виконано математичне моделювання топкової середовища котла БКЗ-210-140 при спалюванні непроектних марок вугілля. Отримано відповідність результатів математичного моделювання з розрахунковими і експериментальними даними. Доведено адекватність математичної моделі, використовуваної в програмному продукті FIRE 3D, стосовно пиловугільній технології спалювання в топці з тангенціальною компонуванням пальників.

Анотація наукової статті з будівництва та архітектури, автор наукової роботи - Заворін Олександр Сергійович, Бетхер Тетяна Михайлівна, Лебедєв Борис Володимирович


Mathematical modeling of furnace environment of BKZ-210-140 boiler at non-design coal rank has been carried out. The compliance of mathematical modeling results to the design and experimental data was obtained. The adequacy of mathematical model used in software product FIRE 3D in respect to dust coal technology of furnace combustion with burner tangential arrangement was proved.


Область наук:
  • Будівництво та архітектура
  • Рік видавництва: 2011
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ

    Наукова стаття на тему 'Аналіз топкової середовища котла бкзa210a140 на основі чисельного моделювання'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз топкової середовища котла бкзa210a140 на основі чисельного моделювання»

    ?6. Казакова О.А., Заворін А.С., Казаков А.В. Склад неорганічної частини вугілля Таловского родовища Томської області // Известия Томського політехнічного університету. - 2011. -Т. 318. - №4. - С. 49-52.

    7. Заворін А.С. Склад і термічні властивості мінеральної частини бурого вугілля (теплотехнічний аспект). - Новосибірськ: ІТ СО РАН, 1997. - 187 с.

    8. Заворін А.С., Раков Ю.Я. Феноменологічні моделі освіти натрубні відкладень в котлах // Известия Томського політехнічного університету. - 2005. - Т. 308. - № 1. -С. 144-150.

    9. Алехнович А.Н., Дік Е.П. Методичні рекомендації з дослідження шлаків і забруднюючих властивостей вугілля. - Челябінськ: Урал ОТІ, 1998. - б6 з.

    10. Бєлов С.Ю., Рундигін Ю.А. Прогноз схильності твердого палива до забруднення поверхонь нагріву парогенераторів пов'язаними відкладеннями // В сб .: Вплив мінеральної частини енергетичних палив на умови роботи парогенераторів. - Таллінн, 1980. - Т. А. - С. 145-150.

    11. Алехнович А.Н., Богомолов В.В. Температурні умови початку шлакування при спалюванні вугілля з кислим складом золи // Теплоенергетика. - 1988. - № 1. - С. 34-38.

    12. Алехнович А.Н., Богомолов В.В. Вибір температури газів на виході з топки за умовами шлакування // Теплоенергетика. - 1994. - № 8. - С. 23-26.

    13. Алехнович А.Н., Гладков В.Є., Богомолов В.В. Прогнозування шлакування за хімічним складом частинок летючого попелу // Теплоенергетика. - 1995. - № 8. - С. 23-28.

    14. Алехнович А.Н., Богомолов В.В. Прогнозування шлаків і забруднюючих властивостей вугілля по широкодоступним відомостями і результатами спеціальних досліджень // В зб. докл .: Мінеральна частина палива, шлакування, забруднення і очищення котлів. - Т. 1. - Челябінськ: Вид-во УралВШ, 1996. - С. 61-78.

    15. Алехнович А.Н., Богомолов В.В., Гладков В.Є., Артем'єва Н.В. Шлакування і утворення відкладень в газовому тракті котла // Теплоенергетика. - 1997. - № 3. - С. 64-68.

    Надійшла 29.06.2011 р.

    УДК 621.181: 519.876

    АНАЛІЗ топкового СЕРЕДОВИЩА котла БКЗ-210-140 НА ОСНОВІ ЧИСЕЛЬНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

    А.С. Заворін, Т.М. Бетхер, Б.В. Лебедєв

    Томський політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Виконано математичне моделювання топкової середовища котла БКЗ-210-140 при спалюванні непроектних марок вугілля. Отримано відповідність результатів математичного моделювання з розрахунковими і експериментальними даними. Доведено адекватність математичної моделі, використовуваної в програмному продукті FIRE 3D, стосовно пиловугільній технології спалювання в топці з тангенціальною компонуванням пальників

    Ключові слова:

    Математичне моделювання, пакет прикладних програм, котел, концентрація кисню, швидкість аеросуміші, коефіцієнт надлишку повітря, температура димових газів.

    Key words:

    Mathematical modeling, package of applied programs, boiler, concentration of oxygen, speed of an aeromix, factor of surplus of air, temperature of smoke gases.

