автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка механогидравлических систем золошлакоудаления ТЭС с открытыми винтовыми конвейерами

На правах рукописи

ЛИВШИЦ СЕМЕН АЛЕКСАНДРОВИЧ

Разработка механогидравлических систем золошлакоудаления ТЭС с открытыми винтовыми конвейерами

Специальность 05.14.14- "Тепловые электрические станции, их

энергетические системы и агрегаты"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань-2003 г.

Диссертация выполнена на кафедре "Промышленная теплоэнергетика" Казанского государственного энергетического университета.

Научный руководитель член-корреспондент РАН, доктор

технических наук, профессор Назмеев Юрий Гаязович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Зиннатуллин Назиф Хатмулович

кандидат технических наук Шинкевич Татьяна Олеговна

Ведущая организация:

Инженерный центр "Энергопрогресс" ГУП ПЭО "Татэнерго".

Защита состоится " 2 " июля 2003 г. в 14 98 часов в аудитории Б-214 на заседании диссертационного совета Д212.082.02 при Казанском государственном энергетическом университете.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 420066, Казань, ул. Красносельская д.51, Ученый совет КГЭУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГЭУ.

Автореферат разослан "31" мая 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.082.02 д.т.н., профессор

Гильфанов К. X.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Традиционные источники энергии, по прогнозам специалистов, будут еще достаточно долгое время играть важную роль в топливно-энергетическом балансе нашей страны. Если говорить о ТЭС, то предполагается, что они в основном будут работать на твердом топливе.

В энергетике, как и в любой отрасли промышленности, сегодня важен экологический аспект. Тепловые электрические станции, работающие на твёрдом топливе, зачастую используют низкосортное многозольное топливо, при сжигании которого образуется большое количество золошлаковых отходов. В настоящее время в большинстве случаев их удаление производится с помощью гидравлических схем.

Места складирования золошлаковых материалов выбираются, как правило, вблизи тепловых электрических станций, для этой цели обычно используются бросовые, неудобные для сельского хозяйства земли. Если для районных электрических станций, расположенных сравнительно далеко от населенных пунктов, вопрос о местоположении золоотвалов решается относительно просто, то для электрических станций, построенных в черте больших городов или в непосредственной близости от них, вопрос нахождения места под складирование шлаковых материалов встает достаточно остро. В этом случае, вследствие ограниченности площадей золоотвалов и значительной их приближенности к жилым микрорайонам, встает вопрос о замене "мало экологичного" гидравлического способа транспортировки шлаковых материалов другими, более безопасными в экологическом аспекте способами.

Другая важнейшая проблема, возникающая при использовании гидравлического способа золошлакоудаления - большое количество золошлаковых отходов (ЗШО), скопившихся на золоотвалах. Эта проблема проистекает из того, что в случае удаления гидравлическим способом золошлаковый материал теряет свои ценные качества, позволяющие использовать его в народном хозяйстве, в первую очередь - в строительстве, поэтому использование ЗШО невелико и не превышает в настоящее время 4% от общего выхода. В силу недостаточного использования продолжается накопление ЗШО на золошлакоотвалах, а площадь земель, отведенная.под них, неуклонно растет. • - национальная

| БИБЛИОТЕКА ! С. ПетербургА »-1

1 09 300 ъхМд {

Кроме того, выполнение некоторых операций в процессе золошлакоудаления происходит вручную, в связи с чем, нередки, случаи внутрицехового травматизма.

Все это подтверждает актуальность существующих' проблем на ТЭС и необходимость поиска других, более эффективных способов золошлакоудаления. •

К способам золошлакоудаления; которые могут быть использованы при реконструкции систем гидрозолоудаления (ГЗУ) существующих станций и проектировании новых, необходимо предъявлять следующие требования:

- безопасность работы и обеспечение нормальных санитарно -гигиенических условий труда для персонала;

- сокращение негативного воздействия на окружающую среду;

- минимизация расходов на систему золошлакоудаления;

- возможность дальнейшего использования шлаков и золы;

- уменьшение площадей золоотвалов.

В настоящей работе вместо традиционного гидравлического способа ГЗУ предлагается применение на тепловых электрических станциях механогидравлического способа золошлакоудаления на базе винтовых конвейеров, устанавливаемых в уже имеющиеся и-образные каналы, что более полно удовлетворяет вышеуказанным требованиям.

Работа выполнялась в рамках Научно - технической программы Министерства образования Российской Федерации «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (шифр работы 01.01.053).

