автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Исследование и математическое моделирование топочных процессов для совершенствования технологии факельного сжигания канско-ачинских углей

10-2

1580

На правах рукописи

Шишканов Олег Георгиевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОПОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ФАКЕЛЬНОГО СЖИГАНИЯ КАНСКО-АЧИНСКИХ УГЛЕЙ

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2010

Работа выполнена на кафедре «Реакторо- и парогенераторостроение» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор техн. наук, профессор Рундыгин Юрий Александрович.

Официальные оппоненты:

- доктор техн. наук, профессор

- доктор техн. наук, профессор

- доктор техн. наук, профессор

Боровков Валерий Михайлович; Заворан Александр Сергеевичу Прошкин Александр Владимирович.

Ведущая организация - Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск.

Защита диссертации состоится 9 февраля 2010 г. в 16-00 на заседании диссертационного совета Д 212.229.04 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу:

195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

в аудитории 411 ПГК.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан «28» декабря 2009 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, в двух экземплярах просим направить по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Факс: (812)552-6552

E-mail: kgl210@mail.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

Григорьев К.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» предусматривает расширение производства тепловой и электрической энергии на базе сжигания твердого топлива. Особое место в этом процессе занимают бурые угли Канско-Ачинского бассейна (КАУ). Обширные запасы (около 640 млрд. тонн), дешевизна добычи, а также относительная «экологичность» (содержание серы составляет менее 1 %) обосновывает перспективность их применения в энергетике не только Восточной Сибири, но и других регионах России (Западная Сибирь, Южный Урал и др.). Парк действующих на тепловых электростанциях котлоагрегатов различных модификаций для технологии факельного сжигания канско-ачинских углей насчитывает около 150 единиц, однако их показатели надежности, экономичности и экологической чистоты не в полной мере соответствуют современным требованиям.

Во многом, проблемы при эксплуатации котельного оборудования обусловлены сложным характером процессов, сопровождающих сжигание канско-ачинских углей в топочных камерах. В первую очередь к ним относится поведение минеральной части топлива, что вызывает загрязнение частицами золы и шлакование поверхностей нагрева, с чем связана большая часть вынужденных остановов и ограничение максимальной выработки пара. Другим негативным фактором является образование вредных выбросов. Так, содержание оксидов азота в дымовых газах, покидающих котлы действующих ТЭС, превышает в 1,5-2 раза установленные нормативы. Дополнительные трудности вызываются колебаниями качества сжигаемого топлива, а также отсутствием необходимых средств контроля и регулирования топочных процессов, что осложняет действия обслуживающего персонала и усугубляет влияние отрицательно воздействующих факторов.

Решение перечисленных проблем путем разработки новых технологических приемов, рационального сочетания режимных и конструктивных технических решений, а также усиления средств контроля и управления за счет использования систем диагностирования определяет актуальность диссертационных исследований, проводимых на базе экспериментальных исследований и математического моделирования топочных процессов. Основанием для выполнения диссертационной работы послужили: программа ГКНТ СССР по проблеме «Исследование и освоение сжигания канско-ачинских углей на электростанциях КАТЭКа на 19811985 гг.» (пункт 3.5.1 б, задания 03.05.09. Н29, подпрограммы 0.01.01Ц программы 0.Ц.002);

гранты по фундаментальным исследованиям в области энергетики и электротехники Министерства образования РФ (Грант 5Гр-96, 1996-1997) и (Грант 4Гр-98, 1998-2000);

грант по фундаментальным исследованиям в области технических наук Министерства образования РФ (Грант Т0201.2-320, 2003-2004);

аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» (Мероприятие 2, раздел 2.1 подраздел 2.1.2. Код заявки (номер проекта): РНП.2.1.2.2272, 2006-2008);

грант Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) № 08-08-00969-а (2008-2010).

Объектом исследования являются котельные установки тепловых электростанций, предназначенные для факельного пылеугольного сжигания.

Предметом исследования являются процессы, протекающие в топочных камерах котлоагрегатов при сжигании канско-ачинских углей.

Цель работы заключается в совершенствовании технологии факельного сжигания канско-ачинских углей на основе результатов экспериментальных натурных исследований и математического моделирования топочных процессов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи исследования:

анализ современного состояния технологии факельного сжигания канско-ачинских углей (используемые конструкции топочных камер, проведенные модернизации и реконструкции оборудования, особенности режимов эксплуатации, системы управления тепловой работой), а также применение методов расчетного и экспериментального исследования топочных процессов;

проведение экспериментальных исследований процессов, протекающих в действующих топочных камерах различной конфигурации и тепловой мощности при изменении условий сжигания канско-ачинских углей;

обобщение полученных результатов экспериментальных исследований с выявлением закономерностей и особенностей изменения температурных, скоростных и радиационных полей, а также состава продуктов сгорания в топочных камерах котлов с твердым и жидким шлакоудалением с фронтальной, тангенциальной и встречной установкой одно- и многоярусных горелочных устройств;

совершенствование методики зонального математического моделирования теплообмена позволяющее получить спектральные характеристики излучения продуктов сгорания, учесть взаимосвязь показателей радиационного теплообмена с параметрами шлакования и тепловосприятия поверхностей нагрева, а также уточнить расчет генерации оксидов азота в дымовых газах;

проведение трехмерного зонального математического моделирования теплообмена в топочных камерах действующих и проектируемых котлов для разработки и обоснования технических предложений, направленных на

устранение выявленных несовершенств тепловой работы оборудования за счет рационального сочетания конструктивных элементов и режимов эксплуатации;

совершенствование и испытание системы технического диагностирования топочной камеры парового котла, включающей оборудование для проведения измерений плотности падающих радиационных потоков и блок математического сопровождения с моделированием аварийных ситуаций тепловой работы;

разработка технических решений, направленных на создание новых и совершенствование действующих топочных устройств, повышающих эффективность технологии факельного сжигания канско-ачинских углей на тепловых электростанциях.

Методы исследования. Математическое моделирование топочных процессов проводилось на основе зонального метода расчета радиационного и сложного теплообмена. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием современных методик с необходимым метрологическим обеспечением.

Научная новизна.

1) Выявлены закономерности и особенности распределения температурных неравномерностей в горизонтальных и вертикальных сечениях объема топочных камер различной тепловой мощности в зависимости от режима сжигания и их конструктивных особенностей согласно полученным данным экспериментальных исследований характеристик топочных процессов в котлах с жидким шлакоудалением БКЭ-320, БКЗ-420, в котлах с твердым шлакоудалением КВТК-100, БКЗ-500, П-67, оборудованных многоярусными тангенциальными горелками, в котле ПК-10Ш с фронтальной компоновкой горелок, а также в реконструированном котле БКЗ-320 с встречной схемой горелок, что позволяет разработать технические мероприятия по совершенствованию условий эксплуатации действующих кот-лоагрегатов и учесть на стадии проектирования новых образцов оборудования;

2) Разработан алгоритм расчета радиационных характеристик продуктов сгорания, который основан на преобразовании экспериментальных спектральных коэффициентов поглощения углекислого газа и водяных паров в зависимости от температур, парциального давления и эффективной длины луча в объемных зонах расчетной модели, позволяющий получить необходимые данные для зонального моделирования теплообмена в топочных камерах с учетом селективности излучения. Даны рекомендации его применения;

3) Усовершенствована методика зонального моделирования теплообмена в части учета взаимосвязи плотности падающего радиационного потока и теплопоглощения экранами от теплового сопротивления наружных

шлакозоловых отложений и температуры рабочей среды, что позволяет сделать количественную оценку влияния на тепловую работу топочной камеры шлакующих свойств сжигаемого топлива и параметров тепловос-приятия поверхностей нагрева;

4) Получены преобразованные нормативные расчетные зависимости для определения содержания N0* в дымовых газах применительно математической модели теплообмена, что позволило не только учесть генерацию оксидов азота в проводимых зональных исследованиях, но и повысить точность их вычисления;

5) Разработаны на основе зонального моделирования аварийные ситуационные модели (погасания факела, локального и интегрального шлакования поверхностей нагрева, разрыва трубы экрана или ширмового пароперегревателя), использование которых позволяет сформировать блок сопровождения для системы технического диагностирования тепловой работы топочных камер котлоагрегатов;

6) При обработке результатов математического моделирования получены формулы расчета, согласно которым определяется распределение топлива, газов рециркуляции по горелочным блокам, а также ориентация горелок, что обеспечивает бесшлаковочное увеличение паропроизводитель-ности за счет сокращения тепловых перекосов в топках котельных установок;

7) На основе результатов расчетных и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по совершенствованию действующих и созданию новых топочных устройств и способов их работы для технологии факельного пылевидного сжигания канско-ачинских углей, обеспечивающих в условиях тепловой электростанции повышение надежности и экономичности работы котельных агрегатов, а также снижение вредных выбросов в атмосферу.

Практическая значимость и использование результатов работы.

1. Усовершенствованная методика зонального математического моделирования теплообмена, позволяющая повысить качество расчетно-проектных работ при создании котельно-топочного оборудования, предназначенного для пылевидного факельного сжигания канско-ачинских углей в котельных установках паропроизводительностью от 75 до 2650 т/ч;

2. Полученные данные экспериментальных измерений плотности падающих на экраны радиационных потоков и установленные взаимосвязи между показателями тепловой работы и режимными параметрами энергоустановок использованы для разработки режимов повышения паропроизводительности и КПД котлов, путем уменьшения температурных неравномерностей в реконструированной топке котла БКЭ-320, в топочных камерах серийного исполнения котлов БКЭ-320 и ПК-10Ш Красноярской ТЭЦ-1;

3. Результаты экспериментального исследования показателей теплообмена и данные по концентрациям СО, 02 и ЫОх в дымовых газах в зависимости от условий эксплуатации (схемы включения пылесистем и пылепи-тателей, изменения паропроизводительности и др.) использованы при разработке режимных параметров сжигания, обеспечивающих повышение выработки пара и сокращение вредных выбросов топочных камер паровых котлов БКЗ-500 и БКЗ-420 Красноярской ТЭЦ-2;

4. Разработаны и рекомендованы к внедрению ОАО «Енисейская территориальная генерирующая компания (ТГК-13)» на котлах с фронтальной и тангенциальной установкой одно- и многоярусных горелок технические решения, защищенные авторскими свидетельствами и патентами на изобретения, позволяющие за счет распределения подачи топлива, газов рециркуляции по горелочным блокам, а также изменения ориентации горелок и установки дополнительных воздушных сопл устранить температурные неравномерности в объеме топочных камер, что позволит повысить бес-шлаковочную тепловую мощность и сократить вредные выбросы при энергетическом сжигании углей Канско-Ачинского бассейна;

5. Результаты трехмерного зонального математического моделирования теплообмена использованы в Сибирском филиале Всесоюзного теплотехнического института при разработке проекта реконструкции топочной камеры котлоагрегата (серии БКЗ-220) и при проектировании на производственном объединении «Сибэнергомаш» вариантов топок к новому котлу (серии БКЗ-690), предназначенных для замены устаревшего оборудования;

6. Разработана и прошла опытно-промышленные испытания система температурного контроля для диагностирования тепловой работы топочной камеры парового котла БКЗ-500 Красноярской ТЭЦ-2, использование которой для совершенствования действующих систем управления рекомендовано на тепловых электростанциях ОАО «Енисейская территориальная генерирующая компания (ТГК-13)»;

7. Результаты диссертационных исследований применены в учебных курсах теоретических и практических дисциплин для студентов направления «Энергомашиностроение» и «Теплоэнергетика», что позволяет повысить качество подготовки будущих специалистов в области создания новых образцов котельной техники и эксплуатации оборудования тепловых электрических станций.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Данные проведенных натурных экспериментальных исследований характеристик процессов, протекающих в топочных камерах различной конфигурации и тепловой мощности при изменении режимных условий сжигания канско-ачинских углей.