    В останні роки при проектуванні, дослідженні та налагодження котельного обладнання все більш широко застосовується математичне моделювання, засноване на фізичних законах, що описують процеси аеродинаміки і теплообміну [1, 2]. Комп'ютерне моделювання дозволяє коректно вивчити режими роботи і оптимізувати як знову проектоване, так і реконструюється обладнання. Спільне використання математичного моделювання, фізичного експерименту і натурних випробувань дає можливість отримати найбільш повну та достовірну інформацію про об'єкт дослідження. При цьому істотно скорочуються витрати на проведення експериментальних і дослідних робіт.

    Метою даного дослідження є апробація пакета прикладних програм FIRE 3D для котельного агрегату, що реалізує тангенциально закручену аеродинаміку пиловугільного факела в котельній камері.

    Як об'єкт дослідження обрано котельний агрегат БКЗ-210-140Ф, який є одним з найбільш поширених в Росії котлів для ТЕЦ (за даними заводу-виготовлювача, в період з 1960 по 1985 рр. Випущено близько 220 котлів такого типу).

    Камера згоряння, що має в плані форму, близьку до квадрату, з розмірами по осях екранних труб 7424x7808 мм, екранована трубами діаметром 60 мм, розташованими з кроком 64 мм. Камера обладнана чотирма прямоструминними пальниками, встановленими в кутах топки тангенциально до кола діаметром 900 мм, розташованої по осі симетрії топки.

    Як інструмент дослідження примі -нен пакет прикладних програм FIRE 3D, який дозволяє проводити розрахунок просторової аеродинаміки з урахуванням переносу тепла конвекцією і випромінюванням при горінні полідіспер-сного пиловугільного палива в камерах згоряння

    [1]. Результатами моделювання є загальна картина топкових процесів, поля изолиний важливих теплофізичних характеристик, параметри аеродинаміки, горіння, теплообміну, взаємодії частинок з огороджувальними поверхнями камери згоряння. Все це в сукупності дає можливість теоретичного обґрунтування і прогнозування розвитку процесів, що відбуваються, коригування конструкцій топок і застосування отриманих результатів при модернізації діючих енергетичних об'єктів.

    Програмний комплекс складається з п'яти додатків для стадийной обробки даних: Mesh Converter - для імпорту розрахункових сіток тривимірних геометрій з текстового формату; Mesh Creator- для моделювання сіток; Searcher і його різновиди під різні схеми системної частини операційної системи - для розрахунку течій і теплообміну з можливістю застосування Лагранжа-ва підходу для опису частинок і шлакоосажде-ня; Vision 3D - для візуалізації кінцевого результату обчислень; Report Converter- перетворення звітів обчислення для подальшого аналізу в електронних таблицях проходження розрахунків [2].

    Дослідження проводилися для спалювання далекосхідного бурого вугілля з технічними характеристиками на робочу масу: вологість 40,4%; зольність 28,7%; теплота згоряння 10859,3 кДж / кг; вихід летючих 56% (на горючу масу).

    На початковому етапі дослідження виконано перевірочний розрахунок котла із застосуванням програми Беке, розробленої на кафедрі парогене-нератороенія і парогенераторна установок Томського політехнічного університету, з метою визначення основних витратних, режимних та балансових параметрів. Отримано, що ефективність використання палива характеризується значенням ККД котла 87,49%, при витраті палива

    13.6 кг / с. Температура газів на виході з топки дорівнює тисячі шістьдесят п'ять ° С, що нижче допустимої (1100 ° С) для заданого палива, отже, відсутня ймовірність інтенсивного шлакування поверхонь нагріву, розташованих за топкою. Теплове напруга топкового обсягу становить

    149.6 кВт / м3 і свідчить про те, що значення середньої щільності тепловиділення в обсязі топкової камери знаходиться в допустимих межах. Встановлена ​​поверхню пароперегрівача забезпечує задану температуру перегріву пара

    Режим показу: Швидкості, м / с 10 м / с

    Мал. 1. Аеродинамічна структура потоків по перетинах камери згоряння: а) в вертикальному по осі топки; б) в горизонтальному по осі горілчаних каналів вторинного повітря

    Мал. 2. Зміна температури по висоті топкової камери: а) візуалізація поля в вертикальному перерізі по осі топки; б) характерні значення в горизонтальних перетинах (1 - середньоінтегральної рівень; 2 - максимальний рівень; 3 -расчёт за нормативним методом [3])

    при величині вприскування в пароохолоджувача до 10%.

