автореферат диссертации по инженерной геометрии и компьютерной графике, 05.01.01, диссертация на тему:Переменные режимы работы котлов с циркулирующим кипящим слоем

РАО «ЕЭС РОССИИ» ВСЕРОССИЙСКИЙ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИI УТ

и

На правах рукописи КАДНИКОВ БОРИС ЛЬВОВИЧ

ПЕРЕМЕННЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ КОТЛОВ С ЦИРКУЛИРУЮЩИМ КИПЯЩИМ СЛОЕМ

05.0^.01 —Котлы, пароперегреватели и камеры сгорания

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена во Всероссийском дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехническом научно-исследовательском институте .

Научный руководитель Официальные оппоненты

д.т.н.,Давыдов Н.И.

д.т.н. Двойнишников В.А. к.т.н. Крашенинников В.В.

Ведущая организация

фирма оп'рэс

Защита состоится на заседании

специализированного совета Д.144.02.01. при Всероссийском дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехническом научно-исследовательском институте.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВТИ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета Д.144.02.01.к.т.н.

П.Л Береэинец

- 3 -

Общая характеристика работы.

Актуальность работы

Начиная с 70-х годов, все большее внимание уделяется развитию ювых технологий сжигания твердого топлива ъ условиях непрерывного снижения его качества и ужесточающихся требований к количеству зредных выбросов в окружающую среду на промышленных объектах.При этом также возрастают требования к обеспечению маневренности энер--етического оборудования , в том числе к расширению диапазона ре--улирования нагрузки.

Для использования низкосортного топлива, наиболее перспективен метод сжигания в циркулирующем кипящем слое (ЦКС).завоевавший гже заметное место на мировом рынке новых угольных котлов.

В настоящее время в странах СНГ ведутся разработки котлов, эснованных на технологии ЦКС.В России работы по данной тематике зиполняются по Государственной научно-технической программе "Эко-тогически чистая энергетика" и Отраслевой программе ОНТП-3 "Надеж-1ость и эффективность котельных установок ТЭС", раздел 02 "Новые технологии сжигания".

Для обоснования основных проектно-конструкторских и технологи-1еских решений,принимаемых при создании котлов с ЦКС , необходимо фоведение их исследований как новых объектов управления для разработки рациональных алгоритмов управления в различных режи-1ах,схем автоматизации, выбора параметров настройки регуляторов, оценки качества переходных процессов и т.п.На стадии проект-ю-конструкторских разработок они могут быть выполнены с помощью :гатических и динамических математических моделей будущего кот-1а,построенных на модульно-структурной основе, отражающей работу >сновных технологических узлов котла.

Цель работы - разработать математическое описание (модель) ■опочного контура котла с ЦКС для расчетов его работы в статичес-сих и динамических режимах (в том числе в режимах пуска и остано->а) и исследовать на них динамические характеристики ,свойственные »той новоЯ энергетической технологии.

Основные задачи исследования.

1.Обзор .обобщение и систематизация опубликованных материалов ю моделированию процессов применительно к котлам с ЦКС.

2.Разработка математической модели котла с ЦКС для всего диа-тазона его эксплуатационных режимов.

3.Проведение экспериментальных исследований переходных про-

цессов в контуре ЦКС,включающих получение кривых разгона объекта

4.Проверка представительности созданной математической чодел путем согласования экспериментальных и расчетных данных .

5.Проведение расчетных исследований статических и динамически характеристик проектируемого промышленного котла с ЦКС производи тельностью 500 т/ч в различных режимах его работы, включая пус ко-осгановочные.

Методы исследования:

- экспериментальные исследования при сжигании топлива на ог неьых установках с ЦКС;

- расчетно-теоретические - при построении модели ,разработк методик расчета и анализе влияющих на процессы в котле факторов.

Научная новизна.

1.Впервые в отечественной практике создана динамическая маге матическгя модель топочного контура ЦКС позволяющая проводит расчеты работы котла во всем диапазоне его эксплуатационных режи мов - на номинальной и частичных нагрузках,при пуске и останове;

2.Обобщены опытные данные о процессах в ЦКС ,необходимые дл идентификации модели¡сопоставление опытных и расчетных данны подтвердило ее достоверность;

3.С помощью модели для конкретных конструктивных решений,при нягых для котла ЦКс'-5ао .спроектированного для сжиг«ния АЩ, прове дены расчетные исследования в широком диапазоне режчмсв к получен статические и динамические характеристики нового для теплознерге тики оборудования;

^.Разработаны технологии пуска и останова котлг ' с у к том принципиальных особенностей таки" котлов ,в частности, и

б топочном контуре толстостенных элементов обмуровки г. • лл*' • масс твердой фазы.

Достоверность и обоснованность подтверждается:

- комплексным подходом I: исследованиям , соответствующей том ностью системы измерений контролируемых параметров и использовани ем усовершенствованных методик регистрации;

- сходимостью результатов расчетных и экспериментальных исс ледовании;

- сопоставлениями с некэторыми частными результатами други авторов;

- использованием современных методов математического модели рования и вычислительных машин для анализа процесса.

- 5 -

Практическая ценность работы.

1.Полученные при помощи созданной математической модели кри-ые разгона послужили основой для разработки систем автоматическо-о регулирования котлов с ЦКС.

2.Расчетный анализ работы котла с ЦКС (при пуске и остановка частичных и номинальной нагрузке) позволил откорректировать хему и предложить режимы эксплуатации ,повышающие полноту сгора-ия топлива и надежность котла.

3.Результаты расчетных и экспериментальных исследований поз-олили разработать рекомендации по последовательности операций и аилучшим сочетаниям входных параметров,которые были использованы ри составлении инструкций по эксплуатации хотла ЦКС-500.

Личный вклад автора:

- планирование организация и проведение экспериментальных сследований огневых установок с ЦКС на статических и динамических ежимах;

- разработка динамичесхой математической модели котла с ЦКС абогающей во всем диапазоне режимов его эксплуатации;

- создание программы,реализующей разработанную модель, и ее дентификация по опытным данным;

- проведение расчетных исследований ,обобщение их результатов разработка конкретных рекомендаций по эксплуатации котла ЦКС-500

ля сжигания АШ.

Реализация и внедрение результатов. Полученные при помощи азработанной модели данные по статическим и динамическим режимам отла ЦКС-500 использованы при разработке систем его автоматичес-ого регулирования и инструкций по эксплуатации.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докла-ЫЕались на:

1.Научно-техническом семинаре "Твердотопливные энергетические ехнологии",1-3 сентября 1992 г.,Киев.

2.Научно-техническом семинаре "Проблемы преобразования энер-ии и рационального использования органического топлива в энерге-ике",21-22 сентября 1993 г.,Киев.

3 . Научно-техническом семинаре лаборатории газодисперсных те-ений Института проблем энергосбережения АН Украины,Киев,1992 г.

4.Международном симпозиуме "Новые углесжигающие технологии" 10-13 Мая,1993 г. Эспоо,Финляндия.

5.Международном семинаре "Новые технологии и техника в тепло энергетике".июнь-июль,1995 г«Новосибирск-Гусиноозерск.

6.Научно-технических советах Сибэнергомаш, Минэнерго Украины,РАО ЕЭС России, ВГИ, МЭИ в 1989-1995 г.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 4 печатных работы.

Структура и объем работы■

Диссертация состоит из шести глав,выводов,списка литературы у включает 186 страниц машинописного текста, 72 рисунка и библиографию из 101 наименования .

*

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В качестве основы для построения математической модели бш выбран котел,спроектированный для сжигания низкосортного топлива типа АШ.Модель была реализована для наиболее сложного случая полной схемы с вынесенными теплообменниками (ВТ) в тракте циркуляцт золы. Блочная структура модели позволяет проводить ее перенастройку для расчетов эксплуатационных режимов также и других известны* схем котлов с ЦКС,например без зольных теплообменников, с различными поверхностями нагрева в топочной камере и охлаждением пылега-зового потока перед циклонами и др.

Ь первой главе проанализированы особенности рабочего процессе и эксплуатации котлов с ЦКС.Проведен анализ работ по математическим моделям отдельных узлов и процессов в контуре ЦКС,а также контура ЦКС в целом.

Разработкой математического описания процессов в контуре ЦКС за рубежом занимались такие видные в этой области ученые,как О.Ку-нии,Д.Левеншпиль, Б.Чен, К.Вен, М.Гирзе, «Р.Фетт. Однако, опубликованные зарубежные работы излагают лишь общие положения статического и динамического моделирования. Как правило,они содержат расчетную схему моделирования комплексов процессов в топочном объеме I представляют в общем виде балансовые уравнения без указания и: конкретного применения.Кроме того,в большинстве работ нет описани: движения дисперсных потоков в топочной камере,являющегося важнейшим элементом полноценной модели котла с ЦКС.

В странах СНГ большой объем исследований в данном направленш Ъил проведен в Институте проблем энергосбережения АН Украин!

И . /1. , Рсхнан Б. Б. ,Майстренко А.10.),в КазНИИЭнергетики (Су

ейменов К.А.) в Уральском Государственном техническом университе-е (Баскаков А.П.),в Новосибирском институте теплофизики СО РАН Бубенчиков A.M.)»в Энергетическом Научно-исследовательском инсти-уте (Зайчик Л.И.),Московском Энергетическом институте (Алешечкин .Н.,Медведицков А.Н.) .Всероссийском Теплотехническом институте Шакарян Р.Ю.,Рябов Г.А.,Надыров И.И.).

На основе проведенного анализа показано,что известные отечест-енные работы представляют модели,описывающие комплексы теплофиэи-еских процессов в ЦКС на достаточно сложной теоретической осно-е,выходящей за рамки "ограничения сложности" разрабатываемой ди-амической модели.Ряд моделей требует задания широкого поля опыг-ых данных,что затрудняет их использование для расчета проектируе-ых котлов.

В настоящее время нет опубликованных отечественных работ,капающихся математического описания режимов пуска котлов с ЦКС.Среди арубежных публикаций можно выделить ряд работ ,представляющих магматические модели пусковых режимов котлов с классическим кипящим :лоем (без возврата твердой фазы в топку).Эти работы достаточно гално отражают все стороны описываемых процессов.Однако в ряде :лючевых моментов,в частности, в описании гидродинамики топки движения твердой фазы в топке,расчета размеров частиц в характерах зонах топки,теплообмена ) в этих трудах используются упрощение подходы или экспериментальный материал.Зарубежные и отечест-1енные публикации,касающиеся методик моделирования процессов оста-юва котлов с ЦКС .автору неизвестны.

В связи с отмеченным выше и учитывая,что специфика технологии >аботы котла с ЦКС определяется процессами в его топочном контуре, > диссертации была поставлена задача создания математической моде-1и топочного контура котлов подобного типа,позволяющей проводить >асчет параметров процесса сжигания угля как в статических , так и J динамических режимах при различных возмущающих воздействиях. Мо-\ель должна работать во всем диапазоне эксплуатации котла .

Во второй главе представлена разработанная расчетная схема согла с ЦКС с горячими циклонами и вынесенными зольными теплообменниками (рис 1)»определены общие подходы к построению модели и обоснованы принятые допущения.

Проведенный анализ структуры физико-химических процессов в контуре

ЦКС позволил сделать вывод о том , что моделирование работы контура может быть осуществлено на модульно-структурной основе с выделением отдельных программных модулей по принципу принадлежности к тому или иному комплексу процессов и установлением необходимых взаимосвязей между модулями .

На основе принятых положений моделирования были выделены следующие субмодели:

1.Гидродинамики,рассчитывающей характеристики движущегося в топочной камере дисперсного потока;

2. Горения топливных частиц,описывающей процессы химического реагирования частиц угля;

3. Теплообмена, характеризующей особенности теплообмена в ЦКС,включающего в себя три составляющих:конвективную,кондуктивную и лучистую;

4. Сепарации в циклоне,определяющей фракционный КПД центробежного циклона данной геометрии;

5. Линии возврата, рассчитывающей характеристики работы линии рециркуляции уловленной в циклоне твердой фазы,такие, как расход потока возвратной золы в топочную камеру в нестационарных режимах и время его прохождения через тракт возврата (время запаздывания), а также тепловую мощность вынесенных теплообменников ;

6. Пуско-остановочных режимов, определяющей особенности протекания данных режимов в котлах с ЦКС с учетом наличия больших масс ожижаемого материала и толстостенной обмуровки в таких технологических узлах,как топочная камера,циклоны и ВТ;

7. Контура ЦКС в целом, производящей объединение всех выделенных субмоделей и организующую их совместную работу.

Весь обозначенный в расчетной схеме контур ЦКС: топка - циклон - линия возврата солы - был разбит на некоторое количество

Рис 1.Расчетная схема котла с ЦКС.

1 - топочная камера;2 - технологический циклон; 3 - линия возвратам - вынесенные теплообменники.

универсальных одномерных блоков (рис 2) и для каждого блока в соответствии с его принадлежностью к тому или иному технологическому узлу была определена характерная для него система дифференциальных балансовых уравнений для массы инертного материала и углерода, тепловых потоков и потоков газовых реагентов,включающая соотношения, описывающие скорость химического реагирования и теплоотдачу к экранам.Балансовое уравнение для э-го компонента в 1-м блоке в общей форме выглядело следующим образом:

Изменение аккумуляции 3-го компонента в объеме 1-го блока = поступлению от 1-1 блока + поступлению от 1+1 блока выходу из 1-го блока + поступлению с топливом + поступлению с возвратом после циклона + поступлению с первичным воздухом + поступлению с вторичным воздухом ё выход в результате химических реак- Рис 2.Расчетная сх^ма универсального 1-го блока контура ЦКС. ций и процессов теплопе-реноса.

В частности, уравнение теплового баланса для 1-го блока то пэчного контура имеется следующий вид: .

я - о»

где:

„3— - расход топлива,кг/с;

- теплоемкость ^го компонента (з-эола,3 - возвратная "зола,т-топливо,г-газ,VI-первичный воздух,у2-вторичный воздух),

Дж/м3 .с; $ • - массовый расход д-го

компонента ,кг/с;

ч/

К ¿г

- масса твердой фазы,кг;

,3 .

объем 1-го блока топочного контура,м порозность в 1-н олоке топочного контура,;

л

^ - температура,°С;

- тепловой поток к экранам топки,к обмуровке,потери,Вт; - плотность газа,кг/м3;

- количество

теплоты »выделяющейся при сгорании

'й-

углерода,Вт;

2Г - время,с.

в третьей главе описаны экспериментальные исследования дина мических и статических режимов работы контура ЦКС и изложены с результаты, использованные для проверки представительности раэрг ботанной динамической модели ЦКС .Опыты проводились на двух огне вых экспериментальных установках КазНИИЭнергетики (г. А/ ма-Ата):стендовой, тепловой мощностью 0,25 МВт и пилотной,тепловс

мощностью 5 МВт.

