Совершенствование топочного процесса пылеугольных котельных агрегатов П-67 на основе численного моделирования

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 КанскоАчинского 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 интенсивностьтеплообмена 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 проектноконструкторских 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 гСеминаре-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 20 042 006, 2008 г., Алушта, УкраинаX 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. МоскваВсероссийской научно — технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий». УланУдэ, 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.

ЕкатеринбургКонференции «Результаты фундаментальных исследования в области энергетики и их практическое значение», Москва 24 -26 марта 2008 г. Объединенный Институт Высоких Температур Российской Академии НаукVI Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике ВСВТЭ-2009. Красноярск, 13−15 мая 2009 г. СФУVII 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.