    Для тестового дослідження найбільш представницьким є режим роботи котельного агрегату на чотирьох млинах при номінальному навантаженні. Відповідні цьому режиму дані про параметри топкової середовища представлені на рис. 1 і 2.

    На рівні горілчаного поясу (рис. 1) створюється тороїдальна зона з підвищеними до 15 ... 16 м / с швидкостями завіхрённого потоку в горизонтальній площині, яка в міру сходження вихору розширюється аж до екранованих стін і перетворюється в підйомне рух із середньою швидкістю не більше 8 м / с. За рахунок зміни тиску при зіткненні горілчаних струменів в нижній частині топки також створюється велика зона переміщення продуктів згоряння, яка сприяє як інтенсифікації теплообміну з екранами в області холодної воронки, так і підводу тепла на початковій ділянці горілчаних струменів.

    Незважаючи на наявність аеродинамічного виступу, призначеного для вирівнювання параметрів потоку продуктів згоряння на виході в конвективний газохід, поблизу з'єднання фрон-

    тового і стельового екранів спостерігається застійна зона з низьким рівнем масообміну (рис 1, а).

    Теплотехнічні характеристики палива, за якими воно відноситься до низькосортним вугіллю, є причиною істотних витрат теплоти на прогрів пиловугільних частинок і випаровування вологи, що, в свою чергу, призводить до зниження концентрації окислювача в зоні сумішоутворення і затримує тим самим займання і процес горіння. Внаслідок цього температура топкової середовища на рівні горілчаного поясу знаходиться в межах діапазону 700.1250 К (рис. 2).

    Затягування вигоряння паливних частинок в умовах тангенциально закрученої структури факела приводить до захоплення їх у верхні і нижні обсяги топки, де і розвиваються максимальні температури (рис. 2). Незважаючи на це висока реакційна здатність підсушеного вугілля забезпечує за рахунок інтенсивного вигоряння сприятливу для надійної роботи котла температуру продуктів згоряння на виході з топки -не більше 1350 К (рис. 2).

    Виконане тестове моделювання показало хорошу збіжність з результатами, отриманий-

    ш

    25

    20

    15

    10

    0

    -Л 1

    -* -2

    0 1 2 3 4 5 6 7

    Швидкість, м / с

    Мал. 3. Усереднені значення підйомної швидкості димових газів по висоті топки. Робота на: 1) двох; 2) трьох пальниках

    ними як розрахунковим шляхом за нормативною методикою теплового розрахунку котельних агрегатів [3], так і при натурних експериментах в процесі теплових випробувань котла. Так, різниця за значенням температури на виході з топки не перевищує 50 ° С і укладається в допустимі інженерними методиками відхилення. Значення швидкості середовища в відповідних точках інтенсивного руху за результатами чисельного моделювання склали 16.16,5 м / с, а за результатами прямих вимірювань від 16 до 17,3 м / с. Значення коефіцієнта надлишку повітря на виході з топки, певні при моделюванні за концентрацією кисню, склало 1,21, в натурному експерименті -1,14.1,24, а за нормативним методом теплового розрахунку - 1,2. Ці дані свідчать про достатню адекватність використовуваної математичної моделі і розрахункового методу при аналізі процесів в топці з тангенціально закрученої вихровий аеродинамікою.

    Практика експлуатації котлів з такими топками при неповному навантаженні вимагає відключення частини горілчаних блоків. Імітація цих умов виконана для варіантів залучення в роботу трьох пальників при навантаженні котла 190 т / год (рис. 3, в роботі пальника А, Б і В) і двох пальників при навантаженні котла 130 т / год. В останньому випадку досліджувався варіант з включенням в роботу протилежних по діагоналі пальників (рис. 3, в роботі пальника А і В). Для запобігання зсуву вихрового потоку в обох випадках через холості пальника передбачено введення залишкового повітря.

    Мал. 4. Схема поділу обсягу топки на досліджувані області: 1) центральна; 2) пристінна; 3) проміжна

    Зміна середньоінтегральної швидкості підйому продуктів згоряння при відключенні по паливу однієї і двох пальників (рис. 3) має однаковий профіль і показує, що швидкісний режим істотно відрізняється в просторі вище го-релочного блоку аж до повороту потоку в горизонтальний конвективний газохід. Максимум усередненої швидкості підйомного руху відповідає перетискання живого перетину в області аеродинамічного виступу і становить 5,3 м / с при двох працюючих пальниках і 6,7 м / с при трьох пальниках. Ці дані свідчать про можливе-

    сті підвищеної сепарації частинок з потоку при роботі котла на неповних навантаженнях.

