Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор состояния и накопленного опыта по горелочным и топочным устройствам, работающим на природном газе, экологическим вопросам и численному моделированию топочных процессов 11
1.1 Обзор механизмов образования вредных выбросов при сжигании газообразного топлива 11
1.2 Методы снижения выбросов оксидов азота 15
1.3 Обзор энергетических горелочных устройств для сжигания газообразного топлива 17
1.4 Требования к вновь проектируемой горелке 26
1.5 Перевод котлов на сжигание газового топлива 27
1.6 Экспериментальные исследования горелочных устройств 30
1.7 Современный этап инженерных расчетов - численное моделирование физико-химических процессов 31
1.8 Выводы по первому разделу 47
2 Исследование топочных процессов с вихревыми газовыми горелками 49
2.1 Особенности технологии численного моделирования 49
2.2 Подготовка исходных данных для проведения численных экспериментов 52
2.3 Численное моделирование топочных процессов с полной геометрией одной вихревой горелки 62
2.4 Результаты численного моделирования топочных процессов котла БКЗ-320-140 с вихревыми горелками 63
2.5 Реконструкция двухпоточной вихревой газовой горелки 65
3 Исследование топочных процессов с прямоточно-вихревыми горелками 77
3.1 Прямоточно-вихревая горелка: конструкция и особенности 77
3.2 Подготовка данных для проведения моделирования 79
3.3 Ряд исследований с прямоточно-вихревой горелкой 80
3.4 Результаты численного моделирования с прямоточно-вихревыми горелками 80
3.5 Выводы по результатам моделирования 83
3.6 Общие выводы по разделу 83
4 Исследование топочных процессов с плоскофакельными горелками 85
4.1 Плоскофакельная горелка: параметры, конструкция и особенности 85
4.2 Компоновка плоскофакельных горелок 87
4.3 Подготовка данных для проведения моделирования 88
4.4 Результаты и выводы по первому варианту 89
4.5 Исследование параметров топочного процесса с плоскофакельными горелками 90
4.6 Выводы по результатам исследования топочных процессов с плоскофакельными горелками 97
5 Обработка и анализ полученных результатов исследований 101
5.1 Представление результатов 101
5.2 Сравнительный анализ результатов с различными конструкциями горелочных устройств 103
5.3 Распределение температур по высоте топки 106
5.4 Уточнение расчета коэффициентов распределения тепловых потоков по нормативной методике 109
5.5 Уточнение расчета температуры на выходе из топки 115
5.6 Рекомендации по принятию проектных решений при переводе котлов, геометрически подобных БКЗ-320-140, с угля на сжигание природного газа 116
5.7 Оценка экономического эффекта от внедрения разработанных мероприятий 123
Заключение 127
Список сокращений и условных обозначений 129
Список использованных источников
- Методы снижения выбросов оксидов азота
- Численное моделирование топочных процессов с полной геометрией одной вихревой горелки
- Ряд исследований с прямоточно-вихревой горелкой
- Результаты и выводы по первому варианту
Методы снижения выбросов оксидов азота
К горелкам ПФГ близки горелки МЭИ ударного типа [34, 25]. Под углом 20-50 к горизонту здесь ориентированы только каналы вторичного воздуха. При столкновении потоков происходит их торможение и деформация в сторону увеличения поперечных размеров. Вторичный воздух как бы растягивает изнутри оболочку пылевоздушной смеси, заметно увеличивая периметр струи и ее массообмен с окружающей средой. Область их применения каменные угли с выходом летучих более 28% и бурые угли [34, 25].
Автор хотел бы особо отметить, что в результате поиска материалов по ПФГ, несмотря на наличие нормативов по их проектированию [71, 43], информации по их испытаниям, характеристикам работы, особенностям проектирования, характерным зависимостям недостаточно для разработки высокоэффективного горелочного устройства для сжигания газа.
Одной из первых газомазутных горелкой с организацией прямоточно-вихревого сжигания (прямоточный - переферийный канал, вихревой -внутренний) можно считать горелку Ф.А. Липинского [42]. Однако по данным [35] при испытаниях котла ТГМ-84 Стерлитамакской ТЭЦ, установлено, что горелка Ф.А. Липинского при сжигании мазута формирует факел длинной порядка 18 м. Глубина топки ТГМ-84 значительно меньше 18 м, поэтому наблюдался удар факела о задний экран и значительное недогорание топлива. В дальнейшем эти данные подтвердились в исследованиях других авторов [76].
В книге Р.Б. Ахмедова [6] рассмотрена газомазутная горелка СКБ-ВТИ [6], с аксиальным лопаточным завихрителем установленным в центральном канале [32]. Исследования горелок типа СКБ-ВТИ, так называемых «ударного типа» установили следующее [20, 32]: коэффициент гидравлического сопротивления в 2-3 раза ниже, чем для горелок с двумя завихрителями; наличие периферийного прямоточного потока приводит к уменьшению угла раскрытия факела, уменьшению размера и силы зоны обратных токов, к увеличению аэродинамической длины факела.
К прямоточно-вихревым горелкам можно отнести «прямоточные» горелки В ТИ [43, 86], предназначенные для сжигания мазута и газа при соударении струй встречно расположенных горелок. Данные горелки имеют в центральном канале аксиальный завихритель, через который поступает порядка 20% воздуха, остальной расход - через прямоточные каналы.
В указаниях [43] представлена прямоточно-вихревая горелка ХФ ЦКБ-ВТИ имеющей два вихревых канала - центральный и средний, периферийный канал является прямоточным.
Горелки с одним или двумя прямоточными каналами, в сравнении с чисто вихревыми, обладают пониженным сопротивлением, большей дальнобойностью, меньшим углом раскрытия факела, поэтому рекомендуются для топок со встречной компоновкой горелок [6, 88]. Прямоточно-вихревые факелы в плане образования оксидов азота занимают промежуточное положение между вихревыми и прямоточными факелами [34]. Новым этапом развития прямоточно вихревых горелок можно назвать разработку ЗАО «ЭКОТОП» газомазутных прямоточно-вихревых горелок - ГМПВ (рис. 4), реализующих основные достижения в технологиях подавления Рисунок 4 - Прямоточно-оксидов азота [84]. В горелках реализован вихревая горелка типа ГМПВ е- (без обечаек воздушных каналов) способ сжигания газомазутного топлива, v J который заключается в следующем: часть газовоздушного потока закручивается и подается с коэффициентом избытка воздуха 0,5-0,7, другая часть подается на смешение с первой и поддерживает суммарный коэффициент избытка воздуха 0,85-0,95 [82]. Испытания на котлах БКЗ-320, ТП-230 и ПК-19 с горелками типа ГМПВ показали, что их применение позволило снизить NOx более чем в 2-3 раза (до 100-125 мг/мЗ) при доле рециркуляции г 30% при сжигании газа [83].
Испытания котлов ТЭЦ-21 и ТЭЦ-23 Мосэнерго с горелками типа ГМПВ, показали снижение концентрации NOx ниже установленных нормативов: при сжигании газа на котле ТГМ-96, избытке воздуха за водяным экономайзером 1.06-1.07, организации ступенчатого сжигания (доля третичного воздуха 5 = 13%), что соответствует коэффициенту избытка воздуха через нижние горелки ан=0,87 и вводе газов рециркуляции до 17%. При отсутствии технологических методов подавление оксидов азота, содержание NOx в уходящих газах составляло на газе - 250 мг/мЗ [84, 50]. Похожий результат был получен на котлах ТГМП-314 [82]. Исследования на котлах ТГ-104 Среднеуральской ГРЭС-1 с горелками ГМПВ показали, что при г=13-15%, а =1,04-1,06 уровень NOx составляет 85- Рисунок 5 _ График зависимости
Численное моделирование топочных процессов с полной геометрией одной вихревой горелки
Увеличение расхода через центральный прямоточный канал: Значительное увеличение мощности центрального потока воздуха привело к деформации картины течения. Прямоточная струя, выходящая из центрального канала отклоняется от оси горелки, уходит в сторону и вовлекается в вихревой поток внутреннего канала (рис. 15). В связи с относительно высокой мощностью и расходом воздуха центрального канала, следуя по траектории струи, наблюдается отдаление фронта горения.
Внешний контур фронта факела несимметричен, сектор порядка 90 вдоль оси горелки имеет большую протяженность примерно на 6-7% относительно остальной части факела. Длина «основной» части факела увеличилась в среднем на 1,5%, а максимальная на 7 % (табл. Е.1).
Распределение топлива на выходном сечении горелки имеет незначительную неравномерность (рис. 16), в месте прохода центрального потока воздуха наблюдается слабозаметное снижение концентрации метана, отсутствие значительной неравномерности можно объяснить высокой кинетической энергией газовых струй на начальном участке факела.
Объем зоны максимальных температур незначительно увеличился (-1,5%), максимальная температура факела увеличилась на 6 С (табл. 4).
Максимальный падающий тепловой поток на лопатки горелки снизился на 5 %, на амбразуру - на 4% (табл. 4).
Величина пульсации температуры: объем зоны (V Tvar 20000 К2) увеличился на 13%, максимальная величина увеличилась на 0,8 %, осредненное значение в зоне (V Tvar 20000 К2) снизилось на 4% (табл.4).
Расход оксида азота на выходном сечении камеры сгорания увеличился на 1 % (табл.4). Вырезка 12 из 24 лопаток тангенциального аппарата (через лопатку). Снижение крутки в периферийном канале: изменение тангенциальной составляющей скорости примерно на 23% (с 31 м/с до 24 м/с). Среднерасходные скорости по каналам и угол раскрытия факела не претерпели видимого изменения.
На выходе из периферийного канала наблюдается неравномерность скоростей, вызванная проскоком воздуха между лопатками. Неравномерность имеет островной характер с пониженными скоростями. Но в результате поджатия потока в пережиме амбразуры и взаимодействия с закрученным потоком внутреннего канала влияние отмеченной выше неравномерности нивелируется.
Изменений в распределении природного газа на выходном сечении амбразуры не отмечено (рис. 16), максимальной концентрации метана увеличилась на малую величину - около 2% (табл. 4). 5. Факел незначительно изменил структуру, увеличился в длину на 10% (табл. Е.1), центральная зона рециркуляции осталась неизменной.
Распределение мольной доли метана (СН4) на срезе амбразуры а) Исходная горелка; б) Угол раскрытия амбразуры 8 град; в) Расход через центральный канал увеличен в два раза; г) Вырезано 12 лопаток тангенциального завихрите ля; д) Вырезаны все лопатки тангенциального завихрите ля Вырезка всех лопаток тангенциального аппарата:
1. Наблюдается незначительная неравномерность поля скоростей на выходе из периферийного канала, выделяется небольшой сектор порядка 10 в нижней части сечения, с пониженными скоростями, в остальном поле скоростей по сечению - равномерно.
2. Кардинально изменилась аэродинамика факела: прямоточный периферийный канал поджимает вихревой поток внутреннего канала, в результате факел вытягивается и приобретает форму цилиндра. При этом сохранились внутренний и внешний фронт горения (рис. 15). Зона рециркуляции в осевой зоне горелки замкнулась (в зону рециркуляции попадают исключительно дымовые газы от выгорания топливовоздушной смеси во внутреннем фронте факела, газы из топочного объема отсутствуют). Длина факела увеличилась в 2 раза. Среднерасходная скорость в периферийном канале увеличилась на 4% (табл. 4).
3. Негативной стороной оказалось распределение топлива на срезе горелки (рис. 16) и далее в топочном объеме в сечениях перпендикулярных оси горелки. Отмечены четыре зоны повышенной концентрации метана и СО, расположенные в вершинах воображаемого квадрата. Это обусловлено конструкцией газовыпускной части горелки рассчитанной на работу в вихревом потоке воздуха, но в связи с тем, что периферийный поток воздуха -прямоточный, большая часть газа попавшая в прямоточный поток сливается в четыре газовых струи.
4. Объем зоны максимальных температур увеличился на 42%. Максимальная температура выросла на 88 С (табл. 4).
5. Максимальный падающий тепловой поток на лопатки горелки увеличился на 17 %, на амбразуру снизился на 23% (табл. 4). Что соответствует изменению распределения температуры в объеме камеры сгорания (рис. 15).
6. Величина пульсации температуры: объем зоны (V Tvar 20000 К2) увеличился на 42%, максимальная величина увеличилась на 37 %, осредненное значение в зоне (V Tvar 20000 К2) увеличилось на 7% (табл.4).
Ряд исследований с прямоточно-вихревой горелкой
Есть основания полагать, что в действительности разница будет еще больше, что связано со значительной разницей в аэродинамике факела данных горелок. Для прямоточно-вихревой горелки характерна большая протяженность факела и отдаленность зоны активного горения от устья горелки (рис. 28).
Научно-практический интерес представляет распределение температур в объеме топки (частично изображено на рис. 28) и распределение тепловых потоков по фронтовому экрану (рис. 29) при вводе третичного воздуха через сопла значительного размера, размещенные на фронтовой стене. В нашем случае функцию сопл третичного воздуха выполняют пылевые горелки.
В топочном объеме в районе ввода третичного воздуха наблюдаются зоны пониженных температур, размещающиеся следующим образом: глубина 1.5-2 м (от фронтового экрана), примерными границами по ширине экрана являются условные вертикальные плоскости, проходящие через наиболее отдаленные друг от друга точки амбразуры пылевых горелок, высота около двух диаметров амбразуры пылевой горелки. В результате наблюдаются значительные градиенты по тепловосприятию фронтового экрана (на участке длиной 1 метр тепловой поток изменяется в 12 раз), а также сниженное тепловосприятие экрана относительно среднего тепловосприятия стен топки (см. п.5.4).
Подобное явление ранее отмечалось исследователями, но в основном это касалось ввода газов рециркуляции через сопла, что позволяло снижать тепловой поток в определенных зонах [44, 93 и др.]. Но в настоящем исследовании объем полученного материала и глубина полученных данных в значительной мере превосходит ранее представленные, что позволяет более детально осмыслить влияние ввода низкотемпературного потока в объем топки.
Распределение температур по высоте топки Важнейшим фактором, влияющим на теплообмен излучением в топочной камере котла, является температура топочной среды. Для основных вариантов горелочных устройств выполнен расчет средней и максимальной температуры в 12 горизонтальных сечениях топки и построены графики распределения температур по высоте топки (рис. 30, 31, 32).
В качестве расчетных сечений приняты сечения, использованные для построения коэффициентов распределения тепловосприятия (рис. 30), дополненные самым нижним сечением (плоскость летки) и тремя сечениями, расположенными между 2 и 3 (z=6,36 м), 3 и 4 (z=9,36 м), 4 и 5 (z= 12,36 м) сечениями. Это позволило достаточно подробно разрешить зону в районе установки горелок и ввода воздуха через пылевые горелки. вг
Данные по средним температурам (рис. 30-32) могут быть использованы для расчета по нормативной методике ВТИ-ЭНИН [90] в совокупности с позонным расчетом, для определения интенсивности излучения газов в отдельных зонах. Следует учесть, что температуры, взятые из графиков на определенных отметках нельзя использовать в качестве температур на выходе из расчетной зоны, это связано с трехмерной вихревой структурой течения газов в топочном объеме. Таким образом, график средних температур дает информацию только по интенсивности излучения топочных газов.
Распределение максимальной и средней температуры в горизонтальных сечениях топки с плоскофакельными горелками (табл.7 №2) Представленные распределения температур позволяют дополнить представление о топочном процессе с различными горелочными устройствами. 109 При сопоставлении распределения температуры по высоте топки (рис. 30, 31, 32), можно сделать следующие выводы: 1) общее количественное и качественное подобие характеристик для вихревых (ВГ) и прямоточно-вихревых (ПВГ) горелок; 2) для ПВГ в сравнении с ВГ характерен повышенный примерно на 40 С уровень средней температуры в нижней части топки (до нижнего яруса горелок); 3) распределение максимальных температур для варианта с плоскофакельными горелками (ПФГ) качественно соответствует ВГ и ПВГ, но имеет пониженный максимальный уровень в среднем на 160 С 4) распределение средней температуры для ПФГ имеет качественное и количественно отличие в сравнении с ВГ и ПВГ: отсутствие колебаний в зоне выше 6000 мм, повышенный максимум и общий уровень температуры в нижней части топки - в среднем более чем на 100 С;
При рассмотрении результатов моделирования топочного процесса с идентичной компоновкой, но различными горелочными устройствами, выявлена значительная разница в распределении тепловых потоков по экранам топки и температуре на выходе из топки.
Для сопоставления взяты наилучшие варианты горелочных устройств: вихревая горелка без изменений, прямоточно-вихревая с долей воздуха в вихревом канале 0,6, ПФГШ-ВЗх32,7х64,3-Г0х0хЮ0-Р94 (табл. 7).
Из таблицы 9 для различных типов горелок наблюдается ощутимая разница в параметрах тепловосприятия топки. По этой причине решено по данным моделирования, выполнить расчет коэффициентов распределения тепловых потоков по высоте, ширине и стенам топки с целью уточнения теплового расчета и расчета температуры металла стенок труб по нормативному методу [90, 91]. Это позволит непосредственно применить результаты исследований в инженерной практике.
Для получения из данных моделирования соответствующих нормативных коэффициентов потребовалось разработать методику, которая бы позволяла инструментами постпроцессора (ANSYS CFD-Post) получить требуемые величины. В результате проработки сформулирована работоспособная методика для расчета коэффициентов распределения тепловосприятия по высоте и ширине топк
Результаты и выводы по первому варианту
Основным источником количественных и качественных данных в настоящей работе являются данные, полученные в результате численного моделирования (численных экспериментов). Приведем особенности технологии математического моделирования. Для проведения численного исследования с помощью программных продуктов аналогичных ANSYS CFX можно выделить следующие этапы:
Каждый из этапов имеет свои особенности и неразрывно связан с другими этапами. Для получения достоверных результатов необходим квалифицированный подход к осуществлению каждого этапа. Сбор исходных данных в общем случае предполагает: получение данных по геометрии исследуемого объекта (в нашем случае: горелочных устройств, топочной камеры); параметры сред на входе в расчетную область (расходы, температуры, химический состав, фракционный состав, и др.); опытные данные по характеристикам работы оборудования; обзор научной литературы по процессам, протекающим в расчетной области. Получение информации по наиболее подходящим инструментам и возможностям программного комплекса, необходимым для реализации моделирования.
На этапе обработки исходных данных и подготовки данных для проведения моделирования выполняется постановка задач моделирования, принятие фундаментальных решений по реализации моделирования и разработка принципиальной схемы моделирования. Также прорабатываются вопросы упрощения исходной геометрии. Проводится переработка исходных данных: проведение дополнительных расчетов (тепловых, аэродинамических и др.); приведение к единицам измерения, которые используются в моделировании; расчет требуемых физических и геометрических параметров.
Учитывая значительные размеры расчетной области, высокие градиенты функций в трехмерной постановке, сложную геометрию горелочных устройств и ограниченность вычислительных ресурсов (объема оперативной памяти и производительности процессора), для выполнения моделирования необходимо максимально упростить геометрию расчетной области с минимальным влиянием на достоверность результатов расчета. Построение трехмерной геометрии расчетной области производится в соответствии с принятыми решениями по упрощению геометрии и принципиальной схемой моделирования. На основе геометрии строится расчетная сетка, поэтому при упрощении геометрии необходимо учитывать требования к расчетной сетке, позволяющие получить точные результаты (нежелательны острые кромки с углом раскрытия менее 30, критично наличие открытых граней, и др.).
Качество расчетной сети определяет качество результатов моделирования. На этапе построения расчетной сети в сеточном генераторе выполняется подготовка геометрии инструментами сеточного генератора, принятие принципиальных решений по методике построения сети и типа ячеек в различных частях расчетной области. Провидится оценка размеров ячеек расчетной сетки на основе предварительного анализа процессов, протекающих в расчетной области, задаются параметры сети. Генерируется расчетная сеть, оценивается ее качество. Основные критерии качества - минимальный угол раскрытия граней (рекомендован не менее 30) и коэффициент пропорциональности (рекомендуется вне пристенного слоя не менее 0,3). Далее ведется работа по улучшению параметров сети до получения приемлемых характеристик, оцениваемых на основе опыта проведения подобных расчетов.
Задание математической модели в пре-процессоре производится в соответствии с ранее проведенными исследованиями и подготовленными данными. На базе углубленного анализа физических процессов протекающих в расчетной области, устанавливаются математические модели. Задаются параметры веществ и химических реакций. Для удобства выполнения оптимизационных работ может быть создана база входных данных для каждого граничного условия в виде математических выражений. Затем задаются граничные условия (входа, выхода, стенки, симметрии) и параметры на них. Устанавливаются параметры решателя.
Проведение расчета средствами «решателя» - модуль, предназначенный для численного решения задачи, поставленной в Пре-процессоре. Для получения адекватных результатов необходимо добиться достаточной сходимости решения. Сходимость может оцениваться [106] среднеквадратическим отклонением значения переменной в данной итерации от значения в предыдущей итерации, небалансами по расходу, энергии, и др.
Получение наглядного представления результатов расчета, используя возможности постпроцессора (визуализация результатов), состоит в построении вспомогательной геометрии, необходимой для вывода результатов, создании визуального представления результатов расчета (скоростей, температур, давлений, концентраций компонентов, и других интересующих параметров) в виде графиков, полей распределения, линий тока, векторного представления, изоповерхностей, таблиц и др. Анализ полученных данных заключается во всестороннем рассмотрении результатов моделирования, сопоставления их с данными физических экспериментов, натурных испытаний, нормативными методиками расчета. По результатам анализа, при необходимости, выполняется корректировка геометрии, расчетной сетки, математических моделей, граничных условий, параметров «решателя», после чего проводятся дополнительные расчеты.
