CC BY
111
Теплоэнергетика
УДК 621.181
РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ТОПОЧНОГО УСТРОЙСТВА С РАЗЛИЧНЫМИ КОМПОНОВКАМИ ГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ
К.В. Осинцев
Предложенная ранее расчетная модель топочного устройства с фронтальной компоновкой горелок, включающая зоны активного горения и охлаждения с дополнительным разделением зоны активного горении на участки воспламенения и горения при уравновешенном теплоотводе с условно постоянной температурой факела, нашла применение при разработке и наладке новых, а также реконструкции существующих систем топливного сжигания. Рассмотрена модель топочного устройства с твердым шлако-удалением и различными схемами настенной компоновки горелок, используемая для оценки тепловых характеристик факела при ведении проектно-конструкторских работ, наладке и исследованиях котлов. Предложена методика пользования моделью. Вносимые предложения позволяют повысить надежность системы ввода в топку реагентных и регулируемых инертных потоков, минимизировать шлакование при сжигании шлакующих твердых топлив, увеличить межремонтный срок службы котельного оборудования. Использование разработанных модели и методики расчета тепловых характеристик факела позволяет задавать эффективные эксплуатационные режимные и конструктивные параметры системы ввода в топку реагентных и регулируемых инертных потоков, дополнительно обеспечивать повышенную надежность котловых элементов при переводе агрегатов с одного вида топлива на другой. Методика оценки температурных характеристик факела с использованием двухзонной модели топки не претендует на завершенность с полным охватом возможных технических вариантов схем компоновки и конструкций горелок. Вместе с тем методика позволяет использовать ее в качестве базовой при отработке новых типов топок и горелок, пополнять расчетную базу опытными данными, с учетом которых осуществлять последующую проектную оценку надежности элементов подобных устройств.
Ключевые слова: котел, горелка, модель, методика.
Введение
Для оценки и регулирования температуры факела при исследованиях процессов горения, проведения реконструкций с перепроектированием и наладкой систем топливного сжигания на котлах БКЗ-210-140Ф Челябинской ТЭЦ-2 была предложена расчетная модель топочного устройства с твердым шлакоудалением [1]. Она охватывала более полный объем необходимых для отмеченных целей параметров факела, чем рекомендуемые существующими расчетными методиками аналоги [2-4].
Актуальность темы исследования
Весьма удачными оказались попытки по использованию модели в разработке и наладке новых низкоэмиссионных и высоконадежных горелок с рассредоточенными сопловыми узлами ввода реагентных потоков в топку (по патентной версии «многофункциональных горелочных устройств») при сжигании природного газа и пыли разнородного угля [1, 5-10]. Внедрение этих горелок на упомянутых котлах БКЗ-210-140Ф позволило продлить межремонтный срок с х = 0,5-2,0 года до х > 12 лет, организовать сжигание высокозольного челябинского бурого угля в бесшлако-вочных режимах при пониженной температуре факела.
Постановка задачи исследования
Модель топочного устройства с твердым шлакоудалением изначально была разработана для конкретной схемы однорядной компоновки горелок на фронтовой стене топки [1]. При переходе к иным системам сжигания, в частности, со встречным и тангенциальным вводами реагентных потоков в топку, требовалась ее доработка.
Теоретическая часть исследования
Ниже приводится описание модели топочного устройства с твердым шлакоудалением, имеющей расширенный практический диапазон использования в части размещения горелок на стенах, а также необходимые рекомендации для оценочных расчетов.
1. В качестве базовой принимается модель топочного устройства с твердым шлакоудалением [4]. Горелки - стандартные прямоточные и вихревые смесительного типа и многофункциональные с узлами соплового рассредоточенного ввода реа-гентных потоков в топку. Схемы компоновки горелок: фронтальная (рис. 1, а), встречные по вариантам (рис. 1, б, в), тангенциальные, ограниченные исследованными вариантами автора (рис. 2). Конструкционные и связанные с ними режимные расходно-скоростные характеристики горелок смесительного типа определяются методическими материалами [4]. Параметры многофункциональных
ю
■А / 2 Н - и /
Сф. к
1 / ////
10
-3,4
І
6,
ст /
□ [ 1 / 5 ] □ 1
А-А
Б-Б
а)
б)
/Ф Сф! /Ф
I
11 / /
В-В
7 уХ/Ър і
С У/
С
X 2/
X
с //
/ 6 ^ф Сф /ф
ст
в)
Рис. 1. Схемы выделения зон и участков факела в топке: а - фронтальная компоновка горелок и П-образная компоновка газоходов; б - встречная компоновка горелок на боковых стенах и П-образная компоновка газоходов; в - встречная компоновка горелок и Т-образная компоновка газоходов; 1, 2, 3, 4 - фронтовая, задняя и боковые стены, 5 - горелки; 6, 7 - участки воспламенения и горения с уравновешенным теплоотводом; 8 - зона охлаждения продуктов сгорания; 9 - выходное окно; 10 - потолочное перекрытие топки; 11 - условная плоскость развития максимумов скорости и температуры
горелок выбираются с учетом накапливаемого опыта и рекомендаций [1, 5-18].
