автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка, исследование новой технологии использования на ТЭС кавитационного жидкоугольного топлива

На правах рукописи

ЦЕПЕНОК Алексей Иванович

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ТЭС КАВИТАЦИОННОГО ЖИДКОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 : ко;] ¿013

Новосибирск - 2013

005537878

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент,

Овчинников Юрий Витальевич

Официальные оппоненты: Дубровский Виталий Алексеевич,

доктор технических наук, доцент, Сибирский Федеральный Университет, профессор кафедры тепловых электрических станций

Лебедев Борис Владимирович,

кандидат технических наук, доцент, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, доцент кафедры парогенераторостроения и парогенераторных установок

Ведущая организация: Уральский федеральный университет имени

первого Президента России Б.Н. Ельцина

Защита диссертации состоится «06» декабря 2013 года в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.02 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630073, Новосибирск, пр. К.Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета

Автореферат разослан «05» ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Чичиндаев Александр Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие энергетики в России на ближайшие десятилетия связано с увеличением доли использования угля. В соответствии с энергетической стратегией, производство и потребление энергетических ресурсов в России будут возрастать, предполагается новый ввод мощностей на угольных ТЭС с КПД не менее 38%, строительство экспортных ТЭС. В такой ситуации логичным решением должно являться полномасштабное техническое перевооружение энергетики, основанное на замещении оборудования, выработавшего свой ресурс, оборудованием нового поколения. Экологические проблемы, возникающие при использовании угольного топлива, требуют разработки и внедрения новых технологий, которые вместе с экономической эффективностью обеспечивали бы существенный экологический эффект с максимально высокой полнотой использования добытого топлива.

Одним из эффективных методов улучшения экологических показателей ТЭС и общей обстановки в регионах при обеспечении высоких КПД угольных энергоблоков является переход от традиционных технологий использования угля к новым технологиям его использования в виде кавитационного жидко-угольного топлива (КЖТ).

Кавитационные жидкоугольные топлива во многих случаях имеют более универсальные свойства по сравнению с твердыми и жидкими видами топлив, так как обладают качествами, как первого, так и второго вида, низкотоксичны во всех технологических операциях: приготовление, транспортирование, хранение, использование. Потенциал использования КЖТ обусловлен большой географией распространения и огромными запасами угольного топлива.

Развитие технологий использования водоугольных топлив в электроэнергетике в развитых странах производится по следующим направлениям: ПГУ с внутрицикловой газификацией ВУТ; ПГУ с прямым сжиганием глубо-кодеминерализованного ВУТ; паротурбинные установки со сжиганием ВУТ в паровом котле.

Дальнейшим развитием паротурбинных установок со сжиганием ВУТ в паровом котле является создание технологии использования на ТЭС КЖТ, при этом котлоагрегат оснащается специальной технологией сжигания с циклонными предтопками (ЦП).

Целью работы являются разработка, исследование новой технологии использования на ТЭС кавитационного жидкоугольного топлива, разработка методических подходов, математических моделей, методов расчета, рекомендаций по выбору конструктивно-компоновочных и расходно-термодинамических параметров новой технологии.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:

1. Разработанная методика исследования новой технологии использования на ТЭС КЖТ, которая отличается от известных тем, что учитывает изменение энергии активации, особенности горения КЖТ и требования по установке циклонных предтопков.

2. Разработанные методики исследования, расчетов конструктивно-компоновочных, расходно-термодинамических и технико-экономических параметров циклонных предтопков для работы на КЖТ, которые определяют особенности факельного сжигания КЖТ в камерных топках котлов.

3. Предложенная расчетная модель горения КЖТ в топках котлов на основе использования математических моделей CFD (Computational Fluid Dynamics), в которых сформирован алгоритм расчета.

4. Разработанные конструктивно-компоновочные параметры циклонных предтопков, защищенные Патентом РФ.

5. Разработанные параметры режимов горения КЖТ в циклонных предтопках.

Методы исследования: расчетно-аналитические, экспериментальные методы, методы расходного и энергетического балансов, математического моделирования.

Практическая значимость работы. Разработанная методика, методический подход, математическая модель и алгоритмы позволяют получать конструктивно-компоновочные параметры циклонных предтопков для сжигания КЖТ, определять влияние параметров циклонных предтопков на эффективность сжигания, устанавливать рациональный диапазон мощностей циклонных предтопков. Рассчитанные параметры циклонных предтопков для котлов могут служить информационной базой для дальнейших исследований и проработки опытно-промышленных установок.

Результаты работы использованы в организациях ЗАО «ЗиО-КОТЭС», ООО НПП «Росток» для проектирования энергетических установок по использованию КЖТ, исследования технологии использования КЖТ на экспериментальном стенде, разработки оборудования по применению КЖТ на ТЭС; в учебном процессе НГТУ для подготовки студентов дневной формы обучения по и магистрантов по специальности 140100 - «Теплоэнергетика и теплотехника».

Личный вклад автора. Автором разработана методика исследования новой технологии использования на ТЭС КЖТ, которая учитывает изменение энергии активации, особенности горения КЖТ и требования по установке циклонных предтопков; разработаны методики исследования, получены результаты расчетов конструктивно-компоновочных, расходно-термодинамических и технико-экономических параметров циклонных предтопков для работы на КЖТ; проведены экспериментальные исследования по горению КЖТ в циклонных предтопках и выполнено их сопоставление результатами численных исследований горения КЖТ; предложена расчетная модель горения КЖТ, в которой сформирован алгоритм расчета; получены результаты расчетов конструктивно-компоновочных параметров циклонных предтопков, параметры режимов горения КЖТ в циклонных предтопках и технико-экономические показатели ТЭС с новой технологией использования КЖТ.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается использованием разработанных методик (основанных на экспериментальных данных и нормативных методах), фундаментальных закономерностей

технической термодинамики, гидрогазодинамики, теплопередачи. Математические модели и математическое моделирование базируются на методах, апробированных и хорошо себя зарекомендовавших при решении ряда других задач подобного класса.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на: Международном научно-техническом конгрессе «Энергетика в глобальном мире» (г. Красноярск, СФУ, 2010г.); международной конференции «I International conference thermal power and sustainable development. TENOR 2010» (Босния и Герцеговина, г.Углевик, 2010г.); Всероссийской конференции- конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов (г.Томск, ТПУ, 2011г.); международной конференции «Современная наука: идеи, исследования, результаты, технологии» (Украина, г.Алушта, 2011г.); международном симпозиуме «7th International Symposium on Coal Combustion» (Китай, г.Харбин, 2011г.); VIII Всероссийской конференции с международным участием «Горение твердого топлива» (г.Новосибирск, СО РАН институт Теплофизики, 2012г.); в рамках научных сессий НГТУ и расширенного семинара кафедры ТЭС НГТУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них: 2 научных статьи — в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы научные результаты на соискание ученой степени кандидата наук, 1 - патент РФ, 2 - в зарубежных сборниках научных трудов, 5 - в сборниках трудов и материалах всероссийских и международных конференций.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (из 131 наименования) и приложений. Основной текст изложен на 153 страницах, содержит 73 рисунка, 33 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель исследования, определены научная новизна и практическая ценность работы, аннотируются основные положения работы.

В первой главе выполнен обзор схем использования КЖТ на ТЭС, предлагается схема паротурбинного энергоблока, показана ее перспективность и технологическая готовность и обосновывается актуальность исследований предложенной схемы.

На основании проведенного анализа сформулированы задачи исследования:

1. Разработка методик экспериментального и численного исследования новой технологии использования на ТЭС КЖТ с учетом особенностей горения КЖТ, изменения энергии активации, требований по установке циклонных предтопков.

2. Экспериментальное исследование горения КЖТ в циклонном предтопке. Определение характерных особенностей работы ЦП, условий воспламенения КЖТ, основных влияющих параметров.

3. Разработка расчетной модели горения КЖТ в топках котлов на основе использования математических моделей СИЭ, формирование алгоритма расчета, математическое моделирование горения КЖТ в циклонном предтопке и топке котла, оснащенного циклонным предтопком.

4. Разработка рекомендаций по выбору конструктивно-компоновочных и расходно-термодинамических параметров циклонных предтопков.

5. Разработка параметров режимов горения КЖТ в циклонных предтопках.

6. Оценка технико-экономических показателей новой технологии использования КЖТ на ТЭС с котлоагрегатами, оснащенными ЦП.

Линия подачи эл.тока на систему безмазутной растопки

Рис. 1. Схема использования КЖТ на ТЭС: БДТ- бункер дробленого топлива; Д- дезинтегратор; СМ- смеситель; К- кавитатор; Б- бак запаса КЖТ; ЦП- циклонный предтопок, ЗУ- золоуловитель, Т- трансформатор.

Во второй главе изложена разработанная методика исследования технологии использования КЖТ на ТЭС.

Разработанная методика экспериментального исследования основывается на уравнениях

материального (расходного) баланса

В'кжт+тв=В"кжт+тг+т3, (1)

где В'КЖГ - масса поступившего в ЦП КЖТ, кг; тв - масса поступившего в ЦП воздуха, кг; В"КЖТ = В'кжт ■ (д4 /100) - масса несгоревшего в ЦП КЖТ, кг, где - мех. недожог КЖТ в ЦП, %; тг - масса газов, образовавшихся при горении КЖТ, кг; т3 = (В'КЖТ - В'кжг)' Люкт /Ю0 - масса образовавшейся в процессе горения КЖТ золы, кг, энергобаланса

(2)

где I юкт+Ьщл — располагаемое тепло топлива, кДж/кг; ()в — тепло

вносимое в ЦП подогретым воздухом, кДж/кг; ()тг — теплота топочных газов на выходе из ЦП, кДж/кг; Qз — тепловые потери с химическим недожогом топлива, кДж/кг; <24 - тепловые потери с механическим недожогом топлива, кДж/кг; Qs -тепловые потери от наружного охлаждения, кДж/кг.

Тепловой расчета котла с ЦП при работе на КЖТ может выполняться по нормативному методу ВТИ-ЭНИН. При этом расчет теплоты сгорания КЖТ с достаточной степенью точности целесообразно выполнять по теплоте сгорания исходного угля:

Низшая теплота сгорания КЖТ

0Г!кжт=еГ1уг -а-Я-О-а), (3)

где уг - низшая теплота сгорания угля, кДж/кг; а - массовая доля угля в КЖТ, кг/кг; /?=2260 кДж/кг - теплота парообразования воды (на испарение дополнительной влаги в КЖТ относительно исходного угля).

Потери тепла д3, д4 при сжигании КЖТ в топках котлов с ЦП следует принимать (КО,5 % и 0,2-4,0 % соответственно, в зависимости от марки исходного угля.

Определяющими параметрами для схемы сжигания в котлах с ЦП явля-

ются:

тепловая мощность ЦП на поданное топливо

вцп

В„

' ОлКЖТ

3600

тепловая мощность ЦП на сгоревшее топливо

т>

0сгор _ £>полн. ЦП

Олкжт

3600

1-

полезное тепловыделение в ЦП

г

Я ЦП = Вполн ' 0-1 КЖТ •

V

теплонапряжение объема ЦП

100^1

аЦП 100

+ Ое

100-<75 100

теплонапряжение сечения ЦП

др =

Оцп_ Уцп

О-цп

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

ЦП

где - механический недожог КЖТ в выходном сечении ЦП, %; Уцц - объем камеры сгорания ЦП, м3; Рцп^жг2 - площадь сечения ЦП, м2.

Экспериментальные исследования горения КЖТ в ЦП предполагает выполнение измерений (рис.2) в объеме, необходимом для сведения энергетических и материальных балансов.

Основными параметрами, сопоставляемыми с результатами численных исследований, является температура факела на выходе из ЦП и температура стенки по длине ЦП. Температура факела является показателем тепловыделения (тепловой мощности) ЦП. Погрешность определения температуры факела на выходе из ЦП соответствует погрешности измерения входных параметров: расхода, калорийности и температуры топлива, расхода и температуры воздуха.

BKXJ, о/кат.

Trnm Тф, CO. Гvii

Рис. 2. Принципиальная схема измерений в ЦП при

г

сжигании КЖТ: Вюкт- расход КЖТ, Q ¡¡ою- калорийность КЖТ, Тюкт- температура КЖТ, В г. т.- рас-

г

ход растопочного топлива, Q ¡р.т,- калорийность растопочного топлива, Тр.тг температура растопочного топлива, Тою- температура окружающего воздуха, Тпов- температура поверхности ЦП, QB- расход воздуха, Тдг температура воздуха, Тф- температура факела, СО- концентрация СО, Гун- содержание горючих в уносе.

Методика численного исследования сжигания КЖТ в циклонном пред-топке в CFD-программе ANSYS Fluent заключается в определении основных параметров работы предтопка: температур стенки по длине ЦП, температуры газов на выходе из ЦП, степени выгорания топлива, содержания кислорода.

Базовыми уравнениями ANSYS Fluent, по которым ведется расчет процессов, являются: уравнение неразрывности, уравнение энергии, закон сохранения импульса, уравнения переноса компонентов среды, уравнение равновесия сил для дискретной фазы и пр. Также в расчетах использованы: модель турбулентности k-s (стандартного вида), Р-1 модель излучения (уравнение переноса энергии излучением), диффузионно-кинетическая модель горения, модель выхода летучих веществ «The constant rate devolatilization model».

Горение дизельного (растопочного) топлива описывается соответствующей выбранному виду топлива экзотермической химической реакцией, при этом в ANSYS Fluent также принимаются энергия активации и константа скорости реакции горения. Расход дизельного топлива в численном исследовании определяется исходя из равенства тепловыделения с тепловыделением в экспериментальных исследованиях:

вчис . аР.Т.

Qi

Р.Т.экс

т}экс

аР.Т.>

(9)

Qi Р.Т.чис

где Q[p_t.3kc~ низшая теплота сгорания растопочного топлива в экспериментах, кДж/кг; Q[ртчис~ низшая теплота сгорания растопочного топлива в численных исследованиях, кДж/кг; ВЩ- — расход растопочного топлива в экспериментах, кг/с; Вчр£ — расход растопочного топлива в численных исследованиях, кг/с.

В базе ANSYS Fluent отсутствуют модели топлив типа КЖТ, ВУТ. При выполнении численных исследований КЖТ по типу топлив принципиально отнесено к угольным топливам. Состав КЖТ определяется в соответствии с экспериментальными и расчетными данными.