    Натурні експериментальні дослідження з зондування топкового обсягу котла при спалюванні бурого вугілля [4, 5] показали великий вплив аеродинаміки на нерівномірність розподілу твВрдой фази по перерізу топки і дають підставу вважати її передумовою для Набро-са шлакозолових частинок на радіаційні екранні поверхні нагріву і подальшого зниження їх теплової ефективності. У зв'язку з цим за результатами чисельного моделювання виконан-

    нено вивчення параметрів середовища в трьох різних областях топки, виділених відповідно до схеми рис. 4: пристінна область - простір, прилегле до екранів на відстані 1,25 ... 1,30 м; центральна область - призматичне простір уздовж вертикальної осі топки зі сторонами, віддаленими від екранів на відстань 2,5.2,6 м; проміжна область - простір, укладену між пристенной і центральної областями.

    Можна бачити, що робота на трьох пальниках (рис. 5, а) в цілому при зниженні температурного рівня відтворює профіль зміни темпі-

    ратури при залученні всіх горілчаних блоків (рис. 2, б). Це свідчить про збереження умов для формування вихрової структури факела. Однак в пристенной області виділяються ділянки, в яких температура середовища перевищує розвивається в інших областях. Це свідчить про зміщення палаючих частинок з центральної і проміжної областей на периферію, що примикає до екранів, і дозволяє виділити ці ділянки як небезпечні за умовами шлакування. До них відносяться, перш за все, екрани під горе-молочного поясом поблизу гирла холодної воронки на висоті від 3 до 6 м, а також смуга по периметру топки на висоті від 15 до 17 м.

    Перехід на несення навантаження на двох пальниках (рис. 5, б) характеризується стрибкоподібним зміною температури. При цьому протяжність ділянок з переважанням температурного рівня в пристенной області поширюється на велику площу екранів по висоті від 5 до 14 м. Це є наслідком порушення рівномірної ае-

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Гіль А.В., Красильников С.В., Старченко А.В. Застосування пакета прикладних програм FIRE-3D при реконструкції котельних агрегатів // Математичне моделювання та інформаційні технології: Матер. VIII Всеросс. конф. молодих вчених. - Новосибірськ, 2007. - С. 40-41.

    2. Заворін А.С., Красильников С.В., Старченко А. В. Програмний комплекс для розрахунку і візуалізації тривимірних реагують турбулентних течій в топках котлів // Проблеми використання Кансько-Ачинський вугілля на електростанціях: Докл. Всеросс. науково-практ. конф. - Красноярськ: СібВТІ, 2000. - С. 369-371.

    родінаміческой структури в топці і непридатності даного режиму для забезпечення надійної експлуатації котла.

    висновки

    1. Підтверджено адекватність математичної моделі, використовуваної в програмному продукті FIRE 3D стосовно пиловугільній технології спалювання в топці котла БКЗ-210-140Ф, що дозволяє прогнозувати розвиток внутрітопоч-них процесів, вибирати і коригувати режими роботи котлів на непроектних видах палива.

    2. Визначено потенційно небезпечні ділянки за умовами шлакування. Встановлено непридатність режиму роботи котла на двох пальниках через порушення аеродинамічній структури в топці.

    Робота виконана в рамках реалізації ФЦП «Дослідження і розробки за пріоритетними напрямами розвитку науково-технологічного комплексу Росії на 2007-2013 роки».

    3. Тепловий розрахунок котлів (Нормативний метод). - СПб .: Изд-во НВО ЦКТИ, 1998. - 256 с.

    4. Маршак Ю.Л., Козлов С.Г. Дослідження пристенной області топкових камер // Вплив мінеральної частини енергетичних палив на умови роботи парогенераторів: Тези доп. III Всес. конф. - Таллінн, 1980. - Т. 1А. - С. 116-124.

    5. Заворін А.С., Теплухін Е.П., Кисельов Н.Б. Розподіл мінеральних компонентів бурого вугілля Березовського родовища в пиловугільних тангенциально закрученому факелі // Известия вузів. Енергетика. - 1986. - № 3. - С. 89-92.

    Надійшла 30.09.2011 р.


    Ключові слова: математичне моделювання / пакет прикладних програм / котел / концентрація кисню / швидкість аеросуміші / коефіцієнт надлишку повітря / температура димових газів / Mathematical modeling / package of applied programs / Boiler / concentration of oxygen / speed of an aeromix / factor of surplus of air / temperature of smoke gases

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити