Автореферат на дисертацията - Технически Университет - София

Цел, постановка и структура на дисертационния труд.Целта, която се поставя пред настоящата разработка е изследване, анализ ипредложения за подобряване на условията по протичането на горивния процес вкотел тип 1В-365-139, ст. №4 в ТЕЦ „Русе-Изток“.Необходимостта от такъв анализ се налага основно поради две причини:1. През 2007 г., във връзка с настъпили организационни промени епроменена горивната база на централата. В таблицата по-долу сапосочени характеристиките на двата вида гориво. Използването на„новото” гориво е довело да проблеми при експлоатацията на котела, аименно: по-ниско паропроизводство; завишени загуби от механичнонедоизгоряло; повишаване на минимално допустимото паропроизводствобез използването на стабилизиращо гориво и др.Както е видно от таблицата по-долу „новото“ гориво има значително по-нискосъдържание на S r , което решава екологичния проблем свързан с SO 2 емисиите.Табл. 1.3. Елементен състав на проектно и настоящо гориво.Гориво C r , % H r , % N r , % O r , % S r , % A r , % W r r, % Qi, kJ/kgПроектно70,04 2,78 1,03 1,35 2,2 16,6 6,0 26 168горивоНастоящо74,82 3,59 1,84 2,93 0,42 11,4 5,0 28 597горивоС екологичните изисквания е свързана втората причина за настоящотоизследване:2. Оценка възможността за ограничаване генерирането на азотни оксидичрез използването на „първични методи”.Постигането на така дефинираната обща цел може да бъде детайлизирана поначин представен на Фиг. 1.1. Постановката на изследванията в дисертацията еподчинена на следните четири главни момента:1. Причини и необходимост от направеното изследване, които се обосноваватот: Променената горивна база и повишените екологични изисквания заработа на котлите;2. Ясно конкретизирана цел: Изследване на горивния процес за оценкавъзможностите за намаляване загубите на топлина в пещната камера иограничаване формирането на азотни оксиди;3. Средства чрез които се осъществяват изследванията: комбинирането нанатурни изпитвания и моделни такива;4. Резултати от изследванията, които са предпоставка за направата наконкретни изводи и предложения за подобряване условията на протичанена горивния процес;5

Фиг. 1.1. Постановка на изследванията в дисертационната работаИзпълнението на така дефинираната постановка е реализирана вдисертационната работа в 8 глави. Структурата на представения материал епоказана на Фиг. 1.2.Фиг. 1.2. Структура на дисертационната работа6

Глава ВТОРАТеоретична обосновка на съвременните средства замоделно изследване на горивни процеси в пещникамери на енергийни парогенератори.Основната част на всеки програмен продукт, разработен на базата на ИМФ(Изчислителна Механика на Флуидите), е моделирането на процесите, протичащи визследваната среда. Прилагането им при моделно изследване на горивни процеси впещни камери на енергийни парогенератори, дава възможност да бъдат избираниразлични алтернативни варианти на няколко групи модели, които се използват заописание на технологичните процеси, случващи се в пещната камера при изгарянетона въглища в прахообразно състояние, а именно:- Турбулентен модел на движение на потоците;- Модел за пренос на твърдите частици;- Радиационен модел на топлообмен;- Модел описващ процесите на отделянето на летливите вещества;- Модел описващ изгарянето на газовите компоненти;- Модел описващ изгарянето на кокса;- Модел описващ образуването на азотни оксиди.Всички тези модели почиват на основния принцип за моделиране на горивнипроцеси с твърдо гориво – математическо описание на двуфазен поток.Уравненията описващи запазването на масата, момента и енергията надвуфазен поток съдържащ - газ и твърди частици или газ и капки, могат да бъдатоткрити в най-различни литературни източници. Представянето на тези модели еразлично при отделните авторите. Някои модели включват прекалено многодопускания, за да могат да бъдат използвани в практиката за предвиждане нагоривни или газифициращи процеси на въглища и въглищни смеси. Други са подтвърде сложна форма за да бъдат от полза в практиката. Въпреки че съществуватмного източници, в много малко от тях се представят аналитични или численирешения за уравненията на двуфазов поток. Основните уравнения са много сложни ирешението им е свързано с много числени приближения, мощни компютри изначително време за изчисление.Верифициране и валидиране на числени решения при изследване нагоривни процесиКато се има предвид сложната същност на съпътстващите процеси припрахово изгарянето на твърдо гориво в обема на пещната камера на енергийнитепарогенератори, използването на Изчислителната механика на флуидите (CFD) епризнато като крайно необходимо за разработването и внедряването на новигоривни технологии. Използвайки това средство се налага да бъдат дефиниранидостатъчно коректно някои понятия, като например: програма (софтуер), модел исимулация.7

Стремежът е да се повиши максимално количеството на вторичен въздух,който се подава към горивните уредби. Предполага се, че положението на клапитеза вторичен въздух на горелките около 80 % е максимално възможното към момента.Отварянето на клапите за вторичен въздух над тази стойност води до недопустимонамаление на първичния въздух.Опитите показват, че налягането на първичният въздух, на пълен товар, непървможе да бъде намалено под pB− X = (4000 ÷ 4300) Pa, поради опасност от забиванена прахоподавачите. Причините да не може да се намали това налягане са иизвестни изкривявания и деформации в горелките, които допълнително повишаватсъпротивлението в тях.• Измереният въздух, който се подава като вторичен, включва в себе си ивъздуха който се подава за бридовите горелки. Задачата на този въздух е даохлажда горелката, когато не работи мелница. На този блок, много трудно ще сепояви възможност за спиране на мелница, което означава, че през бридовитегорелки винаги ще има поток, който да ги охлажда.В тази връзка се предлага да се поставят клапи на въздушните канали забридовите горелки, които да бъдат затваряни с цел да се увеличи количествотовъздух, което да постъпва като вторичен в основните горелки;• Друго средство за „сваляне” на основния горивен процес по-ниско впещната камера е намаляването на едрината на изгаряния въглищен прах.Стойностите за R 90 ∈(14÷16)% ; R 200 ∈(0,8÷1,0)% от първия ден на измерванията, санамалени съответно на R 90 ∈(12,2÷12,8) % ; R 200 ∈(0,6)%. За съжаление не садостигнати нива от R 90 10% ; R 200 ≈ (0,4÷0,5)%, както е предвидено в програмата заизпитания, поради възникнали проблеми със сепараторите;• На основата на по-горе описаното, са предложени следните стойностиза режимни показатели за воденето на горивния процес на котлоагрегат ст. № 4:Табл. 3.3. Режимна картаГоривоКалоричност, [kJ/kg] 28 500 ÷ 28 900Съдържание на летлививещества, [V daf , %]10 ÷ 12Финост на праха, [R 90 , %] 10 ÷ 12Товар на блока, MWе 90 100 110Разход общ въздух [m 3 /h](след корекция на294 000 328 000 360 00показанията на приборите)Показание на положениетона клапите за вторичен45 ÷ 50 60 ÷ 65 80въздух №№ 1÷10, [%]Налягане на първичниявъздух, [Pa]3600÷3700 3800÷4000 4100÷4300• След въвеждане на новата режимна карта, бяха проведенидопълнителни изпитания на котела. Постигнатия коефициент на полезно действиепо време на опитите е много близък до проектния. Загубата на топлина с11

Глава ЧЕТВЪРТАИзграждане и проверка на цифров симулационен моделза обследване на процесите в пещната камера напарогенератор ст. № 4 в ТЕЦ „Русе – Изток”Подходи за създаване на тримерни геометрични структуриизползвани при изчислителни моделиПри използването на софтуер за симулационно моделиране, полученитерезултатите зависят до голяма степен от геометричната адекватност на модела, отправилния избор на вид и размер на елементите на изчислителната мрежа, откоректното дефиниране на характеристиките на обекта и протичащите физикохимичнипроцеси.Геометричната „адекватност” може да бъде разглеждана в два аспекта:• коректното изчертаване на самия обект;• избор на детайлизация (високата степен на детайлизация несъмнено водидо по-добри резултати, но с това се увеличава необходимия изчислителенресурс).В зависимост от сложността на моделирания обект, изграждането нагеометричния модел може да бъде много трудоемък. Приложението ICEM напрограмата ANSYS дава възможност да бъде създаден тримерен модел на конкретенобект. Този продукт е удобен за използване, когато обектът представлявасъвкупност от елементарни геометрични фигури – паралелепипеди, пресеченипирамиди, цилиндри и др. (например пещна камера на парогенератор, въздуховодна/ газоходна система).За създаване на сложни геометрични модели, на които трябва да се извършианализ чрез CFD, е по-подходящо да се извършва с помощта на специализирансофтуер за тримерно изчертаване – например AutoCAD. Тези програмни продукти сеотличават с богата гама възможности за създаване на „първични” обекти снеправилна геометрична форма, както и многообразие от функции за редактиранена обектите. Изграждането на тримерна структура, се осъществява чрез комбинацияот прости тримерни форми (паралелепипед, цилиндър, сфера, конус и др.) ипомощни двумерни фигури. По такъв начин, целевият обект се създава много полесноотколкото в ICEM.Създаване на изчислителна мрежа използвайки ANSYS ICEM.ANSYS ICEM осигурява присвояване на геометрични форми на обекта, създаване намрежа, оптимизиране на същата, за да бъдат удовлетворени изискванията на интегриранитегенератори на мрежи, както и похвати за обработка на актуалните към настоящия моментсложни анализи.Модулът на ANSYS ICEM за генериране на мрежа, предлага следните възможности засъздаване на мрежи по зададени параметри на геометрични структури, създадени в цифровиформати:13