2. Для ведения тепловых расчетов и анализа результатов исследований рабочий объем топки в соответствии с известным приемом «Норм теплового расчета котлов» разделен на зоны [2-4]. В исследованиях, проводимых автором на котлах, выделялись две характерные зоны, которые в топочной технике принято называть зоной «активного горения» и зоной «охлаждения», рис. 1 [1-18].
2.1. Зона активного горения включает нижнюю часть топочной камеры с горелками от холодной воронки до сечения над горелками.
В исследованных топках без организации дополнительных сбросов топливных потоков над и под основными горелками, где расстояние между нижними образующими горелок нижнего яруса и верхней отметкой холодной воронки Нн <2 м, нижняя и верхняя границы зоны активного горения выбирались согласно рекомендациям «Норм теплового расчета котлов» [2-4]. Здесь отметка нижней границы соответствовала горизонтальной
плоскости, ограничивающей холодную воронку сверху, а отметка верхней границы размещалась на ~ 1,5 м выше верхних образующих амбразур горелок верхнего яруса. При наличии систем топливного сброса после пылеконцентраторов, а также Нн > 2 м, холодную воронку выделяют в отдельную для тепловых расчетов зону, а нижнюю и верхнюю границы зоны активного горения определяют согласно рекомендациям [4].
2.2. Зона охлаждения включает верхнюю часть топочной камеры над зоной активного горения с потолочным перекрытием и примыкающим к нему боковым окном при П-образной компоновке топки с газоходами, либо двумя симметрично размещенными окнами при Т-образной компоновке топки с газоходами.
2.3. Зона активного горения в направлении движения факелов из горелок дополнительно делится на последовательные участки воспламенения, где происходит нарастание температурного уровня факела, и горения при условно постоянных усредненных температуре Тф0 и эн-
в) г)
Рис. 2. Схемы выделения дополнительных участков в выходном сечении зоны активного горения при исследованных вариантах тангенциального ввода реагентов в топку: а, б - котел БКЗ-160 со смесительными и многофункциональными горелками; в, г - котел БКЗ-210-140Ф с соплами рассредоточенного ввода реагентов в топку и с многофункциональными горелками; 1 - топка; 2 - стандартные горелки смесительного типа; 3 - вектор выхода топливовоздушной смеси из горелок 2; 4, 5 - участки воспламенения и горения с уравновешенным теплоотводом; 6 - многофункциональные горелки с раздельным сопловым вводом потоков топлива и воздуха; 7, 8 - векторы выхода потоков топливовоздушной смеси и воздуха из горелок 6; 9, 10 - сопла выпуска топливовоздушной смеси и воздуха; 11, 12 - векторы выхода потоков топливовоздушной смеси и воздуха из сопл 9, 10; 13 - условная цилиндрическая поверхность развития максимальных скорости и температуры
тальпии /ф0 топочной среды (газопылекоксо-воздушной смеси).
3. Выделенные зоны и участки ограничены внутритопочными размерами.
3.1. Размеры основных зон, в том числе их высота На.г и Нохл , м, а также межгорелочные расстояния и количество ярусов горелок определяют согласно «Нормам теплового расчета котельных агрегатов», либо методическим указаниям [2-4]. При этом осуществляют традиционную проверку и привязку по теплонапряжению даг сечений топочных камер [2-4].
3.2. Дополнительно выделяют площадь поперечного сечения и длину горизонтального участка факельного воспламенения Fв и 1ф, м2 и м соответст-
венно, при этом последняя соответствует расстоянию от экранов с амбразурами горелок до участка горения с условно постоянной температурой Тф0 (рис. 1, 2).
3.3. Площадь поперечного сечения горизонтального участка горения с условно постоянной температурой определяют как íф = Fт - Fв, м2
(рис. 1, 2). Длина этого участка для топок с фронтальной компоновкой горелок Сф = Ст - /ф,
где Ст - глубина топки, м; для топок со встречной компоновкой горелок Сф = Ст - 2/ф, или Сф = А - 2/ф, где Ат - ширина топки, м (рис. 1).
Для разработанных авторских схем тангенциального ввода реагентных потоков в топку с двух противоположных стен (рис. 2, б, г) можно сохра-
нить аналоговую запись
Сф = С - 2/ф,
или
Сф = Ат - 2/ф , м где /ф ~ 0,5/ф .
4. В выделенных зонах и участках топочных камер протекают следующие процессы.
