автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Исследование и оптимизация аэродинамики газоходов и дымовых труб ТЭС

На правах рукописи

Григорьев Илья Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ АЭРОДИНАМИКИ ГАЗОХОДОВ И ДЫМОВЫХ ТРУБ ТЭС

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

24 АПР 2014 005547599

Москва 2014

005547599

Работа выполнена на кафедре Котельных установок и экологии энергетики федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ». Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор,

зам. зав. каф. Котельных установок и экологии энергетики ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» Прохоров Вадим Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Межотраслевого научного центра прикладной экологии Негосударственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Академия МНЭПУ", г. Москва Тувальбаев Булат Гарифович

кандидат технических наук, Первый заместитель Генерального директора,

Научный руководитель Открытого акционерного общества «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского» (ОАО «ЭНИН»), г. Москва Фадеев Сергей Александрович

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Всероссийский

дважды ордена трудового красного знамени теплотехнический научно-исследовательский институт» (ОАО «ВТИ»), г. Москва

Защита состоится «25» июня 2014 г. в 14 час. 00 мин. в Малом актовом зале на заседании диссертационного совета Д 212.157.07 в ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» и на сайге: www.mpei.ru.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан М » ЙП^С-ЛЯ 2014 г.

Ученый секретарь г

диссертационного совета //

Д 212.157.07 /7

к.т.н., доц. .. Ильина И.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

В эксплуатации находится большое количество котлов с высоким аэродинамическим сопротивлением газового тракта, что не позволяет котлам нести номинальную нагрузку. Это вызвано установкой на котлах дополнительного оборудования (глушители шума и т.п.), изменением вида и характеристик топлива, техническими ошибками при проектировании или реконструкцией поверхностей нагрева котлов. Недовыработка электрической энергии, вызванная снижением нагрузки котлов вследствие высокого аэродинамического сопротивления газового тракта, приводит к снижению прибыли. Снижение аэродинамического сопротивления газового тракта котла приводит так же к снижению затрат электроэнергии на привод дымососов, и, как следствие, увеличению коэффициента полезного действия котла нетто.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ

Основными задачами исследования являются снижение аэродинамического сопротивления газового тракта котлов за счет оптимизации аэродинамики отдельных узлов газового тракта ТЭС, а так же разработка и применение метода снижения аэродинамического сопротивления газового тракта основанного на переводе части дымовых газов из газоходов энергетического котла в газоходы пиковых водогрейных котлов.

ОБЪЕКТАМИ ИССЛЕДОВАНИЯ выбраны следующие узлы газового тракта

ТЭС:

• Ввод газоходов в газоотводящий ствол дымовой трубы постоянного сечения (при одностороннем и двухстороннем вводе);

• Участок от выхода из электрофильтра до дымососа в условиях стесненной компоновки;

• Участок перевода части дымовых газов из газоходов энергетического котла в газоходы пиковых водогрейных котлов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

В работе приведены научно обоснованные рекомендации по оптимальному аэродинамическому выполнению узлов одностороннего и двухстороннего вводов газоходов в дымовые трубы постоянного сечения, изготовленные из стеклопластика. Дымовые трубы из стеклопластика нашли широкое применение в последние годы, а рекомендации по оптимальному аэродинамическому выполнению узлов ввода газоходов в такие дымовые трубы до настоящего времени не были разработаны. В работы получены зависимости коэффициента местных потерь для участка ввода газоходов в дымовую трубу от углов наклона верхней и нижней стенок газоходов вводимых в дымовую трубу, расстояния от начала наклона верхней стенки газохода до дымовой трубы, являющиеся новыми.

В диссертации разработаны два варианта выполнения участка газового тракта блока 300 МВт от электрофильтра до дымососа в условиях стесненной компоновки. При замене действующих электрофильтров на новые с большей степенью золоулавли-

вания могут возникать зоны с повышенным аэродинамическим сопротивлением газового тракта. В случае проектирования узла в условиях стесненной компоновки один нестандартный элемент следует за другим, что не позволяло определить аэродинамическое сопротивление и выполнить оптимизацию аэродинамики этого участка газового тракта без проведения исследований на физических или математических моделях. До настоящего времени отсутствовали рекомендации по выполнению данного участка в условиях стесненной компоновки.

До настоящего времени рекомендации по выполнению перевода части дымовых газов из газоходов энергетических котлов в газоходы пиковых водогрейных котлов отсутствовали, а данное техническое решение не применялось. В работе приводятся расчеты, подтверждающие эффективность такого способа снижения аэродинамического сопротивления газового тракта, определены условия, определяющие возможность и границы применения данного метода, а так же рекомендации по оптимальному аэродинамическому его выполнению.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводились методом математического моделирования с применением специализированных программных комплексов. Компьютерное моделирование течения газов в элементе газового тракта проходит в два этапа. На первом этапа проводилось 3D проектирование элемента с использование программного комплекса SolidWorks. В ходе второго этапа задавались граничные условия, режим течения и проводилось моделирование течения газов с помощью программного комплекса FlowVision. Далее полученные в ходе моделирования данные обрабатывались, анализировались и структурировались. При наличии возможности проводились аэродинамические испытания на работающих котлах, и результаты испытаний сравнивались с результатами, полученными при моделировании. Рассчитывалось расхождение полученных результатов, анализировалась причина расхождения.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ

В диссертационной работе выполнено сравнение значений коэффициентов местных сопротивлений для поворотов газоходов на 90° при различном их выполнении, полученных с помощью программного комплекса FlowVision с данными, приведенными в нормативной литературе для поворота газохода на 90°. Максимальное расхождение составило не более 10 %.

Проведено сравнение результатов расчета с помощью программного комплекса FlowVision аэродинамических потерь давления для участка газового тракта от электрофильтра до дымососа с результатами натурных испытаний на работающем котле. Расхождение составило 8 %.

ПК FlowVision широко используется ведущими российскими научно-исследовательскими институтами и конструкторскими бюро для исследования аэродинамики потоков, имеет сертификат соответствия Госстандарта России.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

• Результаты компьютерного моделирования течения газов на участке ввода газоходов в дымовую трубу с газоотводящим стволом постоянного сечения для одностороннего и двухстороннего ввода в дымовые трубы.

• Зависимости коэффициентов сопротивления для участков ввода газоходов в дымовые трубы с газоотводящими стволами постоянного сечения при различном выполнении этого участка для одностороннего и двухстороннего ввода газоходов.

• Результаты компьютерного моделирования для блока 300 МВт течения газов на участке от электрофильтра до дымососа в условиях стесненной компоновки и рекомендации по оптимальному выполнению этого участка газового тракта.

