Совершенствование факельно-вихревых схем сжигания твердого топлива на основе численного моделирования (на примере котла бкз-210-140ф)
На правах рукописи
Бетхер Татьяна Михайловна СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФАКЕЛЬНО-ВИХРЕВЫХ СХЕМ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ КОТЛА БКЗ-210-140Ф) Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические си стемы и агрегаты
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Томск – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследова тельский Томский политехнический университет»
Научный консультант:
Заворин Александр Сергеевич доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Лебедев Виталий Матвеевич доктор технических наук, профессор, Омский государ ственный университет путей сообщения, профессор кафедры теплоэнергетики Старченко Александр Васильевич доктор физ.-мат. наук, профессор, Национальный исследовательский Томский государственный университет, заведующий кафедрой вычислительной математики и компьютерного моделирования
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский Санкт-Петербургский государ ственный политехнический университет (г. Санкт-Петербург).
Защита диссертации состоится « 27» декабря 2012 года в 1430 на заседании дис сертационного совета Д 212.269.13 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследова тельский Томский политехнический университет» по адресу: 634050, г. Томск, ул.
Усова, 7, корпус 8, ауд. 217.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической Библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».
Автореферат разослан « » ноября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Матвеев А.С.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Состояние энергетики России на современном этапе характе ризуется сокращением числа вновь вводимых энергетических объектов из-за дефи цита необходимых инвестиционных ресурсов. Как следствие этого последние деся тилетия отмечены быстрым ростом доли установленной мощности, подлежащей за мене в связи с физическим и моральным износом, поскольку основная масса активов функционирующих ныне энергетических компаний создавалась в 50–70 гг. прошло го века. В настоящее время 75,6% мощности ТЭС имеет срок эксплуатации более лет. Высокая доля износа основного оборудования приводит к снижению показате лей эффективности, экономичности и надежности отечественной энергетики, кото рые уступают аналогичным мировым показателям и определяют острую актуаль ность задач модернизации в отрасли.
В свою очередь, изменения ценовой политики продаж нефти и природного га за усиливают тенденцию повышения интереса к использованию твердого топлива в мире. Она, в своей глобальной сути, объективно проистекает из ограниченности ре сурсов высококалорийного ископаемого углеводородного сырья. В российском топ ливном балансе наблюдается обратная картина – доля станций, работающих на угле, составляет всего 18%. Однако ожидается, что в перспективе доля угля в топливно энергетическом балансе будет повышаться, и спрос на уголь в России в связи с из менениями структуры запасов основных энергоносителей будет неизбежно возрас тать.
Сложившаяся ситуация и ее развитие диктуют необходимость ориентировать энергетику на более доступные и дешевые виды топлива. Однако тенденция исполь зования в связи с этим углей с различными качественными характеристиками, зача стую значительно отличающимися от проектного топлива, приводит к снижению эффективности и надежности энергетического производства.
Изложенные обстоятельства мотивируют к поиску и реализации не только ма лозатратных путей и вариантов модернизации котельных установок, но и обеспечи вающих при этом определенную универсальность по сжигаемым углям.
В связи с вышеотмеченным вопросы совершенствования технологий сжигания твёрдого топлива применительно к эксплуатируемому и весьма износившемуся пар ку котлов являются актуальными. Анализ развития и опыта эксплуатации факельно вихревых топок свидетельствуют, что их основные преимущества могут быть вы годно использованы для модернизации котельного парка угольных тепловых элек тростанций при условии достаточной наработки данных об особенностях топочного процесса, прежде всего по организации устойчивой аэродинамики.
Работа выполнялась в соответствии с основными направлениями НИР Нацио нального исследовательского Томского политехнического университета в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инно вационной России» на 2009–2013 гг. по мероприятию «Проведение научных иссле дований коллективами научно-образовательных центров в области производства топлива и энергии из органического сырья».
Целью работы является обоснование возможности совершенствования суще ствующих факельно-вихревых схем сжигания твердого топлива путем комбиниро вания аэродинамики традиционных тангенциальных пылеугольных топок и низко эмиссионных вихревых технологий, основанных на применении нижнего дутья.
