Содержание к диссертации
Введение
1 Исследование процессов пневмотранспорта и распределения мелкодисперсной пыли в СПВ и научные основы создания высокоэффективных регулируемых распределителей пылегазовых потоков 18
1.1 Проблема обеспечения наджного пневмотранспорта и распределения мелкодисперсной топливной пыли в схемах прямого вдувания 18
1.2 Аналитический обзор и теоретические основы низкоконцентрированного пневматического транспорта и распределения мелкодисперсной пыли в СПВ .24
1.3 Исследование закономерностей процессов при пневмотранспорте и распределении мелкодисперсной пыли в СПВ .35
1.4 Основные положения методических основ создания высокоэффективных регулируемых конструкций распределителей мелкодисперсной пыли в СПВ ... 55
1.5 Выводы по первой главе 57
2 Математическая модель и методика проектного расчта многоступенчатой системы распределения пылегазовой смеси по горелкам 60
2.1. Постановка задачи 60
2.2 Разработка математической модели 61
2.3 Разработка методики проектного расчта многоступенчатой системы распределения пылегазовой смеси по горелкам и анализ влияния параллельности трактов на наджность СПВ 66
2.4 Выводы по второй главе .74
3 Исследование, разработка и внедрение на ТЭС новых конструкций высокоэффективных регулируемых распределителей пылегазового потока 76
3.1 Анализ показателей эффективности делителей пыли и рекомендации по новым показателям неравномерности распределения 76
3.2 Методика проведения модельных исследований и отработки новых конструкций РПГП 84
3.3 Разработка и исследование регулируемых конфузорно-диффузорных делителей пыли 87 3.4 Разработка и исследование регулируемых камерных (центробежно противоточных) делителей пыли КДП 94
3.4.1 Разработка и исследование конструкции КДП для котлов П-76 энергоблоков 500 МВт ТЭС «Цзисянь» 94
3.4.2 Разработка и исследование конструкции КДП-С котлов ТПп-315 энергоблоков 300 МВт ТЭС «Инкоу» 99
3.4.3 Разработка и исследование конструкции КДП-С котлов ТПп-807 энергоблоков 800 МВт ТЭС «Суйчжун» 103
3.4.4 Разработка КДП-С для котлов пусковых энергоблоков 660 МВт ТЭС «Барх» и 225 МВт Черепетской ГРЭС 105
3.4.5 Разработка КДП для молотковых мельниц 106
3.4.6 Разработка и исследование камерного делителя-пылеконцентратора КДПК-С котла П-57Р энергоблока 500 МВт Экибастузской ГРЭС-2 .108
3.5 Разработка делителей–пылеконцентраторов конфузорного типа для среднеходных мельниц 112
3.6 Результаты промышленных испытаний и внедрения новых конструкций распределителей пылегазового потока 115
3.7 Выводы по третьей главе .127 4 Анализ работы и совершенствование конструкции центробежных сепараторов молотковых мельниц
4.1 Сепараторы мельниц и показатели их работы, комплексный показатель эффективности сепаратора .131
4.2 Расчтная оценка сравнительной эффективности работы встроенных в мельницу сепараторов 136
4.3 Разработка малогабаритного центробежного сепаратора для молотковых мельниц 147
4.4 Результаты промышленных испытаний малогабаритного центробежного сепаратора .156
4.5 Выводы по четвртой главе 159
5 Создание и исследование закономерностей работы нового дробильного оборудования для установок с КС, ЦКС и слоевого типа .161
5.1 Проблема подготовки топлива для установок сжигания и газификации в кипящем и циркулирующем кипящем слое 161
5.2 Отработка и исследование технологии дробления топлива для установок с КС и ЦКС 167
5.3 Отработка конструкции и исследование работы экспериментального образца центробежной режущей дробилки на стендовой установке 176
5.4 Теоретические основы работы центробежных режущих дробилок
5.4.1 Расчт движения кусков исходного топлива по диску ротора и их соударения с резцом .183
5.4.2 Анализ и расчт движения молотков после соударения кусков исходного топлива с неподвижным резцом 186
5.4.3 Теоретический анализ процесса отвода частиц готового продукта из зоны дробления .195
5.5 Опыт промышленного внедрения ЦРД 205
5.6 Выводы по пятой главе .212
6 Разработка и исследование систем, технологий и оборудования подготовки топлива для мощных энергоустановок с ЦКС КС и слоевого типа 214
6.1. Разработка систем подготовки рядового топлива с ЦРД для мощных энергоблоков ЦКС и КС.. 214
6.2 Исследование технологии подготовки мелкодисперсных топлив для энергоустановок с КС, ЦКС и слоевого типа 223
6.3 Разработка и расчтно-аналитическое исследование центробежных режущих дробилок для СПТ мощных энергоблоков с КС и ЦКС 235
6.4 Выводы по шестой главе .241
Заключение 243
Список основных сокращений 247
Список основных обозначений 249
Список литературы
- Основные положения методических основ создания высокоэффективных регулируемых конструкций распределителей мелкодисперсной пыли в СПВ
- Разработка методики проектного расчта многоступенчатой системы распределения пылегазовой смеси по горелкам и анализ влияния параллельности трактов на наджность СПВ
- Разработка и исследование регулируемых конфузорно-диффузорных делителей пыли 87 3.4 Разработка и исследование регулируемых камерных (центробежно противоточных) делителей пыли КДП
- Отработка конструкции и исследование работы экспериментального образца центробежной режущей дробилки на стендовой установке
Введение к работе
Актуальность темы исследований. При разработке и внедрении перспективных и
создании новых энергетических установок твёрдотопливной генерации – энергоблоков с
сверхкритическими (СКП) и суперкритическими (СКПП) параметрами пара, котлов и
газогенераторов с кипящим (КС) и циркулирующим кипящим (ЦКС) слоем, а также при
совершенствовании действующих установок, важной проблемой является создание
оборудования и технологий систем подготовки топлива (СПТ), требуемых для
обеспечения показателей надёжности, эффективности, взрывобезопасности и
экологической чистоты, отвечающим новым жёстким современным требованиям. Опыт работы и исследования котельных установок с пылевым сжиганием мелкодисперсного топлива в схемах с прямым вдуванием (СПВ), составлявших основу современных СПТ, показали, что одним из актуальных направлений решения в комплексе данных проблем является создание высокоэффективных и регулируемых распределителей пылегазового потока (РПГП), обеспечивающих максимальное снижение температурных и тепловых перекосов в топке, повышение надёжности поверхностей нагрева, устойчивости воспламенения и полноты выгорания топлива, снижение шлакования, обеспечение заданных концентраций топливной пыли в основных, сбросных и восстановительных горелках, требуемых для снижения токсичных выбросов оксидов азота, исключения взрывоопасных отложений в пылепроводах. Для эффективной и надёжной работы установок с КС и ЦКС, к системе и оборудованию подготовки топлива также предъявляется ряд новых жёстких требований: получение мелкодробленого угля равномерного фракционного состава с гарантированным верхним размером частиц (0,006…0,015 м) при минимальном содержании мелких фракций, что требует создания нового оборудования и технологий СПТ. Диссертация посвящена комплексному решению указанных актуальных проблем на основе:
- теоретических и экспериментальных исследований закономерностей
процессов при подготовке и распределении твёрдого топлива в СПТ;
развития методических основ создания новых конструкций;
разработки, стендовой отработки и экспериментальных исследований модельных образцов новых конструкций оборудования и технологий;
математического моделирования процессов при работе нового оборудования и систем топливоприготовления;
- создания на основе проведенных исследований проектов нового промышленного
оборудования, внедрение и анализ результатов их эксплуатации на ТЭС;
- разработки на базе результатов проведенных исследований научных основ
проектирования нового оборудования СПТ.
Степень разработанности темы. Наибольшие достижения как в области научных разработок процессов, так и в плане практического внедрения РПГП в СПТ, были
достигнуты В.Е. Масловым и представителями его школы (В.Д. Лебедев, М.Я. Процайло,
А.В. Клюнин, Н.С. Клепиков и другие). Однако данные разработки были глубоко развиты
в основном в области исследования центробежных пылеконцентраторов (ЦПК), в
которых используется крупнодисперсная пыль с инерционными частицами
буроугольного топлива (основную массу которых составляют фракции от 50 микрометров до миллиметра и более), с целью максимально возможного разделения концентраций дисперсной фазы по отводам в основные и сбросные горелки. Проблемы равномерности распределения малоинерционных (Stк < 0,5) частиц мелкодисперсной пыли, процессы пневмотранспорта и распределения которых протекают по принципиально другим закономерностям при определяющем воздействии турбулентности и образовании агломерированных слоевых образований у стенок каналов и кластерных структур в объёме потока, являлись второстепенными и практически не рассматривались. Большинство работ по исследованиям слоистых (М.С. Пронин, В.И. Сучков, В. Барт, Г.Т. Левит) и центробежных (В.Е. Маслов, В.Д. Лебедев, Н.С. Клепиков) делителей пыли также касаются в основном крупнодисперсной пыли бурых углей. Большое количество данных получено по распределению топливной пыли непосредственно по сечению горелочных устройств в работах Р. Юнга, Д.Н. Ляховского, А.Г. Иванова и других, но проведенные в них исследования выполнены в основном без привязки к разветвлённым системам пылераспределения СПТ. Исследование и совершенствование сепараторов пыли является практически особым направлением газодинамики дисперсных потоков, но проблема значительного уменьшения габаритов центробежных сепараторов молотковых мельниц поставлена и решена в данной работе. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов, происходящих при работе центробежных режущих дробилок (ЦРД) для установок с КС и ЦКС получены в данной работе, так как ЦРД разработана, исследована, внедрена и отработана в длительной эксплуатации в её рамках.
Методология и методы исследований. Экспериментальная отработка новых конструкций РПГП проводилось на основе теории подобия на стендовых моделях пылесистем прямого вдувания (СПВ), моделирующих промышленные установки, которые наряду с системой пылераспределения и РПГП включали модель мельницы с сепаратором (конструкции И.А. Позина), по общепринятой классической методике (В. Барт, Р. Юнг, Е. Мительшнаутц, М Бонет, М. Фишер, К. Еско, В.Е. Маслов, Н.И. Зверев, С.Г. Ушаков, З.Р. Горбис, В.Д. Лебедев и другие). Отработка конструкции и параметров нового дробильного оборудования и процессов гранулирования проводилась по общепринятой и проверенной многолетней практикой методике, разработанной в трудах К. Бонда, А.А. Лебедева, В.Н. Соколова, В.Д. Полфёрова, Б.Н. Муравкина, П.М. Лузина, В.П. Осокина, С.Е. Андреева, Г.Т. Левита и других. Математическое моделирование производилось с использованием высокопроизводительной компьютерной техники.
Промышленные исследования проводились в соответствии с установленными стандартами.
Целями и задачами работы являются повышение надёжности, эффективности и экологических показателей энергоустановок путём теоретических и экспериментальных исследований процессов подготовки, подачи и распределения твёрдого топлива, и создания на их основе новых конструкций топливоприготовительного оборудования.
Научная новизна.
На основе комплексных исследований впервые выявлены закономерности процессов:
- при пневмотранспорте и распределении двухфазных турбулентных
низкоконцентрированных потоков в системах пылеприготовления прямого вдувания; на
основе принципа минимума затрат (диссипации) энергии установлено, что при высоких
нормативных (более 25…30 м/с) скоростях газов у стенок прямых пылепроводов
происходит образование концентрированного движущегося тонкого слоя
мелкодисперсной части пыли; получено, что после отвода в поток пылевые слои
движутся в объёме РПГП в виде высококонцентрированных струй как единая структура;
- при измельчении бурых, каменных углей и горючих сланцев методом ударного
скола и резания в новом типе дробильного оборудования – центробежных режущих
дробилках, установлены основные принципы работы ЦРД и получения требуемого
фракционного состава топлива;
- при гранулировании методом окомкования перспективных мелкодисперсных
топлив и отвееной в сушилке КС топливной пыли в гранулы до прочности и
термостойкости, достаточной для их эффективной подачи, сжигания и газификации в
установках КС, ЦКС и горнового типа.
Впервые разработаны математические модели:
многоступенчатой разветвлённой системы пневмотранспорта и распределения пылегазовой смеси по параллельным трактам СПВ от мельниц до топки, методика и компьютерная программа для её расчёта и оптимизации;
основных процессов, происходящих при работе ЦРД, составлены и численно решены дифференциальные уравнения движения частиц исходного топлива по диску ротора, размольных элементов дробилки и отвода частиц готового продукта из зоны дробления по поверхности молотков, вращающихся с переменной частотой вокруг параллельных осей;
- сепарации и возврата пыли во встроенных центробежных сепараторах
молотковых мельниц в замкнутом цикле на основе экспериментальных данных работы
мельницы в бессепараторном режиме;
- движения шарообразных гранул по наклонной вращающейся чаше гранулятора,
составлены и численно решены дифференциальные уравнения их скатывания в режиме
чистого качения и качения со скольжением.
Впервые получены результаты экспериментальных исследований:
- отработки на моделях пылесистем котельных установок, включающих мельницу с
системой распределения топливной пыли по горелкам с трассировкой пылепроводов
геометрически подобных натурным, новых конструкций высокоэффективных
регулируемых РПГП, ставших прототипами промышленных устройств, внедрённых на
энергоблоках 215… 800 МВт;
- опытной резцовой установки, экспериментальных и опытно-промышленных
образцов ЦРД, на которых отработана оптимальная конструктивная схема и получена
база опытных данных для проектирования высокопроизводительных ЦРД;
- окомкования перспективных мелкодисперсных топлив на стендовой установке, упрочняющей сушки окатышей с получением гранул с характеристиками, необходимыми для их эффективного использования в энергоустановках с КС, ЦКС и горнового типа;
- центробежных малогабаритных сепараторов при получении тонкодисперсной
пыли экибастузских углей высокого качества в молотковых мельницах.
Впервые предложены новые показатели:
эффективности делителей пыли, удовлетворяющие граничным условиям и позволяющие более полно характеризовать процесс пылераспределения, проанализированы их свойства;
комплексный показатель работы сепараторов мельниц СПТ - Чкс, наглядно отражающий их эффективность, выполнен анализ сравнительной эффективности работы сепараторов, в том числе встроенных в мельницу, в замкнутом цикле.
Впервые разработаны и запатентованы новые конструкции оборудования, способы и схемы подготовки топлива, использованные при проектировании и внедрении новых пылеугольных установок и установок с КС и ЦКС.
Достоверность результатов работы обосновывается применением проверенной многолетней практикой методикой проведения экспериментов, согласованностью результатов экспериментов с теоретическими данными, использованием современной компьютерной техники для решения задач математического моделирования, новые конструкции оборудования, разработанные по результатам исследований, подтвердили проектные показатели и приняты в промышленную эксплуатацию.