4.1. На участке факельного воспламенения длиной /ф под влиянием нарастающего значительно превышающего теплоотвод тепловыделения в направлении выхода реагентных потоков и движения факела происходит повышение усредненной в поперечном направлении температуры факела от Т = Т0, К (средней между температурой эжектируемой к экранам топочной среды и температурой реагентов, выходящих из амбразур горелок) до значения Т = Тф0, К, на втором участке
зоны активного горения. Это повышение может быть описано универсальной зависимостью [1]:
АТ = (Т - То )/(Гфо - То) = (б£2 - 8£3 + 3£4)т , (1) где 4 = Ц/ф - безразмерная длина факела, причем 4 = 0 на длине / = 0, а £ = 1,0 на длине / = /ф. Параметр т зависит от рода сжигаемого топлива,
а также конструктивных и режимных особенностей горелок. Его значения, полученные при обработке данных исследований на промышленных котлах, приведены в таблице [1,6-18]. Там же приведены данные по Т0. Параметры /ф и Т0 связаны
с конструкцией горелок. В исследованных горелках смесительного типа, где происходит сильная эжекция топочных газов в амбразуры, горение мелкой пыли и газа начинается еще до выхода реагентов в топку, здесь, как правило, /ф < 0,25 м, а Т0 > 900 К. При работе многофункциональных горелок /ф = 1,5-2,5 м, а Т0 < 900 К. В проектных оценках температурного режима факела принималось приближенное значение Т0 ~ 900 К.
4.2. Средний уровень температуры факела на участке воспламенения:
Т ср = 1
воспл
42 - 41 42 ( ,
<| Т0 +(Тф -Т0)(б42 -843 +
J
344)т
1 л
с!4. (2)
Значения Твсорспл приведены в таблице.
Характеристики участка воспламенения, полученные на котлах БКЗ-210-140Ф, БКЗ-220, БКЗ-160, ТП-35 для различных типов горелок и видов топлива [1, 5-18]
№ п/п Сжигаемое топливо Конструкция горелок Длина участка V м Т емпературные характеристики Параметры в уравнениях (1)-(3)
Т0 при / = 0, К Тср , воспл ’ К т п
1 Пыль челябинского бурого угля с породным балластом Шр > 25 %, Ас > 45 % Прямоточные и вихре -вые смесительного типа 0,25-0,50 > 900 0,925 Тф 5,0 3,5
2 Пыль бурых и каменных углей с выходом летучих > 40 %: - без рециркуляции газов в мельницы; - с рециркуляцией газов в мельницы Прямоточные смесительного типа < 0,25 < 0,50 > 900 > 900 0,945 Тф 0,925 Тф 5,5 5,0 4,0 3,5
3 Природный газ Прямоточные и вихревые смесительного типа < 0,25 > 900 0,945 Тф 5,5 4,0
4 Пыль каменного угля с выходом летучих Vг = 20-30 % Вихревые смесительного типа < 0,25 ~ 900 0,875 Тф 5,0 3,5
5 Пыль челябинского бурого угля с породным балластом Шр > 28 %, Ас > 45 %; пыль бурых и каменных углей с выходом летучих > 40 % с рециркуляцией газов в мельницы; пыль углеродосодержащего материала при Vг < 3,0 % с газовой подсветкой; природный газ Многофункциональные 1,5—2,5 ~ 800 0,875 Тф 4,5 3,25
4.3. На участках факельного воспламенения степень выгорания топлива нарастает от а = 0 на длине / = 0 до а = аф с / = /ф и Т = Тф0. В безразмерном виде [1]:
а = а/аф =(6£2 -8£3 + 3£4)п . (3)
Значения параметра п приведены в таблице.
4.4. На участке горения с условно постоянной температурой выгорает основная масса топлива (степень выгорания а£Т = 0,85-0,95), а также формируется тепловая неравномерность факела, характер которой зависит от схем компоновки и включения горелок [6, 13-16].
4.5. В зоне охлаждения происходит догорание топливного остатка и охлаждение экранами продуктов сгорания до средней температуры Тт'ср в выходном окне топки, а также выравнивание динамических и температурных полей путем турбулентного перемешивания соседних слоев факельной среды и ее растечки в объеме топки с заполнением поперечных сечений [6, 13-16].
4.6. При развороте факела на выходе из зоны охлаждения скоростные и температурные поля деформируются со смещением местоположения максимума температуры в выходных окнах топочных камер [19].
Методические рекомендации
по ведению тепловых расчетов
Для проведения оценочных предварительных тепловых расчетов и обработки результатов исследований факельных процессов с использованием рассмотренной выше модели топочного устройства разработаны следующие методические рекомендации.
1. В тепловых расчетах используют средние значения температуры факела на выходе из зоны
активного горения и в выходном окне топки ТаТ1’ и Тт"ср и степени выгорания топлива в тех же сечениях а’^ и а'т . Для оценки работоспособности топочных и пароперегревательных поверхностей нагрева определяют максимальные локальные зна-
о^тах т^тах
чения Т ф0 и Тт .
2. Параметр определяется как средне-
взвешенный на двух участках факельного воспламенения и горения при уравновешенном теплоотводе.
Для фронтальной компоновки горелок:
Твоспл1ф + Тф0 (Ст _ 1ф )
а
(4)
Для исследованной топки котла БКЗ-210-140Ф при сжигании угольной пыли и природного газа в вихревых и прямоточных горелках смесительного
типа с /ф < 0,5 м параметр Т" гр « 0,995Тф0. Для
топки того же котла с многофункциональными горелочными устройствами, размещаемыми на фронтовой стене с /ф = 1,5 - 2,5 м, параметр
Т¡7 ~ (0,94 - 0,97) Тф0 .
Для встречной компоновки горелок:
Т^ср _
1 а.г _
ср
1 а.г _
ТВОсПЛ 21 ф + Тф0 (ат _ 21 ф )
а
ТВРспл 21 ф + Тф0 (Ат _ 21ф )
А
(5)
(6)
Для топки котла БКЗ-210-140Ф при сжигании угольной пыли и газа в горелках смесительного типа, размещаемых встречно на боковых стенах
использовании мно-
Та гр и(0,990 -0,995)Тф0 ; при гофункциональных горелок и(0,91-0,96)Тф0.
Для тангенциальной компоновки горелок в общем случае:
Твоспл (Рт - Рф ) + Тф0 Рф
Т" ср ________
1 а.г _
(7)
При использовании авторских схем ввода реагентов с боковых стен (рис. 2, б, г) сохраняется
аналоговая запись Т'^ по формуле (6) с заменой
параметра /ф на /ф и 0,5/ф ; при /ф и 2,5 - 4,5 м
значения параметра Та£р «(0,95 - 0,97) Тф0. Снижение параметра /ф до принимаемого в расчете /ф
связано с наличием радиально-тангенциальных составляющих скорости топливовоздушных потоков, истекающих из горелок на участке воспламенения.
3. Анализ эффективности экранных поверхностей нагрева проводится с учетом поправки на неравномерность распределения температуры в поперечных сечениях топки:
(8)
т-’шах _ і гр 1 ф0 _ к1Тф0 ,
где ^ - коэффициент неравномерности, определяется по результатам термогазодинамических продувок, в частности для исследованного типа топок [15].
При анализе параметр Т т0ах сравнивают с
нормативным значением Г™. При Тфт“ < Тан обеспечивается бесшлаковочная работа экранов. При Тф0ах > Та н необходимо предусматривать меры снижения Тф0ах , в частности вводить газы рециркуляции [5].
4. Средняя температура факела на выходе из
зоны охлаждения (или на выходе из топки) Тт ср
определяется согласно методическим рекомендациям [2, 3].
5. Анализ работы пароперегревателя со стороны набегающего факела на загрязняемость про-
водится с учетом поправки на неравномерность распределения температуры по ширине и высоте выходного окна топки:
Т"т тах = к2к3г; ср, (9)
где к2 - коэффициент неравномерности по ширине топки и выходного окна; к3 - коэффициент неравномерности по высоте выходного окна. Для исследованного типа топок с фронтальной (рис. 1, а) и встречной (котлы типа П-57, ПК-39, рис. 1, в) компоновками горелок используют максимальное к2 и 1,05 и табулированные значения к3 [16, 20]. Для других типов топочных камер и схем компоновки горелок и газоходов (рис. 1, б, в; рис. 2) в отсутствие опытных данных к2 и 1,0 .
При анализе параметр Тт тах сравнивают с
Гггн ^ т^тах ^
т . При Г т < Г т обеспечивается бесшлаковочная работа пароперегревателя во всех режимах эксплуатации. При
Тт"тах > Г™ необходимо предусматривать меры снижения Тт тах , в частности вводить газы рециркуляции в верхнюю часть зоны охлаждения топки [5]. Для снижения энергозатрат на собственные нужды по перекачке хладагента и уменьшения дополнительных потерь теплоты с уходящими газами (возникающих при изменении характера конвективного теплообмена) расход газов рециркуляции минимизируют, вводя их только в область с опасным
Г тах
Т в зоне охлаждения по технологии УралВТИ - МЭИ - ЮУрГУ [13, 16].
6. Коэффициенты к_, к2, к могут быть использованы в расчетах тепловосприятия экранов и пароперегревателя [2, 3]. В отсутствие иных опытных данных оценку максимальных удельных теп-ловосприятий радиационных настенных экранов и ширмовых пароперегревателей в выходном окне топочной камеры производят согласно рекомендациям [2, 3].
7. В расчетах теплообмена в качестве степени выгорания топлива в выходном окне зоны активного горения следует принимать параметр аф в конце участка горения с условно постоянной температурой факела Тф0 . В оценочных расчетах в
отсутствие опытных данных аф и а"'Т , а\ и а™ ,
выбираются согласно нормативной и методической документации [2-4]. Во всех вариантах ввода газовоздушных реагентов в топку степень выгорания природного газа ат и 1,0.