Целью данной работы является следующее:

1) разработка внутрицеховой системы механогидравлического золошлакоудаления с винтовыми и-образными открытыми конвейерами;

2) разработка и исследование математической модели движения дисперсного золошлакового материала в открытом винтовом конвейере с и-образным кожухом в условиях пристенного скольжения;

3) апробация и оценка адекватности математической модели и метода ее реализации.

4) разработка рекомендаций по повышению эффективности работы существующих гидравлических систем золошлакоудаления ТЭС.

Научная новизна состоит в разработке внутрицеховой системы механогидравлического золошлакоудаления с винтовыми конвейерами, устанавливаемыми в и-образные каналы ГЗУ, существующих электростанций; в разработке математической модели движения потока дисперсной среды с учетом пристенного скольжения в винтовом конвейере с Ьт-образным кожухом.

На основе полученной математической модели разработаны алгоритм и методика расчета открытых винтовых конвейеров систем ГЗУ, выполнен комплекс численных исследований и проведен анализ эффективности предлагаемой системы золошлакоудаления.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

1. предложенная математическая модель движения дисперсного золошлакового материала в винтовом конвейере с и-образным кожухом и созданные на ее основе программа и методика расчета позволяют определять возможные режимы работы и разрабатывать рекомендации по реконструкции существующих гидравлических систем золошлакоудаления ТЭС;

2. методика расчета использована при разработке технического задания на реконструкцию гидравлической системы золошлакоудаления Казанской ТЭЦ-2;

3. предложенные рекомендации по модернизации систем золошлакоудаления позволяют уменьшить долю затрат электроэнергии и водных ресурсов на собственные нужды станций и снизить негативное воздействие систем золошлакоудаления на окружающую среду;

4. полученные результаты могут быть использованы в учебном процессе при чтении лекций, проведении лабораторных работ по курсам "Тепловые электрические "станции" и "Вспомогательное оборудование ТЭС", при дипломном и курсовом проектировании.

Автор защищает математическую модель и методику численного исследования движения сплошного потока сыпучего материала в винтовых каналах с и-образным кожухом с учетом пристенного скольжения; результаты теоретического исследования режимов работы винтовых конвейеров при транспортировании золошлаковых материалов и выработанные на их основе рекомендации по повышению эффективности работы гидравлических систем золошлакоудаления; технологическую схему внутрицехового механогидравлического золошлакоудаления ТЭС на базе открытых винтовых конвейеров с и-образным кожухом.

• Личное участие. Все основные результаты работы получены лично автором под научным руководством член-корреспондента РАН Ю.Г. Назмеева.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на следующих конференциях:

IV научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов Республики Татарстан, Казань, 2001.

Российский национальный симпозиум по энергетике, Казань, 2001 г.

Всероссийская школа-семинар молодых ученых и специалистов Казань, 2002;

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Объем работы. Диссертация изложена на 105 страницах и состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка литературы из 103 наименований. Иллюстрационный материал содержит 43 рисунка и 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы разработки и модернизации гидравлических систем золошлакоудаления ТЭС при помощи открытых винтовых конвейеров и формулируется цель работы.

В первой главе рассматриваются достоинства и недостатки существующих систем золошлакоудаления тепловых электростанций. Рассмотрены всевозможные математические модели, используемые при моделировании процессов движения сыпучих материалов в винтовых конвейерах с позиций механики сплошной среды, а также рассмотрено влияние эффекта пристенного скольжения на границах каналов на реологические характеристики сыпучих материалов.

В результате сделаны следующие выводы:

1) наибольшее распространение на ТЭЦ, работающих на твердом топливе, получили гидравлические системы золошлакоудаления. Однако при их работе имеется ряд недостатков: большой расход воды, отведение значительных площадей земельных угодий под золоотвалы, сброс сточных вод в водоемы. В связи с этими факторами большее взимание стало уделяться поиску способов и методов повышения эффективности гидравлических систем золошлакоудаления. Одним из возможных

вариантов является реконструкция существующих гидравлических систем золошлакоудаления при помощи открытых винтовых конвейеров, устанавливаемых в имеющиеся U-образные каналы;

2) в настоящее время отсутствуют методики расчета механо-гидравлических систем золошлакоудаления с открытыми конвейерами;

3) для выбора оптимальных геометрических характеристик и режимов работы открытых винтовых конвейеров при удалении золошлакового материала требуется проведение теоретических исследований.

Во второй главе построена математическая модель движения потока дисперсной среды в винтовом конвейере с U-образным кожухом.