• Обоснование возможности применения метода снижения аэродинамического сопротивления газового тракта энергетического котла путем перевода части газов из газохода энергетического котла в газоход пиковых водогрейных котлов. Схема перевода газов. Результаты компьютерного моделирования течения газов на участке перевода газов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

Разработанные в диссертации рекомендации по вводу газоходов в дымовые трубы с газоотводящими стволами постоянного сечения широко применяются при проектировании и строительстве дымовых труб. Рекомендации по оптимальному аэродинамическому выполнению участка газового тракта от выхода из электрофильтра до входа в дымосос переданы на Троицкую ГРЭС для внедрения. Разработанные в диссертации рекомендации по переводу части дымовых газов энергетического котла ТГМП-314 в газоход пиковых водогрейных котлов внедрены на ТЭЦ-23 ОАО Мосэнерго. Внедрение рекомендаций позволяет снизить аэродинамическое сопротивление газового тракта, что приводит к снижению затрат электрической энергии на привод тягодутьевых машин, и в некоторых случаях к увеличению располагаемой мощности энергетического оборудования.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА заключается в разработке расчетных моделей, проведении компьютерного моделирования, анализе и обобщении полученных в ходе моделирования результатов. Автором разработаны рекомендации по проектированию узла ввода газоходов в дымовую трубу постоянного сечения при одностороннем и двухстороннем вводе газоходов. Разработаны рекомендации и схемы оптимального аэродинамического выполнения участка газового тракта от электрофильтра до дымососа в условиях стесненной компоновки. Для снижения аэродинамического сопротивления газового тракта энергетического котла предложено перевести часть газов в газоход пиковых котлов. Определены условия, определяющие возможность применения данного метода и разработана методика по определению объемного расхода газов, который может быть переведен в газоход пиковых котлов. Разработаны рекомендации по оптимальному аэродинамическому выполнению этого участка газового тракта.

ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДИССЕРТАЦИИ ИМЕЕТСЯ 7 ПУБЛИКАЦИЙ, в том числе три публикации в изданиях из перечня, рекомендуемого ВАК (Теплоэнергетика №3,

2012; Вестник МЭИ №5, 2013; Энергосбережение и водоподготовка №2, 2014). В Роспатенте зарегистрирована база данных мониторинга энергетических и экологических показателей объектов теплоэнергетики на территории Москвы.

АПРОБАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Результаты работы докладывались на 17-ой, 18-ой, 19-ой и 20-й международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2011 - 2014 гг., Москва).

Результаты исследования, отраженные в главе 2, были непосредственно использованы при проектировании 10 дымовых труб и продолжают использоваться при проектировании новых дымовых труб.

Результаты, изложенные в главе 3, переданы руководству Троицкой ГРЭС и в настоящее время рассматривается вопрос о реконструкции газового тракта. Предлагаемая в главе 4 диссертации схема перевода дымовых газов внедрена на ТЭЦ-23 ОАО «МОСЭНЕРГО».

По фактам внедрения результатов диссертационной работы имеются акты внедрения.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы и ряти приложений. Содержание работы изложено на 143 страницах печатного текста, содержит 53 рисунков и 17 таблиц. В списке литературы значатся 87 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации говорится об актуальности работы, дана общая характеристика работы, обозначены цели и задачи исследования.

В первой главе изложен анализ работ, посвященных вопросам аэродинамической оптимизации элементов газового тракта ТЭС, описывается метод и математическая модель исследования.

Анализ работ по исследованию и проектированию элементов газового тракта ТЭС показал:

- в эксплуатации находится большое количество котлов с высоким аэродинамическим сопротивлением газового тракта, что приводит к увеличению затрат энергии на привод ДС, а в некоторых случаях не позволяет котлам нести номинальную нагрузку;

- в последние годы широкое распространение получили дымовые трубы с газоот-водящими стволами, изготовленными из стеклопластика. В этом случае газоотводящий ствол обычно выполняется с постоянным сечением по всей высоте дымовой трубы и при вводе газоходов в газоотводящий ствол имели место большие аэродинамические потери, поскольку до настоящего времени не было разработано рекомендаций по выполнению этого узла;

- на многих блоках работающих на твердом топливе с целью увеличения степени золоулавливания устанавливаются новые электрофильтры. Увеличение степени улав-

ливания золы достигается увеличением высоты осадительных и коронирующих электродов, увеличением числа полей электрофильтра, снижением скорости дымовых газов в электрофильтре. Вследствие этого увеличиваются габаритные размеры ЭФ, что может приводить к увеличению аэродинамического сопротивления газового тракта;

- на ряде ТЭС энергетические и водогрейные котлы подключены к разным дымовым трубам или разным газоотводящим стволам одной дымовой трубы, а водогрейные котлы имеют запас по тяге.

Для оптимизации аэродинамического выполнения различных элементов газового тракта в диссертационной работе использовалось численное моделирование с применением программного комплекса FlowVision, который широко используется в авиастроении, автомобилестроении, энергетике, других областях и хорошо себя зарекомендовал.

Основной задачей FlowVision является численное решение уравнений Навье-Стокса, описывающих динамику жидкости. Для численного решения базовых уравнений в FlowVision используется метод, основанный на консервативных схемах расчета нестационарных уравнений в частных производных, которые по сравнению с неконсервативными схемами дают решения, точно удовлетворяющие законам сохранения (в частности, уравнению неразрывности). Во FlowVision используется прямоугольная адаптивная сетка с локальным измельчением. Снижение сеточной чувствительности, т.е. пошаговое увеличение детализации расчётной сетки, позволило получить адекватные результаты. Количество элементов сетки, используемой для моделирования, составило 1-1,2 млн. в зависимости от исследуемого узла. Коэффициент роста ячеек сетки не превышает 1,15. Для аппроксимации криволинейной геометрии с повышенной точностью FlowVision использует технологию подсеточного разрешения геометрии. Авто-модельность течения газов в каналах достигалась тем, что 3D модели исследуемых объектов выполнялись в натуральную величину, скорости газов равны скоростям газов в газовых трактах котлов. В большинстве участков газовых трактов Re>l-105 имеет место развитый турбулентный поток.

Для расчетов использовалась модель FlowVision Incompressible Fluid (Несжимаемая жидкость), предназначенная для моделирования течения газа (жидкости) при больших числах Рейнольдса (для турбулентных течений) и при малых изменениях плотности газа. Определялись поля скоростей, полное давление на входе в изучаемый участок и на выходе из него. Коэффициент сопротивления исследуемых участков газового трака определялся как разность полных давлений на входе и выходе из участка отнесенная к динамическому давлению на входе в участок (для узла ввода газоходов в дымовую трубу) или на выходе из участка (участок от электрофильтра до дымососа). Благодаря функциям визуализации были получены снимки распределения полного давления, а также линии тока, показывающие направление и скорость потока газов в сечениях узлов.

В рамках работы была проведена верификация программы. Был рассмотрен поворот газохода на 90°, для которого в нормативной литературе приведены значения ко-

эффициента местных потерь для разного соотношения радиуса внутреннего скругления поворота к высоте газохода. Максимальное расхождение результатов для коэффициента сопротивления поворота газохода на 90° для различных вариантов его выполнения не превысило 10 %.

