автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Совершенствование факельно-вихревых схем сжигания твердого топлива на основе численного моделирования

На правах рукописи

005047402

Бетхер Татьяна Михайловна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФАКЕЛЬНО-ВИХРЕВЫХ СХЕМ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ КОТЛА БКЗ-210-140Ф)

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 3 ДЕК 2012

Томск-2012

005047402

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательна учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследов тельский Томский политехнический университет»

Научный руководитель:

Заворин Александр Сергеевич доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты:

Лебедев Виталий Матвеевич доктор технических наук, профессор, Омский госуда[ ственный университет путей сообщения, профессор кафедры теплоэнергетики

Старченко Александр Васильевич доктор физ.-мат. наук, профессор, Национальны исследовательский Томский государственный университет, заведующий кафедро вычислительной математики и компьютерного моделирования

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский Санкт-Петербургский госуда{ ственный политехнический университет (г. Санкт-Петербург).

Защита диссертации состоится « 27» декабря 2012 года в 1430 на заседании дис сертационного совета Д 212.269.13 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследов; тельский Томский политехнический университет» по адресу: 634050, г. Томск, у: Усова, 7, корпус 8, ауд. 217. (

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической Библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».

Автореферат разослан «•?/» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Матвеев А.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Состояние энергетики России на современном этапе характеризуется сокращением числа вновь вводимых энергетических объектов из-за дефицита необходимых инвестиционных ресурсов. Как следствие этого последние десятилетия отмечены быстрым ростом доли установленной мощности, подлежащей замене в связи с физическим и моральным износом, поскольку основная масса активов функционирующих ныне энергетических компаний создавалась в 50-70 гг. прошлого века. В настоящее время 75,6% мощности ТЭС имеет срок эксплуатации более 30 лет. Высокая доля износа основного оборудования приводит к снижению показателей эффективности, экономичности и надежности отечественной энергетики, которые уступают аналогичным мировым показателям и определяют острую актуальность задач модернизации в отрасли.

В свою очередь, изменения ценовой политики продаж нефти и природного газа усиливают тенденцию повышения интереса к использованию твердого топлива в мире. Она, в своей глобальной сути, объективно проистекает из ограниченности ресурсов высококалорийного ископаемого углеводородного сырья. В российском топливном балансе наблюдается обратная картина - доля станций, работающих на угле, составляет всего 18%. Однако ожидается, что в перспективе доля угля в топливно-энергетическом балансе будет повышаться, и спрос на уголь в России в связи с изменениями структуры запасов основных энергоносителей будет неизбежно возрастать.

Сложившаяся ситуация и ее развитие диктуют необходимость ориентировать энергетику на более доступные и дешевые виды топлива. Однако тенденция использования в связи с этим углей с различными качественными характеристиками, зачастую значительно отличающимися от проектного топлива, приводит к снижению эффективности и надежности энергетического производства.

Изложенные обстоятельства мотивируют к поиску и реализации не только малозатратных путей и вариантов модернизации котельных установок, но и обеспечивающих при этом определенную универсальность по сжигаемым углям.

В связи с вышеотмеченным вопросы совершенствования технологий сжигания твёрдого топлива применительно к эксплуатируемому и весьма износившемуся парку котлов являются актуальными. Анализ развития и опыта эксплуатации факельно-вихревых топок свидетельствуют, что их основные преимущества могут быть выгодно использованы для модернизации котельного парка угольных тепловых электростанций при условии достаточной наработки данных об особенностях топочного процесса, прежде всего по организации устойчивой аэродинамики.

Работа выполнялась в соответствии с основными направлениями НИР Национального исследовательского Томского политехнического университета в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. по мероприятию «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области производства топлива и энергии из органического сырья».

Целью работы является обоснование возможности совершенствования существующих факельно-вихревых схем сжигания твердого топлива путем комбиниро-

вания аэродинамики традиционных тангенциальных пылеугольных топок и низкоэмиссионных вихревых технологий, основанных на применении нижнего дутья. Основные задачи исследования:

• применительно к распространенной в отечественной энергетике конструкции пылеугольной топки с тангенциальной компоновкой горелок охарактеризовать аэродинамику и связанные с ней параметры топочной среды как основу для последующего сравнения исследуемых комбинированных аэродинамических схем;

• исходя из анализа тенденций развития факельно-вихревых топочных устройств, произвести обоснованный выбор принципиальных конструктивных схем синтеза традиционных технологий сжигания с тангенциально закручен ной аэродинамикой и вихревой технологии с использованием нижнего дутья;

• для принятых к рассмотрению вариантов организации аэродинамики факель-но-вихревого сжигания твердого топлива выполнить оценку общих и локальных характеристик топочного процесса и влияния на них основных эксплуатационных режимов;

• на основе исследования особенностей топочного процесса выявить преимущества и недостатки совмещения аэродинамической схемы тангенциально закрученного факела и вариантов нижнего воздушного дутья;

• выработать рекомендации по практическому использованию совмещения исследуемых аэродинамических схем при организации факельно-вихревого ежи гания твердого топлива в топках котельных агрегатов.

Научная новизна полученных результатов:

• вариативными вычислительными экспериментами применительно к топке котла БКЗ-210-140Ф расширены и дополнены представления о процессах в тангенциально закрученном факеле и их особенностях в разных областях объ ёма камерной топки;

• впервые для пылеугольной топки с твёрдым шлакоудалением и с традиционной тангенциальной компоновкой горелочных блоков проведены исследования вариантов комбинированных аэродинамических схем сжигания твёрдой топлива, использующих нижнее воздушное дутьё;

• получены новые данные по параметрам топочной среды в различных областях топочной камеры, включая пристенную, для комбинированных схем, сочетающих тангенциальную закрутку факела и варианты направленности нижнеп дутья;

• определены индивидуальные особенности влияния режимных факторов и направленности нижнего воздушного дутья на аэродинамическую структуру и связанные с ней процессы в топке для реализации комбинированных факельно-вихревых схем сжигания.

Практическая значимость работы:

• данные, полученные в результате численного исследования топочных процессов для котлов типа БКЗ-210-140Ф с тангенциальным расположением горелочных блоков, могут использоваться при эксплуатации с целью повышения экономичности и надёжности их работы;

• полученные новые данные по рассмотренным комбинированным аэродинамическим схемам являются основой для выполнения проектов модернизации парка котлов данного типа;

• предложены рекомендации по организации топочного процесса применительно к модернизации объекта исследования путём перевода на комбинированные аэродинамические схемы пылеугольного сжигания;

• показана возможность применения пакета прикладных программ FIRE 3D для решения практических задач разработки вариантов реконструкции камерных топок, в которых реализованы комбинированные факельно-вихревые схемы сжигания.

Полученные результаты исследования и рекомендации по организации топочных процессов приняты к использованию ОАО «Подольский машиностроительный завод» (ЗИО) для предпроектного анализа и выбора вариантов модернизации пыле-угольных топок с изначально тангенциальной компоновкой горелок и при проработке новых конструкций паровых котлов;

Результаты численного исследования топочных процессов для тангенциальной пылеугольной топки котла БКЗ-210-140Ф и её сочетания с вариантом организации нижнего воздушного дутья по классической однонаправленной схеме используются для анализа мероприятий по эффективной эксплуатации котлов в Филиале «Приморская генерация» ОАО «Дальневосточная генерирующая компания».

Методика исследования используется в учебном процессе по специальности 140502 «котло- и реакторостроение» в Томском политехническом университете (включена в лекционный курс и лабораторный практикум по дисциплине «Моделирование физических процессов и объектов проектирования», в тематику выпускных квалификационных работ и учебно-исследовательской работы студентов).

Достоверность результатов обеспечивается применением апробированных математических моделей и надежных методов вычислений, хорошей согласованностью с экспериментальными данными других авторов, а также с результатами расчетов, выполненных по нормативному методу теплового расчета котлов. На защиту выносятся:

• результаты численного исследования топочных процессов для традиционных тангенциальных пылеугольных топок и их сочетания с рассмотренными вариантами организации нижнего воздушного дутья применительно к объекту исследования;

• результаты анализа особенностей влияния режимных факторов и направленности нижнего воздушного дутья на аэродинамику в топке с исследованными комбинированными факельно-вихревыми схемами сжигания;

• рекомендации по организации топочного процесса применительно к модернизации объекта исследования на сжигание твёрдого топлива с применением комбинированных аэродинамических схем.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на XV...XVIII Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2009...2012 гг.), Региональной научно-практической конференции «Теплофизиче-

ские основы энергетических технологий» (г. Томск, 2009 г.), VII Международной конференции студентов и молодых учёных «Перспективы развития фундаментальных наук» (г.Томск, 2010г.), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (г.Томск, 2010 г.,2012 г.), VII Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (г.Кемерово, 2011 г), XVII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (г. Томск, 2011 г), Всероссийской молодежной конференции «Химическая физика и актуальные проблемы энергетики» (г. Томск, 2012 г), Всероссийской молодёжной конференции «Горение твёрдого топлива» (г. Томск, 2012 г).

Публикации. По теме диссертационного исследования автором опубликовано 16 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях из перечня ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы (102 наименования). Работа содержит 133 страницы основного текста, включая 2 таблицы и 22 рисунка, а также 52 страницы приложения.

Личное участие автора. Автором выбраны варианты исполнения аэродинамических схем для реализации факельно-вихревых технологий сжигания твёрдого топлива, проведены вычислительные эксперименты, анализ полученных результатов, формулирование выводов. В постановке задач исследований, обсуждении методики вычислительных экспериментов и полученных результатов принял участие научный руководитель д.т.н. Заворин A.C.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель работы.

В первой главе приведены анализ основных тенденций развития и опыта эксплуатации факельно-вихревых топок. Рассмотрены различные схемы организации вихревого движения, технологии с образованием вихрей с горизонтальной и вертикальной осью вращения, а также синтезированные технологии с организацией более сложной аэродинамической структуры.

