Взаимодействие электрической дуги с потоком газа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

»10 .0.4

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И УГ ОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КОМПАНИЯ КАЗАХСТАН ЭНЕРГО

КАЗАХСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА Ш.Ч.Чокимя

На правах рукописи

БУЯНТУЕВ СЕРГЕЙ ЛУБСДНОВИЧ

УДК 537.52: 621.3

Взаимодействие электрической дуги с потоком газа (К проблеме повышения эффективности применения электродуговых аппаратов в энергетике)

01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ , диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Алматы 1995

Работа выполнена в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете (г. Улан-Удэ) и в лаборатории плазменноэнергети-ческих процессов АО Гусинооэерская ГРЭС

Официальные оппоненты:

Академик инженерной академии наук PK, доктор технических наук, профессор A.B. Болотов

Действительный член Нью-Йоркской академии наук, доктор технических наук, профессор З.Б. Сакипов

Член - корреспондент НАНРК, доктор физико-математических наук, профессор С.Н.Харин

Ведущая организация - Институт теплофизики СО РАН (г.Новосибирск)

Защита состоится /г . )95с£~в /^часов на заседании

специализированного совета Д.27.08.01 при Казахском научно-исследовательском институте энергетики имени академика Ш.Ч.Чокина по адресу: 480012, г.Алматы, ул. А. Байтурсынова, 85.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института

Автореферат разослан

У/ 194 ¿Г

Ученый секретарь специализированного совета Д 27.08.01.

C.H.C., K.T.II.

К.А. Сулсйменон

Общая характеристика работы Актуальность работы. Мощные электродуговые разряди в продольном потоке газа, благодаря специфическим электро-термогазодинамическим свойствам, нашли широкое применение в олектро-теплоэнергетике и современных высокоэффективных технологиях: автоматы гашения поля, коммутационные аппараты, плазмотроны для воспламенения и стабилизации горения топливных потоков, плазменные аппараты для газификации и комплексной переработки углей и плазмохимии.

Исследованиям в этой области посвящено значительное количество расчетно-теоретических и экспериментальных работ (М.Ф.Жуков, Л.С.ГГолак, Г.Н.Кружилин, А.В.Болотов, З.Б.Сакипов, О.Б.Брон, Г.А.Кукеков, О.Я.Новиков, С.Н.Харин и др.)

Несмотря на накопленный опыт, существует ряд проблем, связанных с изучением процессов в электрической дуге, обдуваемой потоком газа и поиском путей повышения эффективности работы дутьевых систем для увеличения теплосъема с дуги в газовых выключателях или увеличения концентрации энергии в плазменных генераторах.

Эффективность применения электродуговых процессов и аппаратоЕ в традиционных и новых технологиях определяется уровне»! изученности основных закономерностей их поведения в конкретны? условиях. Например, в однофазных процессах горения и гашенш коммутационной дуги - явлений, происходящих при воздействии потоке холодного газа на плазму столба дуги, а в двухфазных процесса: воспламенения пылеуголыюго факела - явлений, происходящих пр! воздействии плазмы на химически реагирующие частицы угля.

Перспектива развития современных высоковольтных выключателе! ориентируется в основном на аппараты классического типа с коммутацией, сопровождающейся возникновением дуги, теплосъем с которо! осуществляется потоком холодного газа. Анализ работы выпускаемых 1 настоящее время промышленных электродуговых устройств подобноп типа для различных систем показывает, что они зачастую не отвечаю современным требованиям по уровням отключаемых токов, напряжени на разрыв, быстродействию, надежности, эрозионной стойкости.

Электродуговые устройства другого типа - плазменные генерато ры, например, для сварки и резки металлов, выпускаются серийно н мощности до десятков и сотен киловатт, однако разработка и выпус мощных плазмотронов на сотни и тысячи киловатт для плазмохимии плазмоэнергетики производятся практически поштучно или малым сериями. Это связано со сложной взаимосвязью электро-термо-газоди

намических процессов в электрической дуге, обдуваемой потоком газа в камерах электродуговых аппаратов рассматриваемых типов, что обусловливает трудности создания универсальных методов исследований, а также инженерных методов расчета и проектирования.

Анализ показывает, что в однофазных влектродуговых процессах эти факторы обусловлены влиянием потока газа в разные стадии горения и гашения дуги от амплитудных до нулевых значений тока, геометрией дутьевых систем, термохимическими эффектами в столбе дуги и особенностями эрозии электродных узлов, а в двухфазных -кроме указанных выше факторов, благодаря высокой температуре, химической активности реагентов (уголь+окислитель) и дополнительному вкладу энергии плазмы. Экспериментальные исследования этих существенно нестационарных процессов чрезвычайно затрудненны. Поэтому разработка адекватных моделей теплообмена и математического аппарата для их описания при определенных режимах работы представляет собой актуальную задачу теории электродуговых процессов и аппаратов.

Таким образом, экспериментальное и теоретическое исследование процессов тепло- и массообмена в электродуговых устройствах, применяемых в енеергетике, разработка практических рекомендаций для оптимизации, повышения эффективности работы существующих и создания новых электродуговых аппаратов и процессов является актуальной научной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значенние.

Работа выполнялась согласно:

- планам научного Совета АН СССР по проблемам "Физика низкотемпературной плазмы" и "Низкотемпературная плазма в энергетических установках", 1981-1991гг.;

- региональной научно-исследовательской программе "Сибирь" СО РАН по проблеме 02 "Разработка нового плазменного оборудованния и технологических процессов для получения веществ и материалов", 1986-1991гг.;

отраслевой научно-технической программе министерства электротехнической промышленности СССР по повышении«) эффективности работы коммутационных аппаратов и созданию автоматизировании систем испытаний, 19&6-1990гг.;

- заданию РАО "ЕЭС России" 03.00 шифр СИ 8205."Создание опытно -промышленной системы Оезмазутного розжига и подсветки пылеуго-льного факела с помощью электродуговых плазмотронов",1992-1995гг.;

\ .

- планам НИР Восточно-Сибирского государственного технологического университета, 1981-1995гг.;

- программе НИР лаборатории плазмеНноэнергетических процессов АО Гусииоозерская ГРЭС, утвержденной РАО ЕЭС России, 1994-1995гг.;

Целью работы являлось проведение комплекса исследований, включагаих теоретический анализ теплофизаческих процессов в электролуговых устройствах с газовым дутьем, работающих в однофазных и двухфазных средах, разработку математических модел-1 динамики горения и гамения электрической дуги, обдуваемой потоком газа, . исследование особенностей влияния потока газа на характеристики электрической дуги, оценку термоэлектрических потоков энергии в столбе электрической дуги, термодинамический анализ состава плаз-мообразувдих газов, экспериментальные исследования и оптимизацию параметров дутьевых систем, выявление эффективности использования электродуговой плазмы при термической подготовке к сжиганию и плазменной газификации угля, ловыяенпе эффективности плазменных процессов и аппаратов, применяемых в эйергетике, создание новых аппаратов, технологий и специальных схем и источников питания к ним.

В соответствии с поставленной целью задачами исследований являлись:

- разработка моделей электрической дуги в потоке газа на основе гиперболического и параболического уравнений теплопроводности;

- анализ и сравнение разработанных нодолей с известными ММ!

- численные и аналитические исследования нестационарных электродуговых процессов на осново системы уравнений Газовой динамики с учетом коэффициента релаксации;

- разработка динамических моделей для исследования влияния потока газа на характеристики дуги постоянного и переменного тока, учета внутренних термоэлектрических эффектов в дуге, влияния параметров це-'и и источника питания и выявления возможностей акпивалентиропания при расчетах схем с источником напряжения и тока, применяемых при испытаниях коммутационных аппаратов, а тпкжа и схемах питания плазменных генераторов;

- установление основных механизмов теплосьема с электрической дуги постоянного и поремошюго тока, обдуваемой потоком гаэл в различных режимах ее горения, оценка вклада отдельных механизмов теплосьема н сравнение с экспериментальными ванными;

- термодинамический анализ поведения дугогасявшх и плазмооб-разующих газов и плазменных эффектов в электродуговых устройствах, работают« в однофазных И двухфазных средах;

- разработка новых дугогасительных устройств коммутационных аппаратов;

- исследование эрозии электродов дугогасительных устройств газовых выключателей и электродных узлов плазменных аппаратов;

'- повышенна ресурса работы электродов электродуговых аппаратов, повышение эффективности работы аппаратов и создание новых электродуговых устройств для плазменных технологий в энергетике;

- разработка и создание новых многопостовых систем электропитания электродуговых аппаратов;

- на основе создания новых элекгродуговых аппаратов и источников их питания разработка и внедрение плазменных технологий термохимической подготовки,розжига,стабилизачии горения пылеугольного факела, стабилизации выхода жидкого илака на разных типах котлоаг-регатов с различными системами пылеподготовки и разными конструкциями горелок;

- автоматизация систем исследований и испытаний коммутационных аппаратов и плазменных генераторов для оптимизации их дутьевых систем и повышения эффективности работы.

На1ЧНая_нд?иэна_равдты

1. Предложена новая теория нестационарных илазменноэнергети-ческих процессов, основанная на решении системы уравнений газовой динамики с учетом коэффициента релаксации.

2. Разработаны аналитические и численные модели динамики изменения термоэлектрических потоков энергии в электрической дуге, обдуваемой потоком газа, оценки влияния потока газа на характеристики дуги.

3. Исследованы специфические особенности и основные закономерности дуги постоянного и переменного тока при различных давлениях, геометриях дутьевых систем и параметрах электрической цепи.

4. Проведены термодинамические исследования теплофизических свойств плазМообразующих и дугогасявих смесей газов в широком диапазоне давлений и температур, позволившие получить новые данные по их составу, теплоемкости, теплопроводности и вязкости.

5.- Исследован принципиально новый способ гааения дуги в среде элегаэа.

6. ггсследавава? к выйвдвва- . эффективность использования электролуговой плазмы при термической подготовке угля по сравнению с традиционными огневыми способами.

?. Исследованы и получены основные закономерности эрозии электродов электродуговых аппаратов (плазменных генераторов и газовых выключателей).

8. Проведено теоретическое обоснование для создания многопостовых систем электропитания электродуговых аппаратов.

Пра^ХУчвдкаценноехь_в§боты заключается в разработка научных основ расчета нестационарных электродуговых процессов в однофазных и двухфазных средах; получен критерий оценки энергетической эффективности различных электродуговых систем с газовым дутьем; получены зависимости эрозии электродов электродуговых устройств газового дутья от материала электродов, плазмообразующей среды и геометрии дутьевых систем¡проведен анализ постановки и методов опытных исследований на уменьшенных моделях дутьевых систем и применения методов подобия и моделирования; получены новые данные по равновесному составу и теплофизическим свойствам элегаза и смесей элегаза с азотом в широком диапазона температур и давлений,которые могут быть использованы при расчетах, проектировании и разработке новых типов электродуговых аппаратов;предложен новый автогазовый способ гавения коммутационной дуги, основанный на принципе возгонки элегаза из одного агрегатного состояния в другое под действием энергии дуги с образованием высокого давления в дутьевой камере; проведено обоснование, выбор типа и оптимизация генератора низкотемпературной плазмы для воспламенения гшлнуголыюго факела; исследованы энергетические и эрозионные характеристики плазмотронов для розжига котлов ТЗС и газификации углей, даны рекомендации по повышению ресурса работы электродов электролуговых аппаратов; разработана новая многопостовая система электропитания для параллельной работм электродуговых аппаратов; на основе исследований процесса газификации в плазменном реакторе оонмецошюго типа получен из низкосортных углей экологически чистый синтез-газ с высокими показателями.

В лаборатории "КолиОатолькый контур" Восточно-Сибирского государственного технологического университета для нсслидопаний нестационарных процессов горения и гашения дуги а каморах . угога-сктелышх устройств с продольник газовым ¡пльим создана автомзти-

г»

г

зированная система научных исследований • "Программно-технический комплекс "Колебательный контур" (ПТК "Контур")".которая была взята за основу при создании автоматизированной системы испытаний электрических аппаратов (АСИЗЛА) на сетевом испытательном стенде НИИ АО "Электроаппарат".

В лаборатории плазменноэнергетических процессов Гусиноозерс-кой ГРЭС создана аналогичная система для исследований характеристик плазмотронов, отработки технологии воспламенения пылеугольного факела (ПУФ) на моделях горелок котлоагрегатов и аппаратов для га-зификаиии углей.

Основные научно-технические реяения по разработке плазменноэнергетических процессов и аппаратов завидены тремя авторскими свидетельствами СССР и семью патентами Российской Федерации.

На основании теоретических и экспериментальных исслеяоваш'1, проведенных автором, разработана и внедрена технология плазменной угольной растопки на двух котлоагрегатах типа ТПЕ-215 с плоскофакельными горелками на Гусиноозерской ГРЭС и принята межведомственной комиссией; восьми котлоагрегатах типа БКЗ-420 с целевыми горелками на Улан-Баторской ТЗЦ-4. двух котлоагрегатах типа БКЗ-75 с турбулентными горелками на Эрдэнэтской ТЭЦ в Монголии, внедрена технология плазменной стабилизации выхода жидкого шлака на котле типа БКЗ-640 ГО ГРЭС. На указанных ТЭС разработана \и внедрена новая оригинальная многопостовая система питания для параллельной работы плазменных генераторов. На Улан-Баторской ТЭЦ-4 впервые разработана и внедрена обпестанционная схема электроснабжения систем плазменного воспламенения и стабилизации горения пылеугольного факела.

б£В95ВУ§_и9|о?§5ия1_Вын9симые_на_за!иту^

1. Математические модели и полученные на их основе результаты

т

теоретического исследования нестационарных электродуговых процессов в потоке газа.

2. Численные и аналитические методы исследования динамики влияния потока газа на характер теплофизических процессов и термоэлектрических потоков энергии в моделях дуги.

3. На основе термодинамического анализа дугогасяшпх и плазмообразуюших газов получены теплофизические параметрыуазов и их смесей в широком диапазоне температур, которые могут . иметь практическое применение при расчете электродуговых устройств.

4. Новый автогазовый способ гашения дуги в потоке газа, основанный на принципе возгонки злегаза из твердого состояния в газообразное под действием энергии дуги.

5. Результаты исследований влияния геометрических параметров, материала электродов, дугогасящей среды, параметров цепи и источников питания на динамику горения и гашения электрической дуги в потоке газа.

6. Результаты исследований по выявлению эффективности использования электродуговой плазмы при термической подготовке угля.

7. Результаты исследований эрозии электродных узлоь дугогаси-тельных устройств и плазменных генераторов и способы повыиения ресурса работы электродов плазменных аппаратов.

8. Теоретическое обоснование и практическая реализация многопостовой системы питания плазменных аппаратов при различных режимах их работы.

9. плектродуговые устройства и результаты исследований по плазме: ному воспламенению пылеугольного факела, газификации угля и стабилизации выхода жидкого шлака в энергетическом котле.

10. Обоснование и практическая реализация автоматизированных систем научных исследований и испытаний (АСШШ) электродуговых устройств для исследований на макетах и испытаний натурных образцов.

Лпвобация.рабохы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- 34-м Международном коллоквиуме по высоковольтным выключателям (Ильменау, ГДР. 1989);

- сессиях секций Научного совета АН СССР по проблеме "Физика низкотемпературной плазмы. " (Ленинград, 1987, Алма-Ата, 1988, Улан-Удэ, 1938, Алма-Ата, Улан-Удэ, 1991г.);

- IX Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы, (Новосибирск, 1989г);

- Всесоюзном научно-техническом совещании "Перспектива развития высоковольтных аппаратов" (Ленинград, 1990);

- межвузовской конференции "Электротпхнолпгия-ЭГ. АЭИ (.Алма--Атз, 1991); .

I - международном симпозиуме "Электрические контакты. • Теория и приложения", (места' 93), (Алма-Ата, 1993);

- международной иаучао-практичоской конференции по плазменным тохнологиям в эноргетике (Гусиноозерск. 1993); .

- второй Всероссийской конференции по математическим проблемам экологии (Новосибирск, 1994);

- международной конференции "Физика и техника плазмы" (Минск, 1994);

- 2-м международном симпозиуме по теоретической плазмохимии (1бтарз - 95),(Иваново, 1995);

- международном семинаре "Новые технологии" (Новосибирск, Гусиноозерск, 1995);

- научных семинарах Института теплофизики СО РАН,Санкт-Петербургского технического университета, научных конференциях Восточно-Сибирского государственного технологического университета.

Сгбликауии. По теме диссертации опубликована 91 печатная научная работа, из которых 3 монографии (в соавторстве), 41 статья, 37 тезисов докладов, получено 3 авторских свидетельства СССР и 7 патентов на изобретения Российской Федерации.

С1РХктура_и_об1>ем_работы. Диссертация состоит из введения, семи глав. тематически разбитых на три части, заключения, приложения и списка литературы из /I/ наименований. Объем работы составляет^^^ страниц, включая ¿¿^страниц машинописного текста, £2 рисунков, таблиц.

Краткое_со5ержание_равоты.

?°-Яве£ениИ'обоснована актуальность работы, сформулированы её цель и задачи, изложена структура диссертации и основные результаты. Показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Приведены основные положения, выносимые на защиту, отражены апробация и публикация основных результатов работы в научной печати.

Глава 1. Особенности процессов горения электрической дуги в камерах электролуговых аппаратов

Ввиду чрезвычайной сложности процессов тепломассообмена, протекающих в электрической пуге, горящей п дугогасительных камерах электрических аппаратов и камерах плазменных генераторов,в настоящее время не существует универсальных методов расчета рассматриваемых аппаратов, с помощью которых возможно с достаточной точностью прогнозировать требуемые параметры. При создании новых типов и оптимизации существующих аппаратов для повыиения эффективности их работы требуются многофакторные теоретические и экспериментальные исследования.

Рассмотрены особенности горения дуг постоянного и переменного тока в камерах электродуговых устройств с продольным газовым дутьем: коммутационных аппаратах и плазменных генераторах. Показан аналогичный характер протекания стационарных и нестационарных процессов при горении и гашении дуги в камерах рассматриваемого класса электродуговых аппаратов;влияния параметров источника питания, цепи, геометрии дутьевых систем, материала электродов, дуго-гасящих и плазмообразуюиих газов на эти процессы в различных режимах работы электродуговых.устройств.

При экспериментальных исследованиях однофазных элек родуговых процессов в камерах газового дутья обоснован и применен комплексный поэтапный подход,заключающийся в лабораторных исследованиях на установках малой мощности, прогнозировании параметров натурного образца,с применением методов теории подобия и моделирования, и сопоставлении результатов натурных и модельных исследований.

При разработке плазменноэнергетических аппаратов для нагрева двухфазных и многофазных сред предварительные исследования проведены также на уменьшенных моделях с дальнейшим использованием результатов при создании онытно-промывленных стендов.

Анализ физических процессов в электрической дуге в потоке га~а позволил сформулировать задачи настоящей работы. Глава 2. Математическое моделирование взаимодействия электрической дуги с потоком газа

Вторая глава посвящена математическому моделированию процессов теплопереноса в дуге переменного или постоянного тока, обдуваемой потоком сжатого газа. Для описания релаксации трубки горячего газа после прекращения тока приводятся постановки математических моделей трех уровней сложности: одномерной,двухмерной и трехмерной по пространственным переменным, а также динамических моделей для исследования влияния потока газа на характеристики дуги и учета внутренних термоэлектрических эффектов в стационарных и нестационарных режим;, . горения дуги.

Для решения поставленных задач применяются различные аналитические и численные методы, причем некоторые из них: метод моментов, ряды Бурмана-Лагранха. -впервые. Общим для некоторых приведенных моделей япляотся применение обобщения уравнения Фурье с введением л-коэффициента твпЛоноП релаксации, позволяющего получать вместо классических параболических моделей гиперболические.

Й

Ь силу тепловой инерции плазмы в области перехода тока через нуль температура дуги достаточно высока (на оси -7000°К), а время гашения и тепловая постоянная времени дуги i для продольного дутья в воздухе, элегазе или смесях элегаза с азотом имеют длительность от единиц до десятков микросекунд, и тепловое равновесие достигается сравнительно быстро.Поэтому,если процессы в области амплитуды тока обычно представляют как установившиеся (квазистационарные), то дугога'шение в области нуля тока необходимо рассматривать как существенно нестационарный процесс,описываемый Гиперболической моделью. К этой проблеме примыкает моделирование волнового механи-■ зма теплопереноса,обусловленного конечной скоростью распространения Тепла.

Из обойденного уравнения Фурье и уравнения теплового баланса:

выводится уравнение теплопроводности гиперболического типа!

v dt v dT dt дх2

где су -удельная теплоемкость,g -удельная плотность, т -температура, А -коэффициент теплопроводности,Q(Г) -внутреннее тепло.

Начальные и .краевые условия для функции T(x,t):

йт

Т(х,0) = Ф-(х); g¿(*»0) = Ф,(х);

дт i et 2 . (2Z)

35(0,t) = о; T(l,t) = о,з,

(х) - профиль экспериментальной кривой температуры элегаза в момент нуля тока (t-О); х-о- ось дуги, *x=i- радиус столба дуги. Для задания <Р2(х) применяем параболическое уравнение теплопроводности;

Зт. д^т, ''

«МЮ » fr\ = k 2-|| = к <р (х).

с ot. t=o дх2 t=0 1 '

Здесь .'отсчет по шкале тем эратур - в ты с. К; характерный размер по

радиусу - 1 см. На основе опытных данных: к = --- «■ 70 .

v»

Краевая задача (2.1 - 2.2) решается в два этапа. На первом -- применяется Метод моментов, позволяющий получить систему обыкновенных дифференциальных уравнений относительно обобщенных моментов функции T(x,t) по переменной х. На втором этапе для решения полученной задачи Коши используются два метода аналитический, с применением рядов Бурмана-Лагранжа, и численный по схеме Рунге-Кутта.

Рассчитывая аналитически не все T(x,t),a только функцию T(0,t T(O.t) = 7 - 0,271 + (0,271 + 0,289-(A.t) + 0,308'-^fü +

■f 0,328-^|¿ + о,345-%|^ +

проведем серию расчетов для различных О. при t = 10 мкс и найдем таблицы 2.1 оптимальное значенние коэффициента а = 4-10 условия наибольшего спада температуры T(0,t) на оси дуги: Анататическое_решение_на_оси Таблица 2.

а 5-ю 5 10 5 5-Ю~б 4'10~б 3,5-Ю"6 3-Ю-6 ю-6

T(0,t) 6,258 6,233 6,219 6,218 6,219 6,225 6,516

Для подтверждения корректности полученных аналитических форм задача Коши для системы решается также численно с помощью апр бированного метода Рунге-Кутта четвертого порядка точности. В та лице 2.2 приведены значения функции Т(0Д) и ее первой производи для того же момента времени t = 10 мкс.

Таблица 2.

а шаг по времени T(0,10~5) T¡(0,10~5)

4-Ю-7 t=10~b 6,32 -64445

Ю-7 t=10~7 6,317 -63629

Из таблиц 2.1 - 2.2 видно, что рассмотренная модель, одноме ная по пространственной переменной не обеспечивает требуемой ск рости спадания пика температуры на оси дуги до температуры на пе риферии дуги, т.е. с 7000 К до 3000 К, за интервал времени 10 мк соизмеримый с тепловой постоянной времени дуги в элегазе. Несмот на это, из этой модели хорошо видно, как с помощью метода момент и рядов Бурмана-Лагранжа решается возникшая задача оптимизац гиперболической математической модели по параметру теплов релаксации а с использованием только одной кривой T(0,t) - зада изучения динамики спадания температуры на оси дуги без получен всего поля температуры, которое возможно с помощью более сложи численных методов.

Приведем постановку второй смешенной краевой задачи:

Найдем решение Т(г,1;) в (0,1 )х(0,а>) дифференциального

уравнения в частных производных гиперболического типа 2-го

порядка: Р

с^Т ЗТ 1 3 ЗТ

а—5 + — -----(кг —), (2.3)

д\Г г Зг Зг

удовлетворяющее следующим начальным и краевым условиям:

ЗТ 1 д Зф.

Т(г,0) = ф. (г), — (г,О) -----(кг —• ),

Зt г Зг Зг

ЗТ

— (0,1;) = О Т(1 Д) = 0,3.

дЬ

Применяя аналогичную методику разложения по моментам, получим систему ОДУ, результаты численного расчета которой методом Рунге-Кутта приведет в таблице 2.3-

Гипербожческая_дау™ерная_£осеси^етри Таблица 2.3

а шаг по времени Т(0,10~5) т^до.ю-5)

4•10-7 3,597 -306007

10~7 t=10-7 3,563 -298347

Анализ приведенных расчетов показывает, что осесимметрическая двухмерная модель лучше описывает спад температуры электрической дуги. Взяв в уравнении (2.1) джоулево тепло 0(Т) = 0(Т)£Г, получаем на основе опытных данных для удельной проводимости элегаза

о(Т) и напряженности электрического поля дуги Е = 100 в/см: _Р сКЭ ей

с^р ~ 10 % — < ЮЛ о р - а--~ оо,

с!Т У <Ы у

откуда из уравнений (2.1), (2.3) будет следовать уравнение:

32Т ЗТ к 3 ЗТ 0(1)

а--р + — -----(г —) + --(2.5)

д\ Зt г Зг Зг оур

На этапе структурной идентификации математической модели (ММ) исследуемого процесса с нелинейным внутренним источником тепла рассчитываются численно температурные поля классической параболической ММ и выведенной гиперболической, для которых скорость спадания пика температуры на оси дуги у гиперболической ММ [табл.2.4,а] существенно выше, чем у параболической [табл.2.4.,б], что лучше согласуется с экспериментальными данными.

На этапе параметрической, идентификации гиперболической ММ, в

основе которой краевая задача (2.4-2-5), решена задача оптимизации

-1

- определено значение коэффициента тепловой релаксации а = 10 .

