Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Современное представление и уровень моделирования топочных процессов 12
1.1. Проблемы, возникающие в энергетических котлах при сжигании бурых канско-ачинских углей 12
1.2. Обзор работ по моделированию процессов в топочных камерах 20
1.3. Выводы и постановка задач работы 23
Раздел 2. Математическая модель процессов в топочной камере. Метод расчета 24
2.1. Описание турбулентной аэродинамики, теплообмена и горения в газовой фазе 25
2.1.1. Уравнения движения газа, теплообмена и переноса газовых компонент 25
2.1.2. Модель турбулентности 27
2.1.3. Модель радиационного переноса тепла 32
2.1.4. Модель горения в газовой фазе 33
2.2. Описание движения, теплообмена и горения полидисперсных частиц угля в топочной камере 34
2.2.1. Уравнение движения частиц угля 36
2.2.2. Тепломассобмен и горение частиц угля в газовом потоке 37
2.2.3. Осаждение частиц на поверхности нагрева 40
2.3. Модель образования оксидов азота 43
2.4. Метод расчета процессов в топочной камере 48
2.4.1. Уравнение переноса для обобщенной переменной 48
2.4.2. Конечно-объемный метод получения разностного аналога уравнения переноса 49
2.4.3. Использование криволинейной системы координат 51
2.5 Выводы к разделу 2 59
Раздел 3. Тестирование моделей и методов расчета процессов в топочной камере 59
3.1. Моделирование ламинарных закрученных потоков 60
3.2. Закрученное турбулентное течение в трубе 63
3.3. Течение в модели тангенциальной топочной камеры с угловым расположением горелок 66
3.4 Моделирование фонтанно— вихревой топочной камеры 69
3.5 Течение в модели тангенциальной топочной камеры с настенным расположением горелок 73
3.6 Моделирование процессов в топочной камере котла П-67 Березовской ГРЭС-1 75
3.7 Выводы к разделу 3 85
Раздел 4. Исследование и оптимизация процессов в топочной камере котла П-67 Березовской ГРЭС-1 84
4.1. Исследование схем размещения воздушных сопел и организации ступенчатого сжигания 84
4.2. Исследование влияния нижнего дутья, перераспределения топлива по ярусам горелок и тонины помола угольной пыли на эффективность топочного процесса 93
4.2.1 Анализ способа организации нижнего воздушного дутья 94
4.2.2 Результаты моделирования топки с новой схемой организации нижнего дутья и угрубленным помолом топлива 96
4.2.3 Исследование влияния перераспределения топлива по ярусам горелок и тонины его помола 101
4.3. Результаты моделирования топки котла П-67, блок №2 103
4.4 Результаты моделирования топки котла П-67, блок №3 105
4.5 Выводы к разделу 4 108
Основные результаты и выводы диссертационной работы 109
Список использованных источников 111
Приложения
- Обзор работ по моделированию процессов в топочных камерах
- Описание движения, теплообмена и горения полидисперсных частиц угля в топочной камере
- Течение в модели тангенциальной топочной камеры с угловым расположением горелок
- Результаты моделирования топки с новой схемой организации нижнего дутья и угрубленным помолом топлива
Введение к работе
Актуальность работы.
В мировом энергопотреблении на уголь приходится примерно четвертая часть. Большей частью уголь используется для выработки электрической и тепловой энергии при пылевидном сжигании в котлах крупных электростанций. Крупные энергетические предприятия на угле - это основной источник эмиссии оксидов азота в атмосферу. Технология снижения выбросов оксидов азота при сжигании пылевидного угольного топлива можно разделить на две группы: технологии оптимизации процесса сжигания, эффективно ограничивающие образование оксидов азота, и технологии очистки дымового газа от образовавшегося оксида азота. Применение низкоэмисионных горелок и схем ступенчатого сжигания позволяет при относительно невысоких затратах на реконструкцию топки получать существенное снижение выбросов оксидов азота.