На основе выполненного анализа предложено для исследования сочетание топок с вертикальными вихрями и нижнего дутья. Такой путь совершенствования существующих факельно-вихревых технологий сжигания продиктован возможностью рассредоточения зоны активного горения, образующейся при технологиях с вертикальными вихрями, на значительно больший объем топочного пространства. Это позволит снизить максимальную температуру в топке и за счет активной аэродинамики выравнить уровень температуры в объеме вихревой зоны, что должно обеспечить более выгодные условия работы поверхностей нагрева и котла в целом. Для исследования выбрана низкоэмиссионная вихревая технология, которая в настоящее время довольно широко применяется в практике реконструкции пылеугольных котлов, и традиционная тангенциальная топка, имеющая в плане форму близкую к квадрату, с одноярусным расположением горелочных устройств. Предпосылками этому послужило их широкое распространение на тепловых электростанциях Рос-

сии и стремление повысить универсальность топочного устройства по качеству сжигаемого топлива.

Исходя из вышеизложенного для определения возможности применения комбинированных аэродинамических схем в соответствии с поставленной целью исследований в завершение первой главы поставлены задачи диссертационной работы.

Во второй главе описывается объект исследования - котельный агрегат БКЗ-210-140Ф, с тангенциальным расположением горелочных устройств, выбранный с учётом масштабов распространения в энергетике и имеющихся проблем эксплуатации при сжигании непроектных топлив.

На основе результатов экспериментальных и наладочных исследований, приведенных в различных источниках, выделены для рассмотрения области топочного объема - пристенная, центральная и промежуточная.

а) НВК; б) НВП; в) НВФ;

1 - горелочные устройства; 2 - устройство нижнего дутья Выбраны варианты комбинирования аэродинамических схем применительно к топкам с тангенциальным расположением горелок (рис. 1), базирующиеся на различной направленности нижнего дутья: классическое для НТВ-топок однонаправленное дутьё вдоль фронтового ската холодной воронки (НВК); так называемое «пропеллерное» дутьё, когда поток разделяется по ширине топки на два, каждый из которых направлен по одному из скатов холодной воронки (НВП); фонтанное дутьё, направленное по вертикали вверх (НВФ).

Выполнение поставленных задач проведено методом численных исследований. Для построения адекватной математической модели аэродинамики, горения и теплообмена в топке принят метод, совмещающий Эйлеров и Лагранжев подходы для описания движения газа и взвешенных частиц. Согласно этому методу общие уравнения движения, теплообмена и горения в газовой фазе представляются на основе Эйлерова способа описания, т.е. используются стационарные пространственные уравнения баланса массы, импульса, концентраций газовых компонентов и энергии для газовой смеси. Лагранжев подход применяется для описания движения

20 —

и тепломассообмена одиночных частиц топлива и золы вдоль их траекторий с учетом обратного влияния дисперсной фазы на несущую среду. Турбулентные характеристики газа рассчитываются с использованием двухпараметрической «k-е» модели турбулентности, также учитывающей влияние движущихся частиц. Радиационный теплообмен в двухфазном потоке представляется в рамках Р1-приближения метода сферических гармоник, который показывает хорошие результаты применения к пы-леугольным топкам.

Выполнен обзор наиболее распространенных программных продуктов, которые позволяют решать вопросы моделирования топочных процессов. По результатам анализа возможностей описанных программных продуктов в качестве инструмента исследований выбран пакет прикладных программ FIRE 3D.

Для тестового исследования рассмотрен режим работы котельного агрегата на четырех мельницах при номинальной нагрузке. Результаты тестирования показали хорошую сходимость с результатами, полученными как расчётным путём по нормативной методике теплового расчёта котельных агрегатов, так и при натурных экспериментах в процессе тепловых испытаний котла. Так, разница по значению температуры на выходе из топки не превышает 50 °С и укладывается в допускаемые инженерными методиками отклонения (рис. 2). Значения скорости

2

rf В

S

m

15 —

1ЧЧЧЧ

200 400 600 800 1000 1200 Температура. *С

Рис. 2. Значения температуры в горизонтальных сечениях 1 и 2 - соответственно среднеинтегральный и

максимальный уровень по результатам моделирования; 3 - расчёт по нормативному методу;4 - Среды в соответствующих точках интен-результат натурных испытаний на котле сивного движения по результатам

численного моделирования составили 16-16,5 м/с, а по результатам прямых измерений от 16 до 17,3 м/с. Значение коэффициента избытка воздуха на выходе из топки, определённое при моделировании по концентрации кислорода, составило 1,21, в натурном эксперименте - 1,14—1,24.Эти данные свидетельствуют о достаточной адекватности математической модели, используемой в программном продукте FIRE 3D, и расчётного метода при анализе процессов в топке с тангенциально закрученной вихревой аэродинамикой, реализуемой в топке котла БКЗ-210-140Ф.

В третьей главе приведены результаты моделирования топочных процессов применительно в различных режимах несения нагрузки котлом БКЗ-210-140Ф в проектном исполнении. Они явились основой для последующего сравнения технологий сжигания, представляющих собой сочетание базовой аэродинамической схемы с вертикальным тангенциально закрученным факелом и вариантов осуществления нижнего воздушного дутья.

Расчет выполнен с использованием данных наладки и испытаний котла, а также

данных о средневзвешенном составе рабочей массы угля за этот период: влажность 40,4 %; зольность 28,7 %; теплота сгорания 10,85 МДж/кг; выход летучих 56 % (на горючую массу); тонина помола Н90 = 72,0 %.

Наиболее надёжное ведение топочных процессов при тангенциальной компоновке горелок достигается работой всех четырёх горелочных блоков (рис. 3 а, б). Это обеспечивается благодаря устойчивой аэродинамической структуре и, как следствие, благоприятными теплофизическими параметрами топочной среды. При нагрузке котла 0,9 Бном выявлена возможность образования локальных застойных зон, которые однако в условиях отсутствия загрязнений не сказываются на ухудшении теплообмена. Свидетельством этому является уровень температуры продуктов сгорания на выходе из топки - не более 1350 К, что определяет надёжную работу конвективных поверхностей нагрева котла при сжигании распространенного дальневосточного угля.

При работе котла на трёх горелочных блоках без изменения нагрузки из-за асимметрии факела относительно вертикальной оси топки фиксируются области благоприятные для возникновения и развития шлакования. К ним относятся боковой прилегающий к незагруженной горелке и фронтовой экраны под горелочным поясом, вблизи устья холодной воронки на высоте от 3 до 6 м (—20 м2 экранов), а также полоса по периметру топки, поднимающаяся на высоте от 15 до 23 м (~30 м2 экранов).

Режим работы котла с задействованием двух встречно направленных горелочных блоков является по всем признакам, выявляемым при анализе результатов моделирования топочных процессов, непреемлемым для надёжной и экономичной эксплуатации.

Основные результаты, полученные при численном исследовании процессов в топочной камере с тангенциальной компоновкой горелок, полностью соответствует экспериментальным данным других исследований (Ф.А. Серант, Б.П. Устименко и др.).

В четвертой главе представлена оценка общих и локальных характеристик топочного процесса и влияния на них основных эксплуатационных режимов для принятых к рассмотрению вариантов организации факельно-вихревого сжигания твердого топлива. Всего для каждого из вариантов комбинированных аэродинамических схем по четырём сочетаниям задействованных горелок и для четырёх анализируемых характеристик топочного процесса с учётом их пошагового фиксирования по трём осям координат на данном этапе исследования получено 2512 экспозиций картины топочной среды. В общей сложности для всех трёх рассмотренных вариантов аэродинамических схем база для сравнительного анализа состояла из 7536 таких экспозиций.

На основе выполненных исследований особенностей топочного процесса получены новые данные по параметрам основных характеристик в различных областях топочной камеры, включая пристенную, в результате оценки которых выявлены преимущества и недостатки совмещения аэродинамической схемы тангенциально закрученного факела и нижнего дутья

Вариант НВК при различных режимах работы (рис.3 в, г) показал как положительные качества, так и неудовлетворяющие условиям надёжной эксплуатации кот-

ла. Так, при работе котла на двух горелках более предпочтительным является режим с включением в работу прилежащих к фронту горелочных устройств, а работа при встречно включенных горелках показала свою несостоятельность из-за организации нестабильной аэродинамики в топке и высоких значений тепловых потоков в пристенной области выше горелочных устройств. Вместе с тем при задействовании в работу трех и четырех горелочных блоков отмечена стабильная аэродинамическая структура на основе взаимодействия вертикального и горизонтального вихрей, которая обеспечивает растягивание зоны активного горения и умеренные значения температур на выходе из топки.

НВК

д) е) ж) з)

НВП НВФ

Рис. 3. Аэродинамическая структура потоков по сечениям топочной камеры при работе четырёх горелочных блоков: а),в),д),ж) в вертикальном по оси топки (г = 3,74 м); б),г),е),з) в горизонтальном по оси горелок (у = 6,5 м). Вариант аэродинамической схемы НВП (рис.3 д, е) показал себя по рассматриваемым характеристикам работоспособным. Установлено, что разнонаправленное нижнее дутье обеспечивает устойчивую аэродинамическую структуру топочной среды независимо от нагрузки и сочетания включенных в работу горелочных устройств. За счет омывания скатов холодной воронки большая часть топлива воз-

а) б)

Традиционная тангенциальная

вращается в зону горения, что препятствует недожогу и в значительной мере исключает возможность провала и осаждения частиц на трубы экранов. Наблюдается растягивание зоны активного горения, вследствие чего обеспечиваются умеренные и равномерные температурные поля. В зоне активного горения температура в среднем ниже, чем при использовании традиционной тангенциальной схемы, что способствует уменьшению образования термических оксидов азота. Уровень температур на выходе из топки также ниже, чем при традиционной тангенциальной схеме.

