автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Совершенствование топочного процесса пылеугольных котельных агрегатов П-67 на основе численного моделирования

003493866

на правах рукописи

ТЭПФЕР Елена Сергеевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТОПОЧНОГО ПРОЦЕССА ПЫЛЕУГОЛЬНЫХ КОТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ П-67 НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 2010г.

1 8 МАО ?П1Г)

003493866

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» и в научно-производственной фирме ООО «ТОРИНС»

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Дектерёв Александр Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Скуратов Александр Петрович

кандидат технических наук, доцент Федоров Виктор Александрович

Ведущая организация: Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе

СО РАН (Новосибирск)

Защита состоится 7 апреля_2010 года в 14.00 на заседании

диссертационного совета ДМ 212.099.07 при ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» по адресу: г. Красноярск, ул. Ленина, 70 в А 204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского федерального университета по адресу: 660074, Красноярск, ул. академика Киренского, 26, ауд. Г 274.

Автореферат разослан 5 марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доцент Т. М. Чупак

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В мировом энергопотреблении на уголь приходится примерно четвертая часть. Большей частью уголь используется для выработки электрической и тепловой энергии при пылевидном сжигании в котлах крупных электростанций. Крупные энергетические предприятия на угле - это основной источник эмиссии оксидов азота в атмосферу. Технология снижения выбросов оксидов азота при сжигании пылевидного угольного топлива можно разделить на две группы: технологии оптимизации процесса сжигания, эффективно ограничивающие образование оксидов азота, и технологии очистки дымового газа от образовавшегося оксида азота. Применение низкоэмисионных горелок и схем ступенчатого сжигания позволяет при относительно невысоких затратах на реконструкцию топки получать существенное снижение выбросов оксидов азота.

На котлах П-67 Березовской ГРЭС-1, наряду с проблемой выбросов оксидов азота так же остро стоит проблема шлакования поверхностей нагрева топочной камеры, обусловленная использованием березовского бурого угля канско-ачинского месторождения. Интенсивное загрязнение поверхностей нагрева топки приводит к необходимости вынужденных остановок котла и механической чистке топочных экранов, снижая тем самым эффективность их работы. В связи с этим 1991 году котлы были перемаркированы на производительность 750 МВт.

Для решения проблем, возникающих при работе котлов Березовской ГРЭС-1, актуальным стало совершенствование топочного процесса на основе его детального исследования. В последние годы при проектировании, исследовании и наладке котельного оборудования все более широко применяется математическое моделирование, основанное на физических законах, описывающих процессы аэродинамики и теплообмена. Компьютерное моделирование позволяет корректно изучить режимы работы и оптимизировать как вновь проектируемое, так и реконструируемое оборудование. Совместное использование математического моделирования, физического эксперимента и натурных испытаний дает возможность получить наиболее полную и достоверную информацию об объекте исследования. При этом существенно сокращаются затраты на проведение экспериментальных и опытных работ.

Объектом исследования являются топочные камеры пылеугольных котлоагрегатов П-67 Березовской ГРЭС-1.

Предмет исследования - характеристики теплообмена, показатели шлакования поверхностей нагрева топки, недожог топлива и уровень оксидов азота в уходящих газах при различных схемах организации топочного процесса.

Цель работы.

Повышение эффективности технологии сжигания шлакующих бурых углей в мощных котельных агрегатах на основе результатов численного мо-

делирования аэродинамики, теплообмена, горения, образования вредных выбросов и шлакования поверхностей нагрева топочных камер.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

• выполнить совершенствование моделей топочных процессов на основе компьютерной программы «8^таР1ате» для возможности учета механизмов образования и подавления оксидов азота, анализа тепловой эффективности топки на основе оценки характера шлакования поверхностей нагрева и расчета недожога топлива;

• провести оценку адекватности программы «Б^таР^те» для расчета тангенциальных топочных камер на базе данных гидродинамического лабораторного эксперимента и данных натурных исследований;

• построить математическую модель топочной камеры котла П-67 и выполнить исследование влияния схемы организации топочного процесса (компоновка сопел и горелочных устройств, режимных параметров, условий ввода аэросмеси и воздуха) на аэродинамику и тепловые характеристики топочного устройства;

• на основе анализа результатов расчетных исследований предложить рекомендации по выбору перспективных схем реконструкции топки котла П-67 с целью повышения эффективности сжигания топлива, снижения скорости шлакования, уменьшения концентрации оксидов азота в дымовых газах.

Научная новизна: 1. Предложены и реализованы в виде модулей в программе

«8(§таР1ате»:

- модель образования и подавления оксидов азота, позволяющая рассчитывать схемы со ступенчатой организацией сжигания;

- модель оценки шлакования топочных экранов;

- блок анализа потерь с химическим и механическим недожогом для топочных камер с твердым шлакоудалением.

2. Впервые построена комплексная математическая модель котла П-67, учитывающая турбулентную пространственную аэродинамику, сложный теплообмен, выгорание пылеугольного топлива, образование оксидов азота, шлакование поверхностей нагрева.

3. Впервые для тангенциальных топочных камер с настенным расположением горелок выявлено, что зоны интенсивного шлакования топочных экранов находятся в области нечетного блока горелок и обусловлены характером аэродинамики газов. Установлено, что в углах топки формируются вторичные вихри, взаимодействие которых с основным вихревым потоком приводит к набросу факела на стенки топки.

4. Для блока 800 МВт получены зависимости параметров теплообмена (температуры поверхностей, в ядре факела и на выходе из топки, тепловые потоки), недожога топлива и концентрации оксида азота от расположения третичных воздушных сопел, угла наклона и поворота горелок, схемы загрузки ярусов и организации нижнего воздушного дутья.

Практическая значимость работы

На основе проведенных расчетных исследований предложены и реализованы технологические решения по модернизации топок котлов П-67 блоков № 1 и № 2, позволившие снизить вероятность шлакования топочных экранов, что обеспечивает возможность котлу нести длительную максимальную нагрузку 800 МВт, сократить количество выбросов оксидов азота до 350 мг/м\

Разработаны предложения по конструкции топочной камеры котла блока № 3, при реализации которых котел будет удовлетворять современным экологическим требованиям для вновь проектируемых агрегатов.

Разработанное специализированное программное обеспечение и рекомендации по конструкции и организации топочного процесса используются в исследовательской деятельности ряда научных организаций (ВТИ, СибВТИ СибЭНТЦ, ООО «ТОРИНС») и для подготовки специалистов в учебном процессе на кафедре теплофизики ИИФиРЭ СФУ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Комплексная математическая модель топочной камеры котла П-67 включающая процессы: турбулентную аэродинамику, теплообмен, горение угольной пыли, образование и подавление оксидов азота, шлакования поверхностей нагрева.

2. Зависимости параметров теплообмена, недожога топлива и концентрации оксида азота от расположения третичных воздушных сопел, угла наклона и поворота горелок, схемы загрузки ярусов и организации нижнего воздушного дутья для блока 800 МВт.

3. Технические решения по реконструкции П-67 № 1 и № 2 Березовской ГРЭС-1, направленные на совершенствование топочного процесса, позволившие уменьшить шлакование поверхностей нагрева, увеличить время безостановочной работы котельного агрегата и, снизить выбросы оксидов азота до 350 мг/м3.

4. Рекомендации по конструкции и организации топочного процесса проектируемого нового блока № 3 Березовской ГРЭС-1, удовлетворяющего современным экологическим требованиям для вновь проектируемых агрегатов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методов теоретических исследований в области гидродинамики, теплообмена, горения твердого топлива. Результаты математического моделирования, не противоречат основным физическим законам и удовлетворяют результатам, полученным на лабораторных стендовых и промышленных установках. Достоверность математической модели была подтверждена сравнением результатов моделирования котла П-67 с данными натурного эксперимента.

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач исследования, усовершенствовании специализированной программы «8щтаР1ате», разработке основных положений научной новизны и практической значимости, реализации полученных результатов совместно со спе-

циалистами СибВТИ на действующих блоках № 1, 2 и при проектировании блока № 3 котла П-67 Березовской ГРЭС-1.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях: Международной конференции " Потоки и структуры в жидкостях", Санкт-Петербург, 23-26 июня 2003 г; Семинаре-совещании «Опыт внедрения новой техники и технологий в энергетике», г. Шарыпово, ОАО «Березовская ГРЭС», октябрь 2003 г.; Международной конференции «Угольная теплоэнергетика: «Проблемы реабилитации и развития». Сентябрь 2004- 2006, 2008 г., Алушта, Украина; X Всероссийский научно-практическом семинаре "Обеспечение безопасности и экономичности энергетического оборудования", 2326 ноября 2004 г. С-Пб.; Международной конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» г.Алушта, 19-25 сентября 2005,2006,2008 г; 4st International Conference on Computational Heat and Mass Transfer May 17-20, 2005, Paris-Cachan, FRANCE; 4-й Российской национальной конференция по теплообмену. 23—27 октября 2006 г. Москва; Всероссийской научно - технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий». Улан- Удэ, 24-30 июля 2006 г.; VI Всероссийская конференция «Горение твердого топлива», Россия, Новосибирск, 8-10 ноября, 2006 г.; III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики», 21-23 ноября 2007 г. Екатеринбург; Конференции «Результаты фундаментальных исследования в области энергетики и их практическое значение», Москва 24 -26 марта 2008 г. Объединенный Институт Высоких Температур Российской Академии Наук; VI Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике ВСВТЭ-2009. Красноярск, 13-15 мая 2009г. СФУ; VII Всероссийской конференции «Горение твердого топлива», Новосибирск 10-13 ноября 2009 г. Институт Теплофизики СО РАН.

Публикации. Основные результаты исследований по данной теме опубликованы в 19 печатных работах, из которых 1 статья из перечня ВАК.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав с выводами, заключения и приложения. Основной текст на 124 страницы, 5 таблиц и 48 рисунков. Список литературы из 109 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость работы, а также приведено краткое содержание работы по главам.

В первом разделе дан обзор проблем, возникающих в топочных камерах при сжигании Канско-Ачинских бурых углей, описаны физико- химические свойства этих углей. Основные трудности сжигания Канско -Ачинских углей в топках энергетических котлов связаны с интенсивным шлакованием радиационных и конвективных поверхностей нагрева. Шлакование снижает интенсивность теплообмена в топке и в конвективных поверхностях нагрева

так, что в ряде случаев ограничивает эксплуатационную паропроизводитель-ность котлов и уменьшает их надежность.

В соответствии с современными требованиями Минэкологии РФ обязательное для всех проектируемых ТЭС экологическое обоснование должно включать в себя сокращение выбросов в атмосферу. Подобная проблема особенно актуальна для Березовской ГРЭС-1 мощностью 800 МВт.

Так же в первой главе представлен обзор работ и проведен анализ существующего состояния в области математического моделирования топочных процессов. Сформулированы цель и задачи исследования.

Во втором разделе представлена усовершенствованная в рамках программы «81§таР1ате» математическая модель, для численного моделирования процессов в топочной камере пылеугольных котлов, включающая модули: образования и подавления оксидов азота; шлакования экранов топки; потерь с химическим и механическим недожогом.

Для описания турбулентного режима реализуемого в топочных камерах используется система уравнений Рейнольдса. В работе применяется широко распространенная к - в модель турбулентности. Предполагается, что топочная среда состоит из газов N2, 02, СО, СО2, Н2О, и горючих летучих СпНга. Дифференциальные уравнения переноса массы, импульса, энергии, концентраций и турбулентных характеристик можно представить в виде одного уравнения конвективно-диффузионного переноса для обобщенной переменной Ф:

-(Р11:Ф)= -

скГ > ' ск,

оФ 'А,

(1)

ф Гф Зф

1 0

и м с?р в ( д ( ¿М д { дм\ 2 дк 0 . дх дх\ дх] ду\ дх} дг\ дх) 3 дх

V № <?Р д ( д\\ д ( д ( д\\ 2 дк с .

ш Щя <?Р 3 ( <?%Л д ( д ( дч/\ 2 дк

ь ^ей/Оь

к Це^Ок О-РЕ

е ЩЙ^е с'О-С.р^С,^-к к рк

к2

Гф=Цея/<Тф; Ме{Т + (2)

где и,У,\У - компоненты скорости газа; р, ц - плотность и вязкость газа; И — энтальпия газа; Сь С2, Сз, Сц, ст, - эмпирические константы. Нижний индекс р обозначает принадлежность переменной для частиц.

Задавая надлежащим образом Ф, о® и источник 8Ф, получаем любое из дифференциальных уравнений переноса. Запись уравнений в обобщенном виде удобна в том отношении, что какой-либо разработанный метод решения для этого уравнения может быть применен для многих уравнений подобной структуры, но различного физического наполнения.

Для описания движения частиц используется подход Лагранжа с моделью представительных частиц. По этой модели принимается, что математическая частица в процессе движения и выгорания ведет себя как реальная частица. При формировании же членов обмена массой, импульсом и энергией с газовой фазой математическая частица выступает как характерный представитель своего класса и несет информацию о совокупной массе этого класса частиц.

Уравнение движения частицы записывается как:

А ^ Ь, (1А-

(3)

л - = С№Ар^-иг(и1-и1р)-Рё1

где - коэффициент сопротивления; Ар- площадь сечения частицы.

Для моделирования процессов горения угольной пыли используется модель, предложенная В.И. Бабием и Ю.Ф. Куваевым, основанная на обобщении экспериментальных данных. Согласно этой модели сначала происходит процесс прогрева частицы в течение времени т„,л. (принято, что это время соответствует времени выхода остаточной влаги):

г„.=5,3.10,Ч.,ГЧ0-' (4)

По окончании этого времени начинается выход летучих. Считается, что скорость выхода летучих постоянна. Время выхода летучих равно:

г,.л=0,5-106^2 (5)

На следующем этапе определяется время прогрева коксового остатка до его воспламенения:

1,2 Г - . \"

РрК

г

21

(6)

где к„л , к.,,, к„ , , п - эмпирические константы; Т- температура газов; рр, с1р -плотность и диаметр частицы, У02 -концентрация кислорода.

Последний этап соответствует выгоранию кокса. Обзор работ, показывает, что в топках котельных установок скорости реагирования углерода с СО и с Н20 протекают в десятки раз медленнее, чем с кислородом. Для описания выгорания кокса используется одна гетерогенная реакция кислорода с углеродом.

Моделирование образования оксидов азота при сжигании угля описывается тремя механизмами:

-термические оксиды азота образуются в результате реакции атмосферного азота с кислородом при повышенных температурах (свыше 1500°С) и описываются по механизму предложенным Зельдовичем.

-быстрые оксиды азота образуются в присутствии углеводородных радикалов, они преобладают в топливах с высоким значением молекулярного отношения водорода к углероду Н/С. Механизм быстрого образования оксидов азота был предложен Фенимором.

-топливные оксиды азота - результат взаимодействия кислорода с азотом топлива. В газовую фазу он выходит в виде группы НСЫ и преобразуется, в результате комплекса реакций при горении, в N0 или N2.

В работе реализована модифицированная модель с!е 8ое1е позволяющая рассчитывать схемы со ступенчатым сжиганием:

Для оценки динамики шлакования поверхностей нагрева использовалась эмпирическая вероятностная модель. Рассматривается движение угольных и золовых частиц в топочной камере и предполагается, что частица, достигшая стенки с заданной вероятностью прилипает на поверхность стенки или отскакивает от нее. Величины вероятности шлакования для разных углей были экспериментально получены в УралВТИ. Для Березовского угля эмпирическая константа вероятности шлакования в зоне интенсивного горения принята равной 0,6. По рассчитанному распределению массы осевших на поверхности стенки частиц строится область вероятного шлакования.

Численная реализация выбранной математической модели аэродинамики, теплообмена и горения аэросмеси в объеме топки осуществлялась с использованием специализированной программы «81дшаР1агпе», разработанной специалистами кафедры теплофизики СФУ и научно-производственной фирмы ТОРИНС.

В третьем разделе рассмотрены отдельные процессы, протекающие в топочных камерах, на базе которых проведена проверка адекватности усовершенствованной модели для расчета топочных камер, применяемой к основной задаче данной диссертационной работы.

Обоснование выбранной модели аэродинамики было проведено на канонических задачах о циркуляционном движении жидкости в прямоугольной каверне и закрученное течение в трубе. Получено хорошее совпадение результатов расчета с экспериментальными данными.