Т 4

Сравнение_£ешений_на_оси_д^ги Таблица 2.4

г 0 10-10 6 15-Ю 6 20-10 6

Т(О^) 7 5,753 4,452 3,443 2,721

t 0 5•10-5 10-Ю"5 15 -Ю-5 20-Ю-5

т(о,и 7 4,463 3,712 3,182 2,832

Перейдем теперь к рассмотрению осесимметрической трехмерной модели с добавлением аксиальной координаты ъ, т.е. с учетом газодинамики дугового разряда, и приведем постановку третьей смешанной краевой задачи: находятся поля температуры и скорости системы

Зр 3 1 д <ЭТ с^

ч--+----=

дт г

ар

^ } +

дь 2

+ Г" at 2

ЭТ

А.---а —

Эг дЬ

дч

+ — = ~ Г"

дг

дт.

рср(

дт сН

ат

+ V,

+ V

удовлетворяющие следующим начальным и краевым условиям:

1) = ф, (г);

дт 4) — дг

б) ч|г=0

^=0 = = О;

аг

I

2)

5) чи=0

7) V '

) = 0(Т)

г аг 1 д

(т]г

аг

(2.6)

г дг

др

(гЧ) + V —

0,3; 3)

ат

г=0 = 0;

= -А.-

дт

дт t=0 =

2Рг

Р

(2.7)

= = ,1пр; 3

3) *21и=0 = 0:

9) 7ги=0 = 0;

■ о

О.

10> утIг=0

Здесь пренебрегается аксиальной теплопроводностью и, обусловленной вязкостью, диссипацией энергии. Влияние геометрии разрядной трубки отражено в системе уравнений (2.6) посредством члена с продольным импульсом р(г), для которого хорошей аппроксимацией в момент времени, близкий к моменту пребывании тока, является продольное распределение давления газа.

Система уравнений газодинамики, применяемая в работах К.Рагаллера, является частным случаем системы (2.6) прим а=0. Для решения поставленных краевых задач для системы К.Рагаллера и системы (2.6) были составлены и отлажены программы с использованием метода моментов к решению краевой задачи (2.6-2.7).

Далее проведено исследование дуги постоянного тока. Классическое рассмотрение горения и гашения дуги постоянного тока оснопываотся па статических вольтамперных характеристиках (ВАХ) дуги. Однако горение дуги как переменного, так и постоянного тока - процесс сугубо динамический и поэтому исследовать его неОходимо на основе динамического уравнения дуги.

Динамическое уравнение дуги в потоке газа, применяемое для переменного тока, допускает возможность его использования и в цепи постоянного ток.;). Ото уравнение имеет вид: Ч 1 Р

— = -- - Ь1ё), (2.8)

СП б1

где £ - обобщенная проводимость дуги, в = ( —д )П-

Рассмотрим гашение шунтированной активным сопротивлением и нешунтированной дуги в схеме с источником напряжения. Для первой (рис .2.1,а) уравнение Кирхгофа в безразмерных переменных имеет вид

" 2

<П 1 + £ •А." I I- Не -1 & 6.1 )

К-) &

для второй (рис.2 Л.,б):

с!1 I

— = р- (1 - Г - А.— ), (2.10)

<11 ^

Уравнение (2.10) можно получить из (2.9) при ^-оо, вследствие чего

систему (2.8-2.9) будем в дальнейшем называть математической моделью гашения как шунтированной, так и нешунтированной дуги. Ее решение - ото переходный процесс к устойчивому состоянию.

Численный расчет позволяет построить динамическую ВАХ дуги, получение которой при аналитическом решении практически невозможно Результаты сопоставления экспериментов и расчетов по длительности горения дуги и пикам гашения показывают, что расхождения е длительности горения не превышают 14%,а величина пика гашения-10%.

Исследования и его результаты могут быть использованы при разработке и проектировании дугогзеительного устройства выключателя постоянного тока, для решения вопроса о длительности гашения дуги в режимах, не поддающихся экспериментальной проверке, а также при решении задачи устойчивости цепи с дугой постоянного тока.

С помощью математической модели (2.8-2.9) можно решить и ря,£ других воиросов,встающих перед разработчиками и испытателями аппаратов постоянного тока. Один из них - возможность переноса результатов исследования одного разрыва на условия работы с двумя после-

довательннми разрывами. Сформированная модель позволяет получить соотношения, которые необходимо дать для осуществления возможности переноса:

<»„>,,= 2<»Л ' <4),!= г«Ч>,»

где индексами I, II отмечены параметры схемы при одном и двух разрывах. Эти соотношения получены из условий сохранения идентичности всех коэффициентов модели и начальных условий выключателя с одним и двумя разрывами.

Еде один вопрос, который можно решить с помощью математической модели, связан с испытаниями на коммутационную способность в схеме с источником напряжения. Между тем в условиях эксплуатации выключатель иногда функционирует в цепи с источником тока. В этон случае необходимо схему с источником тока гд эквивалентировать схемой с источником напряжения е .

о

Если схема с источником тока имеет вид, показанный на рис. 2.1, в,то система, описывающая гашение, кроме уравнения дуги (2.9), включает уравнения, выражашне закон Кирхгофа, в виде: а!

ь т и и = о, 1 = 1-1, (г.и)

° сИ: ■ ° 9 во.' '

Таким образом, схема с источником тока I (рис.2.1,в) эквивалентна схеме с источником напряжения Ео» 1ойс (рис.2.1,а). При сохранении идентичности прочих условий гашение дуги в этих схемах происходит одинаково.

Рассмотрены также особенности влияния потока газа на характеристики электрической дуги.Исследовано развитие локальных характеристик дугового разряда в потоке сжимаемого газа в круглой трубе в приближении пограничного слоя без использппанннх ранее в некоторых работах упрощающих предположений.

Для рассматриваемой модели уравнонпи неразрывности, движения, энергии, пол..ого тока, полного расхода и состояния имппт вид:

--- (гди) f --- (гду) = о ; (2.12)

дх дг

ди <?а + „V Й _ _ ар + 1 (г0 л, , . ^

дх дг <1х г дг дг

ди Й + ду Й ш I _д (г А дЬ ) + „ ^ + . (г11.,,

дх дг г дг г дх <1х <>г

г г ;

1 = 2ПЕ / "вгс!г ; о = 2л / "дигаг ; р = д т . (2.15)

О О и

Система (2.12-15) решалась при следующих граничных условиях:

х=о

Х>0

г ег

и = и(г) * ия (1+а2 (-£-) 2), у=о, Р=РН

И

3.

Ь(г) в Ьн (1+а1 (-Е-)

г=о 2В = Й = „ . дг аг

г=г и = V = о

(2.16)

Расчеты проводились для дуги в азоте при р„ч,5-Ш'Па, 1ч65 А,

н

Т - 4000° К, г^-1 см. В таблице (2.5) приведены исходные данные для проведенных на ЭВМ численных расчетов. Теплофизические коэффициенты Аь ( о,л/с ,п,т/и) аппроксимировались степенными зависимостями от

пь

энтальпии: Л -Си ,где п. >=2,л =о,5б2,п =о,41,п.=1.

К к 12 3 4

Анализ результатов численных экспериментов выявил ряд особенностей, уточняющих структуру дугового разряда в продольном потоке

газа (рис.2.2,а.....к). Например, установившееся представление о

стабилизированной дуге в потоке газа как о дуге с неизменными по длине дуговой каморы характеристиками носит приближенный характер, - справедливое тем меньве,чем больше расход газа.

Таблица 2. 5

о

X II III IV V VI VII VIII IX X XI

•'1 -0.5 -0.8 -0.5 -0.8 -0.8 -0.В -0.8 -0.5 -0.5 -0.5 -0.8

2 2 1 1 1 2 2 2 2 2 2

2 2 2 2 1 3 4 2 2 2 2

ин 0,5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.2 0.7 0.01 0.5

0 0.13 0.15 0.14 0.^ 0.13 0.19 0.22 0. 05 0.18 0.003 0.15

ки 1.62 3.73 3.41 14 .8 14.8 3.73 3 .73 4.05 1.17 82.1 14 .9

По длине канала охлаждающее действие потока Газа, нагретого дугой, ослабевает, а теплопроводностный механизм рассеяния энергии дуги усиливается. Однако теретическое получение плоского температурного профиля даже на достаточно большой длине камеры невозмо-

жно из-за эффекта сжимаемости газового потока.

Исследованы термоэлектрические потоки энергии в моделях электрической дуги.

Построенные на энергетическом балансе математические модели, электрической дуги типа Эленбааса-Геллера содержат единственный источник энергии -тепло Джоуля. Выделение в виде тепла Джоуля большого количества энергии электрической дуги приводит к резкой температурной неоднородности в межэлектродном промежутке: от температуры столба дуги -/1-2/-Ю'К до температуры /2-3/-10эК плавления материала электродов или стенок канала, в Котором горит дуга.

Приведены описание и результаты исследования математической модели дугового разряда с учетом дополнительного к Джоулеву теплу термоэлектрического потока энергии.

Рассмотрим баланс энергий для элементарного участка дуги единичного поперечного сечения и длиной Ах в продольном направлении. Поток энергии д, складывается из следующих составляющих:

йт

1 теплоггроводностного потока л ^ ,

2. кинетической энергии носителей зарядов (электронов) д'Чк »

3. потенциальной энергии носителей зарядов ;)».

Здесь: х - теплопроводность.дугообразующего газа; т - температура; j - плотность тока дуги; е - заряд электрона; <зк- кинетическая энергия электрона; ? - потенциал электрического поля дуги. Тогда

(3 - - х -- - (ч - еф) ах в *

В стационарном случае = о, и,с учетом Е= - д®, я- §кт, ах ах "

»-"Сапе*:, получим:

хх" + + .}-.- „ о (2.17)

е 3 с(Т)

Полученное уравнение энергетического баланса Дугового разряда

(2.17) содержит дополнительный, термоэлектрический поток энергии о . .-5чт.

е 2 )

В соответствии с (2.17) знак дополнительного потока тепла од и энергетическом балансе дуги зависит от произведения диакон направления тока ;) и грпдиента температуры Т'.

Активизацией пли ослаблониом термоэлектрического потока энергии можно интенсифицировать процессы обрыва и глиония дуги когда это необходимо п технических приложениях, напрнмкр, при.

размыкании тока в выключателях. В плазменных генераторах для достижения стабильной их работы в режиме стационарного горения дуги, наоборот, необходимо ослабить влияние дополнительного потока, энергии для уменьшения эрозии электродов.

Глава 3. ТермояинамичвскиА анализ элегаза {вг() и его смесей с азотом

В третьей глава приведен анализ физико-химических свойств элегаза и его сносей с азотом, которые находят широкое применение кок в качеств дугогэ-ящей среды в коммутационных аппаратах, так и в качество плазмообразуюжего газа генераторов плазмы при травлении материалов в микроэлектронных технологиях и т. л. Если тепло-фпзИчэские и термодинамические свойства воздуха и других плазмооб-разуюишх газов исследованы достаточно подробно, то этого нельзя сказать об элегазе и его смесях.

Показано, что, используя специфические физико-химические свойства эле!аза, можно создать принципиально новые конструкции электродуговых устройств. В работе проведены исследования и получен новый способ гашения сильиоючиой коммутационной дуги высоковольтного выключателя. Элегаз в твордом состоянии находится в капсуле, которая подается в мехконтактный промежуток в момент отключения. При этом за счет энергии дугового разряда,возникающего при отключении, начинается интенсивная возгонка твердого элегаза из капсулы, с увеличением объема, как показали расчеты, более чем в 300 раз.

Опытные исследования на лабораторном макете элегазового выключателя показали возможность успешного гашения дуги при возгонке твердого элегаза с организацией дутья из дугогасительных камер малого объема. Для принятия рекомендаций по конструкции и габаритам дугогаснтельного устройства на определенные параметры по току и напряжению требуются дальнейшие исследования.

Проведены численные исследования тсплофизических и термодинамических свойств элегаг'А и его смесей с азотом в широком диапазоне давлений и температур.

Для расчетов состава, теплофизических и термодинамических характеристик газовых смесей была использована уштег"альная программа АСТРА, разработанная в МГТУ им. Баумана и базирующаяся на принципе максимума энтропии изолированных термодинамических систем, находящихся в состоянии равновесия.

Расчеты производились в диапазоне давлений от 0,1 до 1,0 МПа,

при теипературах от 293 К до 45000 К на ПЭРИ типа IBM/PC. Рассматривалось изменение сорока компонентов, на которые может диссоциировать злегаа и его смеси, но «ля наглядности графиков и удобства оперирования составом были выведены из ЭВМ на печать кривые изменения наиболее характерных для элегаза компонентов с высокой концентрацией: sf , sr , SFsr,, F, F . N. o„.

6 5 4 3 л с 2

Проведенные исследования позволили получить ранее неизвестные данные по составу газовой фазы, теплоемкости, теплопроводности и вязкости многокомпонентной смеси газов с учетом химических превращений, включая диссоциацию и ионизацию компонентов. Чанные по равновесному составу,теплофизическим и термодинамическим параметрам элегаза и . .Смесей элегаза с азотом необходимы для математического моделирования электрической дуги,обдуваемой потоком газа, предвычисления теплоотвода из электродуговой зоны и определения ее электрофизических характеристик.