На котлах П-67 Березовской ГРЭС-1, наряду с проблемой выбросов оксидов азота так же остро стоит проблема шлакования поверхностей нагрева топочной камеры, обусловленная использованием березовского бурого угля канско-ачинского месторождения. Интенсивное загрязнение поверхностей нагрева топки приводит к необходимости вынужденных остановок котла и механической чистке топочных экранов, снижая тем самым эффективность их работы. В связи с этим 1991 году котлы были перемаркированы на производительность 750 МВт.
Для решения проблем, возникающих при работе котлов Березовской ГРЭС-1, актуальным стало совершенствование топочного процесса на основе его детального исследования. В последние годы при проектировании, исследовании и наладке котельного оборудования все более широко применяется математическое моделирование, основанное на физических законах, описывающих процессы аэродинамики и теплообмена. Компьютерное моделирование позволяет корректно изучить режимы работы и оптимизировать как вновь проектируемое, так и реконструируемое оборудование. Совместное использование математического моделирования, физического эксперимента и натурных испытаний дает возможность получить наиболее полную и достоверную информацию об объекте исследования. При этом существенно сокращаются затраты на проведение экспериментальных и опытных работ.
Объектом исследования являются топочные камеры пылеугольных котлоагрегатов П-67 Березовской ГРЭС-1.
Предмет исследования - характеристики теплообмена, показатели шлакования поверхностей нагрева топки, недожог топлива и уровень оксидов азота в уходящих газах при различных схемах организации топочного процесса.
Цель работы.
Повышение эффективности технологии сжигания шлакующих бурых углей в мощных котельных агрегатах на основе результатов численного мо-
делирования аэродинамики, теплообмена, горения, образования вредных выбросов и шлакования поверхностей нагрева топочных камер.
Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:
выполнить совершенствование моделей топочных процессов на основе компьютерной программы «SigmaFlame» для возможности учета механизмов образования и подавления оксидов азота, анализа тепловой эффективности топки на основе оценки характера шлакования поверхностей нагрева и расчета недожога топлива;
провести оценку адекватности программы «SigmaFlame» для расчета тангенциальных топочных камер на базе данных гидродинамического лабораторного эксперимента и данных натурных исследований;
построить математическую модель топочной камеры котла П-67 и выполнить исследование влияния схемы организации топочного процесса (компоновка сопел и горел очных устройств, режимных параметров, условий ввода аэросмеси и воздуха) на аэродинамику и тепловые характеристики топочного устройства;
на основе анализа результатов расчетных исследований предложить рекомендации по выбору перспективных схем реконструкции топки котла П-67 с целью повышения эффективности сжигания топлива, снижения скорости шлакования, уменьшения концентрации оксидов азота в дымовых газах.
Научная новизна: 1. Предложены и реализованы в виде модулей в программе «SigmaFlame»:
модель образования и подавления оксидов азота, позволяющая рассчитывать схемы со ступенчатой организацией сжигания;
модель оценки шлакования топочных экранов;
блок анализа потерь с химическим и механическим недожогом для топочных камер с твердым шлакоудалением.
2. Впервые построена комплексная математическая модель котла П-67, учитывающая турбулентную пространственную аэродинамику, сложный теплообмен, выгорание пылеугольного топлива, образование оксидов азота, шлакование поверхностей нагрева.
3. Впервые для тангенциальных топочных камер с настенным расположением горелок выявлено, что зоны интенсивного шлакования топочных экранов находятся в области нечетного блока горелок и обусловлены характером аэродинамики газов. Установлено, что в углах топки формируются вторичные вихри, взаимодействие которых с основным вихревым потоком приводит к набросу факела на стенки топки.
4. Для блока 800 МВт получены зависимости параметров теплообмена (температуры поверхностей, в ядре факела и на выходе из топки, тепловые потоки), недожога топлива и концентрации оксида азота от расположения третичных воздушных сопел, угла наклона и поворота горелок, схемы загрузки ярусов и организации нижнего воздушного дутья.