В методике численных исследований представлена предлагаемая модель КЖТ для расчетного комплекса ANSYS Fluent с учетом кинетических особенностей горения КЖТ, а также алгоритм формирования исходных данных специально для ANSYS Fluent. Исследования проводились для КЖТ из кузнецкого

каменного угля марки Д. В состав КЖТ входит собственно кузнецкий каменный уголь марки Д и вода.

Определение основных теплофизических характеристик КЖТ (калорийность, плотность и пр.) требует расчета элементарного состава конечного продукта исходя из массового соотношения угля и воды.

Модель КЖТ (рис. 3) для ANSYS Fluent разработана и подобрана на основании результатов экспериментальных исследований и проверена серией расчетов. Согласно данной модели КЖТ разбивается на три составляющих, которые в расчетах поступают в расчетную область одновременно, с одних и тех же поверхностей и по одинаковым траекториям. Такое решение позволяет обеспечить параллельность протекания процессов прогрева частиц, испарения влаги, выхода летучих и горения коксового остатка, но обеспечивает забаластированность расчетной области водой и водяными парами. При этом снижается температура воспламенения топлива, что отмечалось в многочисленных исследованиях по горению ВУТ, но требуется подвод большого количества тепла на испарение влаги топлива. Кинетические параметры горения «угля» и «обводненного угля» в составе модели КЖТ задаются одинаково.

Модель КЖТ в соответствии с материальным балансом

Вода

Масса: Мв.исх

Уголь

Масса: Му.исх Влажность: Wy.ircx

КЖТ

Масса: Мкжт=Мв.исх+Му.исх

_ г Му.исх-\Уу.исх+Мв.исх-100 Влажность: \¥кжт=-

Мкжт

Модель КЖТ, разработанная для ANSYS Fluent

КЖТ

Масса: Мюкт=Мв.исх+Му.исх

Му.исхЛУу.исх+Мв.исх-100 Мкжт

Влажность: \¥кжт=

«Уголь» Масса: Му=Му.исх / 2 Влажность: Wy.Hcx=Wy.Hcx

Масса: Мв=Мв.исх

«Вода» Му.исх (\ 00-2-Wy.iicxN

/100-2ЛУу.исх\

V ЮО )

«Обводненный уголь»

Му.исх Му.исх /100-2-Wy.Hcx\ ,, /. Wy.ncxN Масса: Му.обв= --^-Гоо-J=My'HCX\'~IQ0~)

Влажность: Wy.o6B=WioicT

Рис. 3. Физическая модель КЖТ и модель КЖТ, разработанная для ANSYS Fluent.

При моделировании конкретной угольной частицы («Уголь» или «Обводненный уголь») в ANSYS Fluent весь процесс разбивается на следующие

стадии: прогрев частицы до начала испарения влаги из топлива; испарение влаги из топлива; выделение летучих, представленных обобщенным углеводородом вида СНдОрЫу, который горит согласно реакции СНаОрЫу +Х02=С0+Х1120-Н20 +/.Ц2'N2, где Х02, '-то. ^т - стехиометрические коэффициенты реакции; горение коксового остатка рассчитывается по диффузионно-кинетической модели, константа скорости реакции горения коксового остатка (ко) определяется по экспериментальной обобщенной зависимости 1пк0 горение углерода происходит по схеме С—>С0^>С02',

прогрев/охлаждение золового остатка до выхода частицы из расчетной области.

Методика оценки капиталовложений в агрегаты, технические системы и в целом в энергоблок с КЖТ включает определение капиталовложений и в собственно ЦП на основе массово-стоимостного подхода и данных заводов изготовителей.

Методика предполагает возможность сопоставления капиталовложений в энергоблоки с КЖТ и традиционные пылеугольные энергоблоки.

Удельные капиталовложения в энергоблок (не в станцию в целом, без учета изыскательных, проектных работ)

К _ КЭБ _ пт

где " суммарные капиталовложения в ЭБ, $; N - установленная

мощность ЭБ, кВт.

Капиталовложения в котлоагрегат, оснащенный ЦП

кКА ~ккл

( 9 ( \

П с, П ] А \ ■> У

I-1 ) У=1

+ КЩ, (11)

где К"кл - базовое значение капиталовложений в котел; с,- - коэффициенты приведения; х^ - определяющие параметры; х^ - базовые значения параметров; Кщ - капиталовложения в ЦП. Капиталовложения в ЦП

КЦП = Отт 'к' КЦПуд > О2)

где Qmm - тепловая мощность топки, МВт; к - доля топлива, вводимого в топку через ЦП; КцПуд - удельные капиталовложения в ЦП, $/МВт.

Капиталовложения в агрегаты и технические системы включают расходы на изготовление, монтаж, доставку оборудования на место строительства, а также дополнительные пропорционально отнесенные затраты в инфраструктуру ТЭС.

В третьей главе произведено обоснование выбора конструктивно-компоновочных и расходно-термодинамических параметров циклонного пред-топка для исследований, приведено описание экспериментальной установки и ЦП (рис. 4), характеристики топлива и схема измерений (рис. 5), дана оценка погрешностей. Рассмотрено влияние геометрических характеристик циклонного предтопка на его аэродинамику, проверена и подтверждена эксперименталь-

ными данными модель КЖТ для СРБ-программ. Приведены результаты расчета расходно-термодинамических и конструктивно-компоновочных параметров циклонного предтопка и их анализ. Установлены ограничения по тепловым характеристикам циклонных предтопков. Проведена оценка рациональной тепловой мощности ЦП для энергетических котлов большой и малой мощности.

Подвод осевого

воздуха

-I 4 -I

А Б В

Рис. 4. Устройство циклонного предтопка. _Т®

Тв р. ' 'СТЧ.10

1 1

СТ7.Я

СТЗ.б

СТЭ.4

СТ2

Теп

Л клапан запорный ручной

£ клапан рсгулируюшии

А клапан предохранительный

X клапан обратный

манометр

1 термопара

¥ напорная трубка

Рис. 5. Принципиальная схема измерений: 1- ЦП; 2- пневмомеханическая форсунка; 3- дутьевой вентилятор, 4- направляющий аппарат, 5- плоское расходомерное сопло, 6- электрический калорифер, 7- раздающий воздушный короб, 8- расходная емкость КЖТ, 9- насос КЖТ, 10- уровнемер КЖТ, 11- расходная емкость дизельного топлива, 12- насос дизельного топлива, 13 - уровнемер дизельного топлива, 14- компрессор, 15- ресивер, 16- пирометр.

По выполненной оценке относительная погрешность аналитического расчета тепловыделения в пределах ЦП составляет ~6 %, погрешность измерения температуры на выходе из ЦП в экспериментах составляет до 114°С (-15 %), погрешность расчета температуры в численном математическом исследовании -15% (определяется погрешностью входных параметров).

Экспериментальные исследования показали, что надежную непрерывную подачу КЖТ в ЦП с требуемым широким углом раскрытия факела из всех опробованных образцов обеспечила только пневмомеханическая форсунка.

Экспериментально подтверждена возможность организации стабильного горения КЖТ в циклонных предтопках (рис. 6 а, б), их работоспособность при высоких температурах (рис. 6 в, г) и возможность применения ЦП в качестве горелочных устройств для энергетических котлов ТЭС.

а) После отключе- 6) Стабилизиро- в) Состояние муфель-ния подачи расто- ванный процесс ной стенки до проведе-почного топлива. горения КЖТ. ния экспериментов.

Рис. 6. Фотографии горения КЖТ и состояния футеровки.

г) Состояние муфельной стенки после проведения экспериментов.

