Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Тенденции развития, специфика и методы исследования замещения проектных углей 14
1.1 Современные тенденции замещения проектных топлив 14
1.2 Состояние угольной промышленности России 22
1.3 Обзор результатов опытных исследований замещения топлив 26
1.4 Обзор результатов численного исследования замещения топлив 34
1.5 Краткий обзор современных пакетов прикладных программ 37
1.6 Выводы 39
Глава 2 Физико-математическая постановка задачи перевода котельного агрегата БКЗ-420-140 Омской ТЭЦ-4 на непроектные угли 41
2.1 Объект исследования 41
2.2 Характеристика проектного и замещающих углей 44
2.3 Физико-математическая постановка задачи 46
2.4 Выводы 60
Глава 3 Численное моделирование аэродинамики и горения в топках на основе пакета прикладных программ FIRE-3D 61
3.1 Описание пакета прикладных программ FIRE-3D 61
3.2 Сравнительный анализ протекания физических процессов в топках котельных агрегатов с математическими моделями 63
3.3 Выводы 79
Глава 4 Численное исследование топочных процессов при сжигании пылеугольного топлива в камерной топке котла БКЗ-420-140 Омской ТЭЦ-4 81
4.1 Численное моделирование сжигания экибастузского угля 81
4.2 Численное моделирование сжигания кузнецкого угля 98
4.3 Численное моделирование сжигания ирша-бородинского угля 129
4.4 Обобщенный анализ полученных результатов численного исследования и описание технологии проведения предпроектного анализа конструктивных решений для топки котельного агрегата с использованием пакета прикладных программ 142
Заключение 147
Литература 150
Приложения 162
- Состояние угольной промышленности России
- Краткий обзор современных пакетов прикладных программ
- Характеристика проектного и замещающих углей
- Сравнительный анализ протекания физических процессов в топках котельных агрегатов с математическими моделями
Введение к работе
Благосостояние любой страны или региона в мировом сообществе зависит от энергетической отрасли вследствие необходимости обеспечения постоянного развития и совершенствования техники и технологий, которые сопровождаются значительным увеличением потребления энергетических ресурсов. Поэтому обеспеченность мировой экономики топливно-энергетическими ресурсами - одна из важнейших проблем, стоящих перед человечеством [1].
В условиях резкого изменения ценовой политики продаж нефти и природного газа в развитых странах интерес к использованию твердого топлива как к основному мировому энергоносителю продолжает неуклонно повышаться [2, 3]. В России с окончанием «газовой паузы» и намечающимися тенденциями перехода к более глубокой переработке нефти увеличивается доля потребления угля в теплоэнергетике. Поэтому вопрос о развитии новых энергоэффективных технологий сжигания углей в «большой» и «малой» энергетике является актуальным [4].
Однако повышение спроса на твердое топливо сопровождается необходимостью решения задачи об использовании на ТЭС непроектных марок углей. Это связано с тем, что по действующим нормам проектирования и строительства ТЭС располагаются вблизи угольных месторождений и рассчитываются на использование определенных углей (обычно одной марки) с учетом их запасов и теплотехнических свойств [5]. Эксплуатационный срок службы энергетического оборудования составляет около 100000 ч, то есть приблизительно 12 лет, однако на практике при действующей системе капитальных ремонтов большинство электростанций России работает более 30 лет. Иногда в течение этого срока происходит исчерпание запасов проектного угля или изменение его теплотехнических характеристик. Это может быть обусловлено разными причинами: на ряде угольных бассейнов и месторождений выработаны наименее зольные пласты; на других увеличение степени
механизации угледобычи повлекло за собой выемку высокозольной «горной массы», поставляемой к тому же на ТЭС без обогащения [6].
Однако использование углей с различными качественными характеристиками зачастую приводит к нарушению устойчивости горения, шлакованию поверхностей нагрева котлов, снижению размольной производительности мельниц, уменьшению нагрузки котлов и повышенным выбросам в окружающую среду вредных веществ [7, 8]. С ростом темпов экономического развития страны и выхода на прежний уровень производства тепловой и электрической энергии, а таюке необходимостью строительства новых энергоблоков последнее обстоятельство является весьма актуальным в связи с постановлением Правительства Российской Федерации от 12 июня 2003 г. № 344 «О нормативных платах за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными источниками, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, размещение отходов производства и потребления». В теплоэнергетике существенно обостряется проблема использования углей с высокой минеральной составляющей и повышенным содержанием серы и азота [9]. Ратификация Киотского протокола, первая стадия которого намечена на 2008-2012 гг., также заставляет более серьезно относится к экологическому аспекту производства энергии.