• Структурирани многоблокови;• Неструктурирани хексагонални (шестостенни);• Неструктурирани тетрагонални (четиристенни);• Картезиански с усъвършенствани H-мрежи;• Хибридни мрежи състоящи се от хексагонални, тетрагонални, пирамидални и/илипризматични елементи;• Четириъгълни и триъгълни повърхностни мрежи.Входни данни и гранични условия използвани при създаването наизчислителен модел на ПК на парогенератор ст. № 4, в ТЕЦ Русе – ИзтокМоделът на парогенератор ст. № 4, намиращ се в експлоатация в ТЕЦ „РусеИзток”, е изграден до второто стеснение на пещната камера на височина 16,2 m.Това опростяване е направено за да се намали изчислителното време, необходимоза пресмятането на модела.Обемът на пещната камера е разделен на 390 000 елементарни обема.Генерираната мрежа е хексагонална, а нейната гъстотата е различна в различнитезони на моделирания обем. В зоната на горелките тя е по-гъста, а към изхода напещта – разредена. Това е направено с цел намаляване изчислителното време намодела. В зоната на горелките, където има по-сложни процеси (смесване на гориво свъздух и възпламеняване на получената смес), е необходима по-голяма гъстота нагенерираната мрежа, докато към изхода на пещта гъстотата на мрежата по-малковлияе върху точността на модела. Общ изглед на мрежата, която се използва примоделните изследвания, е показан на Фиг. 4.1.При изграждането на цифровия модел саспазени всички конструктивни особености напещната камера на котел ст. № 4. За да сенаправи верификация на модела е използванопроектно гориво, чиято калоричност иелементен състав са дадени в III Глава.Разходът на гориво при 100%натоварване на котела е 42,5 t/h (11,805 kg/s)като 20% от въглищния прах се подава презбридови горелки, (2,361 kg/s), които са 8 наброй (през една БГ се подават 0,2951 kg/s), a80% постъпват в пещната камера през основнигорелки (9,444 kg/s), които са 10 на брой (презедна ОГ се подават 0,9444 kg/s). Средниятдиаметър на въглищните частици, коитопостъпват през основни горелки е 57 μm,респективно през бридови горелки е 31 μm.Данните за дебитите и температурите напървичния въздух, вторичния въздух и въздухаза мелничния вентилатор са взети отФиг. 4.1. Общ изглед на генерира-ната мрежа на ПК на котел № 4.14

предварително проведени натурни изпитания. Резултатите от тези измервания сапредставени в Таблица 4.1.Табл. 4.1. Разход на организирано подаван въздухДебит, Nm 3 /hТемпература, о СПървичен въздух 150 000 200Вторичен въздух 165 000 335Въздух за мелничен вентилатор 45 000 130Общо организирано подаван въздух 360 000 -Сравнение на моделните резултати с проведени изпитания /проектни данни - валидиране на изчислителен модел на работата на ПК наПГ ст. № 4За да бъде направено валидиране на модела, е извършен сравнителен анализмежду стойности характеризиращи работата на ПК получени по два различни начина– резултати от проектното изчисление на пещта и данни от модела.От пресмятанията извършени в III Глава се установи, че при изгарянето навъглища с Q ir= 26 168 kJ/kg и количество B = 42,5 t/h (B = 11,805 kg/s) в пещта сеосвобождават приблизително 335 MW.Проектните данни за работата на ПК на котел № 4 са използвани завалидиране на симулационния модел. Сравнителен анализ на получените междупроектно получените стойности и тези от модела са представени в Таблица 4.2.Табл. 4.2. Валидиране на числен модел с проектни данни№ Величина Дименсия Проект МоделОтн.откл.,%1.Количество топлина възприета отекранните стени на топилната пещMW 58 61,4 -5,92.Количество топлина възприета отекранните стени на ПК между двете MW 65 68,5 -5,4стеснения3.Количество топлина възприета отекранните стени на ПКMW 123 129,9 -5,64.Енталпия на димния газове на изхода отПКMW 212 204,0 3,85. Количество топлина освободена в ПК MW 335 333,9 0,36.Температура на димните газове наизхода от топилната пещК 2058 1985 3,57.Температура на димните газове приаеродинамичния зъбК 1510 1420 5,915

Резултати и изводи• Използването на CAD система за изграждане на геометричен модел запоследващ анализ чрез CFD e ефективен метод при създаване на обекти със сложнигеометрични форми.• За получаването на коректни резултати от модела, трябва внимателнода бъдат определени границите на моделиране, степен на детайлизация на обекта,минимални разстояния, сечения и обеми.• Инструментите в ANSYS ICEM, позволяват създаване и обработка нагеометрични форми и при необходимост отстраняване на грешки допуснати приизчертаването на обекта или внасяне на корекции.• Изборът на модул за създаване на мрежа, зависи изцяло от спецификатана изследвания обект.• Получените резултати сочат, че изграденият модел е адекватен идостатъчно точно описва процесите в пещната камера на обследванияпарогенератор. Чрез него могат да се правят понататъшни симулационниизследвания за оценка влиянието на различни въздействия върху горивния процес.Глава ПETAМоделни изследвания на пещната камера на К4в ТЕЦ „Русе – Изток”.Начални условия при провеждане на моделните изследванияСлед изграждането на работоспособен модел на пещта на парогенератор № 4,е необходимо да се представи план за провеждането на моделните изследвания.Този план трябва да съответства на целите заложени в дисертационния труд и даотговаря на два основни въпроса:• Кои въздействия е необходимо да бъдат изследвани (входни въздействия) ?• Какви да бъдат критериите за оценка на направените въздействия ?На Фиг. 5.1. е приложена схема, която отговаря на така поставените въпроси.За да получим конкретна представа за влиянието на всяко от въздействията,то в отделните случаи е променяно само едно от тях.Осъществените моделни изследвания се делят условно на 3 групи:• I група – Изгаряне на въглища с проектни характеристики;• II група – Изгаряне на въглища с характеристики, каквито сеизгарят към настоящия момент в централата;• III група – Изгаряне на въглища с характеристики, каквито са вмомента, но при променена конструкция на пещта (даващавъзможност за подаване на теоретичен въздух, по височина на ПК).16

Фиг. 5.1. Осъществени въздействия при моделните изследванияи критерии за оценкаРезултати и изводиИзгаряне на въглища с различно качество (проектно гориво иработно гориво)Като ограничително условие на проведения цифров експеримент езапазването на количеството топлина, което се подава в пещта при изгарянетона въглища с проектни характеристики както и при изгаряните в настоящия моментгорива (работно гориво).17

От получените резултати може да бъде направен следния анализ:• Не се наблюдават значими разлики в основните наблюдаванипоказатели за работата на пещната камера – изменението на средната температураи концентрацията на окислителя по височина на ПК;• Поради по-високият дял на летливите вещества в работното гориво,продуктите от тях са по-ясно представени (техният дял е по-висок в димните газове)в сравнение с тези от изгарянето на проектното гориво;• Известни разлики се появяват при изменение на максималнататемпература по височина на пещта. При оползотворяването на сега изгарянитевъглища в по-широк диапазон температура има максимални стойности – коетообяснява и по-високите концентрации на NO X в димните газове на изхода от ПК;• Независимо от тези малки разлики, като цяло: изгарянето на дватавида гориво може да бъде прието за идентично за тази пещна камера (понеза характеристиките на въглищата които са приети)Моделни изследвания на горивен процес с различно количествоорганизирано подаван въздухВтората група модели изследва въздействието, което оказва различнитеколичества организирано подаван въздух.Анализирайки получените резултати могат да бъдат направени следнитеизводи и заключения:• Дебитът на организирано подавания въздух в пещната камера внастоящия момент на експлоатация е реално около 300 000÷320 000 Nm 3 /h.Избраното ниво от 360 000 Nm 3 /h, би гарантирало коефициент на излишък на въздух18

′′около α пк ∈ (1,15 ÷ 1,20) на изхода на пещната камера. Ниво от 380 000 Nm 3 /h ще′′доведе до стойности на α пк = 1,25;• Повишеният разход на въздух, ясно се отразява върху увеличаващия седял на окислител по височина на пещната камера;• За трите разглеждани случая, максимални стойности на температуратасе получава над основните горелки. В случаят с разход на въздух от 360 000 Nm 3 /h,се получават и най-високи стойности за температурата в ПК. При увеличаване наразхода на въздух на 380 000 Nm 3 /h максималната температура намалява – очевиднонастъпва охлаждане на димните газове с по-голямото количество внесен въздух;• И за трите разгледани случаи се установи, че цялото количестволетливи вещества, които се отделят от въглищата, изгарят напълно, т.е. няма загубиот химично недоизгаряне при тези условия;• По-голямото количество, организирано подаван въздух, дававъзможност и за по-пълното изгаряне на горивото. Количеството на изгарящия кокснараства с увеличаването на организирано подадения въздух, респ. загубите отмеханично недоизгаряне намаляват.Моделни изследвания при различно съотношението между първичени вторичен въздухТретата група изследвания разглежда влиянието, което оказваразпределението на организирания въздух между първичен и вторичен.Намаление на съотношението на V първ. / V общо означава, че по-голям дялорганизирано подаден въздух постъпва като вторичен т.е. намалява количествотопървичен въздух, за сметка на увеличаване количеството на вторичния въздух.Разгледани са следните съотношения:19

- V първ. / V общо = 0,42; V втор. / V общо = 0,44- V първ. / V общо = 0,37; V втор. / V общо = 0,49- V първ. / V общо = 0,32; V втор. / V общо = 0,54• Наблюдава се една ясна тенденция – с повишаването дела на вторичниявъздух за сметка на първичния такъв, се увеличава и количеството изгарящ кокс т.е.намаляват загубите от механично недоизгаряне. Посочената тенденция е особеноясно изразена при подаване в БГ на 10 % от изгаряното гориво;• Очевидно е необходимо количеството на организирано подаваниявъздух, като първичен и вторичен да бъде прецизно управляван в зависимост отколичеството въглищен прах, който постъпва в горелката. Важно е съотношениетона скоростните потоци – на този който носи въглищния прах и на потока въздуха загорене да бъдат оптимални;Горивен процес при различно количество въглищен прах подаванкъм БГ.Четвъртата група изследвания разглежда преразпределението на горивотомежду основните и бридовите горелки.Циклона, който е монтиран на котел ст. № 4, има разделителна способност (70– 90) %. Поради това приемам да изследвам, че количеството въглища , коетопостъпва през бридовите горелки е съответно – 10 %; 20 %; 30 % от общото.На основата на получените резултати могат да бъдат направени следнитезаключения:• С повишаването дела на праха подаван през бридовата горелка ясно сенаблюдава тенденция към изнасяне на горивния процес по-нагоре в пещната камера(въпреки, че повишаването на количеството прах подаван през БГ в случая е20

