автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Повышение эффективности топочного устройства при переводе пылеугольных котлов на сжигание природного газа

На правах рукописи

Юрьев Евгений Игоревич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОПОЧНОГО УСТРОЙСТВА ПРИ ПЕРЕВОДЕ ПЫЛЕУГОЛЬНЫХ КОТЛОВ НА СЖИГАНИЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА

05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

у ОКТ 2014

Новочеркасск - 2014

005553275

005553275

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Озеров Александр Николаевич

Официальные оппоненты: Росляков Павел Васильевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ», заведующий кафедрой «Парогенераторостроение»;

Парамонов Александр Павлович, кандидат технических наук, доцент, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», доцент кафедры «Реакторные и котельные установки»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования "Ивановский

государственный энергетический университет имени В.И. Ленина"

Защита состоится «21» ноября 2014 г. в 10 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.304.08, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» в аудитории 149 главного корпуса по адресу: 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещение, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» и на сайте http://www.npi-tu.ru/.

Автореферат разослан «23> сентября 2014 г.

Ученый секретарь л/. __

диссертационного совета Шу^Ц Скубиенко Сергей Витальевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Вслед за принятием решения по газификации Дальнего Востока (Восточная газовая программа) на основных генерирующих мощностях (Южно-Сахалинской ТЭЦ-1, Камчатской ТЭЦ-1, Владивостокской ТЭЦ-1, Владивостокской ТЭЦ-2 и др.) были приняты программы по переводу оборудования на сжигание природного газа.

На котлах БКЭ-320-140 Южно-Сахалинской ТЭЦ-1 в дополнение к пылеугольным горелкам (резервное топливо - уголь) установлены вихревые газовые горелки (рис.1), что является нерациональным решением. При эксплуатации вихревых горелок отмечен короткий межремонтный период, связанный с обгоранием элементов горелки, подверженных прямому излучению из топки. Вихревые горелки имеют сравнительно высокую массу и стоимость изготовления, высокое аэродинамическое сопротивление.

Котлы БКЭ-320-140 и геометрически подобные им установлены в большом количестве на станциях РФ, однако характеристики их работы не в полной мере соответствуют современным требованиям. Действующие на данный момент руководящие документы и другие источники, содержащие требования и рекомендации по проектированию газовых горелок, топочных устройств и переводу пылеугольных котлов на газ, содержат недостаточный объем информации для принятия эффективных технических решений.

Таким образом, вопрос повышения эффективности топочного устройства при переводе пылеугольных котлов на сжигание газа является актуальным.

Диссертация соответствует «Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации», утвержденных Президентом РФ (Пр - 843 от 21 мая 2006 г.) и выполнена в рамках научного направления ЮРГПУ (НПИ) «Комплексное использование топливно-энергетических ресурсов и повышение надежности, экономичности и безопасности энергетических систем».

Цель работы: повышение эффективности топочного устройства при переводе пылеугольных котлов подобных БКЭ-320-140 на сжигание природного газа за счет установки газовых горелок на боковые стены топки и обеспечения параметров горелочного устройства, которые позволят снизить образование оксидов азота (>Юх) при достаточной полноте выгорания топлива, продлить срок службы и сократить затраты на эксплуатацию.

Задачи исследования, решаемые в настоящей работе:

- анализ современного состояния и накопленного опыта по эксплуатации энергетических горелочных и топочных устройств, работающих на природном газе;

- обоснование и выбор математических моделей для выполнения численного моделирования топочных процессов;

- выявление особенностей распределения тепловых потоков по экранам топки,

Рисунок 1 - Компоновка горелок после реконструкции

1 - Пылевые горелки;

2 - Газовые горелки

максимальной температуры факела, объема зоны высоких температур (выше 1500 °С) и других характеристик топочного процесса для вихревой горелки и вариантов ее реконструкции;

- определение характеристик топочного процесса с различными долями воздуха по каналам прямоточно-вихревой горелки;

- определение характеристик топочного процесса с различными конструкция™ газовой и воздушной части плоскофакельной горелки;

- обобщение результатов исследований и разработка рекомендаций по переводу пылеугольных котлов подобных БКЭ-320-140 на сжигание газа.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Впервые для пылеугольного котла БКЭ-320-140 с газовыми горелками, установленными на боковые стены топки, получены характеристики топочного процесса при сжигании газа, что позволяет улучшить качество проектирования котлов.

2. Впервые получены полные характеристики топочного процесса для ряда новых исполнений газовых плоскофакельных горелок, которые позволяют сформулировать расширенные рекомендации по проектированию плоскофакельных горелок с достижением высоких технических характеристик.

3. Получена зависимость между распределением топлива в выходном сечении плоскофакельной горелки и концентрацией Ж)х, которая, в отличие от известных, имеет наглядное представление, что позволяет выбрать лучший вариант подачи газа в горелки - концентрированной струей в периферийный воздушный канал.

4. Разработана новая методика обработки данных по тепловым потокам, воспринимаемым экранами топки, отличающаяся от известных тем, что обрабатываются данные, полученные в результате численного моделирования топочных процессов, что позволяет определить коэффициенты распределения тепловосприятия по экранам топки, использование которых повысит качество проектных работ и надежность работы котла.

5. Построены новые зависимости коэффициентов распределения тепловых потоков по стенам и высоте топки для рассмотренных типов горелок, отличающиеся от известных тем, что учитывают фактические параметры топочного процесса (геометрия и компоновка горелок, аэродинамика, выгорание топлива в объеме топки), что позволяет повысить точность расчетов котлов.