Результаты вычислений в виде таблиц, графических зависимостей термодинамических и теплофизических функций технологических газовых смесей, приведенные в диссертации, необходимы при модификации существующих и разработке новых типов электродуговнх аппаратов.

Глава 4. Методика и оборудование для экспериментальных исследований взаимодействия электрической луги с потоком газа в однофазных и двухфазных средах

Эффективность научных исследований в автоматизированных испытательных стендах и установках зависит от техники постановки эксперимента и степени реализации функциональных возможностей комплекса программно-технических средств. Применогче специального программного обеспечения позволяет методами математического моделирования осуществить прогноз экспериментов и в некотором диапазоне наладочных опытов с помощью серии вычислительных экспериментов определить оптимальную область процесса испытаний по интересующий исследователя параметрам.

Для ис юдопания стационарных и нестационарных процессов горения и гашения дуги на моделях дугогаситольных камер элогазовнх и поздувных нкключаголой в Восточно-Сибирском государственном тчииологичоском ушшерешоги била согщапа экспврнмонталммя установка, состоящая из силового высоковольтного колпоатольного контура (КК). испытательного макета дугогасительного устпоПотт . (ДУ) и программно-технического комплекс» (ПГК).

"2Т '

Технические средства НТК имеют двухуровневую структуру. На верхнем s овне располагается ПЭВМ тБК. ПЭВМ обеспечивает реализацию общего алгоритма функционирования ПТК, связь с нижним уровнем, организацию диалога инженера-исследователя с системой, решение задач расчетного характера,графическое отображение результатов эксперимента по соответствующим командам на дисплее, составление и печать Цротоколов испытаний, хранение массивов данных на магнитных носителях,проведение предиспитательных расчетов.

Силовая часть ИС состоит из батареи конденсаторов, которая может быть заряжена до 25 кЗ специальным зарядным устройством. Батарея конденсаторов в режиме разряда соединяется с воздушным реактором. Амплитудное значение тока разряда при частоте 50 Гц составляет 10 кА.

Испытательный макет ДУ представляет собой модель автопневыа-тического элогаЗового выключателя с подвижным контактом. В начальный период процесса отключения горловина сопла исследуемого ДУ закрыта подвижным контактом и в процессе горения дуги образуется область высокого, давления в объеме до горловины сопла. После открытия горловина сопла при движении подвижного контакта , происходит переток газа из аккумулирующего пространства в расширительное. При этом создаются условия для эффективного охлаждения дуги и деиони-зации межконтактного промежутка, которые зависят от многих факторов: величины отключаемого тока, сетевых условий,материала контактов, среды охлаждений, геометрии ДУ.

Экспериментальная установка позволяет проводить сравнительные исследования на моделях ДУ выключателей по методу "вверх-вниз" при изменении одного из факторов и выбрать наиболее эффективные ДУ, а также исследовать новые принципы гашения дуги в потоке газа.

Для исследования плазменноэнергетических процессов и аппаратов в газофазных и двухфазных средах в ЛПЭП ГО ГРЭС был создан универсальный опытный сте>Ц,. В его состав входят два бункера пыли, эжектор, водогрейный котел "Мегаморв 120", дутьевой вентилятор первичного воздуха, короб вторичного воздуха, вытяжной вентилятор, плазмотрон.

Экспериментальны^ стенд позволяет решать следующие задачи .-отрабатывать конструкции и рс имы работы плазмотронов, исследовать режимы плазменного воспламенения пылеугольного факела в различных конструкцйях горелок, утилизировать физическое тепло синтез-газа,

газифицировать твердое топливо.

При комплексном исследовании процессов плазменного розжига, стабилизации горения пылеугольного факела и'газификации низкосортных углей возникает проблема регистрации и сбора параметров системы, в число которых нходят как физические (напряжение, ток плазмотрона), так и теплотехнические характеристики (температура, расход, давление). Для решения данной проблемы в ЛПЭП ГО ГРЭС была разработана автоматизированная система сбора данных в стандарте САМАС на базе ЭВМ типа ibm рс.Функционально система сбора данных состоит из персональной ЭВМ типа ibm, модуля обработки данных (МГ1),выполненном в стандарте САМАС,модуля сопряжения ibm/pc-camac (АДАП), Модуля предварительных усилителей . (ПУ).

Программно-измерительный комплекс отслеживает и отображает динамику изменения параметров процесса в реальном времени. Полученные данные позволяют рассчитывать тепловой баланс процесса газификации. Система ссора данных достаточно гибка и универсальна. Практически без существенных технических изменений система сбора данных может быть переориентирована на любой другой объект.измерений.

Глава 5, Результаты экспериментальных исследований электродуговых процессов

Для оценки эффективности дутьевых систем газовых выключателей получено выражение удельной'модности РуД, отводимой потоком газа от дуги и отнесенной к площади сечения горловины сопла и к давлению в горловине сопла. Результаты исследований сведены в таблицу 5. 1.

Удельные мощности путЬевых систем Таблица 5.1

Типы дугогаситёлышх устройств (ДУ) Лд

кВт/мгНа

ДУ с односторонним дутьем 8,5

ДУ с несимметричным дутьем и.з

ДУ с двухсторонним дутьем 21

ДУ с односторонним лутЬпм через металлическое сопло 10

ДУ с односторонним дутьем через изоляционное сопло 19

ДУ с односторонним несимметричным дутьем 25

ДУ с двухсторонним несимметричным дутьем 4

Величины РуД для разных дутьевых систем характеризуют возможности теплоотвола от дуги в зависимости от их геометрии, расхода дугогасящеГо (плазмообразующего) газа.

Ланы рекомендации по целесообразности применения тех или иных дутьевых систем в элегазовых выключателях для повышения эффективности их работы. Наиболее перспективным для применения в автогазовых выключателях представляются системы несимметричного дутья с изоляционным соплом.

На универсальном -абораторном стенде ГО ГРЭС были проведены исследования с .целью выбора типа и мощности плазмотрона, • определения оптимальных концентраций аэросмеси и удельных энергозатрат в режиме стабильного горения пылсугольного факела для местных углей.

При исследованиях расход воздуха изменялся от 200 до 3000 K174, расход угольной пыли от 100 до 1200 кг/ч. Испыть-вались разные конструкции плазмотронов в широком диапазоне мощностей в различных режимах работы. Кроме того, изменялась геометрия муфельной камеры. Исследования, проведенные на стенде, показали возможность воспламенения плазмотронами в прямоточных горелках используемых на ГО ГРЭС углей промышленного помола без какой-либо предварительной подготовки.

Проведенные испытания позволили выбрать тип и конструкцию плазмотрона, выявить оптимальные концентрации аэросмеси (у - 0,30,4 кг/кг.) и удельные энергозатраты (Q « 0,2 кВт-ч/кг) в режиме стабильного горения с температурой горения 1200-1500 К, определить геометрию и теплотехнические характеристики муфельной камеры для горелок котла ТПЕ-215. Кроме того, полученные на универсальном стенде экспериментальные данные послужили основой для расчетов процесса термохимической подготовки аэросмеси и разработки проекта системы плазменного розжига пылеугольного *акела с учетом конкретной технологии сжигания угля.

С целью выяснения преимуществ использования электродуговой плазмы При термохимической подготовке угля но сравнению с другими способами был проведен цикл экспериментальных исследований.

Анализ результатов Показал, что при пропускан«" пылеугольной аэросмеси через электродуговую плазму термохимические превращения угля происходят более цнтеисивно: выход летучих из угля,проиедаего термообработку в.плазме,в два раза ниже по сравнению с углем, нагреваемым омическим нагреэаТЕглем или газовой горелкой той же

модности и при прочих равных условиях.

... . Проведены исследования по плазменной газификации тугнуйского и -холбольджинского углей в плазменном реакторе мощность» 100кВт.

Эксперименты показали, что наиболее оптимальное соотношение реагентов при несущем газе-азоте составляет 1:3, то есть на 1 кг пара необходимо 3 кг угольной пыли. С увеличением количества поступающего пара калорийность и процентное содержание горючих компонентов синтез-газа уменьшаются. При замена несущего газа воздухом оптимум смещается в сторону малых расходов. Это объясняется наличием в воздухе кислорода, который вступает в реакцию с образовавшимся в реакторе синтез-газом.

Для нахождения эрозии электродов реактора до и после каждого опыта определялся вес стержневого катода и диафра! :ы реактора с помощью электронных весов четвертого класса точности типа ВВЭ-1. Эрозия составила: для катода- 20-25 г/час, для анода- 50-60 г/час.

Созданный комплекс лабораторных установок и разработанные методики экспериментальных исследований электродуговых процессов в одно- и двухфазных средах позволили внедрить в производство плазменные технологии растопки котлоагрегатов, получить- исходные данные для проектирования промышленных газификаторов, новых конструкций коммутационных аппаратов и плазмотронов.

ГЛАВА 6. Эрозия электродов в электродуговах аппаратах

В главе 6 на основе исследований эрозии электродов плазмотронов и газовых выключателей панн практические рекомендации для повышения ресурса их работы, намечены пути создания принципиально новых злектродуговнх систем плазненнсэнергетических аппаратов.

Одной из важнейаих задач, которую необходимо решить при проектировании и создании электродуговых устройств (плазмотронов, коммутирующих аппаратов) технологического и промышленного назначения, является увеличение ресурса их работы.

В плазмотронах, используемых для розжига котлов ТЭС, в основном используются электроды из материалов с. высокой электро- и теплопроводностью, например, - медь, специальные :плавы или -композиционные материалы, которые относятся к классу "холодных". Схема таких электродов плазмотронов приведена на рис. 6.1.

Па рис. 6. 2 приведены типичные зависимости величины удельной эрозии медных цилиндрических катодов в среде воздуха от тока дуги при различных диаметрах электродов. Из рисунка видно, что характер

зависимости удельной эрозии от.тока дуги имеет два существенно отличных друг от круга режима. Так, до некоторого критического тока 1К[. удельная эрозия не зависит от силы тока дуги (первый режим). Яри достижении 1кр удельная эрозия резко увеличивается с ростом тока дуги или, что то же самое,от количества электричества, прояедиего через электрод. Такое изменение характера эрозии при достижении критического тока связано с изменением теплового и температурного режима работы электрода.

Если в первом режиме (К1 ) механизм эрозии определяется испарением матешала электрода, то во втором режиме (1>1„л) эрозия

я Р

определяется выбросом капель расплавленного металла. Следует отметить, что зависимость удельной эрозии 5 от тока дуги позволяет провести аналогию с эрозией электродов в сильноточных коммутационных аппаратах.

В таких аппаратах эрозия электродов имеет сильную зависимость от тока дуги, от времени воздействия . опорных пятен дуги на электроды. Поэтому здесь принято рассматривать зависимость удельной эрозии э'ектродов от прошеднего через электрод количества электричества <з= Т. 10ТКЛ" Тепловые условия на электродах плазмотронов во втором режиме и электродах коммутирующих аппаратов близки, и характер эрозии электродов практически одинаков. Для плазмотронов такой режим работы электродов является катастрофическим. Однако для коммутационных аппаратов при больших токах и большом количестве отключений характерен именно такой режим эрозии электродов. Он имеет самостоятельный Научный интерес с точки зре-,ния исследования механизма эрозии Электродов и сбздания мощных выключателей.

В настоящее время на основе исследований в лаборатории пяазмешюэнергетических процессов ГО ГРЗС и опыта эксплуатации плазмотронов 'ЭДП-212 на котлоагрегатах внесены изменения в конструкции катодного узла, разработана технология изготовления унифицированного катода, позволяющая " более полно использовать материал электрода. В результате ресурс райоты Катода увеличен в 2-4 ряза. что уже позволит использовать плазмотроны не только для безмазутной растопки, но и л режимах полсиечки факела. Наряду с исследованиями по повышению рисурса работы комбинированных плазмотронов с электродами из традиционно используемых материалов, ведутся работы по оптимизации и создали» принципиально ноиых плаз-

менных генераторов без использования в качества электродов таких дефицитных и дорогостоящих материалов, как медь, металлокерамика.

Проведены исследования влияния геометрии и материала электродов, условий проведения опытов на величину удельной эрозии электродов с целью оптимизации параметров коммутационных аппаратов (дуго-гасительных устройств). Исследования проводились на моделях дуго-гасительных устройств одностороннего, двухстороннего симметричного и несимметричного продольного дутья в элегазе (рис.6.5). В опытах использовались электроды из литых материалов - меди, латуни,нержавеющей стали и металлокерамическнх композиционных материалов разного состава и дисперсности (w-cu-Ni).

Результаты исследований трех схем электродов показали, что наиболее оптимальной с точки зрения стойкости элек родов является схема с симметричным вдувом, а более подверженной дуговому износу. - схема с односторонним вдувом.

Из анализа результатов исследований по эрозии электродов из литых и металлокерамическнх композиционных материалов следует, что наибольшему разрушению подвержены литые контактные материалы, и износ их в среде элэгаза в значительной море происходит . за счет выноса расплавленных частиц. ■

Эрозия электродов из металлокерамическнх композиционных материалов происходит в основном за счет испарения легкоплавкой составляющей, однако при длительном воздействии дуговых рязрядов в элегазе на'рабочей поверхности наблюдается образование- трещин и кратеров, в результате чего резко возрастает их удельная эрозия. Причем скорость увеличения уде.лтой эрозии линейно зависит от количества прешедшего электричества. Показано,, что использование мелкодисперсной композиции с содержанием вольфрама 50'А вместо 70% позволяет экономить дорогостоящий материал.