Работоспособность варианта НВФ (рис.3 ж, з) подтверждается лишь при задействовании в работу всех четырех горелочных устройств, так как для исключения провала топлива необходимо обеспечивать достаточно интенсивный поток нижнего дутья, который при режимах работы на трех и двух горелочных блоках разбивает неустойчивый вертикальный вихрь и выносит вверх. Следует отметить, что использование фонтанного направления нижнего дутья с включением четырех горелочных устройств способно обеспечивать низкую вероятность провала топлива и отложений на экранных трубах в районе холодной воронки. При этом наблюдается растягивание зоны активного горения и достаточное заполнение топочного пространства.

Полученные результаты численного моделирования в целом позволяют оценить работоспособность рассмотренных вариантов аэродинамических схем топочного процесса применительно к топке котла БКЗ-210-140Ф и являются основой для обоснования наиболее экономичных режимов их применения.

В пятой главе выполнен анализ полученных результатов с целью определения индивидуальных особенностей влияния варьируемых режимных факторов на параметры работы топки. Проведено сравнение вариантов синтеза традиционных тангенциальных пылеугольных топок с низкоэмиссионными вихревыми технологиями сжигания топлива угрубленного помола, на основе которого выработаны рекомендации по практическому использованию совмещения исследуемых аэродинамических схем при организации факельно-вихревого сжигания твердого топлива в топках котельных агрегатов с применением нижнего дутья.

Оценка эффективности предложенных вариантов выполнялась по результатам численного моделирования аэродинамической структуры топочного пространства, распределения температурных и концентрационных полей.

Изменение количества включенных горелок и расхода топлива приводит к изменению скоростного режима как при истечении смеси из устья горелок, так и при распространении газов в объеме топки (рис. 4 а, б, в).

Распределение окислителя (рис. 5 г, д, е) по топочному объему, характеризующее степень его перемешивания и взаимодействия с топливными частицами, показывает, что условия для наиболее полного выгорания частиц имеют место при использовании традиционной тангенциальной технологии при работе котла на четырех и трех горелках(рис. 5 а, б, в).

Анализ результатов исследований относительно применимости каждой из рассматриваемых аэродинамических схем свидетельствует, что самостоятельное использование можно рассматривать лишь для двух схем — с классическим и пропеллерным направлением нижнего дутья. Вариант с фонтанным направлением нижнего дутья показал свою состоятельность только при режиме работы котла с задействованием четырёх горелочных блоков.

а 25 20 "15 -10

Высота топк к!_1__1_

N в—

Скорость,м/с

а)

б)

В)

25

I'20

8 15

и О

3 10 5 О

т

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

-1-2-3

Сс

Сс

Г)

Д)

е)

Рис. 4. Значения подъёмной скорости и изменение температуры дымовых газов по высоте топки в различных областях топочной камеры при работе трёх горелочных блоков 1) традиционная схема с тангенциальным расположением горелок; 2) вариант НВК; 3) вариант НВП

Рис. 5. Изменения концентраций частиц и кислорода по высоте топки в различных областях топочной камеры при работе трёх горелочных блоков 1) традиционная схема с тангенциальным расположением горелок; 2) вариант НВК; 3) вариант НВП

Для достижения наиболее благоприятных условий надёжной и экономичной работы котла в условиях нестабильности качества поставляемого угля при работе на четырёх горелочных блоках выгодно использовать вариант НВФ или НВП, на трех -НВП, а на двух - НВК с включением горелочных блоков, прилежащих к фронту котла. Подобное совмещение комбинированных схем обеспечит возможность эксплуатации объекта исследования в трёх режимах: сжигание молотого топлива с использованием существующих пылесистем по традиционной тангенциальной схеме; одновременное сжигание молотого и топлива угрубленного помола; сжигание топлива угрубленного помола. При этом переход с одного режима на другой принципиально возможно осуществлять без останова котла и сложных переключений в случае нахождения удачного конструктивного решения для вариабельного устройства нижнего дутья.

В приложении приведены результаты решения задач на ЭВМ и визуализация численного моделирования, а также материалы, подтверждающие характер и степень практического использования полученных результатов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Работа тангенциальной топки с задействованием трёх горелочных блоков характеризуется увеличением вялопроточных зон, что способствует возникновению и развитию шлакования экранных труб, вблизи бокового, прилегающего к незагруженной горелке, и фронтового экранов под горелочным поясом, в районе устья холодной воронки на высоте от 3 до 6 м (~20 м2 экранов), а также в полосе, поднимающей по периметру топки на высоте от 15 до 23 м (-30 м2 экранов).

2. Однонаправленное нижнее дутьё вдоль фронтового ската холодной воронки при работе котла на трёх или четырёх горелочных блоках создаёт стабильную аэродинамическую структуру потоков в топке, растягивает зону активного горения и обеспечивает умеренные температуры на выходе из топки. Режим работы котла на двух пылесистемах по такой аэродинамической схеме возможен лишь с задействованием двух прилежащих к фронту котла горелочных блоков.

3. Направление нижнего дутья вдоль фронтового и тыльного скатов холодной воронки, разделённого пополам, характеризуется наиболее активной аэродинамической структурой для всех рассматриваемых сочетаний задействованных горелочных блоков, создаёт условия для возврата выпадающих частиц в зону горения, и вследствие этого для снижения недожога топлива.

4.Фонтанное направление нижнего дутья является действенным только при работе всех четырех горелочных блоков, обеспечивая условия для снижения провала топлива и образования отложений на экранных трубах в районе холодной воронки, растягивание зоны активного горения и равномерное заполнение топочного пространства дымовыми газами.

5. Для реализации принципов комбинированной аэродинамической схемы при тангенциальной компоновке основных горелок и нижнем вторичном дутье предпочтительно использовать возможность перехода к различным вариантам направленности нижнего дутья, что позволит минимизировать негативные факторы и обеспечит возможность эксплуатации котла в разных режимах, удовлетворяющих

условию универсальности по топливу, но требует разработки конструкции вариабельного устройства нижнего дутья, которое позволит осуществлять переход с одной аэродинамической схемы на другую без останова котла.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях

1. Заворин A.C., Бетхер Т.М., Лебедев Б.В. Анализ топочной среды котла БКЗ-210-140 на основе численного моделирования // Известия Томского политехнического университета. - 2011. - Т. 319. - № 4 - С. 50-55.

2. Заворин A.C., Лебедев Б.В. Бетхер Т.М. Численное исследование аэродинамики топочной среды пылеугольного котла при модернизации по варианту низкоэмиссионной вихревой технологии // Промышленная энергетика. - 2012. - № 4. - С. 7-10.

3. Бетхер Т.М. Численное моделирование топочной среды при модернизации камерной топки для сжигания топлива угрубленного помола // Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева. - 2012. -№ 3. - С. 19-24.

4. Бетхер Т. М., Гиль А. В., Лисовенко Т. А. Актуальность применения численного моделирования для НТВ-топок // Современные техника и технологии: Труды XV международной научно-практ. конф. студентов, аспирантов и мол. ученых, т.З. -Томск: Изд-во ТПУ, 2009г., с. 239-240.

5. Бетхер Т. М., Лебедев Б. В., Гиль А. В. Топочные технологии как средство эффективного возвращения угля в энергетику // Материалы региональной научно-практ. конф. «Теплофизические основы энергетических технологий». - Томск: ИПФ ТПУ, 2009г., с. 172-180.

6. Betkher Т.М., Shebalkina I.Y., Doroshevich S.A. Mathematical modeling of the bkz -210-140 boiler internal surroundings under burning of sub-standard coal types // Труды VII Международной конф. студентов и молодых учёных «Перспективы развития фундаментальных наук». - Электрон. Текст. Дан. - Национальный Исследовательский Томский политехнический университет, 2010. - Режим доступа: htt://science-persp/tpu/ru^revious%20Materials/Konf_2010/pdf., с. 753-755.

7. Бетхер Т.М., Лебедев Б.В., Гиль A.B. Математическое моделирование топочных процессов при модернизации топки котла БКЗ-210-140Ф // Современные техника и технологии: Труды XVI Международной научно-практ. конф. студентов и молодых ученых, т.З. - Томск: ИПФ ТПУ, 2010 г., с. 162-163.

8. Бетхер Т.М., Лебедев Б.В., Гиль A.B. Сравнительный анализ факельной и вихревой технологий сжигания угля в котле БКЗ-210-140 посредством математического моделирования // Теплофизические основы энергетических технологий: Труды Всероссийской научно-практ. конф. с международным участием. - Томск: Изд-во ТПУ, 2010 г., с. 242-245.

9. Литвинова H.A., Бетхер Т.М. Альтернативные технологии сжигания твердого топлива // Современные техника и технологии: Труды XVII Международной научно-практ. конф. студентов и молодых ученых, т.З. - Томск: Изд-во ТПУ, 2011 г., с. 219-220.

10.Мамаев А.К., Бетхер Т.М. Сравнительный анализ существующих программных продуктов для моделирования топочных процессов // Современные техника и

технологии: Труды XVII Международной научно-практ. конф. студентов и молодых ученых, т.З. - Томск: Изд-во ТПУ, 2011 г., с. 221-222.

П.Прамзина Е.С, Бетхер Т.М. Низкотемпературна вихревая технология: характеристика и значение в энергетике// Современные техника и технологии: Труды XVII Международной научно-практ. конф. студентов и молодых ученых, т.З. - Томск: Изд-во ТПУ, 2011 г., с. 251-252.

12.Мамаев А.К., Бетхер Т.М., Гиль A.B. Численное моделирование аэродинамики топочной среды камерной топки для сжигания топлива угрубленного помола // Современные техника и технологии: Труды XVIII Международной научно-практ. конф. студентов и молодых ученых, т.З. - Томск: Изд-во ТПУ, 2012 г., с. 207-208.

13.Бетхер Т.М. Численное исследование топочной среды пылеугольного котла при модернизации на сжигание грубоизмельченного топлива // Сборник докладов VII Всероссийского семинара ВУЗов по теплофизике и энергетике. - Кемерово: Изд-во КузГТУ, 2011 г., с. 63-65.

14.Бетхер Т. М. Численное исследование вариантов модернизации тангенциальных топок для сжигания топлива угрубленного помола // Теплофизические основы энергетических технологий: сборник научных трудов II Всероссийской научно-практ. конф. с международным участием. - Томск: Изд-во ТПУ, 2011 г, с. 215218.

15.Бетхер Т.М., Корженко A.B. Математическое моделирование вариантов модернизации тангенциальных топок для сжигания топлива угрубленного помола // Энергетика: эффективность, надежность, безопасность: Материалы XVII Всероссийской научно-техн. конф. - Томск: Изд-во ТПУ, 2011 г., с. 101-103.

16.Бетхер Т.М., Гиль A.B., Мамаев А.К., Исследование пристенной области тангенциальных топок // Сборник тезисов и докладов Всероссийской молодежной конф. «Химическая физика и актуальные проблемы энергетики» - Томск: Изд-во ТПУ, 2012.-с. 31-32.

Подписано к печати 21.11.2012. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 0,89.

_Заказ 1335-12. Тираж 100 экз._

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Система менеджмента качества Издательства Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008

ИЗДАТЕЛЬСТВО »» ТТ1У. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел/факс: +7 (3822) 56-35-35, www.tpu.ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ФАКЕЛЬНО-ВИХРЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА.

1.1. Общие тенденции развития факельно-вихревых топок.

1.2. Технологии на основе вихрей с горизонтальной осью вращения

1.3. Технологии с вертикальным вихревым факелом.

1.4. Синтезированные аэродинамические схемы факельно-вихревых технологий

1.5. Постановка (обоснование) задач исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Характеристика объекта исследования.

2.2. Варианты совмещения аэродинамических схем топочного процесса.

2.3. Физико-математическая основа моделирования топочных процессов.

2.4. Выбор программного обеспечения.

2.5. Адаптация программного продукта к объекту исследования.

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПОЧНОЙ СРЕДЫ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО КОТЛА БКЗ-210-140Ф.

3.1. Режимные условия организации топочных процессов.

3.2. Характеристика топочных процессов при работе четырех горелочных блоков.

3.3. Изменения топочных процессов при работе трёх горелочных блоков.

3.4. Особенности топочных процессов при работе двух горелочных блоков.

3.5. Краткие выводы.

ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПОЧНОЙ СРЕДЫ ПРИ СОВМЕЩЕНИИ БАЗОВОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

И ВАРИАНТОВ НИЖНЕГО ДУТЬЯ.

4.1. Исследованные условия организации сжигания.

4.2. Характеристики топочных процессов при наличии однонаправленного нижнего дутья.

4.3. Характеристики топочных процессов при «пропеллерном» направлении нижнего дутья.

4.4. Характеристики топочных процессов при фонтанном направлении нижнего дутья.

4.5. Краткие выводы.

ГЛАВА 5. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

МОДЕЛИРОВАНИЯ ТОПОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ.

5.1. Аэродинамика топочной среды.

5.2. Температурные поля топочной камеры.

5.3. Концентрационные поля топочной среды.

5.4. Возможности практического использования совмещения исследуемых аэродинамических схем.

Состояние энергетики России на современном этапе характеризуется резким сокращением числа вновь вводимых энергетических объектов (ЭО) из-за дефицита необходимых инвестиционных ресурсов. Как следствие эффективность эксплуатации существующих ЭО снижается, главным образом, по причине износа оборудования [1]. Основная масса активов функционирующих ныне энергетических компаний создавалась в 50-70 гг. прошлого века в период бурного промышленного роста и в течение установленного срока эксплуатации требовала средств только на техническую эксплуатацию и ремонт. Последние десятилетия характеризуются быстрым ростом доли установленной мощности, подлежащей замене в связи с физическим и моральным износом. Современные показатели износа основного оборудования определяют острую актуальность задач модернизации в отрасли. В настоящее время 20,9% мощности ГЭС имеет срок эксплуатации более 50 лет, 79,6% мощности АЭС - сроки эксплуатации от 20 до 40 лет, 75,6% мощности ТЭС -более 30 лет. Высокая доля износа основного оборудования приводит к снижению показателей эффективности, экономичности и надежности отечественной энергетики, которые сегодня уступают аналогичным мировым показателям. Если до 90-х годов XX века СССР опережал развитые страны в разработке и внедрении новых технологий в энергетике, то после начала экономико-политических реформ в России энергетическая отрасль страны стала отставать в развитии и проигрывать зарубежным аналогам [2].

В условиях изменившейся экономической ситуации и несостоятельности многих инвестиционных программ по замене устаревших энергетических мощностей на первый план выступает проведение комплексной модернизации ЭО. Это направление требует относительно небольших капиталовложений по сравнению с другими вариантами решений проблемы, а также может позволить в ближайшее время частично компенсировать нехватку электрической и тепловой энергии, необходимых для роста промышленного производства.

Наиболее значимый сектор модернизации - тепловая энергетика, которая является базовой и поэтому в первую очередь требует замещения устаревшего оборудования, а также масштабного строительства [3].

Наряду с этим выявились и другие сложности в энергообеспечении отдельных регионов и страны в целом. В частности, стало очевидным, что чрезмерная зависимость от газа в энергетике чревата сбоями в поставках топлива для станций, прежде всего в периоды пиковых нагрузок, ярким примером чего стала холодная зима 2005-2006 гг. Не последнюю роль сыграли мировой экономический кризис 2008-2009гг, а также продолжающиеся доныне его последствия. Тяжелым ударом по большой энергетике стала авария на Саяно-Шушенской ГЭС, восстановление которой требует больших капиталовложений. Кроме того, в связи с этим для всего западносибирского региона возник дефицит электроэнергии, для восполнения которого необходимо увеличение потребляемых мощностей от действующих тепловых электростанций.

В настоящее время изменения ценовой политики продаж нефти и природного газа усиливают тенденцию повышения интереса к использованию твердого топлива. Она, в своей глобальной сути, объективно проистекает из ограниченности ресурсов высококалорийного ископаемого углеводородного сырья. Так, например, в таких странах как Германия, США и Китай основная доля станций работает на угле (48%, 50% и 69% существующего топливного баланса соответственно), а доля, станций использующих газ, находится в пределах от 12% до 22%. В отечественном топливном балансе наблюдается обратная картина - доля станций, работающих на угле, составляет 18%, на газе - 46%. Эти данные убедительно подтверждают факт чрезмерной зависимости российской энергетики от газа

Технический прогресс, современные технологии сжигания угля вкупе с развитой системой логистики, реализуемой в обогащении, складировании и доставке угля, привели к тому, что киловатт, вырабатываемый на угле, оказывается дешевле, чем получаемый на нефтегазовом топливе. Поэтому угольная энергетика занимает во многих странах преимущественное место в теплоэнергетике и это стимулирует развитие и совершенствование технологий угледобычи и углепотребления в целом.

Из расчета количества потребляемого топлива на 2000 год видно, что мировых нефтяных запасов хватит примерно на 48 лет, газа - на 60 лет, а угля - более чем на 220 [5]. По прогнозам Минэнерго, соотношение цен на уголь и газ к 2020 г. составит 1:2 [6]. Следовательно, можно ожидать, что в перспективе доля угля в топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) будет повышаться, и спрос на уголь в России в связи с изменениями структуры запасов основных энергоносителей будет неизбежно возрастать. Вместе с тем повышение спроса на уголь потребует от энергопредприятий решать вопросы по использованию его непроектных марок. Это вызвано еще и тем, что многие энергетические объекты приурочены к угольным месторождениям, за долгие годы эксплуатации которые приблизились к исчерпанию экономически доступных запасов.

Сложившаяся ситуация и ее развитие диктуют необходимость ориентировать энергетику на более доступные и дешевые виды топлива. В соответствии с этим энергетическая стратегия России в период до 2020г. предполагает постепенное увеличение доли угля в топливно-энергетическом балансе страны. Однако использование углей с различными качественными характеристиками зачастую приводит к снижению эффективности и надежности энергоснабжения [7,8]. При планируемых масштабах увеличения энергетического производства не может быть отодвинута на второй план и проблема вредных выбросов, поскольку уже в настоящее время в общем загрязнении атмосферы отходами производства ТЭС они составляют: по пыли - 20%, по диоксиду серы - 50%, по оксидам азота - 30%. На долю теплоэнергетики приходится 60% производства оксидов азота (от полного их производства промышленностью), 45% окислов серы, 38 % золы [9].

Отмеченные обстоятельства стимулируют поиск и реализацию в основном малозатратных путей и вариантов модернизации и реконструкции котельных установок, обеспечивающих при этом определенную универсальность по сжигаемым углям и учитывающих современные экологические требования.

В последние десятилетия прошлого века отечественное энергомашиностроение и теплоэнергетика были ориентированы на создание и освоение котлов большой мощности, повышение их экологической безопасности и эффективное сжигание низкосортных твердых топлив [10], Благодаря этому был накоплен ценный опыт эксплуатации и разработки новых топочных устройств и технологий. Очевидна целесообразность использования его в настоящем при модернизации старых котлов, выработавших установленный ресурс, с одновременным улучшением их экономических и экологических показателей.

Одним из направлений новых технологий была разработка вихревых способов сжигания углей, при которых в топке формировались большие вихри с вертикальной или горизонтальной осью вращения. К топочным устройствам, в которых был реализован этот способ, относятся широко распространенные тангенциальные топки, топки с пересекающимися струями МЭИ, вихревые топки ЦКТИ, вихревые топки ЛПИ - ЛФ Оргэнергострой и др. Особенностью этих технологий явилось применение относительно простых прямоточных горелок, которые обеспечивали устойчивое зажигание топлива при подаче части его в приосевую зону вихря, характеризуемую относительно большим временем пребывания в ней подаваемых в нее частиц топлива и воздуха [11].

