УДК 621.1

Д.В. Капица(1,2), Ф.З. Финкер(2), И.Б. Кубышкин(2), А.Г. Митрюхин(2)

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет, Россия (1)

ООО «Политехэнерго», Санкт-Петербург, Россия (2)

Трёхмерное численное моделирование процессов в

топке котлоагрегата ПК-38

 


АННОТАЦИЯ

Работа посвящена численному анализу трёхмерного течения и распределения угольных частиц в топках котлов на примере котла ст. №4Б Назаровской ГРЭС, модифицированного по ВИР технологии. Полученные в работе результаты численного моделирования подчёркивают важность трёхмерного подхода и показывают преимущества низкоэмиссионной технологии сжигания топлива.

 

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время одним из перспективных направлений развития теплоэнергетики является создание котлов по ВИР технологии с применением немолотого топлива. Данная технология позволяет получать высокие КПД и имеет более низкие температуры сжигания угольных частиц, что предпочтительнее как с экологической точки зрения, так и с точки зрения минимизации процесса шлакования. Многообразие и сложность протекающих в топке котла процессов, высокие затраты и трудоёмкость проведения натурных испытаний существенно ограничивают возможность конструирования эффективных топливосжигающих установок такого типа. Вместе с тем, математическое моделирование многофазных потоков позволяет глубже понять исследуемые процессы и оценить качество принимаемых решений при реконструкций уже использующихся теплоэнергетических установок [1, 2].

Котёл ст. №4Б Назаровской ГРЭС по проекту представляет собой серийный котлоагрегат ПК-38 с системой жидкого шлакоудаления. В ходе эксплуатации показывал интенсивное шлакование конвективных поверхностей и способность работать только в узком диапазоне нагрузок, вследствие чего был перемаркирован на меньшую мощность [3]. Для повышения КПД котла, обеспечения номинальной мощности и снижения вредных выбросов руководством станции было принято решение о реконструкции котла с помощью ВИР технологии (низкоэмиссионное горение). В процессе реконструкции был осуществлён переход на сухое шлакоудаление с созданием холодной воронки в нижней части котла и на систему безмельничного сжигания топлива [4].

Целью данной работы является объяснение положительного эффекта модернизации, а также расчёт оптимального распределения подаваемого воздуха в горелки и на нижнее дутьё. При этом давление воздуха нижнего дутья должно быть достаточным для устранения провала топлива, а в районе холодной воронки должны существовать условия, способствующие генерации вихря с многократно циркулирующими топливными частицами.

 

2. ПОСТАНОВКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ ЗАДАЧИ

В работе проведён численный расчёт котла ст. №4Б Назаровской ГРЭС модифицированного по ВИР технологии (рис. 1). В данном моделировании рассчитывался один из использованных режимов при работе на двух крайних эжекторных горелках №1 и №4. Расчётный объём задачи состоит из топки котла, горелок и системы нижнего дутья. Топка симметрична по оси Z поэтому моделировалась лишь одна полутопка с одной горелкой.

 

Рис. 1. Рабочая модель.

Для создания математической модели котла использовался инженерно-проектировочный пакет Unigraphics NX. В качестве сеточного генератора использовался пакет GAMBIT, являющийся препроцессором для FLUENT. В области топки и устройства нижнего дутья была сгенерирована гексаэдальная сетка состоящая соответственно из 300000 и 350000 ячеек. Горелочные устройства содержат смешанную тетраэдально-гексаэдальную сетку суммарным объёмом 50000 ячеек (рис. 2). Все сетки рабочих областей загущены в пристеночных областях до y+ в диапазоне 20–60, что позволило нам использовать в этих областях пристеночные функции. Режимные параметры представлены в табл. 1.

Таблица 1. Режимные параметры

P I 1э*

Па

T I 1э*

К

P II 1э*

Па

T II 1э*

К

P1н*

Па

T1н*

К

Gт

кг/сек

1079

650

1962

483

1766

483

13.9

Принималось, что течение описывается системой стационарных трёхмерных уравнений Навье-Стокса и энергии осредненных по Рейнольдсу. Турбулентная вязкость определялась с помощью двухпараметрической k-w модели. Дискретизация дифференциальных уравнений сохранения выполнена со вторым порядком точности. Теплофизические свойства воздуха рассчитывались по полиномиальной зависимости от температуры.

Рис. 2. Расчётная сетка.

Для моделирования движения частиц угля использовалась модель дискретной фазы, основанная на лагранжевой формулировке взаимодействия дискретной и непрерывной фазы. В качестве модели распределения диаметров частиц угля использовалась модель Розина-Рамлера. По имеющимся рассевкам Назаровского угля были получены следующие параметры распределения Розина-Рамлера: средний диаметр 9.06 мм и степень полдисперсности 0.815.

 

3. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТА

В табл. 2 представлены интегральные результаты расчёта в виде расходов и средних скоростей на входных границах расчётной области. Полученные величины несколько отличаются от предписываемых ВИР технологией для оптимального сжигания в топке, для приближения к которым необходимо снизить расход нижнего дутья.

