Введение к работе
Актуальность темы
В ближайшие годы в России может сложиться крайне напряженная ситуация с обеспечением страны топливом и энергией. Газовая промышленность, на которую ориентировался весь топливно-энергетический комплекс, будет не в состоянии покрыть ожидаемый дефицит углеводородного топлива. Углеводородному сырью в России в настоящее время и ближайшей перспективе нет альтернативы. В топливно-энергетическом балансе страны удельный вес природного газа в настоящее время достиг 50-60 % при соответствующем снижении доли нефти, угля, гидро- и атомной энергии. В этой ситуации ориентация только на природный газ недопустима, т.к. это создает угрозу энергетической безопасности России. Истощение запасов природного газа на крупнейших месторождениях России стабилизировало его добычу при растущем экспорте, как одном из главных источников валютных поступлений в страну. Дефицит углеводородного сырья не может быть удовлетворен только освоением его новых месторождений, т.к. это требует огромных капитальных затрат, отсутствующих в стране. В этих условиях газосбережение является одним из основных путей преодоления дефицита топливно-энергетических ресурсов.
Газосбережение имеет еще один аспект - экологический. В продуктах сгорания присутствуют оксиды азота, углерода, серы и другие вещества, оказывающие негативное воздействие на живые существа и природу, снижение которых в продуктах сгорания является одной из важнейших задач при разработке новых газо-использующих агрегатов.
Потенциальная экономия природного газа за счет снижения удельных расходов топлива до уровня уже достигнутого в развитых странах, может составить более 22,6 млрд. м3 (Табл. 1).
Таблица 1
Указанного объема газа (22,6 млрд. м") достаточно для реализации Программы газификации России.
Расчеты показали, что мероприятия по экономии потенциально возможных объемов газа потребуют на 30-50 млрд. руб. меньше капитальных вложений, чем на обеспечение их добычи и транспорта.
Для достижения удельных расходов топлива, приближающихся к мировым показателям, необходима коренная модернизация газоиспользующих агрегатов: котлов, промышленных печей, отопительных систем; разработка и выпуск современных газо-сберегающих горелочных устройств; приостановление перевода угольных ТЭС на природный газ; внедрение новых приборов учета расхода газа; совершенствование технологических процессов и агрегатов.
Реализация вышеуказанной экономии газа может быть осуществлена с помощью высокоэффективного газоиспользующего оборудования, выпускаемого рядом организаций ОАО «Газпром».
В стране нужна новая энергетическая стратегия. Необходимо ликвидировать сложившуюся диспропорцию между удельным весом различных энергоносителей: газ, уголь, нефть, гидро- и атомная энергетика. Природный газ надо использовать в промышленности на технологию, в химическом производстве, в коммунально-бытовом секторе и т.д. Для энергетических целей следует вернуться к сооружению ТЭС, работающих на угольном топливе, и переводу действующих, работающих на газовом топливе, на уголь.
Гарантированное обеспечение народного хозяйства энергоресурсами может быть решено за счет: экономии энергоресурсов; реструктуризации топливно-энергетического баланса в сторону угля; подачи газа наиболее экономически эффективным производствам; разработке нормативных и регламентирующих документов по эффективному использованию газа.
Цель работы Учитывая актуальность газосбережения и решения экологических проблем в работе была поставлена цель создать инженерные методы расчета промышленных факелов, позволяющие управлять процессами горения углеводородного топлива. Используя созданные инженерные методы расчета промышленных факелов была поставлена цель создать современные методические указания и разработать новую газогорелочную технику.
Основные задачи исследования
Разработать универсальный метод и программу расчета равновесных химически реагирующих гетерогенных систем, обеспечивающих расчет полного состава химического превращения и соответствующих теплотехнических и теплофи-зических параметров с учетом теплообмена системы с окружающей средой.
Создать математическую модель, алгоритм и программы для послойного расчсш свибидныл lypGyjicHiHbix. диффуаиинно-кинетических факелов.
Создать метод расчета ограниченных факелов, образуемых промышленными горелками общего и специального назначения.
Разработать инженерную методику расчета сжигания жидких углеводородов на наземных факельных установках.
Создать математическую модель, алгоритм и программы расчета горелок вихревого типа.
Разработать и испытать горелку вихревого типа для камер сгорания газотурбинных установок ГПА.
Смоделировать сжигание на открытых факелах сбросных газов и жидких углеводородов, подверженных ветровой нагрузке; разработать методику расчета радиационных потоков от факела на окружающие предметы; определить зону теплового и экологического воздействия факела на окружающие существа.
S. Создать модель сжигания газо-воздушных и газокислородных смесей с термическим разложением части газа на компоненты для получения светящегося факела.
9. Разработать газокислородную горелку с пониженным содержанием ток
сичных компонентов в продуктах сгорания н повышенной радиационной теплопе
редачей за счет реализации термического крекинга части газового топлива.
10. Разработать метод расчета радиационно-конвективной теплопередачи в
агрегатах, оснащенных скоростными горелками, и создать скоростную горелку,
обеспечивающую экономию топлива и снижение оксидов азота в продуктах сго
рания.
