научная статья по теме ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ТЭЦ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ТЭЦ»

= ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ АППАРАТЫ И КОНСТРУКЦИИ :

УДК 536.46:532.517.4

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ТЭЦ

© 2015 г. А. С. Аскарова, С. А. Болегенова, В. Ю. Максимов, А. Бекмухамет,

М. Т. Бекетаева, З. Х. Габитова

Казахский национальный университет им. аль-Фараби E-mail: Beketayeva.m@gmail.com Поступила в редакцию 26.03.2014 г.

Был исследован процесс сжигания твердого топлива в реальной камере сгорания, где используется уголь зольностью выше 40% для минимизации вредного воздействия ТЭЦ на окружающую среду (ее загрязнения). Для моделирования и определения различных параметров течения процесса горения использовался пакет прикладных программ FLOREAN.

DOI: 10.7868/S004036441504002X

ВВЕДЕНИЕ

Промышленность Казахстана направлена на использование угля в качестве энергетического топлива. Согласно [1], в Казахстане сосредоточено около 3.9% мировых запасов угля (рис. 1). Угольная промышленность обеспечивает выработку в Казахстане около 80% электроэнергии. Кроме того, осуществлена возможность полностью удовлетворить потребности в энергетическом топливе коммунально-бытового сектора республики.

В результате эксплуатации энергетических объектов в атмосфере обнаруживаются такие вещества, как окись углерода, оксид азота, диоксид азота, пыль свинца, диоксид серы и др., которые вызывают значительный вред для человеческого организма [2]. Например, общая концентрация выброса С02 (диоксид углерода), выделяемого в электрической и тепловой отрасли при сжигании

Австралия 8.6%

Индия 6.8% "

Китай 12.8%

ЮАР 3.4'

Прочие 8.1%

Казахстан 3.8%

EC \ украиналат. Америка ' 1.6%

Польша 0.6%

США 26.6%

Россия 17.6%

Рис. 1. Мировые запасы угля.

топлива по статистическим данным 2009 года составила для Казахстана 11930 кг CO2 на душу населения. В соседних странах эти показания следующие: Кыргызстан — 1326, Узбекистан — 4047, Россия — 10800, Китай — 5138 [3]. В связи с этим важно не только производить энергию, но и внимательно следить за экологической стороной процесса, т.е. контролировать концентрацию вредных веществ, поступающих в атмосферу. В ходе выполнения государственной программы развития страны по внедрению систем управления качеством и безопасностью окружающей среды в соответствии с международными стандартами ISO серии 9000 и 14000 [4] особую значимость приобретают фундаментальные исследования, имеющие практический смысл и направленные на повышение эффективности сжигания энергетического топлива и минимизацию выбросов вредных пылегазовых выбросов в атмосферу.

Исследование турбулентного горения твердых пылеугольных топлив и решение проблем современной теплофизики, теплоэнергетики и экологии являются не только острой необходимостью для Казахстана, но и проблемой общемирового масштаба. Об этом свидетельствуют аналогичные исследования, которые проводятся в странах СНГ, Европейского Союза и США [5—13]. Исследования в области прогрессивных технологических процессов по совершенствованию установок сжигания пылеугольного топлива и использованию альтернативных методов сжигания различных видов топлива (с высокой зольностью [14]) являются в настоящее время наиболее актуальными для всего энергетического комплекса Республики Казахстан.

При этом незаменимым эффективным методом теоретического исследования течений хими-

чески реагирующих сред является численное моделирование [15]. Строгое математическое описание всех протекающих процессов в парогенераторах, печах и реакторах совместно с современными вычислительными алгоритмами с использованием супер-ЭВМ позволяют решать эти задачи для конкретных энергетических установок и для любого энергетического топлива [16—18]. Численное моделирование в настоящее время интенсивно развивается во многих странах: строятся усовершенствованные модели, конструируются новые численные алгоритмы, проводятся разнообразные вычислительные эксперименты [19, 20]. Применение компьютерных технологий эффективно, когда одновременно прорабатываются несколько конструкторских решений и определяется стратегия модернизации котла или камеры сгорания. Сочетание компьютерной технологии и экспериментальных исследований позволяет создавать обоснованную стратегию малозатратной модернизации отдельных типов камер сгорания и "сдвигать" дорогостоящие экспериментальные исследования на заключительный этап для окончательной проверки решений. Развитие методов математического моделирования в области исследований процессов тепломассопереноса в течениях с горением привело к появлению различных программно-ориентированных пакетов. С помощью этих пакетов более или менее успешно решаются фундаментальные и прикладные задачи, с которыми в повседневной практике приходится сталкиваться предприятиям топливно-энергетического комплекса.

ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧИ

Горение пылеугольного факела в реальных условиях представляет собой сложный для математического анализа физико-химический процесс. Особой сложностью отличается он в условиях камер сгорания котельных топок, где ось факела криволинейна, а холодные экранированные стены топочной камеры обусловливают значительный градиент температуры и всех зависящих от нее параметров от периферии к центру факела. Проблема моделирования включает взаимодействие турбулентного горения многих химических компонент с многофазными процессами (частицы газообразного или твердого топлива и углерода в поле течения) и с лучистым теплопереносом.