Основные задачи исследования:
применительно к распространенной в отечественной энергетике конструкции пылеугольной топки с тангенциальной компоновкой горелок охарактеризо вать аэродинамику и связанные с ней параметры топочной среды как основу для последующего сравнения исследуемых комбинированных аэродинамиче ских схем;
исходя из анализа тенденций развития факельно-вихревых топочных устройств, произвести обоснованный выбор принципиальных конструктивных схем синтеза традиционных технологий сжигания с тангенциально закручен ной аэродинамикой и вихревой технологии с использованием нижнего дутья;
для принятых к рассмотрению вариантов организации аэродинамики факель но-вихревого сжигания твердого топлива выполнить оценку общих и локаль ных характеристик топочного процесса и влияния на них основных эксплуа тационных режимов;
на основе исследования особенностей топочного процесса выявить преимуще ства и недостатки совмещения аэродинамической схемы тангенциально за крученного факела и вариантов нижнего воздушного дутья;
выработать рекомендации по практическому использованию совмещения ис следуемых аэродинамических схем при организации факельно-вихревого сжи гания твердого топлива в топках котельных агрегатов.
Научная новизна полученных результатов:
вариативными вычислительными экспериментами применительно к топке котла БКЗ-210-140Ф расширены и дополнены представления о процессах в тангенциально закрученном факеле и их особенностях в разных областях объ ёма камерной топки;
впервые для пылеугольной топки с твёрдым шлакоудалением и с традицион ной тангенциальной компоновкой горелочных блоков проведены исследова ния вариантов комбинированных аэродинамических схем сжигания твёрдого топлива, использующих нижнее воздушное дутьё;
получены новые данные по параметрам топочной среды в различных областях топочной камеры, включая пристенную, для комбинированных схем, сочета ющих тангенциальную закрутку факела и варианты направленности нижнего дутья;
определены индивидуальные особенности влияния режимных факторов и направленности нижнего воздушного дутья на аэродинамическую структуру и связанные с ней процессы в топке для реализации комбинированных факель но-вихревых схем сжигания.
Практическая значимость работы:
данные, полученные в результате численного исследования топочных процес сов для котлов типа БКЗ-210-140Ф с тангенциальным расположением горе лочных блоков, могут использоваться при эксплуатации с целью повышения экономичности и надёжности их работы;
полученные новые данные по рассмотренным комбинированным аэродинами ческим схемам являются основой для выполнения проектов модернизации парка котлов данного типа;
предложены рекомендации по организации топочного процесса применитель но к модернизации объекта исследования путём перевода на комбинирован ные аэродинамические схемы пылеугольного сжигания;
показана возможность применения пакета прикладных программ FIRE 3D для решения практических задач разработки вариантов реконструкции камерных топок, в которых реализованы комбинированные факельно-вихревые схемы сжигания.
Полученные результаты исследования и рекомендации по организации топоч ных процессов приняты к использованию ОАО «Подольский машиностроительный завод» (ЗИО) для предпроектного анализа и выбора вариантов модернизации пыле угольных топок с изначально тангенциальной компоновкой горелок и при прора ботке новых конструкций паровых котлов;
Результаты численного исследования топочных процессов для тангенциаль ной пылеугольной топки котла БКЗ-210-140Ф и её сочетания с вариантом организа ции нижнего воздушного дутья по классической однонаправленной схеме исполь зуются для анализа мероприятий по эффективной эксплуатации котлов в Филиале «Приморская генерация» ОАО «Дальневосточная генерирующая компания».
Методика исследования используется в учебном процессе по специальности 140502 «котло- и реакторостроение» в Томском политехническом университете (включена в лекционный курс и лабораторный практикум по дисциплине «Модели рование физических процессов и объектов проектирования», в тематику выпускных квалификационных работ и учебно-исследовательской работы студентов).
