Введение к работе
Актуальность темы. «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» предусматривает расширение производства тепловой и электрической энергии на базе сжигания твердого топлива. Особое место в этом процессе занимают бурые угли Канско-Ачинского бассейна (КАУ). Обширные запасы (около 640 млрд. тонн), дешевизна добычи, а также относительная «экологичность» (содержание серы составляет менее 1 %) обосновывает перспективность их применения в энергетике не только Восточной Сибири, но и других регионах России (Западная Сибирь, Южный Урал и др.). Парк действующих на тепловых электростанциях котло-агрегатов различных модификаций для технологии факельного сжигания канско-ачинских углей насчитывает около 150 единиц, однако их показатели надежности, экономичности и экологической чистоты не в полной мере соответствуют современным требованиям.
Во многом, проблемы при эксплуатации котельного оборудования обусловлены сложным характером процессов, сопровождающих сжигание канско-ачинских углей в топочных камерах. В первую очередь к ним относится поведение минеральной части топлива, что вызывает загрязнение частицами золы и шлакование поверхностей нагрева, с чем связана большая часть вынужденных остановов и ограничение максимальной выработки пара. Другим негативным фактором является образование вредных выбросов. Так, содержание оксидов азота в дымовых газах, покидающих котлы действующих ТЭС, превышает в 1,5-2 раза установленные нормативы. Дополнительные трудности вызываются колебаниями качества сжигаемого топлива, а также отсутствием необходимых средств контроля и регулирования топочных процессов, что осложняет действия обслуживающего персонала и усугубляет влияние отрицательно воздействующих факторов.
Решение перечисленных проблем путем разработки новых технологических приемов, рационального сочетания режимных и конструктивных технических решений, а также усиления средств контроля и управления за счет использования систем диагностирования определяет актуальность диссертационных исследований, проводимых на базе экспериментальных исследований и математического моделирования топочных процессов.
Основанием для выполнения диссертационной работы послужили:
программа ГКНТ СССР по проблеме «Исследование и освоение сжигания канско-ачинских углей на электростанциях КАТЭКа на 1981-1985 гг.» (пункт 3.5.1 б, задания 03.05.09. Н29, подпрограммы 0.01.0Щ программы 0.Ц.002);
гранты по фундаментальным исследованиям в области энергетики и электротехники Министерства образования РФ (Грант 5Гр-96, 1996-1997) и (Грант 4Гр-98, 1998-2000);
грант по фундаментальным исследованиям в области технических наук Министерства образования РФ (Грант Т0201.2-320, 2003-2004);
аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» (Мероприятие 2, раздел 2.1 подраздел 2.1.2. Код заявки (номер проекта): РНП.2.1.2.2272, 2006-2008);
грант Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) № 08-08-00969-а (2008-2010).
Объектом исследования являются котельные установки тепловых электростанций, предназначенные для факельного пылеугольного сжигания.
Предметом исследования являются процессы, протекающие в топочных камерах котлоагрегатов при сжигании канско-ачинских углей.
Цель работы заключается в совершенствовании технологии факельного сжигания канско-ачинских углей на основе результатов экспериментальных натурных исследований и математического моделирования топочных процессов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи исследования:
анализ современного состояния технологии факельного сжигания канско-ачинских углей (используемые конструкции топочных камер, проведенные модернизации и реконструкции оборудования, особенности режимов эксплуатации, системы управления тепловой работой), а также применение методов расчетного и экспериментального исследования топочных процессов;
проведение экспериментальных исследований процессов, протекающих в действующих топочных камерах различной конфигурации и тепловой мощности при изменении условий сжигания канско-ачинских углей;
обобщение полученных результатов экспериментальных исследований с выявлением закономерностей и особенностей изменения температурных, скоростных и радиационных полей, а также состава продуктов сгорания в топочных камерах котлов с твердым и жидким шлакоудалени-ем с фронтальной, тангенциальной и встречной установкой одно- и многоярусных горелочных устройств;
совершенствование методики зонального математического моделирования теплообмена позволяющее получить спектральные характеристики излучения продуктов сгорания, учесть взаимосвязь показателей радиационного теплообмена с параметрами шлакования и тепловосприятия поверхностей нагрева, а также уточнить расчет генерации оксидов азота в дымовых газах;
проведение трехмерного зонального математического моделирования теплообмена в топочных камерах действующих и проектируемых котлов для разработки и обоснования технических предложений, направленных на устранение выявленных несовершенств тепловой работы оборудования за счет рационального сочетания конструктивных элементов и режимов эксплуатации;
совершенствование и испытание системы технического диагностирования топочной камеры парового котла, включающей оборудование для проведения измерений плотности падающих радиационных потоков и блок математического сопровождения с моделированием аварийных ситуаций тепловой работы;
разработка технических решений, направленных на создание новых и совершенствование действующих топочных устройств, повышающих эффективность технологии факельного сжигания канско-ачинских углей на тепловых электростанциях.
Методы исследования. Математическое моделирование топочных процессов проводилось на основе зонального метода расчета радиационного и сложного теплообмена. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием современных методик с необходимым метрологическим обеспечением.
Научная новизна.
-
Выявлены закономерности и особенности распределения температурных неравномерностей в горизонтальных и вертикальных сечениях объема топочных камер различной тепловой мощности в зависимости от режима сжигания и их конструктивных особенностей согласно полученным данным экспериментальных исследований характеристик топочных процессов в котлах с жидким шлакоудалением БКЗ-320, БКЗ-420, в котлах с твердым шлакоудалением КВТК-100, БКЗ-500, П-67, оборудованных многоярусными тангенциальными горелками, в котле ПК-10Ш с фронтальной компоновкой горелок, а также в реконструированном котле БКЗ-320 с встречной схемой горелок, что позволяет разработать технические мероприятия по совершенствованию условий эксплуатации действующих котлоагрегатов и учесть на стадии проектирования новых образцов оборудования;
-
Разработан алгоритм расчета радиационных характеристик продуктов сгорания, который основан на преобразовании экспериментальных спектральных коэффициентов поглощения углекислого газа и водяных паров в зависимости от температур, парциального давления и эффективной длины луча в объемных зонах расчетной модели, позволяющий получить необходимые данные для зонального моделирования теплообмена в топочных камерах с учетом селективности излучения. Даны рекомендации его применения;
-
Усовершенствована методика зонального моделирования теплообмена в части учета взаимосвязи плотности падающего радиационного потока и теплопоглощения экранами от теплового сопротивления наружных шлакозоловых отложений и температуры рабочей среды, что позволяет сделать количественную оценку влияния на тепловую работу топочной камеры шлакующих свойств сжигаемого топлива и параметров теплово с-приятия поверхностей нагрева;
-
Получены преобразованные нормативные расчетные зависимости для определения содержания NOx в дымовых газах применительно математической модели теплообмена, что позволило не только учесть генерацию оксидов азота в проводимых зональных исследованиях, но и повысить точность их вычисления;
-
Разработаны на основе зонального моделирования аварийные ситуационные модели (погасания факела, локального и интегрального шлакования поверхностей нагрева, разрыва трубы экрана или ширмового пароперегревателя), использование которых позволяет сформировать блок сопровождения для системы технического диагностирования тепловой работы топочных камер котлоагрегатов;
-
При обработке результатов математического моделирования получены формулы расчета, согласно которым определяется распределение топлива, газов рециркуляции по горелочным блокам, а также ориентация горелок, что обеспечивает бесшлаковочное увеличение паропроизводи-тельности за счет сокращения тепловых перекосов в топках котельных установок;
-
На основе результатов расчетных и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по совершенствованию действующих и созданию новых топочных устройств и способов их работы для технологии факельного пылевидного сжигания канско-ачинских углей, обеспечивающих в условиях тепловой электростанции повышение надежности и экономичности работы котельных агрегатов, а также снижение вредных выбросов в атмосферу.
Практическая значимость и использование результатов работы.
-
Усовершенствованная методика зонального математического моделирования теплообмена, позволяющая повысить качество расчетно-проектных работ при создании котельно-топочного оборудования, предназначенного для пылевидного факельного сжигания канско-ачинских углей в котельных установках паропроизводительностью от 75 до 2650 т/ч;
-
Полученные данные экспериментальных измерений плотности падающих на экраны радиационных потоков и установленные взаимосвязи между показателями тепловой работы и режимными параметрами энергоустановок использованы для разработки режимов повышения паропроизводительно-сти и КПД котлов, путем уменьшения температурных неравномерностей в
реконструированной топке котла БКЗ-320, в топочных камерах серийного исполнения котлов БКЗ-320 и ГЖ-10Ш Красноярской ТЭЦ-1;
-
Результаты экспериментального исследования показателей теплообмена и данные по концентрациям СО, ( и NOx в дымовых газах в зависимости от условий эксплуатации (схемы включения пылесистем и пылепи-тателей, изменения паропроизводительности и др.) использованы при разработке режимных параметров сжигания, обеспечивающих повышение выработки пара и сокращение вредных выбросов топочных камер паровых котлов БКЗ-500 и БКЗ-420 Красноярской ТЭЦ-2;.