Стенд и пилотная установка,на которых сжигался уголь с макс! мальным размеров куска до 3 мм в смеси с известняком, полност. реализовали модель контура ЦКС со всеми его специфическими узл< ми:топочной камерой с воздухораспределительной решеткой,технолог! ческим циклоном и линией возврата золы в топочную камеру ,теплоо< менными поверхностями.В результате опытов были получены обширн. опытные данные по процессам в ЦКС , в частности :профили темпер; туры и плотности твердой фазы по высоте топочной камеры ,фракцио! ные составы частиц в характерных точках контура и содержание гор> чих в них .кратности циркуляции ,составу продуктов сгорания и др

в четвертой главе представлены результаты проверки представительности разработанной модели. Проверка проводилась путем сопоставления расчетных и опытных данных по гидродинамике.статическим и динамическим режимам - трем основным характеристиках контура ЦКС.

Для определения достоверности описания моделью параметров' гидродинамики были приняты ре-

Рис 3 .

С—

Изменение концентрации частиц по вы< топки .Стенд цкс. 1,2,3 - расчет; 4,5,6 - опыт;

зультаты экспериментальных исследований на "холодных" моделях, как ВТИ, так и в других организаций,на стендовой и огневой установках ЦКС КазНИИЭнергетики ,а также промышленном котле с ЦКС паропроиэ-водительностыо 270 т/ч в г.Дуйсбург (Германия) /1/.

Сопоставление опытных и расчетных данных свидетельствовало о хорошем качественном и количественном описании изменения концентрации твердой фазы по высоте топки (рис 3).Отмечалось удовлетворительное совпадение рассчитанных значений массового выноса из камеры с опытными при условии достаточной высоты топочной камеры установок ( для ЦКС это больше 5м).

Проверка адекватности результатов расчетов статических режимов сжигания угля на огневых стендовой и пилотной установках ЦКС сводилась к сопоставлению абсолютных опытных и расчетных значений в исходных и конечных режимах - состояниях установившихся после нанесения возмущения .Сопоставление опытных и расчетных температур по высоте стенда ЦКС представлено на рис 4.Хорошее соответствие опытных и расчетных значений уровней температуры в контуре и содержания углерода в циркулирующей золе позволило сделать вывод о приемлемой точности описания моделью теплофизи-ческих процессов выгорания топлива.Температура по высоте топочной камеры изменялась мало .Некоторое ее снижение в верхней зоне топочной камеры стенда и пилотной установки объясняется наличием охлаждающих поверхностей в этой зоне.Это подтверждает характерную для системы ЦКС стабильность температуры по высоте топочной камеры. Расхождения в опытных и расчетных значениях при снижении нагрузки стенда (точки и кривая 6) возможно являлись следствием ухудшения турбулиэации эоловой массы в топоч-

Л*

м-

N

i/o *to PJO *toSSO MC *ю в* л» то *»о ш fto^

рис 4. Сопоставление расчетных и опытных данных об изменении температуры по высоте топки стенда ЦКС.

Исходный режин конечный режик

Снижение расхода

первичного воздуха 1 2

Снижение расхода

топлива 3 <

снижение нагрузки Ь б

ной камере .В опытах это могло приводить к появлению локальных очагов горения в объеме плотной части слоя,так называемых "застойных зон" с ухудшенным охлаждением и повышенным температурным уровнем, наличие которых не могло быть учтено предложенной структурой математической модели»разработанной исходя из полного перемешивания полидисперсной среды в любом выделенном объеме топочной камеры.

Для проверки работоспособности модели в динамических режимах были сопоставлены данные расчетов и опытов по переходным режимам на стенде и пилотной установке.Анализ этого сопоставления ( на рис 5 представлены переходные кривые и экспериментальные точки для стенда ЦКС) показал удовлетворительное соответствие изменения температур золы в контуре в течение времени развития режимов .

Причиной резкого изменения температуры в топочной камере в начале процесса при уменьшении или увеличении подачи первичного воздуха на стенде и пилотной установке являлось интенсивное изменение скорости химического реагирования (рис 5,кривая 1) , последовавшее за скачкообразным изменением поступления кислорода в слой.Отмеченное в опыте на стенде несколько более глубокое и продолжительное снижение температуры слоя в топке, вероятно, связано с дополнительный снижением скорости химического реагирования из-за уменьшения степени турбу-лизации слоя золы на поде топки.

Дальнейшее развитие переходного процесса при снижении расхода первичного воздуха происходило с повышением температуры и содержания горючих в топочной камере и линии возврата и уменьшении концентрации кислорода на выходе из топки.Росту температуры способствовало снижение расхода уходящих газов.и потерь тепла с ними,а увеличению содержания горючих - снижение поступления кислорода в

переходных процессов в топке стенда ЦКС (турбулентный слой)■ 1 - снижение расхода первичного воздуха; 2- снижение расх< топлива ;э - снижение нагрузки.

слой.Происходящее ступенчатое падение расхода выноса из топки объяснялось ступенчатым уменьшением первичного дутья.Дальнейшее изменение циркуляции золы в линии возврата было связано с увеличением или уменьшением объемного расхода газов в топочной камере при колебаниях температуры.