Экспериментальные и численные исследования горения растопочного дизельного топлива (ДТ) (рис. 8-9) и КЖТ (рис. 10-13) показали их принципиальную сходимость (рис. 7 а, б). Стабильное воспламенение КЖТ обеспечивается при температуре футеровки 600^700 °С. В проведенных огневых экспериментах отмечено формирование кольцевой структуры факела в поперечном сечении ЦП. Хорошо коррелируют абсолютные значения и распределение температур по длине ЦП, средняя температура газов на выходе из ЦП. Так, при работе на КЖТ, температура газов на выходе из ЦП составляет 1062 °С, что несколько ниже экспериментальных данных (1090-И 160 °С). Различие температур объясняется погрешностями измерений и расчетов, различными характеристиками по механическому недожогу топлива (10,4 % и 7,4 % соответственно).

1100т

1000

и о 900

л О- 800

& 700

и-

с 600

А) 500

Н

0

/

1 о 1 к

а к 1 О1- о 1 4 О

о \ о

н 30 300 5( )0 7( ю 9( )0 11 30 13 00

и

1000

£.900-

я* 800 •

ё 700;

§ 600 ■ н

0

1 к 3 а к

о Ь

8 о

1 о к

100 3( )0 5( Ю 7( )0 9< )0 11 30 13 30

Расстояние, мм

Расстояние, мм д - расчетные значения о - экспериментальные данные

а) работа на ДТ. б) работа на КЖТ.

Рис. 7. Сравнение расчетных и экспериментальных температур футеровки ЦП.

Рис. 10. Поле температур в продольном сечении по оси ЦП (КЖТ), °С.

И 0.21 0.19

Рис. 11. Температура стенки (КЖТ), °С.

Рис. 12. Объемная доля кислорода в продольном сечении по оси ЦП (КЖТ).

Рис. 13. Скорость горения кокса в продольном сечении по оси ЦП (КЖТ), кг/с.

Полученные результаты сравнения экспериментальных и расчетных данных подтверждают адекватность предложенной модели горения КЖТ для программного комплекса ANSYS Fluent (CFD) и необходимость корректировки кинетики горения КЖТ по сравнению с константами химического реагирования исходного угля. Так, для использованного в исследованиях кузнецкого угля марки Д, при проведении расчетов для КЖТ следует уменьшать по сравнению с исходным углем параметры: температуру выхода летучих на 26-30 %, энергию активации летучих на 33-37 %, энергию активации кокса КЖТ на 10-14 %.

Выполненные многовариантные расчеты аэродинамики ЦП с различными конструктивно-компоновочными и расходно-термодинамическими параметрами показали, что для организации активной зоны рециркуляции следует в технически достижимом диапазоне повышать параметр крутки аксиального воздуха, увеличивать втулочное соотношение камеры воспламенении и кольцевого канала аксиального воздуха и увеличивать через него расход воздуха. При

соотношении диаметров камеры воспламенения и аксиального канала воздуха на уровне Офут/с1внеш~3-^3,5 организуется зона рециркуляции. Эпюры скоростей в исходном и рекомендуемом вариантах ЦП представлены на рис. 14.

а) в исходном варианте ЦП. б) в рекомендуемом варианте ЦП.

Рис. 14. Эпюры осевой составляющей скорости.

Типоразмеры ЦП зависят от общего подхода к проектированию топоч-но-горелочных устройств. Суммарная мощность ЦП, как и для традиционных горелок, должна быть равна тепловой мощности топки. В случае замещения циклонными предтопками только части горелок (при использовании КЖТ из высокореакционных углей) их количество и мощность предлагается подбирать таким образом, чтобы тепловыделения ЦП хватало для стабильного воспламенения КЖТ в основных горелках котла. Обобщение и анализ результатов экспериментальных и опытно-промышленных исследований по работе котлов, оснащенных муфелями, показывает, что для поддержания стабильности воспламенения угольной пыли суммарная мощность стабилизирующих (муфельных) горелок при их размещении вне основных горелок должна составлять 2(Н30 % от мощности основных работающих горелок. В случае использования КЖТ из каменных углей марок Д, Г предлагается обеспечивать суммарную тепловую мощность ЦП близкой к 30% тепловой мощности основных горелок.

В табл. 1 представлены рекомендуемые мощности ЦП для котлов различной паропроизводительности при использовании КЖТ из высокореакционных углей.

Таблица 1

Рекомендуемые мощности ЦП для котлов большой мощности.

Паропроизводительность, т/ч Тепловая мощность топки, МВт 160 124 220 168 320 235 420 310 500 370 670 500 820 600

Тепловая мощность вихревых горелок, МВт 25-35 25-35 35-50 35-50 35-50 35-50 35-50

Тепловая мощность прямоточных горелок, МВт 35 25 25-35 25-35 35-50 50-75 35-50

Диапазон тепловых мощностей горелок, МВт 25-35 25-35 25-50 25-50 35-50 35-75 35-50

Рекомендуемая тепловая мощность ЦП (0,3-()осн.гор), МВт 7,510,5 7,510,5 7,515 7,515 10,515 10,521 10,521

Проверка разработанных на основе экспериментальных и численных исследований конструктивно-компоновочных и расходно-термодинамических параметров ЦП выполнена для ЦП тепловой мощностью 12 МВт (рис. 15) при его совместной работе с серийным котлом ДКВр-20-13.

с1внеш=04Об Эфут=1300

Ьтанг=п50

L^)VT=I700 _ JT7ne£e\^7og

LnpjHI =2400_

Рис. 15. Конструкция ЦП тепловой мощностью 12 МВт: 1- пневмомеханическая форсунка; 2- вихревая горелка; 3- передняя коническая стенка; 4- цилиндрический футерованный корпус; 5- сопла тангенциального воздуха; 6- короб третичного воздуха; 7- стенка котла; 8- подача КЖТ; 9-подача аксиального воздуха; 10- подача тангенциального воздуха; 11 - подача третичного воздуха.

Результаты расчетов в ANSYS Fluent (рис. 16, 17) показывают высокую степень выгорания КЖТ в пределах ЦП (—60 %), что обеспечивает достаточное тепловыделение для поддержания стабильности горения КЖТ. В топочную камеру поступают газы с высокой температурой, где остатки несгоревшего топлива при подаче дополнительного воздуха эффективно сжигаются в высокотур-булизированном потоке. Недожог топлива в пределах топочной камеры не превышает 1^2 %. Принятые для расчета значения коэффициента теплоотдачи и степени черноты для радиационных поверхностей нагрева, и величины тепло-съема для конвективных поверхностей нагрева подтверждаются тепловыми расчетами по программе BoilerDesigner. Разность значения температуры на выходе из топки составляет 13 °С (<5=1,1 %), температуры за кипятильным пучком- 2 °С (<5=0,5 %), при этом величина механического недожога топлива различается на Aq4=0,% %, а степень выгорания (1 -q4) различается на £=0,8 %.

При полученном 60 % -ном выгорании КЖТ в пределах ЦП температурный уровень внутри ЦП позволяет работать в режиме твердого шлакоудаления, что предпочтительно как для существующих, так и для новых котлов.

Рис. 17. Поля температур в поперечных сечениях ЦП, °С.