Для моделирования течений реализующихся в топочных устройствах были выбраны литературные данные по гидродинамическому моделирова-

N0

ПСЫ

(7)

нию фонтанно - вихревой топки, топки с угловым расположением горелоч-ных устройств (аналог котла Е-500) и тангенциальной топки с настенным расположением горелок (аналог котла П-67), полученные на гидродинамических лабораторных стендах в ИТ СО РАН.

Так как при моделировании реального пылеугольного котла П-67 планировалось исследовать влияние нижнего дутья на топочный процесс, была рассмотрена задача течения в фонтанно-вихревой топке (ФВТ).

ФВТ представляет собой вертикальную призматическую камеру с двухскатной воронкой. Топливная смесь подается через прямоточное прямо-~" ~ вертикальный фонтанирующий факел.

Экспериментальные исследования в ИТ СО РАН показали, что истекающая из прямоугольного сопла струя устойчиво присоединяется за счет эффекта Коанда к одной из стенок (рис. 1). С использованием параметров экспериментальной установки была построена расчетная модель топки и проведено исследование аэродинамики ФВТ при числе

Яе=6,2 -10

а) б)

Рисунок 1- Прилипания струи к стенке топки. а) эксперимент, б) расчет

Расчетная картина течения визуально качественно соответствует картине течения в эксперименте (рис. 1). Проведенное сопоставление профилей скорости в разных сечениях по высоте топки полученных экспериментально и расчетным путем (рис. 2) показало хорошее совпадение.

и, м/с

Н.....110мм

♦-эксперимент

- -расчет

Н 270мм

-эксперимент

---- -расчет

?! 325мм -•--эксперимент _______ -расчет

Х,м

Рисунок 2 - Графики профиля скорости 1Дм/с)

по

высоте топочной камеры ФВТ

Экспериментальная гидродинамическая установка топки котла Е-500, выполненная из оргстекла представляет собой канал квадратного сечения размерами 188-188-700 мм3 с боковым выходом. Прямоточные прямоугольные сопла расположены в три яруса и объединены в угловые блоки. Закрученное течение организовывалось путем направления осей сопел по касательной к воображаемой окружности с центром на оси канала. В эксперименте рассматривались различные варианты конфигурации топки. Для вариантов с диафрагмой в верхней части топки были выявлены и исследованы стационарные вихревые структуры.

При использовании представленной модели, впервые численно были получены стационарные концентрированные вихревые структуры с правой и левой винтовой симметрией, наблюдаемые в эксперименте (рис.3) и теоретически обоснованные в работе C.B. Алексеенко и др. «Введение в теорию концентрированных вихрей», Новосибирск, 2003.

Рисунок 3 - Модель топки котла Е-500. Визуализация стационарного концентрированного вихря, а) экспериментальная установка, б) траектории движения частиц маркеров

1 а) б)

В ИТ СО РАН на экспериментальной установке детально исследова-1 лась структура потока в топке котла П-67. Модель топки изготовлена в масштабе 1:122 к натуральному котлу Березовской ГРЭС-1 (рис.4) имеет Т-1 образную компоновку, 32 прямоточных горелки, расположенных на стенках топочной камеры в 4 яруса.

Графики сравнения результатов математического моделирования аэродинамики и результатов эксперимента модельной установки ИТ СО РАН представлены на рисунке 5. Как видно, результаты моделирования хорошо описывают структуру потока в экспериментальной топочной камере.

у/У

V/ так

• •-эксперимент - оасчет

Рисунок 5 - Графики тангенциальной и аксиальной компонент скорости в сечении яруса

горелок

При расчете аэродинамики экспериментальной установки - аналога реального котла П-67, впервые было обнаружено, что в нечетном блоке горелок происходит наброс факела на стенки топочной камеры (рис.6). Аэродинамическая структура газовых потоков в топочной камере обладает высокой неравномерностью. Максимальный уровень скорости топочных газов наблюдается в центральной части топки выше зоны активного горения. Крупномасштабный центральный вихрь инициирует вторичные вихри в углах топочной камеры, которые приводят к прямому набросу потока на стенку топки в области нечетного блока горелок. В реальных топках котла П-67 такой эффект наброса факела ведет к шлакованию поверхностей нагрева.

Рисунок 6 - Векторное поле скорости, а) в 1 ярусе горелок, б) увеличенный вид угла топки в I ярусе горелок, в) наброс потока на стенку камеры котла между ярусами горелок

В 2004-2007 годах специалистами СибВТИ был выполнен цикл натурных испытаний топочной камеры котла П-67 Березовской ГРЭС-1. Основным видом используемого топлива является бурый уголь Березовского месторождения. В процессе эксплуатации котла, основные проблемы были обусловле-

ны интенсивным шлакованием поверхностей нагрева. Это приводило к снижению эффективности теплообмена, а также к частым вынужденным остано-1 вам котла для очистки поверхностей. На рисунке 7 показана схема топочной камеры и результаты натурных измерений температуры в топке и конвективном газоходе при работе блока на 750 МВт.

Рисунок 7- Общий вид котла П-67 с данными натурных испытаний и расчетное поле температур в топочной камере

Для исследования процессов в топочной камере котла П-67 с использованием усовершенствованной программы «SigmaFlame» была разработана комплексная математическая модель топки. Геометрически модель включает в себя области топочной камеры и поворотной камеры и содержит 240 ООО расчетных узлов. Модель построена таким образом, чтобы можно было учесть подачу воздуха через холодную воронку и через сопла третичного дутья в ярусах горелок и над ними.

На базе эксперимента было проведено сравнение и анализ адекватности математической модели. Расчеты базовой компоновки котла соответствовали параметрам котла работающего в режиме существовавшего до реконструкции 2004 года. Результаты расчета сравнивались с экспериментом по ряду характеристик: температура факела, температура стенок камеры котла, область наброса факела на стенки и расположение зон интенсивного шлакования, температура и N0,, на выходе из топочной камеры.

Для зоны горения характерно, что существует высокотемпературное ядро, которое расположено приблизительно на расстоянии пять метров от поверхностей топочной камеры. Градиент температуры между пристенной зоной и высокотемпературным ядром горения составляет порядка 400 градусов. Максимальная расчетная температура в ядре факела достигала 1400°С,

средняя расчетная температура на выходе из топки составляла 1116°С (1120°С эксперимент), выбросы N0* - 460 мг/нм3 (450 мг/нм3 эксперимент), провал золы в холодную воронку 637 кг/ч (639 кг/ч эксперимент).

На рисунке 8 показаны фотография поверхности топки с отложениями, расчетные температура стенки и область шлакования поверхностей нагрева.

Рисунок В - Области интенсивного шлакования поверхностей нагрева топки и температура стенки

График распределения температуры вдоль оси топочной камеры приведен на рисунке 9. Точками обозначен результат эксперимента, линией данные расчета осредненные по высоте топочной камеры. На расчетной кривой хорошо видны провалы температуры на уровне горелочных ярусов.

1:°С

1200 •

• эксперимент - расчет

—,-(-,-1-,-!--!-!

0 30 40 60 ВО 100

Рисунок 9 - График распределения температуры вдоль оси топочной камеры

Результаты математического моделирования хорошо воспроизводят данные измерений, их разница лежит в области погрешности экспериментальных измерений.

Четвертый раздел.

Для обоснования выбора схемы реконструкции блоков № 1 и 2, выполнено математическое моделирование различных вариантов топки: с органи-

зацией нижнего дутья; концентрическим сжиганием (воздушное дутье в ярусах горелок, 32 сопла); комбинацией нижнего дутья и концентрического сжигания (16 сопел на двух верхних ярусах горелок); организацией воздушного дутья выше зоны активного горения; комбинацией сопел дутья на верхних , ярусах горелок и ступенчатого сжигания; организацией двух ярусов воздуш-I ных сопел выше зоны активного горения и др.

Полученные результаты расчета сравнивались с результатами эксперимента по нескольким критериям: скорости газов в объеме топки; температу-I ры газов в объеме и на выходе топки, в пристенной области; воспринятые то-1 почными экранами тепловые потоки; содержание кислорода в объеме топки и в пристенной области; выгорание топлива в объеме топки; зоны максимального наброса частиц на топочные экраны; концентрации оксидов азота в объеме топки; масса провала шлака и углерода в холодную воронку. Резуль-! таты исследований показали, что максимальный эффект по снижению шла-I кования поверхностей нагрева относительно "базового" варианта достигается 1 в варианте с блоками воздушных завес и в варианте с нижним дутьем, а мак-I симальный эффект по снижению выбросов N0* достигается в варианте с 1 двумя ярусами сопел дутья на высотах 45 и 65 м.