Вместе с тем тенденция монополизации рынка угля, сформировавшаяся после завершения приватизации угольных компаний, усугубляет данную ситуацию, что вызывает обеспокоенность энергетиков и побуждает их искать пути устранения последствий указанного явления [5].
В качестве примера можно указать проблему перевода Омских ТЭЦ-4 и 5 на сжигание непроектных топлив [10]. Дело в том, что по причине высокой зольности экибастузского угля возникли серьезные экологические проблемы для территорий, находящихся в
7 непосредственной близости с ТЭЦ. На Омской ТЭЦ-4 золоотвал переполнен, а на Омской ТЭЦ-5 требуются огромные инвестиции для поддержания его в работоспособном состоянии. Объем складированной на золоотвалах золы составляет 35 млн. тонн. Кроме того, в перспективе прогнозируется возможный дефицит экибастузских углей при реализации совместных казахско-китайских проектов по строительству мощных электростанций на территории Казахстана.
Еще в 1995-1996 гг. была разработана программа первоочередных
работ по замещению экибастузского угля углями российских
месторождений [11]. Проведенные опытные сжигания отсева хакасского
угля марки ДСШ в смеси с экибастузским, а также кузнецкого угля
марки СС были очень трудоемким, весьма дорогим и сложным в
организационном плане мероприятием. Альтернативой
экспериментального исследования на полномасштабной установке является проведение экспериментов на маломасштабных моделях [12]. Однако полученную информацию необходимо экстраполировать, и не всегда возможно воспроизвести все свойства полномасштабного объекта. При этом необходимо помнить, что во многих случаях измерения затруднены и измерительное оборудование может давать погрешность.
При использовании методов теоретического исследования скорее определяются результаты решения задачи согласно используемой математической модели, а не характеристики действительного физического процесса.
Численные решения поставленных задач математического моделирования дают подробную и полную информацию. На основе численного решения можно найти значения всех имеющихся переменных во всей области решения. Наиболее важным преимуществом является его небольшая стоимость и минимальные затраты времени на проведение исследования. Так же для расчета доступна практически вся исследуемая область без возмущений, вносимых датчиками, и
8 возможность получения решения для реальных условий исследуемого процесса, что далеко не всегда возможно при экспериментальном исследовании.
Современный уровень развития математического моделирования физических процессов и специального программного обеспечения позволяют решать задачи теплоэнергетики менее затратным путем численного исследования, преимущества которого наиболее очевидны при необходимости отбора технических решений при конструкторской проработке нескольких вариантов [13, 14].
Целью диссертационного исследования является разработка и апробация технологии проведения предпроектного анализа конструкторских решений по модернизации пылеугольных топочных камер котельных агрегатов БКЗ-420-140 при замещении базового топлива непроектным с использованием численного моделирования на основе пакета прикладных программ FIRE 3D.
Для достижения данной цели сформулированы следующие основные задачи исследования:
усовершенствование пакета прикладных программ FIRE 3D для учета выхода влаги из угольных частиц с целью обеспечения более качественного анализа протекания сложных аэротермохимических процессов в топочном объеме;
проведение тестирования пакета FIRE 3D по известным экспериментальным данным для пылеугольных топок котлов, сжигающих близкие по составу и теплофизическим свойствами угли;
разработка различных схем организации факельного сжигания замещающих углей в топке котла БКЗ-420-140;
проведение вычислительного эксперимента, позволяющего оценить влияние конструкции исследуемой топки, типа и
9 компоновки горелочных устройств, режимных параметров, условий ввода аэросмеси и воздуха на аэродинамические и тепловые характеристики топочного устройства;
выявление наиболее перспективных конструкторских
решений при различных схемах факельного сжигания
непроектных то плив в топке котла БКЗ-420-140.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
впервые для топки с твердым шлакоудалением выполнены полномасштабные исследования процессов аэродинамики, теплообмена и горения при замещении базового топлива непроектными углями;
выполнена модернизация пакета прикладных программ FIRE 3D, связанная с учетом выхода влаги из пылеугольного топлива в процессе его сжигания;
разработана технология применения методов математического моделирования и специализированных вычислительных пакетов для предпроектной проработки конструктивных изменений топок котлов, переводимых на непроектное топливо.
Практическая значимость работы определяется тем, что:
полученные результаты исследования и модернизированная методика численного анализа могут применяться при проектировании и реконструкции котельных агрегатов на различных видах твердого топлива;
результаты исследования топочных процессов в топке котла БКЗ-420-140 используются на Омской ТЭЦ-4 для достижения оптимальных условий теплообмена и горения в топке, а так же при анализе эффективности сжигания непроектных топлив;
методика исследования используется в учебном процессе по
специальности 140502 «котло- и реакторостроение» в
Томском политехническом университете (включена в
лекционный курс и лабораторный практикум по дисциплине
«Методы защиты окружающей среды», в тематику
выпускных квалификационных работ и учебно-
исследовательской работы студентов).
Работа выполнялась в соответствии с основными направлениями научной деятельности Томского политехнического университета («Разработка методов и средств повышения надежности и эффективности эксплуатации энергетических объектов», «Развитие теоретических основ и разработка технологий производства энергии и энергоресурсосбережения в различных отраслях»). Также исследования выполнялись при поддержке федеральной целевой программы № 360303601 «Разработка методов расчета динамики, горения и теплообмена в полидисперсных гетерогенных потоках».
Достоверность результатов обеспечивается применением апробированных математических моделей и надежных методов вычислений, согласованием расчетов с экспериментальными данными других авторов, а также с результатами, полученными по нормативному методу теплового расчета.
На защиту выносятся:
постановка задачи численного моделирования аэродинамики, теплообмена и горения при сжигании углей в пылеугольной топке котла БКЗ-420-140 с использованием специального прикладного пакета FIRE 3D;
результаты тестирования усовершенствованного пакета FIRE 3D на экспериментальных данных сжигания пылеугольного топлива;
предложенные схемы организации сжигания замещающих проектное топливо углей в топке котлоагрегата БКЗ-420-140;
результаты математического моделирования сложных физических процессов во всем объеме топочной камеры котла БКЗ-420-140 Омской ТЭЦ-4 при использовании непроектного топлива и изменения схемы и условий выгорания топливно-воздушной смеси.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на VI Всероссийском совещании «Энергоэффективность, энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России» (г. Томск, 2005 г.), 3-й Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии» (г. Томск, 2006 г.), XII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, 2006 г.), VI Всероссийской конференции «Горение твердого топлива» (г. Новосибирск, 2006 г.), IV научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов» (г. Челябинск, 2007 г.), VIII Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (г. Новосибирск, 2007 г.), XIV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2008 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 13 печатных работ, среди которых 1 статья в рецензируемом издании (список ВАК).
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (106 наименований) и приложения. Работа содержит 171 страницу, 9 таблиц и 48 рисунков.
Во введении обоснованы актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, приводится общая характеристика работы.
Первая глава отражает современное состояние теплоэнергетики, угольной отрасли и перспективы их развития. Представлены проблемы, связанные с выработкой паркового ресурса на ТЭЦ России, ухудшением качества и / или исчерпанием проектных топлив и изменением топливной политики в стране. Рассмотрены современные подходы для решения создавшихся проблем.
Вторая глава посвящена постановке физико-математической задачи с учетом влияния влажности топлива. Представлена эйлерово-лагранжева математическая модель поведения двухфазной среды, состоящей из реагирующих топочных газов и полидисперсных частиц. Описаны уравнения аэродинамики и тепломассопереноса, «k-є» модель турбулентности, способ представления горения летучих, СО и другие уравнения. Приведен объект исследования — топочная камера котла БКЗ-420-140, его конструктивные особенности и условия сжигания проектного топлива.
В третьей главе приведено описание пакета прикладных программ FIRE 3D и представленны результаты тестирования используемой модели и численного алгоритма на тестовых задачах, которые показали достаточно хорошее согласование с экспериментальными данными других авторов.
Четвертая глава посвящена численным результатам исследования физических процессов в топке котла БКЗ-420-140 при сжигании проектного и замещающих углей с учетом конструктивных изменений камеры сгорания. Проведен качественный анализ полученных результатов и отражены наиболее перспективные схемы сжигания в топке котла БКЗ-420-140.
13 В заключении приведены основные выводы по результатам диссертационного исследования.
Состояние угольной промышленности России
В валовом продукте ТЭКа доля угольной продукции составляет 3,6%, а в общем объеме промышленной продукции России на угольную отрасль приходится всего 1% [15]. По производству угля Россия занимает шестое место в мире после Китая, США, Индии, Австралии и ЮАР. Доля России в мировой добыче составляет 5%, по экспорту угля Россия находится на восьмом месте. В отечественной угольной промышленности действует 113 шахт и 128 разрезов (технических единиц) суммарной годовой производственной мощностью около 280 млн т, а также 40 обогатительных фабрик мощностью по переработке 119 млн т. Численность занятого в отрасли персонала составляет 328 тысяч человек. Доля добычи угля частными компаниями по итогам 2003 года составила 95%. Уголь потребляется в 89 российских регионах, но добывается лишь в 27 из них. Это вызывает массовую перевозку угля, в основном из Восточной и Западной Сибири, которые направляют соответственно 30% и 20% своей продукции в другие регионы. В 2001 году Россия экспортировала около 42 млн т угольной продукции. Импорт угля в Россию достиг 28,6 млн т. Основной объем импортных углей поставляется предприятиями Казахстана и потребляется электростанциями Уральского региона, Омской и Тульской областей.
Угольная промышленность в настоящее время завершила первый этап коренных структурных преобразований. Изменена экономическая основа функционирования отрасли. Сегодня она формирует свои финансовые ресурсы только за счет реализации продукции.
В результате реструктуризации более 93% особо убыточных, неперспективных и опасных по горно-геологическим условиям предприятий прекратили добычу угля, 188 шахт находятся в стадии ликвидации, на 153 шахтах технические работы по ликвидации в основном завершены [17-21]. Основные угольные бассейны России имеют следующую эволюцию:
Кузбасс. Добыча угля по итогам 2001 года составила 127,7 млн т или 47,4 % от общей добычи по России. На долю Кузбасса приходится более 76 % добычи коксующихся углей. Общее количество шахт и разрезов составляет 130 единиц, из них ведут добычу 89 (52 шахты и 37 разрезов), в стадии ликвидации находится 41 предприятие. Производственная мощность по добыче угля составляет 121,5 млн т, из них на шахтах - 61 млн т, на разрезах - 60,5 млн т. Угольные компании Кузбасса, в которых создано высокоэффективное угольное производство, играют стабилизирующую роль в отрасли.
Канско-Ачинский бассейн (КАТЭК). Добыча угля по итогам 2001 года составила 38,4 млн т или 14,3 % от общей добычи по России. Расположенный в основном в Красноярском крае и частично в Кемеровской области, этот Центрально-Сибирский бассейн обладает крупными запасами бурого угля залегающими на небольшой глубине. Добыча ведется на 6 разрезах суммарной производственной L мощностью 42,7 млн т.
Основными потребителями являются электростанции. В 2001 году им поставлено 26,1 млн т канско-ачинского угля или 68,5 % от общих поставок. Восточная Сибирь. Кроме Канско-Ачинского буроугольного бассейна, Восточная Сибирь представлена также угледобывающими предприятиями в республиках Хакасия, Бурятия, Тыва, в Иркутской и Читинской областях. Добыча угля в 2001 году по этим регионам составила 34,1 млн т и велась на 24 разрезах и 2 шахтах. Общая производственная мощность предприятий оценивается в 39,3 млн т угля в год. В регионе добываются только энергетические угли, в основном бурые, основными потребителями которых являются электростанции, в том числе дальневосточные.
Дальний Восток. Добыча угля по итогам 2001 года составила 28 млн т или 10,4 % от общей добычи по России. Открытым способом добыто 25,1 млн т. Общее количество шахт и разрезов составляет 64 единицы. Производственные мощности угледобывающих предприятий рассчитаны на годовую добычу 33,9 млн т угля. Добыча ведется на 64 предприятиях. В стадии ликвидации находится 40 предприятий. Для регионов Дальнего Востока уголь в структуре котельно-печного топлива достигает 67 %. Основные объемы потребления приходятся на Приморский и Хабаровский края. Топливно-энергетический баланс региона формируется в большой степени за счет дальнепривозных углей (более 10 млн т).
Печорский бассейн. В регионе, расположенном большей частью за полярным кругом, добывается как энергетический, так и коксующийся уголь. Добыча угля по итогам 2001 года составила 18,8 млн т или 7 % от общей добычи по России, в том числе для коксования 8,8 млн т (13,6 %). Производственная мощность угледобывающих предприятий 20,35 млн т в год.
В структуре поставок печорских углей 40,8 % приходится на металлургические предприятия, 24,1 % - на тепловые электростанции, 7,9 % - на коммунально-бытовые нужды и 5,1 % - на экспорт. Донбасс. На российский Донбасс приходится 3,6 % от добычи угля по России и 95 % добычи всех антрацитов страны. Шахты бассейна отличаются большой глубиной и сложными горно-геологическими условиями залегания пластов. В настоящее время добычу угля в бассейне ведут 15 угледобывающих предприятий. Рынками сбыта добываемого угля являются районы Северного Кавказа, Нижнего Поволжья и Центра России. В структуре внутренних поставок 53 % направляется на электростанции, 22 % - в коммунально-бытовой сектор, населению и АПК. Балансовые запасы угля категорий А+В+С1 по Российской Федерации составляют 198,5 млрд т (11,3 % мировых разведанных запасов), в т.ч. бурых углей - 102,1 млрд т, каменных - 89,7 млрд т (из них коксующихся - 40,1 млрд т, антрацитов — 6,7 млрд т). Эти данные свидетельствуют о надежной обеспеченности запасами угля для энергетики и металлургического комплекса страны на длительную перспективу. Распределенный фонд балансовых запасов составляет 29,4 млрд т, или 14,8 % от учтенных балансовых запасов Российской Федерации. Следует подчеркнуть, что распределение государственного фонда недр между недропользователями осуществлялось до последнего времени в отрыве от системного планирования развития топливно-энергетического комплекса. Система контроля за соблюдением условий действия лицензий на пользование недрами до сих пор не имеет достаточной законодательной основы и характеризуется предельно низким уровнем организации. Использование существующего фонда недр нередко носит хищнический характер, что приводит к серьезному экологическому ущербу. . Требует незамедлительного пересмотра и дальнейшей ревизии государственный баланс запасов угля. Существующие кондиции, определяемые всего двумя факторами — мощностью угольного пласта и зольностью угля, совершенно не учитывают потребительской ценности угля (теплота сгорания, содержание серы, влаги, фосфора, редких элементов и др.), горно-технических условий (нарушенность пластов, углы и глубина залегания), не соответствуют технологиям угледобычи.
Краткий обзор современных пакетов прикладных программ
На современном этапе научных исследований вычислительный эксперимент является одним из важнейших направлений при изучении задач аэродинамики, тепломассообмена и горения. Информация, полученная с помощью численных расчетов, позволяет не только правильно осмыслить и понять физические эффекты, наблюдаемые, например, на экспериментальных установках, но и в некоторых случаях заменить физический или натурный эксперимент компьютерным как более дешевым. % Учитывая дальнейший прогресс в области развития вычислительной техники, можно ожидать, что в ближайшем будущем возрастет роль ,{, компьютерного моделирования, как в создании новых образцов промышленности, так и в исследовании процессов и явлений, происходящих в окружающем нас мире.
В настоящее время широкое распространение при решении задач связанных с исследованием физических процессов в топочных камерах котельных агрегатов получили пакеты прикладных программ Fluent, ANSYS, CFX, STAR-CD, Fire 3D, Flow Vision, aFlow и др.
Использование упомянутых пакетов позволяет моделировать сложные течения жидкостей и газов в широком диапазоне изменения теплофизических свойств посредством обеспечения различных условий моделирования и использования многосеточных методов с улучшенной сходимостью, который дает оптимальную эффективность и точность решения для широкого диапазона моделируемых скоростных режимов. Изобилие физических моделей в пакетах позволяет с хорошей сходимостью предсказывать ламинарные и турбулентные течения, различные режимы теплопереноса, химические реакции, многофазные потоки и другие явления на основе гибкого построения сеток и их адаптации к полученному решению [28].
При решении задач горения твердого топлива в камерных топках для дискретизации задач зачастую используется метод конечных элементов. Для каждого элемента ставится задача выполнения всех законов сохранения (массы, импульса, энергии).
В качестве модели турбулентности обычно выбирается "к-е" модель. Рассматривается двухфазная задача, где в газообразной фазе находятся воздух (О , N ), продукты сгорания (СО , Н О) и летучие (СО Н ). Твердой
фазой являются угольные частички разных размеров на разной стадии выгорания. В газообразной фазе учитываются химические реакции. Летучие, выделяющиеся из топлива, полагаются неким обобщенным углеводородом СО Н , состав которого и энерговыделение рассчитываются на основе характеристик заданного топлива [29, 30].
Для моделирования дисперсных частиц, как правило, выбирается Лагранжев подход. Фракционный состав дисперсной фазы записывается по распределению Розина-Раммлера. Движение угольных частиц прослеживается с учетом турбулентности газовой фазы, где учитывается обратное влияние твердой фазы на газообразную.
В тепловом балансе угольной частицы учитываются теплота испарения влаги, передача тепла теплопроводностью и турбулентностью, лучистый теплообмен и теплота сгорания коксового остатка. Температура частицы считается одинаковой внутри частицы, но отличающейся от температуры окружающей газовой среды.
Для моделирования лучистого теплообмена используется Р-1 модель. Учитывающая рассеивание и поглощение как в газовой среде, так и на частицах. Решение уравнений движения для разных фаз выполняется независимо друг от друга. Влияние одной фазы на другую проявляется в виде источников массы, энергии, импульса. После сходимости итерационного процесса решение оказывается самосогласованным [29].
Граничные условия, как правило, задаются на теплообменных экранах, которые представляются в виде плоской пластины заданной толщины и теплопроводности. При этом на одной стороне пластины поддерживается постоянная температура пароводяной смеси, на другой стороне температура получается в процессе решения. Параметры на входных границах считаются известными. На выходных границах используются обычно простые граничные условия.
Характеристика проектного и замещающих углей
Экибастузский каменноугольный бассейн является одной из крупнейших топливных баз, находится в 135 км от г. Павлодара в степной равнинной местности на территории Республики Казахстан и занимает площадь 160 км2 [32]. Ресурсы бассейна составляют 12,2 млрд.т. Запасы категорий A+B+Ci -8653 млн.т., пригодны для открытой разработки. Бассейн почти полностью разведан. Создание на базе Экибастузского бассейна крупного топливно-энергетического комплекса обусловило переход на валовую (совместно с внутрипластовыми породными прослоями) добычу с вовлечением в отработку высокозольных (45-60%) разностей. Уголь этого бассейна потребляют электростанции Казахстана, Среднего и Южного Урала, Западной Сибири. Кузнецкий бассейн находится на юге Западной Сибири в Кемеровской области и приурочен к одноимённой котловине. Он занимает площадь 26,7 тыс. км и вытянут в северо-западном направлении на 350 км при ширине около 110 км. Общие ресурсы угля Кузнецкого бассейна - 637 млрд.т., из них кондиционных - 548 млрд.т. Ресурсы коксующихся углей - 215 млрд.т., энергетических - 401 млрд.т., антрацитов - 10, бурых - 11 млрд.т. Для открытой разработки пригодны 14 млрд.т., в том числе коксующихся - 1,9 млрд.т.
Бородинское месторождение расположено на территории Рыбинского района Красноярского края. На месторождении имеется восемь пластов угля средней мощности: Рыбинский (3,2 м), Гусевский (1,7 м), Бородинский II (7,4 м), Бородинский I (35,0 м), Новый (3,5 м), Надиршинский (0,8 м), Иршинский (1,2 м), Подиршинский (0,3 м). Все запасы углей пригодны для открытой разработки. Самый мощный пласт -Бородинский I. Мощность его достигает 53 м. На месторождении действует Бородинский угольный разрез. В настоящее время одновременно с пластом Бородинский I разрабатываются пласты Бородинский И, Рыбинский I. Вмещающие породы представлены песчано-алевролитовым составом, реже встречаются пески и песчаники.
По запасам Канско-Ачинский угольный бассейн занимает одно из первых мест в мире и является крупнейшей топливной базой нашей страны. Балансовые запасы угля в Канско-Ачинском бассейне по состоянию на 2000 г. учитываются в количестве 118,8 млрд.т. Канско-ачинские угли (КАУ) имеют также лучшие из отечественных твердых топлив экологические показатели. Основная проблема, связанная с использованием канско-ачинских углей, заключается в особенностях их минеральной части. От других используемых на ТЭС России бурых углей КАУ отличаются низкой зольностью, что в значительной мере определяет специфику их минеральной части. Малозольные угли имеют высокое содержание кальция, что препятствует применению мокрых систем золоулавливания и обуславливает высокую склонность к образованию прочных сульфатно-кальциевых отложений на поверхностях нагрева котлов.
Непрерывное и устойчивое развитие компьютерных технологий изменило подходы к инженерному проектированию и выполнению предшествующих исследований. Если ранее технологические решения долгое время полагались на теорию и эксперимент для проектирования и анализа, то теперь добавился третий подход в виде численного моделирования.
Термин «численное моделирование» обычно относится к использованию численных методов на мощных компьютерах, чтобы решить комплекс математических моделей, основанных на фундаментальных физических законах [33, 34].
Фундаментальные основы численного моделирования - это развитие математического описания физической . системы, которая будет смоделирована. Это может быть также просто как передача высокой температуры через стенку или столь же сложным как факел вихревой горелки, где сжигается уголь, на начальном этапе должно быть определено соответствующее математическое описание.
Результаты математического моделирования особенно сложны в описании полного процесса. Каждый физический процесс, включенный в систему горения, описан индивидуально, однако они взаимодействуют с другими физическими,процессами. Это взаимодействие создает взаимосвязь между всеми описаниями индивидуальных процессов.
Основное влияние на протекание топочных процессов в топке котла согласно [35] оказывают такие физико-химические процессы, как горение топлива, аэродинамическое движение газов, воздуха, полидисперсных частиц топлива, а также тепло- и массообмен. При этом процесс горения топливной частицы включает такие стадии-как прогрев частицы, процесс выхода влаги и летучих. Далее происходит горение летучих и догорание коксового остатка, в конечной стадии остается минеральная часть топлива в виде зольного остатка. Аэродинамика топочной камеры в значительной степени зависит от геометрии топки, схемы сжигания и условий подачи аэросмеси в топочную камеру. Тепломассообмен, в свою очередь, зависит от процесса горения и аэродинамической картины в топке. Наибольшее влияние на протекание вышеперечисленных процессов оказывает вид топлива, его элементарный и фракционный состав. Таким образом, построение математической модели топочных процессов включает в себя большое количество фундаментальных физических законов, различных подходов и методов описывающих протекание топочных процессов. В настоящее время нет общепринятой модели горения с учетом наличия дисперсной фазы, как и нет единой общепринятой методики расчета топочных процессов в котельном агрегате, кроме нормативного метода теплового расчета [27], разумеется. Для описания и прогнозирования свойств газодисперсных систем обычно используются кинетический, континуальный и траекторный подходы. Практическая реализация того или иного подхода обусловлена, границами применимости и возможностью прогнозирования различных характеристик потока [36]. В работах [37-49] проведены численные исследования сжигания дисперсного топлива и перемешивания частиц на основе различных подходов, но полученные результаты использования континуального либо траєкторного методов являются мало применимыми к широкому спектру физико-химических процессов, протекающих в двухфазной среде.
Качественные результаты сходимости математической модели с экспериментальными получены на основе Эйлерово-Лагранжева подхода [50-55]. Использование Эйлерово-Лагранжева подхода позволяет детально описывать процессы взаимодействия двухфазных аэродинамических потоков, выхода летучих, горения пылеугольных частиц и догорания коксового остатка.
К основным недостаткам данного метода относят, затрачиваемое время центрального процессора, необходимое для решения числовой модели. Так, например время, требуемое для решения подобной Эйлерово-Эйлеровой модели меньше почти в четыре раза. Однако высокая степень детализации и возможность моделирования полидисперсного потока делает использование Эйлерово-Лагранжева подхода весьма превлекательным.
Поэтому в данной работе для построения адекватной математической модели аэродинамики, горения и теплообмена в топках, сжигающих пылеугольное топливо, используется метод, совмещающий эйлеров и лагранжев подходы для описания движения газа и взвешенных частиц. В настоящее время такой метод активно развивается, в том числе и для двухфазных потоков с высокими концентрациями дисперсной фазы, поскольку позволяет детально отслеживать поведение взвешенных реагирующих частиц и учитывать их полидисперсность [56-59].
Согласно этому методу общие уравнения движения, теплообмена и горения в газовой фазе представляются на основе эйлерова способа описания, т.е. используются стационарные пространственные уравнения баланса массы, импульса, концентраций газовых компонентов и энергии для газовой смеси [60, 61]. Лагранжев подход применяется для описания движения и тепломассообмена одиночных частиц топлива и золы вдоль их траекторий с учетом обратного влияния дисперсной фазы на несущую среду., Турбулентные характеристики газа рассчитываются с использованием двухпараметрической «к-є» модели турбулентности [62, 13], также учитывающей влияние движущихся частиц. Радиационный теплообмен в ; двухфазном потоке представляется в рамках Р1 приближения метода сферических гармоник [63], который показывает хорошие результаты; применения к пылеугольным топкам [64].
Сравнительный анализ протекания физических процессов в топках котельных агрегатов с математическими моделями
В работах [85, 89] отмечается, что создание современных -высокофорсированных, экономичных и надежных парогенераторов требует овладения методами рационального проектирования топочных камер. Расчет многих сложных задач теории горения, термодинамики, аэродинамики и других, возникающих в особенности при сжигании твердого топлива, стали возможны с появлением современных средств вычислительной техники. Созданы методы теплового поверочного и конструкторского расчета парогенераторов с использованием современной вычислительной техники, но расчеты топочной камеры, базирующиеся на нормативном методе, практически не учитывают локальных особенностей аэродинамики и горения.
Поэтому для повышения надежности и улучшения качества проектирования большую практическую значимость приобретает разработка методов комплексных расчетов топочных устройств с учетом пространственного характера аэродинамики, воспламенения, выгорания пылеугольного факела, теплообмена, а также прогнозирования условия выбросов вредных веществ, образующихся в топочной камере [90].
Но, как уже отмечалось выше, имеется несколько существенно различающихся методов и подходов к комплексному решению подобных задач. Это обусловлено сложностью систем уравнений для моделирования физических процессов, повышенными требованиями к вычислительной технике, неоднородному распределению переменных в системе пространственных ячеек, разнообразием методов вывода конечно-разностных уравнений и методов их решения.
Следовательно, для доказательства применимости разработанного вычислительного кода необходимо провести качественный и количественный сравнительный анализ применения того или иного комплексного расчета, моделирующего физические процессы, с натурными экспериментами.
В качестве объектов для тестирования модели в данной работе выбраны два котельных агрегата ПК-39 и БКЗ-210-140 абсолютно .разных в конструктивном исполнении, по условиям подачи топливно-воздушной смеси и сжигаемому твердому топливу.
Данные парогенераторы выбраны не случайно, а с целью определения степени достоверности в численном расчете физических процессов пакета прикладных программ FIRE 3D при различных схемах сжигания. Кроме того, уголь, сжигаемый в топке котла ПК-39, аналогичен проектному углю исследуемого котла БКЗ-420-140 Омской ТЭЦ-4, а уголь, сжигаемый в натурных исследованиях в топочной камере котла БКЗ-210-140, относится к бурым высокозольным и влажным углям Канско-Ачинского бассейна, так жэ как и предложенный в качестве замещающего угля - ирша-бородинский.
Кроме того, горелочные устройства топки котла ПК-39 весьма близки по способу подачи аэросмеси и вторичного дутья с аналогичными устройствами модернизируемого котла БКЗ-420-140 Омской ТЭЦ-4.
В первую очередь, выполним количественный сравнительный анализ для парогенератора ПК-39. Данные о проведенных натурных экспериментах были взяты из исследовательской работы [91].
Топочная камера (открытая с твердым шлакоудалением) имеет следующие габариты: по высоте 35,235 м, в плане - 7,762 х 10,76 м, полностью экранирована трубами диаметром 32 мм с шагом 38 мм. Боковые экраны в нижней части топки образуют скаты холодной воронки, а в верхней - сужение. На боковых стенах топки в 2 яруса встречно расположены 12 вихревых лопаточно-лопаточных горелок на уровнях 7,315 м и 10,115 м по высоте топки.
Диаметр горелочных устройств по каналу подачи топливно-воздушной смеси составляет 550 мм, по каналу вторичного воздуха - 1080 мм. Скорость подачи аэросмеси 16-20 м/с, вторичного воздуха 24 - 28 м/с.
