Повышение основных теплотехнических характеристик топочного устройства с вихревыми горелками путем формирования вертикального вращающегося потока продуктов горения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.01, кандидат технических наук Григорьев, Дмитрий Рюрикович

• Григорьев, Дмитрий Рюрикович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Григорьев, Дмитрий Рюрикович

Содержание

Введение

1Обзор литературы и постановка задачи исследований

1.1 Методы повышения теплотехнической надежности водогрейных 11 котлов

1.2 Методы регулирования топочных устройств

1.3 Компоновка топочных устройств со сложной аэродинамикой

1.4 Методы расчета теплообмена в топочной камере

1.5 Расчет аэродинамики топочных устройств

1.6 Выбросы оксидов азота

1.7 Постановка задачи исследования 24 Выводы

2Аналитические исследования процессов в топке с вертикальным топочным вихрем

2.1 Предлагаемая модернизация топочного устройства и 38 ожидаемые результаты

2.2 Теплообмен в топке с вертикальным топочным вихрем

2.3 Снижение выбросов оксидов азота в топке с вертикальным топочным вихрем

2.4 Расчетные зависимости, применяемые для описания процесса взаимодействия струй горелок в топке котла 36 Выводы

3 Методика проведения исследований

3.1 Моделирование аэродинамики топочной камеры

3.2 Получение качественных и количественных характеристик движения потоков газов.

3.3 Методика определения конвективной составляющей коэффициента теплоотдачи в топке модели котла

3.4 Тепловые испытания натурных котлов

3.5 Методика расчета баланса тепла, тепловой разверки, теплотехнической надежности котла

3.6 Выводы

4Оптимизация пространственной ориентации вихревых потоков в топочной камере

4.1 Проверка автомодельности элементов экспериментальной установки

4.2 Исследование закономерностей формирования вертикальным топочным вихрем

4.3 Расчетная методика определения геометрических параметров расположения горелок, при которых формируется вертикальный 68 топочный вихрь

4.4 Результаты визуальных наблюдений с целью определения положения горелок, при котором формируется оптимальный 75 вертикальный топочный вихрь

4.5 Анализ результатов измерения полей скоростей в модели топки

4.6 Результаты экспериментального определения коэффициента теплоотдачи конвекцией в топке с вертикальным топочным вихрем

4.7 Анализ теплотехнической надежности котла КВГМ-100 91 Выводы

5Анализ результатов внедрения метода оптимизации аэродинамики топочного устройства на котле типа КВГМ

5.1 Режимы работы котлов ст. № 4,5,6 Волгодонской ТЭЦ-2 в период испытаний

5.2 Особенности процесса горения при работе на мазуте

5.3 Условия работы газового тракта.

5.4 Результаты температурных измерений.

5.5 Баланс тепла

5.6 Оценка теплотехнической надежности котлов

5.7 Анализ экономической эффективности реконструкции котлов

5.8 Применение методики определения оптимального положения 112 горелок для других котлов.

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение основных теплотехнических характеристик топочного устройства с вихревыми горелками путем формирования вертикального вращающегося потока продуктов горения»

Актуальность проблемы.

В современных топочных устройствах факельного сжигания топлива применяются в основном две компоновки вихревых горелок: фронтальная и встречная. Обе они имеют некоторые недостатки, которые особенно выражены на водогрейных котлах типа КВГМ-100.

Водогрейные котлы играют важную роль в обеспечении бесперебойного снабжения теплом потребителей, резервируя котлотурбинные теплофикационные блоки, заполняя пиковую часть суточного и годового графиков тепловой нагрузки, увеличивая долю ТЭЦ в общем количестве теплоты, отпущенной на нужды народного хозяйства, до 40 %.

В настоящее время эксплуатируется более 1300 газо-мазутных и пылеугольных котлов, используемых в качестве основных и пиковых источников тепла на ТЭЦ и в отопительных котельных. Более 1000 из них составляют парк газо-мазутных котлов ПТВМ, около 200 - КВГМ.

Котлы типа КВГМ стали вводиться в эксплуатацию с 1973 г. (П-образная схема компоновки, принудительная тяга, сниженное теплонапряжение топки) и должны были заменить устаревшие конструкции. Однако в условиях длительной эксплуатации они оказались также недостаточно надежными: высокая низкотемпературная коррозия конвективных пучков и частый выход их из строя; повреждения труб верхнего конвективного пакета из-за перегрева металла, вызванного заносом факела в конвективную шахту. Все это характеризует низкий коэффициент теплотехнической надежности котла.

Одним из способов повышения теплотехнической надежности водогрейных котлов является создание более совершенной аэродинамики Топочной камеры. Одним из технических решений может быть тангенциальная компоновка вихревых горелок. Однако в настоящее время методики и нормы расчета таких топок отсутствуют. Цель работы.

Повысить эффективность работы газо-мазутных котельных агрегатов путем совершенствования аэродинамических характеристик топочного устройства, и разработать расчетную методику определения компоновки двух и трех вихревых горелок, при которой формируется вертикальный топочный вихрь, повышающий интенсификацию теплообмена в топке и коэффициент теплотехнической надежности котла, а также снижающий выход оксидов азота.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

- разработать физическую изотермическую модель наиболее распространенного топочного устройства с вихревыми горелками и провести комплекс исследований аэродинамических характеристик потоков воздуха в топке при различных вариантах компоновки горелок, и процесса теплообмена в топке с вертикальным топочным вихрем (ВТВ);

- обобщить результаты исследований и разработать на их основе математическую модель формирования вертикального топочного вихря;

- установить критерии оптимальности вертикального топочного вихря;

- разработать методику определения расположения горелок, при котором формируется вертикальный топочный вихрь, удовлетворяющий поставленным требованиям, и создать программное обеспечение для инженерных расчетов;

- провести тепловые испытания реконструированных котлов и на основе полученных результатов дать рекомендации к методам расчетов теплообмена в топочных устройствах с ВТВ, и разработать предложения по проектированию и модернизации подобных котельных агрегатов.

Научная новизна.

1. Математическая модель основанная на фундаментальных законах аэродинамики и пневмоники, рассматривающая процесс формирования ВТВ в три этапа, адекватность которой подтверждена впервые экспериментально исследованными процессами принципиально нового способа формирования вертикального топочного вихря тремя и двумя вихревыми горелками, заключающийся во взаимодействии струй горелок между собой, подом и экранами топки.

2. Расчетная методика для определения положения вихревых горелок, при котором формируется аэродинамическая структура факела, удовлетворяющая поставленным требованиям, основанная на полученной математической модели и результатах теоретических и экспериментальных исследований автора в определении критериев оптимальности вертикального топочного вихря.

3. Новое соотношение для расчета теплообмена в котле с ВТВ, позволяющие учесть интенсификацию радиационного теплообмена за счет приближения зоны высоких температур факела к экранам топки, определяемое как отношение объема заполненного высокотемпературным факелом в топке с вертикальным топочным вихрем к объему факела в топке с общепринятыми компоновками вихревых горелок.

Практическая ценность:

- разработана, исследована и опробована новая компоновка двух и трех вихревых горелок, расположенных в одной плоскости, при которой формируется вертикальный топочный вихрь;

- разработана расчетная методика, позволяющая определить положение горелок для модернизации котлов с вихревыми горелками, у которых топочное устройство в плане близко к квадрату (водогрейные котлы типа КВГМ-100, КВГМ-180, ПТВМ-100 и др.; паровые колы ГМ-50 и др.), с целью повышения их теплотехнических характеристик;

- на основании результатов проведенных исследований реконструированы три котла типа КВГМ-100 на Волгодонской ТЭЦ-2. Испытания реконструированных котлов подтвердили, что предложенная компоновка вихревых горелок увеличивает интенсивность теплообмена в топке на 30 %, повышает теплотехническую надежность котла на 20 %, снижает выход оксидов азота на 10%;

- разработана физическая модель котельного агрегата с вихревыми горелками, используемая в качестве учебного пособия и для проведения исследовательских работ на кафедре «Теплоэнергетические технологии и оборудование» Волгодолнского института Южно-Российского государственного технического университета (НПИ);

- разработан метод получения и обработки экспериментальных данных, при визуализации потоков воздуха искровым методом, основанный на применении видеокамеры и ПК с пакетом специальных программ.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на научно- технических конференциях Волгодонского Института ЮжноРоссийского Государственного Технического Университета в 1996-1999 гг. На международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в машиностроении и современность», г. Севастополь, сентябрь 1997г. На международной научно-практической конференции «Энергоэффективные и энергосберегающие техника и технологии-99» 23-24 сент.1999 г. С.- Петербург. На научном семинаре кафедры «ПГС» ЮРГТУ (НПИ) февраль 2000 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в восьми публикациях.

Основные результаты работы получены автором самостоятельно. Бубликовым И.А. осуществлены постановка задачи исследования и постоянное обсуждение результатов исследования. Великанов В.И. принимал участие в обсуждении математического аппарата расчетов струйных течений.

Леонтьев С.А. и Шкондин И.А. принимали участие в проведении экспериментов и в обработке и анализе экспериментальных данных 3 и 5 главы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Содержит 141 страницу, 31 рисунок, 58 фотографий, 12 таблиц. Список литературы содержит 116 наименований. В приложения включены: акт внедрения новой компоновки вихревых горелок в топке котла типа КВГМ-100, акты тепловых испытаний котлов типа КВГМ-100 на Волгодонской ТЭЦ-2.

Заключение диссертации по теме «Котлы, парогенераторы и камеры сгорания», Григорьев, Дмитрий Рюрикович

Основные результаты и выводы

1. На основании экспериментальных исследований установлено, что вертикальный топочный вихрь (ВТВ), в отличие от традиционной тангенциальной компоновки горелок, формируется по новому принципу в три этапа: 1-столкновение факелов горелок в центре топки; 2- образование результирующего потока газа; 3- взаимодействие образовавшегося потока газа с экраном топки.

2. Формирование ВТВ зависит от количества движения потоков газа, угла и места взаимодействия их с экранами топки. Количество движения потоков газа и направление их движения зависит от площади взаимодействия части факелов горелок в центре топки. Для формирования ВТВ в топке исследуемого котла горелки нужно располагать в области с параметром Ь-расстояния от центра экрана в диапазоне от 1/12 до 3/12 ширины экрана, с соответствующим изменением а-угла горелки в плане от 25°до 40°.

3. На основании экспериментальных и теоретических исследований разработана математическая модель, основанная на фундаментальных законах аэродинамики и пневмоники адекватность которой подтверждена впервые экспериментальными исследованиями процесса формирования вертикального топочного вихря двумя и тремя вихревыми горелками.

4. На основании расчетных и экспериментальных данных установлено, что критерием устойчивости ВТВ является момент количества движения потоков газов относительно вертикальной оси; дополнительным критерием, определяющим качество ВТВ, принимается расстояние от места взаимодействия потоков газов с экраном до угла экрана. Ограничивающим условием является длина струи горелки от устья до взаимодействия с экраном, обеспечивающая безаварийный режим работы котла.

5. Разработана расчетная методика, реализованная в компьютерной программе, для определения положения вихревых горелок, при котором формируется аэродинамическая структура факела, удовлетворяющая поставленным требованиям, основанная на полученной математической модели, а также на результатах теоретических и экспериментальных исследований автора в определении критериев оптимальности вертикального топочного вихря. Для исследуемого топочного устройства значения геометрических параметров расположения вихревых горелок в топке котла типа КВГМ-100, при котором формируется ВТВ, отвечающий поставленным требованиям, равны: Ь=Ь/3.5, ^а=0,8 рад. Полученные данные из расчетных графиков подтверждаются исследованиями на модели.

6. Установлено, что в топке с ВТВ происходит увеличение конвективной составляющей теплообмена до 50 Вт/м ; полученные данные имеют достаточную сходимость с результатами, полученными по общепринятой формуле для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией в циклонах.