-
Разработаны и рекомендованы к внедрению ОАО «Енисейская территориальная генерирующая компания (ТГК-13)» на котлах с фронтальной и тангенциальной установкой одно- и многоярусных горелок технические решения, защищенные авторскими свидетельствами и патентами на изобретения, позволяющие за счет распределения подачи топлива, газов рециркуляции по горелочным блокам, а также изменения ориентации горелок и установки дополнительных воздушных сопл устранить температурные неравномерности в объеме топочных камер, что позволит повысить бесшлаковочную тепловую мощность и сократить вредные выбросы при энергетическом сжигании углей Канско-Ачинского бассейна;
-
Результаты трехмерного зонального математического моделирования теплообмена использованы в Сибирском филиале Всесоюзного теплотехнического института при разработке проекта реконструкции топочной камеры котлоагрегата (серии БКЗ-220) и при проектировании на производственном объединении «Сибэнергомаш» вариантов топок к новому котлу (серии БКЗ-690), предназначенных для замены устаревшего оборудования;
-
Разработана и прошла опытно-промышленные испытания система температурного контроля для диагностирования тепловой работы топочной камеры парового котла БКЗ-500 Красноярской ТЭЦ-2, использование которой для совершенствования действующих систем управления рекомендовано на тепловых электростанциях ОАО «Енисейская территориальная генерирующая компания (ТГК-13)»;
-
Результаты диссертационных исследований применены в учебных курсах теоретических и практических дисциплин для студентов направления «Энергомашиностроение» и «Теплоэнергетика», что позволяет повысить качество подготовки будущих специалистов в области создания новых образцов котельной техники и эксплуатации оборудования тепловых электрических станций.
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Данные проведенных натурных экспериментальных исследований характеристик процессов, протекающих в топочных камерах различной конфигурации и тепловой мощности при изменении режимных условий сжигания канско-ачинских углей.
-
Результаты обобщения экспериментальных исследований и выявленные закономерности и особенности распределения полей температур и тепловых потоков в котлах с фронтальной, тангенциальной и встречной установкой одно- и многоярусных горелочных устройств.
-
Усовершенствованная методика зонального математического моделирования теплообмена позволяющая получить спектральные характеристики продуктов сгорания, учесть взаимосвязь показателей радиационного теплообмена с параметрами шлакования и тепловосприятия поверхностей нагрева, а также уточнить расчет генерации оксидов азота в дымовых газах.
-
Результаты проведения трехмерного зонального математического моделирования теплообмена в топочных камерах действующих и проектируемых котлов с обоснованием и разработкой технических предложений, направленных на устранение выявленных несовершенств тепловой работы оборудования за счет рационального сочетания конструктивных элементов и параметров режима эксплуатации
-
Результаты математического моделирования аварийных ситуаций для блока сопровождения и опытно-промышленных испытаний системы температурного контроля в топке, как элементов для технического диагностирования тепловой работы топочной камеры парового котла.
-
Разработанные технические решения, направленные на создание новых и совершенствование действующих топочных устройств и способов их работы, повышающих эффективность технологии факельного сжигания канско-ачинских углей на тепловых электростанциях.
Достоверность результатов натурных экспериментов на действующем оборудовании обеспечивается применением апробированных методик экспериментальных исследований, использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры и подтверждается удовлетворительным совпадением с экспериментальными данными других исследователей. Достоверность результатов исследований, выполненных с помощью трехмерной зональной математической модели теплообмена, подтверждаются сходимостью расчетных данных и характеристик топочных процессов, определенных в ходе проведенных экспериментальных измерений.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: на 4 Всесоюзной конференции «Влияние минеральной части энергетических топлив на условия работы парогенераторов» (Таллин, 1986); на 1 и 2 Всесоюзных конференциях «Теплообмен в парогенераторах» (Новосибирск, 1988 и 1990); на 7 Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену (Ташкент, 1991), на заседаниях секции «Теплообмен излучением» ГКНТ СССР (Самара, 1991); на Международной конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии». (Иваново, 1991 и 2005); на 1, 2 и 4 Российских конференциях по теплообмену (Москва, 1994, 1998 и
2006), на 12-16 заседаниях Всеросийской школы-семинара молодых ученых (1999, 2001, 2003, 2005, 2007); на 6 и 7 Всеросийских конференциях «Горение твердого топлива» (Новосибирск, 2006, 2009); на Международной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития энергетики» (Ташкент, 2006); на 4 Всеросийской научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов» (Челябинск, 2007). Кроме того, результаты диссертационной работы докладывались на заседаниях НТС Красноярских ТЭЦ -1, 2, 3, а также ОАО «Енисейская территориальная генерирующая компания (ТГК-13)».
Личный вклад автора. Автору принадлежит постановка задач данного исследования; обоснование и разработка положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы; проведение, анализ и обобщение результатов математического моделирования и экспериментальных измерений характеристик топочных процессов на действующих котлах; разработка усовершенствованной зональной методики расчета сложного теплообмена; формулировка выводов и рекомендаций для принятия технических решений. Автор принимал непосредственное участие в разработке и опытно-промышленной проверке системы температурного контроля в топке, а также при разработке технических предложений по совершенствованию элементов конструкций и режимов эксплуатации топочных устройств, обеспечивающих эффективное сжигание канско-ачинских углей.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 54 печатные работы, в том числе 9 статей в изданиях по перечню ВАК, 13 докладов на конференциях, 7 авторских свидетельств и 4 патента на изобретения, 1 депонированная рукопись и 7 статей в межвузовских сборниках научных трудов.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов с выводами, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 311 страниц машинописного текста, включающего 54 рисунка и 38 таблиц. Список использованных источников включает 272 наименования.