Выполненная на основе многовариантных расчетов рационализация ЦП совместно с результатами экспериментальных исследований позволила определить следующие параметры и зависимости:

11500 1400 j 1300 " 1200 1100 1000 900 _ S00 В 700

Я «00

Щ 500 Я 400

■ 300

■ 200 Щ 100 ■ о

Рис. 16. Поля температур по оси ЦП, "С.

• Рекомендуемое теплонапряжение объема ЦП: <7^()ОЛ=3,7±0,22 МВт/м3;

• Рекомендуемое теплонапряжение сечения ЦП: ^.,)ОЛ=9,0±0,54 МВт/м2;

Объем ЦП: Гда=(0,27±0,13)-еда;

• Диаметр ЦП:

— по теплонапряжению объема: В1ЦП = (0,912 ± 0,045) • ф^; (13)

- по теплонапряжению сечения: 0'цп = (0,376 ± 0,012) ■ ^<2Ц11 ; (14)

• Длина ЦП: £=(1,7±0,25)-£>да; (15)

• Внешний диаметр аксиального завихрителя: с/акс=(0,32±0,02)-Дця- (16)

Диаметр ЦП мощностью до 12 МВт рекомендуется определять на основе теплонапряжения объема, свыше 12 МВт - по теплонапряжению сечения.

В четвертой главе приведены результаты оценки капиталовложений в агрегаты, технические системы и в целом в энергоблок с новой технологией использования КЖТ. Капиталовложения в агрегаты и технические системы включают расходы на изготовление, монтаж, доставку оборудования на место строительства, а также дополнительные пропорционально отнесенные затраты в инфраструктуру ТЭС.

Технико-экономические показатели новой технологии использования КЖТ на ТЭС сопоставлены с показателями аналогичных энергоблоков, работающих по традиционной технологии пылеугольного сжигания. В настоящее время предпочтение часто отдается развитию распределенных систем, которые оснащаются энергоблоками относительно небольшой мощности, поэтому оценка технико-экономических показателей выполнена для блоков малой и средней мощности с котлами производительностью от 75 до 670 т/ч.

Ввиду использования в России угля в промышленно-развитых регионах и, соответственно, сложной экологической обстановки в возможных местах строительства ТЭС для обоих рассматриваемых вариантов предполагается применение комплекса природоохранных систем. При использовании КЖТ выбросы оксидов азота (ИОх) обеспечиваются на уровне существенно меньшем нормативных значений, поэтому в данном варианте в качестве природоохранных систем используются только установки по улавливанию выбросов золовых частиц и оксидов серы.

Удельные капитальные затраты на ЦП приняты исходя из массово-стоимостных показателей заводов-изготовителей и данных проектных организаций на уровне 3500 долл/МВт тепловой мощности ЦП на поданное топливо. Общий уровень капиталовложений в ЦП зависит от тепловой мощности топки котлоагрегата (КА). Удельные капиталовложения в ЦП практически не зависят от мощности энергоблока и составляют 2,1.. .5,4% от капиталовложений в КА.

На рис. 18, 19 представлены удельные капиталовложения в котлоагре-гат, топливоподачу и топливоприготовление, природоохранные системы (капиталовложения в эти системы и агрегаты зависят от вида топлива и технологии его использования) для энергоблоков с КЖТ и традиционных пылеугольных энергоблоков.

Удельные капиталовложения в КА с ЦП для работы на КЖТ с увеличением мощности с 52 до 115 МВт практически не изменяются (~425 долл/кВт), а со 115 до 220 МВт плавно снижаются с 425 до 375 долл/кВт. Капиталовложения в котлоагрегат энергоблока 12 МВт составляют 310 долл/кВт и обусловлены низкими параметрами пара (более дешевыми сталями, меньшей толщиной стенки и, соответственно, меньшей массой поверхностей нагрева).

Суммарные удельные капиталовложения в КА, топливоподачу и топли-воприготовление, природоохранные системы для энергоблоков 12.. .220 МВт на КЖТ с увеличением мощности снижаются с 715 до 554 долл/кВт. Удельные капиталовложения в аналогичное оборудование для традиционной пылеуголыюй ТЭС находятся в диапазоне 922...737 долл/кВт, что на 29-33% больше, чем для энергоблоков с КА с ЦП для работы на КЖТ.

Меньшие капиталовложения в КА в схеме с КЖТ обусловлены меньшей стоимостью мельничного оборудования и смежных систем в котельном отделении, более плотными шагами труб поверхностей нагрева и меньшими массово-габаритными и стоимостными характеристиками собственно котла, более дешевыми сталями пароперегревателя (из-за меньшей температуры горения).

долл/кВт900

800 700 600 500 400 300 200 100 0

8

4

iv -В- - -с

у' -о- — -е --

а fr

\ /6

л- 7. к- L- \

* з'

100 120 140 160 180 200 220 Д'.МВт

АГЫ. 1600

ДОЛЛ/кВТ1500

Рис. 18. Удельные капиталовложения К, в котлоагрегат, топливоподачу и топливоприготовление, природоохранные системы: для ТЭС с КЖТ и ЦП: 1 - КА, 2 - топ-ливоподача и топливоприготовление, 3 - природоохранные системы, 4 - суммарные капвложения в три агрегата; для традиционной пылеугольной ТЭС: 5 - КА, 6 - то-пливоподача и топливоприготовление, 7 - природоохранные системы, 8 — суммарные капвложения в три агрегата.

Рис. 19. Зависимость удельных капиталовложений в энергоблок Куя от отпускаемой мощности И: 1 - ТЭС с КЖТ, 2 - традиционная пылеугольная ТЭС.

120 140 160 180 200 220 Л'.МВт

Удельные капиталовложения в ЭБ с КА с ЦП для работы на КЖТ лежат в диапазоне от 1294 до 1052 долл/кВт, что ниже капиталовложений в традиционные пылеугольные энергоблоки (1512... 1243 долл/кВт). Большую долю капиталовложений в ЭБ составляют капиталовложения в котлоагрегат и турбоагрегат, причем для ЭБ высокого давления доля котлоагрегата остается практически неизменной и составляет ~35 %, а доля турбоагрегата возрастает с 15 до

24%, при этом с учетом низкопотенциальной группы (включающей систему регенерации) доля турбогруппы составляет 23... 33 %.

Удельные капиталовложения в природоохранные системы для ЭБ с КА с ЦП для работы на КЖТ составляют 61...85 долл/кВт или 5...7% от суммарных капиталовложений, а для традиционных пылеугольных энергоблоков 109. ..156 долл/кВт или 7... 11% от суммарных капиталовложений.

Капиталовложения в энергоблок с котлоагрегатом с ЦП для работы на КЖТ (не во всю станцию, без учета изыскательных и проектных работ) для мощностей 12...220 МВт лежат в диапазоне от 1293 до 1052 долл/кВт и в среднем на 15 % ниже капиталовложений в традиционные пылеугольные энергоблоки (1512... 1243 долл/кВт). Снижение величины общих капиталовложений в энергоблок с КЖТ относительно традиционных пылеугольных энергоблоков обусловлено снижением капиталовложений в КА (на 19 %), систему топливо-подачи и топливоприготовления (на 22%), природоохранные системы (на 45%).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена новая технологии использования на ТЭС кавитационного жид-коугольного топлива.

2. Разработана методика экспериментального исследования горения КЖТ в ЦП, учитывающая особенности конструктивных и термодинамических параметров ЦП. Разработана методика оценки погрешностей измерений в экспериментальных исследованиях применительно к экспериментальному стенду.