7. Установлено новое соотношение для расчета теплообмена в котле с ВТВ, позволяющее учесть интенсификацию радиационного теплообмена за счет приближения зоны высоких температур факела к экранам топки, определяемое как отношение объема заполненного высокотемпературным факелом в топке с вертикальным топочным вихрем к объему факела в топке с общепринятыми компоновками вихревых горелок. Для исследуемого топочного устройства соотношение составило 1,37. Расчеты теплообмена в топке по методу ВТИ-ЭНИН, с применением полученной поправки и с учетом конвективной составляющей, имеют достаточную сходимость с экспериментальными данными, полученными при тепловых испытаниях натурных реконструированных котлов. Температуры на входе в конвективную шахту в результате формирования ВТВ снизилась относительно данных, полученных при испытаниях котла до реконструкции, на 200°; расчетное снижение температуры составило 12%.

8. Создана изотермическая физическая модель газомазутного котла, разработан и опробован новый способ обработки экспериментальных данных, полученных при визуализации потоков в модели котла искровым методом, заключающийся в обработки видеозаписи с помощью ПК со специальной видеокартой и пакетом программ. Метод позволяет изучать динамику процессов движения визуализированных потоков воздуха в топке, при применении видеокамеры с устанавливаемой выдержкой, возможно получение количественных характеристик потоков воздуха в объеме топки модели котла.

9. В результате проделанных работ разработана, исследована, и опробована, вместо традиционно применяемой тангенциальной компоновки четырех и более горелок, новая компоновка двух и трех вихревых горелок, при которой формируется ВТВ, обеспечивающий интенсификацию теплообмена в топке на 30 %. Радиационная составляющая теплообмена увеличивается относительно топки с фронтальным положением горелок на 15 %. Тангенциальная составляющая потоков газов в топке с ВТВ увеличивает долю конвективного теплообмена в топке до 15 %. «Размазанная» структура факела в топке обеспечивает снижение тепловой разверки поверхностей нагрева, обеспечивает равномерность количества тепла воспринятого элементами котла, и снижение максимальной температуры факела, что приводит к снижению выбросов оксидов азота.

10.Годовой экономический эффект (без учета экологической составляющей) от реконструкции котельной с тремя котлами типа КВГМ-100, при работе двух котлов вместо трех с той же суммарной мощностью и годовом использовании производительности котельной 1500 ч., составил

121

394638 руб/год (в ценах начала 2000 г.), срок окупаемости реконструкции составляет 1,6 г.

11. Компоновка вихревых горелок найдена аналитическим путем с проверкой результатов на модели и без применения эмпирических зависимостей, поэтому возможно применение расчетной методики на других газомазутных котлах для определения геометрических параметров положения горелок, при котором формируется ВТВ- с целью увеличения интенсивности теплообмена, повышения теплотехнической надежности котла и снижения выхода оксидов азота.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Григорьев, Дмитрий Рюрикович, 2000 год

1. Кириллов П.Д, Юрьев Е.С, Бобков В.П. Справочник по тепло-гидравлическим расчетам (Ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы).-М.: Энергоатомиздат, 1964. 296 с.

2. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М., «Наука», 1969, 742 с.

3. Повх И.Л. Техническая гидромеханика: уч. Пособие.- Изд. 2-е. перераб. и доп.- Л. Машиностроение, 1976.-504с., ил.

4. Залманзон Л.А. Теория элементов пневмоники. М.: Наука. 1969. 508 с.

5. Лебедев И.В., Трескунов С.Л. и Яковенско B.C. Элементы струйной автоматики. М. «Машиностроение», 1973, с. 360.1. Глава 3

6. Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1987 г. - С.264

7. Моделирование термодинамических процессов. / Б.М. Коганович. -Новосибирск Во и наука. Сибирская издат. фирма. 1993. 101 с.

8. Кемельман Д.Н., Эскин Н.Б. Наладка котельных агрегатов: Справочник, М.; Энергоатомиздат, 1989 г.- 320 с.