Теоретическая и практическая значимость работы. По результатам проведенных исследований и разработок созданы и внедрены на ряде ТЭЦ и энергоблоков 215…800 МВт новые конструкции высокоэффективных регулируемых распределителей пылегазовых потоков, которые установлены на большинстве работающих на каменных углях котельных установках, изготовленных отечественной промышленностью после 90-х
годов, как находящихся в эксплуатации (в России, КНР, Индии, Казахстане), так и строящихся и пусковых (энергоблоков 660 МВт ТЭС «Барх», энергоблоков 225 МВт Черепетской ГРЭС и других); получена база экспериментальных данных, разработаны математические модели, методики расчёта и компьютерные программы, позволяющие создавать оптимальные схемы и оборудование пылераспределения в СПТ; высокоэффективные малогабаритные центробежные сепараторы новой конструкции внедрены на котельных установках Астанинской ТЭЦ-1 и освоены в производстве ОАО «Тяжмаш»; созданы и внедрены на ряде котлов КС центробежные режущие дробилки, обеспечивающие выполнение жестких требований к фракционному составу топлива, необходимых для эффективной и надёжной работы энергоустановок с КС и ЦКС и слоевого типа; СПТ с ЦРД приняты в проектах мощных энергоблоков с ЦКС; разработаны научные основы проектирования ЦРД. На защиту выносятся
- результаты комплексных исследований, включающие теоретический анализ
закономерностей пневмотранспорта и распределения мелкодисперсной пыли в
турбулентном потоке газа в СПВ и физического моделирования РПГП на стендовых
пылесистемах; создание на их основе нового поколения высокоэффективных
регулируемых распределителей пылегазового потока;
- математическая модель и методика расчёта многоступенчатой разветвлённой
схемы пневмотранспорта и распределения пылегазовой смеси по параллельным трактам
от мельниц до топки, включая горелки;
разработка, исследование и внедрение нового малогабаритного центробежного сепаратора, обеспечивающего повышение взрывобезопасности и оптимизацию трассировки пылепроводов при сохранении высокого качества пыли; расчётный анализ показателей эффективности сепараторов мельниц в СПТ;
результаты теоретических и экспериментальных исследований и создание ЦРД, обеспечивающих получение фракционного состава топлива, необходимого для эффективной работы энергоустановок с КС, ЦКС и слоевого типа;
- результаты отработки технологии и теоретического анализа процессов
гранулирования ряда мелкодисперсных топлив, перспективных для использования в
установках с КС, ЦКС и горнового типа;
- разработка технологических схем СПТ с установкой ЦРД для перспективных
мощных энергоблоков с КС и ЦКС, методика расчёта и результаты разработки новых
конструкций высокопроизводительных ЦРД для этих энергоблоков.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и отечественных конференциях и семинарах:
Международной научно-технической конференции «Использование твёрдых топлив для эффективного и экологически чистого производства электроэнергии и тепла»
(Москва, октябрь 2014 г.); Международном научном семинаре им. Ю.Н. Руденко
«Методические вопросы исследования надёжности больших систем энергетики (СПб.,
июнь 2014 г.); Международном научно-техническом семинаре «Инновационные
технологии в энергетике и развитие человеческого капитала ТЭК» (СПб, июль 2013 г.);
Международном конгрессе «Энергосбережение и энергоэффективность – динамика
развития» (СПб, июнь 2012 г.); Международной научно-практической конференция
«Угольная энергетика. Проблемы реализации и развития» (Алушта, сентябрь 2012 г.);
Болгарско-российском семинаре «Диагностика электроэнергетических систем» Созополь
(Болгария), июнь 2012 г.; Форуме «Россия – Болгария. Энергоэффективное оборудование
и технологии: инновации в энергетике» - Пловдив (Болгария), сентябрь 2011 г.;
Международной научно-технической конференции «Безопасность, надёжность,
эффективность в электроэнергетике и энергопотребляющих установках» (СПб, май 2010 г.); Международной научно-технической конференции «Технологии эффективного и экологически чистого использования угля» (Москва, октябрь 2009 г.); Международном научно-техническом форуме «Электроэнергетика – 2008» (СПб, сентябрь 2008 г); Научно-практическом семинаре «Продление ресурса тепломеханического оборудования эксплуатационными и технологическими методами» (СПб., ноябрь 2004 г.); Международной конференции «Рациональное использование торфа: состояние и перспективы» (СПб, октябрь 2002 г.); Энергетическом коллоквиуме Технического Университета, г. Дрезден (Германия, 28 заседание, ноябрь 2001 г.); Международном научно-техническом семинаре «Новые технологии сжигания твёрдого топлива: их текущее состояние и использование в будущем» (Москва, октябрь 2001 г.); Научно-технической конференции "Развитие технологий подготовки и сжигания топлива на электростанциях (Москва, май 1996 г.); Всероссийском школе-семинаре по технике псевдоожижения (Луга, октябрь 1993 г.) .
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 74 печатные работы, в том числе 17 – в рецензируемых научных журналах, рекомендованных по списку ВАК, 31 авторских свидетельств на изобретения и патентов, в том числе зарубежных, 11 – в сборниках докладов международных и всероссийских конференций и семинаров, а также изданы выпуск «Библиотеки специалиста по диагностике и контролю объектов энергетики» и учебное пособие.
Личный вклад автора. Разработка научно-технических решений, проведение
теоретических и экспериментальных исследований, математическое моделирование,
проектирование, отработка нового оборудования и технологий проведены
непосредственно автором в качестве руководителя или участника работ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 248 источников, четырёх приложений, содержит 240
страниц основного текста, 66 рисунков, 15 таблиц, общий объём диссертации – 318 страниц.