Исследования также показали, что при двухстороннем продольном дутье в элегазе наименьшей эрозии подвержены контакты со следующими геометрическими параметрами; - - d„ =» 6"Ю~3М, 2,4'ю-2м

о л с • л

и нежэлектродиом расстоянии с, равном (5-6)' i0" v. Уменьшение иеж-электродного расстояния до (1,5-2,5)• КГ'м резко увеличивает величину удельной эрозии. Подобное явление наблюдается в плазмотронах в момент запуска, когда дуга горит в межэлектродном зазоре, равном (1, 5-2,5)10"3м.Это подтверждает общность физических процессов,происходящих на электродах плазмотронов и коммутационных аппаратов.

Радикальным ревенном проблемы повышения ресурса является уменьшение удельной эрозии электродов с максимальным коэффициентом использования материала электрода. По-видимому,методы снижения G, основанные на применении разных, типов сплавов и металлов, к настоящему времени практически исчерпали свои возможности. Поэтому необходим поиск , других,принципиально новых путей снижения эрозии электродов. Одним из решений этого вопроса может являться подача в призлоктродиу» область дисперсных химически активных материалов.

В результате проведенных экспериментов показано, что подача дисперсного материала (в частности, угольного порошка) в разрядную камеру оказывает действие, направленное на снижение удельной эрозии катода.

В работе также предложен способ увеличения ресурса работы плазмотрона в составе газификатора угля. Идея способа заключается в обеспечении восстановления активной поверхности расходуемого электрода осаждением угля, который является технологическим компонентом процесса плазменной газификации.

Задача состоит в том, чтобы обеспечивать достаточную электропроводность угольного порошка на то время, пока не пройдет процесс коксования и графитизации, после чего уголь, в виде уже хорошо проводящего графитового порошка, станет выполнять функции расходуемой активной поверхности электрода, или организовать соответствующий теипературкый режим в зоне восстанавливаемого (создаваемого) активного слоя дугового электрода, управляя движением дуги и перемещением дисперсного материала.

Эксперименты,проведенные на лабораторном стенде с высоковольткой дугой, горящей в среде угольной пыли, показали, что частицы угля действительно подвергаются коксованию и графитизации и приобретают электропроводящие свойства.

• Проведенные исследования позволили сделать вывод, что использование принципа формирования дугового электрода i.u основе термически обработанного углеродсодержавего вещества, в частности,угля, откоксованного и графитизировавного непосредственно в условиях основного технического процесса,ь принципе позволяет решить вопрос длительности работы этого электрода, оооспочип ему практически неограниченный ресурс. Для риьоккя э'Н>го вопроса необходимо провести исследования на установках большой мищности п комплексе с иромыалоинлй установкой для газификации, ири достаточно больших расходах угля.

'z¿

Глава 7. Практическая реализация результатов исследований

На основании исследований, приведенных в предыдущих главах, в главе 7 № сазаны результаты их практической реализации.

Теоретические и экспериментальные исследования на лабораторных и опытно-промышленных стендах, проведенные в плазменной лаборатории ГО ГРЭС, показали возможность надежного воспламенения пылеугольной аэросмеси плазменной струей. Была определена требуемая для воспламенения углей различного качества мощность плазмотрона и опробованы различные варианты пылеугольннх горелок. Более эффективным оказался способ воспламенения, основанный на смешении аэросмеси с плазмой в ограниченном объеме муфельной камеры (в отличие от зарубежного, где это смешение осуществляется в топке).Нагрев и воспламенение аэросмеси в условиях дефицита окислителя в муфельной камере позволяет снизить эмиссию оксидов азота до двух раз; поскольку при плазменном воспламенении аэросмеси наблюдается активное горение частиц угля на выходе из горелки, то есть горение начинается раньше, частицы до-ьше находятся в высокотемпературной зоне, что обеспечивает более полное выгорание их и снижение мех-недожега до трех раз.

' Результаты исследований,проводимых в плазменной лаборатории ГО ГРЭС, и промышленных испытаний на котлах изложены в ряде публикаций и защищены патентами.

Однобарабанный котел ТПЕ-215 с сухим шлакоудалением паропро-изводительностью 670 т/ч рассчитан на сжигание тугнуйского угля с зольностью ар= 14,1%, влажностью Ир » 10,5%, выходом летучих чг= 37,81, теплотой сгорания (3^= 5484 ккал/кг. Котел оборудован 16-ю прямоточными плоскофакелмшми пылеуголышми горелками, расположенными в два яруса. Подача аэросмеси ' в топку -осуществляется через три пылеугольиых сопла горелки. Расход угля в расчете на одну горелку составляет 5т/час. Предусмотрено шесть систем пнленриготовления с прямым вдуванием топлива в топху (по одной системе на каждый ярус пылоуголышх сопл горелок). Для розжига котла из холодного состояния и подхвата факела при работе на угле в горелках установлены мазутные форсункн производительностью 2, 1 т/ч мазута. Средний расход мазута на растопку 80-100т.

Для обеспечения безмазутной растопки котла из холодного состояния с помощью плазмотронов его оснастили четырьмя системами плазменного воспламенения пылеугольного факела (рис.7. 1). Каждая

• 2Э

такая система включает плазмотрон (ПЛ), установленный на муфельную камеру (ПК).

Для более устойчивого воспламенения угля, снижения затрат энергии, а также поддержания горения при кратковременном отключении плазмотрона в системе плазменного воспламенения использована муфельная камера. Она представляет собой трубу с ошипованной и покрытой корундом внутренней поверхностью. Камера является продолжением гшлепровола, так что пылеугольное топливо из нее поступает непосредственно в топочное пространство.

Приборы контроля и управления плазменными системами смонтированы на блочном щите.

В мае 1993 г. была осуществлена успешная безмазутная растопка котла из холодного состояния в соответствии с регламентом.

В течение 1994 года была смонтирована, оглажена и после ряда испытаний сдана в промышленную эксплуатацию аналогичная система плазменной Оезмазутной растопки факела на котле блока 1)5, выполненная уже с учетом имеющейся наработки и выявленных недостатков. В конце 1994-начале 1995 года на ГО ГРЭС работала межведомственная комиссия в составе представителей РАО ЕЭС "России", Сибтехэнер-го, НОТЗП, ИТ СО РАН, Каз НИИ энергетики и других организаций, которая после проведения очередных испытаний и тщательного анализа опыта эксплуатации рекомендовала применение данной технологии на угольных электростанциях.

Изложенные, выше -результаты исследований, промывленных испытаний и опытов эксплуатации послужили основой для создания системы безмазутной растопки котлов БКЗ-420 Улан-Баторской ТЭЦ-4. которая может быть использована и в режиме стабилизации горения пылеугольного факела.

Каждый котол оборудован двумя индивидуально замкнутыми системами пылелриготовления с промбункером. Полезная емкость буькера пыли из расчета 2.5-часового запаса составляет 253 м3.

Котел БКЗ-420 оснащен 12 прямоточными щелевыми пылаугольньши горелками, расположенными в три яруса (рис.7. 2). Для розжига котла и под/.иата факела предусмотрены 4 мазутные форсунки, дни из Которых установлены В нижнем ярусе. Производительность горелки по топливу 6,25 т/ч при общем расходе топлива на котел 713 т/ч (при номинальной нагрузке). Раскол мазута нл ояну р.чеюпку 30 тонн при примени растопки котла 3,У - 4 ч.

'?,■) ' " *

Улан-Баторская ТЭЦ-4 работает на бурых углях Баганурского .месторождения. Баганурские угли относятся к высокореакционным, с'йизкой <-тепеиью метаморфизма ( лс « 20%, ир » 32%, vr = 42*, qjj » 344оккал/кг).

Необходимая максимальная ковкость плазмотрона при испытаниях на лабораторном стенде Гусиноозерской ГРЭС и натурных испытаниях lia Улан-Баторской ТЭЦ-4 при оптимальном режиме горек -я треугольного факела составила около 140 кВт. Фактическая мояность и энергозатраты, меньие расчетных,частично объясняется тем. Что в расчетах не учитывается муфельный эффект камеры термохимической подготовки.

Первые промышленные испытания, проведенные на одной горелке котла БКЗ-420,показали возможность успешного розжига пылеугольного факела на щелевых горелках с угловой подачей пыли в топку с промбункером при регулировании расхода пыли пылепитателем от минимального (i т/час) до наибольшего (5 т/час). При изменении мощности плазмотрона от lOO до 135 кВт было достигнуто устойчивое, интенсивное горение факела с температурой от 1200°С до 1350"С. При этих испытаниях была произведена растопка котлоагрегата из горячего состояния одним плазмотроном при поддержке одной мазутной форсункой. Результаты предварительных испытаний позволили сделать вывод о достаточности установки муфелей и плазмотронов на двух горелках для растопки котлоагрегата из холодного состояния, что было подтверждено последующими испытаниями.

В настоящее время в.промышленную эксплуатацию сданы' системы плазменной растопки на всех восьми котлоагрегатах БКЗ-420 ТЭЦ-4.

Для обеспечения надежности и независимости электропитания плазмотронов на У-Б ТЭЦ-4 впервые в практике ТЭС спроектирована специальная общестанционная схема электроснабжения систем плазменной безмазутной растопки котлоагрегатов.

Далее приведены результаты аналогичных испытаний на котлах другого типа - БКЗ-75, широко применяемых на ТЭС ере. ней и малой мощности в России и за рубежом. В частности, на Эрдэнэтской ТЭЦ Монголии.

Основным топливом для котлов на этой ТЭЦ является бурый уголь Баганурского л Шарынгольского месторождений. В качестве растопочного и подсветочного топлива используется мазут. Расход мазута на одну растопку котлоагрегата составляет 5,2 т, годовой расход его на стабилизацию горения - i892 т.

Котел БКЗ-75 оснащен тремя двухулиточными турбулентными горелками. Для растопки котла и подхвата факела предусмотрены три-мазутные форсунки производительностью по 1, 2 т/час.

На Эрдэнзтской ТЭЦ ранее с целью снижения Расхода мазута было создано дополнительное оборудование, обеспечивающее подачу пыли от работающего котла к любому другому, находящемуся в растопке. На каждом котле был сделан пылепровод к боковому люку, в котором устанавливался мусрель с электрозапальником резнсторного типа, надежность работы которого оказалась недостаточной и вместо которого установлена плазменная система №(.

При испытании использовался Шарынгольский уголь со следующими теплотехническими характеристиками:

qP = зооо ккал/кг. Ар = 26,8"/., я" = 20,3%, vr= «б,в%. Испытания показали, что плазменная система обеспечивает

надежную растопку котла без использования мазута. Плазменная система ff2, установленная на центральной горелке,обеспечивает устойчивое во.спламеиение аэросмеси при практически холодном состоянии котла и может быть исполь-ована в режиме растопки и стабилизации горения факела. Требуемая мощность плазмотронов не превышает 70 кВт.

Для осуществления стабильного вывода жидкого шлака из котлоагрегата БКЗ-640-М0 по боковым стенкам топки последнего были установлены две прелкамерны.. подовые плазменные горелки, расположенные на 0,3м выше линии пода топки и на 1м ниже оси основных горелок. Электрическая мощность плазмотронов составляла ?0кБт.

При испытании использовалась смесь холбольджинского и ирша-' бородинского углей со следующими характеристиками: ипл-19, 3'/., Ас-13,В'/., v"-43. 55i, Q® - 5)75 ккал/кг.

Поток пылеуголыюй смеси в газификациониой "камере подвергался нагреву плазменной струей. Температура факела на выходе из горелок дс гигала 1550 К. •

Полный процесс сгорания топлива разделяется на два этапа: порьий - шделоние летучих и частичная газификация углерода в предкамеркой горелке под воздействием энергии плазмы; второй- сгорание полученной горючей емчеи над поппи топки при смешивании ого со вторичным воздухом. В p<;:iyjiLTaTtj лролиарлголыюй ьлектротермохи-мичоской подготовки топлива максимум тошюратуры ядра факела един гаится н нижнюю часть тоночхий к,¡миры. Возрастает плотность тепло ■ вого потока к шлаковой пленке,тем самым иоиишая ее 'емиоратуру.

Исходя из требований, предъявляемых к источникам питания проведен анализ и синтез различных схем, приведены результаты исследований, на основе которых создан новый вариант многопостово* схемы параллельного питания плазменных генераторов в условия; специфической работы на котлоагрегатах ТЭС.

Результаты работ дают возможность использовать серийнс выпускаемые тиристорные агрегаты (ТА) для создания многопостовогс источника питания. Примером может служить ТА сеерии ТП4-500, который был использован в четырехпостопом источнике питанш плазмотронов системы пылеуголыюго розжига и подсветки котлов I №6 ГО ГРЭС и в двухпостовом варианте для питания плазмотроно! системы гтнлеугольного розжига и подсветки котлов Л№1-8 Улан-Баторской ТЭЦ-4 (Монголия) и котлов Л 4,6 Зрдонетской ТЭЦ (Монголия).