Практическая значимость работы
На основе проведенных расчетных исследований предложены и реализованы технологические решения по модернизации топок котлов П-67 блоков № 1 и № 2, позволившие снизить вероятность шлакования топочных экранов, что обеспечивает возможность котлу нести длительную максимальную нагрузку 800 МВт, сократить количество выбросов оксидов азота до 350 мг/м .
Разработаны предложения по конструкции топочной камеры котла блока № 3, при реализации которых котел будет удовлетворять современным экологическим требованиям для вновь проектируемых агрегатов.
Разработанное специализированное программное обеспечение и рекомендации по конструкции и организации топочного процесса используются в исследовательской деятельности ряда научных организаций (ВТИ, СибВТИ СибЭНТЦ, ООО «ТОРИНС») и для подготовки специалистов в учебном процессе на кафедре теплофизики ИИФиРЭ СФУ.
Основные положения, выносимые на защиту:
Комплексная математическая модель топочной камеры котла П-67 включающая процессы: турбулентную аэродинамику, теплообмен, горение угольной пыли, образование и подавление оксидов азота, шлакования поверхностей нагрева.
Зависимости параметров теплообмена, недожога топлива и концентрации оксида азота от расположения третичных воздушных сопел, угла наклона и поворота горелок, схемы загрузки ярусов и организации нижнего воздушного дутья для блока 800 МВт.
Технические решения по реконструкции П-67 № 1 и № 2 Березовской ГРЭС-1, направленные на совершенствование топочного процесса, позволившие уменьшить шлакование поверхностей нагрева, увеличить время безостановочной работы котельного агрегата и, снизить выбросы оксидов азота до 350 мг/м .
Рекомендации по конструкции и организации топочного процесса проектируемого нового блока № 3 Березовской ГРЭС-1, удовлетворяющего современным экологическим требованиям для вновь проектируемых агрегатов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методов теоретических исследований в области гидродинамики, теплообмена, горения твердого топлива. Результаты математического моделирования, не противоречат основным физическим законам и удовлетворяют результатам, полученным на лабораторных стендовых и промышленных установках. Достоверность математической модели была подтверждена сравнением результатов моделирования котла П-67 с данными натурного эксперимента.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач исследования, усовершенствовании специализированной программы «SigmaFlame», разработке основных положений научной новизны и практической значимости, реализации полученных результатов совместно со спе-
циалистами СибВТИ на действующих блоках № 1, 2 и при проектировании блока № 3 котла П-67 Березовской ГРЭС-1.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях: Международной конференции " Потоки и структуры в жидкостях", Санкт-Петербург, 23-26 июня 2003 г; Семинаре-совещании «Опыт внедрения новой техники и технологий в энергетике», г. Шарыпово, ОАО «Березовская ГРЭС», октябрь 2003 г.; Международной конференции «Угольная теплоэнергетика: «Проблемы реабилитации и развития». Сентябрь 2004- 2006, 2008 г., Алушта, Украина; X Всероссийский научно-практическом семинаре "Обеспечение безопасности и экономичности энергетического оборудования", 23-26 ноября 2004 г. С-Пб.; Международной конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» г.Алушта, 19-25 сентября 2005,2006,2008 г; 4st International Conference on Computational Heat and Mass Transfer May 17-20, 2005, Paris-Cachan, FRANCE; 4-й Российской национальной конференция по теплообмену. 23—27 октября 2006 г. Москва; Всероссийской научно - технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий». Улан- Удэ, 24-30 июля 2006 г.; VI Всероссийская конференция «Горение твердого топлива», Россия, Новосибирск, 8-10 ноября, 2006 г.; III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики», 21-23 ноября 2007 г. Екатеринбург; Конференции «Результаты фундаментальных исследования в области энергетики и их практическое значение», Москва 24 -26 марта 2008 г. Объединенный Институт Высоких Температур Российской Академии Наук; VI Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике ВСВТЭ-2009. Красноярск, 13-15 мая 2009г. СФУ; VII Всероссийской конференции «Горение твердого топлива», Новосибирск 10-13 ноября 2009 г. Институт Теплофизики СО РАН.
