: 31 дек 2012 , Сколько сценариев у Вселенной? , том 47, №5

Угольная топка - дело тонкое

На современных энергостанциях уголь сжигается в факеле в виде пыли тонкого помола, которая вдувается в топку потоком воздуха через специальные горелки. Сама топка представляет собой высокую, несколько десятков метров, башню, внутри которой установлены специальные теплообменники для нагревания («перегрева») пара, подогрева воды или воздуха. Такой способ сжигания угля весьма перспективен, поскольку позволяет сравнительно легко управлять процессом горения.

В советское время основным научным подходом при создании энергетических котлов служило сжигание топлива в экспериментальных условиях. Но таким способом нельзя выявить всех особенностей процессов горения угля, которые проявятся во время штатной, длительной эксплуатации топочных котлов. В том числе определить, как скажется качество топлива на процессах шлакования, т. е. образования связанных отложений на поверхностях нагрева котельной топки.

Слишком горячо

В проектировании и технологической доводке котлов П-67 на Березовской ГРЭС, самых больших и мощных в России, принимали участие многие научно-исследовательские институты и машиностроительные заводы, в частности, Подольский машиностроительный завод им. С. Орджоникидзе.

Первый блок ГРЭС был запущен в 1988 г., второй – через три года. Уже через несколько лет работы котлов выяснилось, что, несмотря на все усилия проектировщиков, эксплуатационные характеристики топочных котлов оказались ниже проектных. Причина заключалась в том, что на топочных экранах происходил рост прочных шлаковых отложений.

Дело в том, что при сгорании углей получается большое количество золы, способной образовывать шлаковые отложения. Если температура частиц золы будет выше температуры плавления золы, то расплавленный шлак осядет на стенках топки и поверхностях теплообменников, затвердеет и будет мешать работе котла. Однако если создать температурные условия, при которых зола останется твердой, то основная ее масса попадет в холодную воронку и золу можно будет удалить механически. Например, при помощи шнеков или транспортеров, как это и было задумано для котла П-67.

Однако выяснилось, что при достижении номинальной мощности во время эксплуатации котлов показатели интенсивности теплообмена в топке были ниже проектных, наблюдалось прогрессирующее шлакование топочной камеры, сопровождающееся ростом максимальной температуры газов на выходе, которая превышала проектные 1032°С более чем на 100° С. Образовавшиеся глыбы шлака при падении повреждали детали конструкции холодной воронки – нижней части топки под горелками, предназначенной для сбора и удаления твердых частиц шлака, а локальное шлакование ее скатов приводило к вынужденным остановкам котлов.

Поэтому на основании данных балансовых испытаний было предложено понизить рабочую мощность котлов, в результате чего в 2000 г. энергоблоки были перемаркированы с мощности 800 МВт на 700 МВт. Стало ясно, что необходимо искать новые методы, которые помогут устранить недоработки проекта и выйти на проектную мощность.

Компьютер в помощь

Только через десять лет после ввода в действие Бере­зовской ГРЭС появился новый мощный инструмент для изучения процессов, происходящих в топочной камере. Речь идет о математическом моделировании, позволяющем изучить аэродинамику топки, теплообмен, процессы образования оксидов азота и шлакования для различных режимов эксплуатации и вариантов реконструкции топочно-горелочного устройства. Разработкой такой компьютерной модели занялись специалисты Института теплофизики СО РАН (Ново­сибирск) и Сибирского федерального университета (Красноярск).

При создании методики численного моделирования топки было необходимо выбрать из большого числа существующих моделей физических процессов тот минимальный набор, который позволил бы достоверно описать интересующие явления и проверить адекватность выбранных методик расчета, сравнив их с экспериментом. Ведь процесс шлакования далеко не прост: он является своего рода результирующей всех процессов, происходящих в топочной камере, от аэродинамических до тепловых. Также на него -влияют и свойства минеральной части топлива.