Вторая глава посвящена исследованию узла ввода газоходов в газоотводящий ствол дымовой трубы постоянного сечения и его аэродинамической оптимизации при одностороннем и двухстороннем вводе газоходов в дымовую трубу для различных отношений диаметра дымовой трубы к высоте газохода и площадей проходного сечений трубы и вводимых газоходов.

На рис. 1 представлены расчетные схемы узлов одностороннего и двухстороннего вводов газоходов в газоотводящий ствол постоянного сечения. В цилиндрические газо-отводящие стволы дымовых труб вводятся газоходы прямоугольного сечения.

а)

6)

х

га

2 5 1.4

Рис. 1. Расчетные схемы узлов одностороннего (а) и двухстороннего (б) вводов газоходов в дымовую трубу постоянного сечения

На первом этапе были проведены исследования влияния углов наклона верхней и нижней стенок газоходов на процесс течения газов в узле ввода газоходов в дымовую трубу и в газоот-водящем стволе дымовой трубы. Результаты исследований для одностороннего и двухсто-20 зо 40 50 60 70 80 Роннего вводов газоходов в дымовую трубу Угол наклона верхней и нижней приведены на рис 2 и рис 3. стенок газохода, а, р, градусы Согласно рекомендациям нормативной литературы при двухстороннем вводе газоходов в

-е- о -е- с о,8

1 1 .85 ♦

/

/

1,26 < /

/

о,э: 0,9 А

Рис. 2. Зависимость коэффициента я я

^^ дымовую трубу необходимо устанавливать раз-

сопротивления узла одностороннего делительную перегородку для предотвращения

ввода газоходов в дымовую трубу от соударения потоков движущихся навстречу

углов а, р при с = 0,2 друг другу № ри£ 2и3 втн0^ чт0 минималь_

I §0,9

н р

5 л 0,8

з о.

§ и 0,7 •§■ ё т 0,6 о X

0,99

\ 0 66 0 7

0,66

^ 0,55

1.1 ное значение коэффициента местных потерь до-

1 -)-^' ---------- стигается при углах наклона верхней и нижней

стенок газохода равных 50° как для одностороннего, так и для двухстороннего вводов газоходов в дымовую трубу постоянного сечения. Необходимо так же отметить, что при выполнении углов наклона верхней и нижней стенок га-

°'5 зохода в диапазоне от 45 до 60° не наблюдается

20 30 40 50 60 70 80 Угол наклона верхней и нижней значительного увеличения коэффициента мест-

стенок газохода, а, Р, градусы ных потерь.

Рис. 3. Зависимость коэффициента Далее проводились исследования по изуче-

сопротивления узла двухстороннего нию влияния расстояния от начала наклона

ввода газоходов в дымовую трубу от верХней стенки газохода до дымовой трубы

углов а, Р при с = 0,23 ^ _ с/Отр) на картину течения газов в узле

ввода и в газоотводящем стволе дымовой трубы.

На рис. 4 и 5 приведены полученные в исследованиях зависимости коэффициента местных потерь от расстояния, на котором начинается наклон верхней стенки газохода для одностороннего и двухстороннего ввода газоходов. Как видно, для одностороннего ввода газоходов наименьшее значение коэффициента местного сопротивления достигается при расстоянии с=1,20тр, а для двухстороннего - с=0,70тр. При выполнении узла ввода газохода в дымовую трубу с с>0,70тр и угле а=50° имеют место сложности при монтаже данного участка. Необходимо так же отметить, что в случае одностороннего ввода газоходов в дымовую трубу увеличение расстояния с с=0,70тр до с=1,2Бтр не

приводит к существенному снижению коэ<

и

Й

■5 та

2 ц

Е— Р

Я ^

а л

3 о, Я а) = £ •в- 3

(фициента местных потерь узла.

Поэтому как для двухсторонненего, так и для одностороннего вариантов ввода газоходов в дымовую трубу постоянного сечения рекомендуется начинать наклон верхней стенки газохода с расстояния равного 0,7Втр. На рис. 6 и 7 представлены рекомендуемые схемы выполнения узла одностороннего и двухстороннего вводов с нанесенными на них линиями тока газов, полученные с помощью программного комплекса Р1омуУ1яоп. Из рисунков видно, Рис. 4. Зависимость коэффициента что в узлах ввода газоходов практически сопротивления узла одностороннего ввода отсутствуют зоны срывов потока и обрат-газоходов в дымовую трубу от расстояния с ных токов, нет резкого изменения проход-при а=Р=50° ного сечения, отсутствуют резкие измене-

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3

ж 0,8

\ 0, ¡9

0, Нцо.е 59 \ 8 0, ¡7 0 55°' 57

0,59 -0,51 >

0,4 0,5

0,1 0,4 0,7

1,3 1,6

Расстояние от дымовой трубы, с, в долях от диаметра трубы

я

о ^ —"

2 §

а з

а ©

к £ ® §

т

0,6 0,55 0,5 0,45 0,4

. 0,52

Чр/ 7 0,43 ,46

Ю,44

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

Расстояние от дымовой трубы, с, в долях от диаметра трубы

Рис. 5. Зависимость коэффициента сопротивления узла двухстороннего ввода газоходов в дымовую трубу от расстояния с при а=(3=50°

ния скорости потока. Результаты исследования представленные выше проводились, для варианта одностороннего ввода, на модели с отношением диаметра дымовой трубы к высоте газохода Отр/Ьг=1 (отношение площадей проходного сечений трубы и вводимого газохода составило Ртр/Рг=0,76).

До проведения исследований, результаты которых изложены в диссертации, проектной организацией применялась схема одностороннего ввода газохода в дымовую трубу постоянного сечения с а=Р=30° и с=0,20тр. Для двухстороннего ввода газоходов применялась схема, рекомендуемая для конических дымовых труб.

-6Г" м с м с 21,7 м с 19.1 м с 16т6 м с 14.1 м с 11.6 м с м с 6:5 м с 4 М с м с

Рис. 6. Распределение векторов скоростей потока по сечению узла одностороннего ввода газоходов в дымовую трубу постоянного сечения (рекомендуемый вариант)

Рис. 7. Распределение векторов скоростей потока по сечению узла двухстороннего ввода газоходов в дымовую трубу постоянного сечения (рекомендуемый вариант)

Применение оптимальных аэродинамических схем ввода газоходов, разработанных в диссертационной работе (а=р=50° и с=0,7Втр), позволяет практически в два раза снизить аэродинамические потери как при одностороннем, так и при двухстороннем вводе газоходов в дымовую трубу по сравнении с применявшимися схемами.

При уменьшении соотношения диаметра дымовой трубы к высоте газохода до Отр/Ьг=0,5 (Ртр/Рг=0,39), происходит значительное увеличения коэффициента местных по-

В этом случае, как показали исследования, установка направляющих перегородок (рис. 8) позволяет снизить коэффициент местных потерь на этом участке на 12...15 %.