Публикации. Основные результаты исследований по данной теме опубликованы в 19 печатных работах, из которых 1 статья из перечня ВАК.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав с выводами, заключения и приложения. Основной текст на 124 страницы, 5 таблиц и 48 рисунков. Список литературы из 109 наименований.
Обзор работ по моделированию процессов в топочных камерах
Учет современных теплотехнических и экологических требований при решении задач разработки перспективных и модернизации существующих конструкций топочных устройств и оптимизации их рабочих режимов требует в настоящее время привлечения методов численного моделирования для всестороннего исследования топочных процессов. До начала 70-х годов для теплового расчета топок использовались только интегральная нормативная методика [71], используемая в России и являющаяся основой инженерного теплового расчета. Значительным недостатком данной методики, следует считать возможность определения лишь суммарного теплообмена в целом по топке, в то время как для расчетов гидродинамики, температуры экранных труб, и интенсивности шлакования интерес представляют локальные характеристики. Нормативные рекомендации в этом случае связаны с введением грубых эмпирических коэффициентов неравномерности по высоте и ширине экранов. Избежать этих недостатков в некоторой степени позволяет использование зональных методов расчета [40, 41, 47]. Простота физической интерпретации зональных методов и возможность учета сложных явлений, происходящих в тепловых агрегатах, обусловили их применение для решения широкого круга задач радиационного и сложного теплообмена. Для расчета теплообмена в топках котлов нашли применение различные подходы к зональному методу. Успешно используются на практике методы разработанные во Всероссийском теплотехническом институте Э.С. Карасиной [47] и на кафедре «Инженерной теплофизики» Красноярской академии цветных металлов и золота под руководством профессора Ю.А. Журавлева [40, 41, 49, 66].
К основным недостаткам зональных методов относятся ограниченное локальное разрешение поля температур и зависимость результатов моделирования от корректности задания поля течения и выгорания топлива в топке.
При построении дифференциальных моделей процессов в топочных камерах для каждого параметра, описывающего характеристики процесса, записывается уравнение переноса (соответствующий закон сохранения), которое решается методом конечных разностей. Такими параметрами для процесса аэродинамики являются компоненты скорости u, v, w, давление р, а также характеристики турбулентности потока; при описании горения -компоненты топлива и газовой среды Ym; теплообмена - температура Т или энтальпия h газов и т.д. Для получения замкнутой модели, позволяющей полностью описывать топочные процессы, необходимо к системе дифференциальных уравнений переноса добавить соотношения и уравнения, описывающие движение и взаимодействие угольных частиц, процессы горения, уравнение состояния, уравнения радиационного переноса.
Разные авторы в своих работах делают упор на моделирование, как отдельных процессов [20, 33, 34, 36, 39, 54, 64, 66, 69, 84, 108, 109], так и комплексных моделей [5, 6, 15-18, 31,32, 42, 48, 51, 56, 82, 85, 92, 94-99].
Среди отечественных работ, посвященных математическому моделированию топочных процессов, можно отметить следующие [6, 17, 31, 42,48,51,56,82].
Первой работой в России по моделированию трехмерных течений в топочных камерах, по-видимому, является работа [39]. В ней рассматривается метод расчета изотермической аэродинамики топочных камер, основанный на решении уравнений Навье-Стокса с эффективной вязкостью. В статье представлены результаты расчетов аэродинамики вихревой топки ЦКТИ. При сравнении результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными на изотермических физических моделях, отмечается их удовлетворительное согласие.
В работе [21] предпринята попытка создания комплексной модели топочных процессов, включающей межфазное взаимодействие несущей фазы и частиц, турбулентное газофазное и гетерогенное горение. Дальнейшее развитие работ этих авторов [22] было направлено на реализацию комплексной модели.