Если ранее, при построении математических моделей для подобного класса задач использовались винтовые координаты q1, q2, q3, которые связаны с цилиндрическими следующими соотношениями:

i 2 2я з , .

я =г, q =ф-уz, q -z. (1)

где S - шаг винта,

то в данной работе введены новые координаты связанные с

винтовыми следующим образом:

T=t, S2 = q2±co0t> £3=q3T^-t. (2)

k

. 2it

где ю0- угловая скорость вращения винта; к=—.

S

Введение таких координат позволяет учесть специфику поставленной задачи, перейти от нестационарной задачи к стационарной и упрощает запись граничных условий, сохраняя компактность математической формулировки задачи.

Система уравнений движения и неразрывности имеет вид:

{

dV - — — + grad V • V 8t 5

= -grad^ +div{n{l2)-B), (3)

divV=0. (4)

где р - насыпная плотность материала; В - кинематический тензор 1-го порядка Уайта-Метцнера; ц- эффективная вязкость материала; 12 - второй инвариант тензора скоростей деформации; Р * - рабочее давление.

Граничные и начальные условия предложены следующие:

и.

ч

\ Ч ж,

эю /

«Г1 с

3

Рис. 1. Граничные поверхности винтового конвейера с и-образным кожухом 1. На поверхности рабочего 8К0 органа принимаются условия скольжения:

^-^Жо=(у-У5).п|Жо=0,

(5)

Мэко—^ХЧ-ЧЛ-т.

где скорость движения точек на поверхности рабочего органа; п- нормаль к поверхности; х - касательный вектор к поверхности; Уп- нормальная составляющая; V.- касательная составляющая;

касательная составляющая силы на дК0; Л(12) - коэффициент проскальзывания материала на стенке канала.

2. На поверхности и - образного открытого кожуха дК{ также принимаются условия скольжения сыпучего материала вдоль стенок канала:

(6)

3. На свободной границе задаются следующие условия: =0,

ткс

(7)

рАакс ~~ро>

где Р0 - атмосферное давление;

4. На входе в канал полностью задано поле скоростей: VI =Ч)(я;,1).

1с|3 —соявс ' >

Перейдя к новым координатам и учитывая тот факт, что

д1 дх а + а^1 а* + а + а^3 81 дт ю° д^2 к с^3 '

Система уравнений движения и неразрывности после соответствующих преобразований примет вид:

Р1:± юо * -г—т + + — ^

Ч2 к зе1

-А

+ У-,

ЭГ, ¿Г2

Ч3" ;

+ Г,

Ч3

52К Л д2У Э2К , 52К, 4 сГ7 2 ЭК 2К

-к-

Г-) ¿. иг! ¿¡У 1 " Н--г-г-Т-5гк

41)2 (^э^2)2 № (г^2 ДО

(10)

а^ а^3 а^2 э^ а^2 а^11

к ЗК2_«>0ЭК2

°8Е,2 к де

а?

Г,+

-к

д? \

+ У,

Д3

+ к,

эк2 д3

V

/г ч Э2К д2У2 2А д2У2 1 ЭК2 3 ЭК, , Э2К3 + ц(/2Н-Г-ГГ + -, г- + , , г---Г-Г + —-т-к-

41)2 ^ч2

\ д\1 дУх | Эц ак2 2Г2 5ц | 2А Эц ЭК, | 2К, 5ц 2к 5ц ЭК2

+[э^1 э^2 + а^1 а^1 э^1 + а^2 э^2 + ^ э^2 а?2 а^2

а^2а^3 а^2а^2 а^3а^2/'

(и)

П. Я,2 к а^3

эк3 *к2

4'

К, +

1лг

д2

-

-к

+ К,

Д3

- + к211Ух

+ К,

3

дР_

, \ [ 82У} 2к дУ2 1 к ЭК, 1 дУх 1 8У3 А д2У3 ] 1Щ + д^Щ _2кУгд^ + А д»дУ2 + -4 ф + ^£ 5ц _

(12)

а$3а^3 а^а^3]'

_1__а_

ар

л д'р'

-2к

д2р' д2Р*

43)2 43

-р Ш

„«1 зЧ л __

8% Ау 8% ^

дЛ+

с^д^3

д\

1 д% | 1 у 8% 1 у 82У2

ее^3 е ч^3 ?

щ

8Е,2

2 г,

2э^3 а^1 2 8^8? 2 ФУ а^1 ? а^1)2 51 Ч3 Ч1 Ч'а!;3 '¿ф)2

Ч1 Ч2 а^1)2 а(^2)Р . ....... .........