8. При проведении исследований в отсутствие прямых замеров радиационных потоков теплоты оценку коэффициента эффективности экранов ^э г =ф1 (га сгр) в зоне активного горения и
=ф2 (г тср) в зоне охлаждения можно произ-
водить расчетом, ориентируясь на опытные значения средней температуры Г''гр = / (Тф0) и
Гтр =ф3 (г"' сгр, Гтср) соответственно, согласно рекомендациям [2-4].
9. В отсутствие опытных данных оценку параметра Тф0 можно произвести с использованием стационарной модели теплового равновесия Я.Б. Зельдовича и Д.А. Франк-Каменецкого для элементарного линейного участка воспламенения газового пламени с границами / - (/ + С/):
С<7т = dqъ (Г) + Сдн, (10)
где dqт - тепловой поток в направлении поступления реагентной смеси, кВт, образующийся при наличии продольного температурного градиента (Гф0 - Г0), К; dqв(Т) - тепловыделение, кВт, генерирующее продольный температурный градиент (Гф0 - Г0), К; dqн - теплота, необходимая для
нагрева смеси, кВт. Рассматривая пламя, образованное газовоздушной смесью, Д.А. Франк-Каменецкий отмечает незначительность времени пребывания последней в зоне реагирования, где тепловыделение является много большим тепловых затрат на нагрев. Выделяя далее последовательные участки нагрева и тепловыделения, он линеаризует продольные профили температуры на каждом из них, а передачу теплоты в направлении поступления реагентной смеси рассматривает в виде условной теплопроводности, заменяя ею сложный механизм лучисто-конвективного теплообмена [20]. Решение задачи по отысканию, в частности, температурного градиента (Гф0 - Г0) или максимальной температуры факела Тф0 при этом серьезно
упрощается. В промышленных топках выделить или специально организовать самостоятельные последовательные участки нагрева и горения с линейными профилями температуры достаточно сложно. Здесь, как правило, оба процесса протекают параллельно, а на выходе из горелок реализуются профили (1), (3), использование которых также упрощает задачу по отысканию температуры Гф0. Однако составляя баланс теплоты для
участка факела с границами / - (/ + С/), необходимо учитывать реальные условия зажигания реа-гентной смеси и вносить поправки на дополнительные тепловые потери и теплоотвод:
^т = ^ (Т) + dqдоп - ^экр - ^р - ^гр , (11)
где dqдоп - приток теплоты с подсветочным топливом, кВт; dqэкр - отвод теплоты к экранам, кВт; dqр - затраты теплоты на нагрев непрореагирован-ной части топлива и воздуха, кВт; dqгр - потери теплоты факела на нагрев газов рециркуляции, кВт.
После раскрытия и интегрирования всех членов уравнение (11) можно представить в удобной для инженерных расчетов форме [1]:
Гф0 - Т0
= аф6нРВр + QТдопВр доп -
'ф
-оатТф0Щ(Х¥гРг )а.г -срт (Тф0 -Т0)(1-аф)Вр -
г=1
- срв (Т ф0 - Т 0 )Р0 и0 [(! - аф )+(а- 1)] Вр --срг (Тф0 -Т0 )Рг«гrBp, (12)
где X - условный коэффициент теплопроводности, кВт/(мК), в проводимых исследованиях принимались опытные значения X ~1 кВт/(мК); Т0 - температура начальная, усредненная вдоль плоскости амбразур и поверхности экранов, в отсутствие опытных данных ориентировочно по приведенной выше таблице; Тф0 - средняя температура факела смеси всех компонент в конце зоны воспламенения и условно постоянная на втором участке зоны активного горения, К; для топки с фронтальной компоновкой горелок Рф = На г Ат, м2; для топки со встречной компоновкой горелок Рф = Н".ТСТ , м2, где Н а г - высота зоны активного горения, м; Ат - ширина камеры сгорания, м; Ст - глубина камеры сгорания, м; аф - интегральная степень выгорания топлива; Вр и Ор -
расход и теплота сгорания топлива на рабочую массу, кг/с и кДж/кг соответственно; Вр доп и
Он доп - расход и теплота сгорания подсветочного топлива на рабочую массу, кг/с и кДж/кг; ст = 5,7 -10-11 кВт/(м2К4) - универсальная постоянная Стефана - Больцмана; ат - степень черноты факела, принимается согласно [2, 3];
¡=п
Т(Тгр-) - комплекс эффективной поверхно-
г=1
сти тепловосприятия зоны активного горения по нормативной методике теплового расчета, м2;
член уравнения срт (Гф0 - Т0 )(1 - аф) Вр соответствует количеству теплоты, кВт, отбираемой из факела на нагрев непрореагировавшей части топлива
(1-аф)Bp, кг/с; член уравненИЯ Срв (Тф0 -Т0)Р0Ч) <
< Ц(1 - аф ) + (а -1)^ Вр - количество теплоты, кВт,
отбираемой из факела на нагрев непрореагировавшей и избыточной части воздуха
р0«0 |^(1-аф )+(а-1)] Вр , кг/с; срг (Тф0 -Т0 )рг«ггВр —
количество теплоты, кВт, отбираемой из факела на нагрев газов рециркуляции в количестве рггВр , кг/с; срт, срв, срг - теплоемкость топливного остатка, воздуха и газов рециркуляции
при средней температуре на участке воспламенения Твсорспл по (2), кДж/(кг-К); и0, иг - объемы воздуха и продуктов сгорания, отнесенные к нормальным условиям и 1 кг топлива, нм3/кг; р0, рг -плотность воздуха и продуктов сгорания при средней температуре на участке воспламенения
Твсорспл по (2), кг/нм3.