Достоверность результатов обеспечивается применением апробированных математических моделей и надежных методов вычислений, хорошей согласованно стью с экспериментальными данными других авторов, а также с результатами рас четов, выполненных по нормативному методу теплового расчета котлов.
На защиту выносятся:
результаты численного исследования топочных процессов для традиционных тангенциальных пылеугольных топок и их сочетания с рассмотренными вари антами организации нижнего воздушного дутья применительно к объекту ис следования;
результаты анализа особенностей влияния режимных факторов и направлен ности нижнего воздушного дутья на аэродинамику в топке с исследованными комбинированными факельно-вихревыми схемами сжигания;
рекомендации по организации топочного процесса применительно к модерни зации объекта исследования на сжигание твёрдого топлива с применением комбинированных аэродинамических схем.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доклады вались на XV…XVIII Международных научно-практических конференциях студен тов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2009…2012 гг.), Региональной научно-практической конференции «Теплофизиче ские основы энергетических технологий» (г. Томск, 2009 г.), VII Международной конференции студентов и молодых учёных «Перспективы развития фундаменталь ных наук» (г. Томск, 2010 г.), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (г. Томск, 2010 г.,2012 г.), VII Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (г. Кемерово, 2011 г), XVII Всероссийской научно-технической конфе ренции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (г. Томск, 2011 г), Всероссийской молодежной конференции «Химическая физика и актуальные про блемы энергетики» (г. Томск, 2012 г), Всероссийской молодёжной конференции «Горение твёрдого топлива» (г. Томск, 2012 г).
Публикации. По теме диссертационного исследования автором опубликовано 16 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях из перечня ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы (102 наименования). Работа содержит 133 страницы основного текста, включая 2 таблицы и 22 рисунка, а также 52 стра ницы приложения.
Личное участие автора. Автором выбраны варианты исполнения аэродина мических схем для реализации факельно-вихревых технологий сжигания твёрдого топлива, проведены вычислительные эксперименты, анализ полученных результа тов, формулирование выводов. В постановке задач исследований, обсуждении мето дики вычислительных экспериментов и полученных результатов принял участие научный руководитель д.т.н. Заворин А.С.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы и сформулирована цель работы.
В первой главе приведены анализ основных тенденций развития и опыта экс плуатации факельно-вихревых топок. Рассмотрены различные схемы организации вихревого движения, технологии с образованием вихрей с горизонтальной и верти кальной осью вращения, а также синтезированные технологии с организацией более сложной аэродинамической структуры.
На основе выполненного анализа предложено для исследования сочетание то пок с вертикальными вихрями и нижнего дутья. Такой путь совершенствования су ществующих факельно-вихревых технологий сжигания продиктован возможностью рассредоточения зоны активного горения, образующейся при технологиях с верти кальными вихрями, на значительно больший объем топочного пространства. Это позволит снизить максимальную температуру в топке и за счет активной аэродина мики выравнить уровень температуры в объеме вихревой зоны, что должно обеспе чить более выгодные условия работы поверхностей нагрева и котла в целом. Для ис следования выбрана низкоэмиссионная вихревая технология, которая в настоящее время довольно широко применяется в практике реконструкции пылеугольных кот лов, и традиционная тангенциальная топка, имеющая в плане форму близкую к квадрату, с одноярусным расположением горелочных устройств. Предпосылками этому послужило их широкое распространение на тепловых электростанциях Рос сии и стремление повысить универсальность топочного устройства по качеству сжи гаемого топлива.
Исходя из вышеизложенного для определения возможности применения ком бинированных аэродинамических схем в соответствии с поставленной целью иссле дований в завершение первой главы поставлены задачи диссертационной работы.
Во второй главе описывается объект исследования котельный агрегат БКЗ 210-140Ф, с тангенциальным расположением горелочных устройств, выбранный с учётом масштабов распространения в энергетике и имеющихся проблем эксплуата ции при сжигании непроектных топлив.
На основе результатов экспериментальных и наладочных исследований, приве денных в различных источниках, выделены для рассмотрения области топочного объема – пристенная, центральная и промежуточная.