Для реконструкции станция остановилась на варианте с организацией | нижнего воздушного дутья. Расчетным путем был проведен анализ способов ' организации подвода воздуха в холодную воронку и предложен оптимальный I вариант, способствующий равномерной подаче воздуха в топочную камеру. 1 Было выполнено исследование влияния нижнего дутья, перераспреде-

1 ления топлива по ярусам горелок и тонины помола угольной пыли на эффективность топочного процесса. На рисунке 10 приведены графические зави-1 симости концентрации 1МОх на выходе из топки в зависимости от тонины помола топлива, избытка воздуха в топке и от загрузки по пыли ярусов горелок.

I .1

На рисунке 11 приведены гистограммы сравнивающие уровень провала золы в холодную воронку предварительно предсказанные расчетом и доказанные экспериментально. Загрузка нижних ярусов горелок при сжигании грубой пыли повышает провал в холодную воронку, но нижнее дутье дало хорошие результаты по снижению провала и содержанию углерода в нем по

отношению к базовому варианту на тонкой пыли, т.е. механический недожог в шлаке при нижнем дутье по расчетам существенно не менялся.

Рисунок 11 - Расход частиц золы в холодную воронку, кг/ч: 1- базовый вариант топки

2 - с «грубой» пылью

3 с «грубой» пылью и загрузкой нижних ярусов горелок

4- с «грубой» пылью и нижним дутьем

После проведенных расчетов, был предложен и внедрен вариант с организацией нижнего дутья и работой на топливе «грубого» помола» с R 1000=4%. Этот вариант характеризуется наименьшим недожогом топлива, увеличением зоны активного горения, вредные выбросы не превышают предельно допустимых норм, снижен уровень шлакования топочных экранов. I При этом необходимы минимальные изменения конструкции топочной ка- ) меры. I

В 2007, 2008 годах после реконструкции блоков № 1 и № 2 сотрудни- | ками СибВТИ был проведен натурный эксперимент. Котел № 2 работал с | тремя ярусами горелок (в отглушенный по аэросмеси четвертый ярус пода- j вался воздух), "грубым" помолом, нижним дутьем горячего воздуха (6-7%). Расход воздуха на охлаждение растопочных горелок составлял 4-5%. Резуль- J таты эксплуатации реконструированных блоков № 1 и № 2 показали, что они | могут длительно нести максимальную нагрузку 800 МВт. I

I

Температуры газов в зоне активного, горения (рис. 12) не превышают тем-! пературы 1250°С. Выбросы оксидов' азота составили по результатам изме-| рений СибВТИ - 409 мг/нм3 (а=1,4), а! по данным экологической службы, БГРЭС - 357 мг/нм3. КПД котла co-i ставил 91,3%. Оксиды азота на выходе] из топочной камеры в результате рас-) чета получились порядка 350 мг/м3. I

о t»C !

200 400 600 S'il) 1000 1200 1400

Рисунок 12 - График распределения |

температуры вдоль оси топочной камеры I

Для вновь проектируемого котла блока № 3 Березовской ГРЭС-1 был i выполнен новый цикл расчетных исследований для топки. Базируясь на '

2684

4

• •-эксперимент . -» - расчет С

предложениях специалистов подольского филиала ОАО «Эмальянс», фирмы E.ON и сотрудников СибВТИ проведено математическое моделирование вариантов возможных проектных решений для топочной камеры этого котла. Исследовано более 20 различных вариантов конструкции топки: с восстановительной ступенью, с тангенциальным и встречным способом ввода третичного воздуха на разных отметках по высоте топки, с разными диаметрами крутки факела, с нижним воздушным дутьем и избытком воздуха на выходе из топки в диапазоне 1.17-1.20.

Варианты с установкой сопел ОРА по предложениям фирмы Е.ОЫ дают наименьшие выбросы оксидов азота при минимальных значениях температуры газов на выходе из топки, однако химический и механический недо-жоги для этих вариантов недопустимо высоки. Кроме того, выше максимальная температура факела.

номера еаркакгоэ

Механический недожог в сечении на отметке 73 м, %

!Е (ЗМАЛ6*«} 23!Б1ТЭС>

Номера вариантов

Средняя расчетная концентрация N0* в сечении на отметке 73 м, мг/мЗ

Рисунок 13 - Сравнение вариантов расчета по мех.недожогу и концентрации Ж)хна выходе из топочной камеры

По результатам моделирования (рис.13) были сделаны оценки и даны рекомендации по конструированию нового блока котла.

Вариант с восстановительной ступенью, тангенциальным вводом третичного воздуха на отметках 44,4 и 46,4 м - выбран фирмой генеральным проектировщиком ПФ ОАО «ЭМАльянс» как приоритетный, конструктивно - компоновочно реализуемый в существующей компоновке котла.

Основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. В рамках существующей программы «SigmaFlame», усовершенствована математическая модель процессов в топочных камерах в части расчета зоны шлаковая поверхностей нагрева, образования оксидов азота и уровня недожога топлива, позволяющая исследовать топочные камеры со ступенчатой схемой организации сжигания пылеугольного топлива.

2. На основе имеющихся данных лабораторных гидродинамических и натурных экспериментальных исследований обоснована адекватность моделей реализованных в программе «SigmaFlame», для расчета процессов в топоч-

ных камерах мощных котельных агрегатов, сжигающих пылеугольное топливо.

3. Впервые на основе программы «SigmaFlame» построена математическая модель и проведено расчетное исследование процессов в топочной камере энергетического котла 11-67 учитывающая турбулентную пространственную аэродинамику, сложный теплообмен, выгорание пылеугольного топлива, образование оксидов азота, шлакование поверхностей нагрева.

4. Впервые для тангенциальных топочных камер с настенным расположением горелок выявлено, что зоны интенсивного шлакования топочных экранов находятся в области нечетного блока горелок и обусловлены характером аэродинамики газов. Установлено, что в углах топки формируются вторичные вихри, взаимодействие которых с основным вихревым потоком приводит к набросу факела на стенки топки.

5. На основе проведенных расчетных исследований предложены технологические решения, реализация которых позволила на котлах П-67 блоков № 1 и № 2 Березовской ГРЭС-1 снизить вероятность шлакования топочных экранов, обеспечить длительную максимальную нагрузку до 800 МВт, сократить количество выбросов >ЮХ до 350 мг/м3.

6. Разработаны предложения по рациональным схеме и режимам работы сопел третичного дутья проектируемой топочной камеры котла П-67 блока № 3 Березовской ГРЭС-1, позволяющие снизить содержание оксидов азота на выходе из топки до 300 мг/м3, что удовлетворяет современным экологическим требованиям для вновь проектируемых агрегатов.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Белый, В. В. Исследование теплообмена и модернизация топочной камеры котла П-67 блока 800 МВт газа/ В. В. Белый, С. В. Порозов, В. В. Васильев, А. А. Дектерев, Е. С. Тэпфер // Теплофизика и аэромеханика. - 2007. — Т. 14, №2. С. 299-312.

2. Гаврилов, А. А. Расчетное исследование теплообмена в пылеугольном энергоблоке мощностью 800 МВт/ А. А. Гаврилов, Е. С. Тэпфер, А. А., Дектерев, Е. Б. Харламов// Вычислительные технологии т. 9, часть И. Совместный выпуск с Вестником КАЗНУ им. Аль-Фараби. - 2004. — Серия математика, механика информатика № 3 (42), С. 64 - 74.

3. Гаврилов, А. А. Разработка, тестирование и использование программы для моделирования пространственных течений/ А. А. Гаврилов, Е. С. Тэпфер, Е. Б. Харламов, А. А. Дектерев// Сборник трудов международной конференции «Потоки и структуры в жидкостях» Санкт-Петербург 2003г. ИПМ РАН, Москва. 2004.-С. 212-216.