Огшт эксплуатации разработанной многопостовой системы питани* электродуговых плазмотронов на данных станциях показал высокур надежность ее работы. Система питания обеспечтгвала крутопадающук внешнюю характеристику при независимой регулировке тока каждогс плазмотрона. Полученные выходные параметры (напряжение и =540 В, 1^=500 А, предел регулировки 1^=130-400 А) определялись только характеристиками применяемых плазмотронов, а количество включении? одновременно плазмотронов определялось требованиями технологии.

На основе анализа физико-химических свойств и исследованиг теплофизических и термодинамических характеристик елегазг разработан новый способ гашения коммутационной дуги, возникающее на контактах выключателя, с помощью воздействия на дугу газовогс дутья, которое обеспечивается за счет создания в мeжкoнтaктнo^ промежутке избыточного давления элегаза путем введения элегаза е твердом состоянии. В зоне межконтактного промежутка в малом объеме камеры происходит интенсивная возгонка твердого элогаза за счет энергии дугового разряда. Поскольку удельный объем газовой сферк более чем в 300 раз превышает удельный объем твердой фазы, е камере повышается давление, образуется интенсивное дутье через отверстия в контактах, что приводит к охлаждению и гашению дуги.

Испытания высоковольтных выключателей на заводах-изготовителях проводят на специалыгых испытательных стендах большой мощности включающих в себя ударные генераторы или высоковольтную сеть, дополненные контурами для регулирования переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН). Автоматизация испытаний с введением ЭВМ

позволяет сократить объем самих испытаний при одновременном сокращении времени на всех стадиях. Введение ЭВМ также позволяет формализовать идентификацию исследований и испытаний в лабораториях малой мощности с натурными испытаниями.

В лаборатории Восточно-Сибирского государственного технологического университета разработан комплекс программ расчетного определения ПВН в схемах испытаний установки ПТК "Контур" с использованием численно-аналитических методов. Комплекс программ был сдан в составе АСУ ТП "Создание управляемой от ЭВМ автоматизированной системы испытаний высоковольтных электрических аппаратов (АСИЭЛА)" на испытательном стенде НИИ ЛенПО "Электроаппарат", принятом межведомственной комиссией министерства электротехнической промышленности согласно акту сдачи-приемки от 20.06.1986г.

Эксплуатация показала работоспособность программ, а инвариантные расчеты-область применения разработанного комплекса программ в реальных схемах испытательных стендов.

Экономический эффект от внедрения безмазутных технологий растопки котлов и стабилизации выхода жидкого шлака в топках с жидким шлакоудалением составляет:

а) по Гусиноозерской ГРЭС - 750.000 долларов США в год;

б) по Улан-Баторской ТЭЦ-4 - 350.000 долларов США в год;

в) по Эрдэнэтской ТЭЦ-4 - 50.000 долларов США в год;

Вывода

1. Разработан комплекс математических моделей и методов расчета, позволяющий исследовать стационарные и нестационарные электродуговые разряды в потоке газа с учетом особенностей влияния потока газа, дугогасящей и плазмообразующей среды, геометрии дутьевых систем и параметров электрической цепи.

2. На основе экспериментальных и теоретических исследований выявлены особенности и показана внергетическая эффективность применения плазменных процессов и аппаратов в энергетике.

3. Даны рекомендации по оптимальной геометрии дутьевых систем газовых выключателей, позволяющие увеличить теплосъем и обеспечить успешное гоение дуги.

4. Получены новые данные по равновесному составу и

)

теплофизическим свойствам элегаза и смесей элегаза с азотом (к; аффективных дугогасящих и плазмообразующих сред), которые мог^ быть использованы при расчетах, проектировании и разработке новь типов электродуговых аппаратов; получен новый автогазовый спосс гашения дуги, основанный на принципе возгонки элегаза из одно1 агрегатного состояния в другое под действием энергии дуги образованием высокого давления в дутьевой камере.

5. Получены закономерности по эрозии электродуговых систе аппаратов в зависимости от материала электродов, плазмообразующЕ среды и геометрии дутьевых систем. Показан одинаковый характе эрозии электродов газовых выключателей и плазмотронов при болыш величинах тока.

6. Предложены конструктивно-технологические способы повышега ресурса плазменных генераторов, применяемых для розжига подсветки пылеугольного факела на котлах, позволяющие за счс унификации анодно-катодного узла плазмотрона типа ЭДП-212 применения медных вставок повысить ресурс его работы в 2-4 раза.

7. Исследованы энергетические и эрозионные характеристик эффективных плазмотронов для розжига котлов ТЭС и газификацк углей с повышенным ресурсом работы без применения трэдиционнь материалов (меди, графита и др.); даны рекомендации для применен? нового принципа формирования дугового электрода на осное термически обработанного углеродосодержащего вещества.

8. Исследованы в лабораторных условиях к на опытнс промышленных стендах, испытаны с участием автора на котлоагрегатг системы безмазутного воспламенения факела на основе примененг электродуговых плазменных генераторов на различных горелкг (плоскофакелыгых, щелевых, турбулентных) котлоагрегатов разнс мощности с разными системами подачи пыли и работающих на углях высоким выходом летучих (20-45%), а также разработана и внедреь плазменная технология стабилизации выхода жидкого шлака на ком типа БКЗ-640.

9. На основании исследований проведены промышленные испытана плазменной безмазутной растопки двух котлов типа БКЗ-75 к Эрдэнэтской ТЭЦ, восьми котлов типа БКЗ-420 на Улан-Баторско ТЭЦ-4 Монголии и двух котлов типа ТПЕ-215 на ГО ГРЭС; последил приняты в эксплуатацию комиссией РАО "ЕЭС России".

10. Проведен анализ и синтез схем источников питаю:

электродуговых плазменных генераторов в различных режимах их работы. Разработана и внедрена многопостовая схема электропитания параллельной работы плазменных генераторов на ТЭС и общэстанционная схема электроснабжения.

II. Разработаны и апробированы специализированные системы научных исследований электродуговых аппаратов, позволяющие производить адаптацию математических моделей для реальных типов аппаратов, уменьшить предиспытательные расчеты и объемы испытаний. Алгоритм и программное обеспечение, методика исследований, отработанные на лабораторном стенде ПТК "Контур".использованы при создании сетевого испытательного стенда электрических аппаратов (АСИЭЛА) НИИ АО "Электроаппарат".

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1 . Буянтуев С.Л., Бородянский Г.Я., Кукеков Г.А., Каплан Г.С. Особенности дуговых процессов в продольном потоке газа//Тез. докл. XXIV науч. конф. -Улан-Удэ: Бурят .кн.изд-во. - 1985.-С.79.

2. Бородянский Г.Я., Буянтуев С.Л. Исследование гашения дуги постоянного тока в продольном потоке газа// Изв. СО РАН СССР, сер. тех. наук. Вып.: .-1987 .-М8.-С.58-64.

3. Буянтуев С.Л., Бородянский Г.Я. Термоедектрические потоки энергии в моделях электрической дуги// Тез. докл. XXVI науч. конф. / ВСТИ.-Улан-Удэ, 1987.-С.24.

4. Буянтуев С.Л. и др. Алгоритм программы расчетного определения ПВН методом переменных состояний в автоматизированной системе коммутационных испытаний//Изв.вуз.Энергетика.-1988.-J64.-С.44-46,

5. Буянтуев С.Л., Ханхасаев В.Н. Исследование нестационарных процессов дугогашения в нуле тока с помощью гиперболического уравнения теплопроводности//Динамика электрической дуги в коммутационных аппаратах:Тез. докл. VII Всесоюз. сессии науч. совета по проблемам "Физика низкотемпературной плазмы".-Улан-Удэ, 1988,-С.10.

Ь. Бабиян С.А., Бородянский Г.Я., Буянтуев С.Л.,Зонхоев Г.Б., Ожегов М.М. Разработка управляемой от ЭВМ автоматизированной системы испытаний высоковольтных электрических аппаратов // Проблемы применения новых материалов и технологического оборудования в производстве высоковольтной аппаратуры."Интерэлектро",раб.груп. 2, 1988.-С.111-114.

7. Бородянский Г.Я..Буянтуев С.Л.,Зонхоев Г.Б.Адаптация урав-

S6

нений электрической дуги при математической моделировании коммутационных процессов в выключателях для оценю! их отключающей способ-нбсти в условиях численного эксперимента//Генераторы низкотемпературной плазмы:Тез. докл. XI Всесоюз. конф.- Новосибирск, 1989, Ч, 1,-С. 152.

8. Буянтуев С. Л. ,Батуев Б. Б., Беспрозванных М. Н., Федоров К. А.

О некоторых факторах,влиявших на динамику процесса гашения дуги в

продольном потоке газа//Генераторы низкотемпературной плазмы: Тез. докл. XI Всесоюзной конференции,-Новосибирск, 1989,4 2.-С. 398.

9. Бородянский Г. Я., Буянтуев С. Л. Математическое моделирование пневматических характеристик газовых выключателей высокого напряжения. 34. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium., Technische Hochshule Ilmenau, 1989, C. 152-153.

10. Бородянский Г. Я., Буянтуев С. Л., Зонхоев Г. Б. Оптимизация вычислительного эксперимента при математическом моделировании высоковольтных выключателей//Тез. докл. XXIX науч. конф./ВСТИ.-Улан--Удэ, 1990,"С. 16.

11. Буянтуев С. Л. , Беспрозванных М. Н., Карпенко Е. И., Цыдыпов Д.Б. Исследование гашения коммутационной дуги при тепловом расширении элегаза//Тез. докл. Всесоюз.науч.- тех .совеи._Л., 1990гС. 25.

12. Бородянский Г. Я., Буянтуев С. Л., Зонхоев Г. Б. Применение принципов моделирования для оценки коммутационной способности высоковольтных выключа"влей в условиях вычислительного эксперимента //Тез.докл; Всесоюз. науч.-тех . совещ.-Л., 1990гС. 89.

13. Буянтуев С. Л., Беспрозванных М;Н., Баторов С. С., Бородянский Г.Я. Способ гашения сильноточной дуги высоковольтного выключателя. Авт. свидетельство СССР №1634042. Гос. per. 08. 10. 1990.

14. Буянтуев С. Л. .Зонхоев Г. Б., Былкова Н. J3., Бородянский Г.Я. Анализ нестационарных дуговых процессов в электрических 'аппаратах методами математического моделирования с учетом особенностей переходных процессов во внешней электрической цепи//Сб. дпкл. Всесоюз. семин. "Нестационарные дуговые и приэлектродные проц'ессы в электрических аппаратах и плазмотронах" Проблемного совета ФНП АН СССР (секция "Приэлектродные процессы").-Улан-Удэ - Алма-Ата, 1991гС. 22.

15. Буянтуев С. Л., Ханхасаев В. Н. Численное исследование нестационарных процессов в нуле тока//Сб. докл. Всесоюз. семин. "Нестационарные дуговые и приэлектродные процессы В электрических аппаратах и плазмотронах" Проблемного совета ФНП АН СССР (секция "При-

электродные процессы,").-Улан-Удэ- Алма-Ата, 1991-С. 29.

16. Буянтуев С. Л., Беспрозванных Ы. Н. .Зонхоев Г. Б. и др. Проблемы разработки адаптивных математических моделей электрических аппаратов в условиях автоматизированных испытательных стендов на Сазе микро-ЭВМ и возможные пути их р8шения//Сб. докл. Всесоюз. семин. "Нестационарные дуговые и приэлектродные процессы в электрических аппаратах и плазмотронах" Проблемного совета ФНП АН СССР (секция "Приэлектродные процессы" ).-Улан-Удэ - Алма-Ата, 1991vC. 98.

17. Буянтуев С. JI. , Беспрозванных M. Н., Цыдипов Д. Б. и др. Исследование нестационарных процессов гашения дуги на моделях элега-зовых выключателей//Сб. докл. Всесоюз. семин. "Нестационарные дуговые и приэлектродные процессы в электрических аппаратах и плазмотронах "Проблемного совета ФНП АН СССР (секция "Приэлектродные процессы\)тУлан-Удэ - Алма-Ата, 1991,- С. 100.

18. Карпенко Е. И., Буянтуев С. Л. Плазменные технологии топли-воиспользования и снижение выбросов в окружающую среду. Препринт/ БНЦ СО РАН."Улан-Удэ, 1992,-46 С.

19. Карпенко Е. И., Буянтуев С. Л., Ибраев ill. Ш., Мессерле В. Е. Плазмоэнергетические процессы и аппараты в решении природоохранных задач.-Улан-Удэ: БНЦ СО РАН, 1992.-С. ИЗ.

20. Буянтуев С. Л., Дандарон Г. -Н. Б. , Жуков М. Ф. и др. Плазменная 1 технология в решениг экологической проблемы Байкальского региона. Электротехнология: Межвуз. сб. науч. тр. АЭИ. - Алма-Ата, 1992-С. 73.