Научная новизна:
1. Разработан оригинальный метод расчета и универсальная термодинамическая программа для гетерогенных химически реагирующих систем с учетом потерь тепла от факела в окружающее пространство при установлении химического и фазового равновесия.
6 ;
Впервые разработан инженерный метод расчета полей концентраций и температур открытых и ограниченных факелов, использующий послойное разбиения факела вдоль оси.
Создан инженерный метод расчета геометрических и теплофизических характеристик факелов, подверженных ветровой нагрузке.
Разработан усовершенствованный линейно-точечный метод расчета радиационных потоков от факела на окружающие объекты.
5. Создана оригинальная математическая модель расчета геометрических
размеров факела жидких углеводородов и расчета интенсивности облучения этим
факелом окружающих объектов.
Автором созданы математические модели теплообмена светящегося факела в сочетании с моделью двух стадийного сжигания углеводородного топлива, светимость которого обеспечивается термическим разложением части углеводородного топлива на составляющие. Теоретически, а затем экспериментально показано, что уменьшение температуры факела, сопровождающее крекинг части топливного газа, приводит к росту радиационного потока по сравнению с прозрачным факелом и сопровождается снижением оксидов азота в продуктах сгорания.
Разработана математическая модель радиационно-конвективной теплопередачи в агрегатах, оснащенных скоростными горелками, позволившая создать новую скоростную горелку, обеспечивающую понижение расхода топлива и уменьшение оксидов азота в продуктах сгорания.
Достоверность предложенных математических моделей, алгоритмов и программ обоснована использованием общих законов горения, теплопередачи, термодинамики, аэродинамики, а также сходимостью результатов расчетов с данными лабораторных и натурных экспериментов.
Практическая значимость диссертации состоит в том, что в ней представлен эффективный инженерный метод расчета турбулентных диффузионно-кинетических факелов газовых и жидких углеводородов, позволяющий моделировать реальные тепловые процессы и разрабатывать новые газогорелочные устройства. Универсальная термодинамическая программа справедлива для любого виде топлива и содержит базу данных с характеристиками для продуктов химического реагирования для всей периодической таблицы элементов.
Результаты численного моделирования горения факелов для всех крупны> газовых и газоконденсатных месторождений России могут быть использованы npt
оценках их теплового и экологического воздействия на окружающие объекты, при авариях на месторождениях, транспорте и переработке углеводородного сырья.
Результаты математического моделирования ограниченных факелов были использованы при создании новых газогорелочных устройств.
Разработанные автором математические модели и результаты расчетов факелов были использованы:
при создании отраслевой методики расчета факелов факельных установок;
подготовке и издании монографии «Внутрикамерное сжигание природного газа в кислороде и воздухе. /Н.В. Лавров, Е.А. Пацков, Е.А. Плужников, НА. Федоров.-М.: 1972г.-38с;
подготовке и издании справочного пособия «Рациональное использование газа в сельском хозяйстве и коммунально-бытовом секторе. /О. Н. Брюханов, Е. А. Пацков, А. И. Плужников, Н. А. Строкова. Под. ред. А. Н. Плужникова - СПб.: ОАО «Издательство «Недра», 1997. - 576 с: ил.
Апробация работы Математические модели, алгоритмы, тексты программ, методы расчетов, новые конструкции ГГУ, составляющие основное содержание диссертации, были представлены на конференциях:
Совещание по безокислительному и малоокислитсльному нагреву стальных заготовок. -1974, М.: НИАТ;
Научно-технический семинар «Пути повышения эффективности сжигания мазута и газа на электростанциях», г. Конаково: Конаково ГРЭС, -1973 г.:
Международная конференции «Обжиг керамики», Карловы Вары ЧССР. 1976 г.;
Всесоюзная научная конференция - Проблемы энергетики и теплотехноло-гии, ГКНТ, МВССО, МЭИ, ВНИПИЭнергопром, М., 1983 г.;
VI семинар по электрофизике горения, г. Караганда, 1983 г.;
VIII Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву, г. Ташкент, 1986 г.;
International Seminar «Modeling, advanced process Technology, Expectant Control System of Heat and Mass transfer Phenomena» 1996, Екатеринбург, Уральский государственный технический университет;
Конференция «Современное газоиспользующее оборудование и технологии в решении энергосберегающих и экологических проблем в газовой промышленности», г. Ижевск, декабрь 1999г.
Объем работы Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа написана на 512 страницах, из них 343 страниц машинописного текста, 93 рисунка, 46 таблиц, списка использованных источников из 116 наименований, 127 страниц компьютерных программ, 14 приложений.
Публикации Основное содержание диссертации изложено в 39 опубликованных работах, в Ж. «Газовая промышленность»,
//ТоП ТТЛГ\Т»а*М"іО'Г,»ТТ/іО^Ч ЛТЛЛЛТТОПТ TV Г*&Г\-Г\ТЧ*гТ*ПЛГ ІЧМГІТГИГ ЧПЛТТТТЯ тчч ТЭЧТЛТЛ! 1*4 S4-* *T4i-trt
V\ Л. VlKlV^llVUl W 1111VW/ j W 1 UUV
трудах Всесоюзных конференций, симпозиумов и совещаний, научных докладах на российских и международных конференциях, патентах РФ.