4. Гаврилов, А. А. Моделирование процессов аэродинамики, теплообмена и горения в технологических устройствах/ А. А. Гаврилов, К. Ю. Литвинцев, Е. С Тэпфер, А. А. Дектерев, Е. Б. Харламов, П. А. Необъявляющий// Сборник трудов конференции «Проблемы информатизации региона ПИР-2003». Красноярск. 2003.-С. 87-91.

5. Белый, В. В. Исследование теплообмена в топке котла П-67/ В. В Белый, Е. С Тэпфер, А. А Гаврилов, А. А Дектерёв, Е. Б Харламов, В. В Васильев// Тезисы докладов и сообщений, V Минский международный форум по тепло-и массообмену. Москва. 2004,- С. 265-267.

6. Тэпфер, Е. С. Расчетное исследование вариантов реконструкции энергетического котла П-67 с целью снижения образования экологически опасных выбросов/ Е. С. Тэпфер, А. А. Гаврилов, А. А. Дектерёв, В. В. Васильев// Материалы Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии». Томск. 2004. - С. 50-51.

7. Гаврилов, А. А. Математическое моделирование процессов в тангенциальной топочной камере энергетического котла/ А. А. Гаврилов, Е. Б. Харламов, Е. С. Тэпфер, В. В. Белый, В. В. Васильев// Тезисы докладов XXVII Сибирского теплофизического семинара. Москва-Новосибирск. 2004. - С. 107-108. Сборник трудов.

8. Dekterev, A. A. Numerical modeling of heat transfer processes in the furnace of 800 MW block coal-dust boiler/ A. A. Dekterev, A. A. Gavrilov, E. S. Tepfer, V. V. Vasilyev// Сборник трудов 4st International Conference on Computational Heat and Mass Transfer. Paris, FRANCE. -2005,- Vol. 1,- P. 610-613.

9. Гаврилов, А. А. Комплексное моделирование вариантов реконструкции топочной камеры блока 800 МВт/ А. А. Гаврилов, А. А. Дектерев, Е. С. Тэпфер, В. В. Белый, В. В. Васильев// Тезисы докладов 1-ой научно-практической конференции Угольная теплоэнергетика: Проблемы реабилитации и развития. Алушта. 2004. - С. 25 - 27.

10. Гаврилов, А. А. Комплексное математическое моделирование вариантов реконструкции пылеугольного котла блока 800 МВТ/ А. А. Гаврилов, Е. Б. Харламов, Е. С. Тэпфер, В. В. Белый, В. В. Васильев// Сборник докладов IV Международной научно-технической конференции "Достижения и перспективы развития энергетики Сибири". Красноярск. 2005. - С. 394-404.

11. Тэпфер, Е. С. Исследование нижнего дутья в топке котла П-67 на основе математического моделирования/ Е. С. Тэпфер// Сборник тезисов докладов 4 всероссийской школы - конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики». Новосибирск. 2006.-С. 123-124.

12. Тэпфер, Е. С. Расчетное исследование теплообмена и образования окислов азота в пылеугольной топке/ А. А. Гаврилов, А. А. Дектерев, Е. С. Тэпфер// Материалы 7 Всероссийской научно - технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий». Улан-Удэ. 2006 - Ч.-1- С. 50-53.

13. Тэпфер, Е. С. Расчетное исследование влияния тонины помола угольной пыли на работу топки котла П-67 Березовской ГРЭС/ Е. С. Тэпфер, А. А. Гаврилов, В. В. Васильев, А. А. Дектерев// Сборник докладов VI Всероссийской конференции «Горение твердого топлива». Новосибирск. 2006 - Ч.-2,- С.254-264.

14. Чернецкий, М. Ю. Математическое моделирование процессов тепломассообмена и выгорания в топочной камере котла на

1 г-

I/

суперкритические параметры пара/ М. Ю. Чернецкий, А. А. Гаврилов, А. А. Дектерев, Е. С. Тэпфер// Материалы докладов VI школы-семинара молодых ученых и специалистов акадкмика РАН В.Е. Алемасова. «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении». Казань.

2008,- С. 256-259.

15. Гаврплов, А. А. Расчетные исследования вариантов реконструкции тангенциальной топочной камеры/ А. А. Гаврилов, А. А. Дектерев, М. Ю. Чернецкий, Е. С. Тэпфер// Сборник тезисов докладов 6-ой Международной школы-конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики». Алушта. 2008-С. 140-141.

16. Тэпфер, Е. С. Моделирование процессов в тангенциальной топочной камере при сжигании бурых углей/ Е. С. Тэпфер, А. А. Дектерев, А. А. Гаврилов, М. Ю. Чернецкий// Материалы региональной научно-практической конференции «Теплофизические основы энергетических технологий». Издательство Томск. 2009-С. 139-146.

17. Васильев, В. В. Результаты численного моделирования модернизируемой топочной камеры котла П-67 ст. № 3/ В. В. Васильев, П. Ю. Гребеньков, А. А. Дектерев, Е. С. Тэпфер, Е. М. Жадовец// Сборник докладов международной научно-технической конференции «Технологии эффективного и экологически чистого использования угля». Москва. 2009.-ВТИ.- С. 96-101.

18. Дектерев, А. А. SigmaFlame-специализированная программа для моделирования топочных камер/ А. А. Дектерев, А. А. Гаврилов, Е. Б. Харламов, М. Ю. Чернецкий, Е. С. Тэпфер// Сборник тезисов VI Всероссийского семинара по теплофизике и теплоэнергетике. Красноярск.

2009. С.-25.

19. Тэпфер, Е. С. Расчетное исследование вариантов организации процессов сжигания угля в котлах Березовской ГРЭС-1/ Е. С. Тэпфер, А. А. Дектерев, А. А. Гаврилов, В. В. Васильев// Сборник докладов VII Всероссийской конференции «Горение твердого топлива». Новосибирск. 2009 - Ч.-1- С. 215-220.

Подписано в печать 03.03.2010. Формат 60x84/16. Уч.-изд. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ № 1459

Отпечатано в типографии ИПК СФУ 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а

Введение

Раздел 1. Современное представление и уровень моделирования топочных процессов

1.1. Проблемы, возникающие в энергетических котлах при сжигании бурых канско-ачинских углей

1.2. Обзор работ по моделированию процессов в топочных камерах

1.3. Выводы и постановка задач работы 23 Раздел 2. Математическая модель процессов в топочной камере.

Метод расчета

2.1. Описание турбулентной аэродинамики, теплообмена и горения в газовой фазе

2.1.1. Уравнения движения газа, теплообмена и переноса газовых компонент

2.1.2. Модель турбулентности

2.1.3. Модель радиационного переноса тепла

2.1.4. Модель горения в газовой фазе

2.2. Описание движения, теплообмена и горения полидисперсных частиц угля в топочной камере

2.2.1. Уравнение движения частиц угля

2.2.2. Тепломассобмен и горение частиц угля в газовом потоке

2.2.3. Осаждение частиц на поверхности нагрева

2.3. Модель образования оксидов азота

2.4. Метод расчета процессов в топочной камере

2.4.1. Уравнение переноса для обобщенной переменной

2.4.2. Конечно-объемный метод получения разностного аналога уравнения переноса

2.4.3. Использование криволинейной системы координат 51 2.5 Выводы к разделу

Раздел 3. Тестирование моделей и методов расчета процессов в топочной камере

3.1. Моделирование ламинарных закрученных потоков

3.2. Закрученное турбулентное течение в трубе

3.3. Течение в модели тангенциальной топочной камеры с угловым расположением горелок

3.4 Моделирование фонтанно — вихревой топочной камеры

3.5 Течение в модели тангенциальной топочной камеры с настенным расположением горелок

3.6 Моделирование процессов в топочной камере котла П-67 Березовской ГРЭС

3.7 Выводы к разделу

Раздел 4. Исследование и оптимизация процессов в топочной камере котла П-67 Березовской ГРЭС

4.1. Исследование схем размещения воздушных сопел и организации ступенчатого сжигания

4.2. Исследование влияния нижнего дутья, перераспределения топлива по ярусам горелок и тонины помола угольной пыли на эффективность топочного процесса

4.2.1 Анализ способа организации нижнего воздушного дутья

4.2.2 Результаты моделирования топки с новой схемой организации нижнего дутья и угрубленным помолом топлива

4.2.3 Исследование влияния перераспределения топлива по ярусам горелок и тонины его помола

4.3. Результаты моделирования топки котла П-67, блок №

4.4 Результаты моделирования топки котла П-67, блок №

4.5 Выводы к разделу

Энергетическая стратегия России на период до 2020 г. предусматривает в качестве основной цели определение путей и формирование условий функционирования энергетического сектора для обеспечения социально-экономического развития страны — качественного улучшения условий жизни населения и возрождения страны.