Работа A.M. Бубенчикова и др. [15] посвящена разработке численной модели для изучения пространственной аэродинамики и тепломассообмена в вихревых топках. В ней проведено качественное сравнение результатов изотермического расчетного моделирования течения и результатов эксперимента на гидромодели топки котла. Результаты комплексного моделирования топочного устройства котла БКЗ-420 с твердым шлакоудалением сравнивались с данными, полученными по полуэмпирической модели, а не по результатам промышленных испытаний.
В работах по моделированию вихревой топки, развиваемых в ИТ СО РАН [56, 98], в настоящее время достигнут уровень достоверного описания процесса аэродинамики двухфазного потока.
Использование коммерческого пакета Fluent для моделирования процессов в кольцевой топке описано в работах [51, 52].
Группой специалистов из Казахстана активно используется специализированная версия программы Phoenics - Florean и ведутся работы по созданию собственного продукта на основе программы KIVA [48].
Наиболее широкое распространение для моделирования топочных процессов в России получили специализированные программные продукты «Fire», разработанный специалистами томского политехнического университета [31, 42, 53-55, 69, 70) и SigmaFlame [25, 38, 73-77, 82].
Описание движения, теплообмена и горения полидисперсных частиц угля в топочной камере
Процесс теплообмена представляет собой сложное радиационно-конвективное взаимодействие между печной средой и ограничивающими поверхностями в условиях значительной неизотермичности, сложной аэродинамики и горения топлива, многократного отражения и рассеяния селективного излучения. Высокий температурный уровень среды и поверхностей обуславливает преобладание радиационного теплообмена. В связи с этим при проведении теплового расчета предъявляются повышенные требования к учету радиационной составляющей в суммарном теплообмене.
Необходимо заметить, что моделирование процесса радиационного теплообмена является очень сложной задачей, т.к. в отличие от остальных процессов (горения, аэродинамики) каждый элементарный объем среды находится в непосредственном взаимодействии со всеми другими элементарными объемами и решение интегро-дифференциальных уравнений, описывающих это явление, очень трудоемко.
Для задачи радиационного обмена разработан ряд подходов. Это методы имитационного моделирования, в которых прослеживается движение отдельных лучей и фиксируется изменение их энергии вдоль траектории. К ним относятся различные варианты метода Монте-Карло и методы дискретных направлений.
Ряд других методов основан на представлении исходного интегро-дифференциального уравнения переноса излучения в форме дифференциальных уравнений второго порядка. Наиболее простой из этих методов - это диффузионный метод, который получается интегрированием уравнения переноса излучения по всему телесному углу Решение уравнения переноса лучистой энергии базируется на Р1 [12] аппроксимации метода сферических гармоник для серой двухфазной двух температурной среды. Достоинством этого метода является его легкая совместимость с методами расчета аэродинамики и теплопереноса, реализованных на криволинейных сетках. Источниковые члены в виде тепловых потоков за счет радиационного теплообмена для газовой компоненты имеют вид: Коэффициенты поглощения газа ag вычисляются по модели суммы серых газов, коэффициенты поглощения и рассеяния частицами определяются по аппроксимации оптически крупных частиц. Модель горения в газовой фазе Расчет химической кинетики горения газового топлива основан на использовании глобальных необратимых реакцией между горючими и окислителем. Скорость горения Rvoi определяется по модели "обрыва вихря" [105]: где А и В - эмпирические константы равные соответственно 4,0 и 0,5; YVob Yox, Ypr - концентрации летучих, окислителя и продуктов сгорания; Sox, Spr - стехиометрические коэффициенты в реакции горения. Скорость реакции в этой модели ограничивается скоростью турбулентного перемешивания топлива и окислителя. В качестве источниковых членов в уравнениях для газовых компонентов включаются продукты сгорания летучих. Предполагается, что прогрев топлива и выход летучих компонент происходит достаточно быстро и при моделировании на грубой расчетной сетке, задавалось, что выход влаги заканчивается в первой ячейке возле стенки.
