской ТЭЦ

4.1 Численное моделирование сжигания экибастузского угля

4.2 Численное моделирование сжигания кузнецкого угля

4.3 Численное моделирование сжигания ирша-бородинского угля

4.4 Обобщенный анализ полученных результатов численного исследования и описание технологии проведения предпроектного анализа конструктивных решений для топки котельного агрегата с использованием пакета прикладных программ

Введение диссертация по физике, на тему "Моделирование топочной среды при переводе пылеугольных котлов с твердым шлакоудалением на непроектное топливо"

Благосостояние любой страны или региона в мировом сообществе зависит от энергетической отрасли вследствие необходимости обеспечения постоянного развития и совершенствования техники и технологий, которые сопровождаются значительным увеличением потребления энергетических ресурсов. Поэтому обеспеченность мировой экономики топливно-энергетическими ресурсами - одна из важнейших проблем, стоящих перед человечеством [1].

В условиях резкого изменения ценовой политики продаж нефти и природного газа в развитых странах интерес к использованию твердого топлива как к основному мировому энергоносителю продолжает неуклонно повышаться [2, 3]. В России с окончанием «газовой паузы» и намечающимися тенденциями перехода к более глубокой переработке нефти увеличивается доля потребления угля в теплоэнергетике. Поэтому вопрос о развитии новых энергоэффективных технологий сжигания углей в «большой» и «малой» энергетике является актуальным [4].

Однако повышение спроса на твердое топливо сопровождается необходимостью решения задачи об использовании на ТЭС непроектных марок углей. Это связано с тем, что по действующим нормам проектирования и строительства ТЭС располагаются вблизи угольных месторождений и рассчитываются на использование определенных углей (обычно одной марки) с учетом их запасов и теплотехнических свойств [5]. Эксплуатационный срок службы энергетического оборудования составляет около 100000 ч, то есть приблизительно 12 лет, однако на практике при действующей системе капитальных ремонтов большинство электростанций России работает более 30 лет. Иногда в течение этого срока происходит исчерпание запасов проектного угля или изменение его теплотехнических характеристик. Это может быть обусловлено разными причинами: на ряде угольных бассейнов и месторождений выработаны наименее зольные пласты; на других увеличение степени механизации угледобычи повлекло за собой выемку высокозольной «горной массы», поставляемой к тому же на ТЭС без обогащения [6].

Однако использование углей с различными качественными характеристиками зачастую приводит к нарушению устойчивости горения, шлакованию поверхностей нагрева котлов, снижению размольной производительности мельниц, уменьшению нагрузки котлов и повышенным выбросам в окружающую среду вредных веществ [7, 8]. С ростом темпов экономического развития страны и выхода на прежний уровень производства тепловой и электрической энергии, а также необходимостью строительства новых энергоблоков последнее обстоятельство является весьма актуальным в связи с постановлением Правительства Российской Федерации от 12 июня 2003 г. № 344 «О нормативных платах за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными источниками, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, размещение отходов производства и потребления». В теплоэнергетике существенно обостряется проблема использования углей с высокой минеральной составляющей и повышенным содержанием серы и азота [9]. Ратификация Киотского протокола, первая стадия которого намечена на 2008-2012 гг., также заставляет более серьезно относится к экологическому аспекту производства энергии.

Вместе с тем тенденция монополизации рынка угля, сформировавшаяся после завершения приватизации угольных компаний, усугубляет данную ситуацию, что вызывает обеспокоенность энергетиков и побуждает их искать пути устранения последствий указанного явления [5].

В качестве примера можно указать проблему перевода Омских ТЭЦ-4 и 5 на сжигание непроектных топлив [10]. Дело в том, что по причине высокой зольности экибастузского угля возникли серьезные экологические проблемы для территорий, находящихся в непосредственной близости с ТЭЦ. На Омской ТЭЦ-4 золоотвал переполнен, а на Омской ТЭЦ-5 требуются огромные инвестиции для поддержания его в работоспособном состоянии. Объем складированной на золоотвалах золы составляет 35 млн. тонн. Кроме того, в перспективе прогнозируется возможный дефицит экибастузских углей при реализации совместных казахско-китайских проектов по строительству мощных электростанций на территории Казахстана.