Рис. 1. Схемы комбинированных аэродинамических схем а) НВК;
б) НВП;
в) НВФ;
1 – горелочные устройства;
2 – устройство нижнего дутья Выбраны варианты комбинирования аэродинамических схем применительно к топкам с тангенциальным расположением горелок (рис. 1), базирующиеся на раз личной направленности нижнего дутья: классическое для НТВ-топок однонаправ ленное дутьё вдоль фронтового ската холодной воронки (НВК);
так называемое «пропеллерное» дутьё, когда поток разделяется по ширине топки на два, каждый из которых направлен по одному из скатов холодной воронки (НВП);
фонтанное дутьё, направленное по вертикали вверх (НВФ).
Выполнение поставленных задач проведено методом численных исследований.
Для построения адекватной математической модели аэродинамики, горения и теплообмена в топке принят метод, совмещающий Эйлеров и Лагранжев подходы для описания движения газа и взвешенных частиц. Согласно этому методу общие уравнения движения, теплообмена и горения в газовой фазе представляются на ос нове Эйлерова способа описания, т.е. используются стационарные пространствен ные уравнения баланса массы, импульса, концентраций газовых компонентов и энергии для газовой смеси. Лагранжев подход применяется для описания движения и тепломассообмена одиночных частиц топлива и золы вдоль их траекторий с уче том обратного влияния дисперсной фазы на несущую среду. Турбулентные характе ристики газа рассчитываются с использованием двухпараметрической «k-» модели турбулентности, также учитывающей влияние движущихся частиц. Радиационный теплообмен в двухфазном потоке представляется в рамках P1-приближения метода сферических гармоник, который показывает хорошие результаты применения к пы леугольным топкам.
Выполнен обзор наиболее распро страненных программных продуктов, ко торые позволяют решать вопросы моде лирования топочных процессов. По ре зультатам анализа возможностей описан ных программных продуктов в качестве инструмента исследований выбран пакет прикладных программ FIRE 3D.
Для тестового исследования рас смотрен режим работы котельного агре гата на четырех мельницах при номи нальной нагрузке. Результаты тестирова ния показали хорошую сходимость с ре зультатами, полученными как расчётным путём по нормативной методике теплово го расчёта котельных агрегатов, так и при натурных экспериментах в процессе теп ловых испытаний котла. Так, разница по Рис. 2. Значения температуры в горизон- значению температуры на выходе из топ ки не превышает 50 °С и укладывается в тальных сечениях 1 и 2 – соответственно среднеинтегральный и допускаемые инженерными методиками максимальный уровень по результатам модели- отклонения (рис. 2). Значения скорости рования;
3 – расчёт по нормативному методу;
4 – среды в соответствующих точках интен результат натурных испытаний на котле сивного движения по результатам численного моделирования составили 16–16,5 м/с, а по результатам прямых измере ний от 16 до 17,3 м/с. Значение коэффициента избытка воздуха на выходе из топки, определённое при моделировании по концентрации кислорода, составило 1,21, в натурном эксперименте – 1,14–1,24.Эти данные свидетельствуют о достаточной адекватности математической модели, используемой в программном продукте FIRE 3D, и расчётного метода при анализе процессов в топке с тангенциально закручен ной вихревой аэродинамикой, реализуемой в топке котла БКЗ-210-140Ф.
В третьей главе приведены результаты моделирования топочных процессов применительно в различных режимах несения нагрузки котлом БКЗ-210-140Ф в проектном исполнении. Они явились основой для последующего сравнения техно логий сжигания, представляющих собой сочетание базовой аэродинамической схе мы с вертикальным тангенциально закрученным факелом и вариантов осуществле ния нижнего воздушного дутья.
Расчет выполнен с использованием данных наладки и испытаний котла, а также данных о средневзвешенном составе рабочей массы угля за этот период: влажность 40,4 %;
зольность 28,7 %;
теплота сгорания 10,85 МДж/кг;
выход летучих 56 % (на горючую массу);
тонина помола R90 = 72,0 %.