Для описания двухфазных потоков используются два подхода. Это подход Лагранжа с имитационным моделированием движения отдельных частиц. Так как провести прямое моделирование всех реальных частиц крайне сложно, применяется модель представительных частиц. По этой модели принимается, что «математическая частица» в процессе движения и выгорания ведет себя как реальная частица. При формировании же членов обмена массой, импульсом и энергией с газовой фазой «математическая частица» выступает как характерный представитель своего - класса и несет информацию о совокупной массе этого класса частиц. Обычно при моделировании двухфазных потоков по методу Лагранжа используют от нескольких сотен до сотен тысяч частиц.
В подходе Эйлера дисперсная фаза описывается уравнениями сплошной среды. При моделировании по Эйлеру частицы теряют свою индивидуальность. Считается, что в расчетной ячейке все частицы характеризуются едиными параметрами скорости, температуры и т.д. Это усложняет моделирование таких процессов, как взаимодействие струйных потоков и осаждение частиц на стенки. Преимущество подхода Эйлера заключено в том, что получаемые уравнения для описания дисперсной фазы по структуре совпадают с уравнениями переноса для газовой фазы. Это позволяет использовать для их решения аналогичные алгоритмы.
Проведенный тщательный расчетный анализ обоих методов [86], установил их равноценность по степени точности при соответственно точной дискретизации (по Эйлеру) и достаточно большом количестве частиц (по Лагранжу). Вычислительные затраты при использовании метода Эйлера для описания процессов межфазного взаимодействия для нескольких классов частиц являются более значительными. Метод Эйлера в отличие от метода Лагранжа, также как и уравнения для описания газа, подвержен влиянию численных ошибок схемной дискретизации (схемная вязкость). Этот вопрос является актуальным при использовании достаточно грубых расчетных сеток, характерных для пространственного моделирования.
Процессы, связанные с горением угольной пыли, также как аэродинамика и теплообмен, являются определяющими при моделировании работы пылеугольных топочных устройств. В результате теплового воздействия на угольную частицу начинается процесс пиролиза с выделением летучих, сгорающих в ходе гомогенной реакции в газовой фазе. После гетерогенного выгорания углерода коксового остатка образуется зола, представляющая собой несгораемые компоненты угольной пыли. Это означает, что в основном первоначальная угольная частица сохраняет свою индивидуальность (исключая случаи распада частицы в процессе пиролиза), но в течение пребывания в топочной камере происходит изменение ее физических свойств, таких как объем, плотность, структура поверхности.
Течение в модели тангенциальной топочной камеры с угловым расположением горелок
Под шлакоулавливанием понимается процесс вывода топливных и золовых частиц из взвешенного состояния в результате их взаимодействия с поверхностями нагрева и стенками топки. Шлаки образуются в результате сжигания топлива из его минеральной части, подвергающейся воздействию высоких температур. Процесс шлакообразования - сложное явление и обуславливается в основном физико-химическими свойствами золы топлива, аэродинамическими факторами, температурными и газовыми режимами топки.
При пылевидном сжигании топлива поведение частицы угля в топке представляется в следующем виде: частица угля при вылете из горелки нагревается, высыхает, загорается, проходит через зону высоких температур, где зола угольной пыли полностью или частично может расплавиться, частично или полностью газифицироваться. Затем при нормальном топочном режиме должна в топках с твердым шлакоудалением охладиться у поверхностей нагрева настолько, чтобы температура поверхности частицы и окружающих ее газов была бы ниже температуры затвердевания частицы. В данном случае частица отскочит от поверхности нагрева и, в зависимости от турбулентного потока в данной области, будет подхвачена им или упадет в шлакоулавливающую воронку.
Шлакоулавливание зависит также и от состояния поверхностей, на которые падает частица золы, их температуры и геометрического положения. Процесс шлакоулавливания определяется аэродинамическими условиями набегания газов на поверхности, а именно значениями усилий, воздействующих на частицы золы в момент ее контакта с поверхностью налипания, и направлением удара о нее, т.е. аэродинамикой частицы. Чем больше скорость и размер частицы у поверхности ограждений, тем более благоприятные условия для прилипания частицы к этой поверхности, если ее температура выше температуры плавления шлака.