Анализ графика изменения температуры в контуре при уменьшении расхода топлива (кривая 2) позволяет выделить небольшой характерный подъем в начале процесса,объясняющийся изменением количества тепла, идущего на прогрев свежей порции топлива в топке при уменьшении его расхода.

В дальнейшем уменьшение расхода топлива приводит к снижению содержания количества углерода,тепловыделения и температуры в топочном контуре и увеличению концентрации кислорода на выходе из топки .

При снижении нагрузки установки уменьшение расходов первичного воздуха и топлива соответственно понижают и температуру (кривая 3). Замедленный рост содержания углерода в слое при уменьшении подачи топлива удерживает температуры в контуре на более низком по сравнению с исходным уровне.Небольшой рост температуры на конечном участке процесса соответствует некоторому увеличению содержания углерода в слое из-за уменьшения поступления кислорода в топочный объем.Отмеченный подъем температуры не превосходит исходного уровня,так как увеличение содержания уг-перода в золе контура компенсируется уменьшением подачи углерода в слой ; топливом.

В пятой главе представлены результаты рас-1етных исследований работы промышленного котла с 1КС , полученные с ис-тользованием разработан-юй модели.

На рис 6 приведены сосчитанные температурное профили по высоте "опки.

7VOO Рио rsao fKO Р*ао дгао По О SSOO

Рис 6. Изменение температуры по высоте топки котла ЦКС-500 в различных режимах работы. Нагрузка 100Х.

1 - исходный режим.

2 - изменение расхода первичного воздуха -10*.

3 - изменение расхода вторичного воздуха -10*.

4 - изменение расхода топлива -10*.

5 - изменение доли первичного воздуха (s,-0.5).

Изменение нагрузки.

6 - нагрузка 70Х.

7 - нагрузка S0X.

Изменение доли первичного воздуха ()> соответствующее пропорциональному изменению расходов первичного (Ув1) и вторичного (Ув2) воздуха (например при увеличении Б! , увеличивается Ув1 и уменьшается Ув2 , а общий расход воздуха не меняется).приводит к однозначному увеличению (при росте в}) или снижению (при уменьшении ) температуры в топке (кривые 1,5).Это связано с активизацией процессов горения в плотном слое при увеличении расхода первичного воздуха и усилении турбулизации слоя,с одновременным ростом содержания кислорода в нижней зоне топки до уровня ввода вторичного воздуха.Кроме того, при увеличении Э! и постоянном избытке воздуха на выходе из топки (о£г) расход уходящих газов не меняется и потери тепла с уходящими газами уменьшаются или увеличиваются только в соответствии с температурой на выходе из топки. Активизация процессов горения приводит к уменьшению содержания углерода в циркулирующей твердой фазе в топке .При этом следует иметь ввиду ,что ограничение по выходу оксидов азота (до 200 мг/нм3) требует поддерживать долю первичного воздуха меньше 0.6 /2/.

Из рис 6 очевидно также ,что в районе ввода смеси потоков вторичного воздуха заметно падает температура.Причем это падение тем существеннее,чем меньше ,\Гв1 и вынос из топки и чем больше Ув2.В зоне экранирования верха топки также снижается температура дисперсного потока.Увеличение расхода выноса из топки приводит к росту массовой загруженности надслоевого пространства,увеличению концентрации твердой фазы и интенсификации внутритопочной циркуляции. Все это выравнивает профиль температуры по высоте топочной камеры. При увеличении доли первичного воздуха потери с механическим недожогом - , снижаются .

Зависимость глубины проникновения струй вторичного воздуха от соотношения характеристик его и пыле-газового потока в топочной камере в данной работе не рассматривалась.Было принято,что смешение вторичного воздуха с пылегазовым потоком происходит полностью в сечении подачи вторичного воздуха.

Увеличение подачи только первичного воздуха (кривые 1,2), приводит к росту выноса и активизирует горение в топке ( особенно в плотном слое),что снижает содержание углерода в циркулирующей золе (Гс).Однако увеличение \ГВ1 повышает также и потери тепла с потоком газов,уходящих из топки,так как в этом случае не оста-

ется постоянной величиной,что в результате снижает температуру в топке.Уменьшение первичного дутья, наоборот, повышает температуру

в топке .

Добавка вторичного воздуха, (кривые 1,3) также увеличивает оСт и расход уходящих газов,снижает содержание углерода в циркулирующей золе и в конечном итоге температуру в топке.отмеченное повторяет последствия изменения расхода только первичного воздуха , но имеет более слабое количественное выражение .И в том, и другой случаях увеличение расхода одного из потоков дутья приводит к повышению эффективности сжигания .

При увеличении Чвг происходит рост выноса из топки ,но не вследствие активизации псевдоожижения,а благодаря улучшению работы циклона при увеличении скорости газов на его входе.