Наиболее надёжное ведение топочных процессов при тангенциальной компо новке горелок достигается работой всех четырёх горелочных блоков (рис. 3 а, б).
Это обеспечивается благодаря устойчивой аэродинамической структуре и, как след ствие, благоприятными теплофизическими параметрами топочной среды. При нагрузке котла 0,9 Dном выявлена возможность образования локальных застойных зон, которые однако в условиях отсутствия загрязнений не сказываются на ухудше нии теплообмена. Свидетельством этому является уровень температуры продуктов сгорания на выходе из топки не более 1350 К, что определяет надёжную работу конвективных поверхностей нагрева котла при сжигании распространенного даль невосточного угля.
При работе котла на трёх горелочных блоках без изменения нагрузки из-за асимметрии факела относительно вертикальной оси топки фиксируются области благоприятные для возникновения и развития шлакования. К ним относятся боковой прилегающий к незагруженной горелке и фронтовой экраны под горелочным поя сом, вблизи устья холодной воронки на высоте от 3 до 6 м (~20 м экранов), а также полоса по периметру топки, поднимающаяся на высоте от 15 до 23 м (~30 м экра нов).
Режим работы котла с задействованием двух встречно направленных горелоч ных блоков является по всем признакам, выявляемым при анализе результатов мо делирования топочных процессов, непреемлемым для надёжной и экономичной экс плуатации.
Основные результаты, полученные при численном исследовании процессов в топочной камере с тангенциальной компоновкой горелок, полностью соответствует экспериментальным данным других исследований (Ф.А. Серант, Б.П. Устименко и др.).
В четвертой главе представлена оценка общих и локальных характеристик то почного процесса и влияния на них основных эксплуатационных режимов для при нятых к рассмотрению вариантов организации факельно-вихревого сжигания твер дого топлива. Всего для каждого из вариантов комбинированных аэродинамических схем по четырём сочетаниям задействованных горелок и для четырёх анализируе мых характеристик топочного процесса с учётом их пошагового фиксирования по трём осям координат на данном этапе исследования получено 2512 экспозиций кар тины топочной среды. В общей сложности для всех трёх рассмотренных вариантов аэродинамических схем база для сравнительного анализа состояла из 7536 таких экспозиций.
На основе выполненных исследований особенностей топочного процесса полу чены новые данные по параметрам основных характеристик в различных областях топочной камеры, включая пристенную, в результате оценки которых выявлены преимущества и недостатки совмещения аэродинамической схемы тангенциально закрученного факела и нижнего дутья Вариант НВК при различных режимах работы (рис.3 в, г) показал как положи тельные качества, так и неудовлетворяющие условиям надёжной эксплуатации кот ла. Так, при работе котла на двух горелках более предпочтительным является режим с включением в работу прилежащих к фронту горелочных устройств, а работа при встречно включенных горелках показала свою несостоятельность из-за организации нестабильной аэродинамики в топке и высоких значений тепловых потоков в при стенной области выше горелочных устройств. Вместе с тем при задействовании в работу трех и четырех горелочных блоков отмечена стабильная аэродинамическая структура на основе взаимодействия вертикального и горизонтального вихрей, ко торая обеспечивает растягивание зоны активного горения и умеренные значения температур на выходе из топки.
а) б) в) г) Традиционная тангенциальная НВК д) е) ж) з) НВП НВФ Рис. 3. Аэродинамическая структура потоков по сечениям топочной камеры при работе четырёх горелочных блоков:
а),в),д),ж) в вертикальном по оси топки (z = 3,74 м);
б),г),е),з) в горизонтальном по оси горелок (y = 6,5 м).