Таблица 2. Интегральные результаты расчёта

V2эж

м/сек

Gэж

кг/сек

V1нд

м/сек

Gнд

кг/сек

38.2

16.0 (35%)

12.1

29.3 (65%)

На рис. 3, 4 представлены контуры скоростей и структура течения в сечении горелки. Как видно из рис. 4, струя нижнего дутья при выходе из дефлектора прижимается к фронтовому скату, а дальнейшее взаимодействие с горелочным потоком приводит к образованию вихря в области холодной воронки. Наличие данного вихря является одним из основных принципов ВИР технологии и как мы можем наблюдать проведённая реконструкция привела к его возникновению.

Рис. 3. Контуры скоростей в сечении горелки z=1.25м. Рис. 4. Структура воздушных потоков в сечении горелки z=1.25 м.

 

Общая структура потоков в полной мере просматривается на рис. 5, 6. На данных рисунках показано развитие потоков воздуха как от эжекторной горелки (рис. 5), так и совместное с потоком воздуха от устройства нижнего дутья (рис.6). Отметим трёхмерность визуализируемой картины, особенно проявляющуюся для потока от эжектора, который после соударения с тыльным экраном стремится затечь в свободную центральную область неработающей горелки. Также это проявляется в перераспределении воздуха от нижнего дутья часть которого обтекая горелки уходит вверх, а другая часть увлекается потоком от эжектора.

Рис.5. Структура потока от эжекторной горелки. Рис. 6. Структура потока от эжекторной горелки и устройства нижнего дутья.

  На рис. 7–9 показаны траектории движения частиц угля различных диаметров. Расчёты показывают, что частицы диаметром до 0.1 мм., на данном режиме, не участвуют в вихревом движении и создают область факельного горения выше уровня горелки (рис. 8). Диапазон от 0.1 мм. до 1 мм. является граничным и частицы угля из этого диапазона могут как сепарировать вниз, так и быть вовлечённым в вертикальное движение вверх (рис. 9). Анализ траекторий тяжёлых частиц показывает их отсутствие в зоне шлаковой ванны, т.е. данное давление нижнего дутья полностью предотвращает провал.

В завершении расчётов была смоделирована задача с температурой угольных частиц на входе в горелку равной 1000 K. Решение такой задачи более наглядно показывает место концентрации угольных частиц. Так на рис. 10 предоставлено распределение температуры адиабатной стенки, из которого видно расположение максимума температуры на стыке тыльного экрана и ската в районе оси симметрии котла.

Рис. 7. Траектории частиц диаметром 0.001- 20 мм. Рис. 8 Траектории частиц диаметром 0.001- 0.1 мм Рис. 9. Траектории частиц диаметром 0.1- 1 мм.

Данный экстремум температуры указывает на место интенсивной бомбардировки экрана частицами. Из опыта эксплуатации котлов известно, что для бурых шлакующих углей места шлакования экранов определяются температурой горения и местами соударения угольных частиц с поверхностями экранов. Исследование экранов котла ст. №4Б Назаровкой ГРЭС после длительной эксплуатации показало совпадение расположения области интенсивного шлакования с полученной в результате расчёта (рис. 10). Это подтверждает корректность расчёта и говорит о возможности применения в дальнейшем численных методов для расчёта топок котлов.

Рис. 10. Распределение температуры на адиабатной стенке.

 

ВЫВОДЫ

1.        Трёхмерность полученных картин потоков, свидетельствует об ограниченности одномерных и двумерных методик расчёта, неспособных в полной мере корректно отобразить все процессы в объёме топки.

2.        Показан положительный эффект проведённой модернизации:

·         в нижней части топки образуется вихрь, в котором происходит циркуляция и догорание крупных частиц топлива

·         сепарация частиц топлива

·         отсутствует провал

3.      Данный расчёт позволил определить граничный диапазон диаметров частиц (0.1–1 мм), меньше которого частицы увлекаются восходящим потоком и уходят вверх, а большие сепарируют в нижнюю часть топки.

 

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

V – скорость, м/сек

G – расход, кг/сек

P – давление, мм. вод. ст.

T – температура, К

Индексы:

* параметры торможения

1 – на входе

2 – на выходе

I первичный воздух

II – вторичный воздух

э – эжектор

н – нижнее дутьё

т – топливо (бурый уголь)

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Бубенчиков А.М., Старченко А.В., Численные модели динамики и горения аэродисперсных смесей в каналах. - Томск: Изд-во Томского университета, 1998.

2. Математическое моделирование процессов в тангенциальной топочной камере энергетического котла / Гаврилов А.А., Дектерев А.А., Харламов Е.Б., Тэпфер Е.С., Белый В.В., Васильев В.В.// Труды XXVII Сибирского Теплофизического семинара. Изд-во МЭИ. 2004. С. 107-108

3. Алфимов Е.Г., Козлов С.Г., А.И. Новиков Отчёт по научно-исследовательской работе “Проведение опытного сжигания бородинского угля на котлах ПК-38 ст. №6А и П-49 ст. №7А, 7Б Назаровской ГРЭС”, арх. №1415, СибВТИ, Красноярск, 2003.

4. Патенты РФ ООО «Политехэнерго»: № 2067724 от 10.10.1996 «Низкоэмиссионная вихревая топка», № 2154234 от 10.08.2000 «Топка».