Увеличение расхода топлива (кривые 1,4) однозначно приводит к росту содержания углерода в твердой фазе, циркулирующей в топочном контуре.Это влечет за собой снижение содержания кислорода и повышение температуры в топке .Последнее приводит к увеличению выноса из топочной камеры ,что является следствием повышения объемного расхода газов в ней (причем при постоянных значениях расходов Ув £ и \^вг).При этом также увеличивается концентрация твердой фазы в надслоевом пространстве .Последнее достаточно ощутимо влияет на снижение температуры в сечении ввода вторичного воздуха.Эффективность сжигания при увеличении только расхода топлива снижается.

Из полученных данных следует,что во всех случаях увеличения избытка воздуха (которое возможно за счет изменения только Ув1 , Ув2 или Вт) температура в топке .содержание углерода в циркулирующей золе и снижаются, и это сопровождается увеличением содержания кислорода по всей высоте топочной камеры.Причем при различных способах изменения избытка воздуха по разному меняются и характеристики внутритопочного процесса,например вынос при увеличении оСт за счет только ] или Ув2 растет,а при увеличении избытка за счет снижения Вг - падает. Из рис б (кривые 1,6,7) видно,что переход к частичным нагрузкам сопровождается понижением температуры в топочной камере .Причиной этого,кроме соотношения принятых режимных параметров ,определяющих постепенное увеличение избытка воздуха на выходе из топки,является тот факт ,что интенсивность процессов химического реагирования все в большей степени снижается по мере падения расхода первичного воздуха.Из рисунка видно влияние величины выноса из топки и концентрации частиц в верхней части топкина изменение температуры в области экранов топки.

1 ! 1

1 _ / 1

1 /.Ш г е амо /о% | /О'/е -1-1- !

1 ■ 1 1

1 1

1 1 :

/О ЛЭ ЛО ио -50 бо ?0

Рис 7. Изменение тепловой мощности котла ЦКС-50О при изменении нагрузки ■

Снижение интенсивности горения в топке , особенно в области плотного слоя, при переходе к частичным нагрузкам приводит к росту содержания углерода в циркулирующем материале .Результатом является рост q4 при переходе от 100-ной к 70-50%-ной нагрузке .

Графики переходных процессов по тепловой мощности котла ЦКС-500 при изменении нагрузки представлены на рис 7. Возмущение

расходом первичного воздуха служит причиной первоначального достаточно интенсивного изменения температуры в контуре. Окончательный уровень температуры устанавливается в соответствии с изменением содержания углерода в золе,определяемого также новым расходом топлива. Изменение тепловой нагрузки котла происходит достаточно быстро с такой же скоростью,что и изменение только расхода первичного воздуха ( 6-8%/мин),о чем будет сказано ниже.В дальнейшем нагрузка поддерживается на новом уровне,так как увеличение расхода топлива препятствует интенсивному выгоранию углерода в золе контура и изменению температуры.

Интересны полученные результаты расчетов переходных процессов при изменении расхода первичного воздуха. Все особенности этого процесса,отмеченные на стенде и пилотной установке, характерны и для котла с ЦКС .В частности,в работе подчеркивается возможность быстрого увеличения и уменьшения тепловосприятия при варьировании расходом первичного воздуха,преимущественно за счет изменения тепловой мощности ВТ,что связано с существенным отклонением от исходного уровня расхода циркулирующей золы на начальном этапе этого процесса.При этом длительность удержания повышенной нагрузки при постоянном расходе топлива составляет мин. .Скорость изменения

тепловой нагрузки в расчетных переходных режимах достигает примерно 7%/мин.Однако окончательное значение тепловой нагрузки котла при изменении расхода первичного воздуха имеет знак обратный знаку

изменения расхода воздуха.Отмеченное обстоятельство определяется направлением изменения температуры золы в контуре ЦКС при соответственном росте или уменьшении содержания углерода в золе контура .Для однозначного изменения тепловой нагрузки котла необходимо поддержать подачей топлива исходное содержание углерода в топочной камере и температуру в контуре циркуляции золы .

При изменении расхода топлива окончательная температура в контуре ЦКС котла, и в соответствии с этим тепловая нагрузка выходит на новый уровень со скоростью на порядок меньшей, чем при возмущении только расходом первичного воздуха.

В шестой главе представлены результаты расчетного исследования режимов пуска и останова котла с ЦКС.

Анализ режимов пуска был проведен для двух вариантов изменения расхода воздуха в топку.В первом (Вариант 1) расход воздуха устанавливался с начала пуска на достаточно высоком уровне ( 25% расхода в номинальном режиме работы котла) и впоследствии не изменялся. Во втором (Вариант 2) расход воздуха в течение пуска изменялся в соответствии с расходом растопочного топлива из условия поддержания заданного избытка воздуха на выходе из топки.

Изложенный в работе анализ допустимых характеристик прогрева обмуровки топки и циклона свидетельствует о том ,что можно, не ограничивая скорость, увеличить температуру в топочном контуре до уровня,при котором разница температур обмуровка - зола станет равной предельно допустимой по условиям прочности: дЦоп = 440 °С.

На рис 8 представлены графики изменения температур в контуре в течение пуска до момента выхода температуры в топке на уровень 850 °С,при которой необходимо начинать подачу угля.