Интерес к перечисленным топкам усиливается еще и тем, что все они, по сообщениям авторов, обеспечивают существенное снижение содержания в продуктах сгорания оксидов азота, что отвечает современным экологическим требованиям.

Руководствуясь поставленной задачей, для исследования выбрана низкоэмиссионная вихревая технология, известная как НТВ-топка и довольно широко применяемая в практике реконструкции пылеугольных котлов [12,13].

В своем классическом воплощении в технологии используются приемы формирования специфичной аэродинамики, что позволяет обходиться без значительных изменений конструкций реконструируемых установок, особенно во внутритопочном объеме. В нижней части топки организуется вихревая зона за счет взаимодействия двух пылевоздушных потоков. Первый поток из топливно-воздушной смеси, должен подаваться в топку через горелки, расположенные на фронтовой стене топки. Второй поток горячего воздуха подается в топку через систему сопел нижнего дутья. Потоки направлены навстречу друг другу таким образом, что образуют пару сил, создающую вихревое движение в топке, имеющее горизонтальную ось вращения [13]. Благодаря этому ядро горения получается более размытым и смещенным в сторону холодной воронки. При этом происходит выравнивание температуры дымовых газов и падающих тепловых потоков по высоте топочной камеры, что приводит к уменьшению количества образующихся оксидов азота и снижению интенсивности шлакования радиационных поверхностей нагрева.

В наиболее полном объеме и с минимальными конструктивными изменениями реконструируемых топок аэродинамическая схема низкоэмиссионой вихревой технологии реализуется в случаях реконструкции пылеугольных топок с прямым вдуванием, у которых все горелки расположены с фронта котла. Вместе с тем недостаточно исследована возможность реализации основных принципов НТВ-топки при реконструкции топок с другими аэродинамическими схемами, определяемыми компоновкой пылеугольных горелок. Прежде всего, это относится к широкому парку котлов с тангенциальной компоновкой горелок в топках. Такое расположение горелок позволяет получать более совершенную аэродинамику топочных камер по сравнению с топками с прямоточным факелом за счет лучшего заполнения дымовыми газами угловых зон топочной камеры. Поэтому для распределения зоны активного горения топлива на значительно больший объем топочного пространства представляется весьма актуальным изучение возможности и эффективности синтеза традиционных тангенциальных пылеугольных топок с низкоэмиссионными вихревыми технологиями сжигания топлива угрубленного помола, что даст возможность снизить максимальную температуру газов в топке и за счет активной аэродинамики выровнять температурные поля в объеме вихревой зоны.

Для изучения этого вопроса был использован метод численных исследований.

Исходя из выше изложенного целью работы является обоснование возможности совершенствования существующих факельно-вихревых схем сжигания твердого топлива путем комбинирования аэродинамики традиционных тангенциальных пылеугольных топок и низкоэмиссионных вихревых технологий, основанных на применении нижнего дутья.

Научная новизна полученных результатов: - вариативными вычислительными экспериментами применительно к топке котла БКЗ-210-140Ф расширены и дополнены представления о процессах в тангенциально закрученном факеле и их особенностях в разных областях объёма камерной топки; впервые для пылеугольной топки с твёрдым шлакоудалением и с традиционной тангенциальной компоновкой горелочных блоков проведены исследования вариантов комбинированных аэродинамических схем сжигания твёрдого топлива, использующих нижнее воздушное дутьё; получены новые данные по параметрам топочной среды в различных областях топочной камеры, включая пристенную, для комбинированных схем, сочетающих тангенциальную закрутку факела и варианты направленности нижнего дутья;

- определены индивидуальные особенности влияния режимных факторов и направленности нижнего воздушного дутья на аэродинамическую структуру и связанные с ней процессы в топке для реализации комбинированных факельно-вихревых схем сжигания.

Практическая значимость:

- данные, полученные в результате численного исследования топочных процессов для котлов типа БКЗ-210-140Ф с тангенциальным расположением горелочных блоков, могут использоваться при эксплуатации с целью повышения экономичности и надёжности их работы;

- полученные новые данные по рассмотренным комбинированным аэродинамическим схемам являются основой для выполнения проектов модернизации парка котлов данного типа;

- предложены рекомендации по организации топочного процесса применительно к модернизации объекта исследования путём перевода на комбинированные аэродинамические схемы пылеугольного сжигания;

- показана возможность применения пакета прикладных программ FIRE 3D для решения практических задач разработки вариантов реконструкции камерных топок, в которых реализованы комбинированные факельно-вихревые схемы сжигания.

Достоверность полученных автором результатов обеспечивается применением апробированных математических моделей и надежных методов вычислений, хорошей согласованностью с экспериментальными данными других авторов, а также с результатами расчетов, выполненных по нормативному методу теплового расчета котлов. На защиту выносятся:

- результаты численного исследования топочных процессов для традиционных тангенциальных пылеугольных топок и их сочетания с рассмотренными вариантами организации нижнего воздушного дутья применительно к объекту исследования;;

- результаты анализа особенностей влияния режимных факторов и направленности нижнего воздушного дутья на аэродинамику в топке с исследованными комбинированными факельно-вихревыми схемами сжигания;

- рекомендации по организации топочного процесса применительно к модернизации объекта исследования на сжигание твёрдого топлива с применением комбинированных аэродинамических схем.

Основные положения и результаты диссертации докладывались на XV.XVIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2009.2012 гг.), Региональной научно-практической конференции «Теплофизические основы энергетических технологий» (г. Томск, 2009 г.), VII Международной конференции студентов и молодых учёных «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, 2010 г.), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (г. Томск, 2010 г.,2012 г.), VII Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (г.Кемерово, 2011 г), XVII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (г.Томск, 2011 г), Всероссийской молодежной конференции «Химическая физика и актуальные проблемы энергетики» (г. Томск, 2012 г), Всероссийской молодёжной конференции «Горение твёрдого топлива» (г. Томск, 2012 г).

Данная работа представлена введением, пятью главами и заключением, в которых приведено содержание и результаты поэтапно выполненой проработки возможных вариантов совершенствования факельно-вихревых схем сжигания твердого топлива на основе моделирования топочных процессов.

В первой главе представлены основные тенденции развития и опыт эксплуатации факельно-вихревых топок. Рассмотрены различные вариации по организации вихревого движения, технологии с образованием вихрей с горизонтальной или вертикальной осью вращения, а также синтезированные технологии с организацией более сложной аэродинамической структуры. Представлен анализ опыта эксплуатации наиболее распространённых вихревых схем сжигания твёрдого топлива, по результатам которого отмечены их достоинства и недостатки.

На основе выполненного анализа предложен для исследования синтез топок с вертикальными вихрями и горизонтальными, использующими нижнее дутье. Выбор данного синтеза как путь совершенствования существующих факельно-вихревых схем сжигания продиктован возможностью распространения зоны активного горения, образующейся при схемах с вертикальными вихрями, на значительно больший объем топочного пространства, что даст возможность снизить максимальную температуру в топке и за счет активной аэродинамики выровнять уровень температуры в объеме вихревой зоны, что должно обеспечить наиболее выгодные условия работы труб поверхностей нагрева и котла в целом.

Руководствуясь данной задачей, для исследования выбрана низкоэмиссионная вихревая технология, которая в настоящее время довольно широко применяется в практике реконструкции пылеугольных котлов, и традиционная тангенциальная топка, имеющая в плане форму близкую к квадрату с одноярусным расположением горелочных устройств, предпосылками этому послужило их широкое распространение на тепловых электростанциях России и высокая чувствительность к качеству сжигаемого топлива.

Исходя из выше изложенного для определения возможности синтеза выбранных схем в соответствии с поставленной целью выполняемых исследований по итогам первой главы поставлены задачи диссертационной работы.

Во второй главе описывается объект исследования - котельный агрегат БКЗ-210-140Ф производства Барнаульского котельного завода, выбранный по результатам анализа парка котлов, имеющих тангенциальное расположение горелочных устройств, учитывая масштабы распространения в энергетике и имеющиеся проблемы эксплуатации.

На основе результатов экспериментальных исследований, приведенных в различных источниках, выделены области топочного объема (пристенная, центральная и промежуточная), представляющие наибольший научный и практический интерес.

Выбраны варианты синтеза низкоэмиссионной вихревой технологии применительно к топкам с тангенциальным расположением горелок с классическим, пропеллерным и фонтанным направлением нижнего дутья.

Для выполнения решения поставленных задач был использован метод численных исследований.

Выполнен обзор наиболее распространенных программных продуктов, которые позволяют решать вопросы моделирования топочных процессов. По результатам анализа возможностей описанных программных продуктов в качестве инструмента исследований выбран пакет прикладных программ FIRE 3D.

Выполнено тестовое моделирование процессов, которое показало хорошую сходимость с результатами, полученными как расчётным путём по нормативной методике теплового расчёта котельных агрегатов, так и при натурных экспериментах в процессе тепловых испытаний котла.

В третьей главе проведен анализ результатов моделирования топочных процессов применительно к различным режимам несения нагрузки котлом БКЗ-210-140Ф, которые позволили создать необходимую основу для последующих сравнительных исследований технологий сжигания, представляющих собой сочетание базовой аэродинамической схемы с вертикальным тангенциально закрученным факелом и вариантов осуществления нижнего воздушного дутья.

Основные результаты, полученные при численном исследовании процессов в топочной камере с тангенциальной компоновкой горелок, полностью соответствует экспериментальным данным исследований других авторов.