Практическая значимость работы:

1. Разработаны рекомендации по переводу котлов, подобных БКЭ-320-140, с пылеугольного на газовое топливо, которые позволяют сделать рациональный выбор горелок, снизить концентрацию ЫОх и сократить затраты.

2. Разработаны рекомендации по проектированию плоскофакельных газовых горелок, позволяющие уменьшить их сопротивление и выход оксидов азота при достаточной полноте выгорания топлива.

3. Получены уточнённые коэффициенты распределения тепловых потоков по стенам и высоте топки и поправки для расчета параметра М, которые позволяют повысить точность тепловых и гидравлических расчетов при реконструкции старых и проектировании новых котлов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты выполненных численных исследований топочного процесса в котле БКЭ-320-140 с различными газовыми горелками на боковых стенах топки.

2. Новые зависимости для коэффициентов распределения тепловосприятия по экранам топки, распределения температур по высоте топки и уточнённые поправки для расчета параметра М.

3. Рекомендации по переводу пылеугольных котлов на сжигание газового топлива и проектированию газовых плоскофакельных горелок.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается применением передовых компьютерных средств численного моделирования (программный комплекс ЛЫЭУЗ СБХ, лицензия 1005941) на базе апробированных математических моделей, широко используемых в задачах вычислительной гидродинамики, в частности, при моделировании горения в топках, и хорошим соответствием получаемых результатов с экспериментальными данными других авторов.

Реализация результатов исследований. Результаты выполненных исследований и технических разработок внедрены в процесс проектирования топочно-горелочных устройств ОАО «Ростовэнергоналадка» и ООО «НПО ТЭМКО». На результаты исследований получены положительные отзывы предприятий энергетического машиностроения ЗАО «ЗиО-КОТЭС» и ОАО «ИК «ЗИОМАР». Получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель, заявка №2014120969/06(033718).

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: «Диагностика энергооборудования» (Новочеркасск 2010), «Диагностика энергооборудования» (Новочеркасск 2012), «Современная наука: теоретический и практический взгляд» (Уфа 2013), «Кибернетика электрических систем» (Новочеркасск 2013), «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск 2014).

Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач исследования, составлении математической модели исследуемых процессов, проведении численных экспериментов, обработке и анализе результатов, формулировке выводов и рекомендаций по принятию проектных решений, разработке методики обработки данных по тепловым потокам, разработке вариантов реконструкции вихревой горелки и конструкций плоскофакельной горелки.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК.

Общая характеристика диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников и семи приложений. Работа содержит 186 страниц и включает 71 рисунок и 15 таблиц. Список использованных источников состоит из 139 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой темы, сформулирована цель и решаемые задачи, представлена научная новизна и практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе выполнен аналитический обзор состояния и накопленного опыта по энергетическим горелочным и топочным устройствам, работающим на природном газе, экологическим вопросам и численному моделированию топочпых процессов.

По результатам обзора механизмов образования вредных выбросов при сжигании газового топлива и методов их снижения определены основные параметры топочного процесса, используемые в данной работе в качестве критериев для сопоставления вариантов исследования.

Выявлено отсутствие достаточной информации по работе энергетических горелочных устройств на природном газе, в частности, прямоточно-вихревых и плоскофакельных горелок.

Рассмотрены материалы по численному моделированию топочных процессов, приведена верификация результатов моделирования с экспериментальными данными, выполненная различными авторами. В результате произведен подбор математических моделей для выполнения моделирования: к-Е модель турбулентности, двухстадийная реакция горения метана в воздухе, механизмы образование оксида азота: быстрый по Фенимору и термический по Зельдовичу, комбинированная модель горения И1С/ЕОМ, модель взвешенной суммы серых газов, модель дискретного переноса.

Основа математической модели - система дифференциальных уравнений Навье-Стокса, которая для вязкой несжимаемой жидкости имеет вид:

йи, др

<1иу др (1иг др

где - проекции внешних сил на оси х, у, ъ\ 1!„ иу и: - проекции вектора

скорости на оси х, у, ъ\ р - плотность; Г - время; р - давление; ¡1 - коэффициент вязкости, являющийся функцией от температуры Т.

По результатам анализа полученных данных, сделан вывод: исследовательская работа на базе численного моделирования по изучению топочного процесса с различными типами и модификациями горелок, последующим анализом работы топочно-горелочного устройства и выработкой рекомендаций по переводу котлов, геометрически подобных БКЭ-320-140, с угля на сжигание природного газа, является актуальной и обоснованной.

Второй раздел посвящен численному исследованию топочных процессов с вихревыми газовыми горелками (рис. 2). Горелка является двухканальной по газу, центральный канал в виде коллектора с раздающим конусным насадком и периферийный в виде газовыпускных труб; двухпоточной по воздуху, внутренний канал с аксиальным завихрителем и периферийный с тангенциальным лопаточным завихрителем, также незначительная доля воздуха (порядка 3%) подается через центральный канал.

По причине сложной конструкции горелки и интересу к воздействию топочной среды на выходные элементы горелки расчетная область для проведения численного исследования включает: топочный объем и геометрию основной части горелки (без тангенциального завихрителя) с правой и левой круткой. Для определения расходов воздуха по каналам горелки и данных для входного граничного условия периферийного канала (температур, проекций вектора скорости, характеристик

турбулентности) было выполнено численное моделирование с полной геометрией одной вихревой горелки.

На котлах реализован ввод газов рециркуляции в поток воздуха, идущего на горелки. В таблице 1 приведены исходные данные по топливу, воздуху, газам рециркуляции и смеси воздуха с газами рециркуляции в расчете на номинальную нагрузку котла при избытке воздуха на выходе из топки сц = 1,1. В воздушные каналы горелки подается смесь воздуха с газами рециркуляции.

Избыток воздуха в газовых горелках агор=0,85, остальной воздух подается через пылевые горелки для охлаждения выходных элементов конструкции.

Подача топлива и воздуха через каналы газовых горелок и пылеугольные горелки задана входными граничными условиями с установкой соответствующих расходов, температур и компонентного состава смеси. На выходном сечении топки задано открытое граничное условие с уровнем избыточного полного давления, равного нулю. На стенах задано граничное условие «без проскальзывания», степень черноты е = 0,8. На охлаждаемых стенах топки задана опорная температура 345 °С (температура насыщения при давлении в барабане) и коэффициент теплоотдачи с наружной стороны стенки.

В результате численного моделирования топочных процессов котла БКЗ-320-140 получено распределение параметров по объему и стенам топки, выходным элементам горелочных устройств: температур, давлений, скоростей и траекторий движения, концентраций компонентов, тепловых потоков и др.

Основные количественные данные результатов представлены в разделе 3.

На рисунке 3 представлены поля распределения температур в вертикальных плоскостях, проходящих через оси горелок (рис.3, а, б), и в горизонтальной плоскости, проходящей через оси верхнего яруса горелок (рис.3, в).

./-внутренний воздушный канал; 2 периферийный воздушный канал; ^-центральный канал воздуха; ^-коллектор газовый с газовыпускными отверстиями; 5-газовые трубки; 6-труба для запального устройства; 7- гляделка

Таблица 1 - Расходы на котел и температуры

Параметр, размерность Топливо (газ) Воздух Газы рециркуляции Смесь Воздуха и газов рец-ии

Расход, нм!/с 6,408 69,5 8,2 77,7

Температура, °С 15 297 250 292

По результатам численного моделирования топочных процессов с вихревыми горелками выявлено:

1. Высокие тепловые потоки, падающие на элементы горелки, обусловлены аэродинамикой факела - зона активного горения начинается в 100-150 мм от наконечников газовых трубок и наблюдается интенсивная центральная зона рециркуляции топочных газов, имеющих температуру около 1500 °С, границы которой расположены в амбразуре горелки (рис. 3).

2. Высокая скорость смешения и интенсивная рециркуляция топочных газов приводит к быстрому выгоранию топлива, высоким локальным максимумам температур и может способствовать образованию оксидов азота.

3. Аэродинамическое сопротивление горелки составляет 1172 Па.

а) Сечение А-А б) Сечение Б-Б в) Горизонталь, сечение верхний ярус, z=9,8m Рисунок 3 — Поля распределения температур в объеме топки

По результатам моделирования с учетом особенностей вихревых горелок сделан вывод о наличии возможности по улучшению характеристик работы топочной камеры. Определено два основных направления работ:

1) малозатратная реконструкция имеющейся вихревой горелки;

2) замена вихревых горелок на горелки, работа которых уменьшит выявленные негативные факторы, а также позволит в полной мере использовать имеющуюся компоновку горелок и размеры топочной камеры.

Выбраны следующие малозатратные варианты реконструкции:

1. Изменение угла раскрытия амбразуры с 15° на 8°.

2. Увеличение расхода через центральный воздушный канал.

3. Вырезка 12 из 24 лопаток тангенциального завихрителя (через лопатку).

4. Вырезка всех лопаток тангенциального завихрителя.

По результатам численного моделирования сделан вывод: возможность улучшить характеристики работы вихревой горелки путем малозатратной реконструкции не обнаружена. Исходная горелка имеет благоприятные параметры работы: качественное перемешивание газа с воздухом, соотношение параметров крутки каналов, соотношение скоростей. Все варианты реконструкции показали худшие параметры в сравнении с исходной горелкой (табл. 2): больше объем зоны максимальных температур, выше максимальная температура, увеличенный выход оксидов азота. Наихудшими показателями обладает вариант с вырезкой всех лопаток тангенциального аппарата.

Таблица 2 — Количественные характеристики различных вариантов вихревой горелки

№* Тщах» к Уриоо, м5 Туаг.средн/ ТуагМАХ» к2 УТ,аг> 20000 К2, м3 С>мо, г/с Ягор/ ЦгорМах» Вт/м2 Чамбр ! ЧамбрМах) Вт/м2

1 2018 4,41 50216/257513 1,61 0,317 7749/27292 84899/129842

2 2035 3,8 59263/251261 2,25 0,58 7437/26832 68860/113496

3 2024 4,47 «383/259785 1,82 0,32 7565/25832 74442/ 124655

4 2034 4,73 51819/284257 2,1 0,48 7872/29003 87295/126420

5 2106 6,27 53724/353454 2,28 1,11 7729/32000 76589/99407

* 1 - Без изменений; 2- Угол амбразуры 8°; 3 - Увеличенная доля воздуха в центральном

канале; 4 - Вырезка 12 лопаток; 5 - Вырезка всех лопаток; Тщах — максимальная температура в топочном объеме; У1>15оо - объем зоны с температурой более 1500 °С; Т»аг.среди./ Т™мах - дисперсия температуры осредненная по объему с > 20000 К и максимальная дисперсия; V Туат > 20000 К2 - объем зоны с Туаг более 20000 К ; Ско - расход N0 через выходное сечение топочного объема; ц10р/ ц10рча>. — средний и максимальный падающий тепловой поток на выходные элементы горелки; Цшбр / ЯамбрМш -средний и максимальный падающий тепловой поток на амбразуру горелки.