Таким образом, во второй главе разработаны рекомендации по проектированию узлов одностороннего и двухстороннего вводов газоходов в дымовую трубу постоянного сечения для различных отношений диаметра дымовой трубы к высоте газохода и площадей проходного сечений трубы и вводимых газоходов. Рекомендации, изложенные в данной главе, переданы проектной организации и были использованы при проектировании 10 дымовых труб с газоотводящим стволом походов в дымовую трубу при нестандарт- стоянного сечения и продолжают испольном соотношении диаметра дымовой тру- зоваться в настоящее время, бы к высоте газохода Втр/Ьг=0,5

В третьей главе диссертации рассматриваются вопросы оптимизации аэродинамики участка газового тракта от выхода из электрофильтров (ЭФ) до дымососов в условиях стесненной компоновки.

В настоящее время на многих котлах, работающих на твердом топливе, с целью увеличения степени золоулавливания устанавливаются новые электрофильтры. Чем выше степень улавливания золы в ЭФ, тем больше его габаритные размеры, так как увеличивается число полей и высота осадительных и коронирующих электродов, что обуславливает необходимость изменения схемы трассировки газоходов до и после ЭФ. Из-за увеличения габаритных размеров ЭФ, эти участки выполняются в условиях стесненной компоновки, что может привести к увеличению аэродинамического сопротивления газового тракта и к повышенным затратам на привод дымососов, а в некоторых случаях и к снижению производительности котла.

терь при вводе газохода в дымовую трубу.

В качестве объекта исследования выступил дубль блок 300 МВт ст. № 4 Троицкой ГРЭС, сжигающий Экибастузский уголь. В 2011 году на этом блоке были установлены новые четырехпольные электрофильтры с высотой электродов 15 м. До этого там были установлены электрофильтры, имеющие значительно меньшие габариты, с высотой электродов 7 м. До установки новых электрофильтров блок мог нести номинальную нагрузку 278 МВт, а после их установки сопротивление газового тракта резко возросло и блок в настоящее время может нести максимальную нагрузку 210... 220 МВт. После проведения аэродинамических исследований на блоке 300 МВт Троицкой ГРЭС было установлено, что основной причиной этого является высокое аэродинамическое сопротивление участка газового тракта от электрофильтра до входа в дымососы. До замены ЭФ сопротивление этого участка составляло 40 мм.вод.ст. (при нагрузке блока равной 220 МВт), после замены ЭФ сопротивление этого участка составляет 95 мм.вод.ст. (при нагрузке блока равной 210 МВт). На рис. 9 представлен участок газового тракта блока 300 МВт от выхода из ЭФ до входа в дымосос после установки нового ЭФ. Как видно, газоходы совершают ряд поворотов с изменением сечения. Отсутствуют внутренние радиусы скругления. Столь сложная конструкция данного участка обусловлена тем, что дымососы находятся в отдельном здании, находящимся на расстоянии нескольких метров от ЭФ. Кроме того, здание дымососной имеет опорные колонны и балку, которые газоходы должны обходить при входе в здание дымососной.

Рис. 9. Участок газового тракта от выхода из электрофильтра до входа в дымосос На первом этапе было проведено компьютерное моделирование исходного варианта выполнения участка тракта от ЭФ до ДС. Результаты моделирования представлены в табл. 1.

Таблица 1 Проведено сравнение ре-

Результаты моделирования исходного варианта зультатов компьютерного моделирования с результатами натурных исследований на работающем оборудовании Троицкой ГРЭС. Было получено, что потери давления на рассматриваемом участке составляют 1850 Па, а в испытаниях на работающем котле они составляли 1716 Па. Расхождение результатов компьютерного моделирования с результатами натурных испытаний составило 7,2 %. Коэффициент местных потерь по результатам

Наименование величины, размерность Значение

Скорость дымовых газов на входе в рассматриваемый узел, м/с 1,07

Полное давление дымовых газов на входе в рассматриваемый узел, Па 2390

Скорость дымовых газов на выходе из рассматриваемого узла, м/с 25

Полное давление дымовых газов на выходе из рассматриваемого узла, Па 540

Коэффициент местных потерь узла, отнесенный к выходному сечению 4,57

компьютерного моделирования узла составил 4,57.

На втором этапе было разработано 2 варианта реконструкции данного участка газового тракта. Первый вариант представлен на рис. 10.

::ооо

11000 3000 4~~0

ГАЗОХОД №1

9504

Рис. 10. Участок газового тракта от выхода из электрофильтра до входа в дымосос (рекомендуемый вариант № 1)

В отличие от исходного варианта все повороты имеют радиус внутреннего скруг-ления, нет резкого изменения проходного сечения газоходов. На выходе из ЭФ устанавливаются направляющие перегородки.

В данном варианте положение дымососа остается тем же что и в исходном варианте. Результаты компьютерного моделирования показывали, что сопротивление этого участка значительно ниже, чем у исходного варианта. Потеря давления на данном участке, при номинальной нагрузке блока составляют для газохода 1 - 570 Па, для газохода 2 - 640 Па. Коэффициент местного сопротивления для газохода 1 равен 1,41 для газохода 2 - 1,55.

На рис. 11 представлен эскиз второго рекомендуемого варианта выполнения газоходов от ЭФ до ДС с изменением положения дымососа. В этом случае газоходы проходят над зданием дымососной и входят в него с противоположной стороны. Дымосос разворачивается на 90° относительно действующего положения. Затраты на реконструкцию газоходов для этого варианта будут несколько выше, чем в первом варианте вследствие заливки новых фундаментов под дымососы.

Рис. 11. Участок газового тракта от выхода из электрофильтра до входа в дымосос (рекомендуемый вариант № 2)

В настоящее время дымососы 'ГГРЭС направлены не в сторону дымовой трубы, а в перпендикулярном направлении. Поэтому газы сразу же при выходе из дымососа делают поворот на 90° в направлении дымовой трубы. Такое исполнение приводит не только к дополнительным потерям при повороте газохода, но и может ухудшать рабочие характеристики дымососа. Таким образом, разворот дымососа на 90° относительно действующего положения снизит аэродинамические потери на участке газового тракта от дымососа до дымовой трубы и, возможно, улучшит рабочие характеристики дымо-

coca. В отличие от исходного варианта все повороты, так же как и в первом варианте, имеют радиус внутреннего скругления, нет резкого изменения проходного сечения газоходов. Потеря давления на данном участке, при номинальной нагрузке блока составляет 540 Па. Коэффициент местного сопротивления для газохода 1 равен 1,32 для газохода 2 - 1,33.

Таким образом, реконструкция газоходов позволит снизить аэродинамическое сопротивление участка газового тракта от ЭФ до ДС более чем в 3,0 раза. Потери давления для двух рекомендуемых вариантов при номинальной нагрузке блока для рассматриваемого участка газового тракта составят соответственно 640 Па и 540 Па. До установки новых электрофильтров потери на этом участке при номинальной нагрузке блока составляли 630 Па и блок мог нести полную нагрузку. Таким образом, реконструкция этого участка по одному из двух рекомендуемых вариантов позволит блоку нести полную нагрузку. Рекомендации, изложенные в диссертации, переданы на Троицкую ГРЭС для внедрения.

Как показал расчет экономических показателей, дисконтируемый срок окупаемости мероприятий по реконструкции газоходов для варианта № 1 составит 8 месяцев, для варианта 2-9 месяцев, что свидетельствует о высокой эффективности инвестиций в проекты реконструкции.

Четвертая глава диссертации посвящена обоснованию применения метода снижения аэродинамического сопротивления газового тракта энергетического котла путем перевода части газов из газохода энергетического котла в газоход пиковых водогрейных котлов.

В случае, когда энергетические и водогрейные котлы подключены к разным дымовым трубам или разным газоотводящим стволам одной дымовой трубы, а так же при наличии запаса тяги у водогрейных котлов возможно осуществление перевода части дымовых газов из газохода энергетического котла в газоход пиковых водогрейных котлов. Это приводит к снижению аэродинамических потерь в тракте энергетического котла, и, как следствие, к увеличению располагаемой мощности котла. Перевод части дымовых газов из газохода энергетического котла в газоход пиковых водогрейных котлов не должен приводить к ограничению производительности водогрейных котлов.

В качестве объекта исследования выступил блок Т-250/300-240 ТЭЦ-23 ОАО «МОСЭНЕРГО», который из-за высокого аэродинамического сопротивления газового тракта в летнее время не мог нести номинальную паровую нагрузку. Вместо 980 т/ч летом максимальная нагрузка котла ТГМП-314, работающего в блоке с турбиной Т-250/300-240, составляла не более 900 т/ч. После изучения схемы трассировки газоходов было установлено, что котел ТГМП-314 подключен к газоотводящему стволу № 4 многоствольной дымовой трубы высотой 250 м., а пиковые водогрейные котлы ПТВМ-180 подключены к газоотводящему стволу № 3 той же трубы. Дымовые газы от котла ТГМП-314 движутся к дымовой трубе по двум ниткам, А и Б. Дымовые газы котлов ПТВМ движутся по одному газоходу. На расстоянии около 20 метров от входа в дымо-

вую трубу газоход ПВК проходит над ниткой А газохода котла ТГМП-314. Расстояние между газоходами составляет около 7,5 метров.

Для установления количества газов, которое может быть переведено из газохода энергетического котла в газоход пикового котла, были проведены аэродинамические расчеты газовых трактов котлов. Аэродинамические расчеты позволили определить, что при переводе 25 % дымовых газов котла ТГМП-314 в газоход пиковых водогрейных котлов котел ТГМП-314 в летнее время сможет работать с номинальной нагрузкой, без ограничения производительности пиковых водогрейных котлов в зимнее время года. На рис. 12 представлена схема перевода части газов из газохода нитки А котла ТГМП-314 в газоход котлов ПТВМ-180. Для минимизации аэродинамических потерь в узле перевода дымовых газов проведена его аэродинамическая оптимизация путем компьютерного моделирования.

Газоход пиковых водогрейных котлов

ПТВМ-180

Рис. 12. Схема перевода части газов из газохода нитки А котла ТГМП-314 в газоход котлов ПТВМ-180

Из рис. 12 видно, что перевод дымовых газов осуществляется по каналу высотой 2 метра. Ширина канала равна ширине газохода котла ТГМП-314 равного 4 метра. Угол наклона канала относительно газохода энергетического котла равен 45°. Для организации отвода дымовых газов из газохода котла ТГМП-314 в канал внутри газохода установлен направляющая перегородка длиной 1 м. Для снижения потерь давления при выходе дымовых газов из канала перевода дымовых газов в газоходе котлов ПТВМ-180 ст. №№ 6, 7 так же расположена направляющая перегородка. Направляющая перегородка в газоходе водогрейных котлов служит для предотвращения соударения дымовых газов. На участке выхода дымовых газов из канала имеется скос нижней части газохода на угол равный 25°. Данные изменения формы сечения газоходов направлены на снижение аэродинамического сопротивления канала. Оптимальные размеры скосов и углов наклона стен газоходов были исследованы во ПоиЛ^вюп. Так же исследовались форма направляющих перегородок в газоходах, их углы наклона и размеры. На рис. 13 представлено распределение векторов скоростей потока по сечению узла перевода газов.

20,8 м/с 18,7 м/с 16,6 м/с 14,6 м/с 12,5 м/с 10,4 м/с 8,3 м/с 6,2 м/с 4,2 м/с 2Д м/с 0 м/с

а) б)

Рис. 13 Распределение векторов скоростей потока по сечению узла перевода газов при номинальной нагрузке энергетического котла и номинальной нагрузке пиковых водогрейных котлов (а) и при малой нагрузке пиковых водогрейных котлов (б)

На рис. 13 видно, что зоны обратных токов в газоходах практически отсутствуют. Применение направляющей перегородки в газоходе пиковых водогрейных котлов препятствует соударению потока переводимых газов с газами, движущимися в газоходе. Дымовые газы от ПВК свободно проходят место перевода дымовых газов из энергетического котла в случае номинальной нагрузки ПВК (большой объем газов), а так же в

случае малой нагрузки ПВК. Оставшиеся в газоходе нитки А котла ТГМП-314 газы равномерно распределяются по всему сечению газохода. Аэродинамические расчеты показали, что перевод 25 % газов энергетического котла в газоход пиковых котлов приводит примерно к одинаковому снижению аэродинамического сопротивления газового тракта как в нитке А, так и в нитке Б, т.е. перекоса по аэродинамическому сопротивлению между нитками не создается. Выполнения этого условия является важным, для предотвращения возможности кавитации дымососов при их параллельной работе на одну сеть.

Как показал расчет экономических показателей, дисконтируемый срок окупаемости мероприятий по монтажу узла переводу газов составит 14 месяцев. Это свидетельствует о высокой привлекательности проекта для инвестора.

По рекомендациям, представленным в диссертации, был осуществлен перевод 25% дымовых газов из газохода котла ТГМП-314 в газоход пиковых водогрейных котлов. При участии автора были проведены аэродинамические испытания котла, которые показали, что в летнее время при 1в=20 °С блок смог нести нагрузку равную 972 т/ч, что близко к номинальной (980 т/ч).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Показано, что на ряде ТЭС и котельных различные участки газового тракта выполнены не оптимально в аэродинамическом отношении, что приводит к повышенным затратам энергии на привод дымососов, а в некоторых случаях может приводить к снижению располагаемой нагрузки котлов. Поэтому аэродинамическая оптимизация различных участков газового тракта является актуальной задачей.

2. С помощью математического моделирования с использованием пакетов прикладных программ ЗоШШогкБ и Р1о\¥\Ч5юп разработано оптимальное аэродинамическое выполнение узла ввода газоходов в дымовые трубы с газоотводящими стволами постоянного сечения при одностороннем и двухстороннем вводе газоходов, что позволило в два раза снизить аэродинамические потери на этом участке газового тракта. Рекомендации по выполнению этого участка разработаны для различных отношений диаметра дымовой трубы к высоте вводимых газоходов. Рекомендации переданы проектной организации и широко используются при проектировании новых дымовых труб с газоотводящими стволами постоянного сечения. К настоящему времени по рекомендациям, разработанным в данной работе, спроектировано и построено 10 дымовых труб, что подтверждается актом внедрения.