132У7

2К2 ак2 2(к2)2 , аг, аг2 , аг, аг3 а2 (дУ2)2 1глл: аг2 ак3 аг2 2Л£ аг2 аг2 2л аг2 аг3 1 у

а§2 а^3

а^2 а^3

ду

\2

№

^ д£, ч^3;

VI

Изменится также и запись начальных и граничных условий.

Таким образом, задачу движения сплошного потока дисперсного материала в винтовом конвейере с и-образным кожухом удалось свести к решению системы дифференциальных уравнений (10)-(13) с полностью определенными начальными и граничными условиями.

Третья глава посвящена построению алгоритма и разработке численной методики решения задачи движения дисперсного материала в и-образном винтовом конвейере.

Алгоритм решения данной задачи состоит из следующих блоков: Блок 1.

Блок 2. Блок 3.

Блок 4.

Блок 5. Блок б.

Блок 7. Блок 8. Блок 9.

Приведены также результаты численных исследований, анализ которых выявил следующее.

При уменьшении шага винта увеличиваются компоненты вектора скорости, причем если VI и У2 меняются незначительно, то изменение Уз в радиальном сечении обратно пропорционально изменению шага винта рис 2.

Определение значений компонент вектора скорости и

давления на входе в канал.

Переход к следующему приближению.

Решение системы дифференциальных уравнений (10) - (13) с начальными и граничными условиями. 8?

Вычисление а = —г, с помощью уравнения (13). д?

Вычисление р = —-, с помощью уравнения (3).

Сравнение значения аир. Если они не совпадают, то свободная граница определена неверно, и переход к блоку 7. Если же а = р, то свободная граница определена правильно, и совершается переход к блоку 8.

Корректировка свободной границы, т.е. изменение высоты насыпки дисперсного материала.

Проверка: = Ь. Если нет, то возврат к блоку 2. Если конец конвейера достигнут, то переход к пункту 9. Вывод результатов.

V, V

I

0,75 0,5 0,25

\3

л_ _ \ 4 2------- -------- ------

о

0,35 0,7 1,05 1,4 1.75

Рис.2. Значение Уз в радиальном сечении 1-сечение СИ при шаге винта равном 0,3м., 2-сечение ОТ при шаге винта равном 0,3м, 3-сечение 01 при шаге винта равном 0,2м., 4-сечение ОТ при шаге винта равном 0,2м.

С увеличением высоты насыпки происходит уменьшение компонент

вектора скорости Уь У2 У3 в радиальных сечениях рис. 3,4,5.

Ъ

V

0.03 0,015

2

035 0,7 1,05 1.4

Рис.3. График У( в радиальном сечении ОТ 1 - высота насыпки 0,2м 2 - высота насыпки 0,05м.

R-.Ro

0,8 0,4

'*! >

1,2

Рис.4. График У2 в радиальном сечении ОТ - высота насыпки 0,2м 2 - высота насыпки 0,05м.

0,15

035 0,7 1,05

Рис.5. График У3 в радиальном сечении ОТ 1 - высота насыпки 0,2м 2 - высота насыпки 0,05м.

Это объясняется тем, что в случае высокой насыпки происходит увеличение рабочего давления, что и приводит к более быстрому уменьшению компонент вектора скорости.

Производительность винтового конвейера определяется по формуле: <3= Л(у.ф! . (14)

дП ■ ■

и зависит от высоты насыпки (рис. 6.) ,

Рп сс*

0,02 0,05 ОД 0,15 Нм Рис.6. График зависимости производительности конвейера от высоты насыпки.

1 - угловая скорость 20 об/мин.

2 - угловая скорость 12 об/мин.

3 - угловая скорость 6 об/мин.

При больших значениях угловой скорости уменьшение производительности конвейера в зависимости от высоты насыпки происходит быстрее.

Расхождение производительности винтового конвейера, вычисленной при помощи программы и полученной инженерными методами, не превышает десяти процентов.

Четвертая глава посвящена разработке механогидравлической системы золошлакоудаления с открытыми и-образными винтовыми конвейерами и ее технико-экономическому анализу (на примере Казанской ТЭЦ-2).

На рис.6 показана принципиальная схема системы совместного внутрицехового золошлакоудаления.