Установлено, что совершенствование топочного процесса возможно только при замене исходной вихревой горелки на горелки другого типа.

По результатам анализа компоновки горелочных устройств и в целом геометрии топочного устройства сделаны следующие выводы:

• выбор вихревых горелок для сжигания исключительно газообразного топлива нерационален: высокая масса и стоимость изготовления; высокое сопротивление - необходимость в достаточной мощности дутьевого вентилятора и повышенные затраты на дутье; большой диаметр амбразуры - усложнение разводки экранов и повышенная вероятность заноса золой выходных сечений при работе на угле;

• встречное расположение горелок при глубине топки по оси горелок 12 м позволяет увеличить фронт горения за счет увеличения длины факела;

• наличие низкоскоростного ввода третичного воздуха через пылевые горелки требует качествешюго перемешивания в зоне догорания.

С учетом данных выводов и накопленного опыта по проектированию газовых горелочных устройств, для замены вихревых горелок выбраны два типа горелок: прямоточно-вихревые и плоскофакельные.

Третий раздел посвящен численному исследованию топочных процессов с прямоточно-вихревой газовой горелкой (рис. 4), которая по воздуху разделена на два канала: внутренний - вихревой и периферийный -прямоточный. Для регулирования доли воздуха, подаваемого в прямоточный канал на входе в распределительный короб установлен шибер. Газ подается по газовыпускным трубкам, проходящим через периферийный канал.

Конструкция горелки, участвующая в моделировании топочного процесса, ограничена плоскостью перед завихрителем и плоскостью на выходе из прямоточного воздушного канала, что позволяет воспроизвести аэродинамику горелки и получить тепловые потоки, падающие на выходные элементы.

С целью определения лучшего соотношения между расходами воздуха, подаваемыми в вихревой и прямоточный каналы, проведен ряд численных экспериментов с долей воздуха подаваемого в вихревой канал: 0,4; 0,5; 0,55; 0,6. Скорости в каналах горелки представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Среднерасходная скорость воздуха в каналах горелки

Рисунок 4 - Горелка прямоточно-вихревая /-внутренний канал воздуха; 2-псриферийньш канал воздуха; 3-газовыс трубы; '/-труба для форсунки; 5-труба для запального устройства; (5-шибер

Доля воздуха в вихревом канале, с1ВИХр 0,4 0,5 0,55 0,6

В выходном сечении вихревого канала м/с 29,8 37,2 40,8 44,4

В выходном сечении прямоточного канала \¥„, м/с 69 57,4 51,7 46

0,43 0,65 0,79 0,96

Таблица 4 - Количественные характеристики различных вариантов прямоточно-вихревой горелки (ПВГ), исходной вихревой горелки (ВГ) и плоскофакельной горелки (ПФГ). _

Варианты* Ттах» к ^>1500, м3 Гуаг.средн/ ГуагМЛХ, к2 20000К2 , мЗ Спч'о, г/с МСмох, мг/нм3 Чгор ЧгорМах, Вт/м2 Яамбр » Вт/м2 Мах. Чэкр, Вт/м2 9т", К

ПВГ- 40 2148 71,5 46490/ 265200 67,7 11,75 379 9494/ 43261 43623 326568 1343

ПВГ- 50 2144 77,9 42590/ 276800 64,91 8,87 285 9626/ 43365 43937 323591 1341

ПВГ- 55 2135 74,813 41240/ 269200 64 7,74 249 9693/ 42863 44985 325989 1348

ПВГ-60 2134 65,76 41620/ 262200 59 6,6 212.8 9728/ 43764 46246 319659 1359

ВГ 2135 80,341 41460/ 332900 53,1 6,76 218,5 9890/ 49376 126837 275421 1350

ПФГ 2026 50,58 52460/ 258400 58,8 3,46 111 -/61300 - 302602 1282

* ПВГ-40, ПВГ-50, ПВГ-55, ПВГ-60 - доля воздуха в вихревом канале 40, 50, 55 и 60 %, соответственно; ПФГ - результат для варианта Ы1-В3х32,7х64,3-Г0х0х100-Р94 (см. раздел.4). Обозначения см. таблицу 2. МС^ох — приведенная к нормативной массовая концентрация оксидов азота; Мах. ц1кр-максимальный тепловой поток воспринимаемый экранами топки; 'V' - температура на выходе из топки.

Полученные данные (табл. 4) позволяют констатировать, что с увеличением доли воздуха в вихревом канале наблюдается: снижение максимальной температуры; уменьшение длины факела; уменьшение площади фронта горения; снижение максимального теплового потока падающего на экраны; увеличение теплового потока, падающего на выходные элементы горелки; снижение дисперсии температуры; снижение выхода оксида азота.

На рисунке 5 представлено сопоставление основных характеристик топочного процесса с различными типами горелок.

япвг-бо т-вг впфг

2150 ,..........................

апвг-60 «вг впфг 100 ---------------------

«>1500, мЗ

«пег 60 авг ЕЭПФГ

350000 300000 250000 200000 150000 100000 50000

0 -4-

ЯПВГ-60 ШВГ ВПФГ

200 4— щ —

150 -1—

100 — -

50 4~-

0 1 _

По

Рисунок 5 - Гистограммы к таблице 4 результатам моделирования топочного процесса с различными

соотношениями среднерасходных скоростей (№ВЛУ„ =0,43; 0,65; 0,79; 0,96) сделан вывод, что соотношение по каналам, близкое к единице, характеризуется лучшими параметрами топочного процесса (табл. 4).