Еще в 1995-1996 гг. была разработана программа первоочередных работ по замещению экибастузского угля углями российских месторождений [11]. Проведенные опытные сжигания отсева хакасского угля марки ДСШ в смеси с экибастузским, а также кузнецкого угля марки СС были очень трудоемким, весьма дорогим и сложным в организационном плане мероприятием. Альтернативой экспериментального исследования на полномасштабной установке является проведение экспериментов на маломасштабных моделях [12]. Однако полученную информацию необходимо экстраполировать, и не всегда возможно воспроизвести все свойства полномасштабного объекта. При этом необходимо помнить, что во многих случаях измерения затруднены и измерительное оборудование может давать погрешность.

При использовании методов теоретического исследования скорее определяются результаты решения задачи согласно используемой математической модели, а не характеристики действительного физического процесса.

Численные решения поставленных задач математического моделирования дают подробную и полную информацию. На основе численного решения можно найти значения всех имеющихся переменных во всей области решения. Наиболее важным преимуществом является его небольшая стоимость и минимальные затраты времени на проведение исследования. Так же для расчета доступна практически вся исследуемая область без возмущений, вносимых датчиками, и возможность получения решения для реальных условий исследуемого процесса, что далеко не всегда возможно при экспериментальном исследовании.

Современный уровень развития математического моделирования физических процессов и специального программного обеспечения позволяют решать задачи теплоэнергетики менее затратным путем численного исследования, преимущества которого наиболее очевидны при необходимости отбора технических решений при конструкторской проработке нескольких вариантов [13, 14].

Целью диссертационного исследования является разработка и апробация технологии проведения предпроектного анализа конструкторских решений по модернизации пылеугольных топочных камер котельных агрегатов БКЗ-420-140 при замещении базового топлива непроектным с использованием численного моделирования на основе пакета прикладных программ FIRE 3D.

Для достижения данной цели сформулированы следующие основные задачи исследования:

• разработка различных схем организации факельного сжигания замещающих углей в топке котла БКЗ-420-140;

• выявление наиболее перспективных конструкторских решений при различных схемах факельного сжигания непроектных топлив в топке котла БКЗ-420-140.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

• выполнена модернизация пакета прикладных программ FIRE 3D, связанная с учетом выхода влаги из пылеугольного топлива в процессе его сжигания;

• разработана технология применения методов математического моделирования и специализированных вычислительных пакетов для предпроектной проработки конструктивных изменений топок котлов, переводимых на непроектное топливо.

Практическая значимость работы определяется тем, что:

• методика исследования используется в учебном процессе по специальности 140502 «котло- и реакторостроение» в Томском политехническом университете (включена в лекционный курс и лабораторный практикум по дисциплине «Методы защиты окружающей среды», в тематику выпускных квалификационных работ и учебно-исследовательской работы студентов).

Работа выполнялась в соответствии с основными направлениями научной деятельности Томского политехнического университета («Разработка методов и средств повышения надежности и эффективности эксплуатации энергетических объектов», «Развитие теоретических основ и разработка технологий производства энергии и энергоресурсосбережения в различных отраслях»). Также исследования выполнялись при поддержке федеральной целевой программы № 360303601 «Разработка методов расчета динамики, горения и теплообмена в полидисперсных гетерогенных потоках».