2. Результаты обобщения экспериментальных исследований и выявленные закономерности и особенности распределения полей температур и теп-

ловых потоков в котлах с фронтальной, тангенциальной и встречной установкой одно- и многоярусных горел очных устройств.

3. Усовершенствованная методика зонального математического моделирования теплообмена позволяющая получить спектральные характеристики продуктов сгорания, учесть взаимосвязь показателей радиационного теплообмена с параметрами шлакования и тепловосприятия поверхностей нагрева, а также уточнить расчет генерации оксидов азота в дымовых газах.

4. Результаты проведения трехмерного зонального математического моделирования теплообмена в топочных камерах действующих и проектируемых котлов с обоснованием и разработкой технических предложений, направленных на устранение выявленных несовершенств тепловой работы оборудования за счет рационального сочетания конструктивных элементов и параметров режима эксплуатации

5. Результаты математического моделирования аварийных ситуаций для блока сопровождения и опытно-промышленных испытаний системы температурного контроля в топке, как элементов для технического диагностирования тепловой работы топочной камеры парового котла.

6. Разработанные технические решения, направленные на создание новых и совершенствование действующих топочных устройств и способов их работы, повышающих эффективность технологии факельного сжигания канско-ачинских углей на тепловых электростанциях.

Достоверность результатов натурных экспериментов на действующем оборудовании обеспечивается применением апробированных методик экспериментальных исследований, использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры и подтверждается удовлетворительным совпадением с экспериментальными данными других исследователей. Достоверность результатов исследований, выполненных с помощью трехмерной зональной математической модели теплообмена, подтверждаются сходимостью расчетных данных и характеристик топочных процессов, определенных в ходе проведенных экспериментальных измерений.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: на 4 Всесоюзной конференции «Влияние минеральной части энергетических то-плив на условия работы парогенераторов» (Таллин, 1986); на 1 и 2 Всесоюзных конференциях «Теплообмен в парогенераторах» (Новосибирск, 1988 и 1990); на 7 Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену (Ташкент, 1991), на заседаниях секции «Теплообмен излучением» ГКНТ СССР (Самара, 1991); на Международной конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Иваново, 1991 и 2005); на 1, 2 и 4 Российских конференциях по теплообмену (Москва, 1994, 1998 и 2006), на 12-16 заседаниях Всеросийской школы-семинара молодых ученых (1999, 2001, 2003, 2005, 2007); на 6 и 7 Всеросийских конференциях «Горение

твердого топлива» (Новосибирск, 2006, 2009); на Международной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития энергетики» (Ташкент, 2006); на 4 Всеросийской научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов» (Челябинск, 2007). Кроме того, результаты диссертационной работы докладывались на заседаниях НТС Красноярских ТЭЦ -1, 2, 3, а также ОАО «Енисейская территориальная генерирующая компания (ТГК-13)».

Личный вклад автора. Автору принадлежит постановка задач данного исследования; обоснование и разработка положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы; проведение, анализ и обобщение результатов математического моделирования и экспериментальных измерений характеристик топочных процессов на действующих котлах; разработка усовершенствованной зональной методики расчета сложного теплообмена; формулировка выводов и рекомендаций для принятия технических решений. Автор принимал непосредственное участие в разработке и опытно-промышленной проверке системы температурного контроля в топке, а также при разработке технических предложений по совершенствованию элементов конструкций и режимов эксплуатации топочных устройств, обеспечивающих эффективное сжигание канско-ачинских углей.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 54 печатные работы, в том числе 9 статей в изданиях по перечню ВАК, 13 докладов на конференциях, 7 авторских свидетельств и 4 патента на изобретения, 1 депонированная рукопись и 7 статей в межвузовских сборниках научных трудов.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов с выводами, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 311 страниц машинописного текста, включающего 54 рисунка и 38 таблиц. Список использованных источников включает 272 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулирована цель работы, выделены научная новизна, практическая значимость полученных результатов и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе выполнен аналитический обзор работ, направленных на решение проблем использования канско-ачинских углей на тепловых электростанциях.

Проблемы котельно-топочного оборудования технологии факельного сжигании канско-ачинских углей, прежде всего, связаны с интенсивным

загрязнением частицами золы и шлакованием труб экранов, а также образованием плотных золошлаковых отложений на пароперегревательных поверхностях нагрева. Это приводит к ухудшению процессов теплопередачи, падению образовавшихся шлаковых глыб, увеличению нагрузки на тяго-дутьевые устройства, а в итоге - к снижению паропроизводительности и надежности работы котлов. Процессы шлакования оказывают негативное влияние и на другие показатели эксплуатации. Так, повышение температурного уровня в топке при загрязнении экранов способствует росту генерации оксидов азота в продуктах сгорания, а также сдерживает применение средств их подавления. Влияние на процесс шлакования отдельных составляющих топочных процессов и особенностей поведения минеральной части каиско-ачинских углей исследовались в работах A.A. Отса, И.К. Лебедева, A.C. Заворина, Э.П. Дика, А.Н. Алехновича и других.

Одним из факторов, определяющих интенсивность процессов шлакования, является повышенный локальный температурный уровень в отдельных областях топочной камеры, вследствие конструктивных особенностей или режимов сжигания. В условиях недостатка средств контроля и регулирования обслуживающий персонал выбирает наиболее легкий, (но далеко не самый рациональный) путь борьбы со шлакованием за счет общего снижения температур в топочной камере, что достигается уменьшением паропроизводительности, ростом подачи газов рециркуляции и др.

На решение задач повышения эффективности использования канско-ачинских углей направлены новые технические разработки: схемы НТВ и ВИР сжигания, кольцевая топка Сибтехэнерго, четырех и двух вихревое сжигание Сибирского ЭНТЦ, предварительная термообработка топлива и ряд других. Опыт проведенных модернизаций и реконструкций показал, что их применение позволяет существенно повысить технико-экономические показатели работы котельных установок. Значительный вклад в развитие этого направления внесли Ю.Л. Маршак, В.В. Померанцев, Ф.А. Серант, Ю.А. Рун-дыгин, В.З. Финкер, С.М. Шестаков, М.Я. Процайло, М.С. Пронин, В.В. Васильев, И.С. Деринг, В.А. Дубровским и др. Однако внедрение новых образцов техники сдерживается существенными ограничениями в финансовых и технологических ресурсах на реконструкцию и техперевооружеиие основного оборудования ТЭС в период реформирования электроэнергетики России.

Путь совершенствования режимных условий и конструктивных элементов действующего оборудования в сложившихся условиях зачастую оказывается более перспективным. Это обусловлено следующими причинами: не требуется значительных капиталовложений и времени на осуществление; внедрение технических решений проводится на действующем агрегате без вывода в холодный останов; минимальный риск при получении отрицательного результата.

Еще одно из направлений улучшения показателей эксплуатации связано с совершенствованием систем управления работой котлоагрегата. В большинстве случаев характер протекания топочных процессов прямо Fie фиксируется средствами штатного контроля котла, а определяется изменением вторичных параметров (температура перегрева пара, температура уходящих газов, содержание кислорода в дымовых газах и других), а зачастую - через наблюдения машиниста-обходчика. Решение этой задачи связано с развитием технического диагностирования теплового состояния топочной камеры, когда информация из текущих измерений на действующем объекте, дополняется показателями, полученными в результате математического моделирования.

Перспективным подходом при создании новых и совершенствовании действующих топочных устройств для технологии пылеугольного сжигания твердого топлива на тепловых электростанциях является использования математического моделирования, существенный вклад, в развитие основ которого внесли Л.И. Зайчик, Э.П. Волков, A.B. Старченко, A.M. Бубенчиков и другие российские и зарубежные исследователи. Вместе с тем, прямое численное моделирование сложных многообразных физико-химических процессов, протекающих в топливоиспользующих установках, приводит к многократному увеличению объема исходных данных и вычислений. Разумное сочетание высокой разрешающей способности и объема вводимой информации дает применение в исследованиях математических моделей, разработанных на основе зонального метода расчета радиационного и сложного теплообмена. Развитие зонального моделирования высокотемпературных процессов в установках промышленного и энергетического назначения связано с работами Ю.А. Журавлева, Э.С Карасиной, А.П. Скуратова, A.B. Прошкина и других исследователей. Так, в работах Журавлева Ю.А. применительно к расчету теплообмена в трехмерных излучающих системах сложной конфигурации, заполненных движущейся селективно излучающей, поглощающей и рассеивающей средой, предложена система уравнений теплового баланса для объемных и поверхностных зон, при решении которой определяются поля температур: т+п tri m' ri , \

IV/ ^fiïy» +I«wW -+IX/AA=°, (1)

1=1 /=/ /=/ Ы r

j=l, 2, ..., m; m+n m' 1

i=i i=i tij j = 1, 2, ..., n.

Здесь аи - коэффициенты радиационного обмена, Вт/К4; т и п ~ число

объемных и поверхностных зон в излучающей системе; т' и п'~ число соседних по отношению к зоне / объемных и поверхностных зон; ¥ц (Уп )-

расход топочной среды из зоны г в зону] (из зоны / в зону /), м3/с; с, (с¡)-

средняя теплоемкость топочной среды при температуре зоны /' (/'), Дж/(м -К); ак1: - коэффициент теплоотдачи конвекцией между объемной

зоной у и поверхностной зоной /, Дж/(м2-К); Рц - площадь соприкосновения объемной и поверхностной зон г и у, м2; АВ. - масса топлива, сгорающего в зоне у, кг/с или м3/с; У0- - приток компонента г (топливо, воздух, продукты сгорания и т.п.) с известной температурой (°С) извне в /'-ю зону топки, кг/с или м3/с; с0г - средняя теплоемкость компонента г при температуре (0г, Дж/(кгК) или Дж/(м3-К); - тепловое сопротивление /-й зоны, (м2-К)/кВт; температура рабочего тела в поверхностях нагрева (пара или пароводяной смеси), °С; - площадь поверхностной зоным2. Найденные

при решении системы уравнений (1), (2) среднезональные температуры являются основой для последующего определения различного рода тепловых потоков и теплотехнических показателей. Практическое применение зонального моделирования теплообмена показало высокую эффективность и достоверность результатов, неоднократно подтвержденных экспериментальными исследованиями. Однако используемая методика зонального моделирования нуждается в совершенствовании при решении нового класса задач, связанных с изменением положения факела, учетом шлакующих свойств топлива, расчетом вредных выбросов и другими. В заключение раздела аргументирована цель и сформулированы задачи исследований, проводимых в диссертационной работе.