9. В отсутствие опытных данных по аф при
сжигании пыли оценку этого параметра можно произвести по предложенной ранее автором методике с использованием преобразованных формул В.И. Бабия и Ю.Ф. Куваева и практического пыле-распределения за мельницами [1, 21]. При этом расчетные значения будут отличаться от реально получаемых показателей степени выгорания топлива на котле на 15 %, если система сжигания топлива оснащена горелками смесительного типа; до 5 %, если система сжигания оснащена горелками с узлами рассредоточенного соплового ввода реагентных потоков в топку.
Выводы
Рассмотренные модель топочного устройства и методические рекомендации по оценке тепловых характеристик факела в дальнейшем можно расширять как в части конструктивных элементов, так и видов сжигаемого топлива с одновременным пополнением расчетной базы опытными данными [13-15].
Литература
1. Управление тепловой структурой факела в топках котлов БКЗ-210-140Ф с одноярусной фронтальной компоновкой многофункциональных горелок при сжигании разнородного топлива /
В.В. Осинцев, М.П. Сухарев, Е.В. Торопов, К.В. Осин-цев // Теплоэнергетика. - 2005. - № 9. - С. 14-23.
2. Кузнецов, Н.В.Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) / Н.В. Кузнецов. -М.; Л.: Энергия, 1973. - 256 с.
3. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: НПО ЦКТИ-ВТИ, 1998. - 257 с.
4. Митор, В.В. Проектирование топок с твердым шлакоудалением (дополнение к нормативному методу теплового расчета котельных агрегатов). Руководящие указания / В.В. Митор, Ю.Л. Маршак // ВТИ - НПО ЦКТИ. -1981. -Вып. 42. - 118 с.
5. Осинцев, К.В. Способ снижения теплового потока в направлении горелочных амбразур / К.В. Осинцев // Электрические станции. - 2009. -№ 11. - С. 13-17.
6. Осинцев, К.В. Организация низкотемпературного факельного сжигания угольной пыли на котлах / К.В. Осинцев // Тяжелое машиностроение. - 2010. - № 12. - С. 15-19.
7. Осинцев, К.В. Расчет характеристик начального участка полидисперсного факела при
фронтальном прямоточном вводе реагентов в топку / К.В. Осинцев // Тепловые процессы в технике. - 2009. - № 9. - Т. 1. - С. 379-382.
8. Осинцев, К.В. Переход к низкотемпературному сжиганию топлива на котлах ТЭЦ г. Бишкек / К.В. Осинцев // Теплоэнергетика. - 2012. - № 8. -
С. 1-6.
9. Сжигание природного газа в слабоэкрани-рованной топке котла Бабкок-Вилькокс с подовыми горелками / К.В. Осинцев, В.В. Осинцев, М.П. Сухарев и др. // Электрические станции. -2010. - № 6. - С. 8-14.
10. Осинцев, К.В. Повышение надежности топки и дымоотводящих элементов котла Баб-кок-Вилькокс при сжигании природного газа в подовых щелевых горелках / К.В. Осинцев // Теплоэнергетика. - 2010. - № 4. - С. 2-8.
11. Осинцев, В.В. Анализ тепловых неравномерностей газов в топках парогенераторов /
В.В. Осинцев, В.В. Осинцев //Научные труды МЭИ «Повышение эффективности и надежности работы парогенераторов». Межвузовский сборник. -М.: МЭИ, 1983. - Вып. 15. - С. 80-86.
12. Совершенствование методов снижения температурных неравномерностей в топках с фронтальной компоновкой горелок / В.В. Осинцев,
В.В. Осинцев, А.М. Хидиятов и др. // Теплоэнергетика. - 1990. - № 4. - С. 23-26.
13. Осинцев, К.В. Учет неоднородности и нестабильности тепловой структуры топочного факела при использовании многофункциональных горелок / К.В. Осинцев, В.В. Осинцев // Теплоэнергетика. - 2007. - № 6. - С. 66-70.