3. Получены графические зависимости для коэффициента сопротивления участка ввода газоходов в дымовую трубу с газоотводящим стволом постоянного сечения от углов наклона верхней и нижней стенок газохода, а так же расстояния от дымовой трубы с которого начинается наклон верхней стенки газохода. Оптимальной, в аэродинамическом плане, является схема с углами наклона верхней и нижней стенок газохода

равными 50°, а расстояние от дымовой трубы, с которого начинается наклон верхней стенки газохода, составляет 0,7 диаметра дымовой трубы.

4. После замены электрофильтров на блоках 300 МВт Троицкой ГРЭС произошло значительное снижение максимальной нагрузки блоков с 278 до 210...220 МВт. Установлено, что причиной этого является высокое аэродинамическое сопротивление газового тракта на участке от выхода из электрофильтра до входа в дымососы. С помощью математического моделирования с использованием пакетов прикладных программ 8оНс1\Уогк5 и Ио\уУ1зюп разработаны два варианта оптимального аэродинамического выполнения этого участка газового тракта, внедрение которых позволит более чем в три раза снизить аэродинамические потери, и обеспечит работу блока с номинальной нагрузкой. Рекомендации по оптимальному выполнению участка газоходов от электрофильтра до входа в дымососы переданы на Троицкую ГРЭС для внедрения.

5. Блоки Т-250/300-240 ТЭЦ-23 ОАО «МОСЭНЕРГО» из-за высокого аэродинамического сопротивления газового тракта в летнее время года не могли нести номинальную нагрузку. Вместо 980 т/ч летом они могли нести нагрузку не более 900 т/ч. Для снижения аэродинамического сопротивления газового тракта в работе предложено часть газов энергетического котла перевести в газоход пиковых водогрейных котлов, которые подключены к другому газоотводящему стволу многоствольной дымовой трубы и имеют запас по тяге. На основании аэродинамических расчетов было установлено, что в газоход пиковых котлов можно перевести до 25 % газов энергетического котла, что обеспечит работу пиковых котлов с номинальной нагрузкой в зимнее время года и одновременно позволит энергетическому котлу в летнее время нести номинальную нагрузку. С использованием пакетов прикладных программ ЗоНсГЛ'огкз и Ио^Мвюп было оптимизировано аэродинамическое выполнение участка газоходов по переводу дымовых газов из энергетического котла в газоходы пиковых котлов. По рекомендациям, представленным в диссертации, был осуществлен перевод 25% дымовых газов из газохода котла ТГМП-314 в газоход пиковых водогрейных котлов и аэродинамические испытания котла показали, что в летнее время при (в=20 °С блок смог нести нагрузку равную 972 т/ч, что близко к номинальной (980 т/ч).

Основное содержание работы представлено в следующих публикациях:

1. Прохоров, В. Б. Аэродинамическая оптимизация узла ввода газоходов в дымовую трубу с помощью компьютерного моделирования течения газового потока [Текст] / Прохоров В. Б., Фоменко М. В., Григорьев И. В. // Теплоэнергетика. -2012. -№ 3. -е. 28-33

2. Григорьев, И.В.Оптимизация газового тракта блока 300 МВт Троицкой ГРЭС [Текст] / Григорьев И.В., Прохоров В.Б., Фоменко М.В. // Вестник МЭИ. -2013. -№ 5. -с. 27-33

3. Григорьев, И.В. Перевод части дымовых газов энергетического котла в газоход пиковых водогрейных котлов с целью снижения аэродинамического сопротивле-

ния газового тракта энергетического котла [Текст] / Григорьев И.В., Прохоров В.Б., Фоменко М.В. // Энергосбережение и водоподготовка. -2014. -№ 2. -с. 24-29

4. База данных мониторинга энергетических и экологических показателей объектов теплоэнергетики на территории Москвы «MosPowerHeat» / Прохоров В.Б., Ки-ричков B.C., Григорьев И.В. и др. Свидетельство № 2013620174 от 9 января 2013 г. - М.: Роспатент, 2013 г.

5. Фоменко, М.В. 3D моделирование и оптимизация течения потоков газа в узле ввода газоходов в дымовую трубу [Текст] / Фоменко М.В., Григорьев И.В., Прохоров В.Б. // XVII МНТК студентов и аспирантов радиоэлектроника, электроника и энергетика: сб. тез. докл. -Москва, 2011 г. -с. 144-146

6. Фоменко, М.В. Снижение аэродинамического сопротивления газового тракта лотла ТГМП-314 [Текст] / Фоменко М.В., Григорьев И.В., Прохоров В.Б. // XVIII МНТК студентов и аспирантов радиоэлектроника, электроника и энергетика: сб. тез. докл. -Москва, 2012 г.-с. 111

7. Григорьев, И.В. Реконструкция газоходов на участке от выхода из электрофильтров до дымососов блока № 4 Троицкой ГРЭС [Текст] / Григорьев И.В., Прохоров В.Б. // // XIX МНТК студентов и аспирантов радиоэлектроника, электроника и энергетика: сб. тез. докл. -Москва, 2013 г. -с. 76

8. Григорьев, И.В. Перевод части дымовых газов из газохода энергетического котла в газоход ПВК [Текст] / Григорьев И.В., Прохоров В.Б. // // XX МНТК студентов и аспирантов радиоэлектроника, электроника и энергетика: сб. тез. докл. -Москва, 2014 г. -с. 83.

Подписано к печати: 15.04.2014г. Объем: 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 343 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, ул. Бауманская, д. 33, стр. 1 +7(495)979-98-99, www.reglet.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МЭИ»

04201458436

Григорьев Илья Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ АЭРОДИНАМИКИ ГАЗОХОДОВ

И ДЫМОВЫХ ТРУБ ТЭС

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., проф. Прохоров В.Б.

Москва, 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 5

ГЛАВА 1. ОБЗОР РАБОТ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ГАЗОВЫХ ТРАКТОВ ТЭС, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ, ОПИСАНИЕ МЕТОДА И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................... 11

1.1. Обзор работ по аэродинамической оптимизации и метод 11 расчета газового тракта ТЭС............................................

