Введение к работе
Актуальность темы. Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства РФ № 1234-р от 28.08.2003 г., твердое органическое топливо будет являться основным источником для производства энергии (на крупных энергоблоках) на длительную перспективу, поэтому проблема повышения эффективности его использования и экономного расходования является актуальной. Рост угольной энергетики будет покрываться в основном за счет ввода энергоблоков с традиционным факельным сжиганием угля.
Негативное отношение, препятствующее более широкому использованию ряда углей в энергетике, связано с интенсивным шлакованием и загрязнением поверхностей нагрева котлов. Проведение опытных сжиганий не может выявить в полной мере существующие зависимости процесса шлакования от качества топлива и физико-химических закономерностей процессов горения пылеугольных частиц. Вследствие этого, большую роль в разработке и совершенствовании технологий сжигания в пылеугольных котлах отводится численному моделированию.
Математическое моделирование топочных устройств является на сегодняшний день одним из важнейших способов получения наиболее представительной информации об аэродинамике, локальном и суммарном теплообмене. Несмотря на большие успехи в численном моделировании, не существует универсальных моделей, позволяющих корректно описать процессы в топочных камерах, сжигающих уголь. Это связано с большим разнообразием марок угля, схем подготовки и сжигания топлива. Поэтому остается актуальным совершенствование математических моделей, которые позволят более точно описать теплообмен в топочной камере.
Целью работы является развитие математических моделей процессов горения пылеугольного топлива и шлакования поверхностей нагрева. Повышение достоверности расчета теплообмена в топочных камерах с твердым шлакоудалением.
Основные задачи исследования:
-
Анализ математических моделей горения угольной частицы, обоснование и выбор модели для пылеугольного сжигания.
-
Усовершенствование математической модели горения угольных частиц на базе имеющихся эмпирических зависимостей для отечественных углей.
-
Анализ существующих экспериментальных данных и математических моделей формирования шлаковых отложений в топочных камерах с твердым шлакоудалением, разработка математической модели шлакования.
-
Реализация математических моделей процессов горения угольной частицы и шлакования поверхностей нагрева топочных камер.
Усовершенствование специализированного программного комплекса «SigmaFlame» для расчета процессов в топках.
-
Проведение тестирования программного комплекса «SigmaFlame» по имеющимся экспериментальным данным для пылеугольного сжигания.
-
Проведение вычислительного эксперимента для тангенциальной топочной камеры с твердым шлакоудалением. Оценка влияния неравномерности распределения минеральной части по фракциям золовых частиц на теплообмен в топочной камере.
Научная новизна:
-
Усовершенствована математическая модель горения одиночной угольной частицы. В модель горения коксового остатка введен эмпирический коэффициент, обобщающий суммарное влияние изменений, происходящих в структуре частицы при ее горении, как в диффузионном, так и кинетическом режиме. В модели теплообмена, между горящими угольными частицами и газом, использован эффективный коэффициент конвективного теплообмена. Данные изменения в модели позволили достоверно описать горение пылеугольного факела в диапазоне параметров, характерных для топочных камер с твердым шлакоудалением.
-
Впервые, с использованием температуры шлакования и учетом неравномерности распределения минерального состава по фракциям летучей золы, разработана математическая модель закрепления частиц золы при шлаковании поверхностей нагрева топочной камеры. Модель позволяет проводить численные исследования шлакования для углей как с кислым, так и основным составом минеральной части.
-
Выполнена модернизация программного комплекса «SigmaFlame», связанная с процессами горения угольной частицы и шлакования поверхностей нагрева топочной камеры.
-
Впервые проведено исследование шлакования поверхностей нагрева при сжигании углей с основным составом золы и выполнен расчет теплообмена с учетом локального характера загрязнения топочных поверхностей нагрева в топочной камере котла П-67.
-
Показано существенное влияние неравномерности распределения минеральной части по фракциям золы на процессы шлакования и теплообмена в топочной камере котла П-67.
Практическая значимость работы. Разработанная методика численного моделирования пространственных двухфазных турбулентных реагирующих течений при сжигании твердого топлива может быть использована для исследования влияния режимных и конструктивных параметров топочной камеры, организации подачи топлива и окислителя на процессы воспламенения, горения угля и шлакования поверхностей нагрева.