Если же частица шлака соприкасается со стенкой при температуре ниже температуры затвердевания шлака, то она не задерживается на стенках и выносится затем в газоходы котла.
Для оценки вероятности шлакования поверхностей нагрева топочных камер, используются различные подходы. Инженерные методики оценки шлакования представлены в работах томской и красноярской научных школ [14,43-45]. Комплексные экспериментальные исследования шлакования для широкой гаммы российских углей и работы по созданию математических моделей проведены в УралВТИ под руковдством А.Н. Алехновича [3,4]. Для котлов с жидким шлакоудалением комплексная модель шлакования с учетом моделирования процессов в топке и характера осаждения отдельных частиц приведена з диссертации Красильников С. В [53].
При прямом моделировании осаждения частиц на поверхности нагрева необходимо знать параметры как частицы попадающей на поверхность нагрева (скорость, температура, минеральный состав), так и свойства самой поверхности (температура, состав поверхностного слоя экрана (металл, вязкие или невязкие отложения). Большое количество работ описывает вероятность прилипания частиц на поверхность ориентируясь на вязкость расплава золы, которая дает возможность определить условия закрепления индивидуальных частичек летучей золы.
Наиболее широко в отечественных и зарубежных работах, зависимость вязкости от температуры принимается в форме уравнения типа Аррениуса. Обычно при расчете вязкости расплава использовался эмпирический метод предложенный Watt&Fereday. К достоинствам метода, относится использование двух независимых характеристик зависимости вязкость - температура и использование эмпирических коэффициентов для учета не одинакового влияния компонентов состава на вязкость. Для определения, останется ли золовая частица на поверхности при столкновении с ней, вводится коэффициент улавливания золовой частицы В некоторых задачах необходимо учитывать не только вязкость расплава золы, но и вязкость слоя образовавшегося на стенке: (2.37) pt(TPS)-коэффициент улавливания для частиц і-го состава ps(Ts)- коэффициент улавливания осаждающей поверхности
Для оценки динамики шлакования поверхностей нагрева в настоящей работе использовалась эмпирическая модель. Предполагалось, что частица, достигшая стенки с заданной вероятностью прилипает на поверхность стенки, или отскакивает от нее. Для Березовского угля эмпирическая константа вероятности шлакования задавалась равной 0.6, что соответствовало экспериментальным данным, полученным в УралВТИ [3]. По рассчитанному распределению массы осевших на поверхности стенки частиц строится вероятная область шлакования.
Так, как для корректного моделирования процесса шлакования необходимо отслеживание очень большого числа угольных и золовых частиц, поэтому для реализации вероятностной модели шлакования был создан специализированный программный модуль для программы SigmaFlame.
Результаты моделирования топки с новой схемой организации нижнего дутья и угрубленным помолом топлива
В марте 2008 года после реконструкции топочно-горелочных устройств, на Березовской ГРЭС проводились испытания котла №2. Котел работал с "грубым" помолом топлива, с заглушённым по аэросмеси четвертым ярусом горелок и с нижним дутьем горячего воздуха.
В СибВТИ были выполнены адаптированные к опытам теплогидравлические расчеты котла. Определены выбросы оксидов азота.
Среднее качество березовского угля, поступавшего в последние годы на Березовскую ГРЭС и прогнозируемое на перспективу, характеризуется следующими показателями: Qir=3750 ккал/кг, Wtr=34,7%, Ad=6,9%, Std=0,37%, Vdaf=46,9%.