Вариант аэродинамической схемы НВП (рис.3 д, е) показал себя по рассматри ваемым характеристикам работоспособным. Установлено, что разнонаправленное нижнее дутье обеспечивает устойчивую аэродинамическую структуру топочной среды независимо от нагрузки и сочетания включенных в работу горелочных устройств. За счет омывания скатов холодной воронки большая часть топлива воз вращается в зону горения, что препятствует недожогу и в значительной мере исклю чает возможность провала и осаждения частиц на трубы экранов. Наблюдается рас тягивание зоны активного горения, вследствие чего обеспечиваются умеренные и равномерные температурные поля. В зоне активного горения температура в среднем ниже, чем при использовании традиционной тангенциальной схемы, что способ ствует уменьшению образования термических оксидов азота. Уровень температур на выходе из топки также ниже, чем при традиционной тангенциальной схеме.
Работоспособность варианта НВФ (рис.3 ж, з) подтверждается лишь при задей ствовании в работу всех четырех горелочных устройств, так как для исключения провала топлива необходимо обеспечивать достаточно интенсивный поток нижнего дутья, который при режимах работы на трех и двух горелочных блоках разбивает неустойчивый вертикальный вихрь и выносит вверх. Следует отметить, что исполь зование фонтанного направления нижнего дутья с включением четырех горелочных устройств способно обеспечивать низкую вероятность провала топлива и отложений на экранных трубах в районе холодной воронки. При этом наблюдается растягива ние зоны активного горения и достаточное заполнение топочного пространства.
Полученные результаты численного моделирования в целом позволяют оце нить работоспособность рассмотренных вариантов аэродинамических схем топоч ного процесса применительно к топке котла БКЗ-210-140Ф и являются основой для обоснования наиболее экономичных режимов их применения.
В пятой главе выполнен анализ полученных результатов с целью определения индивидуальных особенностей влияния варьируемых режимных факторов на пара метры работы топки. Проведено сравнение вариантов синтеза традиционных тан генциальных пылеугольных топок с низкоэмиссионными вихревыми технологиями сжигания топлива угрубленного помола, на основе которого выработаны рекомен дации по практическому использованию совмещения исследуемых аэродинамиче ских схем при организации факельно-вихревого сжигания твердого топлива в топ ках котельных агрегатов с применением нижнего дутья.
Оценка эффективности предложенных вариантов выполнялась по результатам численного моделирования аэродинамической структуры топочного пространства, распределения температурных и концентрационных полей.
Изменение количества включенных горелок и расхода топлива приводит к из менению скоростного режима как при истечении смеси из устья горелок, так и при распространении газов в объеме топки (рис. 4 а, б, в).
Распределение окислителя (рис. 5 г, д, е) по топочному объему, характеризую щее степень его перемешивания и взаимодействия с топливными частицами, пока зывает, что условия для наиболее полного выгорания частиц имеют место при ис пользовании традиционной тангенциальной технологии при работе котла на четы рех и трех горелках(рис. 5 а, б, в).
Анализ результатов исследований относительно применимости каждой из рас сматриваемых аэродинамических схем свидетельствует, что самостоятельное ис пользование можно рассматривать лишь для двух схем – с классическим и пропел лерным направлением нижнего дутья. Вариант с фонтанным направлением нижнего дутья показал свою состоятельность только при режиме работы котла с задейство ванием четырёх горелочных блоков.
Пристенная область Промежуточная область Центральная область а) б) в) г) д) е) Рис. 4. Значения подъёмной скорости и изменение температуры дымовых газов по высоте топки в различных областях топочной камеры при работе трёх горелочных блоков 1) традиционная схема с тангенциальным расположением горелок;
2) вариант НВК;
3) вариант НВП Пристенная область Промежуточная область Центральная область а) б) в) г) д) е) Рис. 5. Изменения концентраций частиц и кислорода по высоте топки в различных областях топочной камеры при работе трёх горелочных блоков 1) традиционная схема с тангенциальным расположением горелок;
2) вариант НВК;
3) вариант НВП Для достижения наиболее благоприятных условий надёжной и экономичной работы котла в условиях нестабильности качества поставляемого угля при работе на четырёх горелочных блоках выгодно использовать вариант НВФ или НВП, на трех – НВП, а на двух – НВК с включением горелочных блоков, прилежащих к фронту котла. Подобное совмещение комбинированных схем обеспечит возможность экс плуатации объекта исследования в трёх режимах: сжигание молотого топлива с ис пользованием существующих пылесистем по традиционной тангенциальной схеме;
одновременное сжигание молотого и топлива угрубленного помола;
сжигание топ лива угрубленного помола. При этом переход с одного режима на другой принципи ально возможно осуществлять без останова котла и сложных переключений в случае нахождения удачного конструктивного решения для вариабельного устройства нижнего дутья.
