Радиационные характеристики факела в топке котла ТГМ-84/а Казанской ТЭЦ-3 Текст научной статьи по специальности «Физика»

РАДИАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФАКЕЛА В ТОПКЕ КОТЛА

ТГМ-84/А КАЗАНСКОЙ ТЭЦ-3

М.А. ТАЙМАРОВ, Д.Г. ХУСАИНОВ, Р.Г. ГИЛЬФАНОВ

Казанский государственный энергетический университет

Приводятся результаты исследования радиационных характеристик факела в топке котла ТГМ-84/А Казанский ТЭЦ-3 по высоте, ширине и глубине топочного объема при сжигании уренгойского газа.

Введение

В последнее время все большую актуальность принимает тема повышения экономичности теплогенерирующего оборудования. Как известно, КПД любого цикла или процесса характеризует его идеальность, т.е. при подводе энергии к какой-либо системе стремятся получить от нее максимальную работу. Важнейшую роль при этом играет радиационный теплообмен в топках энергетических котлоагрегатов. Так, для повышения КПД топочного объема и, следовательно, для снижения удельных затрат энергоресурсов на производство тепловой энергии, необходима оптимизация процессов радиационного теплообмена. Достижение этой цели возможно путем идентификации положения факела в топочном объеме, при котором обеспечиваются наивыгоднейшие условия радиационного теплообмена и соблюдаются эксплуатационные требования к надежности функционирования поверхностей нагрева, работающих при высоких значениях падающих от факела тепловых потоков. В этой связи исследования радиационных характеристик факела по высоте, ширине и глубине топочного объема котла для конкретных условий сжигания топлив являются актуальными. В данной работе опыты проводились на Казанской ТЭЦ-3 на котле ТГМ-84/А (станционный №2) при различных нагрузках котла при сжигании уренгойского газа.

Методика исследования и оборудование

Экспериментальная методика [3] включала в себя бесконтактное и контактное определение температуры, измерение падающих потоков теплового излучения радиометром, проверку градуирования радиометра в станционных условиях эксперимента. Для бесконтактного измерения температуры факела использовался оптический пирометр ОППИР-017 [3]. Для контактного измерения температуры продуктов сгорания в топке использовалась термопара типа ХА с каолиновой тепловой изоляцией в виде нити внутри этого кожуха. Измерение падающих интегральных плотностей лучистых потоков проводились приемником полного излучения [3]. Радиометр разработан на основе рефлекторной оптики с линзой объектива, выполненной из флюорита. В качестве приемника излучения использован термостолбик, составленный из 10 последовательно соединенных хромель-копелевых термопар. Для градуирования приемника излучения использовалась модель абсолютно черного тела [3].

В данной работе эксперименты по исследованию радиационных свойств факела проводились на Казанской ТЭЦ-3 на котле ТГМ-84/А (станционный №2), спроектированном АО ТКЗ "Красный котельщик” в 1978 г. Паровой котел ТГМ-84/А предназначен для выработки перегретого пара с рабочим давлением 13,8 МПа

© М.А Таймаров, Д.Г. Хусаинов, Р.Г. Гильфанов Проблемы энергетики, 2006, № 7-8

(140 кгс/см2) и температурой 560 °С. На момент экспериментов сжигался уренгойский газ. Паровой котел ТГМ-84/А - однобарабанный, П-образной компоновки, газоплотный, с жидким шлакоудалением.

Характеристики сжигаемого топлива

Уренгойский газ. Поставщик - ООО Таттрансгаз через ГРС-5, уренгойское месторождение.

Состав: метан - 98,44% (объемных), этан - 0,483%, пропан - 0,162%, азот -

0,768%. Теплота сгорания низшая 7979 ккал/м3, плотность 0,679 кг/м3.

Величина падающего на экраны теплового потока #пад может быть наиболее удобно представлена в виде зависимости от реальной температуры газов факела Тф в топочной камере и степени черноты топки ат:

#пад= 5,67 х 10-8 ат Тф4 , Вт/м2, (1)

где Тф - температура газов в факеле, К.

Температура измеряется оптическим (яркостным) пирометром ОППИР-017. Величину падающего на стену топки теплового потока #пад можно записать

как

^пад qф1 + Чф2+ #ст1+ ^ст2 , (2)

где qф1 - непосредственное излучение топочного факела на стенку, в сумме со всеми отражениями этого излучения от остальных ограничивающих топку поверхностей; qф2 - доля излучения факела на остальные стенки, отраженная ими на рассматриваемую стенку; ^гст1 - часть собственного излучения всех топочных стенок, за исключением рассматриваемой, попадающая на рассматриваемую стенку; ^ст2 - часть собственного излучения стенки, возвращаемая на нее отражением от остальных стенок.

Выражение для определения степени черноты топки ат представлено в виде

ат аф /(аф + (1- аф)^^) (3)

где аф - степень черноты факела; ^-коэффициент тепловой эффективности трубчатых экранов.

