Влияние технического состояния и режимов работы дымовых труб на окружающую среду Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 69.027.1

Ю. Г. Володин, О. П. Марфина, М. С. Цветкович, А. П. Кирпичников

ВЛИЯНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДЫМОВЫХ ТРУБ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Ключевые слова: экология, техническое состояние, дымовая труба, дымовые газы, отводящий ствол, газодинамические

характеристики, математическое моделирование.

В статье приведены расчеты газодинамических характеристик отводящих стволов промышленных дымовых труб. Показано, что избыточные давления внутри ствола дымовой трубы по отношению к атмосферному давлению способствуют разрушению стен трубы. Приводятся методы расчета газодинамических характеристик потоков дымовых газов, а также результаты расчетов по одномерной и трехмерной моделям течения. Раскрыты причины, приводящие к разрушению стен дымовой трубы, что, в свою очередь, приводит к увеличению вредных выбросов в непосредственной близости от источника и ухудшению экологической обстановки в целом

Keywords: the ecology, technical condition, the smoke pipe, the smoke gases, the deferent trunk, the gas dynamics characteristics, the

mathematical modeling.

To the article show the calculations gas-dynamic characteristics of the deferent trunk of the industrial smoke pipes. It is shown that surplus pressures into the trunk of smoke pipes in relation to atmospheric pressure assist destruction of walls ofpipe. Methods over of calculation of gas-dynamic characteristics of streams of smoke gases, and also results of calculations, are brought on unidimensional and three-dimensional to the models of flow. Open motives, resulting in destruction of walls of smoke pipe, that, in same queue, to results in the increase of harmful the throw out in a direct closeness from a source and worsening of ecological situation on the whole

Среди источников загрязнителей воздуха различают природные и антропогенные. К первым относятся - пыль космического, вулканического и растительного происхождения, дым и газы, образующиеся при лесных и степных пожарах, продукты выветривания почв, разрушения горных пород и т. п. Эти источники формируют фоновый характер загрязнения воздушной среды природными источниками. Ко второй группе относятся основные источники, поставляющие загрязнители в воздушный бассейн. Ими являются промышленность, сельское хозяйство и автотранспорт. Лидирующие позиции занимают ведущие отрасли промышленности -металлургическая, энергетическая, химическая, стройиндустрия, машиностроение.

При сжигании различных видов топлива энергетическими комплексами в атмосферу через дымовые трубы выбрасываются большие количества сернистого ангидрида, оксидов углерода и азота, сажи. Наибольшую долю среди общего количества веществ, поступающих в атмосферу, занимают окись углерода, пыль, ангидрид сернистый, оксид азота.

Взрослый человек ежесуточно потребляет 12 м3 воздуха. Все эти загрязнители оказывают влияние на здоровье людей. Медиками установлена прямая связь между загрязнением воздуха и рядом заболеваний. Например, продолжительность течения респираторных заболеваний у детей, проживающих в относительно загрязненных районах, в 2 - 2,5 раза больше. В городах с неблагоприятной экологической обстановкой у детей отмечены функциональные отклонения в системе иммунитета и кровообразования и нарушения компенсаторно-адаптационных

механизмов к условиям внешней среды. Есть исследования, установившие связь между загрязнением воздуха и смертностью людей. В некоторых случаях до 90% городских территорий являются зонами с превышением предельно допустимых концентраций (ПДК) по МОх, СО, оксидам серы и др., которые приводят к дистрофическим изменениям в почках, печени и сердце, а также к токсикозам, врожденным аномалиям, сердечной недостаточностью и т. п. Таким образом, атмосферные загрязнения могут быть причиной возникновения у человека неинфекционных заболеваний, а ухудшение санитарных условий жизни людей и причиняют экономический ущерб.

В технологических схемах тепловых электрических станций (ТЭС) обязательной составляющей является газовоздушный тракт, через который подается воздух в топки котлов и отводятся дымовые газы. Завершающим элементом при выбросе дымовых газов в атмосферу является дымовая труба. Дымовая труба представляет собой сложное специальное инженерное сооружение башенного типа, предназначенное для отвода дымовых газов от ТЭС или других технологических объектов и рассеивания их в атмосфере. При правильной работе дымовой трубы концентрация токсических веществ, содержащихся в дымовых газах, в нижнем слое атмосферы не должна превышать ПДК. От надежности, эффективности и долговечности дымовых труб зависит не только бесперебойная работа подключенного к ним энергетического оборудования, но также экологическое состояние окружающей среды. В то же время надежность, эффективность и долговечность самих этих сооружений во многом

определяются характером протекающих в них достаточно сложных газодинамического и тепло-массообменного процессов.

Современная дымовая труба, как правило, состоит из несущей конструкции - оболочки, газоотводящего ствола или футеровки и фундамента. Оболочка дымовой трубы должна обеспечивать высокую прочность сооружения к воздействию собственного его веса, к ветровой нагрузке, а также к сейсмическим и метеорологическим воздействиям. В качестве оболочек для дымовых труб современных ТЭС исключительное применение получили конструкции из монолитного железобетона конической формы с изменяющейся по высоте толщиной стенки. Иногда верхнюю часть трубы на определенной высоте делают цилиндрической.

Рис. 1 - Сквозные отверстия в стенке. Коррозия арматуры

Выбор конструкции дымовой трубы зависит от агрессивности дымовых газов, от их состава и точки росы, от мощности электростанции и ее типа. Агрессивность дымовых газов определяется содержанием агрессивных компонентов и влаги в топливе, разностью между температурой точки росы и температурой стенки газоотводящего ствола. Основными агрессивными компонентами дымовых газов считаются серные и сернистые ангидриды. При эксплуатации монолитных железобетонных труб с кирпичной футеровкой не редко наблюдаются ситуации, когда дымовые газы, проникнув через неплотности кладки и соединившись на бетонной оболочке со сконденсировавшимися водяными парами, образуют агрессивную жидкость, которая затем диффундирует в тело бетона, достигает металлической арматуры и, таким образом, осуществляет разрушающее воздействие на все сооружение (рис. 1).

В работе [1] указывается, что до последнего времени причины проникновения газов наружу ствола были недостаточно изучены. Главной из них считалась диффузия газов за счет разности концентраций агрессивных компонентов внутри трубы и снаружи. Исследования, проведенные рядом авторов, например, [2] показали, что не менее существенно на процесс проникновения газов через стенку ствола дымовой трубы влияют

газодинамические факторы. Доказано, что при наличии самотяги в нижней части трубы в определенных случаях (при увеличении нагрузки на трубу) на отдельных участках внутри ствола наблюдаются избыточные статические давления, которые стимулируют и ускоряют процесс фильтрации газов наружу.

Для выявления факта наличия избыточных статических давлений внутри ствола Л. А. Рихтером [3] предложен специальный критерий

(X + Ш)рдо gApD0 ' 1 ;

где X - коэффициент гидравлического сопротивления ствола (для труб с кирпичной футеровкой X обычно принимается равным 0,05); i -уклон образующей стенки ствола трубы; рДо -динамический напор в устье ствола, Па; D0 -диаметр устья, м; Др - разница плотностей воздуха и дымовых газов, кг/м3 (плотность газов принимается неизменной по высоте трубы); g -ускорение свободного падения, м/с2.

Считается, что если R меньше или равен 1, то вся труба находится под разрежением и проникновение агрессивных газов наружу невозможно. Если R больше 1, то на некоторых участках трубы возникает избыточное статическое давление на стенку, которое способствует усилению фильтрации агрессивных газов через футеровку. Проходя через швы, неплотности кладки и через поры кирпича, содержащиеся в газах водяные пары охлаждаются, конденсируются и, соединяясь с содержащимися в газах SO2 и SO3, образуют серную кислоту, которая, как уже отмечалось, действует на железобетонную оболочку разрушающим образом.

Из сказанного следует, что для увеличения долговечности дымовых труб необходимо изучать и создавать условия, препятствующие возникновению и развитию указанного процесса.

Газоотводящие стволы дымовых труб образуются тем или иным сочетанием конфузоров, участков постоянного поперечного сечения и диффузоров, которые обычно составляют выходную часть газоотводящих стволов. Газодинамический расчет газоотводящих труб обычно сводится к определению давлений, действующих на стенку изнутри со стороны дымовых газов с целью определения участков, где разница между этими давлениями и атмосферным давлением приобретает положительный знак. При этом создаются условия более интенсивного проникновения агрессивных компонентов дымовых газов в железобетонную оболочку, вызывая соответствующие разрушения.

Существующие методы расчета

газодинамических характеристик потоков дымовых газов строятся при следующих упрощающих допущениях:

- течение изотермическое;

- рабочая среда (дымовые газы) несжимаемая (р =

const);

- стенки канала непроницаемы и адиабатически изолированы;

- течение в трубе полностью сформировавшееся и стабилизированное, т. е. его характеристики по продольной координате не изменяются;

- температура дымовых газов постоянна по длине канала.

В газовыводящем тракте выделяется элементарный участок высотой dH с входным сечением f и выходным - f+df). Разность между статическим давлением p0 газов в устье ствола и барометрическим давлением B0 на той же отметке равна нулю (Др0 = 0). В качестве линейного масштаба принимается диаметр устья D0, а в качестве масштаба давления скоростной напор газов в устье рдо= р^02/2 (р и - плотность газов и скорость их в устье).

Уравнение закона сохранения энергии для потока в стволе в случае необратимого адиабатического течения (с учетом трения газа о стенки ствола, но при отсутствии теплообмена с внешней средой и при отсутствии технической работы) записывается в виде

р^Л „

Pi + ( ) + Р5Я1

= Р2 + + рАЕТ

р wf

+ рдн2

(2)

или

+ Др.

тр

где р и w - статическое давление и среднерасходная скорость в сечениях ствола с координатами Н1 и Н2. Д£Г.м - потери энергии потока на преодоление трения и местных сопротивлений; Дртр - потери давления на трение.

Разность статических давлений в стволе и барометрического давления в сечениях 1 и 2 получается равной

Др1=р1-В1 (4)

Др2 =р2~В2 (5)

при этом

В1 = В1 + рвд(Н2-Н1) (6)

где рв - плотность окружающей среды. С учетом выражений (4) и (6), (3) преобразуются к виду

Др1 + В1 + рвдДН +

р wí

= Др2 +В2

р wf

(7)

+ рд(Н2 -Н1) + Др.

тр

Приращение разности статических давлений на участке ДЯ = Н2-Н1 канала

Др1 -Др2 =

-j -Дрд(н2-н1) (8)

+ ДРтр

где Др = рв — р - разность плотностей окружающего воздуха и газов в стволе. Запишем (8) в дифференциальной форме

д(Др) = рыды - ДрддН + (Дртр), (9)

а для Дртр принимают ДРтр =

C/рw22

(10)

где под Сf понимается локальный коэффициент трения, обусловленный тормозящим действием стенки канала, вязкостью протекающей среды и неравномерным распределением скорости в поперечном сечении потока, в общем случае переменный по длине газоотводящего ствола и существенно зависящий от режима течения, от распределения скоростей в сечениях канала, от шероховатости обтекаемой поверхности, от геометрии ствола и от целого ряда внешних возмущающих воздействий на поток.

Поделив обе части выражения (9) на рwf/2 и принимая во внимание очевидные соотношения и + дуу)/№0 =[0/(/ + д[), с учетом выражения (10) получим

д (Др) = д0- dS.

(11)

Здесь д(Др) = д(Др)/(рм/о)/2 - относительное приращение разности статического и барометрического давлений; 90 - приращение форм-параметра на участке ствола дН, а 95 -относительная самотяга на том же участке

D

диф

Do

диф

---[—

Рис. 2 - Схема диффузора над устьем дымовой трубы: Бдиф - диаметр диффузора, Б0 - диаметр устья дымовой трубы, /диф - высота диффузора, ¿0 - ¿-ая секция дымовой трубы

Я(~ ftdf fo

dS = ДрддН/^Wq /2) = 2Ar0(dH/D0) где Ar0 критерий Архимеда

Ar0 = ДрдgD0/рw 02.

(12) (13)

После интегрирования выражения (11) по высоте газоотводящего ствола получается

АР = 0- 5 = 0- 2Аг 0Н,

(14)

где Н = Н/О0 - относительная высота трубы.

Из формулы (14) видно, что форм-параметр характеризует распределение относительного перепада статического давления по высоте газоотводящего ствола при Ар = 0, которое зависит только от геометрических характеристик газоотводящего ствола и от состояния его внутренней поверхности.

Вопрос о режиме работы трубы решается в зависимости от величины и знака отношения

0

0

ф 5 2НкАгп

(15)

В работе [1] величина <р названа критерием газодинамического режима работы газоотводящего ствола, который представляет собой отношение суммы удельного приращения средней кинетической энергии потока и ее диссипации на участке между рассматриваемым сечением и устьем трубы к работе, совершаемой на этом участке единичным объемом газа под действием архимедовой силы. По мнению автора [1] значение Ф, определенного для устья газоотводящего ствола, дает ответ на вопрос: существует ли избыточное давление в верхней части ствола?

При необходимости для борьбы с избыточными статическими давлениями в дымовых трубах с газоотводящим стволом конической формы на выходе его рекомендуется устанавливать диффузор (рис. 2). В этом случае нулевая разность статических давлений имеет место на выходе из диффузора, а в узкой его части, примыкающей к стволу, образуется разрежение и на эту величину уменьшаются перепады между статическими давлениями газов в стволе и атмосферным давлением воздуха по высоте трубы.

Важным элементом дымовой трубы является также цокольная часть, где происходит сопряжение ствола с газоходами. При выполнении цокольной части дымовых труб должны быть обеспечены минимальные гидравлические потери при вводе, отсутствие золовых отложений и созданы условия для их изготовления индустриальными методами. При двухстороннем вводе газоходов в газоотводящие стволы конической формы рекомендуется устанавливать цоколь,

представленный на рис. 3. В сечении устья 0 = 0 и 5=0. Выражение для ф приобретает форму, полученную Л. А. Рихтером в работе [4] другим путем

Д0=Яу/2Аг0, (16)

где Ху - коэффициент сопротивления трения некоторого условного ствола, эквивалентного по

Рис. 3 - Типовой цоколь газоотводящего ствола конической формы с двухсторонним вводом газоходов. Б — диаметр основания газоотводящего ствола, к - высота газохода

своим геометрическим характеристикам участку, которым заканчивается рассматриваемый ствол. Из выражения (8) следует, что для определения газодинамических характеристик газоотводящих стволов, необходимо наряду с их геометрией знать коэффициенты потерь С^при движениях потоков газов в стволах.

В отводящих стволах конфузорной формы с консольными выступами для опирания футеровки местные сопротивления, обусловленные

дополнительным сужением сечений ствола в местах указанных выступов, а затем внезапным расширением потока после них, предлагается учитывать, принимая увеличенным коэффициент сопротивления трения. При расчете потерь на трение на участке отводящего ствола длинной I и диаметром Б пользуются обычно известной формулой Дарси-Вейсбаха [5]

АрТр = Х(рш2/2) • (1/0),

(17)

которая определяет потери энергии в цилиндрическом канале при стабилизированном течении жидкости через него.

Но стабилизированное течение, как известно, начинается на значительном расстоянии от входного сечения: с того места, где происходит смыкание динамического пограничного слоя и устанавливается развитый турбулентный профиль скорости. Это сечение обычно находится на расстоянии 30 - 50 диаметров от входа в канал (т. е. на расстоянии, соизмеримом с высотой типовой промышленной дымовой трубы). А в области начального участка картина течения (а, следовательно, и процессов тепломассообмена)

существенно отличается от стабилизированного течения [5, 6, 7].

О 0,5 1

Значение параметров

\ \

^Самотяга S \ V \ Форм-парамет :ч\ ЭФ

\ \ \ А —норм \ ч \ \ \ х\ \

\ \ \ \ \ \

2 4 6 8

Значение параметров

Рис. 4 - Эпюры распределения параметров Ap , S, Ф для дымовой трубы высотой 180 метров рассчитанных: а) по одномерной модели течения

Л- Др-2

и б) по трехмерной модели течения. Др = —j -

Ро^о

перепад давления на стенку ствола со стороны дымовых газов и барометрическим давлением в соответствующем поперечном его сечении;

2дДок , Л _ ,

S =-- относительная самотяга; Ф = Др + S

р^о

- форм-параметр газоотводящего канала дымовой трубы

С учетом выше изложенного, рассмотрим объёмное трёхмерное течение в отводящем стволе дымовой трубы. С этой целью воспользуемся полными уравнениями Навье-Стокса. Осредним их по Фавру. Далее систему уравнений замкнем k-e -моделью турбулентности с применением улучшенных пристеночных функций. В результате получим математическую модель [8], которая описывает трёхмерное течение газов в промышленной дымовой трубе.

Выполненные расчеты при таком подходе позволили получить физическую картину изучаемого процесса с её детализацией. В частности, были определены вихревые зоны и интенсивные вторичные течения в отводящем стволе трубы. Эти вторичные течения существенным образом влияют на распределение скоростей в поперечных сечениях в функции продольной координаты отводящего ствола, оказывая соответствующее влияние на кинематическую структуру потока в целом. В

пристеночных областях потока это характеризует трение, тепло- и массоперенос.

Во всех случаях (при эксплуатации, проектировании и т. п.) важнейшим является вопрос о прогнозировании месторасположения участков ствола более подверженных коррозии. Характеристикой рассматриваемой ситуации является распределение давлений на стенку отводящего ствола трубы. Л. А. Рихтером [3] установлен факт интенсификации процесса коррозии в тех случаях, когда статическое давление дымовых газов на стенку ствола превышает атмосферное давление. Таким образом, построение эпюр давлений - важный результат исследований, который позволяет найти на них необходимые характерные точки, при проектировании дымовой трубы выбрать оптимальную геометрию, выполнить анализ работы действующей дымовой трубы, особенно с изменением режима ее работы при подключении (отключении) технологического оборудования.

На рис. 4 приведены результаты расчетов по одно и трехмерной моделям течений. Общепринятая одномерная модель (результаты расчета приведены на рис. 4 а) строится с учетом ряда упрощающих допущений, которые по причине одномерности не способны адекватно описывать особенности течения в некоторых основополагающих участках отводящего ствола трубы. Таким участком является входной участок ствола, расположенный у основания трубы. Здесь поток имеет явно трехмерный характер. От течения потока на этом участке зависят его параметры в верх по течению ствола дымовой трубы.

Результаты расчетов по трехмерной модели течения показаны на рис. 4 б. Наблюдаются явные различия в результатах расчетов, выполненных по одно и трехмерной моделям. Полученные в результате расчетов по трехмерной модели закрутки потока в виде крупных вихрей и вторичных течений представляются основной причиной различия результатов. Закрутки потока, являясь источником вращательного движения дымовых газов в стволе, формируют центробежные силы, которые, в свою очередь, оказывают дополнительное к статическому давление на стенку. Так как дымовая труба представляет из себя конфузорный канал, то в результате воздействия отрицательного

продольного градиента давления по высоте трубы происходит ослабление вихрей и вторичных течений, ослабевает вращательное движение и снижается величина центробежных сил. Вращательное движение постепенно вырождается и для рассматриваемого примера на высоте примерно 30 метров становится осевым. Профиль скоростей становится практически равномерным.

Полученная таким образом трансформация кинематической структуры потока дымовых газов в отводящем стволе дымовой трубы является основной причиной формирования

неравномерностей в распределениях давлений, температуры, кинетической энергии

турбулентности. Последняя отвечает за

интенсивность протекания процессов тепло- и массо- переноса.

Приведенные результаты расчетов позволяют резюмировать о том, что в цокольной части дымовой трубы необходимо снизить либо предотвратить закрутку потока дымовых газов и получить соответствующий газодинамический режим в отводящем стволе дымовой трубы, который позволит повысить коррозионную стойкость стен.

Выводы

Как видно из проведенного анализа, режим работы дымовой трубы определяет ее техническое состояние и, следовательно, при формировании повреждений в результате серной коррозии, негативное влияние на окружающую среду в непосредственной близости к объекту с повышенной концентрацией токсических веществ, превышающей ПДК.

Загрязнение окружающей природной среды и, в частности, атмосферы, имеет неблагоприятные последствия для здоровья не только настоящего, но и последующих поколений. Поэтому можно смело утверждать, что разработка мероприятий, направленных на то, чтобы уменьшить выбросы вредных веществ в атмосферу, - одна из самых

актуальных на сегодняшний день проблем

человечества.

Литература

1. Дужих Ф. П., Осоловский В. П., Ладыгичев М. Г. Промышленные дымовые и вентиляционные трубы. -М.: Теплотехник, 2004. - 464 с.;

2. Рихтер Л. А. Тепловые электрические станции и защита атмосферы. - М.: Энергия, 1975. - 312 с.;

3. Рихтер Л.А., Елизаров Д.П., Лавыгин В.М. Вспомогательное оборудование тепловых электростанций. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 216 с.;

4. Рихтер Л.А. Аэродинамические характеристики дымовых труб // Электрические станции, 1968, № 4. - С. 11-14;

5. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Наука, 1969. - 712 с.;

6. Володин Ю.Г., Марфина О.П. Математическое моделирование пусковых режимов энергетических установок. - СПб.: «Инфо-да», 2007. - 128 с.;

7. Марфина О.П., Володин Ю.Г. Математическое моделирование нестационарного течения несжимаемого газа с теплообменом в осесимметричных каналах технологического оборудования // Известия КГАСУ, 2014, № 1. - С. 155-163.;

8. Володин Ю.Г., Марфина О.П., Цветкович М.С. Численное моделирование турбулентного течения газов в промышленной дымовой трубе // Приволжский научный вестник, 2014, № 6. - С. 33-35.

© Ю. Г. Володин - к.т.н., доцент кафедры физики, электротехники и автоматики КГАСУ, e-mail: yu.g.volodin@mail.ru; О. П. Марфина - к.т.н., доцент кафедры физики, электротехники и автоматики КГАСУ; М. С. Цветкович - аспирант кафедры физики, электротехники и автоматики КГАСУ; А. П. Кирпичников - д.ф.-м.н., проф., зав. каф. интеллектуальных систем и управления информационными ресурсами КНИТУ, e-mail: kirpichnikov@kstu.ru.

© Yu. G. Volodin - PhD, Associate Professor of the Department of physics, electrical engineering and automation, KSUAE, e-mail: yu.g.volodin@mail.ru; O. P. Marfina - PhD, Associate Professor of the Department physics, electrical engineering and automation, KSUAE; M. S. Cvetkovich - Graduate Student of the Department physics, electrical engineering and automation, KSUAE; A. P Kirpichnikov - Dr. Sci, Head of the Department of Intelligent Systems & Information Systems Control, KNRTU, e-mail: kirpichnikov@kstu.ru.