В приложении приведены результаты решения задач на ЭВМ и визуализация численного моделирования, а также материалы, подтверждающие характер и сте пень практического использования полученных результатов.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Работа тангенциальной топки с задействованием трёх горелочных блоков характе ризуется увеличением вялопроточных зон, что способствует возникновению и развитию шлакования экранных труб, вблизи бокового, прилегающего к незагру женной горелке, и фронтового экранов под горелочным поясом, в районе устья холодной воронки на высоте от 3 до 6 м (~20 м экранов), а также в полосе, под нимающей по периметру топки на высоте от 15 до 23 м (~30 м экранов).
2. Однонаправленное нижнее дутьё вдоль фронтового ската холодной воронки при работе котла на трёх или четырёх горелочных блоках создаёт стабильную аэроди намическую структуру потоков в топке, растягивает зону активного горения и обеспечивает умеренные температуры на выходе из топки. Режим работы котла на двух пылесистемах по такой аэродинамической схеме возможен лишь с задей ствованием двух прилежащих к фронту котла горелочных блоков.
3. Направление нижнего дутья вдоль фронтового и тыльного скатов холодной во ронки, разделённого пополам, характеризуется наиболее активной аэродинамиче ской структурой для всех рассматриваемых сочетаний задействованных горелоч ных блоков, создаёт условия для возврата выпадающих частиц в зону горения, и вследствие этого для снижения недожога топлива.
4. Фонтанное направление нижнего дутья является действенным только при работе всех четырех горелочных блоков, обеспечивая условия для снижения провала топлива и образования отложений на экранных трубах в районе холодной ворон ки, растягивание зоны активного горения и равномерное заполнение топочного пространства дымовыми газами.
5. Для реализации принципов комбинированной аэродинамической схемы при тан генциальной компоновке основных горелок и нижнем вторичном дутье предпо чтительно использовать возможность перехода к различным вариантам направ ленности нижнего дутья, что позволит минимизировать негативные факторы и обеспечит возможность эксплуатации котла в разных режимах, удовлетворяющих условию универсальности по топливу, но требует разработки конструкции вариа бельного устройства нижнего дутья, которое позволит осуществлять переход с одной аэродинамической схемы на другую без останова котла.
Основное содержание работы
отражено в следующих публикациях 1. Заворин А.С., Бетхер Т.М., Лебедев Б.В. Анализ топочной среды котла БКЗ-210 140 на основе численного моделирования // Известия Томского политехническо го университета. – 2011. – Т. 319. – № 4 – С. 50–55.
2. Заворин А.С., Лебедев Б.В. Бетхер Т.М. Численное исследование аэродинамики топочной среды пылеугольного котла при модернизации по варианту низкоэмис сионной вихревой технологии // Промышленная энергетика. – 2012. – № 4. – С.
7–10.
3. Бетхер Т.М. Численное моделирование топочной среды при модернизации ка мерной топки для сжигания топлива угрубленного помола // Вестник КГТУ им.
А.Н.Туполева. – 2012. – № 3. – С. 19–24.
4. Бетхер Т. М., Гиль А. В., Лисовенко Т. А. Актуальность применения численного моделирования для НТВ-топок // Современные техника и технологии: Труды XV международной научно-практ. конф. студентов, аспирантов и мол. ученых, т.3. – Томск: Изд-во ТПУ, 2009г., с. 239-240.
5. Бетхер Т. М., Лебедев Б. В., Гиль А. В. Топочные технологии как средство эф фективного возвращения угля в энергетику // Материалы региональной научно практ. конф. «Теплофизические основы энергетических технологий». – Томск:
ИПФ ТПУ, 2009г., с. 172-180.