По данным исследования прямоточно-вихревая газовая горелка обладает рядом преимуществ по сравнению с вихревой горелкой:

1. Зона активного горения располагается на расстоянии 300-^400 мм от устья горелки (рис. 6, а), это позволяет снизить влияние лучистого теплового потока и зоны рециркуляции топочных газов на элементы горелки и амбразуру, что способствует продлению срока службы.

2. Изменяя расход воздуха по каналам горелки, можно менять характеристики факела, что позволяет регулировать параметры работы котла.

а) Прямоточно-вихревая горелка <1вихр=0,6 б) Плоскофакельная горелка №2, табл. 5

Рисунок 6 -

Поля распределения температур в объеме топки в горизонтальном сечении на уровне верхнего яруса горелок (половина топки).

3. Масса прямоточно-вихревой горелки - 880 кг, а вихревой - 1680 кг.

4. Диаметр выходного сечения прямоточно-вихревой - 700 мм, а вихревой - 890 мм, при установке потребуется

разводка меньшего числа экранных труб. Четвертый

_раздел

посвящен численному

исследованию топочных

процессов с плоскофакельными горелками (ПФГ). По степени турбулизации потока ПФГ близки к вихревым, при этом стоимостью и простотой конструкции соответствуют прямоточным.

В результате эскизной проработки различных вариантов конструкции, с учетом

рекомендации по проектированию плоскофакельных горелок,

особенностей сжигания

природного газа и имеющегося топочного пространства, автором спроектировано четыре варианта исполнения ПФГ, конструктивные схемы которых представлены на рисунке 7. Два потока по воздуху, также небольшая часть воздуха (35% от общего расхода) может подаваться через центральный канал, что позволяет обеспечить глубокое регулирование мощности горелки и стабильный розжиг. Угол между осями внутренних каналов воздуха 45°, периферийных - 45°. Скорость воздуха на выходе из внутреннего канала 30 м/с, периферийного - 50 м/с. Ширина внутреннего и периферийного каналов воздуха равна 300 мм, что позволяет установить горелку за счет разводки пяти экранных труб. Запальное устройство, датчик контроля факела и центральная газовая труба установлены в центральный воздушный канал.

Для выявления особенностей протекания топочного процесса с ПФГ была выполнена серия численных экспериментов. Для удобства изложения приняты условные обозначения вариантов численных экспериментов. В начале обозначения располагается номер конструкции: «N1» - вариант 1, «N2» - вариант 2 (рис. 7) и т.д. Далее следуют доли воздуха по каналам горелки в процентах «В3х32,7x64,3»,

Вариант 3

Вариант 4

Рисунок 7 — Варианты конструктивного исполнения

плоскофакельной горелки ^-внутренний канал воздуха; 2-периферийный канал воздуха; -^-центральный канал воздуха; ^-центральная газовая труба; 5- периферийные газовые трубы; 6-груба для запального устройства; 7-труба для датчика контроля факела; ^-газовые сопла

т.е. 3% по центральному, 32,7% - внутреннему, 64,3% - периферийному. Аналогично обозначение долей газа по воздушным каналам горелки «Г28х28х44». Получаем обозначение «Ш-В3х32,7x64,3-Г28х28х44». В случае различного расхода воздуха по правым и левым горелкам, добавляется индекс «Р» с процентом воздуха подаваемого в горелки ближние к пылевым горелкам (фронтовому экрану). Например: «N1-83x32,7x64,3-Г28х28х44-Р85», где Р85 -85% воздуха подается в горелки ближние к пылевым, от расхода воздуха идущего на одну горелку при равномерной раздаче.

Основные количественные параметры топочного процесса с ПФГ для различных исполнений и режимных параметров приведены в таблице 5.

Для лучшего варианта (табл.5, №1), выполнен ряд расчетов с выявлением необходимого уровня разбаланса по воздуху, обеспечивающего максимальную полноту выгорания топлива в объеме топки (в табл. 5 приведены результаты двух крайних расчетов - №2, №3).

Таблица 5 - Основные количественные параметры топочного процесса с плоскофакельными горелками для различных исполнений и режимных параметров_

N° Обозначение Г™, К м3 г К2 20000К2, м3 г/с ЯгорМах? Вт/м2 К. 45. %

1 р!1-ВЗх32,7х64,3-Г0х0х100 2014 33,51 46880 67 2,87 67700 1276 0.16

2 рП-ВЗх32,7х64,3-Г0х0х100-Р94 2026 50,58 52460 58,8 3,46 61300 1282 7x10"

3 р) 1 -В3х32,7х64,3-Г0х0х 100-Р85 2063 64.79 48530 81 4,56 55200 1285 6x10"

4 N1 -В3х32,7х64,3-Г100х0х0 2054 59,63 44020 63 3,27 69400 1298 0.12

5 М3-В6х31х63-Г20х30х50 2079 79,73 48390 76,4 8,06 104000 1290 0.148

6 М1-В3х32,7х64,3-Г28х28х44 2077 80,07 48440 77,7 7,63 72795 1303 0.043

7 №-В6х31х63-Г0х 100x0 2052 74,82 48100 75,1 6,68 103000 1267 0.004

8 Лм3-В6х31х63-Г0х40х60 2098 83.89 47430 80,93 9,72 106400 1298 0.074

9 Н2-В6х31х63-Г0х0х100 2087 78.12 47490 78,94 7,75 79500 1314 0.013

10 1М2-В6х31х63-Г0х100х0 2046 69.6 46450 77,86 5,14 83800 1302 0.23

11 р4-В6хЗ 1 х63-Г0х100x0 2044 74,5 45180 79,7 5,34 102000 1296 0.15

12 р44-В0,8хЗ 1х68,2-Г0х100х0 2050 71,52 44890 73,1 4,71 96400 1306 0.034

13 N3 -ВО,8x31 х68,2-Г0х 100x0 Недопустимые режимы: горение в центральном воздушном канале

14 кз-В1х31х68-Г5х35х60

15 |ыЗ-В0,5хЗ 1х68,5-Г20х30х50

Обозначения см. табл.2, табл. 4. qз - недожог топлива.