21. Buyantuev £.L. Research of the Dynamics of the Process in .the ElectriXal Arc Blowed by the Longitudinal Current of Gas International. ISECTA'93. Almaty, June 1993, p. 125-127.

22. Карпенко E. И. , Ибраев Ш. Ш., Буянтуев С. Л. Плазменный реактор для газификации углей. Заявка М50 " 1130/02 (022073) 6т 06. 05. 92. Решение о выдаче патента от 24. 09. 93.

23. Жуков М. Ф., Карпенко E.H.. Буянтуев С. Л. .Лунин Б. Н. Плазменная технология розжига котлоагрегатов, работающих На твердом тоилиье//Зн!?рг."!Тическо<! строительство.-1994.- №5-6.-С. 57-60.

24. Буянтуор С. Л.. Доьятон Ь. 11 . Ханхасаев В. Н. Возможность аналитического исследования низкотемпературной плазмы в моделях гаиения электрической дуги//Математичоскио проблемы экологии: Тез. докл. u BcocoD3i конф.-Новосибирск, 1ЯУ4.-С. 115-117. .

25. Карпенко Е-И., Иораоь Ш. Ш.. Ьуянтуоп С. Л. Плазменный ре-

актор для газификации углей. Заявка №5030926/07 (0И282) от 0(j, 03. 92. Решение о выдаче патента от 29. 06. 94.

26. Карпенко Е. И. , Ибраев Ш. Ш. , Буянтуев С. Л. , Молонов Ж. Ч. Ci.jooO переработки твердого топлива и плазменная установка для его осуществления. Заявка №92013593/06/(059387) от 22. 12. 92. • Решение о выдаче патента от 19.05.94.

27. Буянтуев С. Л. , Ханхасаев В. Н. О некоторых математических моделях электрической дуги и спутиом потоке элегаза в момент прорывания тока//Плазменные аппараты и технологии в энергетике: Сб. науч. ст. / ВСГТУ. - Улан-Удэ, 1995-С. 21.

28. Карпенко Е. И. , Буянтуев С. Л., Ендонгомбо Г., Баярбаатар. Разработка и внедрение технологии плазменного безмазутного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела на -отлах БКЗ-420 ТЭЦ-4 г. Улан-Батора //Плазменные аппараты и технологии в тепло-энергетике:Сб. науч. ст./ВСГТУ. - Улан-Удэ, 1995 - С. 51.

29. Карпенко Е. И., Буянтуев С. Л., Цыдыпов Л. Б. , Дев.ятов Б. Н., Кашмин Г.И. Экспериментальные исследования по выявлению эффективности использования электроду, овой плазмы при термической подготовке угля//Плазменные аппараты и технологии в теплоэнергетике: Сб. науч. ст./ВСГТУ. - Улан-Удэ, 1995.-С. 69.

30. Карпенко Е. И., Буянтуев С. Л. , Цыдыпов Д. Б., Маллаева Е. Ф., Кашмин Г. И. Исследования процесса газификации в плазменном реакторе совмещенного типа//Плазменные аппараты И технологии в теплоэнергетике.-. Сб. науч. ст. /ВСГТУ. -Улан-Удэ, 1995,-С. 92.

32. Буянтуев С. Л., Мессерле В. Е., Цыдыпов Д. Б. , Маллаева Е. Ф. Равновесный состав, теплофизические и термодинамические параметры элегаза и смесей элегаза с азотом //Плазменныа аппараты и технологии в теплоэнергетике: Сб. науч. с.т./ВСГТУ.-УлачзУдэ, 1995-С. 99.

32. Карпенко Е. И., Буянтуев С. Л., Перегудов Б. С. Плазменный (безмазутный) розжиг пылеуголыгах котлов//Новые тохнологии и техника в теплоэнергетике: Сб.докл. междунар. сомин. -Новосибирск --Гусиноозерск, 1995,—С. 11.

33. Перегудов B.C., Буянтуев С. Л. , Карпенко Е. И.. Хавдлашим Ж., Алтанхуяг Б. Плазмешю-угольная растопка котла БКЗ-75. //Новые технологии и техника в .теплоэнергетике: Сб. докл. междунар. семин.-Новосибирск - Гусиноозерск, 1995,"С. 21.

34. Карпенко Е. И., Буянтуев С. Л., Михайлов С. Ф., Перегудов B.C. Плазменно-угольная'стабилизация выхода жидкого шлака в энергети-

ческих котлах//Новые технологии и техника в теплоэнергетике: Сб. докл. междукар. семин,— Новосибирск - Гусиноозерск, 1995.- С. 24.

35. Карпенко Е. И. .Ибраев Ш. IU. , Пак В. В., Буянтуев С. Л., Мусолин В. Н. Способ сжигания низкосортных углей и плазменная пылеугольная горелка для его осуществления. Заявка Й5046^!30у06 (027200) от 05.06.92. Решение о выдаче патента от 22.03.95.

36. Карпенко Е. И., Буянтуев С. Л., Михайлов С. Ф., Цыдынов Д. Б., Мессерле В.Е. Способ газификации углей и установка для его осуществления. Заявка №94013145/04 (013115) от 14.04.94. Решение о выдаче патента от 18. 04. S5.

37. Карпенко Е. И., Буянтуев С. Л., Дыдыпов Д. Б., Мессерле В. Е. Способ растопки котлоагрегата. Заявка №94013127/06 (013078) от 14.04.94. Решение о выдаче патента от 17.04.95.

38. Жуков U. Ф., Карпенко Е. И., Буянтуев С. Л., Михайлов С. Ф., Перегудов В. С. Способ удаления жидкого илака из топки котла. Заявка (#95100202/06 (000185) от 20.01.95. Решение о выдаче патента от 18. 07. 95.

39. Перегудог В. С., Урбах Э. К., Карпенко Е. И., Буянтуев С. Л. Особенности технологии и характеристики плазмотронов для воспламенения углей//Материалы 2-го междунар. симпоз. по теоретической и прикладной плазмохимии (istapc - 95) 22-26 мая 1995.- Иваново, 1995-С. 417-421.

40. Буянтуев С. Л. , Заятуев X. Ц. Исследование эрозии электродов в электродуговых' устройствах плазменноэнергетических аппаратов/ /Энергетическое строительство, -1995, -W4. -С. 66-71.

41. Буянтуев С. Л., Заятуев X. Ц., Карпенко Е. И., Перегудов B.C. Энергетические и эрозионные характеристики плазмотрона для розжига котлов ТЭС и газификации углей//Энергетика и топливные ресурсы Казахстана .- 1995 , -№3.

42. Буянтуев С. Л., Карпенко Е. И. Плазменноэнергетические аппараты для безмаэутного*розжига пылеугольного факела//Энергетика

и топливгше ресурсы Казахстана.-1995.~№3.

4а

РЕЗЮМЕ

БУЯНТУЕВ СЕРГЕЙ ЛУВСАЯОВт Электр догасы мр>н газ огьшдаршши арасындагы вз ара байланис /элергетикада паЯдаланатыи электродогалик кощшргыларднн тигмдШгш артгиру проблемасы/

01.04.14 - :Хнлу физикасы :кане молекулалнк физика мамандигы бойыша-техника гылымдаршшн докторы деген-гнлыш дэреже алу ушш.

Длссертациялык жумыс энэргетикада пайдалшатын электродогалы кошшргыларднн тшмдьшпн электр догасц меи газ агшщарынш е зра байланыстарин зерттеу аркшш арттыруга арналган.Оснга баЯланнсти газ агындарында ¡капатын электр догаларшш матемагиналык моделдер! жасалган жэне сол моделдер Оойннша керект колемде теорияляк зкэне тэж^рбиелж зерттеу корытнндыларыны нэтижелер! келт1р1лген.Электродогалык газ ажнраткыштарды ти1мд1Л1Г1н арттнру туралн пиирлер айтылшт.оларднн кейб! турлерг/электр догаларыныц автогаз тэсищерше

сеширу.плазмотрондаршшц зкаца турлерг т.б./ ю жузшде жасалы тзяарибеден дткен.Осшшн нзтижеспщо жылу электростанцияларындаг бу казандарин плазмалнк едю аркылы мазутсыз жагу одI стерI жоне л шлактш ¡ингуш! калшти г/рге келт1ру тэсллдер! енпзглген.

SUMMARY of the subject of the thesis of BUIYNTUEV SERGEY LUBSANOVICH

"Intoractionn with gas stream (to the problem of increasing

effectiveness of application arc units in power engineering)

Defence of thesis to obtain the scientific degree o technical Doctor of science in speciality: 01.04.14 Thermophysics and molecular physics.

This work is devoted to investigations of interaction arc an gas stream for increasing effectiveness arc apparates applied i. power engineering.

The author has made out mathematical models of arc in a ga Btream, carried out theoretical and experimental investigations On that basis recomendations of increasing effectiveness o existed arc units (gas switches and plasmotrons) are given and ne arc units have been made (automatic gas method of putting out ar in SPg. modified plasmotron with increased resource of action).

On the basis of these arc units plasma technologies o boilers' kindling, stabilization of the output of liquid ash thermochemical preparation and gasification of coals have bee: made out at the thermo power stations.

7.0

Рис.2.1. Эквивалентные схемы дуги отключения:

а - шунтированная дуга с источником постоянного напряжения;

б - нешунтированная дуга с источником постоянного напряжения;

в - шунтированная дуга с источником тока.

Ч, [у ¡i s

S 1

!

11 л 1\ S iAx. / ш 1 1

4M / ?

г х/ёь ч

£

Я л

12 â к О

ч /VU

1*

0.5 r/rwl[

X <г~ ■н

N

4j

. 1

05 ЩГ

ч

з £ 1 0

Qb

ОЛ / 0

0Í ХМ 1

i

^& fQ5 vr

Ú 5 Г/п,

h ¿l

0.1 %L

4 è

4

£ « 6 â

Рис.2.2. Локальные характеристики дугового разряда о потоке газа:

а - энтальпия на оси при изменении начального профиля; б - напряженность поля и давленые "газа; в - энтальпия lia оси при изменении начального профиля г .- распределения радиальных скоростей; д - пробили чисел ¡daza;

е - распределение удслвного массового расхода; ж - радиальные распределения энтальпии; а - радиальные распределения скорости; К - да еле Hile, число «Иаха,эитальпия вдоль дуговой камеры.

Рис.6 Л. Схема течения газа а плазмотрона.

V

а)

Рио.6.3. Схемы дугогавительных устройств

Лл

V

- №

¿Г

-СхНИ'

-П,

Рас.7.1. Схема расположения растопочных муфельных горелок (вид сверху)

I - топочное пространство, 2 - пылепроэоды,

3 - муфельная горелка, 4 - отсекаэдяЗ шибер,

5 - основная горелка, 6 - двухсветные экраны.

Рис.7.2Схсыа компоновки горелок, котла БКЗ-420 с системами плазменного воспламенения аэросмеси Iпоперечный разрез).

.'■■ъидиум ВАК Росс!-.....

от' » № Щ- &

дил ученую степень ДОКТ-.

'V л - ..,

4 " & ...... о

/ ./ ° V' ■

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Восточно-Сибирский государственный технологический университет Министерство топлива и энергетики Российской Федерации АО Гусиноозерская ГРЭС

На правах рукописи

ВУШХУЕВ СЕРГЕЙ ЛУБСМОШЧ

взаимодействие электрической дуги с потоком газа ( К проблеме повышения эффективности применения электродуговых аппаратов в энергетике ) 01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

к ."О

Л

и

V-

А) ^ С

чЛ) <чО

т

/-

/

д

^Д ш С С Е Р Т А Ц И Я

■"Л"

на41 соискание ученой степени

™ ^ х)

доктора?гехш^еских н&ук\>.

^Л/

^ с А

^ уГ

V Л ^ Улай^Удэ , Гусиноозерск - 1995 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................... 6

Общая характеристика работы.