14. Перевод оборудования ТЭС на факельное
сжигание разнородных топлив с использованием технологии рассредоточенного ввода реагентов в топку / К.В. Осинцев, М.П. Сухарев, Е.В. Торопов,
B.В. Осинцев // Теплоэнергетика. - 2008. - № 4. -
C. 75-79.
15. Улучшение процесса сжигания топлива на котлах БКЗ-210-140Ф / В.В. Осинцев, М.П. Сухарев, Е.В. Торопов, К.В. Осинцев // Электрические станции. - 2006. - № 11. - С. 13-20.
16. Особенности и организация факельного процесса в топке с многофункциональными горелками / В.В. Осинцев, Г.Ф. Кузнецов, В.В. Петров, М.П. Сухарев // Электрические станции. - 2002. -№ 11. - С. 14-19.
17. Перевод котла БКЗ-160 на технологию ступенчатого сжигания топлива / В.В. Осинцев,
A.К. Джундубаев, В.Я. Гигин и др. // Электрические станции. - 1993. - № 3. - С. 25-29.
18. Перевод котла БКЗ-210-140Ф Челябинской ТЭЦ-2 на технологию сжигания природного газа с раздельным тангенциальным вводом реагентов в топку / В.В. Осинцев, А.К. Джундубаев, Г.Ф. Кузнецов и др. // Электрические станции. -1994. - № 7. - С. 12-17.
19. Осинцев, В.В. Аэродинамика и температурные поля газоходов пылеугольных котлов /
B.В. Осинцев // Теплоэнергетика. - 1989. - № 11. -
C. 46-49.
20. Франк-Каменецкий, Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Д.А. Франк-Каменецкий. - М.: Изд-во АНСССР, 1947. - 491 с.
21. Бабий, В.И. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела / В.И. Бабий, Ю.Ф. Ку-ваев. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 210 с.
Осинцев Константин Владимирович, канд. техн. наук, доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; osintсev2008@yandex.ru.
Поступила в редакцию 31 марта 2014 г.
Bulletin of the South Ural State University Series “Power Engineering” ______________2014, vol. 14, no. 3, pp. 5-14
COMPUTATIONAL MODEL OF FURNACE UNIT WITH VARIOUS LAYOUTS OF BURNERS
K. V. Osintsev, South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation, osintcev2008@yandex. ru
Previously offered computational model of furnace unit with front-face layout of burners including active combustion and cooling zones with the former being additionally separated into ignition and burning areas at balanced heat-sink with conditionally constant flame temperature has found a use in development and adjustment of new fuel combustion systems as well as in reconstruction of existing ones. The paper considers model
of furnace unit with bottom-ash removal and different schemes of wall layout of burners; the model is used for evaluation of thermal characteristics of flame at design and engineering works, adjustment and studies of boilers. The paper offers technique of model use. Submitted offers allow of enhancing safety of system introducing reactant and regulated inert flows into furnace, minimizing slagging at burning of solid slagging fuels, prolongating interrepair life of boiler equipment. Use of developed model and calculating technique for thermal characteristics of flame allows of setting effective performance operating and constructive parameters for system introducing reactant and regulated inert flows into furnace, additionally providing enhanced safety of boiler elements at conversion of units from one kind of fuel to another. Evaluation technique for thermal characteristics of flame using two-zone model of furnace cannot be regarded as complete with full coverage of possible technical variants of layout schemes and constructions of burners. With that, technique can be used as basic one at optimization of new types of furnaces and burners; it also allows of filling up computational base with experimental data that could be further used for safety engineering estimate of elements in such units.
Keywords: boiler, burner, model, technique.
References
1. Osintsev V.V., Sukharev M.P., Toropov E.V., Osintsev K.V. [Controlling the Thermal Structure of the Flame in the Furnaces of BKZ-210-140F Boilers with Single-Tier Frontal Arrangement of Multifunctional Burners when Burning Various Kinds of Fuel]. Teploenergetika [Thermal Engineering], 2005, no. 52, pp. 678-687. (in Russ.)
2. Teplovoy raschet kotelnykh agregatov. Normativny metod [Thermal Design of Boilers. A Standard Method], a revised and extended 2rd edition. Moscow & St. Petersburg, Energy, 1973. 256 p.
3. Teplovoy raschet kotlov. Normativny metod [Thermal Design of Boilers. A Standard Method], a revised and extended 3rd edition. St. Petersburg, NPO TsKTI, 1998. 257 p.
4. Mitor V.V., Marshak Yu.L. Proektirovanie topok s tverdym shlakoudaleniem (dopolnenie k normativnomu metodu teplovogo rascheta kotelnykh agregatov) [Designing Furnaces with Dry-Ash Removal (a Supplement to the Standard Method for Thermal Design of Boiler Units: Guidelines)]. Leningrad, NPO TsKTI, 1981, iss. 42, 118 p.