9. ОСТ 108.031.08 35 - ОСТ 108.031.10 - 85. Котлы станционные и трубопроводы пара и горячей воды. Нормы расчета на прочность.

10. Петунин А.Н. Измерение параметров газового потока. М.: Машиностроение. 1974 260 с.

11. Приображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия. 1978. - 703 с.

12. Теория и техника теплофизического эксперимента /Под ред. В.К. Щукина. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 360с.

13. РД 34.27.101-87. Методические указания по расчету предельно допустимой температуры нагреваемой воды, обеспечивающей отсутствие поверхностного кипения в водогрейных котлах.

14. РТМ 108. 030. 119.-77. Метод экспериментально расчетных исследований теплофизических и структурных свойств внутритрубных и натрубных образований на поверхности нагрева котлов. В 31.10.77

15. Трембовля В.И. , Фингер В. Г. , Авдреева A.A. Теплотехнические испытания котельных установок. М., Энергия, 1977 г. -296 с.1. Глава 4

16. Абрамов Л.М., Капустин В.Ф. Математическое программирование. Учеб. пособие. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та. 1981. 328 с.

17. Математическое и цифровое моделирование для инженеров и исследователей. Джон Смит. Пер. с анг. М.: Машиностроение. 1980271 с.

18. Методы оптимизации. Моисеев H.H., Иванилов Ю.П., Столярова Е. М. «Наука», Главная редакция физико- математической литературы, М., 1978.352 с.

19. Юдин А.Б., Гольштейн Е.Г. Линейное программирование. Теория и конечные методы. М.: Физматгиз 1963-775 с.

20. Интенсификация теплообмена в топке котла за счет конвекции вертикального топочного вихря, образованного тангенциально расположенными вихревыми горелками. Григорьев Д, Р„ Бубликов И. А. Повышение эффективности теплообменных процессов и систем:

21. Тезисы международной научно- технической конференции Вологда: ВоПИ, 1998. СТР. 5-8.

22. Методика расчета оптимального положения вихревых горелок с целью формирования вертикального топочного вихря. Григорьев Д.Р., Бубликов И.А. // Изв. вуз. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. Выпуск 2, 2000 г. С.1. Глава 5

23. Научно- технический отчет "Разработка проекта реконструкции водогрейного котла КВГМ-100." Волгодонск, 1992 г.

24. Научно технический отчет "Разработка и проектирование реконструкции водогрейного котла КВГМ-100." Волгодонск, 1992г.

25. Научно-технический отчет "Выбор оптимальной схемы циркуляции котла КВГМ-100".- Волгодонск, АПО "Эксперт", 1992 г.

26. Научно-технический отчет "Испытание реконструированного водогрейного котла КВГМ-100 ст. N 4 ВД ТЭЦ-2" Волгодонск АПО "Эксперт", 1993 г

27. Научно-технический отчет "Испытание реконструированного водогрейного котла КВГМ-100 ст. N 6 ВД ТЭЦ-2" Волгодонск АПО "Эксперт", 1994 г

28. Научно-технический отчет "Испытание реконструированного водогрейного котла КВГМ-100 ст. N 5 ВД ТЭЦ-2" Волгодонск АПО "Эксперт", 1995 г133

29. Прузнер С. JI. Экономика, организация и планирование энергетического производства: Учебник для техникумов.- 5-е изд., перераб. -М.: Энергоатомиздат, 1984.-336 е., ил.

30. Инструкция по определению экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений, разрабатываемых в энергомашиностроении. НПО ЦКТИ, 1982. 101 с.

31. Справочник структурных показателей для формирования свободных цен на энергоремонт в условиях перехода к рыночной экономике. Ч. 1. Ремонт паровых котлов, водогрейных котлов, и вспомогательного оборудования. Разработано ЦКБ Энергоремонт 1992. 113 с.

32. Шкондин И.А., Бубликов И.А, Леонтьев С.А. «Топка водогрейного котла»; Авт. свид. №1537955; «Бюлл. изобр.», 1996, № 13.