Раньше всего допустимый перепад темпэратуры устанавливается в обмуровке циклона как наиболее толстой' и массивной.По окончании начального быстрого прогрева контура дальнейший прогрев топки и пинии возврата происходит со скоростью, определяемой скоростью прогрева сбмуровки циклона ( :<ривые 1,4 )как наименьшей и равной примерно 35 °С/ч.

Обмуровка топки достаточно быстро прогревается (кривая 2) и перепад температуры в ней (кривая 3),имеющий максимум около 420 °С .впоследствии снижается.На конечном этапе пиогрева температуры зоны в топке (кривая 1) и в циклоне (кривая 4),а также температуры эбмуровки в циклоне и в топке изменяются с одинаковой скоростью 3 5°С/ч.

/ООО

¿•С

Ьоо

~2Г

1*. 7

п '2Г

1

4 2 3 4 5 6 7 Рис. в. Изменения характерных температур в контуре ЦКС в течении прогрева контура при пуске из холодного состояния.

1 - зола<газ в толка:

2 - обмуровки топки:

3 - перепад обмуровка топки - зола*газ а гопке;

Я

■л

< - ЗОЛ&4Г&Э в циклоне:

5 - обкуровка циклона;

6 - перепад обиуровка циклона - эола.гаэ в цикл

7 -¿гдоп;

Графики изменения характерных температур в контуре при пуске по Варианту 2 абсолютно идентичны полученным при расчетах по Варианту 1 и это объясняется тем,что в том и другом случаях расход растопочного топлива устанавливался регулятором, поддерживающим заданный перепад температур в обмуровке циклона.

Для обеспечения такого характера увеличения температур в контуре суммарный расход растопочного топлива на котел снижается после периода начального быстрого прогрева контура .Дальнейшее увеличение расхода растопочного топлива имеет целью обеспечение общего роста температуры в контуре ЦКС. Снижение расхода мазута в момент изменения темпа прогрева контура в Варианте 2 происходит более глубоко ,чем в Варианте 1-Это объясняется тем ,что в Варианте 2 следующее за снижением расхода растопочного топлива уменьшение расходов воздуха влечет за собой также и снижение потери тепла с уходящими газами на выходе из топки что ,в свою очередь, понижает требуемый подвод тепла с растопочным топливом.Вариант 2 прогрева контура ЦКС позволяет получить достаточно существенное сокращение общего количества мазута,сжигаемого в топке в течение пуска.Однако нужно отметить,что пониженный уровень выноса твердой фазы при прогреве с меньшим расходом дутья потенциально может привести к ухудшению эффективности прогрева узлов линии возврата.Исходя из этого можно рекомендовать последовательный путь,при котором расход воздуха в процессе наладки будет изменяться от уровня Варианта 2

до уровня Варианта 1 ,а если понадобится и выше,с учетом достаточной степени прогрева линии возврата циркулирующей золой.

В главе 6 работы представлены также результаты расчетного анализа режимов останова котла с ЦКС.На рис 9 приведены расчетные кривые процессов расхолаживания топки и вынесенных теплообменников при останове. Охлаждение золовой массы лежащего слоя в топочной камере (кривая 1) происходит за счет теплообмена между золой и газами и между золой и экранными поверхностями в обмуровке, граничащими с эоловым слоем.Относительно высокое термическое сопротивление золы приводит к ее неравномерному охлаждению.Быстро остывающие наружные участки эолового слоя термоиэолируют внутреннюю часть слоя. В результате -золовой слой охлаждается очень медленно - в течение нескольких суток.На рис 9 показано, что остывание эолового слоя от 900 до 850 °С происходит за 50 ч.

Рис. 9. Изменение текгературы золы и обмуровк« в

топочной камере и ВТ в течение останова.

1 - Зола в топке:

2 - Внутренняя -тенка о^нуровки вынесенного пароперегре-

вателя ;

3 - Вн>-ренняя стенка обмуровки вынесенного испарителя;

4 - Зола в вынесенной пароперегревателе;

5 - Зола в вынесенном испарителе;

Как свидетельствуют расчеты,пар,генерируемый в области эолового слоя на поде топки,поднимаясь по экранным трубам,конденсируется в верхней их части за счет теплоотдачи в окружающую среду, причем настолько интенсивно,что со временем общее паросодержа-ние в топочных экранах снижается.

Пар,образующийся в охлаждаемых секциях испарительных ВТ,подается в барабан котла,затем в змеевики пароперегревательного ВТ,охлаждает их и далее выпускается в атмосферу или конденсатор.Охлаж-

денне элементов ВТ до безопасной для материала труб температуры 660 °С происходит за 38-40 ч (рис 9,кривые 2,3).

Чр основании данных расчета охлаждения БТ можно предполо-жчгъ, что за время процесса через их змеевики должно пройти 32 т ср^дьг.В связи с: этим в течение всего времени после останова для обеспечения расхолаживания элементов контура котел должен подпиты-ватьсл с расходом.изменяющимся от 50 до 1 т/ч .Арматура,обеспечи-ьгп:.;ия подачу среды к охлаждаемым элементам контура,должна быть стожена бесперебойным электропитанием на случай аварийной ситуации .