На защиту выносятся:

• результаты тестирования усовершенствованного пакета FIRE 3D на экспериментальных данных сжигания пылеугольного топлива;

• предложенные схемы организации сжигания замещающих проектное топливо углей в топке котлоагрегата БКЗ-420-140;

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на VI Всероссийском совещании «Энергоэффективность, энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России» (г. Томск, 2005 г.), 3-й Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии» (г. Томск, 2006 г.), XII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, 2006 г.), VI Всероссийской конференции «Горение твердого топлива» (г. Новосибирск, 2006 г.), IV научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов» (г. Челябинск, 2007 г.), VIII Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (г. Новосибирск, 2007 г.), XIV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2008 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 13 печатных работ, среди которых 1 статья в рецензируемом издании (список ВАК).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (106 наименований) и приложения. Работа содержит 171 страницу, 9 таблиц и 48 рисунков.

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

3.3 Выводы

Пакет прикладных программ FIRE 3D базируется на современных подходах численного моделирования топочных процессов с использованием апробированных алгоритмов решения сложных систем уравнений. Это подтверждается результатами тестирования и последующего сравнительного анализа с экспериментальными данными.

Полученные на основе численного расчета теплофизические параметры имеют хорошую сходимость с результатами экспериментальных исследований на полномасштабных установках. Так, по результатам сравнительного анализа тангенциальной скорости и концентрации кислорода, представленных на рисунках 3.2.2 - 3.2.5, можно сделать заключение, что максимальная разность между значениями математического моделирования и эксперимента не превышает 15 %.

Если рассматривать аксиальную скорость и температуру (рис.3.2.2 -3.2.5), то здесь отчетливо прослеживается функциональная зависимость скорости от температуры, при этом графики изменения температуры и скорости имеют аналогичные профили, как в численном расчете, так и в эксперименте. При этом значения температур на выходе из топки находятся в пределах нормативной погрешности [27].

Водяной пар, испаряющийся с поверхности частиц топлива, существенно влияет на интенсивность процесса горения топлива, а следовательно, и на температурный уровень в топочном объеме. С увеличением внутренней влажности взвешенных в камере сгорания частиц твердого топлива увеличивается и влияние водяных паров на уровень температуры в топке. Таким образом, все физические процессы, протекающие в топочной камере, напрямую либо косвенно зависят от учета выхода влаги из частиц твердого топлива.

ГЛАВА 4 ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СЖИГАНИИ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В КАМЕРНОЙ ТОПКЕ КОТЛА БКЗ-420-140 ОМСКОЙ ТЭЦ-4

4.1 Численное моделирование сжигания экибастузского угля

Процесс выгорания пылевидного топлива в топке характеризуется аэродинамической структурой потока, полями температур, тепловой напряженностью, концентрациями реагирующих веществ, скоростями и степенью выгорания.

Как уже отмечалось выше (см. п. 2.1) при работе котла БКЗ-420-140 на экибастузском угле схема организации горения пылеугольного вихревого факела имеет следующий вид (рис. 4.1.1).

9024

V- -А а) б)

Рис. 4.1.1 Схема размещения горелок (в плане) и направления результирующих векторов горелочных струй в топке при сжигании экибастузского угля: а) горизонтальное сечение; б) вертикальное

На рис. 4.1.1 представлена схема размещения вихревых горелочных устройств и направления результирующих векторов распространения аэродисперсной смеси и вторичного воздуха при сжигании топлива в базовой компоновке. Сжигание экибастузского угля в базовом конструктивном варианте характеризуется параметрами топливно-воздушной смеси, представленными в таблице 2.1.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе в соответствии с поставленными целями и задачами выполнен комплекс численных расчетов и анализ каждого вариантного исследования, связанного с замещением экибастузского каменного угля марки 1СС на каменный кузнецкий марки Д и бурый ирша-бородинский 2Б. Математические модели горения проектного и замещающих углей учитывают сложные физические процессы, связанные с трехмерным характером вихревого турбулентного движения, влиянием твердой фазы на несущую среду, переносом тепла в излучающей, поглощающей и рассеивающей двухфазной топочной среде, гетерогенными реакциями выхода летучих компонентов угля и догорания коксового остатка, а также гомогенными реакциями в газовой фазе, происходящими при горении реагирующих летучих и дожигания монооксида углерода. Учитывается наличие внутренней влаги топлива и водяных паров в газовой фазе.