1 - золоуловитель типа МП-ВТИ; 2 - центральный золовой канал; 3 - шлаковые шахты котлов; 4 -установка для непрерывного удаления и дробления шлака ; 5 - шлаковая ванна котла, 6 - элеюро-двигатели; 7 - водоотводящая камера; 8 - винтовой конвейер с 11-образным кожухом; 9 - трубопровод осветленной воды; 10 - сборный бункер шламовой воды, 11 - шлакодробнпка, 12 - багерный насос.

При использовании механогидравлической схемы золошлакоудаления на базе винтовых и-образных конвейеров уменьшается расход воды на орошение и исключается расход воды на побудительные сопла, установленные в настоящее время в каналах шлакоудаления. Это приводит к повышению концентрации пульпы перед багерным насосом, уменьшению общего расхода золошлаковой пульпы для систем совместного золошлакоудаления.

Таким образом, в механогидравлических схемах золошлакоудаления с открытыми и-образными винтовыми конвейерами возможно применение смывных и багерных насосов меньшей производительности и, соответственно, меньшей мощности электродвигателей.

Суммарная мощность, потребляемая всеми конвейерами при удалении шлака на Казанской ТЭЦ-2 с учетом коэффициента внутренних потерь в материале и КПД привода, составит 18,5 кВт-ч.

Для оценки эффективности применения в гидравлических схемах золошлакоудаления открытых винтовых и-образных конвейерах на примере Казанской ТЭЦ-2 проведен расчет технико-экономических показателей с использованием результатов, полученных при численных исследованиях математической модели, рассмотренной в гл. 2 и алгоритма приведенного в гл. 3.

Кроме того, внедрение предлагаемой схемы позволит существенно снизить негативное воздействие на окружающую среду вследствие уменьшения загрязнение водного бассейна на прилегающей к станции территории, а также снизить вероятность катастроф техногенного характера.

В заключении приводятся основные результаты и выводы:

1. Системы гидравлического золошлакоудаления тепловых электрических станций и котельных, широко применяемые в настоящее время, не удовлетворяют современным требованиям ресурсосбережения и охраны окружающей среды, что вызывает необходимость их замены или реконструкции, в том числе и при помощи механогидравлических систем совместного золошлакоудаления на базе открыть« винтовых конвейеров.

2. Разработана математическая модель движения потока дисперсной среды в винтовом конвейере с и-образным кожухом.

Адекватность ее реальным процессам подтверждена сравнением результатов численных исследований с результатами приведенными в литературных источниках, и с результатами инженерных расчетов.

3. Разработанный алгоритм позволяет провести анализ распределения полей вектора скорости при условии скольжения шлакового материала на границе канала и получить зависимость мощности конвейера от его производительности.

4. Разработанная математическая модель и методика, расчета механогидравлической схемы совместного золошлакоудаления на базе открытых винтовых конвейеров с U-образными кожухами дает возможность проектирования систем удаления золы и шлака с минимальными издержками по воде и электроэнергии без больших капиталовложений на модернизацию системы. Эффект достигается за счет увеличения концентрации и уменьшения общего расхода золошлаковой пульпы путем установки открытых винтовых конвейеров в уже имеющиеся каналы для транспортирования шлакового материала от шлаковых ванн до багерной насосной.

5. Разработана механогидравлическая схема золошлакоудаления на базе винтовых конвейеров с U-образным кожухом применительно к Казанской ТЭЦ-2.

6. Проведенный технико-экономический анализ разработанной схемы выявил, что экономический эффект от ее внедрения на Казанской ТЭЦ-2 составит:

1) от экономии электроэнергии - 580 тыс. руб./год;

2) от экономии добавочной технической воды - 55 тыс. руб./год;

- 3) срок окупаемости в течении двух лет.

1. Кроме экономического эффекта, внедрение механогидравлической схемы совместного золошлакоудаления на базе винтовых конвейеров позволит улучшить санитарные условия внутри котельного цеха, а также существенно снизит негативное воздействие на окружающую среду вследствие уменьшения загрязнения водного бассейна на прилегающих территориях.

* 1 0 93 9

(CP

Основное содержание работы изложено в следующих опубликованных

1. Лившиц С.А. Некоторые аспекты построения математических моделей при движении днсперсных сред в винтовых конвейерах. //Труды Российского национального симпозиума по энергетике. 1014 сентября 2001 г. Казань, Россия.

2. Лившиц С.А., Вачагина Е.К. Модернизация существующей схемы внутрицехового золошлакоудаления на Казанской ТЭЦ-2. //Труды Школы-семинара молодых ученых и специалистов. 2-4 октября 2002 г. Казань, Россия.