В четвертой главе представлена оценка общих и локальных характеристик топочного процесса и влияния на них основных эксплуатационных режимов для принятых к рассмотрению вариантов организации факельно-вихревого сжигания твердого топлива. Всего для каждого из вариантов комбинированных аэродинамических схем по четырём сочетаниям задействованных горелок и для четырёх анализируемых характеристик топочного процесса с учётом их пошагового фиксирования по трём осям координат на данном этапе исследования получено 2512 экспозиций картины топочной среды. В общей сложности для всех трёх рассмотренных вариантов аэродинамических схем база для сравнительного анализа состояла из 7536 таких экспозиций.

На основе выполненных исследований особенностей топочного процесса выявлены преимущества и недостатки совмещения аэродинамической схемы тангенциально закрученного факела и нижнего воздушного дутья.

Полученные результаты численного моделирования в целом подтверждают работоспособность рассмотренных вариантов аэродинамических схем топочного процесса применительно к модернизации камерной топки котла БКЗ-210-140Ф и являются основой для исследования наиболее экономичных режимов их применения.

В пятой главе выполнена оценка полученных результатов, на основании которой определены индивидуальные особенности влияния варьируемых режимных факторов на параметры работы топки. Проведён сравнительный анализ предложенных вариантов синтеза традиционных тангенциальных пылеугольных топок с низкоэмиссионными вихревыми технологиями сжигания топлива угрубленного помола, на основе которого выработаны рекомендации по практическому использованию совмещения исследуемых аэродинамических схем при организации факельно-вихревого сжигания твердого топлива в топках котельных агрегатов. В частности, возможности вариативной организации эксплуатации котла в зависимости от свойств топлива: сжигание угольной пыли с использованием существующих пылесистем по традиционной тангенциальной схеме, различные сочетания одновременного сжигания тонко молотой и пыли грубого помола.

В заключении приведены основные выводы по результатам диссертационного исследования.

В приложении приведены результаты решения задач на ЭВМ и визуализация численного моделирования, а также материалы, подтверждающие характер и степень практического использования полученных результатов.

Автором выбраны варианты исполнения аэродинамических схем для реализации факельно-вихревых технологий сжигания твёрдого топлива, проведены вычислительные эксперименты, анализ полученных результатов, формулирование выводов. В постановке задач исследований, обсуждении методики вычислительных экспериментов и полученных результатов принял участие научный руководитель д.т.н. Заворин A.C.

5. Основные результаты, полученные при численном исследовании процессов в топочной камере с тангенциальной компоновкой горелок, полностью соответствует экспериментальным данным других исследований (Ф.А. Серант, Б.П. Устименко и др).

ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПОЧНОЙ СРЕДЫ ПРИ СОВМЕЩЕНИИ БАЗОВОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И ВАРИАНТОВ НИЖНЕГО ДУТЬЯ

4.1. Исследованные условия организации сжигания

Математическое моделирование процессов выполнено применительно к принятым вариантам (см. п. 2.1. настоящей работы) синтеза традиционных тангенциальных пылеугольных топок с низкоэмиссионными вихревыми технологиями, используемыми для сжигания топлива угрубленного помола в режиме твёрдого шлакоудаления. Как обосновано выше, рассмотрены следующие варианты виртуальной модернизации традиционной топки с тангенциальным расположением горелок: НВК; НВП; НВФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках данной работы проведен полномасштабный анализ организации топочных процессов при сжигании бурого (непроектного) угля в виде мелкой пыли в котлах с традиционной тангенциальной схемой расположения горелок и топлива угрубленного помола с применением синтезированных многовихревых технологий посредством численного моделирования на примере широко распространенного в отечественной энергетике котельного агрегата БКЗ-210-140Ф производства Барнаульского котельного завода.

На основании анализа тенденций развития и опыта эксплуатации существующих в настоящее время или предлагавшихся специалистами факельно-вихревых технологий сжигания твёрдого топлива и полученных результатов численного моделирования осуществлён выбор возможных схем организации аэродинамической структуры в топочной камере, с использованием принципов низкоэмиссионного вихревого сжигания: с классическим (вдоль фронтового ската холодной воронки), так называемыми, пропеллерным (двумя потоками - вдоль фронтового и тыльного скатов холодной воронки) и фонтанным (вертикально вверх) направлением нижнего дутья, применительно к традиционной топке с тангенциальным расположением горелок.

Инструментом исследования послужил пакет прикладных программ FIRE 3D, одна из отечественных разработок, предназначенных для численного моделирования топочных процессов. Адекватность применения данного пакета подтверждена результатами выполненных тестовых расчётов и сравнительного анализа с экспериментальными данными, а также результатами исследований, выполненных другими авторами (A.B. Старченко, С. В. Красильников, A.B. Гиль и др.).

Результаты численного моделирования топочных процессов получены не только для различных режимов несения нагрузки котлом, но и направлены на выяснение специфики развития внутритопочных процессов в отдельных областях топочной камеры. Такой подход позволил получить достаточное количество двумерных экспозиций параметров топочной среды, по которым выполнена обоснованная оценка применения сочетания базовой аэродинамической схемы (с вертикальным тангенциально закрученным факелом) и вариантов осуществления нижнего воздушного дутья.

Совокупные результаты численного моделирования расширили имеющиеся данные о течении топочных процессов при применении вариантов комбинированных аэродинамических схем, основанных на принципах низкоэмиссионых вихревых технологий сжигания, и использованы для анализа влияния режимных условий работы котла на реализацию рассматриваемых схем. Установлено, что при изменении нагрузки и отключении части горелочных устройств из-за высоких скоростей потока воздуха нижнего дутья наблюдается смещение основных потоков в область наименьшего сопротивления. При увеличении расхода воздуха, подаваемого через основные горелочные устройства, горизонтальные вихри в области холодной воронки прижимаются к скату тыльного экрана и (или) фронтового экранов, что может приводить к выгоранию топливно-воздушной смеси в непосредственной близости от них и негативно отражаться на надежности работы экранных поверхностей вследствие абразивного износа. При любом изменении соотношения расходов не только между основными горелочными устройствами, но и в целом между ними и устройством нижнего дутья, происходят существенные изменения не только в аэродинамике топочного объема, но и в перераспределении температурных потоков как по высоте, так и по сечению топочной камеры, что отражается на полноте выгорания топлива.

Анализ результатов исследований относительно применимости каждой из рассматриваемых аэродинамических схем свидетельствует, что самостоятельное использование можно рассматривать лишь для двух схем -с классическим и пропеллерным направлением нижнего дутья. Вариант с фонтанным направлением нижнего дутья показал свою состоятельность только при режиме работы котла с задействованием четырёх горелочных блоков.

Для достижения наиболее благоприятных условий надёжной и экономичной работы котла в условиях нестабильности качества поставляемого угля при работе на четырёх горелочных блоках выгодно использовать вариант НВФ или НВП, на трех - НВП, а на двух - НВК с включением горелочных блоков, прилежащих к фронту котла. Подобное совмещение комбинированных схем обеспечит возможность эксплуатации объекта исследования в трёх режимах: сжигание молотого топлива с использованием существующих пылесистем по традиционной тангенциальной схеме; одновременное сжигание молотого и топлива угрубленного помола; сжигание топлива угрубленного помола. При этом переход с одного режима на другой принципиально возможно осуществлять без останова котла и сложных переключений в случае нахождения удачного конструктивного решения для вариабельного устройства нижнего дутья.

По работе сформулированы нижеследующие основные выводы:

1. Работа тангенциальной топки с задействованием трёх горелочных блоков характеризуется увеличением вялопроточных зон, что способствует возникновению и развитию шлакования экранных труб, вблизи бокового, прилегающего к незагруженной горелке, и фронтового экранов под горелочным поясом, в районе устья холодной воронки на высоте от 3 до 6 м (-20 м2 экранов), а также в полосе, поднимающейся по периметру топки на высоте от 15 до 23 м (~30 м2 экранов).

2. Однонаправленное нижнее дутьё вдоль фронтового ската холодной воронки при работе котла на трёх или четырёх горелочных блоках создаёт стабильную аэродинамическую структуру потоков в топке, растягивает зону активного горения и обеспечивает умеренные температуры на выходе из топки. Режим работы котла на двух пылесистемах по такой аэродинамической схеме возможен лишь с задействованием двух прилежащих к фронту котла горелочных блоков.

3. Направление нижнего дутья вдоль фронтового и тыльного скатов холодной воронки, разделённого пополам, характеризуется наиболее активной аэродинамической структурой для всех рассматриваемых сочетаний задействованных горелочных блоков, создаёт условия для возврата выпадающих частиц в зону горения, и вследствие этого для снижения недожога топлива.

4. Фонтанное направление нижнего дутья является действенным только при работе всех четырех горелочных блоков, обеспечивая условия для снижения провала топлива и образования отложений на экранных трубах в районе холодной воронки, растягивание зоны активного горения и равномерное заполнение топочного пространства дымовыми газами.

5. Для реализации принципов комбинированной аэродинамической схемы при тангенциальной компоновке основных горелок и нижнем вторичном дутье предпочтительно использовать возможность перехода к различным вариантам направленности нижнего дутья, что позволит минимизировать негативные факторы и обеспечит возможность эксплуатации котла в разных режимах, удовлетворяющих условию универсальности по топливу, но требует разработки конструкции вариабельного устройства нижнего дутья, которое позволит осуществлять переход с одной аэродинамической схемы на другую без останова котла.

1. Нечаев В.В. О ресурсе энергетических объектов // Электрические станции. 2002. - № 6. - С. 10-17.

2. Колмогоров В.В. Модернизация и инновации в энергетике // Международный клуб директоров : сетевой журн. 2010. URL: http://director-club.org/storage/meetings/material-17.ppt (дата обращения: 25.10.2010).

3. Минэнерго России: модернизация одна из ключевых задач отрасли // Энергетика и промышленность России : сетевой журн. 2010. URL: http://www.eprussia.ru/news/base/2010/51597.htm (дата обращения: 19.05.2010).