Использованный в ходе работы оригинальный пакет прикладных программ FIRE 3D, дополненный в данном исследовании моделированием учета выхода влаги из частиц в топочном объеме, показал хорошую сходимость с экспериментальными данными сжигания существенно отличающихся по составу и теплофизическим свойствам углей в топках котлов ПК-39 и БКЗ-210-140.

На основе вариантного численного анализа получены расчетные данные протекания топочных процессов при различных конструктивных изменениях схемы сжигания и условий подачи замещающих углей в топке котла БКЗ-420-140. На основе детального сравнения результатов расчетов сделаны выводы о целесообразности применения ирша-бородинского бурого угля в качестве замещающего топлива при тангенциальной схеме сжигания, обеспечивающей эффективность, надежность и экологически чистую работу котельного агрегата.

Итогом выполненных в настоящей работе исследований являются следующие основные результаты и выводы.

1. Использование методов численного моделирования позволило провести полномасштабное исследование сложных физических процессов, детально изучить такие топочные процессы, как распространение пылевоздушной смеси в топочном объеме с учетом гомогенных и гетерогенных реакций горения, тепломассообмена с учетом взаимодействия частиц, радиационного излучения и т.п. При таком способе анализа теплофизических процессов сокращается трудоемкость, материальные и временные затраты, что позволяет в кратчайшие сроки проводить сложные полномасштабные вариантные исследования.

2. Выполнена модернизация оригинального пакета прикладных программ FIRE 3D, разработанного в ТПУ на кафедре ПГС и ПТУ теплоэнергетического факультета, за счет введения •• дополнительного расчетного модуля, учитывающего процесс выхода влаги из топливных частиц в объеме топки и разработанного с целью повышения достоверности численных расчетов, что особенно актуально для высоковлажных топлив. На основе сравнительного анализа установлено, что погрешность в расчетах, проведенных без учета выхода влаги в топке, может достигать 20 %.

3. Выполненные тестовые расчеты сжигания углей с существенно отличающимся рабочим составом и влажностью в пылеугольных топках с различной организацией топочного процесса показали хорошую сходимость с экспериментальными данными и результатами, полученными с использованием нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов. В частности, вычисленная в результате математического моделирования температура на выходе из топки различается с экспериментальными и «нормативными» значениями не более чем на 50 °С.

4. Используя метод численного расчета, выявлено, что при сжигании проектного топлива в топке котла БКЗ-420-140 аэродинамическая схема сжигания хорошо согласуется с условиями эффективного воспламенения и выгорания топливно-воздушной смеси. Но концентрация летучей золы на выходе из топки превышает значение 2,5 кг/м3, что в 8 раз больше, чем при сжигании ирша-бородинского и в 5 раз больше, чем при сжигании кузнецкого угля.

5. На основе проведенного вариантного анализа с использованием модернизированного пакета БЖЕ ЗО установлено, что в качестве наиболее перспективного замещающего топлива из исследованных в данной работе углей для сжигания в топке котла БКЗ-420-140 Омской ТЭЦ-4 при минимальных конструктивных изменениях является бурый ирша-бородинский уголь.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Гиль, Андрей Владимирович, Томск

1. Клименко В.В., Терешин А.Г. Мировая энергетика и глобальный климат в XXI в. в контексте исторических тенденций // Теплоэнергетика. 2005. - № 4. - С. 3-7.

2. Мессерле В.Е., Устименко А.Б. Тридцать первая Международная техническая конференция по использованию угля и топливным системам // Теплоэнергетика. — 2007. — № 3. С. 71-76.

3. Мессерле В.Е., Устименко А.Б. 28-я Международная конференция по использованию угля и топливным системам // Теплоэнергетика. -2004. -№ 1.-С. 73-76.

