Формирование параметров дисперсной фазы в объеме топки котла с тангенциальной компоновкой горелок Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.181

ФОРМИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ В ОБЪЁМЕ ТОПКИ КОТЛА С ТАНГЕНЦИАЛЬНОЙ КОМПОНОВКОЙ ГОРЕЛОК

А.Б. ШИГАПОВ*, А.А. ГИРФАНОВ**, А.В. КАЛИМУЛЛИН*

* Казанский государственный энергетический университет ** Казанская ТЭЦ-2

Предложена модель формирования концентрации и размеров частиц дисперсной фазы в топках с тангенциальной компоновкой горелочных устройств.

Ключевые слава: тангенциальная компоновка горелок, концентрация угольной пыли, плотность вероятности распределения по размерам, угольная пыль, зола, топочная камера, паровой котёл.

В топках котлов при сжигании твёрдого топлива широкое применение нашла тангенциальная компоновка горелочных устройств. Подача топливовоздушной смеси в этом случае осуществляется касательно к некоторой условной окружности в центре топки диаметром 1...2,5 м (рис.1). При такой схеме прямоточные горелки располагаются в один или несколько ярусов по углам топки (полутопки) или по всему её периметру. В последнем случае число горелок в ярусе может быть равно 6 или 8. Наиболее оптимальные условия создаются в топках, имеющих в плане форму, близкую к квадрату Ак / Вк < 1,1...1,2, где Ак и Вк ширина и глубина топки. Однако существуют топочные камеры с сильно вытянутой в плане топкой.

Вращательное движение топочных газов приводит к возникновению сепарации частиц по размерам в горизонтальной плоскости, а также к неравномерному распределению массовой доли и числовой концентрации дисперсной фазы. Ввиду отсутствия информации о распределении концентрации (количественной) и размеров частиц (качественной неравномерности) в объёме топки, для моделирования должны быть приняты простые, и вместе с тем логически обоснованные допущения. Необходимо также отметить, что расчётные исследования являются ненадёжными ввиду

неопределённости форм частиц, образующихся в процессе приготовления пыли, следовательно, неопределённости коэффициентов аэродинамического сопротивления частиц в среде топочных газов. Наиболее достоверные результаты можно получить только экспериментальными методами.

Распределение параметров дисперсных частиц оказывает существенное влияние на уровень тепловых потоков в топке, на процессы формирования отложений на поверхностях, следовательно, на температурный уровень, надёжность и ресурс эксплуатации котла.

Распределение массовое и распределение числовой концентрации (количество частиц в единице объёма), также закон распределения частиц по размерам взаимосвязаны между собой. Изменение размеров частиц приводит к

© А. Б. Шигапов, А.А. Гирфанов, А. В. Калимуллин Проблемы энергетики, 2011, № 5-6

Рис. 1. Схема тангенциальной подачи топливовоздушной смеси

изменению осреднённого объёма частиц дисперсной фазы - пылеугольных частиц Уш и золы , следовательно, и числовой концентрации Nup , N2 [1].

Выделим в произвольном сечении топки объём единичной высоты АН = 1 м,

3

величина которого равна V = (Ак • Вк • 1) м (рис. 2).

Естественно предположить, что в поперечных сечениях топки за счёт циркуляционного движения формируется круговое вращение центральной зоны объёма (область А). Периферийные линии тока данного объёма касаются стенок фронтальных и горелочных поверхностей топки и не достигают стенок боковых поверхностей. Зону объёма топки за пределами центральной циркуляционной зоны обозначим В.

Можно также предположить, что параметры среды в области В равномерны и равны параметрам потока на периферии зоны А.

Объёмы, занятые областями А и В, определяются в следующем виде (напомним, что высота АН = 1 м):

VA = ^вк 2/4;

Vв = Ак • Вк — VA . (1)

Рис. 2. Схема поперечного сечения топочной камеры

Примем допущение, что параметры дисперсной фазы по высоте АН постоянны. В рассматриваемом объёме содержится масса г-го вида частиц дисперсной фазы (угля или золы) в количестве

= • V , (2)

где g■l - массовая концентрация определяется по известным соотношениям [1, 2]; V = Ак • Вк - объём выделенного сечения.

