Метод энергетической оценки эффективности применения вихревых пылеуловителей в теплоэнергетических установках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Козлякова, Оксана Вячеславовна

• Козлякова, Оксана Вячеславовна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Козлякова, Оксана Вячеславовна

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВ

1.1. Классификация пылеуловителей и методы оценки их основных технических показателей.

1.2. Современный уровень и перспективы развития инерционных пылеуловителей.

1.3. Вихревые пылеуловители со встречными закрученными потоками и их сравнительные характеристики.

1.4. Современные воздухоочистительные устройства теплоэнергетических установок.

1.5. Постановка задачи исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ОЧИСТКИ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВ

2.1. Физическая модель и математическое описание процесса сепарации тонкодисперсных примесей в газовых потоках

2.2. Расчет аэродинамики вихревых пылеуловителей на основе математической модели турбулентного закрученного потока

2.3. Метод энергетической оценки процесса сепарации твердых частиц в вихревом пылеуловителе типа ВЗП.

2.4. Алгоритм и программа расчета эффективности аппарата ВЗП при регулировании кратности расхода

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ЗАПЫЛЕННОСТИ ВОЗДУХА НА ИЗНОС

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

3.1. Методы и установки для проведения экспериментальных исследований.

3.2. Исследования износа турбокомпрессора при обдуве запыленным воздухом неподвижных лопаток.

3.3. Исследования износа турбокомпрессора при работе осевого компрессора на запыленном воздухе.

3.4. Исследования износа турбокомпрессора при работе центробежного компрессора на запыленном воздухе.

4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СОВМЕСТНОЙ

РАБОТЫ ВИХРЕВОГО ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЯ И

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

4.1. Особенности теплоэнергетической установки газотурбинного типа и основные требования, предъявляемые при ее работе к пылеочистке.

4.2. Уравнения рабочего процесса основных узлов теплоэнергетической установки в малых отклонениях.

4.3. Математическая модель энергетической оценки вихревого пылеуловителя при совместной работе с теплоэнергетической установкой.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод энергетической оценки эффективности применения вихревых пылеуловителей в теплоэнергетических установках»

Актуальность. В связи с большими объемами очищаемых газов в промышленности и удорожанием энергоносителей вопросы экономики очистки газов становятся в настоящее время более актуальными, чем прежде.

Широкое внедрение газотурбинных установок (ГТУ) в качестве надстройки котельных установок промышленных предприятий для производства тепловой и электрической энергии ставит вопрос о повышении эффективности пылеулавливания и снижения энергетических затрат на очистку воздуха подаваемого в компрессор, с которым поступает большое количество пыли, что приводит к износу деталей и связанному с ним ухудшению его характеристики.

Основным способом борьбы с вредным влиянием пыли в настоящее время является установка воздухоочистительных устройств (ВОУ) на входе в ГТУ, представляющих собой двухступенчатую систему очистки, состоящую из блока мультициклонов и фильтра тонкой очистки. Фильтрация воздуха значительно увеличивает объем, габариты и вес энергетической установки. Создается дополнительное сопротивление на входе, приводящее к снижению мощности ГТУ и ухудшению ее экономичности. Поэтому фильтрация воздуха на входе может быть экономически оправдана только при умеренной степени очистки, что является недостаточным по технологическим условиям.

Среди известных принципов очистки пыли принцип центробежной очистки вихревыми закрученными потоками является самым эффективным и совершенным по конструкции.

Цель исследования - разработать метод оценки энергетических затрат на очистку воздуха при работе вихревых многофункциональных аппаратов в системе теплоэнергетической установки газотурбинного типа и их оптимизации при создании управляемого процесса очистки воздуха от пыли на основе применения математических моделей расходных характеристик аппаратов типа ВЗП и метода малых отклонений при расчете параметров процесса работы теплоэнергетических установок. Основными задачами исследования являются:

1. Теоретическое обоснование применения для очистки воздуха от пыли вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками (ВЗП) в теплоэнергетических установках.

2. Исследование гидродинамики вихревых многофункциональных аппаратов со встречными закрученными потоками для оценки эффективности очистки газа.

3. Разработка математической модели вихревых многофункциональных аппаратов со встречными закрученными потоками для расчета гидравлических потерь в зависимости от характеристики пыли и параметров пылеочистки.

4. Разработка математической модели для оценки энергетических затрат и их оптимизации при совместной работе аппарата ВЗП и компрессора при очистке воздуха в теплоэнергетических установках.

5. Разработка рекомендаций по применению воздухоочистительных устройств в промышленности на основе аппаратов ВЗП по созданию управляемого процесса пылеочистки.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель теплоэнергетической установки для оценки влияния гидравлических потерь на входе на параметры процесса и характеристики установки.

2. Разработана математическая модель вихревого аппарата ВЗП для оценки гидравлических потерь в зависимости от характеристики пыли и параметров процесса пылеочистки.

3. Разработана математическая модель на основе метода малых отклонений для оценки энергетических затрат и их оптимизации при применении аппаратов ВЗП для очистки воздуха на входе теплоэнергетической установки газотурбинного типа.

4. Выполнены исследования по созданию управляемого процесса сепарации пыли в аппаратах ВЗП при применении; их в теплоэнергетических установках.

Практическая ценность и реализация результатов работы Результаты работы позволяют обосновать выбор ВОУ на основе пылеуловителей типа ВЗП для теплоэнергетической установки газотурбинного типа и дать рекомендации по снижению энергетических затрат на очистку воздуха от пыли при создании управляемого процесса с целью увеличения ресурса ее работы, а также снизить металлоемкость воздухоочистительного устройства и площадь производственных помещений. Предложенные методы математического моделирования позволяют дать технико-экономическую оценку энергетических затрат совместной работы ГТУ и ВЗП. Результаты работы могут быть использованы в учебном процессе вузов, в курсе лекций по дисциплине «Ресурсосбережение», а также в курсовом и дипломном проектировании.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на фундаментальных положениях термо- и газодинамики, теории газотурбинных установок, теории вихревых аппаратов со встречными закрученными потоками, использовании современных методов математического моделирования и подтверждается хорошим соответствием расчетных данных с экспериментальными результатами.

Апробация работы. Основные результаты работы и положения докладывались на:

• XVI Международной конференции молодых ученых «Успехи в химии и химической технологии» «МКХТ-2002» (Москва, РХТУ им. Д.И. Менделеева) в 2002 году;

• Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ - 2002) (Москва, МГТУ им. А.Н. Косыгина) в 2002 году;

• XVII Международной конференции молодых ученых «Успехи в химии и химической технологии» «МКХТ-2003» (Москва, РХТУ им. Д.И. Менделеева) в 2003 году;

• Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ - 2003) (Москва, МГТУ им. А.Н. Косыгина) в 2003 году;

• 11-ом Международном совещании по использованию энергоаккумулирующих веществ в экологии, машиностроении, энергетике, на транспорте и в космосе (Москва, ИМАШ РАН) в 2000 году;

• Ш-ем Международном совещании по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте (Москва, ИМАШ РАН) в 2002 году;

• IV-ой научно-технической конференции по применению криогенных топлив (Москва, ВАТУ им. Н.Е. Жуковского) в 2002 году.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ в научных изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, включающего 72 наименования. Диссертация включает 126 страниц текста, 36 рисунков и 12 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Козлякова, Оксана Вячеславовна

1. Выполнена энергетическая оценка эффективности применения вихревых пылеуловителей типа ВЗП в качестве воздухоочистительного устройства теплоэнергетической установки газотурбинного типа.2. Показано, что коэффициент гидравлического сопротивления ВЗП при любом режиме работы и способе регулирования кратности расхода может быть вычислен по двум параметрам - кратности расхода к и коэффициенту гидравлического сопротивления ^*, которые связаны соотношением *^ = ^ , • (1 - к* У.

3. Получено соотношение между коэффициентами сопротивления каналов первичного и вторичного потоков и кратностью расхода к в

4. Проведено исследование влияния запыленности воздуха на износ турбокомпрессора энергетической установки. Показано, что износ лопаток компрессора еще задолго до механического разрушения приводит к резкому H3Mc:::^ 4jHra профиле лопатки, что связано с j , . , ухудшением характеристик и, в первую очередь КПД компрессора.5. Установлено, что абсолютная величина износа пропорциональна скорости удара частиц о лопатку в степени около 2,8 при ударном износе и в степени 2,0 при износе истиранием. Абсолютная величина износа тем больше, чем крупнее частицы пыли.6. Определена зависимость износа лопаток от материала, из которого они изготовлены. Применение стали позволяет в среднем в 2,7 раза увеличить стойкость к износу по сравнению с алюминиевым сплавом марки Д1Т.

7. Дана технико-экономическая оценка энергетических затрат и выполнена их оптимизация при совместной работе пылеуловителя типа ВЗП и ГТУ по созданию управляемого процесса сепарации пыли в зависимости от запыленности поступающего воздуха.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Козлякова, Оксана Вячеславовна, 2004 год

1. Акулич А.В. Разработка высокоэффективных вихревых аппаратов с управляемой гидродинамикой для сушки и улавливания в химической и текстильной промышленности. — Дис докт. техн. наук. - М.: МГТУ им A.H. Косыгина, 1999.-411 с.

2. Акулич А.В., Сажин Б.С. Вихревые аппараты для сушки волокнообразующих полимеров. - Хим. волокна, 1999, №2. - 32.

3. Акулич А.В., Сажин B.C., Егоров А.Г. Моделирование движения газовой фазы в прямоточном вихревом пылеуловителе. - Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности, 1998, № 4. - 96-80.

4. Алиев Г.М.-А. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. Справочное издание.— М.: Металлургия, 1986. - 544 с.

5. Алиев Г.М.-А. Устройство и обслуживание газоочистных и пылеулавливающих установок. Уч. пособие. - М.: Металлургия, 1988. -368 с.

6. Банит Ф.Г., Малыгин А.Д. Пылеулавливание и очистка газов в промышленном строительстве материалов.^ - М.: Стройиздат, 1979.— 315 с.

7. Бродянский В.М. Эксергетические расчеты технических систем. — Киев: Наукова думка, 1991. - 359 с.

8. Бродянский; В.М. Эксергетический метод и его применение. — М.: Энергоатомиздат, 1988. - 288 с.

9. Бусройд Р. Течение газа со взвешенными частицами. Пер. с англ. В.К. Данилина и Ф.Е. Спокойного. Под ред. Э.Р. Горбиса. - М.: Мир, 1975. -378 с.

10. Векуа Т.Ю. Исследование гидродинамики многофункциональных аппаратов со встречными закрученными потоками. — Дис. ... канд. техн. наук. - М.: МТИ, 1979. - 199 с.

11. Вихревые аппараты / А.Д. Суслов, СВ. Иванов, А.В. Мурашкин, Ю.В. Чижов. - М.: Машиностроение, 1985. - 251 с.

12. Высокоэффективная очистка воздуха /Под ред. П. Уайта, Смита. Перевод с англ. М.: Атомиздат, 1967. - 311 с.

13. Галич В.Н. Повышение эффективности работы центробежных пылеуловителей за счет применения вторичных закрученных потоков. Дис. ... канд. техн. наук. - М., 1984. - 207 с.

14. Голубцов В.М., Михайличенко СВ. К расчету коэффициентов сопротивления пылевых циклонов. - Теплоэнергетика, 1987, № 6. - 41-44.

15. Гордон Г.М., Пейсхалов И.Л. Пылеулавливание и очистка газов. Учебное пособие для техникумов. — М.: Металлургия, 1968. — 499 с.

16. Горячев В.Д. Моделирование работы инерционного вихревого аппарата. - Изв. Вузов. Энергетика. - 1980, № 2. - 49-55.

17. Госмен А.Д. и др. Численные методы исследования течения вязкой жидкости. - М.: Мир, 1972. - 324 с.

18. Грушко Я.М. Вредные органические соединения в промышленных выбросах в атмосферу. - Л.: Химия, 1986. — 206 с.

19. Гуппа А,, Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки. - М.: Мир, 1987. — 386 с.

20. Жолондковский О.И. Внимание воздух. - М.: Моск. рабочий, 1985. - 159 с.

21. Иванов А.А. К расчету аэродинамики вихревых пылеуловителей. — Теоретические основы химической технологии, 1988, том 32, № 6. - 581-586.

22. Иванов А.А., Кудрявцев Н.А. Расчет поля скоростей в гидроциклоне. — Теоретические основы химической технологии, 1987, том 21, № 2. - 237.

23. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1975. - 559 с.

24. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971. - 784 с.

25. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергоатомиоиздат, 1983. - 416 с.

26. Киселев Н.В., Нагорский И.С. Волкус СП. О применении аналоговой модели для анализа движения частиц в криволинейном потоке. — Изв. Вузов. Энергетика, 1969, № 12

27. Клименко А.П. Методы и приборы для измерения концентрации пыли. -М. , 1978.-208 с.

28. Курицын В.Ф. и др. Пылезащитные устройства газотурбинных двигателей вертолетов. - Труды ЦАГИ, вып. 1713, 1975. - 33 с.

29. Лукачевский Б.П., Сажин Б.С., Акулич А.В., Кикабидзе Н.И. Описание движения газа в аппарате со встречными закрученными потоками с расширяющимся конусов. — Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности, 1990, № 6. - 85-88.

30. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. — М.: Машиностроение, 1969.- 183 с.

31. Муштаев В.И., Тимонин А.С., Лебедев В.Я. Конструирование и расчет аппаратов со взвешенным слоем. Учебное пособие. — М.: Химия, 1991. -344 с.

32. Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха. - М.: Стройиздат, 1981. 296 с. - (Охрана окружающей среды).

33. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1987. - 496 с.

34. Повышение экологической безопасности тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов / А.И. Абрамов, Д.П. Елизаров, А.Н. Ремезов и др.; Под ред. А.С. Седлова. - М.: МЭИ, 2001. - 378 с.

35. Пончик М.И. Фильтры и пылеуловители. Уч. пособие. - М.: Машиностроение, 1976. - 44 с.

36. Пылезащитные устройства газотурбинных двигателей вертолетов / В.Ф. Курицын и др. - Труды ЦАГИ, вып. № 1713,1975. - 33 с.

37. Рей Д. Экономия энергии в промышленности / Под ред. В.Е. Аркелова. — М.: Энергоатомиздат, 1963. — 240 с.

38. Русанов А.А., Урбах И.И. Анастасиади А.Л. Очистка дымовых газов в промышленной энергетики. - М.: Энергия, 1969. - 351 с.

39. Сажин Б.С., Акулич А.В., Сажин В.Б. Математическое моделирование движение газа в сепарационной зоне прямоточного вихревого аппарата на основе (кт-б) модели турбулентности. - Теоретические основы химической технологии, 2001, том 35, № 5. - 472-478.

40. Сажин Б.С., Булеков А.П. Эксергетический метод в химической технологии. - М.: Химия, 1992. - 208 с.

41. Сажин Б.С., Векуа Т.Ю. Математические модели аппаратов со встречными закрученными потоками. - М.: МТИ, 1979. - 34 с.

42. Сажин B.C., Гудим Л.И. Вихревые пылеуловители. - М.: Химия, 1995. - 144 с.

43. Сажин Б.С., Козлякова О.В. и др. Комплексные энергетические установки для регионов со сложными климатическими условиями. — Успехи в химии и химической технологии. - Т. 17, № 2 (27), 2003. - 79-82.

44. Сажин Б.С., Козлякова О.В. и др. Учет флуктуации пыли в аппаратах ВЗП при комплексной и промышленной эксплуатации энерготурбинных установок. - Успехи в химии и химической технологии. - Т. 17,№ 1 (26), 2003.-С. 111-115.