3. Лившиц С.А. Исследование движения потока дисперсных сред в винтовых конвейерах. //Труды Школы-семинара молодых ученых и специалистов. 2-4 октября 2002 г. Казань, Россия.

> I

4. Лившиц С.А., Вачагина Е.К. Математическая модель движения потока дисперсного материала в винтовом конвейере с и-образным кожухом // Проблемы энергетики. 2002. №7-8. С. 43-53.

5. Назмеев Ю.Г., Лившиц С.А. Модернизация гидравлических систем совместного золошлакоудаления при помощи открытых конвейеров. // Проблемы энергетики. 2002. №7-8. С. 54-62.

6. Лившиц С.А.. Алгоритм и результаты численного исследования задачи о движении дисперсного материала в и-образном винтовом конвейере. // Проблемы энергетики. 2003. №3-4. С. 128-131.

Изд. лиц. № 00743 от 28.08.2000 г.

Подписано к печати 30.05.2003 г. Формат 60x84/16

Гарнитура "Times" Вид печати РОМ Бумага офсетная

Физ.печ.л. 1.0 Усл.печл. 0.94 Уч.-издл 1.0

Тираж 100 экз. Заказ № 894

работах:

Типография КГЭУ 420066, Казань, Красносельская, 51

Введение.

Глава 1. Анализ состояния вопроса

1.1 Классификация и краткое описание систем золошлакоудаления.

1.2 Гидравлические системы золошлакоудаления.

1.3 Математическое моделирование процессов движения потока дисперсного материала в винтовом канале.

1.4 Выводы.

Глава 2. Математическая модель движения потока дисперсной среды в винтовом конвейере с и-образным кожухом

2.1. Основные допущения, система координат и реологическая модель среды.

2.2. Постановка задачи для винтового конвейера с Ц-образным кожухом.

Глава 3. Алгоритм, методика и результаты численного исследования задачи о движении дисперсного материала в и-образном винтовом конвейере

3.1 Алгоритм и методика решения задачи.

3.2 Результаты численных исследований.

Глава 4. Разработка механогидравлических систем золошлакоудаления с открытыми и-образными винтовыми конвейерами

4.1. Существующая схема гидравлического золошлакоуд аления.

4.2. Предлагаемая схема механогидравлического золошлакоудаления с открытыми и-образными винтовыми конвейерами.

4.3. Сравнение технико-экономических показателей существующей и предлагаемой схемы механогидравлического золошлакоудаления на примере Казанской ТЭЦ-2).

Актуальность темы.

Традиционные источники энергии, по прогнозам специалистов, будут еще достаточно долгое время играть важную роль в топливно-энергетическом балансе нашей страны. Если говорить о ТЭС, то предполагается, что они в основном будут работать на твердом топливе.

В энергетике, как и в любой отрасли промышленности, сегодня важен экологический аспект. Тепловые электрические станции, работающие на твёрдом топливе, зачастую используют низкосортное многозольное топливо, при сжигании которого образуется большое количество золошлаковых отходов. В настоящее время в большинстве случаев их удаление производится с помощью гидравлических схем.

Места складирования золошлаковых материалов выбираются, как правило, вблизи тепловых электрических станций, для этой цели обычно используются бросовые, неудобные для сельского хозяйства земли. Если для районных электрических станций, расположенных сравнительно далеко от населенных пунктов, вопрос о местоположении золоотвалов решается относительно просто, то для электрических станций, построенных в черте больших городов или в непосредственной близости от них, вопрос нахождения места под складирование шлаковых материалов встает достаточно остро. В этом случае, вследствие ограниченности площадей золоотвалов и значительной их приближенности к жилым микрорайонам, встает вопрос о реконструкция.

Другая важнейшая проблема, возникающая при использовании гидравлического способа золошлакоудаления - большое количество золошлаковых отходов (ЗШО), скопившихся на золоотвалах, так как при гидравлическом удалении золошлаковый материал теряет свои ценные качества, позволяющие использовать его в народном хозяйстве, в первую очередь - в строительстве. Поэтому использование ЗШО по-прежнему невелико и не превышает в настоящее время 4% от общего выхода. В силу недостаточного использования продолжается накопление ЗШО на золошлакоотвалах, а площадь земель, отведенная под них, неуклонно растет.