Математическая модель и усовершенствованный на базе данной модели программный комплекс «SigmaFlame» (свидетельство о гос. регистрации №
2010617699) позволяет предсказать формирование шлаковых отложений, температуры на выходе из топочной камеры в зависимости от режимных и конструктивных параметров, минерального состава фракций летучей золы и состава рабочей массы топлива.
Разработанный комплекс программ используется в исследовательской деятельности ряда научных организаций (ВТИ, СибЭНТЦ, УралВТИ, ООО «ТОРИНС») и для подготовки специалистов в учебном процессе на кафедрах Теплофизики ИИФиРЭ СФУ (г. Красноярск) и Тепловые электрические станции УралЭНИН УрФУ (г. Екатеринбург).
Автор защищает:
-
Математическую модель горения одиночной угольной частицы, модель шлакования и развитую на их основе комплексную математическую модель для горения, теплообмена и шлакообразования в пылеугольных топках с твердым шлакоудалением.
-
Результаты тестирования усовершенствованного программного комплекса «SigmaFlame» на экспериментальных данных сжигания пылеугольного топлива.
-
Результаты численного исследования влияния неравномерного распределения минеральной части по фракциям золы на формирование шлаковых отложений в топочной камере котла П-67.
-
Метод расчета локального коэффициента теплопередачи в топочной камере с использованием программного комплекса «SigmaFlame».
-
Результаты численного исследования шлакования поверхностей нагрева при сжигании углей с основным составом золы в топочной камере котла П-67.
-
Результаты расчета теплообмена с учетом локального характера загрязнений поверхности нагрева топочной камеры котла П-67.
Достоверность результатов работы основывается на достоверных экспериментальных данных по горению и теплообмену угольных частиц, использованию апробированных математических моделей и надежных методов вычисления, подтверждается хорошей сходимостью результатов вычислений с экспериментальными и вычислительными данными других авторов.
Личный вклад автора заключается в постановке задачи исследования, анализе существующих теоретических и экспериментальных работ по теме диссертации, совершенствовании и разработке математических моделей горения одиночной угольной частицы и шлакования, усовершенствовании программного комплекса «SigmaFlame», проведении численного моделирования пылеугольного горения и шлакования топки котла, анализе полученных результатов, формулировке выводов и заключения по диссертации.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 1-ой научно-практической конференции «Угольная теплоэнергетика: Проблемы реабилитации и развития» (Алушта Украина, 2004 г.); VIII, IX, X, XI Всероссийских конференциях молодых ученых: «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, Россия, 2004, 2006, 2008, 2010 гг.); Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития энергетики Сибири» (Красноярск, Россия 2005 г.); 4-ой, 6-ой Научной школы-конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики», (Алушта, Украина, 2006, 2008 гг.); VI, VII Всероссийской конференции «Горение твердого топлива» (Новосибирск Россия 2006, 2010 гг.); XVI, XVIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Россия, 2007, 2011 гг.); 4-ой, 5-ой научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов» (Челябинск, Россия, 2007, 2011 гг.); Всероссийской школе-семинаре молодых ученых «Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии» (Новосибирск, Россия 2007 г.); IV международном симпозиуме «Advances in Computational Heat Transfer» (Marrakech, Morocco 2008 г.); VI Минском международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, Блоруссия 2008г.); Всероссийском семинаре кафедр Вузов по теплофизике и теплоэнергетике (Россия, 2009 2011 гг.); 6-ой международной конференции «International Conference on Computational Heat and Mass Transfer» (Guangzhou, China, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Технологии эффективного и экологически чистого использования угля» (Москва, Россия, 2009г.); Международной конференции «Conference Thermal and Environmental Issues in Energy Systems» (Sorrento, Italy, 2010); XIV-ой международной конференции «The International Heat Transfer Conference» (Washington, USA, 2010); Пятой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, Россия, 2010 г.); XXIX Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, Россия, 2010 г); 7th International Symposium on Coal Combustion (Harbin, China, 2011 г.).
По результатам работы опубликовано 30 печатных работ, из них 5 в журналах в перечне ВАК.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации 161 страниц, включая 49 рисунков. Библиография состоит из 119 наименований.