5. Osintsev K.V. [Method for Reducing the Heat Flux onto Burner Ports]. Elektricheskie Stantsii [Electric Power Plants], 2010, no. 44, pp. 47-51. (in Russ.)
6. Osintsev K.V. [Organization of Low-Temperature Flaring of Coal Dust on Boilers]. Tyazheloe mashino-stroenie [Heavy Mechanical Engineering], 2010, no. 12, pp. 15-19. (in Russ.)
7. Osintsev K.V. [Changeover to Low-Temperature Combustion of Fuel in the Boilers at Cogeneration Stations in Bishkek]. Teploenergetika [Thermal Engineering], 2012, no. 59, pp. 598-603. (in Russ.)
8. Osintsev K.V., Osintsev V. V., Sukharev M. P. et al. [Combustion of Natural Gas in the Babcock & Wilcox Boiler Furnace with Low-Shielding Pipes in Bottom Burners]. Elektricheskie Stantsii [Electric Power Plants], 2010, no. 6, pp. 8-14. (in Russ.)
9. Osintsev K.V. [Improving the Reliability of the Furnace and Gas Conduits of a Babcock-Wilcox Boiler During the Firing of Natural Gas in Bottom Slot Burners]. Teploenergetika [Thermal Engineering], 2010, no. 57, pp. 273-281. (in Russ.)
10. Osintsev Vl.V., Osintsev Val.V. [Analysis of Thermal Nonuniform of Gases in Furnaces of Steam Generators]. Trudy MEI [Proceedings of the MEI]. Moscow, MEI, 1983, no 15, pp. 80-86. (in Russ.)
11. Osintsev Vl.V., Osintsev Val.V., Khidiyatov A.M. et al. [Improvement of Methods for Reducing the Temperature Nonuniforms in Furnaces Fitted Frontal Burners]. Teploenergetika [Thermal Engineering], 1990, no. 4, pp. 23-26. (in Russ.)
12. Teplovoy raschet kotelnykh agregatov. Normativny metod [Thermal Design of Boilers. A Standard Method], a revised and extended 2rd edition. Moscow & St. Petersburg, Energy, 1973. 256 p.
13. Osintsev K.V., Osintsev V.V. [Taking into Account the Nonuniform and Unstable Thermal Fireball when Using Multifunctional Burners]. Teploenergetika [Thermal Engineering], 2007, no. 54, pp. 492-497. (in Russ.)
14. Osintsev K.V., Osintsev V.V., Sukharev M.P., Toropov E.V. [Shifting the Equipment of Thermal Power Stations for Firing Different Kinds of Fuels in Flames Using the Technology of Distributed Admission of Reagents into the Furnace]. Teploenergetika [Thermal Engineering], 2008, no. 55, pp. 355-360. (in Russ.)
15. Osintsev V.V., Sukharev M.P., Toropov E.V., Osintsev K.V. [Improvement of the Process of Fuel Firing on BKZ-210-140F Boilers]. Elektricheskie Stantsii [Electric Power Plants], 2007, no. 41, pp. 34-40.
(in Russ.)
16. Osintsev V.V., Dzhundubaev A.K., Gigin V.Ya. et al. [Shifting a BKZ-160 Boiler for Using a Staged
Fuel Combustion Technology]. Elektricheskie Stantsii [Electric Power Plants], 1993, no. 3, pp. 25-29.
(in Russ.)
17. Osintsev V.V., Dzhundubaev A.K., Gigin V.Ya. et al. [Shifting a BKZ-160 Boiler for Using a Staged Fuel Combustion Technology]. Elektricheskie Stantsii [Electric Power Plants], 1993, no. 3, pp. 25-29. (in Russ.)
18. Osintsev V.V., Dzhundubaev A.K., Kuznetsov G.F. et al. [Shifting a BKZ-210-140F Boiler of CCHP-2 for Using a Natural Gas Combustion Technology with Separate Tangential Inlet of the Reagents]. Elektricheskie Stantsii [Electric Power Plants], 1994, no. 7, pp. 12-17. (in Russ.)
19. Osintsev V.V. [Aerodynamics and Temperature Fields of Flues Coal-fired Boilers]. Teploenergetika [Thermal Engineering], 1989, no. 11, pp. 46-49. (in Russ.)
20. Frank-Kamenetskiy D.A. Diffusiya i teploperedacha v khimicheskoy kinetike [Diffusion and Heat Transfer in Chemical Kinetics]. Moscow, ASUSSR, 1947. 491 p.
21. Babiy V.I., Kuvaev Yu.F. Gorenie ugolnoy pyli i rasshchet pyleugolnogo fakela [Combustion of Pulverized Coal and Design of a Pulverized Coal Flame]. Moscow, Energoizdat, 1986. 210 p.
Received 31 March 2014