45. Сажин Б.С., Лукачевский Б.П., Джунибеков М.Ш. и др. Моделирование движения газа в аппаратах со встречными закрученными потоками. - Теоретические основы химической технологии, 1985, том 19, № 5. - 687-690.

46. Сажин B.C., Лукачевский В.П., Чувпило Е.А. и др. Однопараметрическая математическая модель гидродинамики сушильного аппарата со встречными закрученными потоками. — Теоретические основы химической технологии, 1977, том 11, Х2 4. — 633-636.

47. Сажин B.C., Сажин В.Б. Научные основы техники сушки. М.: Наука, 1997.-448 с.

48. Сборник задач по технической термодинамике: Учебное пособие /Т.Н. Андрианова, Б.В. Дзампов, В.Н., Зубарев, А.С. Ремизов, Н.Я. Филатов. 4-е изд. - М.: МЭИ, 2000. - 356 с.

49. Свещинский В.О. Вихревые эффекты в системах очистки воздуха д в е . - Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2002, № 9. - 18-20.

50. Справочник по пыле- и золоулавливанию /Под общей ред. А.А. Русанова. - М.: Энергия, 1975. - 296 с.

51. Степанов Г.Ю., Зинцер И.М. Инерционные воздухоочистители, М.: Машиностроение, 1986. - 181 с.

52. Сугак Е.В., Воинов Н.А., Степень Р.А. Житкова Н.Ю. Очистка промышленных газов от газообразных и дисперсных примесей. -Химия растительного сырья, 1998, № 3. - 21 - 34,

53. Суслов А.Д. Иванов СВ., Мкрашкин А.В., Чижиков Ю.В. Вихревые аппараты. М.: Машиностроение, 1985, - 251 с.

54. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок: Учебник для вузов / Ю.С. Елисеев, Э.А. Манушин, В.Е. Михальцев и др. - 2-е изд., перераб и доп. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 640 с.

55. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей./Под ред. СМ. Шляхтенко. Учебник для вузов. 2-е изд. — М.: Машиностроение, 1987. -568 с.

56. Теплоэнергетические установки и системы энергоснабжения в текстильной промышленности: Учебное пособие для вузов / Н.И. Взоров, А.И. Анциферова, В.Е. Дымков и др. - М.: Легпробытиздат, 1991.-512 с.

57. Ушаков СГ., Зверев Н.И. Инерционная сепарация пыли. — М.: Энергия, 1974.-168 с.

58. Циклоны НИИОГАЗ /Руководящие указания по проектированию, изготовлению, монтажу и эксплуатации. - Ярославль, 1970. - 94 с.

59. Черкез А.Я. Инженерные расчеты газотурбинных двигателей методом малых отклонений. — М.: Машиностроение, 1965. - 346 с.

60. Чувпило Е.А. Исследование гидродинамики и разработка метода сушки и улавливания дисперсных материалов во встречных закрученных потоках. - Автореферат дис. ... канд. техн. наук. — Иваново: ИХТИ, 1975, - 17 с.

61. Шальман Ю.И. Износ и изменение параметров осевой и центробежной ступени компрессора при работе на запыленном воздухе. - В сб. ст. Вертолетные газотурбинные двигатели /Под ред. М.М. Масленникова. -М. : Машиностроение, 1966. - С . 163 - 199.

62. Шаргут Я., Петеле Р. Эксергия. — М.: Энергия, 1968. - 278 с.

63. Шиляев М.И., Дорохов А.В. Критерии выбора и сравнения аппаратов газоочистки. - Изв. Вузов. Строительство. - 1998, № 6. - 81-84.

64. Шиляев М.И., Кобякова Ю.Н. Сравнение удельных энергозатрат на очистку газа от пыли в многополочном аппарате и скруббере Вентури. - Изв. Вузов. Стоительство. - 2000, № 4. - 82-88.

65. Штым А.Н., Михайлов П.М. К аэродинамике закрученного потока в циклонно - вихревых камерах. — Изв. Вузов. Энергетика, 1965, № 1 1 . -С. 5-53.