С учетом того, что основой энергетики Сибири и части восточных районов России являются бурые угли Канско -Ачинского бассейна, роль этих углей в топливо-обеспечении электростанций будет определяющей.

Угли Канско-Ачинского бассейна характеризуются низкой зольностью, относительно высокой для бурых углей удельной теплотой сгорания и в связи с огромными запасами и низкой себестоимостью добычи могут быть: широко востребованы в энергетике. 1

Основные трудности сжигания канско - ачинских углей в топках энергетических котлов связаны с интенсивным шлакованием радиационных и конвективных поверхностей нагрева. Шлакование снижает интенсивность; теплообмена в топке и в конвективных поверхностях нагрева, увеличивает гидравлическое сопротивление пароперегревателя и конвективных поверхностей нагрева так, что в ряде случаев ограничивает эксплуатационную паропроизводительность котлов и уменьшает их надежность.

Имеющиеся экспериментальные данные показывают, что высокие шлакующие свойства канско-ачинских углей обусловлены особенностями химического состава и поведением минеральной части этих углей в процессах подготовки топлива и их сжигания в различных типах топочных устройств. Особенности поведения минеральной части канско-ачинских углей в топочном процессе затрудняют применение нормативных методов расчета при проектировании котельных агрегатов и требуют использования специальных методов организации их сжигания и новых конструкций топок для уменьшения шлакования и снижения образования вредных выбросов оксидов азота и серы с дымовыми газами.

Увеличение выработки электроэнергии на твердом топливе сопряжено с большими экологическими нагрузками на окружающую среду и прежде всего на атмосферу. Необходимость обеспечения нормативных требований по охране атмосферного воздуха от загрязнений при переходе на твердое топливо потребует реализации проектов котельных агрегатов, отвечающих установленным нормам по выбросам в атмосферу твердых и газообразных веществ, предъявляемым к экологически чистым котельным агрегатам (|1ЗЛ=50 мг/м3, Ж)х=200мг/мз, 802=400мг/м3).

Если в прошлом в энергетике на переднем плане стояло только производство энергии, то сегодня необходимо соблюдать строгие нормы, выброса вредных веществ и одновременно экономично использовать оборудование.

С существующими в настоящее время проблемами в топках, связанных с плохим качеством угля, встала задача по улучшению работы топок, уменьшению шлакования и вредных выбросов.

В последние годы все больше используется численное моделирование при проектировании, реконструкции и наладке топочного оборудования, как метод более выгодный экономически, чем проведение эксперимента.

В настоящее время развитие моделей описания турбулентного движения многокомпонентной неизотермической газовой среды, при наличии: полидисперсной пыли, радиационного переноса, химического реагирования газов, процессов сушки и пиролиза угольной пыли, гетерогенного горения кокса, достигло того уровня, когда стало возможным построение физико-математических моделей процессов, происходящих в топочной камере, с достаточной для инженерной практики точностью воспроизводящей работу реального оборудования.

Совместное использование математического моделирования, физического эксперимента и натурных испытаний дает возможность получить наиболее полную и достоверную информацию об объекте исследования. Это необходимо для решения проектно- конструкторских задач при проектировании новых котельных агрегатов, при модернизации существующих топочных камер, при усовершенствовании топочного процесса и для поиска решений таких проблем, как шлакование поверхностей нагрева, вредные выбросы и др., возникающих в процессе работы энергетического котла.

Цель работы - Повышение эффективности технологии сжигания шлакующих бурых углей в мощных котельных агрегатах на основе результатов численного моделирования аэродинамики, теплообмена, горения, образования вредных выбросов и шлакования поверхностей нагрева топочных камер.

Задачи исследования

• Совершенствование моделей топочных процессов на основе компьютерной программы «SigmaFlame» для возможности учета механизмов образования и подавления оксидов азота, анализа тепловой эффективности топки на основе оценки характера шлакования поверхностей нагрева и расчета недожога топлива;

• Оценка адекватности программы «SigmaFlame» для расчета тангенциальных топочных камер на базе данных гидродинамического лабораторного эксперимента и данных натурных исследований;

• Построение математической модели топочной камеры котла П-67 и выполнение исследования влияния схемы организации топочного процесса (компоновка сопел и горелочных устройств, режимных параметров, условий ввода аэросмеси и воздуха) на аэродинамику и тепловые характеристики топочного устройства;

• На основе анализа результатов расчетных исследований предложить рекомендации по выбору перспективных схем реконструкции топки котла П-67 с целью повышения эффективности сжигания топлива, снижения скорости шлакования, уменьшения концентрации оксидов азота в дымовых газах.

Научная новизна:

1. Предложены и реализованы в виде модулей в программе «SigmaFlame»:

- модель образования и подавления оксидов азота, позволяющая рассчитывать схемы со ступенчатой организацией сжигания;

- модель оценки шлакования топочных экранов;

- блок анализа потерь с химическим и механическим недожогом для топочных камер с твердым шлакоудалением.

2. Впервые построена комплексная математическая модель котла П-67, учитывающая турбулентную пространственную аэродинамику, сложный теплообмен, выгорание пылеугольного топлива, образование оксидов азота, шлакование поверхностей нагрева.

3. Впервые для тангенциальных топочных камер с настенным расположением горелок выявлено, что зоны интенсивного шлакования топочных экранов находятся в области нечетного блока горелок и обусловлены характером аэродинамики газов. Установлено, что в углах топки формируются вторичные вихри, взаимодействие которых с основным вихревым потоком приводит к набросу факела на стенки топки.

4. Для блока 800 МВт получены зависимости параметров теплообмена (температуры поверхностей, в ядре факела и на выходе из топки, тепловые потоки), недожога топлива и концентрации оксида азота от расположения третичных воздушных сопел, угла наклона и поворота горелок, схемы загрузки ярусов и организации нижнего воздушного дутья. i

Практическая значимость работы

На основе проведенных расчетных исследований предложены и реализованы технологические решения по модернизации топок котлов П-67 блоков № 1 и № 2, позволившие снизить вероятность шлакования топочных экранов, что обеспечивает возможность котлу нести длительную максимальную нагрузку 800 МВт, сократить количество выбросов оксидов У азота до 350 мг/м .

Разработаны предложения по конструкции топочной камеры котла блока № 3, при реализации которых котел будет удовлетворять современным экологическим требованиям для вновь проектируемых агрегатов. <

Разработанное специализированное программное обеспечение и рекомендации по конструкции и организации топочного • процесса используются в исследовательской деятельности ряда, научных организаций (ВТИ, СибВТИ СибЭНТЦ, ООО «ТОРИНС») и для подготовки специалистов в учебном процессе на кафедре теплофизики ИИФиРЭ СФУ.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных • методов теоретических исследований в области гидродинамики, теплообмена, горения твердого топлива. Результаты математического моделирования, не противоречат основным физическим законам и удовлетворяют результатам, полученным на лабораторных стендовых и промышленных установках. Достоверность математической модели была подтверждена сравнением результатов моделирования котла П-67 с данными натурного эксперимента.

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач исследования, усовершенствовании специализированной программы «SigmaFlame», разработке основных положений научной новизны и практической значимости, реализации полученных результатов совместно со специалистами СибВТИ на действующих блоках № 1, 2 и при проектировании блока № 3 котла П-67 Березовской ГРЭС-1.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных конференциях:

Международной конференции " Потоки и структуры в жидкостях", Санкт-Петербург, 23-26 июня 2003 г; Семинаре-совещании «Опыт внедрения новой техники и технологий в энергетике», г. Шарыпово, ОАО «Березовская ГРЭС», октябрь 2003 г.; Международной конференции «Угольная теплоэнергетика: «Проблемы реабилитации и развития». Сентябрь 20042006, 2008 г., Алушта, Украина; X Всероссийский научно-практическом семинаре "Обеспечение безопасности и экономичности энергетического оборудования", 23-26 ноября 2004 г. С-Пб.; Международной конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» г.Алушта, 19-25 сентября 2005,2006,2008 г; 4st International Conference on Computational Heat and Mass Transfer May 17-20, 2005, Paris-Cachan, FRANCE; 4-й Российской национальной конференция по теплообмену. 23— 27 октября 2006 г. Москва; Всероссийской научно - технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий». Улан- Удэ, 24-30 июля 2006 г.; VI Всероссийская конференция «Горение твердого топлива», Россия, Новосибирск, 8-10 ноября, 2006 г.; III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики», 21-23 ноября 2007 г.