4. Кожуховский И.С., Эдельман В.И., Говсиевич Е.Р., Селиверстова О.Д., Векслер Ф.М., Алешинский P.E. Проблемы монополизма поставщиков твердого топлива на рынках энергетических углей // Теплоэнергетика. 2006. - № 5. - С. 45-49.

5. Карягин Ю.В., Кокушин A.A., Князев A.B. Опыты сжигания непроектных марок отечественных углей на котлах ТЭС Свердловэнерго // Электрические станции. — 1997. №6. — С. 2—9.

6. Говсиевич Е.Р., Алешинский P.E., О использовании непроектных углей на тепловых электростанциях // Энергетик. — 1997. — № 7. — С. 11-12.

7. Гаврилов А.Ф., Гаврилов Е.И. Экологические аспекты замещения экибастузского угля кузнецкими углями на ТЭС России // Теплоэнергетика. 2004. - № 12. - С. 23-28.

8. Козлов С.Г., Безденежных A.A., Корнейчук С.И. и др. Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов // Сб. докл. II научно-техн. конф. Челябинск: Изд-во УралВТИ, 1996. - С. 13-24.

9. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. -М.: Энергоатомиздат, 1984, 152 с.

10. Сполдинг Д.Б. Основы теории горения. M; JL: Госэнергоиздат. — 1959.-319 с.

11. Сполдинг Д.Б. Горение и массообмен. М.: Машиностроение. - 1985. - 240 с.15. http://www.kremlin.ru/text/docs/2002/08/52145.shtml

12. Алексеева Т.Е., Гольдина Т.М. Некоторые аспекты мониторинга состояния золошлакоотвалов ТЭС и объектов природной среды в зоне их воздействия // Теплоэнергетика. 2005.

13. Крапчин, И. П. Уголь сегодня, завтра: Технология, экология, экономика // Институт микроэкономики. — М. : Новый век. 2001. -216 с.

14. Олещук Н. И. Топливно-энергетические ресурсы в системе национальной экономики России. СПб.: Изд-во СПбГГИ. - 2000. — 76 с.

15. Воробьев Б. М. Уголь мира. М.: Изд-во МГГУ. - Т. 1. - 2007. - 309 с.

16. Норицин Ю.Л., Никифоров А.Г. Пути решения топливной проблемы на примере Смоленской ГРЭС // Энергетик. 2005. - № 3 - С. 13-15.

17. Воротников Е.Г. Сжигание низкокалорийных бурых углей на электростанциях Приморского края // Горение твердого топлива: Сб. докладов VI Всерос. конф., Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2006. - Ч. 2. - С. 43-50.

18. Двойнишников В.А., Князьков В.П., Галков В.А., и др. Организация топочного процесса в замещающем котле энергоблока 300 МВт Новочеркасской ГРЭС при сжигании смеси антрацитового штыба с природным газом // Теплоэнергетика. 2006. - № 6. - С. 10-14.

19. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). СПб.: Изд-во НПО ЦКТИ, 1998.-256 с.

20. Документация Fluent 6.0, 19.3. Heat and Mass. Fluent Inc. 2001

21. Коняшкин В.Ф. Моделирование физических процессов в кольцевой топке с помощью программы FLUENT // Горение твердого топлива: Сб. докладов VI Всерос. конф., — Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2006. -Ч. 1. С. 170-178.

22. Атлас котлов большой мощности

23. Агафонов Г.В., Волков Е.Д., Воропай Н.И., и др. Топливно-энергетический комплекс России. Современное состояние и взгляд в будущее. Новосибирск: Наука. - 1999. - 312 с.

24. Самарский A.A., Михайлов А.П. Математическое моделирование. 2-е изд., испр. - М.: Физматлит. — 2001. - 320 с.

25. Самарский A.A. Введение в численные методы. М.: Наука, 1982. -272 с.