К способам золошлакоудаления, которые могут быть использованы при реконструкции систем гидрозолоудаления (ГЗУ) существующих станций и проектировании новых, необходимо предъявлять следующие требования: безопасность работы и обеспечение нормальных санитарно -гигиенических условий труда для персонала; сокращение негативного воздействия на окружающую среду; минимизация расходов на систему золошлакоудаления; возможность дальнейшего использования шлаков и золы; уменьшение площадей золоотвалов.

В настоящей работе вместо традиционного гидравлического способа ГЗУ предлагается применение на тепловых электрических станциях механогидравлического способа золошлакоудаления на базе открытых винтовых конвейеров, устанавливаемых в уже имеющиеся и-образные каналы, что более полно будет удовлетворять вышеуказанным требованиям.

Работа выполняется в соответствии с тематическим планом Научно -технической программы Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (шифр работы 01.01.053).

Делью данной работы является следующее:

1) разработка внутрицеховой системы механогидравлического золошлакоудаления с винтовыми и-образными открытыми конвейерами;

2) разработка и исследование математической модели движения дисперсного золошлакового материала в открытом винтовом конвейере с и-образным кожухом в условиях пристенного скольжения;

3) апробация и оценка адекватности математической модели и метода ее реализации.

4) разработка рекомендаций по повышению эффективности работы существующих гидравлических систем золошлакоудаления ТЭС.

Научная новизна состоит в разработке внутрицеховой системы механогидравлического золошлакоудаления с винтовыми конвейерами, устанавливаемыми в Ц-образные каналы ГЗУ существующих электростанций; в разработке математической модели движения потока дисперсной среды с учетом пристенного скольжения в винтовом конвейере с Ц-образным кожухом.

На основе полученной математической модели разработаны алгоритм и методика расчета открытых винтовых конвейеров систем ГЗУ, выполнен комплекс численных исследований и проведен анализ эффективности предлагаемой системы золошлакоудаления.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

1. предложенная математическая модель движения дисперсного золошлакового материала в винтовом конвейере с и-образным кожухом и созданные на ее основе программа и методика расчета позволяют находить режимы работы и разрабатывать рекомендации по реконструкции существующих гидравлических систем золошлакоудаления ТЭС;

2. методика расчета использована при разработке технического задания на реконструкцию гидравлической системы золошлакоудаления Казанской ТЭЦ-2;

3. предложенные рекомендации по модернизации систем золошлакоудаления позволяют уменьшить долю затрат электроэнергии и водных ресурсов на собственные нужды станций и снизить негативное воздействие систем золошлакоудаления на окружающую среду;

4. полученные результаты могут быть использованны в учебном процессе при чтении лекций, проведении лабораторных работ по курсам "Тепловые электрические станции" и "Вспомогательное оборудование ТЭС", при дипломном и курсовом проектировании.

Автор защищает математическую модель и методику численного исследования движения сплошного потока сыпучего материала в винтовых каналах с Ц-образным кожухом с учетом пристенного скольжения; результаты теоретического исследования режимов работы винтовых конвейеров при транспортировании золошлаковых материалов и выработанные на их основе рекомендации по повышению эффективности работы гидравлических систем золошлакоудаления; технологическую схему внутрицехового механогидравлического золошлакоудаления ТЭС на базе открытых винтовых конвейеров с и-образным кожухом.

Личное участие. Все основные результаты работы получены лично автором под научным руководством член-корреспондента РАН Ю.Г. Назмеева.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на следующих конференциях:

1) IV научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов Республики Татарстан, Казань, 2001;

2) Российский национальный симпозиум по энергетике, Казань, 2001 г.;

3) Всероссийская школа-семинар молодых ученых и специалистов Казань, 2002;

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Объем работы. Диссертация изложена на 105 страницах и состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка литературы из 103 наименований. Иллюстрационный материал содержит 43 рисунка и 11 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Системы гидравлического золошлакоудаления тепловых электрических станций и котельных, имеющие наиболее широкое применение в настоящее время, не удовлетворяют современным требованиям ресурсосбережения и охраны окружающей среды, что вызывает необходимость их замены или реконструкции в том числе и при помощи механогидравлических систем совместного золошлакоудаления.

2. Разработана математическая модель движения потока дисперсной среды в винтовом конвейере с и-образным кожухом.

Адекватность математической модели реальным процессам подтверждена сравнением результатов численных исследований с результатами приведенными в литературных источниках, и с результатами инженерных расчетов.

3. Разработанный алгоритм и метод решения позволяют провести анализ распределения полей вектора скорости в условиях скольжения шлакового материала на границах канала и получить зависимость мощности конвейера от его производительности.