4. Энергетическая политика России. Обзор 2002 // Международное энергетическое агентство. 2002. URL: http://www.iea.org/media/ translations/russian/russiarus2002.pdf (дата обращения 18.10.2010).

5. Россия в энергетической сфере // Инновационное бюро эксперт : сетевой журн. 2006. URL: http://www.inno-expert.ru/consulting/ energy (дата обращения: 25.10.2010).

6. Говсиевич Е.Р., Алешинский P.E. О использовании непроектных углей на тепловых электростанциях // Энергетик. 1997. - № 7. - С. 11-12.

7. Гаврилов А.Ф., Гаврилов Е.И. Экологические аспекты замещения экибастузского угля кузнецкими углями на ТЭС России // Теплоэнергетика. 2004. - № 12. - С. 23-28.

8. Орлов Ю.Н. Энергетика России и перспективы ее развития ТЭК в XXI веке // Исследовано в России : сетевой журн. 2002. URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2002/011 .pdf (дата обращения: 25.10.2010).

9. Митор В.В., Голованов H.B., Чавчанидзе Е.К., ШатильА.А. Перспективы развития конструкций топочных устройств для сжигания низкосортных твердых топлив // Труды ЦКТИ. 1981. - Вып. 191. -С. 119-134.

10. А. с. 595587 СССР, МКИ Ж 24 Ж 7/ 04 А 01 Р 25/22 // В 65 С1/00. Топочная камера / Б.Н. Барбышев, В.Ф. Скляров, A.M. Соловьев и др. (СССР). опубл. 1978, Бюл. № 8.

11. Рундыгин Ю.А., Скудицкий В.Е., Григорьев К.А. и др. Модернизация котлов на основе низкотемпературной вихревой технологии сжигания твердых топлив // Энергетика: экономика, технологии, экология. 2000. - № 4. - С. 19-22.

12. Патент РФ 2123636 F23C5/08. Способ работы топки, работающей на пылевидном твёрдом топливе. / М.Дж. Рини, Т.Д. Эллвелл, Д.П. Таульи др.-№ 95107689/06; заявл. 17.03.1994; опубл. 20.12.1998.

13. Хзмалян Д.М. Теория горения и топочные устройства : учебное пособие. М.: Энергия, 1976. - 488 с.

14. Ковалев А.Л., Ипполитов A.C. Исследование двухкамерной циклонной топки с пересекающимися струями // Энергомашиностроение. 1960. - № 11. - С. 16-20.

15. Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 104 с.

16. Ипполитов A.C., Сафронов С.П., Двойнишников В.А. и др. Разработка и исследование высокофорсированного топочного устройства с пересекающимися струями / В кн.: Горение твердого топлива. Новосибирск: Наука, 1969.-Ч. 1.-С. 10-18.

17. Ипполитов A.C., Белосельский Б.С., Быстрицкий Г.Ф. Исследование сжигания твёрдого топлива в условиях пересекающихся струй // Теплоэнергетика. 1965, - № 8 - С. 10.

18. Изюмов М.А., Куприянов В.И., Росляков П.В. и др. Сжигание различных видов топлив в топочном устройстве с пересекающимися струями // Тр. МЭИ. 1977. - Вып. 330. - С. 74-82.

19. Миронов С. JL, Котлер В.Р. Сжигание канско-ачинских углей при повышенной форсировке топочного объема // Теплоэнергетика. 1966. -№ 10.-С. 15-23.

20. Кацнельсон Б.Д. Исследование горения угольной пыли в вихревой топке ЦКТИ в стендовых условиях / В кн.: Горение твердого топлива. Новосибирск: Наука, 1969. -Ч. 2. - С. 11-17.

21. Голованов Н.В., Ицковский М.А., Гамер Г.М. и др. Парогенератор с цельносварными газоплотными панелями под наддувом // Энергомашиностроение. 1971. - № 5. - С. 6-9.

22. Гамер Г.М., Голованов Н.В., Ицковский М.А. Сжигание высокосернистого мазута и газа в вихревой топке ЦКТИ малогабаритного парогенератора под наддувом // Энергомашиностроение. 1971. - № 9. - С. 45^4-8.

23. Голованов Н.В., Ицковский М.А., Попов A.A. и др. Сжигание назаровского бурого угля в малогабаритном парогенераторе с вихревой топкой ЦКТИ под наддувом // Энергомашиностроение. 1974. - № 6. -С. 6-9.

24. Компания «НТВ ЭНЕРГО» : реализованные проекты. 2009. URL: http://www.ntv-energo.spb.ru (дата обращения: 25.10.2010).

25. Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 104 с.

26. Патент РФ 2067724 F23C5/24. Низкоэмиссионная вихревая топка. / Ф.З. Финкер, Д.Б. Ахмедов, И.Б. Кубышкин и др. -№ 94045164/06; заявл. 29.12.1994; опубл. 10.10.1986.

27. Патент РФ 2154234 F23C5/24. Топка. / Ф.З. Финкер, И.Б. Кубышкин, Ю.П. Бахтинов. № 99109062/06; заявл. 23.04.1999; опубл. 10.08.2000.

28. Патент РФ 2044218 F23C5/24. Способ сжигания топлива и вихревая топка. / Ю.А. Рудыгин, Г.В. Альфимов, К.А. Григорьев и др. -№ 94002729/06; заявл. 25.01.1994; опубл. 20.09.1995.

29. Патент РФ 2199056 F23C5/32. Вихревая топка. / В.И. Сухинин, О.В. Распутин, И.В. Обухов и др. № 2001113351/06; заявл. 14.05.2001; опубл. 20.02.2003.

30. Амирханов P.M. Оптимизация сжигания углеводородного топлива с обеспечением требований экологической безопасности электростанций ОАО «Башкирэнерго» / В кн.: Устойчивое развитие: природа, общество, человек». Уфа, 2006. - С. 36^40.

31. Лебедев Б.В. Совершенствование аэродинамики топочного процесса при сжигании дроблении ирша-бородинского угля (на примере котла БКЗ-420-140-9 Усть-илимской ТЭЦ): автореф. дис. . кандидата технических наук. Томск, 1990. - 16 с.

32. Тепфер Е.С. Совершенствование топочного процесса пылеугольных котельных агрегатов П-67 на основе численного моделирования: автореф. дис. . кандидата технических наук. -Красноярск, 2010. 20 с.

33. Блинов Е.А. Топливо и теория горения. Раздел подготовка и сжигание топлива : учеб. пособие. - СПб.: Изд-во СЗТУ, 2007. - 119 с.

34. А. с. 992906 СССР. Топочная камера. / A.A. Шатиль, H.A. Левнер, В.Я. Ицкович (СССР). -1983, Бюл. № 4. 10 е.: ил.

35. Гурылев О.Ю. Повышение эффективности работы пылеугольных котлов мощных энергоблоков при переходе на сжигание березовского угля на примере котлов П-59 Рязанской ГРЭС Санкт-Петербург, 2004. - 166 с.

36. A.c. 1084531 СССР. МКИ В 25 J10/85. Топочная камера. / A.A. Шатиль, Е.К. Чавчанидзе, JI.M. Христич и др. опубл. 1984, Бюл. № 13.-12 е.: ил.

37. Барбышев Б.Н., Шатиль A.A. Исследование аэродинамики топки с инвертным факелом. // Энергетика и электрификация, 1983. - № 2. -С. 43^8.

38. Шатиль A.A., Майструк В.П., Суровое А.Е. и др. Исследование инвертного способа сжигания каменных углей марок Д, Г и их промпродукта на котле ТП-230-3. // Электрические станции. 1986. -№ 1.-С. 25-28.

39. Серант Ф.А., Шестаков СМ., Померанцев В.В. и др. Сжигание немолотых азейских бурых углей в низкотемпературной вихревой топке по схеме ЛПИ-ИТЭЦ-10. // Теплоэнергетика. 1983. -№ 7. - С. 36^11.

40. Орлов Ю.Н. Энергетика России и перспективы ее развития ТЭК в XXI веке // Исследовано в России : сетевой журн. 2002. URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2002/011 .pdf (дата обращения: 25.10.2010).

41. Рундыгин Ю.А., Скудицкий В.Е., Григорьев К.А. Опытприменения НТВ технологии сжигания твердых топлив и предложенияпо ее использованию на электростанциях АО «Свердловэнерго» // Сб.докл. : Повышение надежности топливообеспечения ТЭС АО138

42. Свердловэнерго» в условиях ограничения использования природного газа и мазута. Перспективы внедрения новых технологий сжигания твердого топлива, варианты реконструкции и модернизации ТЭС. -Екатеринбург: АО «Свердловэнерго», 2000. С. 94-101.

43. Штым А.Н., Штым К.А., Воротников Е.Г. и др. Исследование и освоение вихревой технологии сжигания топлива // Вестник Дальневосточного гос. техн. ун-та. 2010. - № 2. - С. 43-59.

44. Маршак Ю. Л., Козлов С.Г., Дик Э.П. и др. Шлакование топочной камеры при сжигании березовского угля // Теплоэнергетика. 1980. -№ 1. - С. 16-22.

45. Письмо ОАО «Сибэнергомаш» : № 02-1.403/ 345ф от 19.05.2011 г.

46. Котлы большой мощности: каталог-справочник. М. НИИ информтяжмаш, 1970. - 142 с.

47. Гроо A.A., Байков Д.В., Дектерев A.A. Расчетное исследование вариантов реконструкции котла ТП-92 Яйвинской ГРЭС // Горение твердого топлива : Сб. докладов VI Всероссийской конф. -Новосибирск: Изд. ИТ СО РАН, 2006.-Ч. 1.-С. 147-155.

48. Коняшкин В.Ф. Моделирование физических процессов вкольцевой топке с помощью программы FLUENT. // Горение твердого139топлива : Сб. докладов VI Всероссийской конф. Новосибирск: Изд. ИТ СО РАН, 2006. - Ч. 1. - С. 170-177.