1.2. Методы исследования аэродинамики газовых трактов, математическая модель исследования................................. 18

1.3. Постановка задачи исследования....................................... 29

1.4. Выводы по главе........................................................... 30

ГЛАВА 2. АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ УЗЛА ВВОДА ГАЗОХОДОВ В ГАЗООТВОДЯЩИЙ СТВОЛ ДЫМОВОЙ ТРУБЫ ПОСТОЯННОГО СЕЧЕНИЯ.......................................................... 33

2.1. Компьютерное моделирование течения газового потока при одностороннем вводе газоходов в газоотводящий ствол дымовой трубы постоянного сечения.................................. 33

2.2. Компьютерное моделирование течения газового потока при двухстороннем вводе газоходов в газоотводящий ствол дымовой трубы постоянного сечения.................................. 49

2.3. Выводы по главе............................................................ 66

ГЛАВА 3. АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ГАЗОХОДОВ

НА УЧАСТКЕ ОТ ВЫХОДА ИЗ ЭЛЕКТРОФИЛЬТРОВ ДО ДЫМОСОСОВ............................................................................ 68

3.1. Исходный вариант выполнения участка газового тракта от электрофильтра до дымососа............................................ 68

3.2. Рекомендуемый вариант выполнения участка газового тракта от электрофильтра до дымососа без изменения положения дымососа (вариант № 1)................................................... 77

3.3. Рекомендуемый вариант выполнения участка газового тракта

от электрофильтра до дымососа с изменением положения дымососа (вариант № 2).................................................. 87

3.4. Оценка экономического эффекта от проведения реконструкции газоходов на участке от выхода из электрофильтров до входа в дымососы.................................................................... 98

3.5. Выводы по главе............................................................. 105

ГЛАВА 4. СНИЖЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

ЗА СЧЕТ ПЕРЕВОДА ЧАСТИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОТЛА В ГАЗОХОД ПИКОВЫХ ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ........................................................... 108

4.1. Описание газовых трактов энергетического котла и пиковых водогрейных котлов....................................................... 108

4.2. Аэродинамические расчеты газового тракта энергетического и пиковых водогрейных котлов............................................ 112

4.3. Схема перевода части дымовых газов из газохода энергетического котла в газоход пиковых водогрейных котлов 123

4.4. Оценка экономического эффекта от перевода части дымовых газов энергетического котла в газоход пиковых водогрейных котлов................................................................................................ 128

4.5. Выводы по главе............................................................. 130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................... 132

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................ 135

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................... 144

Приложение I. Акт о внедрении рекомендаций по выполнению узла

ввода газоходов в дымовые трубы................................................... 145

Приложение II. Акт о внедрении рекомендаций по снижению

аэродинамического сопротивления газового тракта котла ТГМП-314...... 146

Приложение III. Результаты компьютерного моделирования течения газового потока при одностороннем вводе газоходов в дымовую трубу постоянного сечения.......................................................................................... 147

Приложение IV. Результаты компьютерного моделирования течения газового потока при двухстороннем вводе газоходов в дымовую трубу

постоянного сечения.................................................................... 150

Приложение V. Эскизы варианта № 1 выполнения участка газоходов от выхода из электрофильтра для входа в дымосос................................. 153

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

В эксплуатации находится большое количество котлов с высоким аэродинамическим сопротивлением газового тракта, что не позволяет котлам нести номинальную нагрузку. Это вызвано установкой на котлах дополнительного оборудования (глушители шума и т.п.), изменением вида и характеристик топлива, техническими ошибками при проектировании или реконструкцией поверхностей нагрева котлов. Недовыработка электрической энергии, вызванная снижением нагрузки котлов вследствие высокого аэродинамического сопротивления газового тракта, приводит к снижению прибыли. Снижение аэродинамического сопротивления газового тракта котла приводит так же к снижению затрат электроэнергии на привод дымососов, и, как следствие, увеличению коэффициента полезного действия котла нетто.

Цели и задачи диссертации

Основными задачами исследования являются снижение аэродинамического сопротивления газового тракта котлов за счет оптимизации аэродинамики отдельных узлов газового тракта ТЭС, а так же разработка и применение метода снижения аэродинамического сопротивления газового тракта основанного на переводе части дымовых газов из газоходов энергетического котла в газоходы пиковых водогрейных котлов.

Объектами исследования выбраны следующие узлы газового тракта

ТЭС:

• Ввод газоходов в газоотводящий ствол дымовой трубы постоянного сечения (при одностороннем и двухстороннем вводе);

• Участок от выхода из электрофильтра до дымососа в условиях стесненной компоновки;

• Участок перевода части дымовых газов из газоходов энергетического котла в газоходы пиковых водогрейных котлов.

Научная новизна

В работе приведены научно обоснованные рекомендации по оптимальному аэродинамическому выполнению узлов одностороннего и двухстороннего вводов газоходов в дымовые трубы постоянного сечения, изготовленные из стеклопластика. Дымовые трубы из стеклопластика нашли широкое применение в последние годы, а рекомендации по оптимальному аэродинамическому выполнению узлов ввода газоходов в такие дымовые трубы до настоящего времени не были разработаны. В работы получены зависимости коэффициента местных потерь для участка ввода газоходов в дымовую трубу от углов наклона верхней и нижней стенок газоходов вводимых в дымовую трубу, расстояния от начала наклона верхней стенки газохода до дымовой трубы, являющиеся новыми.

В диссертации разработаны два варианта выполнения участка газового тракта блока 300 МВт от электрофильтра до дымососа в условиях стесненной компоновки. При замене действующих электрофильтров на новые с большей степенью золоулавливания могут возникать зоны с повышенным аэродинамическим сопротивлением газового тракта. В случае проектирования узла в условиях стесненной компоновки один нестандартный элемент следует за другим, что не позволяло определить аэродинамическое сопротивление и выполнить оптимизацию аэродинамики этого участка газового тракта без проведения исследований на физических или математических моделях. До настоящего времени отсутствовали рекомендации по выполнению данного участка в условиях стесненной компоновки.

До настоящего времени рекомендации по выполнению перевода части дымовых газов из газоходов энергетических котлов в газоходы пиковых водогрейных котлов отсутствовали, а данное техническое решение не применялось. В работе приводятся расчеты, подтверждающие эффективность такого способа снижения аэродинамического сопротивления газового тракта, определены условия, определяющие возможность и границы применения

данного метода, а так же рекомендации по оптимальному аэродинамическому его выполнению.

Методы исследования

Исследования проводились методом математического моделирования с применением специализированных программных комплексов. Компьютерное моделирование течения газов в элементе газового тракта проходит в два этапа. На первом этапа проводилось ЗБ проектирование элемента с использование программного комплекса ЗоНёХУогкз. В ходе второго этапа задавались граничные условия, режим течения и проводилось моделирование течения газов с помощью программного комплекса Бк^Ушоп. Далее полученные в ходе моделирования данные обрабатывались, анализировались и структурировались. При наличии возможности проводились аэродинамические испытания на работающих котлах, и результаты испытаний сравнивались с результатами, полученными при моделировании. Рассчитывалось расхождение полученных результатов, анализировалась причина расхождения.

Достоверность научных положений

В диссертационной работе выполнено сравнение значений коэффициентов местных сопротивлений для поворотов газоходов на 90° при различном их выполнении, полученных с помощью программного комплекса ИошУшоп с данными, приведенными в нормативной литературе для поворота газохода на 90°. Максимальное расхождение составило не более 10%.

Проведено сравнение результатов расчета с помощью программного комплекса Р1ошУшоп аэродинамических потерь давления для участка газового тракта от электрофильтра до дымососа с результатами натурных испытаний на работающем котле. Расхождение составило 8 %.