Формирование изолированной вращающейся зоны может быть объяснено стремлением к минимуму термодинамического потенциала Гибса в изолированных энергетических системах и объёмах. Хотя данный принцип Гибса (стремление любой системы к минимизации изобарно-изотермического потенциала С = Н — ТБ ) строго справедлив для термодинамически реагирующих систем, данная закономерность наблюдается и для термодинамических систем в отсутствии химических реакций. Примером может служить работа центробежной форсунки, когда реализуется течение среды через срез сопла, обеспечивающее максимальное значение коэффициента расхода. И в рассмотренной схеме (рис. 2) формирование представленного течения соответствует минимизации теплового эффекта процесса, т.е. энтальпии.

Если обозначим массовую концентрацию в центре go, то локальное значение массовой концентрации на радиусе Я от центра равно

gR = g0 + • g0 • Я , (3)

где Я изменяется в интервале [о, Вк / 2].

Функция при линейном распределении концентрации является

константой. Заданием различных видов функции Г^ можно моделировать любые

распределения массовой концентрации. На периферии зоны А и во всей зоне В массовая концентрация равна

ЕЯп = ЕО (1 + РгВк /2). (4)

Значения постоянных соотношения (4) могут быть определены из принятых допущений распределения ея , а также условия замыкания - количество дисперсной фазы в объёмах А и В должно быть равно суммарному значению при равномерном ее распределении.

Выделим элементарный объём кругового цилиндра на произвольном радиусе Я: йУ = 2лЯйЯ, содержащий массу дисперсных частиц в количестве аа = 2лЯЕ0(1 + ггя)йя.

Общая масса дисперсной фазы зоны А

Вк/2

вА =| йа = | 2яЯЕ0(1 + Р.Я)йЯ =

Уа 0

Вк/2 С Я2 Я3

= 2ПЕо / (Я + Р.Я2)йЯ = 2ПЕО

г ЯЯ2 „ Я + Р.

2

3

Вк/2

(5)

О

Постановка верхней и нижней границы интегрирования даёт

аА =2лЕо

Г 2 3Л

Вк + р Вк

. 3 • 8

8

Вк2 + Р.Вк3 ^

4

12

(6)

Концентрация дисперсной фазы в объёме зоны В

аВ = УВЕЯп =

А • В

В кВк

Вк--—

ЕО |1 + Р.В-

(7)

Суммарная масса дисперсной фазы зон А и В равна

аА + аВ = лЕО

С Вк! + р.Вк

3

4

12

V

+

• в

ЕО

1 + Р.

Вк

(8)

которая, разумеется, равна величине (Ак • Вк)е , определяемой при ее равномерном распределении. Совместное решение этих соотношений дает

_(Ак • Вк _.

ЕО = / - 3 \

Вк2 Г.В, 3

л

-к _ +

12

+

• В -ЛВ2

С1 + рА

ЕЯ = ЕО (1 + Р.Я).

(9)

(1О)

Рассмотрим принципы распределения количества дисперсных частиц Ns .

Принимаем предположение, что общее число частиц дисперсной фазы также остаётся постоянным. Такое допущение является не совсем корректным для частиц угольной пыли и является справедливым для частиц золы.

4

2

В пределах зоны горения параметры двухфазного потока могут быть приняты только с учётом свойств пылеугольных частиц. Концентрация частиц угля и их радиационные свойства (определяющие уровень тепловых потоков к стенкам) в зоне горения на порядок превышают аналогичные параметры частиц золы. Искусственное снижение концентрации частиц угля в 2.3 раза (которое соответствует средним параметрам объёма зоны горения) не приводит к заметному изменению соотношений удельных вкладов пылеугольных и золовых частиц. Из-за высоких значений коэффициента ослабления пылеугольных частиц ошибка в определении концентрации угольной пыли в 2.3 раза практически не оказывает влияния на распределение радиационных тепловых потоков к стенкам. Это является следствием больших значений коэффициентов ослабления дисперсной фазы.

Общее число частиц в элементе объёма единичной высоты, в допущении их равномерного распределения, может быть выражено формулой

N2 = АкВк ^ , (11)

где N - число частиц в единице объёма, определяемое по соотношениям [1] для исходной функции распределения по размерам / (г).

В расчётах переноса излучения было принято допущение, что закон распределения частиц по размерам /(г) сохраняет свой вид, а изменяются лишь его параметры, характеризующие размеры дисперсной фазы. Наиболее удобным при численном моделировании переноса излучения является использование среднемодального распределения:

/ (г) = 4/(3г2) г ехр(- . (12)

Использование среднемодального распределения (12) при моделировании перераспределения частиц не является единственно возможным. С одинаковым успехом может быть использовано любое из известных распределений [1] частиц дисперсной фазы по размерам.