6. Betkher T.M., Shebalkina I.Y., Doroshevich S.A. Mathematical modeling of the bkz 210-140 boiler internal surroundings under burning of sub-standard coal types // Труды VII Международной конф. студентов и молодых учёных «Перспективы развития фундаментальных наук». – Электрон. Текст. Дан. – Национальный Исследова тельский Томский политехнический университет, 2010. – Режим доступа:
htt://science-persp/tpu/ru/Previous%20Materials/Konf_2010/pdf., с. 753-755.
7. Бетхер Т.М., Лебедев Б.В., Гиль А.В. Математическое моделирование топочных процессов при модернизации топки котла БКЗ-210-140Ф // Современные техника и технологии: Труды XVI Международной научно-практ. конф. студентов и мо лодых ученых, т.3. – Томск: ИПФ ТПУ, 2010 г., с. 162-163.
8. Бетхер Т.М., Лебедев Б.В., Гиль А.В. Сравнительный анализ факельной и вихре вой технологий сжигания угля в котле БКЗ-210-140 посредством математическо го моделирования // Теплофизические основы энергетических технологий: Труды Всероссийской научно-практ. конф. с международным участием. – Томск: Изд-во ТПУ, 2010 г., с. 242-245.
9. Литвинова Н.А., Бетхер Т.М. Альтернативные технологии сжигания твердого топлива // Современные техника и технологии: Труды XVII Международной научно-практ. конф. студентов и молодых ученых, т.3. – Томск: Изд-во ТПУ, 2011 г., с. 219-220.
10.Мамаев А.К., Бетхер Т.М. Сравнительный анализ существующих программных продуктов для моделирования топочных процессов // Современные техника и технологии: Труды XVII Международной научно-практ. конф. студентов и моло дых ученых, т.3. – Томск: Изд-во ТПУ, 2011 г., с. 221-222.
11.Прамзина Е.С, Бетхер Т.М. Низкотемпературна вихревая технология: характери стика и значение в энергетике// Современные техника и технологии: Труды XVII Международной научно-практ. конф. студентов и молодых ученых, т.3. – Томск:
Изд-во ТПУ, 2011 г., с. 251-252.
12.Мамаев А.К., Бетхер Т.М., Гиль А.В. Численное моделирование аэродинамики топочной среды камерной топки для сжигания топлива угрубленного помола // Современные техника и технологии: Труды XVIII Международной научно-практ.
конф. студентов и молодых ученых, т.3. – Томск: Изд-во ТПУ, 2012 г., с. 207-208.
13.Бетхер Т.М. Численное исследование топочной среды пылеугольного котла при модернизации на сжигание грубоизмельченного топлива // Сборник докладов VII Всероссийского семинара ВУЗов по теплофизике и энергетике. – Кемерово: Изд во КузГТУ, 2011 г., с. 63-65.
14.Бетхер Т. М. Численное исследование вариантов модернизации тангенциальных топок для сжигания топлива угрубленного помола // Теплофизические основы энергетических технологий: сборник научных трудов II Всероссийской научно практ. конф. с международным участием. – Томск: Изд-во ТПУ, 2011 г, с. 215 218.
15.Бетхер Т.М., Корженко А.В. Математическое моделирование вариантов модерни зации тангенциальных топок для сжигания топлива угрубленного помола // Энер гетика: эффективность, надежность, безопасность: Материалы XVII Всероссий ской научно-техн. конф. – Томск: Изд-во ТПУ, 2011 г., с. 101-103.
16.Бетхер Т.М., Гиль А.В., Мамаев А.К., Исследование пристенной области танген циальных топок // Сборник тезисов и докладов Всероссийской молодежной конф.
«Химическая физика и актуальные проблемы энергетики» – Томск: Изд-во ТПУ, 2012. – с. 31-32.
Подписано к печати. Формат 60 х 84 / 16.
Гарнитура Times. Бумага офсетная. Печать трафаретная.
Усл. печ.л.1,4. Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано в типографии 634000, г. Томск,.