Во втором разделе представлены результаты экспериментальных исследований температурного состояния и тепловой работы топочных камер действующих котлоагрегатов при сжигании канско-ачинских углей.

Топочные процессы при сжигании канско-ачинских углей экспериментально исследованы в котлах с твердым шлакоудалением КВТК-100 Красноярской ТЭЦ-3 (ст. № 3), БКЗ-500 (ст. № 4 и № 5) Красноярской ТЭЦ-2, ГТ-67 Березовской ГРЭС-1 (ст. № 1). Топки этих котлов оборудованы восемью, двенадцатью и тридцатью двумя горелками (тангенциальная компоновка), которые размещены соответственно в два, три и четыре яруса по высоте. Размеры топок в плане, мм: 7104x7060, 11260x10260 и 23080x23080.

Результаты проведенных экспериментальных измерений плотности падающих радиационных потоков в топке котла КВТК-100 при сжигании

ирша-бородинского угля показали, что в топочной камере ярко выражена неравномерность распределения температур по ее высоте. Максимальные значения плотности подающих радиационных потоков, зарегистрированные на уровне верхнего яруса горелок, составляют 251+260 кВт/м2 (при те-плопроизводителыюсти котла 92+96 Гкал/ч). Нижняя часть топочной камеры загружена слабо. Здесь уровень радиационных потоков в 2+2,5 раза ниже.

В горизонтальных сечениях топочной камеры температурные неравномерности заметно ниже. Величина Дцти) = д"^ - составляет 25+28 кВт/м2 при сжигании топлива с отключением пылесистемы. При этом высокотемпературное ядро вращающегося газового потока смещается в сторону неработающего блока горелок. В режиме без отключения - Ацпад уменьшается до 11+13 кВт/м2. В ходе экспериментов визуально отмечено наличие несколько левее центра тылового экрана (на высоте 15,8 м) слоя гребневидных золовых отложений с толщиной 300+350 мм.

Измерения в топке котла БКЗ-500 (станционный №4) проводились во время опытного сжигания березовского угля. Результаты экспериментов показывают, что разность между максимальной и минимальной величинами плотности падающих радиационных потоков, зафиксированная в центре экранов на высоте 18,2 м, при отключении блока горелок составляет 48+57 кВт/м2, без отключения - уменьшается до 10+12 кВт/м2. При увеличении высоты топочной камеры (высота 21,9 м) при соответствующем снижении общего температурного уровня, разница между д,и д'"'^ остается весьма существенной 36+39 кВт/м2. Наличие тепловых перекосов согласуется с результатами измерения температурных полей в объеме топочной камеры (рис. 1). Видно, что ядро горения смещено в сторону фронтового экрана вследствие отключения горелочного блока Б. Максимум температуры газов в центральной части зафиксирован на уровне второго яруса горелок и составляет 1360 °С при нагрузке котла Г>~Д,. Наибольшее значение температур 1200+1220 °С в пристенных областях получено на третьем ярусе горелок.

Проведенное исследование скоростного режима движения газов в различных сечениях топочной камеры (рис. 1) показало, что с увеличением высоты под действием восходящего высокотемпературного потока газов происходит отклонение струй от заданных траекторий движения в сторону стен топки. Это объясняет изменение тепловой неравномерности по высоте топочной камеры, полученное при измерениях плотности падающих радиационных потоков и температур.

Во время проведения экспериментов на экранах отмечены только первичные отложения, а уровень максимальной плотности падающих радиационных потоков при этом не превышал в большинстве опытов

26(Н270 кВт/м2. Исключение составил опыт, когда зафиксирован интенсивный рост отложений в топке (режим £>=0,8ДЛ с частичным их оплавлением. При этом величина составляла 313 кВт/м".

Подобный объем экспериментальных исследований выполнен на котле БКЗ-500 (ст. № 5), но уже в случае сжигания ирша-бородинского угля. Выявленные особенности распределения показателей теплообмена, сопровождающие тангенциальное сжигание, повторяются и на этом котле (рис. 2). Однако здесь при режиме работы с отключением пылесистемы А зарегистрирован гораздо больший уровень температурных неравномерностей в горизонтальных сечениях топочной камеры Ад"^¡=94 кВт/м". При других сочетаниях работающих пылесистем тепловые неравномерности заметно ниже, а минимальная - получена в режиме без отключения. Экспериментально установлено, что работа котла на пониженных паровых нагрузках (рис. 3) приводит лишь к уменьшению общего пирометрического уровня без сокращения перепада температур в горизонтальных сечениях топки.

1400

t° С 1200

аоо

1400 1200

1300

ч '

г"

Х- ЧУ

г ервын ярус горелок

....... ■—I-1-

4 второй ярус горелок

30

м/с 20

10 о -10

15 ■ 5 ■ -5 ■ 20 10 о

._ в - I • -2 А -3

>1Н ярус _ >елок

А-"-*"-*—_ У го

второй яр ус горелок

Г 5

рЛ^ sa>-<>—1 третий О-О—1 ярус горелок

1200 ■ 1000 '

1200 1100 1000

_ 8 Высота 18,2 м

Высота 21,9 м -1-

а)

L, м 4

7 ^^

Высота 18 2м

9, Высота 21,9 м

..... 10

0 i 2 S L, м

б)

Рис. 1 - Изменение температуры газов (а) и тангенциальных скоростей (б) по линии зондирования в центральных лючках фронтового (1, 4, 5, 7, 9), тылового (2, 6, 8, 10) и левого (3) экранов

При измерениях концентрации МЗЛ., СО, и 02 в продуктах сгорания установлено, что наибольшая величина Ст = 558 мг/им3 получена при

включении всех пылесистем. При отключении хотя бы одной пылесистемы и одинаковой паровой нагрузке, концентрации оксидов азота заметно ниже 348+464 мг/нм3. Это обстоятельство объясняется тем, что отключение пылесистемы сопровождается перераспределением воздуха, направляемого в работающие и неработающие блоки горелок, обеспечивая ступенчатость сжигания топлива.

яруса горелок яруса горелок

Рис. 2 - Температурные неравномер- Рис. 3 - Изменение плотности па-

ности в сечениях топочной камеры дающих радиационных потоков на

при сочетании работающих пылеси- высоте 18,2 м от паровой нагрузки

стем: -о— - БВГ; —•— - АВГ; -Д- котла: —о— - 370 т/ч; —-

- АБГ; - АБВ; —о— - работают 440 т/ч; —- 460 т/ч

все пылесистемы

Результаты измерений плотности падающих радиационных потоков в топке котла П-67 (сжигался березовский уголь) представлены на рис. 4. Из графиков видно, что несмотря на отключение пылесистемы в условиях нагрузки (И=0,75+0,82О,,) температурная неравномерность между экранами здесь ниже, чем в котле БКЗ-500 и составляет примерно 35+40 кВт/м2. По ширине экранов, наоборот, выявлена ^„да)=100+120 кВт/м2 между значениями, полученными в углах и центре. Это свидетельствует о наличие в сечении котла П-67 ярко выраженной высокотемпературной области, сосредоточенной в центре топочной камеры, что снижает интенсивность теп-ловосприятия экранов и способствует шлакованию.

Обобщение результатов экспериментальных исследований, проведенных в разномасштабных котлах, с тепловой мощностью объема топочной камеры, кВт/м3: 129,2, 98,4 и 60,7 позволило выявить закономерности распределения температурных неравномерностей при сжигании канско-ачинских углей в тангенциальных топках. Установлено, что максимальные значения плотности падающих радиационных потоков зарегистрированы практиче-

ски на одном по высоте уровне (#~0,4) исследуемых объектов - верхний ярус горелок вблизи границы зоны активного горения (рис. 5). Увеличение числа ярусов горелок позволяет заметно снизить неравномерность падающих радиационных потоков по высоте с Цпад= 1,37 129,2 кВт/м3) Д° Чп»й =М5 {Цу - 60,7 кВт/м3).

Рис. 4 - Распределение плотности падающих радиационных потоков по экранам топки: - высота 37,7 м, - высота 27,4 м Картина распределения падающих радиационных потоков по ширине экрана (рис. 5) выглядит следующей. Наиболее резкий перепад относительной плотности от Цпад - 1,3 в центре до цпад = 0,65-0,78 в углах топочной камеры зарегистрирован в котле с меньшим тепловым напряжением топочного объема. В котлах с ду = 98,4 кВт/м3 и более, подобное изменение заметно ниже. Это говорит о том, что в сечениях топок этих котлов отсутствуют застойные зоны вблизи углов и тепловосприятие экранов по ширине происходит относительно равномерно.

О 0,2 0,4 0,6 0,8Я 0 0,25 0,5 0,75 1В а) б)

Рис. 5 - Распределение относительной плотности падающих радиационных потоков по высоте (а) и ширине (б) топочной камеры котлов с тепловым напряжением д,,, кВт/м3: —Ф--= 60,7; —•--= 98,4; —- = 129,2

Результаты проведенных экспериментов показывают, что режимы сжигания с отключением пылесистемы сопровождаются повышенными значениями Лдцснтр от 28 кВт/м2 (у котла с ду = 129,2 кВт/м3) до 55 кВт/м2

и выше (у котла с qv = 98,4 кВт/м'), тогда как без отключения -^qne -10-И2 кВт/м2. Следует отметить достаточно высокое значение Aq!feHm= 36 кВт/м2 для котла П-67, хотя настенное (в отличие от углового)

расположение восьми блоков тангенциальных горелок должно было давать меньший эффект от отключения.

Особенности топочных процессов при сжигании ирша-бородинского угля экспериментально исследовались в котле с фронтальной установкой горелок ПК-10Ш (станционный №11) Красноярской ТЭЦ-1. Размеры топочной камеры: высота - 27000 мм, ширина в свету 9900 мм, объем - 1210 м3. Котел оборудован четырьмя индивидуальными пылесистемами с молотковыми мельницами (станционное обозначение - А - Б - В - Г).

Распределение плотности падающих радиационных потоков на экраны топочной камеры при различном сочетании работающих пылесистем и паровой нагрузке показано на рис. 6. Из опытных данных видно, что наиболее загружена в тепловом отношении зона на уровне фронтально установленных горелок. Здесь зарегистрированы максимальные значения плотности падающих рациональных потоков дТш)~ 27R297 кВт/м2, причем меньшее значение получено при включении в работу всех пылесистем при большей паропроизводительности. Наиболее значительная разница по распределению плотности радиационных потоков выявлена на боковых экранах топки. Так, при включении мельниц АБГ (отключена В) разница между значениями максимума плотности падающего на правую и левую стены радиационного потока 78+80 кВт/м2. При сочетании мель-

ниц АБВ (отключение Г) разница возрастает до 93-Ч01кВт/м2, а при включении четырех мельниц - 9 кВт/м2.