свързано и като цяло със зафиняването на въглищния прах). Повишаването наколичеството прах през бридите, води до намаляване на концентрацията наокислител в горната част;• Положителните тенденции, свързани с повишеното количество изгорялкокс и известно намаление на азотните емисии вероятно се дължат основно назафиняването на въглищния прах;Моделно иследване на процеса на горене при различна едрина навъглищния прах подаван в парогенератор ст. №4Т.к. промяната на разходът на въглища през БГ води едновременно с това и дозафиняване на общото количество въглищен прах, се получава смесване на двевъздействия. Това не дава прецизна оценка как точно влияе всеки един от тезифактори. Поради тази причина са разгледани два случая с различна зърнометрия.Анализирайки получените резултати може да се резюмира:• Количеството топлина възприемана в пещта и топлината, която носятДГ напускащи ПК са приблизително равни за двата разгледани случая;• Приблизително еднакви са и средните температурите на димните газовенапускащи топилната пещ и горната част на ПК;• При изгарянето на по-фин въглищен прах се наблюдява по-висококоличество изгорял кокс – 7,993 kg/s при средна едрина от 57 μm, срещу 8,148 kg/sпри средна едрина от 45μm. Тази допълнително получена топлина е била усвоена отизпарителните нагревни повърхности в пещта;• Наред с повишаване на коефициента на полезно действие на пещтавследствие на зафиняването на въглищния прах, е видно и едно макар и малкодопълнително снижаване на емисиите от NO X – от 759 ppm на 712 ppm;21

Глава ШЕСТАОбразуване на азотни оксиди при изгаряне нависококалорични въглища в енергийни парогенераторис течно шлакоотделяне.Друг съществен проблем при експлоатацията на този котел e високатаконцентрация на азотни оксиди, които се формират. В конкретния случай под азотниоксиди се разбира азотен оксид и азотен диоксид.Нормативен метод за изчисляване на азотните оксиди в димнитегазове – „МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАСЧЕТУ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВАЗОТА С ДЫМОВЫМИ ГАЗАМИ КОТЛОВ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ”, РД.34.02.304-95, 01.07.1996 г.Този подход за определяне на количеството на NOx генерирани по време нагоривния процес в обема на пещната камера, е възможно най-елементарния.Въпреки ограниченият обем от данни, който се получава като резултат, този методима своите предимства. Следвайки прост алгоритъм за пресмятане масата наизхвърляните азотни оксиди M (g/s), може да се направи подробна оценка наNO xстепента на въздействие на различните механизми, които се използват занамаляване на NO x .Масата на изхвърляните азотни оксиди MNO x(g/s) се определя чрез приведеноKNO 2rNO P i NOазотно съдържание -2 2, или чрез концентрацията на азотните оксиди:M = B ⋅Q ⋅ K(6.1)M = B ⋅V ⋅ C(6.2)NO2 P C. Г . NO2BP- изчислителния разход на гориво, kg/s (m 3 /s);rQi- долна топлина на изгаряне, MJ/kg (MJ/m 3 );KNO 2CNO 2- приведено азотно съдържание, преизчислено към NO 2 , kg/GJ- концентрация на азотни оксиди, g/m 3 , на сух газ при стандартни условияи при определен коефициент на излишък на въздух α ;VСГ. .- обем на сухите газове m 3 /kg (m 3 /m 3 ) при същия коефициент на излишъкна въздуха.Използване на ANSYS CFX за моделни изследвания на образуванетона азотни оксиди при енергийни парогенератори.NO-формиращия модел е напълно интегриран в реакциите и горивнитемоделите на ANSYS CFX. Формирането на NO x е сложен процес включващ няколкоразлични механизма, които условно се разделят на:• модел за „термичен” NO• модел за „бърз” NO22

• модел за „горивен” азот• модел за „доизгаряне” (разпадане на NO)Модел за „термичен” NOМеханизмът за образуване на „термичен” NO се явява преобладаващия източник заNO x в газовите пламъци при температура над 1800 K. NO се формира от комбинацията насвободни радикални разновидности на О и N, които се намират в изобилие при високитемператури. Двустепеният механизъм, отнасящ се към механизма на Зелдович,преобладава в тези процеси. В зависимост дали условията са под или околостехиометричните, важно значение може да има и трета реакция. Когато тази стъпка евключена към първите две реакции, тогава става въпрос за разширен механизъм наЗелдович.Модел за „бърз” NOПри температури по-ниски от 1800 К, във въглеводородните пламъци имаконцентрация на NO, която е твърде висока за да бъде обяснена с механизмите на Зелдович.Въглеводородните радикали могат да реагират с молекула азот като образуват HCN, койтоможе да бъде окислен до NO в условия на беден на окислител пламък. Пълният механизъм емного сложен. Въпреки това, Дьо Сот (De Soete) предлага единична реакция за да опише NOизточника чрез механизма на Фенимор (Fenimore), S NO,prompt . Така образуваният NO се нарича„бърз” NO.Модел за „горивен” NOМоделът за образуване на азотни оксиди в следствие окисляването на азотът вгоривото допуска, че същият се представя посредством HCN (циано водород). HCN сеприема, за да може да формира или разпада NO в зависимост от местните условия в сместа.Циано водорода заедно с НСО (водороден карбонат) изпълняват ролята на преходни видове.Модел за доизгаряне (разпадане) на NOПри обогатена горивна смес, където количеството кислород не е достатъчно заизгарянето на цялото гориво, недоокисленото гориво води до редуциране на NO.Резултати и изводиВлияние на различни въздействия върху образуването на NO x впещната камера според нормативен метод - РД. 34.02.304-95За целта всички входни данни в алгоритъма се запазват стационарни, променясе само стойността на един предварително избран параметър. Факторите които саизследвани са следните:• Коефициент на излишък на въздух в горелката, αГ = 0,9 ÷ 1,4;''• Температура в зоната на активно горене, ТАГ= 1250 ÷ 2050 K;• Отношение на скоростите в изходното сечение на горелката (W 2 – скорост навъздуха, W 1 – скорост на праха), W 2 /W 1 = 1,4 ÷ 4Долната и горната граница за съответните параметри са избрани на базата наминималните и максималните стойности, които позволява използваната методика.Конкретните стойности на тези величини, при които са направени пресмятания сапоказани в Таблица 6.1.23

Табл. 6.1. Начални условия при пресмятане по нормативен методВелич. Разм. 1 2 3 4 5 6 7 8 9αГ - 0,9 0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3''ТАГ K 1250 1350 1450 1550 1650 1750 1850 1950 2050W 2 /W 1 - 1,4 1,725 2,05 2,375 2,7 3,025 3,35 3,675 4Коефициента на излишък на въздух на горелката ( α = 0,9 ÷ 1,3)Един от факторите, който оказва влияние върху степента на формиране на азотнитеоксиди е коефициента на излишък на въздух на горивната инсталация. Това е първотовъздействие проверено чрез алгоритъма, описан в нормативния метод. Единственостойността на коефициента на излишък на въздух на горивната уредба се променя.Получените резултати са показани на следващата графика.ГCNO 2 , g/m 30.5000.4500.4000.3500.3000.2500.2000.1500.1000.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 αГФиг. 6.1. Промяна на концентрацията на NO x в зависимост откоефициента на излишък на въздух на горивната инсталацияНаблюдава се съществуването на правопропорционална зависимост междуподаваното количество организиран въздух през горелките и количеството наазотните оксиди, които са резултат на горивните процеси вътре в пещната камера.За да се редуцират концентрациите на NO x на изхода на котела, трябва да се намаливъздуха, които се подава за горене. Количеството на генерираните азотните оксидипри α г = 0,9 е близо два пъти по-малко от колкото при α г = 1,3. За постигане на понискистойности на коефициента на излишък на въздух в горелката е необходимо дасе осигури добро уплътняване на пещта, мелницата и въздухоподгревателя.Опасност при използването на този подход представлява непълно изгаряне нагоривото. Този недостатък се появява в следствие ограничаването на окислителяпостъпващ през горелката, в стремежа за намаляване на NO x емисиите.Влияние на температурата в зоната на горене ( Т'' АГ=1250÷2050K)върху формирането на NO x .Проведено е изчисление за установяване на зависимостта между температурата иконцентрацията на NO x . Получените резултати са показани на следващата фигура.24

CNO 2 , g/m 30.5000.4500.4000.3500.3000.2500.2000.1500.1001250 1350 1450 1550 1650 1750 1850 1950 2050 ''ТАГФиг. 6.2. Промяна на концентрацията на NO x в зависимост оттемпературата в зоната на горивния процесЯсно се вижда значителното влияние, което оказва температурата в зоната нагоривния процес върху образуването на азотни оксиди. За температури между 1250Kи 1850K концентрацията на NO x се увеличава близо два пъти. А при температуритенад 1850K - нараства многократно. Топлинното натоварване в основната зона нагоривния процес може да се регулира чрез нейното баластиране. Това въздействиесе ограничава от гледна точка осигуряване на стабилен горивен процес.Влияние на отношението на скоростите в изх. сечение на горелката(W 2 /W 1 =1,4÷4)Това въздействие представлява интерес не само от гледна точка наформирането на азотни оксиди, но също така и за доброто смесване на потоците -гориво и окислител. Получените от алгоритъма резултати са визуализирани наследващата графика., KCNO 2 , g/m 30.5000.4500.4000.3500.3000.2500.2000.1500.1001.4 1.725 2.05 2.375 2.7 3.025 3.35 3.675 4 W 2 /W 1Фиг. 6.3. Промяна на концентрацията на NO x в зависимост ототношение на скоростите в изходното сечение на горелкатаОт резултатите може да се направи заключение, че колкото по-малка еразликата в скоростите между горивния и въздушния поток, толкова по-ниски щебъдат концентрациите на азотни оксиди на изхода на котела. Това положителновлияние за ограничаване формирането на NO x оказва отрицателен ефект върхуефективността на горивния процес – нарастване на q 3 и q 4 .25