49. Аношин Р.Г., Гиль A.B., Григорьев К.А. и др. Математическое моделирование топочных процессов при сжигании грубоизмельченного топлива. // Горение и плазмохимия. 2006. - Т. 4. - № 4. - С. 255-259.

50. Камалова Г.А., Мессерле В.Е., Найманова А.Ж. и др.140

51. Закономерности процессов горения в топочных устройствах. // Горение твердого топлива : Сб. докладов VI Всероссийской конф. -Новосибирск: Изд. ИТ СО РАН, 2006. Ч. 1. - С. 164-169.

52. Рубашкин А.С., Рубашкин В.А. Моделирование процессов в топке парового котла // Теплоэнергетика. 2003. - № 10. - С. 14-18.

53. Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование. изд. 2-е, испр. - М.: Физматлит, 2001. - 320 с.

54. Launder В.Е., Spalding D.B. The numerical computation of turbulent flows. // Computational Methods in Applied Mechanics and Engineering. -1974. Vol. 3, №. 2. - P. 269 - 289.

55. Kafui K.D., Thornton C., Adams M.J. Discrete particle-continuum fluid modelling of gas-solid fluidised beds. // Chemical Engineering Science. 2002. - № 57. - P. 2395-2410.

56. Belosevic S., Sijercic M., Oka S., Tucakovic D. Three-dimensional modeling of utility boiler pulverized coal tangentially fired furnace. // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2006. - № 49. - P. 33713378.

57. Zhou L.X., Li L., Li R.X., Zhang J. Simulation of 3-D gas-particle flows and coal combustion in a tangentially fired furnace using a two-fluidtrajectory model. // Powder Technology. 2002. - № 125. - P. 226-233.141

58. Бубенчиков А. М., Старченко А.В. Численные модели динамики и горения аэродисперсных смесей в каналах. Томск: Издательство ТГУ, 1998.-236 с.

59. Fan J., Qian L., Ma Y., Sun P., Cen K. Computational modeling of pulverized coal combustion processes in tangentially fired furnaces. // Chem. Eng. J. 2001. - № 81. - P. 261-269.

60. Пасконов B.M., Полежаев В.И., Чудов JI.A. Численное моделирование процессов тепло- и массообмен. М.: Наука, 1984. -288 с.

61. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.

62. Маршак Ю.Л., Гончаров А.И., Процайло М.Я. и др. Опытное сжигание березовского угля повышенной зольности. // Теплоэнергетика. 1978. - № 8. - С. 9-14.

63. Заворин А.С., Теплухин Е.П., Киселев Н.Б. Распределение минеральных компонентов бурого угля Березовского месторождения в пылеугольном тангенциально закрученном факеле // Известия вузов СССР Энергетика. - 1986.-№3.-С. 89-92.

64. Заворин A.C., Бетхер Т.М., Лебедев Б.В. Анализ топочной среды котла БКЗ-210-140 на основе численного моделирования // Известия Томского политехнического университета. 2011. - Т. 319. - №4 -С. 50-55.

65. Обухов И.В. Исследование низкотемпературной вихревой топки котла малой мощности при сжигании дальневосточных и канско-ачинских бурых углей: автореф. дис.канд.техн. наук. Владивосток, 1999.22 с.

66. Шатиль A.A. Топочные процессы и устройства. СПб.: АООТ «Науч.-произв. об-ние по исслед. и проектированию энергет. Оборудования», 1997. - 184 с.

67. РТМ 108.030.127-78. Позонный расчёт горения и теплообмена в топках котлоагрегатов с использованием ЭВМ. Л.: ЦКТИ, 1978.

68. Основы практической теории горения / Под ред. В.В. Померанцева. 2-е изд.-Л. : Энергоатомиздат, 1986.-312 с.

69. Гиль A.B. Моделирование топочной среды при переводе пылеугольных котлов с твердым шлакоудалением на непроектное топливо : автореф. дис. . кандидата технических наук Томск: Б.и., 2008.-22 с.

70. Мамаев А.К., Бетхер Т.М. Сравнительный анализ существующихпрограммных продуктов для моделирования топочных процессов //

71. Современные техника и технологии: Труды XVII Международной143научно-практ. конф. студентов и молодых ученых. Томск: Изд-во ТПУ, 2011. - Т 3. - С. 221-222.

72. Энергетическая политика России. Обзор 2002 // Международное энергетическое агентство. 2002. URL: http://www.iea.org/media/ translations/russian/russiarus2002.pdf (дата обращения 18.10.2010).

73. ANSYS Advantage. Русская редакция // Инженерно-технический журн. 2008. URL: http://www.ansyssolutions.ru/index.php?id=38 (дата обращения 25.11.2011 ).

74. Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. -М.: Машиностроение, 1983. 600 с.

75. Старченко A.B., Заворин A.C., Красильников C.B. Применение пакета FIRE 3D к анализу процессов шлакования // Известия Томского политехнического университета. 2002. - Т. 305. - № 2. - С. 152-157.

76. Бубенчиков A.M., Старченко A.B. Численные модели динамики и горения аэродисперсных смесей в каналах. Томск: Изд-во ТГУ, 1998. -236 с.

77. Кроу Ш.С. Численное исследование газокапельных потоков с помощью модели «капля-внутренний источник» // Теоретические основы инженерных расчетов. 1977. - Т. 99. - № 2. - С. 150-159.

78. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и144динамики жидкости. M.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.

79. Красильников C.B. Численное исследование пространственных двухфазных течений и горения в пылеугольной топки с учетом шлакования. Томск, 2003. - 155 с.

80. Маршак Ю.Л., Козлов С.Г. Исследование пристенной области топочных камер // Влияние минеральной части энергетических топлив на условия работы парогенераторов : Тезисы докл. III Всероссийской конф. Таллин, 1980.-T. 1А.-С. 116-124.

81. Заворин A.C., Теплухин Е.П., Киселев Н.Б. Распределение минеральных компонентов бурого угля Березовского месторождения в пылеугольном тангенциально закрученном факеле // Известия вузов. Энергетика. 1986. - № 3. - С. 89-92.

82. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод). СПб.: Изд-во НПО ЦКТИ, 1998.-256 с.

83. Гиль A.B. Моделирование топочной среды при переводе пылеугольных котлов с твердым шлакоудалением на непроектные топлива. Томск, 2008. - 171 с.

84. Маршак Ю.Л., Верзаков В.Н. Исследование горения березовскогоугля в тангенциальной топочной камере с газовой сушкой топлива. // Теплоэнергетика. 1982. - № 8. - С. 4-9.

85. Заворин A.C., Лебедев Б.В. Бетхер Т.М. Численное исследование аэродинамики топочной среды пылеугольного котла при модернизации по варианту низкоэмиссионной вихревой технологии // Промышленная энергетика. 2012. - № 4. - С. 7-10.

86. Наименование параметра котла размерность значение1 2 3

87. Производительность котла т/ч 210

88. Давление перегретого пара МПа 14

89. Температура перегретого пара °С 570

90. Температура питательной воды °С 230

91. Температура воздуха на входе °С 301. Процент продувки % 2

92. Потери тепла от мех. недожога, ц4 (нормы, таблица XVIII) % 1,0

93. Потери тепла от хим. недожога, цЗ % 0

94. Коэффициент избытка воздуха на выходе из топки 1,21

95. Присосы воздуха в топку 0,157

96. Присосы воздуха в пароперегреватель 0,03

97. Присосы воздуха в 1-ой ступени экономайзера 0,02

98. Присосы воздуха во 2-ой ступени воздухоподогревателя 0,03

99. Присосы воздуха в 1 -ой ступени воздухоподогревателя 0,02

100. Присосы воздуха во 2-ой ступени экономайзера 0,021. Марка топлива Бурый1. Состав топлива:1. Влажность топлива % 36,01. Зольность топлива % 25,01. Содержание серы % 0,3

101. Содержание углерода % 25,91. Содержание водорода % 2,11. Содержание азота % 0,5

102. Содержание кислорода % 10,2

103. Теплота сгорания МДж/кг 10,351. Содержание карбонатов % 01. Выход летучих % 56

104. Температура начала деформации золы °С 1170

105. Температура начала размягчения золы °с 1420

106. Температура начала плавления золы °с 1500

107. Расчетная влажность % 40,4

108. Расчетная зольность % 17,41. Температура топлива °с 20

109. Присосы воздуха в пылесистеме 0,33

110. Наименование параметра котла размерность значение1 2 3

111. Теоретические объемы мЗ/кгвоздуха 2,74трехатомных газов 0,53азота 2,17водяных паров 0,80

112. Располагаемое тепло ккал/кг (кДж) 2678 (11217,07)

113. Использованное тепло ккал/кг (кДж) 2333 (9772,0)1. Потери тепла %с уходящими газами 11,21от химической неполноты сгорания 0,00от механической неполноты сгорания 1,0от наружного охлаждения агрегата 0,63с физическим теплом шлаков 0,04

114. Коэффициент полезного действия % 87,12

115. Расход топлива т/ч (кг/с) 48,99 (13,61)

116. Рис. 11.1 Скорость газовой среды (м/с) в продольном сечении: а) т. = 0,9 м; б)г = 2,4 м; в)г = 3,74 мв)1 3 I 41. Ьсшпй ¡Он:*1.< 16.5 ! 1615 Ип 12 Ию1 7 60 12 3 4 5 6 76.50 1 2 3 4 5 6 'а) б)

117. Рис II. Скорость газовой среды (м/с) в поперечном сечении а) х = 1,1 м; б) х = 2,45 м; в) х = 3,7 м1. N50 14001450 14001450 1400

118. Рис 11.4 4 Температура (К) газовой среды в продольном сечении: а) г = 0,9 м; б)г = 2,4 м; в)г = 3,74 мт. к1450 14001. Т. К Ул ■ -1450 151.1400 24 1 ООО1.21- 1200 -ч19 1800 ,7 1«0 15 1413 12К