Основные положения методических основ создания высокоэффективных регулируемых конструкций распределителей мелкодисперсной пыли в СПВ
Опыт эксплуатации и промышленные исследования показывают, что при пылеугольном сжигании от степени равномерности распределения топлива и воздуха по горелкам существенно зависит эффективность и наджность работы топочных устройств, взрывобезопасность и наджность работы оборудования пылеприготовления, наджность и ресурс поверхностей нагрева, экологические показатели энергоустановок. В результате нарушения требуемого соотношения топливо-воздух в горелках ухудшается воспламенение и выгорание топлива, нагрева, увеличивается выход токсичных продуктов сгорания (в первую очередь – оксидов азота) [4, 5, 16]. В топочном устройстве неравномерность распределения топлива приводит к увеличению шлакования [4, 6], высокотемпературной коррозии [4, 5], в результате неравномерности тепловыделения в различных горелках увеличивается перекос температур и теплонапряжений по сечению и высоте топки, может происходить затягивание факела вверх топки, повышение локальных температур на е выходе, что резко снижает ресурс работы пароперегревателей и обуславливает их занос [4, 6, 17]. Повышенные концентрации пыли в отдельных пылепроводах могут приводить к образованию в них тлеющих отложений и даже их забиванию, что повышает взрывоопасность установки и снижает производительность пылесистемы [18, 19, 20, 21]. В то же время при эксплуатации СПТ указанная неравномерность может достигать очень больших величин (более 100%) в результате поступления различного расхода топливной пыли по разным отводам оборудования: после раздающих тройников, поворотов, сепараторов, а также после протяжнных прямых участков пылепроводов; опыт показывает, что даже при равномерном распределении по отводам транспортирующего воздуха, основная масса пыли может попадать в один или несколько отводов [8, 22 27]. При этом неравномерность распределения топлива по горелкам оказывает значительно большее воздействие на топочный процесс по сравнению с неравномерностью поступления в горелки «первичного» воздуха, содержащегося в транспортирующих газах, и составляющего в большинстве случаев не более 20…30 % от общего количества воздуха, поступающего в горелки [4, 7, 8]. Особенно актуальными указанные проблемы становятся в настоящее время в связи со стоящими перед отечественной энергетикой задачами обеспечения современных высоких экологических требований, обуславливающих использование ступенчатого сжигания (и необходимости жсткого поддержания заданных избытков первичного воздуха в горелках, соотношений между количеством топлива, поступающего в основные, сбросные или восстановительные горелки), а также переходом на повышенные (суперкритические) параметры пара, что обуславливает необходимость максимального снижения температурных и тепловых перекосов в топке, в первую очередь в области высоконапряжнных пароперегревательных поверхностей нагрева. Проведенные расчты с использованием закона Миллера-Ларсена [17] показали, что при повышении параметров пара и соответственно температуры стенки пароперегревателя, величина е допустимого отклонения от расчтной снижается, и для исключения резкого уменьшения ресурса пароперегревательных поверхностей нагрева СКПП (с температурой перегретого пара tпп = 580... 600С), указанное отклонение не должно превышать 3...5%. Кроме того, для обеспечения высоких экологических требований к энергоблоку СКПП необходимо жсткое поддержание заданных коэффициентов избытка и доли первичного воздуха в горелках, а также заданных соотношений расходов топлива в основных и восстановительных горелках в схемах трхступенчатого сжигания.
Подготовка к сжиганию каменных углей (используемых более чем на 50% энергоблоков тврдотопливной генерации России) в системах пылеприготовления в большом количестве действующих и практически во всех пусковых и проектируемых перспективных котельных установок осуществляется по схеме с прямым вдуванием (СПВ). В соответствии с существующими нормативами [4, 7] для обеспечения эффективности топочного процесса при их факельном сжигании система подготовки топлива должна обеспечить приготовление и подачу в горелки мелкодисперсной пыли с массовым содержанием (в зависимости от вида угля) частиц крупнее 90 микрометров (R90) от 8 % до 35 %. В настоящее время в теории пневмотранспорта общепризнано, что в двухфазных низкоконцентрированных турбулентных потоках механизмы движения таких частиц и более крупных фракций принципиально различны [28, 29, 30, 31, 32]. Пневмотранспорт и распределение пылевидного топлива от мельниц по горелкам котла в СПВ производится отработавшим сушильным агентом, в качестве которого применяется либо горячий воздух, либо дымовые газы или их смесь. Обеспечение сушки, размола, и вентиляции мельниц являются основными функциями СПТ, при этом характеристики пневмотранспорта пыли отработавшим сушильно-вентилирующим агентом в сложившейся практике целиком определяются параметрами этих процессов. Это обуславливает низкую массовую концентрацию пневмотранспорта (объмное содержание пыли составляет менее 0,05), а также высокие расходы газов, и следовательно высокие удельные энергозатраты на пневмотранспорт. На рисунке 1.1. представлена типовая фазовая диаграмма пневмотранспорта (полученная на основе обобщения исследований в различных отраслях промышленности, качественные характеристики которой признаются большинством специалистов [28 - 37]), на которой выделена допустимая область работы СПВ, характеризующаяся существенно более высоким уровнем удельных энергозатрат по сравнению с другими областями пневмотранспорта. Кроме того, во многих случаях при работе современных СПВ имеют место проблемы обеспечения наджности и взрывобезопасности эксплуатации по следующим основным причинам: - наличие параллельных пылепроводов от каждой мельницы до горелок (что резко снижает наджность системы пневмотранспорта), в том числе многоступенчатых разветвлнных систем пылераспределения;