4. Разработанная математическая модель и методика расчета механогидравлических схем совместного золошлакоудаления на базе открытых винтовых конвейеров с и-образными кожухами дает возможность проектирования систем удаления золы и шлака с минимальными издержками по воде и электроэнергии без больших капиталовложений на модернизацию системы. Эффект достигается за счет увеличения концентрации и уменьшения общего расхода золошлаковой пульпы путем установки открытых винтовых конвейеров в уже имеющиеся каналы для транспортирования шлакового материала от шлаковых ванн до багерной насосной.

5. Разработана механогидравлическая схема золошлакоудаления на базе винтовых конвейеров с и-образным кожухом применительно к Казанской ТЭЦ-2.

6. Проведенный технико-экономический анализ разработанных схем выявил, что экономический эффект от их внедрения на Казанской ТЭЦ-2 составит:

1) от экономии электроэнергии - 580 тыс. руб./год;

2) от экономии добавочной технической воды — 55 тыс. руб./год;

3) срок окупаемости в течении двух лет.

7. Кроме экономического эффекта, внедрение гидравлической схемы совместного золошлакоудаления на базе винтовых конвейеров позволит улучшить санитарные условия внутри котельного цеха для обслуживающего персонала; существенно снизит негативное воздействие на окружающую среду вследствие уменьшения загрязнения водного бассейна на прилегающих территориях; значительно уменьшит вероятность происхождения катастроф техногенного характера.

1. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. М.: Энергия, 1976.

2. Сазанов Б.В. Тепловые электрические станции. М.:Энергия. 1974. 224с.

3. Хзмалян Д.М., Каган Я. А. Теория горения и топочные устройства. М.: Энергия. 1976. 448с.

4. Соловьев Ю.П., Михельсон А.И. Вспомогательное оборудование ТЭЦ, центральных котельных и его автоматизация. М.: Энергия. 1972. 256с.

5. Рихтер Л.А., Елизаров Д.П., Лавыгин В.М. Вспомогательное оборудование тепловых электростанций. М.: Энергоатомиздат. 1987. 216с.

6. Рекомендации по выбору системы удаления шлака и золы в котельных установках. ГПИ Сантехпроект Главпромстройпроекта Госстроя СССР. 1974. 60с.

7. Успенский В.А. Пневматический транспорт. Свердловск: Металлургоиздат. 1959. 232с.

8. Путилов В.Я., Фролов П.В., Павлов О.Н., Шилкин А.Н. Оптимизация работы системы напорного пневмозолоудаления Прибалтийской ГРЭС без реконструкции пневмозолопроводов // Электрические станции. 1991. №1. с.42-45.

9. Кузнецов П.М. Удаление шлака и золы на электростанциях. М.: Энергия, 1970.

10. Печенкин М.В., Пантелеев В.Г. Перспективы повышения эффективности систем золошлакоудаления // Электрические станции. 1988. №9. с.24 -27.

11. Гусар Н.Г., Губицкий Е.И. Некоторые практические предложения по организации бессточных систем гидрозолоудаления. //Электрические станции. 1991. №2. С. 19-22.

12. Чеканов Г.С. Бессточные системы удаления золошлаковых отходов ТЭС //Теплоэнергетика. 1983. №9. С.22-26.

13. Залогин Н.Г., Чеканов Г.С. Особенности проектирования замкнутых систем гидрозолоудаления // Теплоэнергетика. 1971. №2. С.51-56.

14. Кожевников H.H., Зайцев Н.И. Повышение эффективности систем внешнего золоудаления ТЭС // Электрические станции. 1996. №10. С.26-33.

15. Чеканов Г.С. Математическая модель формирования химсостава воды в оборотных системах гидрозолоудаления // Теплоэнергетика. 1987. №1. С.62-63.

16. Мелентьев В.А., Нагли Е.З. Гидрозолоудаление и золоотвалы. JL: Энергия, 1968.

17. Виленский Т.В. Расчет систем золоулавливания и шлакозолоудаления. М.-Л.: Энергия. 1964. 200 с.

18. Эксплуатация систем гидрозолоудаления на электростанциях. М.: Бюро технической информации. 1968. 104 с.

19. Указания по расчету внутристанционного безнапорного гидравлического транспорта золошлакового материала. JL: Энергия, 1971. 32 с.

20. Гаврилов Е.И. Аналитическая методика расчета безнапорного гидротранспорта золошлакового материала // Теплоэнергетика. 1981. №2. 73-75.

21. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М: Машиностроение. 1972. 510 с.22