26. Рубашкин A.C., Рубашкин В.А. Моделирование процессов в топке парового котла // Теплоэнергетика. 2003. - № 10. - С. 14-18.

27. Волков К.Н. Стохастическое моделирование движения и рассеивания примеси в механике турбулентных газодисперсных течений // Инженерно-физический журнал. 2004. - № 5. - С. 10-19.

28. Теплицкий Ю.С., Ноготов Е.Ф. Перемешивание частиц в циркулирующем кипящем слое // Инженерно-физический журнал. -2002. -№3.~ С. 9-16.

29. Бубенчиков A.M., Старченко A.B., Ушаков В.М. Численное моделирование горения пылеугольного топлива в топках паровых котлов // Физика горения и взрыва. 1995. - Т. 31, № 2. - С. 23 - 31.

30. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов Л.А. Численное моделирование процессов тепло-и массообмена. М.: Наука. - 1984. -288 с.

31. Давыдов С.Ф., Навроцкий А.Д., Саломатов В.В. и др. Моделирование аэродинамики и лучистого теплообмена в парогенераторах с вихревой топкой//Сибирский физикотехнический журнал. 1991. - № 5. — С.106- 110.

32. Волков Э.П., Зайчик Л.И., Першуков В.А. Моделирование горения твердого топлива // М.: Наука, 1994. — 320 с.

33. Саломатов В.В, Волков A.B., Рычков А.Д. Моделирование топочных процессов в парогенераторах ЦКС // Известия Томского политехнического университета. — 2002. — № 2. — С. 43—54.

34. Першуков В.А., Горячев В.Д., Винберг А.А., Кизелеев М.В. Математическое моделирование горения пылеугольного топлива в камерах сгорания // Тепломассообмен. Минск: АНК «ИТМО им. А.В. Лыкова» АНБ. - 1996. - Т. 2. - С. 36 - 39.

35. Устименко Б.П., Джакупов К.Б., Кроль В.О. Численное моделирование аэродинамики и горения в топочных и технологических устройствах. — Алма-Ата: Наука. — 1986. — 224 с.

36. Lokwood F.C., Salooja А.Р., Syed А.А. A prediction method for coal-fired furnaces // Combustion and Flam. 1980. - Vol. 38, № 1. - P. 1 - 15.

37. Kafui K.D., Thornton C., Adams M.J. Discrete particle-continuum fluid modelling of gas-solid fluidised beds // Chemical Engineering Science. -2002. № 57. - P. 2395-2410.

38. Fan J.R., Zha X.D., Sun P., Cen K.F. Simulation of ash in a pulverized coal-fire boiler // Fuel. 2001. - № 80. - P. 645-654.

39. Ландау Л.Д. Теоретическая физика: в 10 т. — М.: Наука, 1973.

40. Srdjan Belosevic, Miroslav Sijercic, Simeon Oka, Dragan Tucakovic Three-dimensional modeling of utility boiler pulverized coal tangentially fired furnace // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2006. -49. P. 3371 - 3378.

41. L.X. Zhou, L. Li, R.X. Li, J. Zhang Simulation of 3-D gas-particle flows and coal combustion in a tangentially fired furnace using a two-f luid-trajectory model // Powder Technology. 2002. - 125. - P. 226 - 233.

42. Бубенчиков A.M., Старченко А.В. Численные модели динамики и горения аэродисперсных смесей в каналах. — Изд-во Том. ун-та. — 1998.-236с.

43. Зайчик Л.И., Першуков В.А. Проблемы моделирования дисперсных турбулентных течений // Материалы III Международного Минского Форума «Тепломассообмен-ММФ-96». 1996. - Т. 5. - С. 123 - 129.

44. Андреева И.В., Бубенчиков A.M., Старченко А.В. К численному моделированию турбулентного переноса при движении газовзвесей в трубах // Моделирование в механике. 1992. - Т. 6 (23), № 1. - С. 10 -16.