Разработка методики проектного расчта многоступенчатой системы распределения пылегазовой смеси по горелкам и анализ влияния параллельности трактов на наджность СПВ
Наряду с требованием обеспечения заданного и равномерного распределения топливной пыли по горелкам, необходимым условием наджной и эффективной работы системы пылераспределения СПВ является обеспечение заданных скоростей и расходов сушильно-транспортирующих газов и концентрации пыли во всех параллельных пылепроводах и горелках. Это обусловлено необходимостью поддержания скорости газов во всех параллельных пылепроводах выше критической с достаточным запасом (не менее чем на 30 -50% - глава 1), обеспечения требуемой доли и скорости первичного воздуха в горелках. В то же время в существующей практике в соответствии с действующими нормативными рекомендациями [7, 41] аэродинамический расчт систем подачи пыли в горелки котла рекомендуется производить по упрощнному методу – в проекте рассчитывается аэродинамическое сопротивление наиболее длинного тракта системы пылераспределения с целью определения требуемого напора для выбора тягодутьевого оборудования, в предположении равномерного распределения расхода по всем трактам. Такой подход во многих случаях может привести к снижению наджности [97, 98] и взрывобезопасности [9, 18, 99, 100]: в эксплуатации в пылепроводах самопроизвольно устанавливаются расходы газов, при которых аэродинамические сопротивления по параллельным разветвлнным участкам выравниваются, в результате во многих случаях в коротких пылепроводах устанавливается повышенная скорость газов (которая может превысить допустимый уровень по условиям износа), а в длинных – пониженная, в том числе ниже критического уровня. Подбор и установка дроссельных диафрагм на коротких участках, в большинстве случаев не приводят к желаемому результату, т.к. из-за очень высоких местных скоростей в их узких проходных сечениях они очень быстро изнашиваются, наличие диафрагм обуславливает возможность отложений пыли перед ними. Следовательно, при проектировании необходимо производить расчт всей системы пылераспределения в целом и е оптимизацию, что является трудомкой и достаточно сложной математической задачей, так как аэродинамическое сопротивление каждого параллельного тракта зависит от концентрации в нм пыли, которая в свою очередь определяется рядом факторов, в том числе – искомым расходом газов, что обуславливает нелинейность системы уравнений для расчта параметров потоков по трактам. Особенно усложняется решение указанной задачи для разветвлнных многоступенчатых систем пылераспределения, которые используются в схемах СПВ мощных энергоблоков, работающих на мелкодисперсной пыли каменных углей.
Рассмотрена задача о распределении газопылевых потоков в СПВ от мельницы до топки (включая горелки) [38]. Для наглядности рассмотрим двухступенчатую разветвлнную схему (рисунок 2.1), которая в настоящее время реализована на многих ТЭС, так как на ней достигаются наилучшие показатели обеспечению равномерности и эффективного регулирования распределения топливной пыли по горелкам (раздел 3.6), а также достигается снижение капитальных затрат на пылесистему (уменьшается количество пылепроводов, их опорных конструкций, компенсаторов и т.д.). Большее число последовательно установленных ступеней значительно усложняет компоновку и трассировку пылепроводов, усложняет регулирование и применяется в исключительных случаях. Разработанная математическая модель может быть легко распространена на любое количество ступеней пылераспределения.
В расчтной модели приняты следующие условия: - одна мельница снабжает пылью несколько горелок топочного устройства; - расход топливной пыли на входе в систему пылераспределения задан по условиям нагрузки котла; - расход газов на входе систему пылераспределения задан и определн условиями сушки, размола и вентиляции мельницы, т.е. обеспечивается требуемый напор на преодоление сопротивления тракта; - в общем случае распределение пылегазовой смеси по пылепроводам в заданном соотношении осуществляется с помощью распределителей пылегазового потока, - пыледелителей или пылеконцентраторов, при этом задатся функция распределения расходов топлива по их отводам; - при отсутствии РПГП могут быть использованы вариантные расчты при различных моделях раздачи пыли (например, пропорциональность расхода пыли расходу газов в отводах); - температура пылегазовой смеси за мельницей, а также плотность газов и твердой фазы на всех трактах остается без изменения (на практике изменение давления в системах пылераспределения СПВ, работающих на тонкодисперсной пыли каменных углей не превышает 10,0 КПа, а изменение температуры - 10… 15 градусов, так как процесс сушки топлива практически заканчивается в мельнице, в которой он протекает очень интенсивно).
В дальнейшем под «трактом» системы пылераспределения понимается пылепровод и совокупность местных сопротивлений (поворотов, участков изменения сечений, горелок, и т.д.), на которых расходы газов и пыли не изменяются. В соответствии с этим определением, двухступенчатая система пылераспределения от мельницы до топки имеет следующие тракты (рисунок 2.1.):
Разработка и исследование регулируемых конфузорно-диффузорных делителей пыли 87 3.4 Разработка и исследование регулируемых камерных (центробежно противоточных) делителей пыли КДП
Действительно для такого распределения теоретические значения параметров А1 = 1,5 и А4 = 1 (Таблица 3.1), а в испытаниях после настройки получено А1 = 4,62/3,25 = 1,42 и А4 = 3,25/3,25 = 1, что отвечает равномерно-симметричному распределению (раздел 3.1). Необходимо отметить, что полученные в процессе испытаний результаты подтвердили правильность основных теоретических предпосылок, принятых при создании новых конструкций делителей пыли, в первую очередь – наличие устойчивого пристеночного слоя пыли высотой 0,03-0,04 радиуса пылепровода, который движется как единое целое, в том числе после отжатия его в пережиме КД-ДП в объм корпуса. Например, при обследовании пылесистемы выяснилось, что в делителях пыли второй ступени пылесистемы «6Б» в период испытаний не были смонтированы конфузорно-диффузорные пережимы. В результате поворот его регулирующего клапана во всм рабочем диапазоне изменения практически не оказывал влияния на величину g . Только при угле поворота на 36 - 38 градусов, при котором кромка клапана размещалась непосредственно у стенки корпуса на расстоянии примерно 15 миллиметров от не, близком к 0,03R, удалось добиться значительного уменьшения неравномерности распределения (при одновременном недопустимо высоком повышении аэродинамического сопротивления делителя пыли из-за перекрытия большой части сечения корпуса). Это свидетельствует о наличии тонкого пристеночного пылевого слоя, который при отсутствии пережима поступал по стенке делителя пыли в основном в один отводов, а размещение рядом с этой стенкой кромки клапана на расстоянии, близком к теоретическому значению h опт, обеспечило разрушение слоя и поступление части содержащейся в нм пыли в другой отвод (по поверхности клапана). Кроме того, результаты настройки делителей пыли с проектным пережимом показали, что максимальное выравнивание расхода пыли по отводам достигается при размещении кромки регулирующего клапана КД-ДП вблизи теоретического сосредоточения отжатого в объм слоя у оси корпуса, при расчте его траектории в объме как единого целого в виде высококонцентрированной струи. Таким образом, не происходит е развеевания потоком, несмотря на высокие скорости газов (до 35 м/с), большое сечение устройства (0,7м). Действительно при расчте движения отдельных частиц размером менее 100 микрометров (количество которых составляет более 80%), уже на расстоянии ста миллиметров от стенки их траектории должна практически совпадать с линиями тока газов и они должны уноситься в ближайший отвод. Следует отметить ещ один важный результат. В соответствии с компоновкой, оси регулирующих консольных клапанов вертикально установленных делителей пыли 2-й ступени КД-ДП размещены в одной вертикальной плоскости с осями протяжнных (до 20 м) подводящих горизонт прямых пылепровода. В то же время, полученный в процессе наладки оптимальный наклон клапанов различных делителей пыли меняется от ±5 до ± 25 градусов (таблица 3.2). Это может свидетельствовать о наличии тангенциальной составляющей скорости движения пылевого слоя, т.е. о его движении по винтовой линии.
Важно отметить, что изменение наклона регулирующих клапанов в рабочем диапазоне незначительно влияет на распределение воздуха по отводам (не более чем на 10%, что соответствует результатам, полученным при исследованиях модельных СПВ с КД-ДП). Коэффициент аэродинамического сопротивления КД-ДП в рабочем диапазоне регулирующих клапанов мало зависит от их наклона, примерно одинаков для всех делителей пыли и составляет на запылнном потоке д = 1,15 - 1,2, что близко к значению д, полученному на модельных образцах. Таким образом, проведенные испытания полностью подтвердили и даже превысили проектные параметры делителей пыли и системы пылераспределения.
По результатам исследований и успешной эксплуатации оборудования и системы пылераспределения пыли на Новосибирской ТЭЦ-5, в проекте котельных установок энергоблоков 225 МВТ третьей очереди Черепетской ГРЭС для пяти пылесистем со среднеходными мельницами МВС-195 со статическими центробежными сепараторами была принята аналогичная система пылераспределения 2х2 с установкой КДП-С в качестве первых ступеней и КД-ДП в качестве вторых ступеней. В шестой пылесистеме, в которой установлена мельница тонкого помола с вращающимся динамическим сепаратором, снабжающая топливом горелки восстановительного яруса трхступенчатой схемы сжигания, установлены только КД-ДП. На рисунке 3.15 представлена компоновка котельной установки Черепетской ГРЭС (разработанная заводом ТКЗ «Красный Котельщик» ОАО «ЭМАльянс»), с установкой пыледелителей КДП-С и КД-ДП, выполненных по проектам НПО ЦКТИ [118, 135]. В настоящее время вс указанное оборудование пущено в эксплуатацию в пылесистемах двух пусковых энергоблоках Черепетской ГРЭС.
Испытания камерных делителей-пылеконцентраторов (КДПК-С – рисунок 3.11, [123]), установленных на шести пылесистемах прямого вдувания, оборудованных среднеходными мельницами типа MPS-2650, в которых размалывался экибастузский уголь до R90 = 12 % - 18%, были проведены
Отработка конструкции и исследование работы экспериментального образца центробежной режущей дробилки на стендовой установке
При отработке конструкции ЦРД е параметры должны быть выбраны таким образом, чтобы в установившемся процессе дробления величина напряжений в измельчаемом материале при соударении с резцом достигали разрушающих значений, а в случае попадания в дробилку «недробимого» предмета – (металла, куска высокопрочной породы), шарнирно закреплнный молоток должен отклоняться под действием резца в специальные выемки (пазы) на роторе (позиция 6 на рисунке 5.5б). В последнем случае недробимый кусок вместе с молотком практически мгновенно останавливаются, после чего они отражаются от резца с начальной абсолютной скоростью Vотр. Характеристики движения молотка в момент соударения куска с резцом и последующим отклонением молотка под действием импульса, переданного от резца, показаны на рисунке 5.6 Ось X совпадает с осью молотка в момент соударения; за положительное направление оси Y принято направление угла поворота отражнного молотка, (т.е. противоположно направлению вращения ротора). Согласно общепринятым допущениям нормальная к поверхности составляющая скорости отражения Vотр = kвV0 [185] (V0 – модуль абсолютной нормальной к поверхности молотка составляющей скорости куска и молотка) в момент соударения с резцом, kв – коэффициент восстановления.
Пренебрегая в первом приближении величиной половины ширины молотка по сравнению с расстоянием от оси вращения ротора до места соударения куска и резца (которое больше примерно на порядок), получим: Vотр kв (Rm+Rк) (5.8) где (рисунок 5.6) Rm = АВ - расстояние от оси вращения ротора до оси вращения шарнира молотка; Rк = АL - расстояние от оси вращения молотка до места соударения куска на молотке с резцом (обычно величина Rк составляет 0,2…0,3 длины молотка); - угловая скорость вращения ротора.
В случае же установившегося процесса, при котором происходит постоянное разрушение кусков, молоток вместе с частицами готового продукта дробления (которые остаются на его поверхности), сохраняет сво движение по направлению вращения ротора, однако за счт взаимодействия исходного материала с резцом может затормаживаться (после соударения куска с резцом фронт сжатия-растяжения в материале достигает поверхности молотка даже в случае разрушения куска [182], возможно трение между частицами продукта разрушения и резцом и т.д.), и проекция абсолютной скорости молотка на ось Y в соответствии с принятым на рисунке 5.6 обозначениями после соударения составит: Vаy = - kс (Rm+Rк) (5.9) где kс – коэффициент сохранения скорости молотка. Очевидно, что величина kс возрастает с увеличением импульса и момента инерции молотка, и с уменьшением прочности дробимого материала.
При таком режиме молотки будут совершать непрерывные колебания относительно ротора при некоторой средней величине отклонения молотка от радиального направления (против направления вращения ротора). Рассмотрим механизм перемещения молотка относительно вращающегося с постоянной угловой скоростью диска ротора (рисунок 5.6).
Примем следующие допущения: - массой кусков материала на молотке и их моментом инерции по сравнению с массой и моментом инерции молотка можно пренебречь; - трением в опоре шарнира молотка и о диск ротора при повороте молотка можно пренебречь; - вращение молотка является плоским;
Схема поворота молотка относительно диска. «А» и «В» - оси вращения молотка и ротора; – ось, касательная к направлению окружной скорости центра тяжести молотка; n - ось, нормальная к оси ; - угол между направлением центробежной силы Fц и осью n; X и Y - оси координат, связанные с диском - воздействием кусков топлива при его движении на вращающийся молоток можно пренебречь; - за время отклонения молотка и его возвратом в исходное радиальное положении не происходит повторных соударений.
Необходимо учитывать, что конфигурация молотка и его расположение на роторе и по отношению к зубьям резца должны выбираться таким образом, чтобы соударение кусков материала с ним происходила в области «центра удара» [201], что обеспечивает исключение передачи ударного импульса на опорный шарнир молотка. После получения импульса через кусок материала от резца при их соударении, молоток начинает вращаться вокруг закреплнного на диске ротора опорного шарнира «А» (рисунок 5.6) в направлении, противоположном вращению диска ротора (вокруг оси В) с относительной угловой скоростью вращения (t) (где – текущий угол отклонения молотка). При принятых допущениях единственной силой, определяющей движение молотка относительно вращающегося диска ротора, является центробежная сила инерции Fц = Мм 2 Rs, где Мм – масса молотка Rs = BK - расстояние от оси вращения ротора В до центра тяжести молотка К. На основании закона об изменении момента количества движения (в относительном движении [201]), дифференциальное уравнение вращения молотка имеет вид (в соответствии с обозначениями рисунка 5.6): Iм = - (Fц sin ) Rс = - (Мм 2 Rs sin ) Rс где Iм - момент инерции молотка относительно оси его вращения А; Rс = АК - расстояние между шарниром молотка А и его центром тяжести К. Учитывая, что sin = (Rm /Rs) sin (-) получим + (Мм/ Iм) 2 Rm Rс sin = 0 (5.10) Легко видеть, что уравнение (5.10) идентично уравнению движения физического маятника [201] с круговой частотой малых колебаний Fк= (МмRmRс / Iм)0,5. Начальные условия для решения уравнения (5.10) могут быть получены из рассмотрения схемы рисунка 5.6. Для случая установившегося процесса дробления, учитывая, что в момент соударения проекция переносной скорости равна Vпy = V0y = - (Rm+Rк) , а относительная Vro = Vroy = Vаy - Vпy; следовательно 0 = Vro/Rк= {- kс (Rm+Rк) - [- (Rm+Rк) ]}/Rк = (Rm+Rк) (1- kс)/Rк Для удобства дальнейшего анализа введм коэффициент торможения молотка kт = 1 - kс. Величина kт характеризует степень торможения молотка материалом в момент соударения: при 0 kт 1 молоток тормозится, при kт = 1 полностью останавливается, при kт 1 отражается в противоположную сторону