Глава СЕДМАКонцентрация на NO x в димните газове на изход напарогенератор ст. №4 в ТЕЦ „Русе - Изток”– резултати от моделни изследвания.Моделни изследвания представящи изменението на съдържание наазотни оксиди в отпадните газове при различни въздействия върхувходните потоци.По-подробни резултати за образуването и разпространението на азотнитеоксиди в пещната камера могат да бъдат получени чрез използването на ANSYS CFX.Предимство при използването на CFD метода на изследване в сравнение семпиричния метод е възможността да се определи зоната в която се генериратазотните оксиди в ПК.Изследвани бяха същите пет въздействия, които бяха оценявани по-горе, нотук от гледна точка на генерираните азотни оксиди:- Промяна качеството на горивото;- Промяна количество организирано подаван въздух;- Промяна на съотношението между първичния и вторичния организираноподаван въздух- Промяна дела на въглищния прах подаван в бридовите горелки напарогенератор №4- Промяна едрината на въглищния прах подаван в парогенератор №4Предложения за реконструкция на котлоагрегат ст. № 4, с целограничаване формирането на азот оксиди.Въз основа на теоретичните познания за ограничаване на азотните оксиди енаправено предложение за подаване на надгоривен въздух. Същността на товасредство е в зоната на високите температури да има недостиг на въздух т.е. тамкоефициентът на излишък на въздух да бъде по-малък от единица (α < 1,0), а надтази зона да се подава останалия необходим за горенето въздух.Геометрични особености на изчислителния модел.За проверка до каква степен това средство може да помогне за намаляване наазотните емисии при горенето на парогенератор № 4, e направена корекция начисления модел. Тази корекция е минимална и включва следното:• Над стеснението на изхода от топилната пещ (от двете страни) серазполагат по 5 отвора;• Избраната форма е правоъгълна и имат следните размери: 0,75x0,45 m.• Броя и размерите на отворите са съобразени с дебитите на въздух, коитоса предвидени да преминат през тях и съответните скорости на изтичане.През тези отвори ще се подава въздух, който ще наричаме „третичен”.26

Изследвани входни въздействия:- Промяна дела на третичен въздух;- Промяна на посоката на насочване на третичния въздух;- Използване на различни конфигурации на отворите за третичен въздух:- Промяна на скоростта на постъпване на третичния въздух в ПК, чрезпромяна сечението на отворите;- Промяна на зърнометрията на въглищния прах.Резултати и изводи• Изследване изменението на азотните оксиди при различнивходни въздействия.Изгарянето на въглища с различен елементен съставНастоящата горивна база в ТЕЦ „Русе-изток” генерира по-голямо количествоазотни оксиди спрямо проектното гориво. Вероятно това се дължи на по-голямотоотношение гориво/въздух по височина на пещната камера.Изгарянето на въглища с различно количество организирано подаванвъздухКакто и може да се очаква, основната част от масовият дебит на азотнитеоксиди се формира между 2÷6 метър на пещта (в зоната от горелките до изхода натопилната пещ). Разбира се най-високи стойности, както на масовия дебит, така и наконцентрацията на NO се получава в случая с най-голямо количество организираноподаден въздух. Причината за това, е че в този случай има по-голямо количествосводен въздух, който по „механизма на Зелдович″ формира азотни оксиди;Изменение на съотношението между първичния и вторичнияорганизирано подаван въздух.При отношение на организирано подавания въздух V първ. /V общо = 0,37 сегенерират най-ниски концентрации на NO x спрямо останалите два изследвани случаяза преразпределение на въздуха. Вероятно това се дължи на оптималното подаванена окислителя в ПК от гледна точка на процесите свързани с образуването на азотниоксиди.27

Промяна дела на въглищния прах подаван в бридови горелки.Положителните тенденции, свързани с известно намаление на азотнитеемисии, както и повишеното количество изгорял кокс, вероятно се дължат основнона зафиняването на въглищния прах;Различна едрина на въглищния прах подаван в парогенератор ст. №4Наред с повишаване на коефициента на полезно действие на пещтавследствие на зафиняването на въглищния прах, е видно и едно допълнителнопонижаване на емисиите от NO X – от 759 ppm на 712 ppm;• Предложение за реконструкция наПГ ст. № 4, с целограничаване формирането на азот оксиди.Промяна на дела на третичния въздухПри съпоставянето на резултатите от моделите с различни количестватретичен въздух: 0%, 18% и 27% от общо подавания, се наблюдават следнитетенденции:- Нарастване на средната температура на изхода на топилната пещ сувеличаване на дела на надгоривния въздух;- Минимално намаляване на температутите на изхода на пещната камерас нарастване на количеството третичен въздух;- Увеличаване на неизгорялото количество кокс, респективно нарастванена q4 с увеличаване на дела на третичен въздух- Намаляване на генерираното количеството азотни оксиди принарастване на дела на третичния въздух.28

Зафиняване на подавания въглищен прах- Количеството топлина възприемана в топилната пещ и топлината, коятоносят димните газове напускащи горната част на ПК са приблизителноравни за двата случая;- Приблизително еднакви са и средните температурите на димните газовенапускащи топилната пещ и горната част на ПК;- При изгарянето на по-фин въглищен прах се наблюдява по-висококоличество изгорял кокс – 7,624 kg/s при средна едрина от 57 μm, на7,832 kg/s при средна едрина от 45 μm. Тази допълнително полученатоплина е била усвоена от изпарителните нагревни повърхности впещта;- Наред с повишаване на коефициента на полезно действие на пещта евидно и едно макар и малко допълнително снижаване на емисиите отNO X – от 499 ppm на 461 ppm;Т.е. зафиняването на въглищния прах води едновременно както доповишаване коефициента на полезно действие, така и до намаляване на емисиите наNO X . Разбира се тази редукция на NO X е малка – в рамките на около 10 % (подобенрезултат беше получен и при настоящата конструкция).Разбира се зафиняването на въглищния прах е един въпрос, който трябва дабъде подложен на строг технико-икономически анализ, преди да бъде взетоокончателно решение.ЗАКЛЮЧЕНИЕРезултатите от направените изследвания в настоящата работа могат да бъдатобобщени по следния начин.В дисертационния труд е направен задълбочен анализ на работата на котелтип 1В-365-139, който е част от блок № 4 в ТЕЦ „Русе-Изток”, като е използванакомбинацията от натурни изпитвания и моделни изследвания с цел подобряванеусловията на протичане на горивния процес в пещната камера.Представени са резултати от изпълнението на изследователски договори презпоследните години. Авторът е бил активен участник в тези договори. Всички задачиса завършили с висока оценка от страна на възложителя, като значителна част отнаправените предложения са намерили успешно приложение при експлоатацията накотела, а представения теоретичен материал е добра основа за по-нататъшнозадълбочаване на прилаганите подходи при осъществяването на подобниизследвания.Части от труда са станали достояние на научната общественост чрез редицапубликации представени в научни списания и конференции.Приносите в работата съответстват на формулираните цел, постановка иструктура на дисертационния труд. Условно те могат да бъдат класифицирани катонаучно-приложни и инженерно-приложни.29