При сгорании частиц необходимо учитывать скорости гетерогенных реакций, требуется знать распределения частиц по размерам и в пространстве. Эмиссия загрязняющих веществ, таких, как углеводороды, сажа и оксиды азота, может быть уменьшена соответствующим управлением закономерностями изменения температуры и концентрации в области сгорания.

Математическая модель. В данной работе вычислительный эксперимент проводился на основе решения трехмерных уравнений конвективного тепломассопереноса с учетом распространения тепла, теплового излучения, химических реакций и многофазности среды. Эти уравнения включают в себя закон сохранения массы, закон сохранения импульса или уравнение Навье—Стокса, закон сохранения энергии и компонент, вовлекаемых в камеру сгорания, которые состоят из частиц пылеугольного топлива и воздуха.

Уравнение, описывающее закон сохранения массы, можно записать следующим образом:

& + (рМ;.) = о.

dt дх.

(1)

Для определения параметров движения пыле-угольного потока в камере сгорания с учетом всех возможных влияющих факторов поток импульса, обусловленный поверхностными и объемными силами, имеет вид

д (рщ) _ д (рщщ)

dt

dxj

■ +

д

дх,

( (дщ +д_и1 _ 2s duгЛЛ

И

vdxJ

dp

(2)

i jj

дх,

+ pgt.

дх , 3 дхг Полученные выражения (1), (2) являются системой уравнений Навье—Стокса.

Уравнение, описывающее закон сохранения энергии, записывается на основании первого начала термодинамики:

д (рЕ) _ д (ри,Е)

dt

дх,

д, д (pu) , d (иту)

dxj

дх,

дх,

■ P Uigi + SQ,

77 res

где E — полная энергия, q, — поток энергии за счет молекулярного переноса, pu,g, — изменение энергии за счет действия в потоке силы тяжести, Sq — выделение или поглощение энергии за счет химических реакций или за счет потока лучистой энергии.

С учетом уравнений изменения парциальной плотности во времени, переноса компоненты ß за счет конвекции и за счет диффузии и образования и разложения компоненты ß в результате химических реакций закон сохранения компоненты примет вид

д(р с*) д t

д(р с*и) + д

дх ,

дх ,

i \ D д с*

6ß дх,

+ Sp.

Физическая постановка задачи. В качестве исследуемого объекта была выбрана камера сгорания котла ПК-39, предназначенного для работы на экибастузских углях [14] в блоке с паровой турбиной мощностью 300 МВт и паропроизводи-

Таблица 1. Основные характеристики топочной камеры котла ПК-39 Аксуйской ГРЭС

Характеристика Величина

Расход топлива на горелку, кг/ч 7291.1

Состав экибастузского угля, % 7.0 40.9 0.8 41.1 2.8 6.6 0.8

Теплота сгорания, МДж/кг 15.87

Выход летучих, % 30.0

Диаметр угольных частиц, м, 10-6 30.0

Коэффициент избытка воздуха на выходе из топки 1.25

Коэффициент избытка воздуха в горелках 1.15

Присосы воздуха в топку 0.1

Температура аэросмеси, К 423

Температура вторичного воздуха, К 600

Температура третичного воздуха, К 600

Температура стенок, К 873

Количество горелок, шт 12

Количество ярусов 2

Высота топки, м 29.985

Ширина топки, м 10.76

Глубина топки, м 7.762

Скорость первичного воздуха (аэросмеси) горелок нижнего яруса, м/с 15.0

Скорость вторичного воздуха горелок нижнего яруса, м/с 28.0

Скорость третичного воздуха горелок нижнего яруса, м/с 26.0

Скорость центрального воздуха горелок нижнего яруса, м/с 10.0

Скорость первичного воздуха горелок верхнего яруса, м/с 15.0

Скорость вторичного воздуха горелок верхнего яруса, м/с 23.0

Скорость третичного воздуха горелок верхнего яруса, м/с 23.0

Скорость центрального воздуха горелок верхнего яруса, м/с 10.0

тельностью 475 т/ч. Котел установлен на Аксуйской электростанции (Казахстан). В табл. 1 представлены основные характеристики котла. Котел сверхкритического давления с промежуточным перегревом — прямоточный, двухкор-пусный, Т-образной компоновки, с уравновешенной тягой и твердым шлакоудалением. Оба корпуса имеют одинаковую симметричную конструкцию. На рис. 2 представлена общая схема камеры сгорания этого котла и разбивка ее на элементарные объемы для проведения вычислительных экспериментов.

Вычислительные эксперименты по исследованию процесса горения в камере котла ПК-39 проводились на основе нового современного программного комплекса с использованием пакета компьютерных программ, который позволяет проводить сложные вычислительные эксперименты по моделированию реагирующих многофазных течений в областях реальной геометрии. В соответствии с заданной геометрией в работе для проведения вычислительных экспериментов была создана решетка размером 27 х 61 х 60, которая содержит 98820 контрольных объемов. Ниже приводятся результаты вычислительных экспериментов по

Рис. 2. Общий вид камеры горения ПК-39.

(а)

Z, м 30 28 25 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

Z

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»