Екатеринбург; Конференции «Результаты фундаментальных исследования в области энергетики и их практическое значение», Москва 24 -26 марта 2008 г. Объединенный Институт Высоких Температур Российской Академии Наук; VI Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике ВСВТЭ-2009. Красноярск, 13-15 мая 2009г. СФУ; VII Всероссийской конференции «Горение твердого топлива», Новосибирск 10-13 ноября 2009 г. Институт Теплофизики СО РАН.

Публикации

Основные результаты исследований по данной теме опубликованы в 19 печатных работах, из которых 1 статья из перечня ВАК.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав с выводами, заключения и приложения. Основной текст на 124 страницы, 5 таблиц и 48, рисунков. Список литературы из 109 наименований.

Основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. В рамках существующей программы «SigmaFlame», усовершенствована математическая модель процессов в топочных камерах в части оценки зоны шлакования поверхностей нагрева, образования оксидов азота и уровня недожога топлива, позволяющая исследовать топочные камеры со ступенчатой схемой организации сжигания пылеугольного топлива.

2. На основе имеющихся данных лабораторных гидродинамических и натурных экспериментальных исследований обоснована адекватность моделей реализованных в программе «SigmaFlame», для расчета процессов в топочных камерах мощных котельных агрегатов, сжигающих пылеугольное топливо.

3. Впервые на основе программы «SigmaFlame» построена математическая модель и проведено расчетное исследование процессов в топочной камере энергетического котла П-67 учитывающая турбулентную пространственную аэродинамику, сложный теплообмен, выгорание пылеугольного топлива, образование оксидов азота, шлакование поверхностей нагрева.

4. Впервые для тангенциальных топочных камер с настенным расположением горелок выявлено, что зоны интенсивного шлакования топочных экранов находятся в области нечетного блока горелок и обусловлены характером аэродинамики газов. Установлено, что в углах топки формируются вторичные вихри, взаимодействие которых с основным вихревым потоком приводит к набросу факела на стенки топки.

5. На основе проведенных расчетных исследований предложены технологические решения, реализация которых позволила на котлах П-67 блоков № 1 и № 2 Березовской ГРЭС-1 снизить вероятность шлакования топочных экранов, обеспечить длительную максимальную нагрузку до 800 о

МВт, сократить количество выбросов NOx до 350 мг/м .

6. Разработаны предложения по рациональным схеме и режимам работы сопел третичного дутья проектируемой топочной камеры котла П-67 блока № 3 Березовской ГРЭС-1, позволяющие снизить содержание оксидов з азота на выходе из топки до 300 мг/м , что удовлетворяет современным экологическим требованиям для вновь проектируемых агрегатов.

1. Алексеенко, С.В Численное и экспериментальное моделирование турбулентных течений в топочных камерах / Алексеенко С.В., Горячев В.Д., Гусев И.Н., Ерошенко В.М., Рабовский В.Б. //Инж.-физ. журн. 1990 Т. 5. № 6. С. 948-955.

2. Алексеенко, С.В. Изотермическое моделирование фонтанно-вихревой топки / Алексеенко С.В., Маркович Д.М., Срывков С.В., Процайло М.Я. // сб.: Моделирование теплофизических процессов. Красноярск: Изд-во Краснояр. ун-та, 1989.- С. 8-24.

3. Алехнович, А.Н. Математическое моделирование шлакования. Субмодель закрепления частиц и роста шлаковых отложений.* / А. Н. Алехнович // Сборник докладов VI Всероссийской конференции Горение твердого топлива. Ч.З. Новосибирск, 2006.-С 153-162.

4. Аскарова., А.С Численное исследование горения монодисперсного и полидисперсного факела в камере сгорания. / А.С. Аскарова., Е.И. Лаврищева // Сборник докладов VI Всероссийской конференции Горение твердого топлива. 41. Новосибирск, 2006.-С. 164-169.

5. Асланян, Г.С. Численное исследование влияние турбулентности на процессы горения / Асланян Г.С., Майков И.А. // Теплофизика высоких температур. 1994. -Т.32, №6. - С. 892-901.

6. Андерсон, Вычислительная гидромеханика и теплообмен. / Андерсон, Дж. Таннехилл, Р. Плетчер // М.: Мир, 1990 Т. 1-2.С - 726.

7. Бабий, В.И. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела / Бабий В.И., Куваев Ю.Ф. // М.: Энергоатомиздат, 1986.-С. -208.

8. Белов, И.А. Задачи и методы расчета отрывных течений несжимаемой жидкости. / Белов И.А., Исаев С.А.,Коробков В.А // Л.: Судостроение, 1989.-С. -253.

9. Белый, В.В. Исследование теплообмена и модернизация топочной камеры котла П-67 блока 800 МВт газа. / В.В. Белый, С.В. Порозов,

10. B.В. Васильев, А.А. Дектерев, Е.С. Тэпфер // Теплофизика и аэромеханика, 2007, том 14, №2, С. 299-312.

11. Блох, А.Г. Теплообмен излучением. / Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н // Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991.-С. -432.

12. Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых котлов. // Л.: Энергоатомиздат, С 1984. 240

13. Бубенчиков, A.M. Численное моделирование горения пылеугольного топлива в топках паровых котлов / Бубенчиков A.M., Старченко А.В., Ушаков В.М. // Физика горения и взрыва. 1995 Т. 31. № 2.1. C. 23-31.

14. Бубенчиков, A.M. Численные модели динамики и горения аэродисперсных смесей в каналах. / Бубенчиков A.M., Старченко А.В // Томск: Изд. Том. ун-та, 1998.-С. -236.

15. Варнатц, Ю. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование эксперименты, образование загрязняющих веществ. / Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. // М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003.- С -352.

16. Виленский, Т.В. и Хзмалян, Д.М. Динамика горения пылевидного топлива.//М.: Энергия. 1978.-С-248.

17. Волков, Э.П. Математическое моделирование топочных процессов в камерных топках при сжигании пылеугольного топлива / Волков Э.П., Горячев В.Д., Гусев И.Н., Зайчик Л.И., Першуков В.А. // Сиб. Физ.-техн. журн. 1991.-N5. С. 122-125.

18. Волков, Э.П. Моделирование горения твердого топлива. / Волков Э.П., Зайчик Л.И., Першуков В.А // М.: Наука, 1994.-С. -320.

19. Врублевска, К вопросу о диагностики шлакования топок / Врублевска, А. Ваник, Е. Шимчак // Теплоэнергетика. 1987.-№ 10. С. 69-72.

20. Гиль, А.В. Моделирование топочной среды при переводе пылеугольных котлов с твердым шлакоудалением на непроектное топливо. //

21. Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Томск, 2008 С.-23.

22. Горение натурального твердого топлива / под ред. А.Б. Резнякова // Алма-Ата: Наука, 1968. -С -410.

23. Горение твердого топлива // Материалы IV Всесоюзной конференции. Новосибирск: Наука.-С. 1974.-205.

24. Гупта, А. Закрученные потоки. / Гупта А., Лилли Д., Сайред Н // М.: Мир, 1987

25. Дектерев, А.А. Программный комплекс МАТОК по расчету аэродинамики топочных камер энергетических котлов / Дектерев А.А., Ковалевский A.M. // Сиб. физ.-техн. журн. 1992 N 6. С. 146-152. ;

26. Довжик, В.Б. Численное моделирование трехмерных вязких течений в топочных камерах / Довжик В.Б., Мигай В.К // Инж.-физ. журн. 1988.-Т. 55. N 1.С. 42-50.

27. Журавлев, Ю.А. Радиационный теплообмен в огнетехнических установках. / Журавлев Ю.А. // Красноярск: Изд-во Краснояр. ун-та, 1983 -С. -256.