45. Андреева И.В., Бубенчиков A.M., Старченко А.В. Применение двухпараметрической модели k-е для расчета турбулентного движения двух фазной среды во входном участке канала // Сибирский физико-технический журнал. 1991. - вып. 2. - С. 65 - 69.

46. Chen Donglin, Liu Liang, Zhen Chuguang, Zhou Huaichun, Yao Bin Quasi-constant temperature combustion for improving the overall performance of a coal-fired boiler // Combustion and Flame. 2003. - 134. -P. 81-92.

47. Luis I. Direz , Cristorbal Corters , Javier Pallarers Numerical investigation of NOx emissions from a tangentially-fired utility boiler under conventional and overfire air operation // Fuel. 2008. - 87. - P. 1259 -1269.

48. William Vicente , Salvador Ochoa, Javier Aguillon, Esteban Barrios An Eulerian model for the simulation of an entrained flow coal gasifier // Applied Thermal Engineering 23 (2003) 1993-2008. 2003. - 23. - P. 1993-2008.

49. J. Fan, L. Qian, Y. Ma, P. Sun, K. Cen Computational modeling of pulverized coal combustion processes in tangentially fired furnaces // Chem. Eng. J. 2001. - 81. - P. 261 - 269.

50. C.H. Scott, L.D. Smoot, A comprehensive three-dimensional model for simulation of combustion systems: PCGC-3 // Energy Fuels. 1993. — 7. — P. 874 - 883.

51. W.E. Ranz, W. R. Marshall, Jr. Evaporation from Drops // Chem. Eng. Program.-1952.-Parti.-P. 141-146.

52. N.Peters Laminar Diffusion Flame let Models in Non Premixed Combustion // Prog. Energy Combust. Sci. 1984. - P. 319-339.

53. K.K. Pillai The Influence of Coal Type on Devolatilization and Combustion in Fluidized Beds // Energy. 1981. - P. 142-152.

54. M.M. Baum and P.J. Street. Predicting the Combustion Behavior of Coal Particles // Combust. Sci. Tech. 1971. - № 3. - P. 231-243.

55. S. Badzioch and P.G.W. Hawksley Kinetics of Thermal Decomposition of Pulverized Coal Particles // Ind. Eng. Chem. Process Design and Development 1970. - № 9. - P. 521-530.

56. R.K. Boyd and J.H. Kent. Three-dimensional furnace computer modeling // In 21st Symp. (Int'l.) on Combustion. 1986. - P. 265-274.

57. N.M. Laurendeau. Heterogeneous Kinetics of Coal Char Gasification and Combustion // Prog. Energy Comb. Sci. 1978. - № 4. - P. 221-270.

58. Виленский T.B., Хзмалян Д.М. Динамика горения пылевидного топлива. М.: Энергия. - 1978. - 248 с.

59. А.Б. Резняков Горение натурального твердого топлива // Алма-Ата: Наука, 1968. -410 с.

60. Хзмалян Д.М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства. -М.: Энергия. 1976. - 488 с.

61. Старченко А.В., Заворин А.С., Красильников С.В. Применение пакета FIRE 3D к анализу процессов шлакования // Известия Томского политехнического университета. 2002. - Т. 305. - № 2. - С. 152-157.

62. Зимонт B.JL, Трушин Ю.М. О суммарной кинетике горения углеводородных горючих // Физика горения и взрыва. — 1969. Т. 5, №4.-С. 567-573.

63. Ока С., Милошевич Д., Павлович П., Стефанович П. Математическое моделирование высокотемпературного турбулентного газового потока над поверхностью с интенсивной абляцией // Теплофизика и аэромеханика. 1994. - Т.1, №4. с. 265-277.

64. Spalding D.B. Mathematical models of turbulent flames: a review // Combustion Science and Technology. 1976. - Vol. 13, N. 1-6.-P. 3-22.