ПК Р1о\уУшоп широко используется ведущими российскими научно-исследовательскими институтами и конструкторскими бюро для исследования аэродинамики потоков, имеет сертификат соответствия Госстандарта России.

Научные положения, выносимые на защиту:

• Результаты компьютерного моделирования течения газов на участке ввода газоходов в дымовую трубу с газоотводящим стволом постоянного сечения для одностороннего и двухстороннего ввода в дымовые трубы.

• Зависимости коэффициентов сопротивления для участков ввода газоходов в дымовые трубы с газоотводящими стволами постоянного сечения при различном выполнении этого участка для одностороннего и двухстороннего ввода газоходов.

• Результаты компьютерного моделирования для блока 300 МВт течения газов на участке от электрофильтра до дымососа в условиях стесненной компоновки и рекомендации по оптимальному выполнению этого участка газового тракта.

• Обоснование возможности применения метода снижения аэродинамического сопротивления газового тракта энергетического котла путем перевода части газов из газохода энергетического котла в газоход пиковых водогрейных котлов. Схема перевода газов. Результаты компьютерного моделирования течения газов на участке перевода газов.

Практическая ценность и область применения результатов

Разработанные в диссертации рекомендации по вводу газоходов в дымовые трубы с газоотводящими стволами постоянного сечения широко применяются при проектировании и строительстве дымовых труб. Рекомендации по оптимальному аэродинамическому выполнению участка газового тракта от выхода из электрофильтра до входа в дымосос переданы на Троицкую ГРЭС для внедрения. Разработанные в диссертации рекомендации по переводу части дымовых газов энергетического котла ТГМП-314 в газоход пиковых водогрейных котлов внедрены на ТЭЦ-23 ОАО Мосэнерго. Внедрение рекомендаций позволяет снизить аэродинамическое сопротивление газового тракта, что приводит к снижению затрат электрической энергии на привод

тягодутьевых машин, и в некоторых случаях к увеличению располагаемой мощности энергетического оборудования.

Личный вклад автора заключается в разработке расчетных моделей, проведении компьютерного моделирования, анализе и обобщении полученных в ходе моделирования результатов. Автором разработаны рекомендации по проектированию узла ввода газоходов в дымовую трубу постоянного сечения при одностороннем и двухстороннем вводе газоходов. Разработаны рекомендации и схемы оптимального аэродинамического выполнения участка газового тракта от электрофильтра до дымососа в условиях стесненной компоновки. Для снижения аэродинамического сопротивления газового тракта энергетического котла предложено перевести часть газов в газоход пиковых котлов. Определены условия, определяющие возможность применения данного метода и разработана методика по определению объемного расхода газов, который может быть переведен в газоход пиковых котлов. Разработаны рекомендации по оптимальному аэродинамическому выполнению этого участка газового тракта.

По результатам диссертации имеется 7 публикаций, в том числе три публикации в изданиях из перечня, рекомендуемого ВАК (Теплоэнергетика №3, 2012; Вестник МЭИ №5, 2013; Энергосбережение и водоподготовка №2, 2014). В Роспатенте зарегистрирована база данных мониторинга энергетических и экологических показателей объектов теплоэнергетики на территории Москвы. Наименования публикаций приведены в библиографическом списке под номерами [13-16,31,32,72,73].

Апробация и внедрение результатов

Результаты работы докладывались на 17-ой, 18-ой, 19-ой и 20-й международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2011 -2014 гг., Москва).

Результаты исследования, отраженные в главе 2, были непосредственно использованы при проектировании 10 дымовых труб и продолжают использоваться при проектировании новых дымовых труб.

Результаты, изложенные в главе 3, переданы руководству Троицкой ГРЭС и в настоящее время рассматривается вопрос о реконструкции газового тракта. Предлагаемая в главе 4 диссертации схема перевода дымовых газов внедрена на ТЭЦ-23 ОАО «МОСЭНЕРГО».

По фактам внедрения результатов диссертационной работы имеются акты внедрения (ПРИЛОЖЕНИЯ I, II).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и пяти приложений. Содержание работы изложено на 143 страницах печатного текста, содержит 53 рисунка и 17 таблиц. В списке литературы значатся 87 наименований.

1. ОБЗОР РАБОТ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ГАЗОВЫХ ТРАКТОВ ТЭС, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ, ОПИСАНИЕ МЕТОДА И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обзор работ по аэродинамической оптимизации и методика расчета газового тракта ТЭС

Исследованию аэродинамики газовоздушных трактов ТЭС посвящено большое количество работ. Большой вклад в исследования аэродинамики газовоздушных трактов ТЭС был внесен профессором Рихтером Л.А. и его учениками и последователями (Гавриловым Е.И., Кормилицыным В.И., Прохоровым В.Б., Волковым Э.П., Саповым Ю.В., Тувальбаевым Б.Г. и др.). Ими был проведен ряд исследований по изысканию форм элементов газовоздухопроводов, таких как: повороты, тройники, подводящие и отводящие газоходы от электрофильтров и регенеративных воздухоподогревателей, вводы газоходов в дымовые трубы [39,40,45,49,52,53,68]. Были проведены исследования аэродинамики дымовых труб [5,35,36,38,50], определены условия возникновения избыточного статического давления и способы его устранения, исследованы характеристики диффузоров, устанавливаемых на дымовых трубах [41,43,51], определены темпы снижения прочностных характеристик конструкционных материалов дымовых труб [69]. Изучены причины и условия самоокутывания дымовых труб [42] и методы защиты дымовых труб от самоокутывания [67]. Много работ было посвящено выбору дымовых труб в зависимости от типа подключаемого к ним оборудования [57,76], и исследованию подъема дымового факела над устьем газоотводящих труб [6,71]. Изучены особенности работы дымовых труб и их элементов в условиях переменной температуры уходящих газов [22]. Так же проводились исследования по изучению влияния скорости дымовых газов на технико-экономические показатели работы [54,56], аэродинамических факторов на эффективность работы электрофильтра [37,46,48] и многие другие. В книге Рихтера Л.А. «Газовоздушные тракты тепловых электростанций» [44]

1 о

экспериментальные данные по отдельным элементам собраны и структурированы, подводится теоретическая база под конструирование важнейших элементов газовоздушных трактов и рассматривается их взаимная связь и компоновка. Особое внимание в этой книге уделяется аэродинамической проработке элементов. В книгах Идельчика И.Е. «Аэродинамика технологических аппаратов» и «Справочник по гидравлическим сопротивлениям» [18,19] собрано большое количество сведений о правильном в аэродинамическом плане выполнении подводов, отводов и распределении потока по сечению аппаратов.

Для газовоздушных трактов ТЭС и котельных характерно турбулентное

5 7

движение при 11е=10 — 10 . Однако скорости сравнительно не высоки (число Маха М<0,1), вследствие чего поток рассматривается несжимаемым. Пограничный слой может быть как лами