100 150 200 250 q,uu) кВт/м2

а)

100 150 200 250 Яти> 100 150 200 250 <?„„,)

кВт/м2 кВт/м2

б) В)

Рис. 6 - Распределение плотности падающих радиационных потоков по высоте левого ) и правого (—<>—) экранов топки котла ПК-10Ш при включении пылесистем: а) АБГ(£ - 180 т/ч); б) АБВ (£>=180 т/ч); в) АБВГ (D = 195 т/ч)

Исследование топочных процессов при применении высокотемпературного сжигания ирша-бородинского угля проводилось в паровых котлах с жидким шлакоудалением БКЗ-420 и БКЭ-320 Красноярских ТЭЦ-2 и ТЭЦ-1. Топочные камеры обоих котлов имеют сходную конфигурацию. Отличия включают подготовку топлива к сжиганию и подачу его в камеру горения. Котел БКЗ-420 оборудован двумя индивидуальными замкнутыми системами пылеприготовления с промежуточными бункерами. На котле БКЭ-320 реализована схема прямого вдувания угольной пыли.

При анализе тепловой работы предтопков котла БКЗ-320, образующих камеру сгорания, в условиях сочетания включенных пылесистем и незначительного изменения паропроизводительности (£) =250+270 т/ч) получены следующие особенности. Максимальное значение плотности падающих радиационных потоков зафиксировано на уровне - 495+499 кВт/м", что обеспечивало нормальное вытекание шлака. В экспериментах выявлена температурная несимметричность между предтопками камеры горения, что приводит к соответствующему отклонению высокотемпературных потоков к левой или правой стене камеры охлаждения (Ас/"",] = 22+106 кВт/м"). Разница между зафиксированными экспериментальными значениями максимальной плотности падающих радиационных потоков на одном по высоте уровне между фронтовым и тыловым экранами не превышает 36 кВт/м2 при различных режимах сжигания.

Результаты экспериментов, проведенных в камере охлаждения котла БКЗ-420 при паропроизводительности 330+380 т/ч, также показали высокий уровень температурных неравномерностей. Так, максимальный тепловой перепад после пережима (высота 6,2 м) составляет 147 кВт/м". С увеличением высоты (10,6 м) поле падающих потоков несколько выравнивается, составляя в центре боковых экранов: д'^ -д"?""- 66+111 кВт/м2, а в центре тыла и фронта: д"^'" - 6+47 кВт/м2. Вместе с тем, выявлена сущест-

венная разница в показаниях, зарегистрированных в центральных и угловых лючках: слева - 81+114 кВт/м2, фронт - 128+161 кВт/м2, тыл - 89+126 кВт/м2. Исключение составляет правый боковой экран, где наоборот наибольший перепад, 6+38 кВт/м2, отмечен во всех опытах в углу, примыкающем к тылу. Подобная картина сохраняется по высоте камеры охлаждения. При экспериментах визуально зафиксирована зашлаковка ширм, что затрудняло выход дымовых газов из топки и приводило к заметным пульсациям. Следует заметить, что загрязнение поверхностей нагрева ограничивает нагрузки по пару установленных котлов БКЗ-420 и БКЗ-Э20 соответственно до 380 и 270 т/ч.

Низкая способность котлов с жидким шлакоудалением реагировать на изменения состава поставляемого топлива и повышенный уровень вредных выбросов послужили причиной реконструкции котла БКЭ-320 с переводом 18

на твердое удаление шлака при паропроизводительности 270 т/ч. Были выполнены следующие конструктивные изменения топочной камеры: демонтаж предтопков; увеличение объема топки (ее задняя стена смещена к конвективной шахте на 1152 мм); размещение встречно восьми горелок в два яруса по высоте на боковых стенах; установка на фронте и тыле дополнительных сопл третичного дутья в три яруса по высоте.

Результаты экспериментов показали, что на уровне нижнего яруса горелок у тылового экрана зафиксированы более высокие значения плотности падающих радиационных потоков, чем на фронте - разница составляет Aq"'"* = - АсС'1ф!>= 14-90 кВт/м2. Причем смещение факела к тылу

проявляется сильнее при отключении блока горелок примыкающих к фронтовому экрану. На этой высоте получены абсолютные значения максимума 301 кВт/м2 (£>=262 т/ч). Наиболее высокие показатели, характеризующие температурную неравномерность, зарегистрированы на уровне второго яруса горелок (высота 9,9 м). Тепловой перекос в сторону правого экрана практически постоянный - 90+116 кВт/м" и не зависит от режимных параметров. Однако при включении всех пылесистем указанный перепад несколько снижается до 47 кВт/м". Следствием выявленных температурных неравномерностей являются разрывы труб «солевых» отсеков и низкие температуры перегретого пара 510 °С (вместо необходимых 550 °С) в реконструированной топке.

Таким образом, в ходе экспериментальных исследований выявлены значительные температурные неравномерности в горизонтальных и вертикальных сечениях топочных камер действующих котлоагрегатов, которые создают трудности эксплуатации и препятствуют достижению максимальной паропроизводительности в бесшлаковочных условиях.

Третий раздел посвящен совершенствованию методики зонального математического моделирования теплообмена.

Для широкого применения учета в зональных расчетах теплообмена селективного характера излучения топочной среды и поверхностей нагрева (метод подполос Ю.А. Журавлева) автором разработан алгоритм расчета спектральных характеристик продуктов сгорания. Для этого использовались спектральные коэффициенты поглощения водяных паров и углекислого газа а'4/1', полученные при нормальных условиях. В этом случае спектральная степень черноты С02 и Я?О определяется:

e?=l-exp(-aT'-lM}>yPr273/Ti), (3)

где T-, Р-, l.)f/lJ - соответственно температура и парциальное давление

трехатомных газов, а также эффективная длина луча в объемной зоне.

Получение степеней черноты трехатомных газов в пределах спектрального интервала к, на которые разбит учитываемый диапазон спектра, прово-

дится интегрированием (4). Затем находятся взвешивающие коэффициенты, показывающие доли энергии, излучаемой абсолютно черным телом внутри спектрального интервала к при температуре зоны / от энергии, излучаемой во всем рассматриваемом диапазоне спектра (5):

АХ1

2 \ЕХ0(Ъ№

к АЛ,

(4) ¡Е^Т.Щ

АЛ,

АЛ,

(5)

где - плотность излучения черного тела в спектральном интер-

лх,.

вале АЛ при температуре /-й зоны.

Спектральные коэффициенты поглощения трехатомных газов рассчитываются:

аг: =

1п\ 1-еК

^о ф,1

(6)

Дальнейшая корректировка а* проводится с учетом интегральной степени черноты С02 и Н20:

п+1

ОС;

(7)

Спектральные коэффициенты поглощения золовых частиц рассчитываются по зависимости, предложенной А.Г. Блохом, а коэффициенты поглощения коксовыми частицами находятся с учетом выгорания топлива в объемных зонах модели.

После суммирования спектральных коэффициентов поглощения по соответствующим интервалам и зонам вычисляются спектральные коэффициенты поглощения для объемных зон модели внутри каждой полосы к, которые усредняются согласно соотношениям:

«Г =¿«/4. (8)

к

где гк, - число спектральных интервалов (подполос) /с расположенных

внутри полосы к'. Затем на основе а* для каждой полосы ^'последовательно определяются обобщенные угловые коэффициенты излучения из зоны / в зону /' модели ц/ц, затем разрешающие угловые коэффициенты поглощенного излучения /¡I из зоны г в зону / для каждого спектрального интервала к, а затем

суммарные коэффициенты радиационного обмена, учитывавшие перенос энергии от зоны / к зоне у по всему спектру излучения, которые входят в уравнения (1) и (2) для получения среднезональных температур.

При этом необходимо сформировать полосы излучения, путем объединения характеристик, полученных в спектральных интервалах, для чего, сопоставлялись показатели теплообмена в пылеугольной топке котла БКЗ-500, полученные в «сером» приближении и с учетом селективности излучения при различных вариантах объединения спектральных интервалов в полосы. Объединение спектральных интервалов в полосы с приблизительно одинаковой оптической плотностью среды выполняется с помощью средних по зонам а,к и Щк:

Ö5f =(±co^,)/±V, (9)

Получено, что величина найденных коэффициентов поглощения колеблется в широком диапазоне (для случая пылеугольного факела) от 0,08 до 3,7 м"1. При проведении расчетов с различными вариантами объединения спектральных интервалов в полосы выявлено, что наибольшая разница между показателями теплообмена «серой» и селективной моделей зафиксировано в варианте объединения спектральных интервалов, где обеспечивалась незначительная разница в значениях сск в пределах выбранной

полосы с максимальной суммой Шк.

Расчегные исследования влияние радиационных свойств на характеристики теплообмена в разномасштабных топочных камерах позволили определить, что наибольшая точность результатов зонального моделирования с учетом селективности излучения достигается при определении среднезо-нальных температур в среде с апог < 0,15+0,2 м"1, а также в топках, конструктивные размеры которых обеспечивают значение 8+10 м.

В зональном моделировании теплопередача от высокотемпературного факела к рабочей среде учитывается при решении уравнения теплового баланса для поверхностей зоны j (2). Видно, что величина теплового сопротив ления шлакозоловых отложений Rj (как и температура рабочей среды; ) i

уравнении (2) является функцией искомых температур. Таким образом, появляется возможность рассчитывать теплообмен в топках при сжигании шлакующих канско-ачинских углей, когда реальный уровень и характер распределения загрязнений по высоте является не постоянным, заранее фиксированным, а определяется текущими среднезональными температурами. А точнее, рассчитанными на их основе плотностями падающего радиационного потока, связь которых отмечали Отс A.A., Алехнович А.Н. и другие исследователи. Общий вид зависимости R-f(q„ad) представлен на рис. 7. Пологий участок кривой характеризует увеличение теплового сопротивления первичных плот-носвязаиных отложений, когда влияние величины плотности падающих радиационных потоков незначительно. Другой участок отражает появление и

«лавинообразный» рост вторичных отложений в зависимости от повышения плотности падающего излучения. Вид кривой определяется значениями контрольных точек с координатами (<7/Ш(,./;.Я/ ), (Ч„ши '■> ^ )> (с1тии ^ )• В целом, как показатели теплообмена дпши, цтиК2, Ч„ш>з, так и значения Я,, /?> могут приниматься согласно данным экспериментальных измерений в зависимости от свойств сжигаемого топлива, конструкции топки и режимных параметров сжигания.

Рис. 7 - Характер изменения теплово- Рис. 8 - Изменение показателей те-го сопротивления шлакозоловых от- плообмена в топке котла ПК-1ОШ

ложений от плотности падающего при учете Я =/(дпш)) (1) и без (2)

радиационного потока

Высокое расхождение результатов, полученных с использованием зависимости Я = /(с{„ад) и без нее, например, выявлено при моделировании теплообмена при отключении боковой пылесистемы котла ПК-10Ш Красноярской ТЭЦ-1. Особенно это проявилось на тыловом экране (рис. 8). Из графика видно, что учет взаимосвязи Т(цпад) позволяет уточнить значение на 33 кВт/м2, что заметно приближается к экспериментальным данным (разница 3+4%). При этом тепловое сопротивление в этой области увеличивается с 4,4 (м2-К)/кВт до 5,48 (м2-К)/кВт. Р1зменяются также и суммарные характеристики теплообмена. Температура газов на выходе из топки увеличилась с 1054 °С до 1071 °С.

Как отмечено выше, температура рабочего тела tp¡¡ в прямоточном

контуре котла, также может быть получена с учетом определения показателей теплообмена в результате зонального моделирования. Поскольку, наряду со среднезональными температурами и другими показателями, для каждой поверхностной зоны} определяется ее теплопоглощение (З,. Учитывая

это обстоятельство, предложено температуру нагреваемой среды на выходе из участка труб, ограниченного поверхностной зоной у, рассчитывать из соотношения:

где !'р1 и - соответственно температура и энтальпия среды на входе в рассматриваемый участок, °С и кДж/кг; (¿^ - теплопоглощение в зоне у, кВт; -теплоемкость среды для средней в пределах участка температуры г ¡, кДж/(кг-К); - массовый расход среды через данный участок, кг/с.

Получено, что учет взаимосвязи указанных характеристик позволяет уточнить температуры рабочей среды на выходе из поверхностей нагрева при изменении режимных параметров по сравнению с нормами теплового расчета на 2+6%, причем нижнее значение получено для прямоточного котла П-67, работающего при сверхкритическом давлении, а верхнее - для водогрейного котла КВТК-100.

Для определения концентрации оксидов азота в покидающих топку дымовых газах предложено преобразовать расчетные зависимости соответствующей нормативной методики (РД.34.02.304-95) и использовать в качестве исходных данных среднезональные температуры, полученные из решения уравнения (1):

где ^ - среднезональные температуры математической модели, К; а: - коэффициент избытка воздуха в объемной зоне; А - безразмерный коэффициент. Полученные концентрации оксидов азота Ст. суммируются с учетом объема зон. Кроме уточнения температурного фактора, предложенный расчет позволяет детально оценить влияние режимных параметров, не только в целом по топке (или в зоне активного горения), а непосредственно в областях топочного объема, что отражается при определении концентрации ИОх для соответствующей зоны математической модели.

Использование результатов зонального математического моделирования теплообмена в зависимостях (11) применялось в исследованиях тепловой работы топки котла БКЗ-500 Красноярской ТЭЦ-2 при режимах с отключением одной из пылесистем прямого вдувания, оборудованных мельницами-вентиляторами. Расчеты концентрации ЫОх в продуктах сгорания с использованием полученных полей температур показали, что режим эксплуатации с тремя мельницами обеспечивает более низкое значение Сыо = 369 мг/нм3, чем полученное в случае работы всех пылесистем

Ст = 525 мг/нм3. Проведенное сопоставление расчетных показателей кон-

/

67000

(П)

центрации оксидов азота в дымовых газах с учетом среднезональных температур и данных экспериментальных измерений показало, что разница между ними не превышает 6+7 %, а при определении Ст по нормативной методике

погрешность - 18+20 %.

В четвертом разделе представлены результаты расчетных исследований, направленных на поиск и обоснование технических решений по совершенствованию тепловой работы топочных устройств с тангенциальной компоновкой горелок.

В исследованиях показателей теплообмена в топке котла КВТК-100 использовалась 127 - зонная трехмерная математическая модель теплообмена. Для устранения высокой температурной неравномерности по высоте топки, выявленной при экспериментальных измерениях, рассматривались технические решения конструктивного плана, связанные с изменением угла наклона горелок к поду. Проводились зональные расчеты следующих конструктивных схем: 1) а} = 0°, а2 = 0° (вариант №1); 2) а, = 10°, а2= 10° (вариант №2); 3) а} = 20°, а2 = 20° (вариант №3). Значения а, и а2 - соответственно углы наклона горелок нижнего и верхнего яруса. Показатели суммарного и локального теплообмена, также концентрации оксидов азота сведены для всех вариантов расчета в таблице 1.

Таблица 1- Результаты расчетных исследований показателей теплообмена и концентрации М0Х в топке котла КВТК-100

Варианты расчета Показатели теплообмена ^Щг ' мг/нм3

кВт/м2 4™ра > кВт/м2

1 1090 247 116 1374 826 522

2 1054 221 106 1313 782 484

3 1035 204 101 1270 726 451

Результаты расчетов показали, что реализация конструктивного предложения, связанного с наклоном горелок обоих ярусов к поду от 0° до 20° приводит к существенному смещению факела вниз топочной камеры. Характер изменения температуры газов по высоте топки заметно выравнивается. Температурный максимум в 1374 °С отмеченный на уровне Н= 0,39 (Я -относительная высота топочной камеры) при горизонтальной направленности горелок (вариант №1) снижается до 1270 °С (вариант №3), причем его местоположение зафиксировано на уровне Н= 0,28 (нижний ярус горелок). В свою очередь увеличиваются температуры в холодной воронке от 660 °С (вариант №1) до 946 °С (вариант №3). Отмеченное перераспределение температур в объеме топочной камеры приводит к снижению температуры газов в выходном окне на 46 °С (вариант №2) и 55 °С (вариант №3). Такое уменьшение, особенно при наклоне горелок в 20°, позволит обеспечить безопасный по

условиям шлакования уровень температур в поворотной камере, даже с учетом температурной неравномерности в сечении выходного окна топки. Кроме того, наклон горелок к поду на 20° дает снижение концентрации оксидов азота (Сыо = 451 мг/нм3) за счет выравнивания температур газов по высоте топочной камеры.

При моделировании также рассмотрены технические мероприятия режимного плана по перераспределению топлива и газов рециркуляции по ярусам горелок, чтобы снизить уровень температур на верхнем и увеличить - на нижнем ярусе. В зональных расчетах теплообмена варьировалась величина газов рециркуляции г ¡= 0,025+0,05, при соответствующем увеличении г ,= 0,1+0,125, и относительные расходы топлива В,= 1,2 и В2=

0,8 (индексы 1 и 2 соответствуют нижнему и верхнему ярусу). Получено, что воздействие этих факторов не оказало существенного воздействия на выравнивание температур.

Для поиска путей снижения температурных неравномерностей в топке котла БКЗ-500 была использована трехмерная математическая модель теплообмена, общее число зон в которой составило 185, из них 88 - объемные. При этом для учета несимметричности расположения факела в каждом из ярусов с третьего по девятый (зона активного горения и дожигания топлива) выделено 9 объемных и 8 поверхностных зон, а с десятого по двенадцатый (пространство, занятое ширмовым пароперегревателем и примыкающее к выходному окну) - соответственно 7 и 10.

Модельное исследование температурной неравномерности в топочной камере проводилось при включении горелочных блоков по схеме АВГ (то есть при отключении блока Б). Для учета смещения факела с помощью экспериментальных данных по распределению скоростей движения газовых потоков рассчитывались траектории топливно-воздушных струй, образованные каждым горелочным блоком, которые использовались для определения характеристик массообмена и выгорания в зонах модели.

Режимные параметры работы топки для основного варианта сжигания березовского угля следующего состава, %: Жг= 34,5; Аг= 6,55; Сг= 42,9; Я'' = 2,88; 5/'= 0,26; = 0,39; Ог= 12,52; с теплотой сгорания 15,2 МДж/кг принимались по данным балансовых испытаний. Результаты расчетов показали, что изменение температуры центрального слоя по высоте зоны активного горения незначительное, максимум достигает величины 1354 °С и находится на уровне второго яруса горелок. Характер распределения температур по высоте топки в пристенных слоях иной. Здесь наибольшая температура зафиксирована на уровне верхней границы зоны активного горения, что нашло объяснение при проведении экспериментальных исследований.

Зональные расчеты теплообмена, выполненные с учетом положения факела, показали, что рекомендованные режимные параметры топочной камеры котла БКЗ-500, разработанные для ее эксплуатации с полным числом работающих горелочных блоков, требуют корректировки при отключении одного из них. Так, значение степени рециркуляции газов, подаваемых в топку, в условиях отключения должно составлять не менее 19%, чтобы обеспечить безопасный по условиям шлакования локальный максимум плотности падающих радиационных потоков (255+265 кВт/м"), что, в свою очередь приведет к снижению КПД котла. Дальнейшие исследования влияния режимных параметров на показатели теплообмена позволили установить, что снизить температурную неравномерность в сечениях камеры сгорания при отключении блока горелок можно путем перераспределения газов рециркуляции по горелочным блокам (в том числе и в неработающий). Полученные при этом величины подачи газов рециркуляции в горе-лочиые блоки удалось описать зависимостью вида:

rj ~ (0,27lnj + 0,04)rpeil, (12)

где j - номер горелочного блока, начиная с отключенного по ходу движения газа.

Кроме этого, с помощью математического моделирования разработано другое техническое решение, направленное на сокращение температурных неравномерностей в топке котла БКЗ-500. Для снижения уровня температур в области отключенного блока, куда смещается высокотемпературное ядро факела, необходимо уменьшить расход топливно-воздушной смеси в горе-лочный блок, расположенный перед отключенным блоком по ходу движения топочных газов. Зона пониженных температур, наоборот, находится в противоположной стороне. Поэтому в блок горелок, расположенный сразу за отключенным блоком, должен подаваться повышенный расход топлив-но-воздушной смеси. Результаты расчетных исследований аппроксимированы зависимостью:

Bj = 0,517 В ■ 0,796' (13)

где 5,- расход топливно-воздушной смеси, подаваемой в i-й работающий блок, кг/с; / - номер работающего горелочного блока при начале счета со следующего от отключенного по ходу движения газа; В - общий расход топливно-воздушной смеси, подаваемой в котел, кг/с. Результаты моделирования с соблюдением расчетных соотношений режима сжигания (12) и (13) показали, что, несмотря на неработающий блок горелок, величина тепловой неравномерности снижается с 55+61 до 10+12 кВт/м2.

На основании данных гидродинамического моделирования полученных C.B. Алексеенко установлено, что при ориентации горелок по касательной к окружностям, диаметр которых уменьшается от нижнего яруса к верхнему, повышается устойчивость вращения газов и снижаются послед-

ствия отклонения струй горелок верхних ярусов от заданных траекторий движения. Результаты моделирования обработаны в виде формулы, которая позволяет получить диаметр условной окружности, к которой должны быть направлены горелки каждого яруса:

с!п = (0,226 - 0,051 -п)- ат, (14)

где п ~ порядковый номер яруса, начиная счет снизу, ат - глубина топочной камеры, м.

В соответствии с (14) проведены зональные расчеты теплообмена в топке котла БКЗ-500. Изменение траекторий струй учитывалось при задании исходных данных по выгоранию топлива и массообмену компонентов среды между объемными зонами расчетной модели. Сопоставление характеристик теплообмена, полученных в существующем варианте горелок и согласно предложенной зависимости (14) показало, что при разработанной направленности горелок уменьшается опасность шлакования экранных поверхностей нагрева за счет снижения величин температур в пристенных зонах на 70+90 °С, а также максимальной плотности падающего радиационного потока на 24 кВт/м2.

Результаты гидродинамического и математического моделирования по ориентации горелок учтены при разработке конструктивных элементов тангенциальной топки, в которой помимо схемы установки горелок с ориентацией по формуле (14) смонтированы дополнительные воздушные сопла над каждым ярусом горелок и направлены под углом а к горелкам: 10+1,5

а = аг&2-, (15)

(9-И)Ьг

где N - порядковый номер яруса, начиная счет с нижнего; Ь,- - ширина сечения горелки.

Таким образом, за счет ориентации горелок достигается равномерность температурного поля в топочной камере, что повышает надежность работы. При этом снижается генерация оксидов азота с помощью ступенчатого сжигания, которое реализовано установкой дополнительных сопл воздуха, направленных к горелкам под углом, определяемым соотношением (15).

Модельные исследования температурных полей и тепловых потоков проводились в различных модификациях тангенциальной топочной камеры к проектируемому котлу БКЗ-690, отличающихся габаритными размерами, числом ярусов горелок (двух и четырех), а также наличием ширм. Расчеты теплообмена, выполненные с учетом рассеяния излучения, показали, что для проектного режима сжигания углей с повышенной зольностью (#>20%) температура газов в ядре горения составляет 1535+1620 °С, максимальная плотность падающего радиационного потока достигает 263+268 кВт/м2. Получена высокая разность температур в сечениях расчетных яру-

сов (230+270 °С), которая обусловлена эффектами рассеяния излучения зо-ловыми частицами и подтверждается опытными данными при сжигании топлива подобного состава.

При анализе тепловой работы проектируемых топочных камер исследовалось влияние на показатели теплообмена изменение паропроизводи-тельности котла, отключение двух ярусов горелок (для топок с четырехъярусным расположением горелок), а, кроме того, учитывалась шлакующая способность используемого топлива путем варьирования величины теплового сопротивления шлакозоловых отложений. Полученные результаты моделирования позволили разработать рекомендации по проектированию тангенциальных топок к котлу БКЗ-690, которые использованы в ПО «Сиб-энергомаш».

В пятом разделе представлены результаты зональных исследований и их использование для совершенствования условий сжигания канско-ачинских углей в паровых котлах, оборудованных топочными камерами с фронтальной установкой горелочных устройств.

Выявленные при экспериментах в условиях сжигания канско-ачинских углей температурные неравномерности в топочной камере котла ПК-10Ш Красноярской ТЭЦ-1 снижают экономические характеристики его работы, поскольку из-за опасности шлакования котлы этой модификации эксплуатируются с меньшей от номинальной производительностью (D=0,81+0,87D/(). При разработке технических мероприятий направленных на улучшение условий тепловой работы использовалась трехмерная многозонная математическая модель теплообмена. Общее число зон математической модели составило 97, из них 40 - объемные.

Зональные исследования теплообмена проводились для трех вариантов режима эксплуатации котла ПК-10Ш. Первый вариант (В1) - работают все пылесистемы, второй (В2) - отключена боковая пылесистема с мельницей Г и соответствующая горелка и третий (ВЗ) - отключена центральная пылесистема с мельницей В. Для расчета выгорания топлива и массообмена компонентов топочной среды в объемных зонах математической модели использовались вертикальные и горизонтальные проекции факелов, образованные горелками, а также опытные данные по горению угольной пыли ирша-бородинского угля.

Распределение показателей теплообмена, полученных при зональном моделировании режимов сжигания с отключением пылесистемы, представлено на рис. 9 и 10. Из графиков видно, что отключение боковой пылесистемы приводит (вариант В2) к появлению разницы температуры газов у правого и левого экранов - 150 °С, в варианте ВЗ эта разница снижается до 87 °С. Аналогичная картина наблюдается при исследовании плотности падающих радиационных потоков. Так при симметричном заполнении топки максимальное значение справа и слева топки q,uu)= 264 кВт/м2, а в вариаи-

тах В2 и ВЗ соответственно справа: 295 кВт/м2 и 281 кВт/м2, а слева: 208 кВт/м" и 236 кВт/м~, и это при меньшей от номинальной производительности котла (£> = 0,87£>н). В более опасном положении находится тыловой экран, поскольку здесь плотности падающих радиационных потоков превышают соответствующие величины, полученные у боковых экранов на 10+15 кВт/м". Необходимо отметить, что в вариантах с отключением пылесисте-мы максимум падающих радиационных потоков перемещается по ширине тылового экрана (рис. 10) от центра в сторону боковой стены, у которой расположены факелы работающих горелок.

Чпчд '

кВт/м" 2501

200-

150

Рис. 9 - Изменение температуры в пристенных зонах у правого (1, 3) и левого (2,4) бокового экранов в вариантах расчета: 1,2- В2; 3,4-В3

Рис. 10 - Изменение по ширине тылового экрана плотности падающих радиационных потоков (высота 8,2 м) в вариантах расчета: 1 - В1; 2 -В2; 3 - ВЗ

Для сокращения температурных неравномерностей, возникающих при прекращении работы одной из пылесистем котла, а, следовательно, повышения эффективности и надежности сжигания предлагается изменить расход топлива, направленный через горелочные устройства в топку. Получено, что лучшим вариантом, обеспечивающий наименьшее значение разницы в 11 кВт/м2 между максимальными величинами плотности падающих радиационных потоков, полученными на правом и левом экранах топки, является тот, где расход топлива устанавливается согласно формулам:

В„ = , _ _ [ . ,—:В (16) Вп= __ { £п В (17)

(4,90-0,86-п)

(4,02 -0,48 -п)

где Вп - расход топлива (кг/с) подаваемого в работающую пылесистему с номером п; В - общий расход топлива, подаваемого в топку (кг/с). Формула (16) применяется при отключении одной из двух боковых, а формула (17) - одной из двух центральных пылесистем котла ПК-10Ш.

Кроме того, снизить температурную неравномерность до 10+12 кВт/м" в сечении топки с фронтальной компоновкой горелок можно также за счет изменения их угла поворота (выполнив некоторые конструктивные изменения), что значительно расширит пределы регулирования топочным процес-

сом. Анализ результатов проведенных зональных вычислений позволил получить формулы для расчета углов поворота каждой горелки к оси топки при отключении одной из пылесистем. Разработанные технические решения, направленные на совершенствование топочных устройств с фронтальной компоновкой горелок, защищены патентами и рекомендованы к внедрению на котлах серии ПК-10Ш Красноярской ТЭЦ-1.

При монтаже котла БКЗ-220 на Красноярской ГРЭС-2 предполагается перевести его на сжигание ирша-бородинского угля. В СибВТИ предложен вариант реконструкции проектной топки, заключающийся в фронтальной схеме монтажа восьми прямоточных горелок в два яруса, установке аэродинамического выступа на задней стенке (с вершиной на высоте ~ 9 м) и размещением на его нижнем скате сопл для подачи вторичного воздуха и газов рециркуляции. Зональные исследования теплообмена проводились как для серийной топки, так и для проекта реконструкции. Кроме того, делались расчетные оценки выхода оксидов азота.

Сопоставление показателей теплообмена, проведенное при сходных режимах сжигания выявило в реконструированной топке более низкую температуру газов на выходе из топки 1113 °С с суммарным тепловосприятием экранами на 3 МВт выше, чем в серийной. Вместе с тем фронтальное двухъярусное расположение горелок в проекте реконструкции делает необходимым подачу в сопла аэродинамического выступа газов рециркуляции или третичного воздуха. При моделировании получено, что каждый процент расхода газов рециркуляции приводит к снижению температур в пристенной области, примыкающей к тыловому экрану, на 8 °С. Это более сильное воздействие, чем оказывает аналогичное применение третичного воздуха. Однако реализуемая в последнем случае схема ступенчатого сжигания (при Ьщ = 15 %) обеспечивает снижение выхода ИОх до 350 мг/нм3. Анализ расчетных исследований при изменении подачи газов рециркуляции, третичного воздуха и паропроизводительности позволил определить рациональные режимы сжигания, обеспечивающие при максимальном тепло-восприятии надежную и экологически безопасную работу топочного устройства.

В плане совершенствования конструктивных элементов фронтальной топки котла БКЗ-220 рассмотрены варианты по изменению угла наклона к поду горелок как одного (нижнего), так и наклон горелок обоих ярусов. В соответствии с результатами расчетов, наклон на 20° горелок нижнего яруса привел к уменьшению температуры газов на выходе из топки на 52 °С, за счет смещения ядра горения вниз и более полного заполнения объема холодной воронки топочными газами, общее тепловосприятие экранов выросло на 3,2%, а величины падающих радиационных потоков выровнялись. Аналогичный наклон горелок обоих ярусов нецелесообразен, поскольку при этом наблюдается рост температур ядра факела и максимальной плотности падаю-30

щих радиационных потоков соответственно 1327 °С и д"'аа'= 320

кВт/м2, что вызывает опасность шлакования экранов в нижней части топки и ухудшает экологические показатели, которые в среднем на 10+15 % хуже по сравнению с предыдущем вариантом.

В шестом разделе представлены результаты разработки аварийных ситуационных моделей для блока сопровождения системы технического диагностирования и опытно-промышленной проверки системы температурного контроля.

Для совершенствования управления работой парового котла проводилось зональное математическое моделирование аварийных ситуаций (погасание факела, локальное и интегральное шлакование поверхностей нагрева, разрыв трубы экрана), которые составляют блок сопровождения системы технического диагностирования. В нем информация текущих измерений на действующем объекте соотносится с показателями теплового состояния, полученными в результате математического моделирования.

При моделировании соответствующей аварийной ситуации исследовалась как интегральная зашлакованность экранов топки котла БКЗ-500, так и локальная для отдельных зон. В первом случае изменялись величины теплового сопротивления всех поверхностных зон в зависимости от среднего по топке Я , которое характеризует разную степень загрязнения экранов и ширм, во втором - проводились расчеты с учетом взаимосвязи Я = /(дпад). Получено, что увеличение интегральной зашлаковки с Я = 3,44 (м2-К)/кВт до 5,19 (м"-К)/кВт приводит к повышению общего температурного уровня в топке примерно на 90 °С максимальной плотности падающих радиационных потоков с 271 до 314 кВт/м2. При этом суммарное тепловосприятие экранами снижается на 21 МВт. Важным здесь является то обстоятельство, что чувствительность измеряемого параметра (д,шд) к изменению термического сопротивления Я практически одинакова для всех зон по высоте топочной камеры.

Результаты моделирования условий локального шлакования получены для условий отклонения положения факела от центра топочной камеры в сторону фронтового экрана, вызванного отключением индивидуальной пы-лесистемы котла. Установлено, что при этом максимальная плотность падающего радиационного потока локально увеличивается с 271 до 307 кВт/м2. На тыловом экране наблюдается противоположная картина, когда соответствующее удаление высокотемпературного факела приводит к снижению плотности падающего излучения и соответствующим образом корректируется уровень загрязнения поверхностных зон. Тепловое сопротивление уменьшается с 4,15 до 2,9 (м2'К)/кВт в центре тылового экрана. В зонах примыкающих к углам падение еще больше до 1,9 (м"-К)/кВт. Изменение

суммарных характеристик теплообмена гораздо менее заметно, чем для случая интегрального шлакования.

Анализ результатов моделирования теплообмена показал, что уровень температур в топочной камере при погасании факела ниже на 250300 °С соответствующих значений, полученных при минимально возможной при эксплуатации паровой нагрузки котла (D = 0,5Д,). Поэтому для системы технического диагностирования топки тепловой режим погасания факела будет соответствовать предельно низким значениям величины qnad.

Получение характеристик тепловой работы топочного устройства при возникновении аварийной ситуации - разрыв трубы экрана для внесения их в блок сопровождения системы технического диагностирования проводилось путем оценки изменения показателей теплообмена в объемных зонах при вводе в них пароводяной смеси. Количество вносимого агента определялось в зависимости от размеров выходного отверстия разрыва (d = 0,01

м, 0,05 м, 0,10 м). Было установлено, что диагностировать это нарушение по показаниям датчиков, измеряющих плотность падающего излучения, возможно только, когда размеры выходного отверстия становится более 0,01 м и датчик находится вблизи образовавшегося свища.

В качестве одного из элементов технического диагностирования тепловой работы разработана и прошла испытание система контроля температурного режима в объеме топки котла БКЗ-500 Красноярской ТЭЦ-2, которая включала четыре термозонда (радиометры падающего излучения), установленные на высоте 21,0 м в центре каждого экрана в смотровых лючках заподлицо с экранными трубами. От термозондов выходной сигнал по кабельным линиям передавался на регистрирующий прибор, установленный на щите управления. На протяжении всей работы системы показания термозондов были стабильные и достоверно отражали изменение режимных параметров эксплуатации. Анализ диаграмм регистрирующего прибора показал, что сочетание в работе пылесистем, сопровождающееся отклонением факела, вызывает соответствующие изменения показаний термозондов. Достаточно адекватно среагировала система контроля температурного режима в топочной камере на плановый останов котла.

В седьмом разделе представлены результаты разработки новых конструкций топочных устройств для совершенствования технологии пылеуголь-ного сжигания КАУ.

Результаты экспериментальных исследований и математического моделирования процессов, сопровождающих сжигание канско-ачинских углей, позволили разработать на уровне изобретений ряд технических решений, обеспечивающих совершенствование факельной технологии энергетического использования этого вида топлива, за счет надежных,

экономически эффективных и экологически безопасных топочных устройств паровых котлов. В основу общего подхода при создании новых технических приемов было положено обеспечение наиболее благоприятных локальных условий для протекания топочных процессов. Такие условия достигаются за счет образования и размещения в объеме камеры сгорания зон с окислительной и восстановительной средой, местных вихревых аэродинамических структур, а также выравниванием полей температур и тепловых потоков в горизонтальных и вертикальных сечениях.

Для повышения эффективности низкотемпературного вихревого сжигания (по схемам НТВ и ВИР) предложена конструкция топочного устройства, в котором обеспечивается движение двух вихревых газовых потоков в ее верхней и нижних частях. Нижний вихрь образуется при сгорании крупнодисперсной угольной пыли, а верхний - мелкодисперсной. Зоны вихревого движения топлива и продуктов сгорания по высоте разделены аэродинамическим пережимом, для рационального размещения которого на тыловой стене получены расчетные соотношения между общей высотой топки и ее нижней частью.

Совершенствование условий сжигания достигается в разработанном классе многоярусных тангенциальных топочных камер. Полученные технические решения включают следующие устройства. Топка, в которой горелочные устройства верхнего яруса устанавливаются с меньшей площадью сопл вторичного воздуха, а также монтируются дополнительные двухъярусные воздушные сопла над горелками с направлением подачи третичного воздуха, встречно им, причем сопла верхнего яруса ориентированы тангенциально, а нижнего - вдоль стен. Топочная камера, где углы наклона и поворота сопл вторичного воздуха многоярусных угловых горелок рассчитываются по полученным зависимостям для каждого яруса. Топка с настенным двухрядным расположением тангенциальных горелок, причем горелки следующего по ходу движения газов вертикального ряда на всех стенах смещены по высоте относительно предыдущего, а также установкой в углах топки и на ее осях воздушных сопл, направленных в сторону горелок под углами, которые определяются согласно полученным формулам расчета. Топка с комбинированной схемой расположения угловых горелок, когда одна пара противолежащих горелок смонтирована тангенциально, а другая - с встречным направлением вдоль стен.

Для сокращения недостатков действующих топок для пылеугольного сжигания в качестве новых технических устройств разработаны конструктивные схемы топочных камер, в которых обеспечивается сжигание топлива в фонтанном режиме, когда направленные в нижнюю часть топки горелочные струи встречаются с потоками воздуха нижнего дутья. Для созда-

ния нескольких ступеней подавления вредных выбросов применяются дополнительные воздушные сопла, которые располагаются ниже горелок.

Сделанная оценка экономической эффективности показала привлекательность внедрения разработанных технических решений на котлах различной тепловой мощности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В ходе проведенных натурных экспериментальных исследований процессов, протекающих при сжигании канско-ачинских углей в топках котлов КВТК-100, БКЗ-420, БКЗ-500, ПК-10Ш, БКЗ-320 (серийного исполнения и после проведенной реконструкции) и П-67 получены новые данные по распределению полей температур, плотности падающих радиационных потоков, скоростей движения и состава продуктов сгорания в зависимости от изменения режимов эксплуатации, что позволило выявить, значительные температурными неравномерности в объеме исследуемых объектов, причины их возникновения и влияние на состояние поверхностей нагрева, выработку пара и образование вредных выбросов.

2. При обобщении результатов экспериментов установлены закономерности распределения падающего излучения в сечениях тангенциальных топочных камер. Получено, что максимальные радиационные потоки в разномасштабных топках сосредоточены на одном по высоте уровне (Н ~ 0,4). Изменение количества ярусов горелок с двух до четырех снижает неравномерность потоков падающего излучения с дпад= 1,37 до 1,15, а уменьшение тепловой напряженности объема с 129,2 до 60,7 кВт/м3 увеличивает перепад относительной плотности радиационных потоков по ширине экрана от 0,28+0,35 до 0,52+0,65. Полученные результаты позволяют разработать технические мероприятия по совершенствованию условий эксплуатации действующих котлоагрегатов и учесть на стадии проектирования новых образцов оборудования.

3. Проведено совершенствование методики зонального математического моделирования теплообмена путем разработки алгоритма расчета спектральных характеристик продуктов сгорания и учета взаимного влияния показателей теплообмена и характеристик процессов шлакования и тепловосприятия, что позволило повысить точность и информативность получаемых результатов.

4. Предложено для определения концентрации оксидов азота в дымовых газах в проводимых исследованиях топочных процессов использовать показатели теплообмена (температурные поля), полученные при зональном моделировании в качестве исходных данных для расчетных соотношений нормативной методики, что позволяет уменьшить погрешность при расчете концентрации Юх с 18+20 % до 6+7 % по сравнению с экспе-34

риментальными данными и учесть в расчетах изменение режимных параметров сжигания топлива.

5. По результатам моделирования теплообмена при сжигании канско-ачинских углей в тангенциальных топочных камерах котлоагрегатов КВТК-100 и БКЗ-500 разработаны технические предложения по снижению температурных неравномерностей, связанные с наклоном горелок обоих ярусов котла КВТК-100 на 20°, а также с изменением по полученным расчетным зависимостям расходов газов рециркуляции и топливовоздушной смеси в горелки и их переориентации в пределах каждого яруса котла БКЗ-500, что позволит создать бесшлаковочные условия для увеличения выработки тепловой энергии, повышения КПД котла на 0,7+0,8% и снижения вредных выбросов (на 14% по оксидам азота). Полученные при моделировании поля температур и тепловых потоков в зависимости от условий сжигания топлива с повышенной зольностью в тангенциальных топочных камерах к котлу БКЗ-690, выполненных в П и Т-образных компоновках, использованы при выборе проектных решений.

6. Проведены расчетные исследования топочных процессов в котлах с фронтальной установкой горелок. Сделана оценка температурных неравномерностей в топке котла ПК-10Ш при различных режимах сжигания, для сокращения которых (с 83 до 11 кВт/м") разработаны технические мероприятия, связанные с перераспределением топлива между пылесистемами, а также с изменением угла поворота горелок к оси топки, позволяющие увеличить бесшлаковочную производительность котлов на 15+20 т/ч. По результатам зонального моделирования тепловой работы реконструированной топки котла БКЗ-220, оборудованной двухъярусными фронтальными горелками и дополнительным аэродинамическим выступом на задней стенке получены рациональные режимы ее эксплуатации с возможными конструктивными изменениями при организации подачи газов рециркуляции и третичного воздуха, обеспечивающие при номинальной производительности минимальные выбросы оксидов азота.

7. С помощью зонального математического моделирования разработаны аварийные ситуационные модели интегрального и локального шлакования радиационных поверхностей нагрева, погасания факела, разрыв трубы экрана, которые составляют блок сопровождения для системы технического диагностирования топки парового котла. Проведена опытно-промышленная проверка системы температурного контроля в топке котла БКЗ-500 Красноярской ТЭЦ-2. Полученные результаты рекомендованы к использованию для совершенствования систем управления тепловой работой топок и снятия ограничений по паровой нагрузке.

8. На основе результатов экспериментальных исследований и математического моделирования процессов, сопровождающих сжигание каиско-ачииских углей, разработаны на уровне изобретений ряд техниче-

ских решений по конструктивному оформлению топочных камер, которые включают элементы конструкции горелочных устройств и схемы их установки, размещение и ориентацию дополнительных воздушных сопл, местоположение аэродинамических пережимов, а также условия работы топок в фонтанных режимах. Использование новых технических приемов обеспечивает совершенствование технологии факельного сжигания этого вида топлива, за счет повышения надежности, эффективности и экологической безопасности работы топок паровых котлов.

Основное содержание работы изложено в публикациях:

1. Шишка нов, О.Г. Анализ теплообмена в топке котла П-67 и совершенствование ее конструкции / О.Г. Шишка но в, Ю.В. Ковалев, C.B. Срывков // Инженерно-физический журнал. 1993. Т. 64 № 3. С. 275-278.

2. Бойко, Е.А. Комплексный подход к оценке эффективности технических решений энергетического использования канско-ачинских углей / Е. А. Бойко, О. Г. Шишканов // Энергетика. Изв. Вузов. 1999. № 5. С. 7179.