В свою очередь, локальную степень черноты факела можно узнать по соотношению

аф = ^пад'/^изл, (4)

где qnад' - падающие интегральные плотности потоков излучения факела, кВт/м2, измеренные приемником полного излучения; qизл - излучение абсолютно черного тела, определяемое по закону Стефана-Больцмана:

qизл= О Тф4 , Вт/м2, (5)

где о - постоянная, равная 5,67 х 10-8.

Для характеристики тепловосприятия удобно пользоваться безразмерной величиной, называемой коэффициентом тепловой эффективности экранов у и определяемой соотношением

^ = ^пад - ^бр )^пад= ^ ^пад, (6)

где qпад - падающий на экран тепловой поток; qобр - идущий от экрана на факел тепловой поток; qр - поглощенный экраном тепловой поток (результирующий тепловой поток qр = qпад - qобр).

Обратный тепловой поток от экранной стенки qобp состоит из собственного излучения qсоб экранной стенки и отраженного от экранной стенки (1 - астг) #пад теплового потока:

^бр ^об + (1 аст ) qпaд , (7)

где астг — эффективная степень черноты стенки при температуре факела. Экспериментальные результаты и их обсуждение

На рис. 1, 2 представлена схема расположения лючков и горелок, через которые проводились эксперименты.

Топочная камера котла ТГМ-84/А разделена на две полутопки. Горелки верхнего яруса располагаются по середине каждой полутопки, тогда когда горелки нижнего яруса смещены к центру топочной камеры на 0,3 м каждая.

Рис. 1. Расположение лючков и горелок по высоте, ширине и глубине топочной камеры котла ТГМ-84/А Казанский ТЭЦ-3 (станционный №2). Используемое топливо - Уренгойский газ

Рис. 2. Расположение лючков и горелок нижнего яруса

© Проблемы энергетики, 2006, № 7-8

Рис. 3. Зависимости падающих интегральных потоков излучения от нагрузки котла ТГМ-84/А КТЭЦ-3 (стационарный №2) по лючкам №1, 6, 7, 8 и 9 Степень черноты факела в котле ТГМ-84/А КТЭЦ-3 (станционный №2)

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

*

* ; * 1 г „ „

Яф| - 4Ь-исЩ|„ - ялл = ЗЕ-06Д..Г - 0,0023/),,,,

♦ лючок №1 Ж лючок №6

250 275 300

325 350 375

/>„п, т/ч

400 425 450

Рис. 4. Степень черноты факела по лючкам №1 и 6 в зависимости от паровой нагрузки котла ТГМ-84/А Казанской ТЭЦ-3 (стационарный №2): 1 - аппроксимационная кривая данных, полученных через лючок №1; 2 - аппроксимационная кривая данных, полученных через лючок №6

Рис. 5. Зависимость падающих интегральных потоков излучения от нагрузки котла ТГМ-84/А КТЭЦ-3 (стационарный №2) по лючкам № 2, 3, 4 и 5 (на уровне нижнего яруса горелок)

Как видно из рис. 3, плотности падающих потоков максимальны в районе лючков № 1 и 6, здесь факел, истекая из горелки, соударяется с задним экраном котла. Являясь причиной местных напряжений в металле экранных трубок, лучистые потоки снижают срок службы этих поверхностей нагрева.

На рис. 4 и 6 представлены степени черноты факела, определенные на основе данных лучистых потоков по формуле (4). Из рисунков видно, что с увеличением паровой нагрузки котла степень черноты факела увеличивается. Для лючков №1 и 6 интегральная степень черноты факела возрастает менее интенсивно (рис. 4), нежели по лючкам № 7, 9 и 10 (рис. 6).

Интегральные степени черноты факела колеблются в больших пределах:

0,65 - 0,85, причем минимальные значения принимает область фронта котла вблизи двусветного экрана (рис. 6 - лючки № 9 и 10). Также существенные колебания наблюдаются по лючкам в отдельности, что может быть связано с неравномерностью факела внутри топочного объема при изменения паровой нагрузки котлоагрегата.

Интегральные падающие потоки излучения факела увеличиваются с ростом паропроизводительности котла (рис. 3 и 5) по ширине, глубине и высоте топки котла.

Лучистые потоки имеют неравномерное распределение внутри топочного объема: на отметке 6,2 м падающие тепловые потоки на левые экраны топки котла в районе лючка № 1 при нагрузке котла в 420 т/ч составляют 319,2 кВт/м2, а в районе лючка № 2 при той же нагрузке того же экрана - 64,9 кВт/м2, т.е. неравномерность тепловых потоков по глубине топочного объема здесь составляет сотни кВт/м2, что несомненно вызывает большие термические напряжения в боковых трубках котла.