Обширный материал, полученный в результате более чем полутора десятков численных экспериментов, с различным конструктивным оформлением горелки и режимными параметрами, как следствие с различными параметрами на выходном сечении горелки и картиной топочных процессов, позволил сделать следующие выводы по работе ПФГ на газовом топливе:

1) Для обеспечения максимальной полноты выгорания топлива в объеме топки для рассматриваемого случая (топка, компоновка горелок, ввод воздуха через пылевые горелки) необходимо обеспечить незначительный разбаланс по воздуху: увеличить расход воздуха через горелки, удаленные от пылевых горелок, на 5-6 % относительно среднего расхода на горелку.

2) Температура газов на выходе из топки ниже на 60-100 °С в сравнении с вихревыми горелками (табл. 4, 5). Учитывая перевод котла со сжигания угля,

может потребоваться повышение температуры на выходе из топки, чего можно добиться за счет перераспределения воздуха по каналам горелки - повышение расхода через нижние сопла.

3)С увеличением равномерности распределения топлива в потоке воздуха происходит интенсификация горения, увеличивается максимальная температура и объем зоны высоких температур, растет выход МОх (рис. 8).

4) Распределение топлива в выходном сечении горелки (рис.8) оказывает влияние на размер фронта факела, максимум и дисперсию температуры, объем зоны высоких температур, образование ЫОх (табл.5), и незначительно влияет на общую аэродинамику, определяемую движением воздуха.

5) Высокие показатели топочного процесса при подаче топлива только через центральную газовую трубу, что можно объяснить затяжкой горения и протеканием реакции с пониженным содержанием кислорода (табл. 5, №4).

6) При концентрированной подаче газа в периферийный канал обеспечивается минимальный уровень температур в топочном объеме, минимальный выход оксидов азота и высокая полнота выгорания (табл. 5, №2). Максимальная температура факела ниже на 110-120 °С в сравнении с прямоточно-вихревыми и вихревыми горелками (табл. 4).

7) Организация «треугольника воспламенения» (зона разрежения, образованная потоками воздуха) приводит к повышению температуры выходных элементов горелки и может привести к горению газового топлива в выходном сечении горелки (табл.5, №13, №14, №15), что недопустимо. При этом «треугольник воспламенения» повышает стабильность горения без видимого влияния на максимум температур. Его организация может быть необходима при растопке котла (подача пониженного расхода воздуха в центральный и внутренний каналы горелки).

8)Регулирование расхода воздуха и газа по каналам, позволяет организовать стабильное горение при нагрузке 40%, без отключения горелок.

9) По результатам численного

моделирования, при замене прямоточно-вихревых и вихревых

Рисунок 8 - Гистограмма выхода оксида азота для вариантов ПФГ (табл. 5). ниже - соответствующие поля распределения мольной доли метана в выходном сечении горелки

горелок на плоскофакельные есть возможность снижения концентрации оксидов азота в топочных газах до 1,5 раз.

Пятый раздел посвящен обработке и анализу полученных результатов исследований.

По результатам численного моделирования наилучшими параметрами, которые позволяют снизить выход оксидов азота, обладает плоскофакельная горелка (табл. 4). Выход N0 при лучшем исполнении ПФГ (табл.5, №2) до 1,5 раз ниже, чем для рассмотренных вихревых и прямоточно-вихревых горелок (табл. 4). По уровню образования оксида азота вихревая и прямоточно-вихревая (доля воздуха в вихревом канале 0,6) горелки показали сходные результаты.

Для прямоточно-вихревых горелок тепловой поток, падающий на лопатки горелки, на 13% ниже, чем для вихревой. Разница может быть еще больше в связи с особенностями прямоточно-вихревой горелки: большая протяженность факела и отдаленность зоны активного горения от устья горелки (рис. 3, 6).

Важнейшим фактором, влияющим на теплообмен в топочной камере котла, является температура топочной среды. Для основных вариантов горелочных устройств выполнен расчет средней и максимальной температуры в горизонтальных сечениях топки и построены графики распределения температур по высоте топки (рис. 9), на основе которых можно сделать следующие выводы:

1) общее количественное и качественное подобие характеристик для вихревых (ВГ) и прямоточно-вихревых (ПВГ) горелок;

2) для ПВГ в сравнении с ВГ характерен повышенный примерно на 40 °С уровень средней температуры в нижней части топки (до нижнего яруса);

3) распределение максимальных температур для варианта с плоскофакельными горелками (ПФГ) качественно соответствует ВГ и ПВГ, но имеет пониженный максимальный уровень в среднем на 160 °С

4) распределение средней температуры для ПФГ имеет отличие от ВГ и ПВГ: повышенный максимум и общий уровень температуры в нижней части топки - более чем на 100 °С.

а) ВГ (табл. 4)

* .........; ;........V..........; « . '-ч

М&рвшй аде — — ^ __ ! Г Л] ... : г.

120» »300 140» 15«» 1600 1<Ж 2000 2ИМ) 220»

—Тсрсч» Такаю ПВГ'

б) ПВГ-60 (табл. 4)

г.»

1200 1300 »4«; ;.ЧХ> 1&"К> 1780 19-,XI 2000

—<—Тсре»!1 —»• Г махе

в) ПФГ (табл. 4) Рисунок 9- Распределение максимальной и средней температуры по высоте топки

Интерес представляет распределение температур в объеме топки (рис. 3, рис.6) и распределение тепловых потоков по фронтовому экрану при вводе третичного воздуха через сопла значительного размера (пылевые горелки, рис.1), размещенные на фронтовой стене. В топочном объеме в районе ввода третичного воздуха наблюдаются зоны пониженных температур: глубина 1,5-2 м (от фронтового экрана), примерными границами по ширине экрана являются вертикальные плоскости, проходящие через наиболее отдаленные друг от друга точки амбразуры пылевых горелок, высота около двух диаметров амбразуры. В результате наблюдаются значительные перепады в уровне тепловосприятия фронтового экрана (на участке шириной 1 метр тепловой поток изменяется в 12 раз) и сниженное тепловосприятие относительно заднего экрана (табл.6).

На основе результатов исследования выполнен расчет коэффициентов распределения тепловых потоков по высоте, ширине и между стенами топки с целью уточнения теплового расчета топки и расчета температуры металла стенок труб по нормативному методу, что позволит применить результаты исследований в инженерной практике.

Для получения из данных моделирования соответствующих нормативных коэффициентов разработана методика, которая позволяет инструментами постпроцессора (АЫЭУБ СРВ-РовО получить требуемые величины:

1) экраны топки разделяются на вертикальные и горизонтальные зоны;

2) в постпроцессоре строятся осевые линии выделенных зон (рис. 10);

3) рассчитывается осредненный по линии воспринимаемый тепловой поток;

4) рассчитывается средний тепловой поток воспринимаемый экранами;

5) рассчитывается отношение осредненных потоков к среднему;

6) производится экспорт табличных данных из постпроцессора в программу по работе с электронными таблицами, в которой строится график с функцией сглаживания в координатах «размер по оси вдоль которой измеряется тепловой поток» - «полученные значения коэффициентов распределения».

Разница в распределении тепловых потоков по ширине экранов топки для различных горелок несущественна. При этом распределения тепловых потоков по высоте топки имеет практический интерес. Из представленного графика (рис. 11) видно, что тепловосприятие для ПФГ смещено к нижней части топки, вследствие чего получена пониженная температура на выходе из топки. При этом высотные отметки осей ПФГ подняты на 300 мм относительно вихревых. Данное явление можно объяснить общей аэродинамикой, обеспечивающей повышенный уровень температур в нижней части топки (рис. 9), а также особенностью излучения факела ПФГ: факел занимает 70-80% горизонтального сечения топки, в результате наблюдается повышенный радиационный поток, падающий на скаты холодной воронки. Незначительное смещение тепловосприятия к нижней части топки прямоточно-вихревых горелок относительно вихревых можно объяснить протяженностью факела: в результате столкновения встречных потоков, факелы нижнего яруса горелок отклоняются вниз, тем самым увеличивая уровень температур (рис. 9) и тепловосприятие нижней части топки.

С ) с J с > { э

с с 1

\ 1

1 "

ж

M

SMj

V

il

h . rs

*! I S: j..i TL

Фронтовая стена Боковая стена Задняя стена

Рисунок 10 - Схема расположения центральных линий вертикальных и горизонтальных

зон топки к построению графиков коэффициентов распределения тепловоспряятия

Следует отметить существенное отличие в коэффициенте rjCT полученного при моделировании (табл. 6) от приведенного в нормативном методе теплового расчета (НТР). Для всех случаев, кроме фронтального расположения горелок, в НТР указан коэффициент tjct=1 . Причинами расхождения служат значительная обобщенность коэффициентов в НТР и наличие ввода третичного воздуха через пылевые горелки, снижающего тепловосприятие фронтового экрана.

Для определения параметра M для исследуемого случая принято решение ввести поправку Ах, полученную в результате приведения нормативного расчета в соответствие с данными численного моделирования: для вихревой и прямоточно-вихревой Дх=0,18; для ПФГ Дх= - 0,075.

В результате оценки экономического эффекта от внедрения ПФГ взамен ВГ экономия для одного котла за счет снижения затрат на дутье может составить 1,56 млн. руб. в год. Отметим, что масса без арматуры горелки мощностью 30 МВт составляет: ВГ - 1680кг, ПВГ - 880 кг, ПФГ - 450 кг. ПФГ в сравнении с ВГ характеризуется высокой технологичностью и простотой изготовления, низким аэродинамическим сопротивлением (ниже в 1,5-3 раза), возможностью снизить концентрацию NOx в дымовых газах до 1,5 раз.

Таблица 6 - Коэффициенты распределения тепловосприятия по стенам топки г)ст_

Горелка фронтовая боковая задняя

ВГ 0,95 0,86 1,4

ПВГ-60 0,95 0,81 1,47

ПФГ 1,07 0,82 1,32

1,4 1.2 1,0

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

0,0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1.2

Рисунок 11 - Коэффициент распределения тепловосприятия по высоте топки ч„ Новые данные: 1 - ПФГ; 2 - ПВГ; 3 - ВГ. Нормативные данные: 4 - НТР 1998г.; 5 - НТР 1973г.; 6, 7 - Оси горелок нижнего яруса и верхнего яруса ПВГ и ВГ; 8, 9 - Оси горелок нижнего и верхнего яруса ПФГ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итогом выполненной диссертационной работы являются научно обоснованные технические решения по повышению надежности, экологических и экономических характеристик топочно-горелочного устройства котлов, геометрически подобных БКЭ-320-140, при переводе с угля на сжигание природного газа с установкой газовых горелок на боковые стены топки, а также при модернизации котлов работающих на природном газе.

Основные результаты и выводы выполненной работы:

1. Впервые для пылеугольного котла БКЗ-320-140 с газовыми горелками, установленными на боковые стены топки, получены характеристики топочного процесса при сжигании газа, в частности: распределение температур в объеме топки, тепловых потоков по экранам топки и элементам горелок, распределение СН4 в выходном сечении горелки, объем зоны высоких температур, концентрация оксидов азота (ЫОх).

2. Разработанная автором плоскофакельная горелка при подаче газа концентрированной струей в периферийный канал в сравнении с вихревыми и прямоточно-вихревыми горелками обеспечивает пониженную на 110-120 °С максимальную температуру, меньший в 1,3-1,6 раза объем зоны высоких температур и сниженный до 1,5 раз выход оксидов азота.

3. Установлено, что для рассмотренных условий снижение интенсивности перемешивания газа с воздухом за счет вырезки лопаток тангенциального

завихрителя вихревой горелки приводит к увеличению максимальной температуры и объема зоны высоких температур, что влечет увеличение концентрации Ж)х.

4. Получено, что снижение доли воздуха в вихревом канале исследованной прямоточно-вихревой горелки приводит к увеличению максимальной температуры и объема зоны высоких температур, что дает увеличение концентрации оксидов азота до 1,7 раза.

5. Для рассмотренных вариантов плоскофакельных горелок установлено, что с ростом неравномерности распределения газа в выходном сечении концентрация оксидов азота уменьшается до 3 раз.

6. Построены новые зависимости коэффициентов распределения тепловых потоков по стенам и высоте топки, в результате выявлено, что фактическое распределение тепловых потоков, воспринимаемых экранами топки при сжигании природного газа, имеет существенное качественное и количественное отличие от распределения, указанного в нормативном методе (на 20 - 40 % для отдельных участков топки).

7. Разработаны рекомендации по переводу пылеугольных котлов, подобных БКЗ-320-140, на сжигание газа и рекомендации по проектированию плоскофакельных горелок, которые позволят улучшить их технические характеристики (снизить сопротивление и выход оксидов азота при достаточной полноте выгорания, продлить срок службы).

8. Разработана новая методика обработки данных по тепловым потокам, полученных в результате численного моделирования топочных процессов, позволяющая определить коэффициенты распределения тепловосприятия по экранам топки.

9. Получены новые данные по коэффициентам распределения тепловых потоков по стенам и высоте топки, поправки для расчета параметра М, которые позволяют повысить точность тепловых и гидравлических расчетов при реконструкции старых и проектировании новых котлов (уточнить температуру на выходе из топки, повысить надежность работы поверхностей нагрева, уточнить диапазон регулирования, определить расположение радиационных пароперегревателей и солёных отсеков).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Рецензируемые научные издания из перечня ВАК

1. Юрьев, Е.И. Численное моделирование топочных процессов в топке БКЭ-320-140 с прямоточно-вихревыми и плоскофакельными газовыми горелками/ Е.И. Юрьев // Изв. ВУЗов. Электромеханика. - 2013. - №1 - С. 164-166.

2. Юрьев, Е.И. Совершенствование характеристик топочного устройства котла при переводе на сжигание природного газа / Е.И. Юрьев // Изв. ВУЗов. Сев,-Кавказский регион. Сер.: техн. науки. - 2013. - №5 - С. 20-25.

3. Юрьев, Е.И. Влияние горелочного устройства на распределение температур и тепловых потоков в топке котла типа БКЭ-320-140/ Е.И. Юрьев // Изв. ВУЗов. Сев,-Кавказский регион. Сер.: техн. науки. - 2014. - №3 - С. 122-124.

I

/1

Другие научные издания

4. Юрьев, Е.й. Численное исследование топочных процессов в котле БКЭ-320-140 с вихревыми газовыми горелками / Е.И. Юрьев // Изв. ВУЗов. Электромеханика. Спец. вып.: Диагностика энергооборудования. - 2010. -С. 168-170.

5. Юрьев, Е.И. Влияние горелочного устройства на характеристики топочного процесса при сжигании природного газа / Е.И. Юрьев // Сб. ст. Междунар. науч,-практ. конф. «Современная наука: Теоретический и практический взгляд» — Уфа: РИЦ БашГУ, 2013. - Т.2.- С. 162-171.

6. Юрьев, Е.И. Применение плоскофакельных горелок для сжигания природного газа / Е.И. Юрьев // Сб. ст. по материалам XXXIV междунар. науч.-практ. конф. «Технические науки - от теории к практике» - Новосибирск: СибАК, 2014. - № 5 (30)-С. 102-106.

Юрьев Евгений Игоревич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОПОЧНОГО УСТРОЙСТВА ПРИ ПЕРЕВОДЕ ПЫЛЕУГОЛЬНЫХ КОТЛОВ НА СЖИГАНИЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Автореферат

Подписано в печать 25.09.2014. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №2501. Издательство «НОК» 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 155 а