28. Журавлев, Ю.А. Разработка зональной математической модели теплообмена в топках котельных агрегатов и исследование её свойств / Журавлев Ю.А. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1979- № 6. С. 133-139.

29. Заворин, А.С. Проявление свойств минеральной части углей в паровых котлах. // Монография. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1998 — С-221.

30. Залкинд, И .Я. Зола и шлаки в котельных топках. / Залкинд И.Я., Вдовченко B.C., Дик Э.П. // М.: Энергоатомиздат, 1988.-С.

31. Зельдович, Я.Б. Окисление азота при горении. / Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. // М.: Изд-во АН СССР, 1947-С -317.

32. Сборник докладов VI Всероссийской конференции Горение твердого топлива. 41. Новосибирск, 2006.-С 164-169.

33. Карпов, С.В. Зональная математическая модель и расчет теплообмена в топке котла П-67 / Карпов С.В., Журавлев Ю.А., Процайло М.Я // Промышленная теплотехника. 1983 Т. 5. № 2. С. 97-103.

34. Коняшкин В.Ф. Моделирование физических процессов в кольцевой топке с помощью Fluent. // Сборник докладов VI Всероссийской конференции Горение твердого топлива. 41. Новосибирск, 2006.-С 170-177.

35. Красильников, С.В. Численное исследование пространственных двухфазных течений и горения в пылеугольной топке с учетом шлакоулавливания. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Томск, 2003- С. -152.

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

37. Лебедев, А.Н. Шлакование пылеугольных топок и борьба с ним. / Лебедев А.Н., Шейнин Г.А., //М.-Л.: Энергия, 1966.-С. -113.

38. Лебедев А.Н. Приготовление пылевидного топлива и сжигание его под котлами большой мощности. //М: Госэнергоиздат,1948.-С. 178.

39. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. // М.: Наука, 1970.-С840.

40. Оран, Дж. Борис. Численное моделирование реагирующих потоков, пер. с англ. // М.: Мир. 1990 С. -662. i

41. Основы практической теории горения / под. ред. В.В. Померанцева // Л.: Энергия, 1973 -С -264.

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

43. Повышение бесшлаковой мощности паровых котлов. // М: Госэнерго-издат, 195 8.-С-224.

44. Процайло, М.Я. Исследование зональным методом влияния режимных параметров на теплообмен в топке котла П-67 / Процайло М.Я., Журавлев Ю.А., Карпов С.Г. // Теплоэнергетика. 1983 -№ 4. С.' 13-16.

45. Росляков, П.В., Закиров, И.А. Нестехиометрическое сжигание природного газа и мазута на тепловых электростанциях. // М.: Издательство МЭИ, 2001.-С-144.

46. Сполдинг, Д.Б. Горение и массообмен. // М.: Машиностроение, 1985.-С.-240.

47. Старченко, А. В. Численное моделирование трехмерных течений в топках паровых котлов / Старченко А. В., Федецкий И. И. // Сибирский физико-технический журнал. 1993 - № 5. - С. 118 - 124.

48. Старченко, А.В. Математическое моделирование образования оксидов азота при горении пылеугольного топлива // Физика горения и взрыва. -1998.- Т.34, № 6. С. 3-13.

49. Тепловой расчет котельных агрегатов: (Нормативный метод). Под ред. Н.В. Кузнецова и др. // М.: Энергия, 1973-С. -296.

50. Устименко, Б.П. Численное моделирование аэродинамики и горения в топочных и технологических устройствах. / Устименко Б.П., Джакупов К.Б., Кроль В.О. // Алма-Ата: Наука, 1986.-С. -224.

51. Устименко, Б.П. Огневое моделирование пылеугольных топок. / Устименко Б.П., Алияров Б.К., Абубакиров Е.К. // Алма-Ата: Наука, 1982.-С -212.

52. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. // М.: Мир, 1991. Т. 1-2. С-1054.

53. Чернецкий, М.Ю. Шлакование поверхностей нагрева в котле. / Чернецкий М.Ю., Дектерев А.А // Сборник докладов IV Международной научно-технической конференции. Достижения и перспективы развития энергетики Сибири. Красноярск, 2005.-С. 387-393.

54. Юровский А.З. Минеральные компоненты твердых горючих ископаемых. //М.: Недра, 1968.-С. -215.

55. W.Benesh. Matematische modellierung der stromungs-und Mischungsvorgange in der tangentialfeuerung // Diss. Dockt-Jng. Agt Maschinenbau Rohr-Univ. Bochum. 1984.

56. Bueters, K.A. Performance Prediction of Tangential Fired Utility Furnaces by Computer Model / Bueters K.A., Cogoli J.G., Habelt W.W // 15lh Symp. (Int.) on Comb. Nokyo. Japan. 1974. P. 1245-1260.

57. Chen C.P. Comprehensive modeling of turbulent particulate flows using eulerian and lagrangian schemes. // AIAA-87-1347

58. Chen Y.S. and Kim S.W. Computation of incompressible turbulent flows using an extended k-s turbulence closure model // submitted to AIAA Journal. 1987.

59. W. Chen, A Global Reaction Rate for Nitric Oxide Reburning // PhD thesis of Brigham Young University, 1994

60. Chia, U. High-Re solutions for incompressible flow using the Navier-Stokes equations and a multigrid method / Chia U, Chia K.N., Shih C.T // J. Comput. Phys. 1982. Vol. 48. N 2. P. 387—411.

61. Fischer K., Leithner R., Muller H. Three-dimensional of the gas-solid flow in coal-dust fired furnace //Proceeding of the First Int. Symposium on Two-Phase Flow Modelling and Experimentation. Rome. Italy. 1995. - V.l. - P. 1387 - 1393.

62. K.Gorner. Simulation turbulenter Stromungs-und armenbertragsvorgange in Grossfeuerungsanlagen. // Fortschr.Ber. VDI Z. Reihe 6. N201. 1987.

63. Khalil, E. E. Modeling of furnaces and combustors. Abacus Press. Tunbridge Wells. // England. 1982.

64. Keyno, A.W. Experimental and numerical modeling of the vortex furnace aerodynamics / Keyno A.W., Krasinsky D.V., Salomatov V.V., Rychkov. // Russ. J. Eng. Thermophys. 1996. - Vol. 6. - No. 1. - P. 47-62.

65. Kruger, R. Hybride Modelle zur Berechnung von Flammen und Feuerubgen // Diss. Dockt. -Ing. Rohr-Univ. Bochum. 1989 S. 190.

66. Launder В. E. and Spalding D. B. Mathematical Models of Turbulence. // Academic. New York. 1972.

67. Launder В. E. and Spalding D. B. The Numerical Computation of Turbulent Flow // Сотр. Methods Appl. Mech. Eng. 1974. Vol. 3. P. 269-289.

68. Leonard, B.P. A stable and accurate convective modelling procedure based on quadratic upstream interpolation. // Сотр. Meth. Appl. Mech. Eng. 1980. Vol.19. N l.P.59-98.

69. Magel, H.C., Schneider, R., Risio, В., Schnell, U., Hein, K.R.G. 1995, Numerical simulation of utility boilers with advanced combustion technologies, // 18th Int. Symp. on Transport Phenomena in Combustion, San Francisco

70. Magnussen, B.F. 1989, The Eddy Dissipation Concept, XI Task Leaders Meeting Energy Conservation in Combustion // IEA 1989

71. Mitchell, J.W. & Tarbell, J.M. 1982, A kinetic model of nitric oxide formation during pulverized coal combustion // AlChe Journal, Vol. 28, No. 2, pp. 302-311

72. Turbulent pipe flow with swirl» prof. dr. J. H. van Lint. // J. Fluid Mech. 1977. Vol. 83. Part. 3. P. 509-527.

73. Patankar S.V. and Spalding D. B. A Computer Model for Three• fu

74. Dimensional Flows in Furnaces // Proc. 14 Symp. (Int.) on Combustion. The Combustion Inst. 1972b. P. 605. Kyoto. April 3-7. 1995. IA1 3-11.

75. Zuber I., Konecny V. Proc. Of the 4th Symposium of Flames in Industry: Predictive Methods for Industrial Flames. // P. 19-28. (organized by British Flame Research Commitee and Institute of Fuel). Imperial College. London. 19-20. September. 1972.