3. Шишканов, О.Г. Определение радиационных характеристик для зонального моделирования теплообмена с учетом селективности излучения / О.Г. Шишканов, И.В. Андруняк // Энергетика. Изв. Академии наук. № 6. 2004. С. 139-146.

4. Шишканов, О.Г. Снижение температурных неравномерностей в объеме тангенциальной топки котла Е-500 / О.Г. Шишканов, И.В. Андруняк // Электрические станции. 2008. № 3. С. 23-28.

5. Шишканов, О.Г. Расчетно-экспериментальное исследование теплообмена в топке водогрейного котла КВ-ТК-100 / О.Г. Шишканов, И.В. Андруняк // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2008. № 3-4. - С. 32-40.

6. Шишканов О.Г. Разработка элементов системы технического диагностирования топочных процессов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2008. № 6(70). С. 118-125.

7. Шишканов О.Г. Экспериментальные исследования теплообмена при тангенциальном сжигании канско-ачинских углей // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2008. № 6(70). С. 114-118.

8. Шишканов, О.Г. Учет генерации оксидов азота при зональном моделировании теплообмена в пылеугольных топках / О.Г. Шишканов, И.В. Андруняк // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2009. № 3(84). С. 36-42.

9. Шишканов, О. Г. Исследование теплообмена в топочной камере котла ПК-10Ш и совершенствование условий фронтального сжигания

шлакующих углей / О.Г. Шишканов, И. В. Андруняк // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2009. № 3(84). С. 63-70.

10. Патент РФ №2324109, МПК7, кл. F23 С5/08. Способ работы призматической топки / О.Г. Шишканов. Опубл. 10.05.2008. Бюл. №13.

11. Патент РФ №2324108, МПК7, кл. F23 С5/08. Способ работы вертикальной призматической топки / О.Г. Шишканов. Опубл. 10.05.2008. Бюл. №13.

12. Патент РФ №2349834, МПК7, кл. F23 С5/08. Способ работы шахтно-мельничной топки / О.Г. Шишканов, И.В. Андруняк. Опубл. 23.03.2009. Бюл. №8.

13. Патент РФ №1815488, МПК7, кл. F23 С5/32. Фонтанно-противоточная топка / C.B. Срывков, В.Н. Верзаков, О.Г. Шишканов и др. Опубл. 15.05.1993. Бюл. №13.

14. A.c. №1710938 СССР, МКИ5, кл. F23 С5/32. Топка / C.B. Срывков, ЮЛ. Маршак, О.Г. Шишканов и др. Опубл. 07.02.92. Бюл. №5.

15. A.c. №1703911 СССР, МКИ5, кл. F23 С5/08. Призматическая топка / О.Г. Шишканов, C.B. Срывков, Ю.В. Ковалев. Опубл. 07.01.92. Бшл. №1.

16. A.c. №1695039 СССР, МКИ5, кл. F23 С5/32. Топка / C.B. Срывков, О.Г. Шишканов, И.В. Еськин. Опубл. 30.11.91. Бюл. №44.

17. A.c. №1666857 СССР, МКИ5, кл. F23 С5/32. Пылеугольная топка / C.B. Срывков, В.Р. Котлер, ЮЛ. Маршак, О.Г. Шишканов. Опубл. 30.07.91. Бюл. №28.

18. A.c. №1740868 СССР, МКИ5, кл. F23 С5/08. Топка / C.B. Срывков, С.Г. Козлов, Г.В. Лобов, ЮЛ. Маршак, О.Г. Шишканов, C.B. Алексеенко. Опубл. 15.06.92. Бюл. №22.

19. A.c. №1638449 СССР, МКИ5, кл. F23 С5/24. Вихревая топка / C.B. Срывков, О.Г. Шишканов, С.М. Шестаков и др. Опубл. 30.03.91. Бюл. №12.

20. A.c. №1703913 СССР, МКИ5, кл. F23 С9/08. Способ работы вертикальной призматической экранированной топки / О.Г. Шишканов, Ю.А. Журавлев, В.А. Федоров и др. Опубл. 07.01.92. Бюл. №1.

21. Шишканов, О.Г. Совершенствование низкотемпературного сжигания канско-ачинских углей / О.Г. Шишканов, Ю.А. Журавлев, C.B. Срывков // Сибирский физико-технический журнал. 1991. № 5. С. 32-38.

22. Скуратов, А.П. Исследование тепловой работы топки котла БКЗ-220 при сжигании ирша-бородинских углей / А.П. Скуратов, М.Я. Процайло, О.Г. Шишканов // Минск: Деп. в ВИНИТИ 18.09.1989, №5922-В89. 18 с.

23. Журавлев, Ю.А. Учет смещения факела при моделировании теплообмена в топке котла Е-500 / Ю.А. Журавлев, А.П. Скуратов, О.Г. Шишканов // Межвуз. сб. науч. тр.: Моделирование теплофизических процессов. Красноярск: КГУ, 1989. С. 24-32.

24. Журавлев, Ю.А. Алгоритм и программа расчета радиационных свойств продуктов сгорания для зонального исследования теплообмена в топках и печах / Ю.А. Журавлев, О.Г. Шишканов, И.Я. Дашинич // Меж-вуз. сб. науч. тр.: Теплообмен и гидродинамика. Красноярск: КрПИ, 1989. С. 47-56.

25. Шишканов, О.Г. Моделирование и анализ теплообмена при сжигании высокозольного угля в различных конструкциях топочных камер к котлу БКЗ-690 / О.Г. Шишканов // Красноярск: Вестник КГТУ, 1996. Вып. 3. С. 95-103.

26. Шишканов, О.Г. Уточнение условий переноса характеристик теплообмена при огневом моделировании топок с твердым шлакоудалением / О.Г. Шишканов // Красноярск: Вестник КГТУ, 1996. Вып. 3. С. 81-91.

27. Шишканов, О.Г. Анализ тепловой работы и управления топки котла Е-500 как объекта технического диагностирования / О.Г. Шишканов, Р.В. Мельшин//Красноярск: Вестник КГТУ, 1998. Вып. 14 С. 107-110.

28. Шишканов, О.Г. Особенности обеспечения эффективного экологически чистого сжигания канско-ачинских углей на ТЭС / О.Г. Шишканов, Е.А. Бойко, C.B. Малахов // Красноярск: Вестник КГТУ, 1998. Вып. 14 С. 143-146.

29. Срывков, C.B. Влияние ориентации горелочных струй на аэродинамическую структуру факела и теплообмен в тангенциальной топке / Срывков C.B., Шишканов О.Г., Алексеенко C.B., Шторк С.И.// Труды 1-й Российской национальной конференции по теплообмену. М.: МЭИ, 1994. ТЗ. С. 206-211.

30. Шишканов, О.Г. Аналитическое исследование теплообмена с учетом динамики выгорания пылеугольного факела в топках энергетических котлов / О.Г. Шишканов, Е.А. Бойко // Труды 2-й Российской национальной конференции по теплообмену. М.: МЭИ, 1998. Т. 3. С. 289-292.

31. Шишканов, О.Г. Экспериментальное исследование тепловой работы топочной камеры котлоагрегата с фронтальной компоновкой горелок / О.Г. Шишканов, И.В. Андруняк // Труды 4-й Российской национальной конференции по теплообмену. Москва: 2006, Т.7. С. 132-135.

32. Шишканов, О.Г. Сопоставление показателей теплообмена в топках котлов БКЗ-З20(270) Красноярской ТЭЦ-1 / О.Г. Шишканов, И.В. Андруняк // Сб. науч. тр.: Горение твердого топлива (с участием иностранных ученых) / Труды VI Всероссийской конференции, ИТ СО РАН. Новосибирск: 2006, 4.2. С. 382-287.

33. Шишканов, О.Г. Проведение зонального математического моделирования теплообмена для совершенствования сжигания ирша-бородинского угля в топке КВ-ТК-100/ О.Г. Шишканов, И.В. Андруняк // Сб. науч. тр.: Горение твердого топлива (с международным участием) / Труды VII Все-

российской конференции, ИТ СО РАН. Новосибирск: 2009. Ч. 2. С. 171181.

34. Шишканов, О.Г. Разработка и испытание системы контроля температурного режима в топочной камере парового котла / О.Г. Шишканов, И.В. Андруняк // Сб. науч. тр.: Современное состояние и перспективы развития энергетики / Международная научно-техническая конференция. Ташкент: 2006. С.121-124.

35. Шишканов, О.Г. Экспериментальные исследования режимов сжигания топлива в топочной камере котла Е-500 Красноярской ТЭЦ-2 / О.Г. Шишканов, И.В. Андруняк // Сб. науч. тр.: Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка поверхностей нагрева / IV научно-практическая конференция. Челябинск: 2007, Т.1. С. 131-139.

36. Шишканов, О.Г. Теплообмен в многоярусной топочной камере при изменении угла поворота тангенциальных горелок / О.Г. Шишканов, C.B. Малахов// Труды 12 Школы семинара молодых ученых и специалистов (Москва, 1999). М.: МЭИ, 1999. Т.1.-С. 339-342.

37. Шишканов, О.Г. Определение выбросов NOx при эксплуатации энергетических котлов с учетом результатов зонального моделирования теплообмена / О.Г. Шишканов, O.A. Швыряева, М.М. Климкова // Труды 13 Школы семинара молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 2001). М.: МЭИ, 2001. Т.1. С. 224-227.

38. Шишканов, О.Г. Математическое моделирование теплообмена в топках энергетических котлов при изменении состава твердого топлива / О.Г. Шишканов, М.М. Климкова // Труды 14 Школы семинара молодых ученых и специалистов (Рыбинск, 2003). М.: МЭИ, 2003. Т.1. С. 339-342.

39. Шишканов, О.Г. Зональное математическое моделирование сложного теплообмена в топочной камере водогрейного котла КВ-ТК-100-150-6 / О.Г. Шишканов, И.В. Андруняк // Труды 15 Школы семинара молодых ученых и специалистов (Калуга, 2005). М.: МЭИ, 2005. Т.2. С. 385-388.

40. Шишканов, О.Г. Исследование влияния радиационных характеристик излучающей среды и геометрии топочного пространства энергоустановок на показатели теплообмена / О.Г. Шишканов, И.В. Андруняк // Труды 15 Школы семинара молодых ученых и специалистов (Калуга, 2005). М.: МЭИ, 2005. Т.2. С. 389-392.

41. Шишканов, О.Г. Особенности высокотемпературного сжигания угольной пыли в энергетических котлах с жидким шлакоудалением / О.Г. Шишканов, PÏ.B. Андруняк // Труды 16 Школы-семинара молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 2007). М.: МЭИ, 2007. Т.1. С. 321-324.

42. Положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2008101760, заявл. 16.01.2008, МПК F 23С 5/08, F 23С 5/12. Способ сжигания шлакующих углей в фронтальной топке / О. Г. Шишканов, И. В. Андруняк, Л.П. Каменщиков

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 24.11.2009. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100. Заказ 5216Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

о

2008176514