3. Выполнено экспериментальное исследование горения КЖТ в циклонном предтопке с определением характерных особенностей работы ЦП, условий воспламенения КЖТ, основных влияющих параметров. Показано, что исследованная конструкция ЦП позволяет организовать надежное горение КЖТ, которое стабильно даже при температуре воздуха ?в=30 °С.

4. Разработана методика численного исследования, анализа показателей тепловой экономичности, расчета конструктивно-компоновочных параметров с учетом изменения энергии активации, особенности горения КЖТ и требования по установке циклонных предтопков.

5. Разработана расчетная модель горения КЖТ в топках котлов на основе использования математических моделей СББ, в которой сформирован алгоритм расчета и модель формирования исходных данных КЖТ, выполнено математическое моделирование горения КЖТ в циклонном предтопке и топке котла, оснащенного циклонным предтопком.

6. Предложена методика анализа результатов численного исследования по принципу сопоставления с экспериментальными исследованиями и выполнено сопоставление результатов.

7. Развита методика оценки технико-экономических показателей новой технологии использования на ТЭС КЖТ с котлоагрегатами, оснащенными ЦП.

8. Разработаны конструктивно-компоновочные параметры циклонных предтопков, защищенные Патентом РФ.

9. Выполнены многовариантные расчеты горения КЖТ в циклонных предтоп-ках и показано:

• Температура стенки (футеровки) ЦП, необходимая для воспламенения КЖТ составляет 600-700°С;

• Рациональный температурный режим ЦП по условиям стабильного воспламенения и отсутствия шлакования при использовании КЖТ из углей марок Д, Г составляет: ядро факела- 900-И200 °С; температура в пристенной области-до 1000 °С; температура на выходе из ЦП- 900-1150 °С.

• Рекомендуемое теплонапряжение объема ЦП: qy^on=3,7±0,22 МВт/м3;

• Рекомендуемое теплонапряжение сечения ЦП: qf (jon=9,0±0,54 МВт/м2; Объем ЦП: Гдо=(0,27±0,13)-бдд;

• Диаметр ЦП мощностью до 12 МВт рекомендуется определять по формуле: £>да=(0,912±0,045уЧгцп, свыше 12 МВт: Am=(0,376±0,012)-V{?/i/7;

Длина ЦП: L=( 1,7±0,25)-DWI;

• Внешний диаметр аксиального завихрителя: ¿/акс=(0,32±0,02)-£>цл, при этом рекомендуется иметь ОцП <600 мм;

• Температуру выхода летучих, энергию активации летучих и кокса КЖТ из каменных углей марки Д в расчетах следует уменьшать по сравнению с исходным углем на 26-30 %, 33-37 % и 10-14 % соответственно. Ю.Рекомендуемая суммарная мощность ЦП для котлов большой мощности (до 820 т/ч), работающих на каменных углях марки Д, Г, составляет 30 % от мощности основных горелок. Для котлов малой мощности эта величина составляет 60-80 %. В соответствие с номенклатурой выпускаемых котлов и особенностями ЦП, наиболее рационально применять ЦП с тепловыми мощностями 7,5-21 МВт.

11. Капиталовложения в энергоблок с котлоагрегатом с ЦП для работы на КЖТ (не во всю станцию, без учета изыскательных и проектных работ) для мощностей 12...220 МВт лежат в диапазоне от 1293 до 1052 долл/кВт и в среднем на 15 % ниже капиталовложений в традиционные пылеугольные энергоблоки (1512...1243 долл/кВт). Удельные капиталовложения в ЦП практически не зависят от мощности энергоблока, составляют 2,1...5,4 % от капиталовложений в КА и оцениваются в 3500 $/МВт тепловой мощности ЦП. Снижение величины общих капиталовложений в энергоблок с КЖТ относительно традиционных пылеугольных энергоблоков обусловлено снижением капиталовложений в КА (на 19 %), систему топливоподачи и топливоприготовления (на 22%), природоохранные системы (на 45%).

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

Публикации в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы научные результаты на соискание ученой степени кандидата наук 1. Цепенок, А.И. Исследование процессов горения искусственного композитного жидкого топлива в циклонном предтопке / А.И. Цепенок, Ю.В. Овчинников, Ю.В. Стрижко и др. // Энергетик. 2011.- № 7 - с. 45-47.

2. Цепенок, А.И. Исследование воспламеняемости твердых топлив и ИКЖТ / Ю.В. Овчинников, А.И. Цепенок, А.В. Шихотинов и др. // Доклады АН ВШ РФ. 2011.-№ 1(16).-с. 117-126.

Отраслевые издания, патенты и материалы конференций

3. Цепенок, А.И. Исследование процессов горения ИКЖТ (искусственного композитного жидкого топлива) в циклонном предтопке / А.И. Цепенок, Ю.В. Овчинников, Ю.В. Стрижко // Сборник тезисов докладов первого международного научно-технического «Энергетика в глобальном мире»: Красноярск, Июнь 16-18.-2010.-с. 370-371.

4. Цепенок, А.И. Приготовление и сжигание водоугольного топлива в различных топочных устройствах / А.И. Цепенок, С.В. Луценко, Ф.А. Серант и др. // Proceedings Ith International Conference Thermal Power and Sustainable Development (TENOR 2010): Uglevik, Republic of Bosnia and Herzegovina, November 21-23. - 2010. - P. 61-68.

5. Tsepenok, A.I. Preparation of Coal-Water Slurry and power units for its combustion / A.I. Tsepenok, S.V. Lutsenko, Yu.V. Ovchinnikov, F.A. Serant // TERMOteh-nika - Scientific and technical journal of the Society of thermal engineers of Serbia: Belgrade, Serbia. - 2011. - P. 169 - 181. [Приготовление водоугольной суспензии и энергетические установки для ее сжигания]

6. Цепенок, А.И. Стенд для экспериментального исследования сжигания ИКЖТ в топочно-горелочных устройствах и исследование сжигания топлива / А.В. Шихотинов, Ю.В. Овчинников, А.И. Цепенок // XVII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» / Сборник трудов в 3-х томах. Т.З. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - с. 285-286.

7. Цепенок, А.И. Приготовление водоугольного топлива и технологии его сжигания / Ф.А. Серант, А.И. Цепенок, Ю.В. Овчинников и др. // Международная конференция «Современная наука: идеи, исследования, результаты, технологии». Сборник научных статей №1 (6): Алушта, Украина, Июнь 02-06. - 2011. -с. 95-101.

8. Tsepenok, A.I. Calculating analysis of firing different composition artificial coal liquid fuels (ACLF) in the cyclone primary furnace / A.I. Tsepenok, Yu.V. Ovchinnikov, F.A. Serant // Proceedings 7th International Symposium on Coal Combustion: Harbin, China, July 17-20. - 2011. - p. 507-511. [Расчетные исследования по сжиганию искусственных композиционных жидких топлив (ИКЖТ) различного состава в циклонном предтопке]

9. Цепенок, А.И. Растопочная угольная горелка : пат. 2466331 Рос. Федерация : МПК F23D1/02, F23Q13/00, F23D14/12 / А.И. Цепенок, Ф.А. Серант, А.Р. Кври-вишвили; патентообладатель ЗАО «ЗиО-КОТЭС» - №2011143344/06; заявл. 26.10.11; опубл. 10.11.12.

10. Цепенок, А.И. Численные исследования сжигания композитного водоугольного топлива в котле типа ДКВр-20-13 / А.И. Цепенок, Ю.В. Овчинников, С.В. Луценко и др. // VIII Всероссийская конференция с международным участием «Горение твердого топлива» / Сборник трудов: Новосибирск, Ноябрь 12-16.-2012.-с. 102.1-102.9.

Отпечатано в типографии Новосибирского Государственного технического университета 630073, г.Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Тел./факс (383) 346-08-57 Формат 60 х 84/16. Объем 1.5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 1414. Подписано в печать 31.10.2013 г.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Цепенок Алексей Иванович

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ТЭС КАВИТАЦИОННОГО ЖИДКОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

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

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201450348

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Овчинников Ю.В.

Новосибирск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ГОТОВНОСТЬ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ТЭС КАВИТАЦИОННОГО ЖИДКОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА......................................................................10

1.1 Предпосылки использования КЖТ на ТЭС.............................................10

1.2 Перспективные схемы использования КЖТ на ТЭС..............................10

1.3 Технологическая готовность оборудования схемы использования

КЖТ.....................................................................................................................25

1.4 Выводы и задачи исследования.................................................................28

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ......................................................30

2.1 Методика экспериментального исследования сжигания КЖТ...............30

2.1.1 Материальные балансы.......................................................................30

2.1.2 Энергобалансы.....................................................................................32

2.1.3 Принципиальная схема измерений....................................................39

2.1.4 Оценка погрешностей.........................................................................39

2.2 Методика численного исследования сжигания КЖТ..............................42

2.2.1 Формирование исходных данных растопочного топлива и КЖТ..44

2.22 Методика расчета................................................................................49

2.2.3 Методика анализа результатов..........................................................58

2.3 Методика оценки технико-экономических показателей новой

технологии использования КЖТ на ТЭС........................................................59

2.3.1 Капиталовложения в котлоагрегат.....................................................59

2.3.2 Оценка капиталовложений в технические системы и

сопутствующее оборудование......................................................................60

2.4 Выводы.........................................................................................................63

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЦИКЛОННОГО ПРЕДТОПКА, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СЖИГАНИЯ КЖТ.................................................................................................65

3.1 Выбор и обоснование конструктивно-компоновочных параметров циклонного предтопка для сжигания КЖТ.....................................................65

3.2 Описание экспериментальной установки с циклонным предтопком для сжигания КЖТ............................................................................................68

3.3 Выбор и обоснование конструктивно-компоновочных и расходно-термодинамических параметров циклонного предтопка..............................85

3.4 Выводы.......................................................................................................123

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КЖТ НА ТЭС.......................125

4.1 Результаты расчета капиталовложений в КА.........................................129

4.2 Результаты расчета капиталовложений в технические системы и агрегаты и энергоблок в целом......................................................................132

4.3 Выводы.......................................................................................................135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................136

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ...............................................136

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 (Установки по сжиганию водоугольных топлив и

муфельные предтопки)........................................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 (Порядок подготовки и проведения экспериментальных

исследований)......................................................................................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 (Акты об использовании результатов работы).................170

ВВЕДЕНИЕ

По мнению большинства специалистов, уголь в XXI веке сохранит и укрепит позиции основного источника производства электроэнергии [1...3]. Мировые запасы угля позволяют обеспечить потребности человечества в энергии на протяжении, по крайней мере, 250 лет. Запасы газа оцениваются на 35...60 лет, нефти — на 25...50 лет [4...6]. В соответствии с данными EIA International Energy Outlook (1998 г.) среди всех источников производства электроэнергии в мире уголь составляет 36 %, являясь во многих странах основой крупной энергетики [1], при этом ведется работа по повышению эффективности угольных ТЭС и снижению их воздействия на окружающую среду.

В России, как и во всем мире, наметилась тенденция в энергетике по перераспределению топливного баланса в пользу угля относительно нефти и газа. В соответствии с энергетической стратегией на период до 2020 г. производство и потребление энергетических ресурсов в России, несмотря на намечаемые меры в сфере энергосбережения, будут возрастать. При общем росте энергопотребления на 13...35 %, потребление угля увеличится на 21...54 % [7, 8]. Предполагается новый ввод мощностей на угольных ТЭС 10716 МВт с КПД не менее 38%. Новый ввод мощностей ТЭС в Восточной Сибири до 2020 г. прогнозируется на уровне 4,9-^-12,2 млн. кВт, из них до 6,0 млн. кВт экспортных ТЭС, основной прирост потребления топлива будет происходить за счет угля [9].

В такой ситуации логичным решением должно являться полномасштабное техническое перевооружение энергетики, основанное на замещении оборудования, выработавшего свой ресурс, оборудованием нового поколения. Экологические проблемы, возникающие при использовании угольного топлива, требуют разработки и внедрения новых технологий, которые вместе с экономической эффективностью обеспечивали бы существенный экологический эффект с максимально высокой полнотой использования добытого топлива [10, 11].

Поддержание работы существующего оборудования на качественном уровне также требует применения новых технологий использования углей на энергоблоках ТЭС. Одновременно необходимо повышать эффективность использования углей на пиковых и пусковых котельных ТЭС, так как КПД водогрейных и паровых котлов средней и малой производительности в связи с неэффективностью сжигания редко превышает 6(Н70 % [11].

Одним из эффективных методов улучшения экологических показателей ТЭС и общей обстановки в регионе при обеспечении высоких КПД угольных энергоблоков является переход от традиционных технологий использования угля к новым технологиям его использования в виде кавитаци-онного жидкоугольного топлива (КЖТ). КЖТ является логичной стадией развития технологии водоугольных топлив (ВУТ, ВУС, ВВУС, ЭКОВУТ, КаВУТ, ИКЖТ, КЖТ [11...22]). Водоугольные топлива во многих случаях имеют более универсальные свойства по сравнению с твердыми и жидкими видами топлив, так как обладают качествами, как первого, так и второго вида, низкотоксичны во всех технологических операциях: приготовление, транспортирование, хранение, использование. Потенциал использования КЖТ обусловлен большой географией распространения и огромными запасами угольного топлива [11].

Развитие технологий использования водоугольных топлив в электроэнергетике в развитых странах производится по следующим направлениям:

• ПТУ с внутрицикловой газификацией ВУТ (полученный из ВУТ синтез-газ сжигается в камере сгорания ГТУ);

• ПТУ с прямым сжиганием глубокодеминерализованного ВУТ (ВУТ сжигается в специальных камерах сгорания ГТУ);

• Паротурбинные установки со сжиганием ВУТ в паровом котле (ВУТ сжигается в ограниченном диапазоне нагрузок или совместно с другим видом топлива).

Развитием технологий использования КЖТ в паротурбинных установках является создание специальных горелочных устройств для энергетиче-

ских котлов, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели работы котла и ТЭС в целом. Такие горелочные устройства в соответствии с принципом их работы предлагается называть циклонными предтопками

(ЦП).

Целью диссертации является разработка, исследование новой технологии использования на ТЭС кавитационного жидкоугольного топлива, разработка методических подходов, математических моделей, методов расчета, рекомендаций по выбору конструктивно-компоновочных и расходно-термодинамических параметров новой технологии.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:

1. Разработанная методика исследования новой технологии использования на ТЭС КЖТ, которая отличается от известных тем, что учитывает изменение энергии активации, особенности горения КЖТ и требования по установке циклонных предтопков.

2. Разработанные методики исследования, расчетов конструктивно-компоновочных, расходно-термодинамических и технико-экономических параметров циклонных предтопков для работы на КЖТ, которые определяют особенности факельного сжигания КЖТ в камерных топках котлов.

3. Предложенная расчетная модель горения КЖТ в топках котлов на основе использования математических моделей CFD (Computational Fluid Dynamics1), в которых сформирован алгоритм расчета.

4. Разработанные конструктивно-компоновочные параметры циклонных предтопков, защищенные Патентом РФ.

5. Разработанные параметры режимов горения КЖТ в циклонных предтопках.

Методы исследования: расчетно-аналитические, экспериментальные методы, методы расходного и энергетического балансов, математического моделирования. Примечание:

1 «Вычислительная гидрогазодинамика» (в переводе с англ.).

Практическая значимость и использование результатов работы.

Разработанная методика, методический подход, математическая модель и алгоритмы позволяют получать конструктивно-компоновочные параметры циклонных предтопков для сжигания КЖТ, определять влияние параметров циклонных предтопков на эффективность сжигания, устанавливать рациональный диапазон мощностей циклонных предтопков. Рассчитанные параметры циклонных предтопков для котлов могут служить информационной базой для дальнейших исследований и проработки опытно-промышленных установок.

Результаты работы использованы в организациях ЗАО «ЗиО-КОТЭС», ООО НПП «Росток» для проектирования энергетических установок по использованию КЖТ, исследования технологии использования КЖТ на экспериментальном стенде, разработки оборудования по применению КЖТ на ТЭС; в учебном процессе НГТУ для подготовки студентов дневной формы обучения по и магистрантов по специальности 140100 — «Теплоэнергетика и теплотехника».

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается использованием разработанных методик (основанных на экспериментальных данных и нормативных методах), фундаментальных закономерностей технической термодинамики, гидрогазодинамики, теплопередачи. Математические модели и математическое моделирование базируются на методах, апробированных и хорошо себя зарекомендовавших при решении ряда других задач подобного класса.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на: Международном научно-техническом конгрессе «Энергетика в глобальном мире» (г. Красноярск, СФУ, 2010г.); международной конференции «I International conference thermal power and sustainable development. TENOR 2010» (Босния и Герцеговина, г.Углевик, 2010г.); Всероссийской конференции- конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов (г.Томск, ТГГУ, 2011г.); международной конференции «Современная наука: идеи, ис-

следования, результаты, технологии» (Украина, г.Алушта, 2011г.); международном симпозиуме «7th International Symposium on Coal Combustion» (Китай, г.Харбин, 2011г.); VIII Всероссийской конференции с международным участием «Горение твердого топлива» (г.Новосибирск, СО РАН институт Теплофизики, 2012г.); в рамках научных сессий НГТУ и расширенного семинара кафедры ТЭС НГТУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них: 2 научных статьи - в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы научные результаты на соискание ученой степени кандидата наук, 1 - патент РФ, 2 — в зарубежных сборниках научных трудов, 5 - в сборниках трудов и материалах всероссийских и международных конференций.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и приложений. Основной текст изложен на 153 страницах и содержит 73 рисунка, 33 таблицы, список используемых источников из 131 наименования. Общий объем- 173 страницы.

В первой главе выполнен обзор схем использования КЖТ на ТЭС, предлагается схема паротурбинного энергоблока, показана ее перспективность и технологическая готовность и обосновывается актуальность исследований предложенной схемы. На основании проведенного анализа сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе изложены методики и особенности экспериментального и численного исследования сжигания КЖТ в циклонном предтопке с определением показателей эффективности сжигания, теплового расчета с определением конструктивно-компоновочных параметров циклонного пред-топка. Предложена расчетная модель КЖТ из кузнецких каменных углей для CFD-программного комплекса ANSYS Fluent.

В третьей главе произведено обоснование выбора конструктивно-компоновочных и расходно-термодинамических параметров циклонного предтопка для исследований, рассмотрено влияние геометрических характе-

ристик циклонного предтопка на его аэродинамику. Проверена и подтверждена экспериментальными данными модель КЖТ для СБО-программ. Приведены результаты расчета расходно-термодинамических и конструктивно-компоновочных параметров циклонного предтопка и их анализ. Установлены ограничения по тепловым характеристикам циклонных предтопков. Проведена оценка рациональной тепловой мощности циклонных предтопков для энергетических котлов большой и малой мощности.

В четвертой главе приведены результаты оценки капиталовложений в циклонные предтопки, технические системы и в целом в ТЭС с новой технологией использования КЖТ.

В заключении приведены выводы и разработанные рекомендации по выбору конструктивно-компоновочных и расходно-термодинамических параметров и рациональному диапазону мощностей циклонных предтопков.

В приложениях приведены характеристики и описание установок по сжиганию водоугольных топлив, различные конструкции муфелизированных камер сжигания, а также порядок подготовки и проведения экспериментальных исследований.

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ГОТОВНОСТЬ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ТЭС КАВИТАЦИОННОГО ЖИДКОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

1.1 Предпосылки использования КЖТ на ТЭС

Намеченное увеличение доли использования угля в ближайшие десятилетия в энергетике России совместно с экологическими проблемами использования угольного топлива требуют разработки и внедрения новых экономически и экологически эффективных технологий.

Одной из перспективных технологий использования КЖТ на ТЭС, наряду с технически сложными и затратными угольными ПГУ, является технология использования КЖТ в паротурбинных ТЭС с его факельным сжиганием в котлах, оснащенных циклонными предтопками. Применение такой технологии позволяет получить существенный экологический эффект с уровнем выбросов оксидов азота (Ж)х) не более 200-^-250 мг/нм [22], недостижимым для существующих пылеугольных паротурбинных энергоблоков без использования дорогостоящих и технически сложных очистных установок.

1.2 Перспективные схемы использования КЖТ на ТЭС

Более 100 научных организаций, производственных фирм и корпораций в США, Австралии, Швеции, Великобритании, Китае, Японии, Канаде, Италии и ряде других стран было привлечено в период 1979-1984 годов к изучению и внедрению водоугольного топлива. На базе их были созданы крупные международные корпорации, создавшие многочисленные составы и технологии использования ВУТ и КЖТ. Работы по совершенствованию и внедрению КЖТ не прекращаются в Японии, Австралии, Италии, США, Китае и других странах [11].

Большое внимание отечественными и зарубежными учеными уделено вопросу использования гидротранспорта ВУТ. В Японии от станции приготовления до ТЭС ВУТ подавалось по трубопроводу диаметром 400 мм дли-

ной 9 км [11, 23]. В Италии фирма «Snamprodgetti» активно пропагандировала транспортирование ВУТ по трубопроводу, как возможность экологически чистой доставки угля на большие расстояния. В соответствии с канадско-германским соглашением по разработке ВУТ осуществлено его гидротранспортирование к пилотной установке [24, 25]. В разработках технологий ВУТ в США основное внимание уделялось именно гидротранспорту ВУТ к месту потребления. Эксплуатировавшиеся в США гидротранспортные комплексы «Cadiz East Lake» (173 км., 1,25 млн. т/год) и «Black Mesa» (439 км., 4,6 млн. т/год) подавали измельченный смешанный с водой уголь (содержание твердой фазы 46+48 %, средняя зольность 9,8 %) в турбулентном режиме со скоростью 1,5+1,7 м/с потребителю [11, 26]. В СССР острую проблему с перевозкой угля из вос