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

ш • лючок №7 ■ лючок Л'°9

• • > А лючок №10

А Ж J L—А *

■ Я 1 1 Яф7 = 1Е-06Д,,,2 - 0,00050,,,, + 0,838

Лфю — 5E-06Z) ,„2 - 0,00330,+ 1,2332

Яф9 — Е-06Д, „2 - о,ос 180,,,, +0,8976

0,3

250 275 300 325 350 375 400 425 450

On n, т/ч

Рис. 6. Степень черноты факела по лючкам №7, 9 и 10 в зависимости от паровой нагрузки котла ТГМ-84/А Казанской ТЭЦ-3 (стационарный №2)

Анализ погрешностей экспериментов

Определение плотности падающих потоков излучения факела представляет собой совокупное измерение, и погрешность экспериментов включает в себя неисключенную систематическую погрешность метода и средств измерений.

Неисключенная систематическая погрешность определения интегральной излучательной способности в общем виде записывается как

аи = 1,1(аи.п 2 + аа2 + ак2+ ар2 + ao2 +ам2 )0,5 ,

(8)

где сти.п - систематическая погрешность определения отношения интегрального излучения исследуемого потока и абсолютно черного тела; ста - погрешность определения коэффициента избытка воздуха; стк - погрешность определения

геометрических характеристик излучающего объекта;

погрешность

регистрации сигнала; а0 - погрешность графической обработки результатов; стм -методическая погрешность.

Систематическая погрешность определения отношения интегрального излучения исследуемого потока и абсолютно черного тела выражается как

(9)

аи.п = 1,1(аЕ2 +аЕ02) 0,s,

где СТЕ, ^ео - систематические погрешности определения интегральной плотности энергии излучения факела и абсолютно черного тела.

При этом

аЕ , аЕ0 = 1,1(4стт, Т02 +Стр2 + ao2) 0,s,

(10)

где ст, стт0 - погрешности измерения температуры излучающей среды в топке и излучающей полости абсолютно черного тела.

При обработке экспериментальных данных за результат измерения принимается среднеарифметический результат измерений яср.

Оценка среднеквадратичного отклонения £ описывается выражением

S = [I (X; - Яср) 2/n(n - 1)]0,5,

где П, XI - число и результат измерений.

Здесь суммирование ведется от 1 до п.

В соответствии со значением коэффициента надежности а = 0,95 и числом измерений п определяется коэффициент Стьюдента *а.

При этом формула для расчета случайной погрешности записывается как Да = &

Отсюда, результат с границами случайной погрешности а = аср ± Да и относительная случайная погрешность 5 = (Да/а)100 %.

Общая погрешность измерений определяется как совокупность случайной и неисключенной систематической погрешностей:

8 = 1,1(5 2 + а2) 0 5. (12)

Так как в экспериментах по исследованию теплонапряженности получено о/\ > 8, то случайной погрешностью 5 можно пренебречь, и границы погрешностей результатов измерений можно оценивать по неисключенной систематической погрешности ±а (%).

Отсюда систематическая погрешность определения интегральной плотности падающих потоков при температуре Т = 1370 К аи = ± 12,7 % (составляющие погрешности: ат = 1,7 %; ат0 = 1,2 % ; а0 = 0,8 %; ар = 0,8 %; аЕ = 7,58 %; аЕ0 = 5,42 %; аи.п = 10,25 %; ам = 4 %; ак = 3 %; ах = 1,1 %;);

Основные погрешности связаны с измерением температуры излучающей топочной среды и полости абсолютно черного тела.

Выводы

1. С увеличением паровой нагрузки котла интегральные значения падающих потоков в топке котла ТГМ-84/А возрастают по всем лючкам.

2. Плотности падающих потоков максимальны в районе лючков №1 и 6, здесь факел, истекая из горелки, соударяется с задним экраном котла. Являясь причиной местных напряжений в металле экранных трубок, лучистые потоки снижают срок службы этих поверхностей нагрева.

3. Большая неравномерность лучистых потоков наблюдается на уровне лючков №1 и 6. Значительные колебания лучистых потоков по объему топки котла связаны с изменением положения ядра факела при изменении паропроизводительности котла.

4. Степень черноты факела, определенная на основе данных лучистых потоков по высоте, ширине и глубине топочного объема, возрастает с увеличением паровой нагрузки котла.

Литература

1. Блох А. Г. Теплообмен в топках паровых котлов. - Л.: Энергоатомиздат, 1984. - 240 с.

2. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод / Под ред. Н.В.Кузнецова и др. - М.: Энергия, 1973. - 296 с.

3. Таймаров М. А. Лабораторный практикум по курсу «Котельные установки и парогенераторы». - Казань: КГЭУ, 2004. - 108 с.

4. Таймаров М. А. и др. Интенсивность излучения факела в топках котлов ТГМ-84/А // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2005. - №7-8. - С.27-32.

Поступила 02.05.2006