Научно-приложни приноси1. Формулиран и обоснован е научен подход за изследване и анализ нахарактеристиките на пещни процеси при енергийни котли,оползотворяващи въглища в условията на факелно изгаряне. Този подходсе основава на комбинацията от натурни и моделни изследвания;2. Разработен е цифров симулационен модел за изследване на пещнитепроцеси на котел 1В-365-139 в ТЕЦ „Русе-Изток”. Извършена е валидацияна модела с проектни и реални експлоатационни условия. На основата натака създадения модел са извършени моделни изследвания при следнитеначални условия: промяна качеството на горивото; промяна количествотоорганизирано подаван въздух; промяна разпределението на въздух катопървичен и вторичен; промяна дела на гориво постъпващ през бридовигорелки; промяна на зърнометрията на подавания въглищен прах;3. Създадени и приложени са модели за изчисляване на формиращите се впещната камера азотни оксиди при изгаряне на въглища в условията нафакелко изгаряне;4. Направени са научно обосновани предложения за редуциране наформиращите се азотни оксиди в пещната камера на котел тип 1В-365-139.Инженерно-приложни приноси1. На основата на предложение за оптимално разпределение на подаваниявъздух за горене е повишено паропроизводството на котела за сметка нанамаление на загубите на топлина от механично недоизгаряне;2. Използвайки утвърдена методика за натурни изпитания на котли енаправен анализ на текущото състояние на котела и са посоченикоригиращи действия за подобряване условията на цялостната работа накотела;30

Публикации свързани с дисертационния труд1. Kr. Todorov, Model investigation of burning process of boiler OB-650-040 in TPP“Bobov dol”, Second international Ph.D. course – Pamporovo, page 200, June 11-142006;2. Б. Бонев, Т. Тотев, Б. Игнатов, В. Попова, Кр. Тодоров, Влияние наорганизирано подавания въздух, върху процесите в пещната камера на котлист. №11 и № 12 в ТЕЦ “Марица Изток 2”, XI –та Научна Конференция ЕМФ‘2006, Том 1, стр. 23, ISSN 1310-9405, „Св. св. Константин и Елена”, гр. Варна,18-20 септември 2006;3. Кр. Тодоров, Г. Тотев, Симулационно моделиране на горивни процеси с CFX,Втора Национална Студентска Научно-Техническа Конференция, Сборник сдоклади, стр. 135, ISBN-10:954-438-547-6, ISBN-13:978-954-438-547-3, гр.София, 11-13 октомври 2006;4. Т. Тотев, Б. Игнатов, К. Тодоров, Изграждане и верифициране на цифровмодел на работа на пещната камера на Котел №4 в ТЕЦ „Русе-Изток” XIII –таНаучна Конференция ЕМФ ‘2008, Том 1, стр. 33, ISSN 1310-9405, „Почивнабаза на Технически университет - София” гр. Созопол, 17-20 септември 2008;5. К. Тодоров, Б. Ангелов, Т. Тотев, Б. Бонев, „Описание на двуфазна среда примоделиране на горивни процеси”, XIII –та Научна Конференция ЕМФ ‘2008, Том1, стр. 56, ISSN 1310-9405, „Почивна база на Технически университет - София”гр. Созопол, 17-20 септември 2008;6. К. Тодоров, Верифициране и валидиране на числени решения при изследванена горивни процеси, XVI –та Научна Конференция ЕМФ ‘2011, Том 1, стр. 106,ISSN 1310-9405, „Почивна база на Технически университет - София” гр.Созопол, 17-20 септември 2011;31

Numerical modelling of combustion processes in power steamgenerators, type 1B-365-139, № 4 in TPP ‘Ruse-Iztok’SummaryPhD thesis presents some basic relationships between the two approaches -conducting full-scale tests and mathematical modeling in combustion techniques andtechnologies through the application of computational fluid mechanics. Examples are givento illustrate how measurements and theoretical development of certain technical issuescomplement each other. Clarifies how the modeling can be used to study combinedphysicochemical processes and increase understanding of the technical systems andprocesses.The object is the boiler type 1B-365-139, on which are applied both methods ofstudy. This boiler is in operation (with turbine with power 110 MW) since 1971 in TPP‘Ruse – Iztok’ and is specified as a block № 4 in the plant.Object of this thesis is the study, analysis and proposals for improving conditionsof the combustion process in the boiler type 1B-365-139, № 4 in TPP ‘Ruse-Iztok’ usingfull-scale tests and numerical modelling.32