65. Magnusen B.F. Hjertager B.H. On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion // Proceedings of 16th Int. Symposium on Combustion. — Pittsburg. — 1976. — P. 719-727.

66. Кроу, Шарма, Сток. Численное исследование газокапельных потоков с помощью модели «капля-внутренний источник» // Теоретические основы инженерных расчетов. 1977. - Т. 99, №2. - С. 150-159.

67. Fischer К., Leithner R., Muller H. Three-dimensional of the gas-solid flow in coal-dust fired furnace //Proceeding of the First Int. Symposium on Two-Phase Flow Modelling and Experimentation. Rome. Italy. 1995. -V.l.-P. 1387- 1393.

68. Бабий В.И., Куваев Ю.Ф. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела. М.: Энергоатомиздат, 1986 - 208 с.

69. Ярин Л.П., Сухов Г.С. Основы теории горения двухфазных сред. — Л.: Энергоатомиздат , 1987. 312 с.

70. Кнорре Г.Ф., Арефьев K.M., Блох Е.А., и др. Теория топочных процессов М. - Л.: Энергия, 1966.

71. Кутателадзе С. С. Аэродинамика и тепломассообмен в ограниченных вихревых потоках. АН СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т теплофизики. — Новосибирск : ИТФ. - 1987. - 282 с.

72. Красильников C.B. Численное исследование пространственных двухфазных течений и горения в пылеугольной топки с учетом шлакования. Томск. - 2003. - 155 с.

73. Маршак Ю.Л., Гончаров А.И., Процайло М.Я. и др. Опытное сжигание Березовского угля повышенной зольности // Теплоэнергетика. 1978. - №8. - С. 9 - 14.

74. Маршак Ю.Л., Сучков С.И., Цедров Б.В. и др. Исследование сжигания Березовского угля в низкотемпературной топочной камере // Теплоэнергетика. 1981. -№7. - С. 9 - 14.

75. Маршак Ю.Л., Верзаков В.Н. Исследование горения березовского угля в тангенциальной топочной камере с газовой сушкой топлива // Теплоэнергетика. 1982. - №8. - С. 4 - 9.

76. Гупта А. и др. Закрученные потоки. М.: Мир, 1987. - 588 с.

77. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй М.: Физматгиз, 1960.

78. Мостафа A.A., Монджиа Х.Ц., Макдонелл В.Г., Самуэльсен Г.С. Распространение запыленных струйных течений. Теоретическое и экспериментальное исследование // Аэрокосмическая техника. — 1990. № 3. - С. 65-82.

79. Асланян Г.С., Майков И.А. Численное исследование влияния турбулентности на процессы горения // Теплофизика высоких температур. 1994.-Т. 32, №6.-С. 892-901.

80. Померанцев В.В. Основы практической теории горения. Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 312 с.

81. Устименко Б.П., Алияров Б.К., Абубакиров Е.К. Огневое моделирование пылеугольных топок. Алма-Ата: Наука, — 1982.

82. Шагалова С.Л., Соловьев Л.К. Исследование структуры кольцевых струй и факелов вихревых горелок в изотермических условиях // Теплоэнергетика. 1983. - №6. - С. 31 - 35.

83. Шагалова С.Л., Шницер И.Н. Сжигание твердого топлива в топках парогенераторов. Л.: Энергия, 1976.

84. Шагалова С.Л., Тимошин Ю.А., Резник В.А., Шницер И.Н. Экспериментальное исследование процесса горения пыли AHI втопках мощных паровых котлов // Теплоэнергетика. 1963. - №2. - С. 2-9.

85. Резников М.И., Липов Ю.М. Паровые котлы тепловых электростанций: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1981. -240 с.

86. Бабий В.И., Серебрякова А.Г., Попова И.Ф. О длительности горения частиц пыли кузнецких углей марок Д, Г, ГЖ, СС // Теплоэнергетика. 1977. -№ 1.-С. 13-15.