Глава 1. Особенности процессов горения электрической

дуги в камерах электродуговых аппаратов............ 23

1.1. Системы газового дутья электродуговых аппаратов:

классификация и конструктивные особенности............. 23

1. 2. Физические процессы в дуге, горящей в потоке газа......32

1.3. Методы исследований электрической дуги, обдуваемой потоком газа........................................... 36

1.4. Постановка задачи исследований......................... 39

Глава 2. Математическое моделирование взаимодействия

электрической дуги с потоком газа.................. 55

2. 1. Исследование динамики процессов горения и гашения

дуги в потоке газа при помощи уравнения теплопроводности с учетом коэффициента релаксации.........*..... 55

2/2, Исследование нестационарных электродуговых процессов на госнове .системы уравнений/"газовой динамики - / с учетом коэффициента релаксации. ^ . ,....... . . / . ...... 64

2. 3. Аналитическое исследование динамики термоэлектрических потоков энергии в моделях гашения дуги.......... 71

2, 4. Исследование дуги постоянного тока в потоке газа....... 82

2.5. Особенности влияния потока газа на характеристики электрической дуги..................................... 91

2.6. Учет термоэлектрических потоков энергии в моделях электрической дуги..................................... 99

Глава 3. Термодинамический анализ элегаза и его смесей..... 109

3. 1. Физико-химические свойства элегаза и разработка

новых способов дугогашения............................ 109

3. 2. Исследование теплофизических и термодинамических

свойств элегаза и его смесей с азотом................. 111

Глава 4. Методика и оборудование для экспериментальных исследований взаимодействия электрической дуги с потоком газа в однофазных и двухфазных средах............................................ 138

4. 1. Программно-технический комплекс "Колебательный

контур"............................................... 138

4. 1. 1. Состав и функциональные возможности экспериментальной установки................................... 138

4. 1.2. Силовая часть и испытательный макет установки

"Колебательный контур".............................. 139

4. 2. Универсальный стенд для испытаний плазменноэнер-гетических аппаратов и отработки плазменных

<

технологий............................................ 143

4. 2. 1. Лабораторный стенд для исследования электроду-/ \

' -" Новых"процессов и аппаратов. ....:......... . . , ... .... 143

4.2.2. Автоматизированная система сбора и обработки

данных при исследованиях плазменнознергетических процессов......_..................................... 145

Глава 5. Результаты экспериментальных исследований

электродуговых процессов.......................... 153

5. 1. Исследование процессов гашения дуги с целью опти-

мизации геометрических параметров систем продольного газового дутья................................... 153

5. 2. Экспериментальные исследования по выявлению эффективности использования электродуговой плазмы при

термической подготовке угля. .......................... 158

5. 3. Экспериментальные исследования процесса воспламенения пылеугольного факела на универсальном стенде. ... 173

5. 4. Исследования процесса газификации в плазменном

реакторе совмещенного типа............................ 176

Глава 6. Эрозия электродов в электродуговых аппаратах...... 189

6. 1. Эрозия электродов плазменных аппаратов для розжига

и стабилизации горения пылеугольного факела в

энергетических котлах................................. 189

6. 2. Исследование эрозии электродов дугогасительных

устройств газовых выключателей........................ 194

6. 3. Энергетические и эрозионные характеристики плазмотрона для розжига котлов ТЭС и газификации углей. ... 201

6. 4. Повышение ресурса работы электродов плазменноэнер-

гетических реакторов для газификации углей............ 206

*

Глава 7. Практическая реализация результатов исследований. . 225

- V, 7. 1. Плазменная безмазутная. подготовка ~и воспламенение

пылеугольного факела на котлах типа_ТПЕ-215 ГО ГРЭС. .. 225 7.2. Безмазутная плазменно-угольная растопка котлов

БКЗ-420 Улан-Баторской ТЭЦ-4....................."..... 232

7. 3. Плазменная термохимическая подготовка, розжиг и

стабилизация горс:-:ия пылеугольного факела на

котлах типа БКЗ-75 Эрдэнэтской ТЭЦ.................... 242

7. 4. Плазменная стабилизация выхода жидкого шлака на

котле типа БКЗ-640 ГО ГРЭС............................. 247

7. 5. Источники питания и управления электродуговых

аппаратов............................................. 250

7. 6. Автогазовый коммутационный аппарат........................................263

7. 7. Автоматизация систем испытаний электрических

аппаратов..........................................................................................265

7. 8. Технико-экономическая эффективность применения

результатов исследований............................................................266

Выводы: .............................................................................................293

Литература: ............................................... . 296

Приложение: ................................................................................................316

ВВЕДЕНИЕ 1. Общая характеристика работы.

_Актуальность_работы. Использование электродуговых процессов и аппаратов (ЭДП и А) в энергетике имеет широчайший спектр: автоматы гашения поля на генераторах электростанций, пробивные предохранители и промежутки в электросетях,коммутационные аппараты высокого и низкого напряжения, плазменные генераторы для резки и сварки металлов,розжига и стабилизации горения пылеугольного факела, газификации углей и др. Во всех этих устройствах используется процесс преобразования электромагнитной энергии электромашинных генераторов и электросетей в тепловую в виде электрической дуги, которая в одних случаях выполняет полезные функции рассеяния накопленной энергии, тем самым защищая оборудование станций и сетей от разрушения, в других - выполняет полезную работу в виде энергии высокой концентрации [1,9,51,57,137,138,144,149,157,159].

В большинстве коммутационных аппаратов это преобразование происходит в потоке газа для увеличения теплосъема и ускорения рассеивания тепловой энергии. Для обдува дуги в этих ,аппаратах имеют наибольшее применение сжатый воздух, шестифтористая сера и их смеси. При этом дуга, горящая в дутьевых устройствах' представляется как газофазный : плазменный процесс при больших рас ходах газа и высоких концентрациях энергии, работающий- как в стационарном (квазистационарном), так и в резко нестационарном режимах [2,3,12,116,134,135,136,139,155].

Коммутационные аппараты являются ответственнейшими элементами систем передачи и распределения электроэнергии, определяющими их надежную, устойчивую работу как в рабочих, так и в аварийных режимах. В связи с усложнением структуры и неуклонным ростом параметров энергосистем (номинального тока и напряжения, и,

соответственно, передаваемых мощностей и токов короткого замыкания) растут и требования, предъявляемые к коммутационным аппаратам, в частности, к воздушным и элегазовым выключателям, имеющим широкое применение в энергетике.

Разработка и совершенствование высоковольтных коммутационных аппаратов основаны на экспериментальных и теоретических исследованиях, позволяющих с помощью математических моделей коммутационных дуг и полуэмпирических методов оценить отключающую способность выключателей и упростить их испытания. При этом разработчикам выключателей приходится сталкиваться с серьезными трудностями, связанными со сложностью тепловых, газодинамических и электрических процессов в мощной электрической дуге при коммутации цепи.

В связи со сложностью вышеуказанных процессов горения и гашения дуг нет единого мнения в вопросах оценки и прогнозирования отключающей способности выключателей. Поэтому в процессе разработки требуется неоднократная проверка расчетов и проведение сложных экспериментальных исследований на уменьшенных физических моделях дугогасительных устройств в лабораторных условиях и на оригинальных -образцах- выключателей при " промышленных испытаниях.

При разработке'.высоковольтных выключателей необходимо решить сложный комплекс вопросов, вытекающих из следующих задач: во-первых - быстрее отключить электрическую цепь, особенно в аварийном режиме, во-вторых - быстрее погасить электрическую дугу, возникающую между контактами выключателя.

Решение этих взаимосвязанных задач сводится к созданию конкретного устройства - камеры определенного объема и конфигурации, в которой формируется газовый поток, обеспечивается теплообмен между потоком газа и электрической дугой для гашения

последней и успешного отключения электрической цепи.

Трудность учета и изучения всех факторов, определяющих при этом успешное гашение коммутационной дуги переменного или постоянного тока, состоит не только в сложности процессов, происходящих в дуге, но и их взаимообусловленности, коррелированности.

Ввиду разнообразия вышеуказанных процессов,их изучение требует систематизации, которую необходимо проводить как по внешним (феноменологическим) признакам,так и по существу происходящих процессов.

В настоящее время не существует универсальной теории горения и гашения коммутационной дуги, как низкотемпературной плазмы, позволяющей определить ее теплофизические свойства в любом диапазоне температур, давлений и концентрации частиц в условиях мощного воздействия газовым потоком. Разработанные приближенные и модельные теории позволяют получить достаточно точное представление о свойствах дуг лишь в определенных областях параметров.

Выполняя те или иные расчеты применительно к реальным высоковольтным выключателям, или обобщая результаты экспериментов, нередко прибегают к экстраполированию расчетных данных или формальному распространению предпосылок приближенной теории на области, где они, строго говоря,- не~ Всегда --правомерны.\ . Однако, такие подходы в ряде случаев дают полезные для практики результаты" и не находятся в лвном противоречии с экспериментом (например, модели Слепяна, Касси, Майра и их модификации) [167,169,172,175].

С точки зрения классификации существующих методов исследований коммутационных дуг в продольном потоке газа и теоретических моделей для их расчета представляются наиболее перспективными следующие пути:

- путь физического исследования дугогасительных процессов. Здесь необходимо придерживаться поэтапного подхода первоначальных

исследований в лабораториях малой мощности на уменьшенных физических макетах, соответствующих разрабатываемым оригиналам, на их основе прогнозирования отключающей способности оригиналов и проверки на натурных испытаниях.

Выгоды по получению максимума информации, уменьшению сроков разработок и объемов испытаний при таком подходе очевидны;

- путь кибернетического моделирования процесса коммутации.

Существует ряд теоретических моделей с использованием самых общих дифференциальных (Рагаллер и др.) и интегральных (Хохрайнер) уравнений, позволяющих получить более точные решения, чем с использованием полуэмпирических моделей типа Касси и Майра [127, 171,173,174,177,178];

- путь исследования и моделирования дугового, плазменного процесса как самоорганизующегося процесса в условиях мощной дестабилизации газовым потоком.

Однако необходимо помнить, что в общем случае задача всегда "цепная", то есть нужно решать задачу взаимодействия электрической цепи и дуги, связанную с анализом и синтезом устойчивости указаний системы [110]. .

. .. Современный. уровень- развития.-и .применения .вычислительной техники .дает .-возможность поднять исследование коммутационных дуг, проектирование выключателей и их испытания на качественно новую ступень, основываясь на имитационных моделях, способствующих автоматизации научных исследований. Исследования высоковольтных выключателей на коммутационную способность в автоматизированной системе исследований и испытаний электрических аппаратов позволят использовать методы адаптации и перехода от макетов к. натуре с дальнейшим взаимодействием с системой САПР.

В работе излагается концепция комплексного поэтапного подхода

к теоретическим и экспериментальным исследованиям коммутационных дуг, прогнозированию отключающей способности выключателей, их разработке, конструированию и испытаниям, применения на всех этапах расчетов на ЭВМ.

Изложенный выше подход в полной мере относится и к другому классу электродуговых аппаратов, которые находят все большее применение в энергетике - электродуговые плазмотроны со стабилизацией электрической дуги в потоке газа (розжиг мазута, розжиг пыле-угольного факела, электротермохимическая подготовка, газификация и комплексная переработка углей).

Здесь имеют место не только газофазные (в плазмообразующих потоках), но и двухфазные плазменные процессы (в запыленных средах).

Работа в целом посвящена исследованиям взаимодействия электрической дуги с потоком газа в электродуговых аппаратах и повышению эффективности их применения в энергетике.

Хотя на первый взгляд между указанными выше аппаратами есть разница по назначению, параметрам, то есть по токам, напряжениям, расходам плазмообразующих газов, однако существует одинаковость физикоэнергетических процессов (термогазодинамических) в плазме, обдуваемой потоком газа,- который определяет аналогичность подходов при расчете, конструировании, моделировании, исследованиях, -- испытаниях и~ особенно при исследованиях физикохимических процессов, математическому моделированию этих процессов (моделирование столба дуги, моделирование процессов на контактах и др.).

В аналогичных условиях горения в потоке газа при больших токах (сотни и тысячи ампер) и напряжениях на дуге (сотни вольт) имеет место одинаковый механизм эрозии контактных материалов, обусловленный высокой удельной концентрацией энергии на опорных пятнах дуги, сжатой потоком газа.

1 о

В рассматриваемых электродуговых аппаратах применяются аналогичные дутьевые системы для организации поперечно-продольного дутья, снабжаемые дополнительными устройствами для механического завихрения газового потока или устройствами магнитного дутья. При этом для каждого конкретного случая всегда существует проблема оптимизации геометрии дутьевых систем (сопла, анода, катода, межэлектродной вставки, контрэлектрода и др.).

Во всех случаях приходится решать комплексную задачу: обеспечение движения опорных пятен дуги с высокой скоростью для снижения эрозии и повышения долговечности контактных материалов; увеличение теплосъема с дуги (для быстрейшего рассеяния энергии и гашения дуги - в коммутационных аппаратах или для вдува энергии высокой концентрации в рабочий объем - в горелку,реактор - в плазменных генераторах) ; обеспечение оптимальной формы электрического поля в межконтактном промежутке для снижения напряженности и исключения пробоев как в нерабочем (холодном) состоянии (режим холостого хода) так и в процессе работы: учет взаимного влияния питающей цепи и электрической дуги, которая может привести к повторному зажиганию дуги-- в дугогасительных камерах выключателей, или нестабильному ; горению-дуги -в камерах плазменных генераторов.

Особенно остро вопрос -взаимного влияния .встает при - включении в параллельную работу мощных плазмотронов на тепловых электростанциях (ТЭС) при применении новых технологий для плазменного розжига и стабилизации горения пылеугольного факела в энергетических котлах.

Не случайно многие специалисты, разработчики плазменных генераторов начинали с исследований коммутационной электрической дуги, используя весь предыдущий теоретический багаж и накопленный практический опыт в области изучения электродуговой плазмы.

За сравнительно короткий период плазменные генераторы и

аппараты различного технологического назначения получили бурное развитие, приближаясь по параматрам к ДУ коммутационных аппаратов.

В энергетике уже сегодня требуются злектродуговые аппараты мощностью до десятков МВт (например, для плазменной газификации углей с дальнейшим использованием полученного синтез-газа на электростанциях, а также металлургии, плазмохимии и др.).

Таким образом, с точки зрения использования в энергетике можно выделить отдельно класс плазменноэнергетических аппаратов, имеющих серьезные перспективы применения в принципиально новых технологиях топливоиспользова