Вид функции (12) в зависимости от гт показан на рис. 3.

В представленной серии расчётов (моделируется теплообмен в топке котла

БКЗ-320-13,8 головного котла Казанской ТЭЦ-2, использующего уголь Кузнецкого месторождения) значения модального размера гт в области А сечения топки (рис. 2)

0 1 с

приняты равными гт = 1,5 мкм в центре вращающегося потока и гтп = 4,5 мкм на периферии. Распределение гт в пределах зоны А выбрано линейным, в зоне В постоянным и равным значению на периферии.

Рассмотренное выше линейное распределение модального радиуса в сечении топки можно представить в виде поверхности (рис.4).

Рис. 3. График функции плотности вероятности распределения пылеугольных частиц по размерам: 1 - гт = 2 мкм; 2 - гт = 4 мкм; 3 - гт = 6 мкм

Ширина топки Ак, м 0"0 1

Глубина топки Вк. Рис.4. Распределение модального радиуса в поперечном сечении топки для частиц угольной пыли

Распределение модального

размера частиц золы также принято линейным. Распределение частиц золы по размерам подчиняется

логарифмически нормальному закону [1], для которого выбраны параметры: среднеквадратичное отклонение

ст = 0,971; модальный размер гт0 в центре равен 0,1 мкм, на периферии -гт,п = 0,5 мкм.

Вследствие сепарации частиц твёрдой фазы по размерам происходит перераспределение массовой

концентрации. Массовое распределение и распределение числовой

концентрации, а также закон распределения частиц по размерам взаимосвязаны между собой. Задаваясь получаем однозначное распределение

распределением массовой концентрации, числовой концентрации.

По рассмотренным соотношениям рассчитаны распределения числовой N (рис. 5, 6) концентрации угольной пыли и частиц золы в поперечных сечениях котла.

Выполненные аналитические и расчётные исследования распределения размеров, массовой и числовой концентрации показывают, что эти важнейшие параметры дисперсной фазы находятся в тесной взаимосвязи друг с другом, произвольное варьирование их в средах с переменными параметрами дисперсной фазы недопустимо.

Рис. 5. Распределение числовой концентрации угольной пыли (а) и частиц золы (б) в

горизонтальном сечении топки

Рассмотренный механизм формирования возможного распределения концентрации, хотя в какой-то мере искусственный, но вполне логичный и может

объяснить некоторые экспериментальные результаты по измерению параметров потока в топках котлов. Если экспериментальные исследования были проведены в области В потока, по нашим предположениям, изменения параметров потока в поперечных сечениях и не должно быть. Скорее всего, так оно и происходит. Обычно лючки (гляделки) в топке располагают на боковых поверхностях. Поэтому измеренное авторами [3] равномерное распределение параметров среды в поперечных сечениях топки котла вполне объяснимо.

Выводы

Разработанная модель расчёта концентрации и размеров частиц дисперсной фазы использована в составе программного комплекса MSGP5, который позволяет учитывать перенос энергии излучения в Р5-приближении метода сферических гармоник. Полученные расчётным путём радиационные тепловые потоки, падающие к экранным поверхностям топки, согласуются с экспериментальными данными.

Summary

The article contains model formation parameters of dispersed phase in a boiler furnace with tangential fuel feeding

Key words: tangential fuel feeding, pulverized coal concentration, particles, dispersed phase, ashes, steam boiler, furnace, size distribution function.

Литература

1. Шигапов А.Б. Перенос энергии излучения в энергетических установках: Научное издание / А.Б. Шигапов. Казан.гос.энерг.ун-т, 2003. 150 с.

2. Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых котлов / А.Г. Блох. Л.: Энергоатомиздат, 1984. 240 с. : ил.

3. Шагалова С.Л. Сжигание твердого топлива в топках паровых котлов / С.Л. Шагалова, И.Н. Шницер. Л.: Энергия, 1976. 310 с.

Поступила в редакцию 29 ноября 2010 г.

Шигапов Айрат Багаутдинович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Газотурбинные энергоустановки и двигатели» (ГТЭУД) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-93. e-mail: shigapov38@mail.ru.

Гирфанов Артём Альбертович - гл. инженер Казанская ТЭЦ-2. Тел.: 8 (843) 297-62-03.

Калимуллин Альберт Вазирович - аспирант кафедры «Газотурбинные энергоустановки и двигатели» (ГТЭУД) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-927-4263462. E-mail: avkalim@mail.ru.