Выводы.

1.Сведения о характеристиках новых для отечественной энергетики котлов с циркулирующим кипящим слоем на статических и динамически/ режимах .необходимые для разработки и освоения этих котлов ,могут быть получены с помощью математической модели .способной обеспечить подробные расчетные исследования ,охватывающие весь диапазон эксплуатации котлов с ЦКС.До проведения данной работы такие модели отсутствовали.

2.Основой для разработки динамической модели котла с ЦКС может служить одномерная схема, при которой контур циркуляции золы "топкд-циклон-типка" разделяется на некоторое число сосредоточенных объемов - "блоков".Каждый из блоков рассматривается как ячейка идеального смешения и для каждого из них определяется характерная система балансовых дифференциальных и алгебраических уравнений.

3.Представительность модели подтверждена сопоставлением опыт ных и расчетных данных в широком диапазоне изменения режимных параметров , характеристик ожижаемого материала и масштабов установок (от "голодных" стендов,до работающего на ТЭЦ котла с ЦКС),а также результатами специальных экспериментальных исследований статических и динамических режимов сжигания угля в топочном контуре ЦКС,проведенных автором на огневом стенде и пилотной установке .

Модель можно использовать для расчетов промышленных котлов с

ЦКС.

4.Расчеты статических режимов проектируемого котла цкс-500 позволили получить изменения осноеных параметров цкс по высоте топочной камеры когла и выявить существенную зависимость интенсивности процессов горения в топке и механического недожога от сочетания входных параметров .

7. Впервые проведенные расчетные исследования динамических

режимов котла ЦКС-500, показали ,что при возмущении первичным воздухом или нагрузкой тепловая мощность котла может повышаться со скоростью примерно 6-8 %/нин за счет роста ъыноса частиц из топки.Время запаздывания и разгона при возмущении первичным воздухом и нагрузкой для котла ЦКС-500 соответственно равно 20-30 и 100-J 30 с.При возмущении расходом топлива,те же величины для котла с ЦКС составляют - 500 и 2000 с.

8.В результате расчетного анализа режимов пуска котла ЦКС-500 разработана оптимальная технология пуска .учитывающая сохранение цельности толстостенных обмуровок топочного контура и позволяющая получить существенную экономию растопочного топлива.Общая продолжительность разогрета топочного контура ЦКС при пуске по этой технологии составляет около 7 ч,при средней скорости повышения температурь; в к_нтуре оксло 100 °С/ч.

5.Расчеты режимов останова котла ЦКС-500 подтвердили предположение о том,что охлаждение теплоемких элементов топочного контура (обмуровок вынесен.чых теплообменников и топки, массы золы а сопочном контуре) идет очень медленно .В течение всего времени ох~ ааждения элементов топочного контура необходимо непрерывно подпитывать трубную систеиу котла .Аккумуляция тепла в топке и вынесенных теплообменниках позволяет легко осуществлять пуск котла с ЦКС и» горячего состоянья после останова на ночь или выходные дни.

10.Результаты работы использованы при проектировании к^тла ЦКС-500 ,ь частности,для выполнения поверочный расчетов топочного ко.{тура на частичных нагрузках и при составлении алгоритмов улраз-ic-иия котлом .Осчсвнме положения у рекомендации по операциям пуска и останорд когла использованы в инструкции по эксплуатации котла ЦЧС-5Э0 для сжигания АШ.Выполненные в диссертации иссл°доезнчя могут послужить так же основой создания тренажеров для обучения и тренировок обслуживающего персонала котлов с ЦКС-

Основное содержание диссертации изложено б следующих публика-

ииях:

!. КадникоЕ Б.Л.,Давыдов Н.И..Рябов Г.А.,Шмуклер Б.И.Моделирование физико-химических процессов в котлах с циркулирующим кипя с;ич слоем./ Теплоэнергетика, 1994 г,N5 ,с 64-70.

2. Кадников Б.Л.,Давыдов Н.И.,Плоткин Е.Р. Моделирование режимов пуска и останова котлов с циркулирующим кипящим слоем .

/ Теплоэнергетика,1995 г,N11,с 62-67.

3.Давыдов Н.И.,Шакарян Р.Ю.,Кадников Б.Л. Математическое ас-

делирование физико-химических процессов в топке с циркулирующим кипящим слоем.Тезисы докладов научно-технического семинара "Твердотопливные энергетические технологии",1-3 сентября 1992 г..Киев, стр 16.

4.Давыдов Н.И.,Рябов Г.А..Кадников Б.Л., Динамическая модель топки с циркулирующим кипящим слоем .Тезисы докладов научно-технического семинара "Проблемы преобразования энергии и рационального использования органического топлива в энергетике",21-22 сентября 1993 г.,Киев,стр 42.

Литература.

1.VGB Kraftwerktechnik,1987,N6,223-299,450-455,553-554, 566-569.

2.1shizuka H.,Hyvarinen К.,Morita A. et al. experimental study on reduction in CFB coal combustion,in proc. of 2 int. conf. CFB,France,1987.