Котел работал с тремя ярусами горелок (воздух подавался в отглушенный по аэросмеси четвертый ярус), "грубым" помолом топлива (шибер тонины помола в положении 0, Riooo 3,54-4,5%), нижним дутьем горячего воздуха (6-7%). Лопатки пыледелителя были установлены под углом 0 (близкая к равномерной загрузка трех ярусов горелок). Расход воздуха на охлаждение растопочных горелок составлял 4-5%. Котел эксплуатировался, как правило, при работе восьми пылесистем, двух дымососов рециркуляции газов, трех основных дымососов и двух дутьевых вентиляторов. Температуры газов в зоне активного горения не превышают температуры 1250С. Выбросы оксидов азота составили по результатам измерений СибВТИ - 409 мг/нм3 (а=1,4), а по данным экологической службы БГРЭС-357мг/нм3.
КПД котла составил 91,3%. Результаты эксплуатации реконструированных блоков № 1 и № 2 показали, что они могут длительно нести нагрузку 770 МВт с пиковой нагрузкой 800 МВт. Было выполнено математическое моделирование реконструированной топки котла №2 Березовской ГРЭС 1. В результате расчетов получено, что температура на выходе из топочной камеры в среднем соответствует данным по результатам эксперимента и количество выбросов NOx попадает в интервал между измерениями СибВТИ и экологической службой контроля. Т на выходе составила 1090С, Q располагаемое = 2402МВт, химический недожог -1,33МВт = 0,055%, механический недожог - 3,62МВт = 0,15%, NOx -341 мг/м . Сравнение данных пирометрии с данными расчета температуры по высоте топки приведено на рисунке (4.17). Для вновь проектируемого котла блока № 3 Березовской ГРЭС-1 был выполнен новый цикл расчетных исследований процессов в топочной камере. Базируясь на предложениях специалистов ОАО «ЭМАльянс», фирмы E.ON и сотрудников СибВТИ проведено математическое моделирование вариантов возможных проектных решений для топочной камеры этого котла. Исследовано более 20 различных вариантов конструкции топки: с восстановительной ступенью, с тангенциальным и встречным способом ввода третичного воздуха на разных отметках по высоте топки, с разными диаметрами крутки факела, с нижним воздушным дутьем и избытком воздуха на выходе из топки в диапазоне 1.17-1.20. При сравнении вариантов с номинальной нагрузкой использовались следующие показатели (рис. 4.18, 4.19): максимальная расчетная температура факела, , средняя расчетная температура газов в сечении на отметке 73м, химический недожог в сечении на отметке 73 м, массовая концентрация N0 в сечении на отметке 73 м. Варианты с установкой сопел OF А по предложениям фирмы E.ON дают наименьшие выбросы оксидов азота при минимальных значениях температуры газов на выходе из топки, однако химический и механический недожоги для этих вариантов недопустимо высоки. Кроме того, выше максимальная температура факела. Анализ основных результатов численных расчетов показал приоритет варианта с восстановительной ступенью и расположением 20 сопел OFA на отметках 44,4 м и 47 м при производительности котла 2450 т/ч, который рассматривается в ПФ ОАО «ЭМАльянс» как основной, конструктивно реализуемый в существующей компоновке котла без использования индивидуальных дополнительных вентиляторов третичного воздуха. Выводы. В результате расчетов получены следующие средние значения в сечении по отметке 73м: Температура газов, С -1099 Химический недожог, % -0,13 Механический недожог, % -0,96 NO концентрация, мг/м -261 Конструкторским бюро для практической реализации был выбран наиболее эффективный и наименее затратный вариант модернизации топки. Три яруса основных горелок планируется разместить в тех же местах предусмотренных "старым" проектом (три нижние яруса). Четвертый ярус горелок (размещение сохраняется) будет выполнять функцию ступени восстановления. Для снижения температурного уровня в топке и соответственно снижения выбросов оксидов азота предусматривается подача газов рециркуляции непосредственно в горелки. На 6,5 метров выше горелок ступени восстановления располагаются сопла третичного дутья. Для эффективного перемешивания сопла выполнены в два яруса (с промежутком по высоте в 2 метра), и с разным радиусом крутки у каждого яруса.