Поэтому разработка самой концепции математического моделирования шлакования началась лишь два десятилетия назад, когда появились мощные вычисли­тельные ресурсы, позволившие рассматривать -все вышеперечисленные процессы в совокупности.

В конечном итоге на свет появился программный продукт «SigmaFlow», который позволил с высокой точностью провести численные исследования и определить наконец причины образования шлаковых отложений в топке котла П-67.

Было установлено, что аэродинамическая структура газовых потоков в топочной камере обладает высокой неравномерностью: крупномасштабный центральный вихрь инициирует вторичные вихри в углах топочной камеры, которые приводят к набросу потока на стенку топки, температура которой начинает повышаться. На этой перегретой поверхности образуются шлаковые отложения.

Отложение шлака происходит также около горелок, особенно по нечетным вертикальным рядам. Основная причина этого явления – осаждение мелкой фракции золы, частицы которой вовлекаются в движение вторичными вихрями в углах топочной камеры. Обладая достаточно высокой температурой, они достигают экрана, где и образуют шлаковые отложения.

Еще одно место интенсивного шлакования находится на фронтальной и задней стенках котла выше зоны активного горения – на высоте 45—65 м. На этом уровне центральный вихрь, раскручиваясь, быстро теряет осевую симметрию и приобретает овальную форму, вытянутую к фронтальной и задней стенкам. В результате там образуются области с высокой температурой, и расплавленные частицы золы «набрасываются» на стенки газовым потоком.

Шлаку – нет!

На основе численного моделирования и результатов ряда других исследовательских работ было предложено несколько способов решения проблемы шлакования. Было рассмотрено несколько вариантов топки: с организацией нижнего дутья с подводом воздуха в холодную воронку; с концентрической ориентацией горелок; с комбинацией нижнего дутья и концентрического сжигания; организацией воздушного дутья выше зоны активного горения и т. д.

Результаты численных исследований показали, что максимальный эффект по снижению шлакования поверхностей нагрева относительно «базового» варианта достигается при использовании блоков воздушных завес и нижнего дутья; а максимальный эффект по снижению выбросов NОх – двух ярусов сопел дутья, расположенных на высотах 45 и 65 м.

В результате для реконструкции котла был выбран вариант топки с нижним воздушным дутьем. Расчетным путем были также проанализированы разные способы подвода воздуха в холодную воронку, и из них выбран оптимальный, способствующий равномерной подаче воздуха в топочную камеру.

Кроме того, с помощью численного моделирования было исследовано влияние степени помола угольной пыли на эффективность топочного процесса. Согласно расчетам, загрузка нижних ярусов горелок более грубой пылью снижала содержание золы в верхней части котла. При этом повышался провал частиц угля в холодную воронку, однако этому при нижнем дутье препятствовал поток воздуха, идущий снизу вверх. А за счет подвода дополнительного кислорода оказалось возможным снизить содержание несгоревшего углерода в частицах.

Один из энергетических блоков Березовской ГРЭС был реконструирован в 2010 г. Его дальнейшая эксплуатация показала, что он может длительное время нести максимальную нагрузку на уровне проектной, т. е. 800 МВт.

На примере Березовской ГРЭС мы видим ту огромную бесспорную пользу, которую может принести применение современных методов математического моделирования при проектировании крупных технологических объектов. И дело здесь не только в оптимизации эксплуатационных параметров, но и в значительной экономии средств на разработку: ведь гораздо дешевле просчитать интересующие процессы, чем проводить натурные эксперименты.

Дело за малым – важно, что бы этими возможностями воспользовались производители энергетических котлов, гидротурбин, атомных станций и других крупных, высокотехнологичных и нередко представляющих экологическую угрозу объектов нашего промышленно-энергетического комплекса.

Литература

Белый В. В и др. Исследование теплообмена и модернизация топочной камеры котла П-67 блока 800 МВт газа // Теплофизика и аэромеханика, 2007. Т. 14. № 2. С. 299—312.

Backreedy R. I. et al. Modelling pulverised coal combustion using a detailed coal combustion model, Combustion Science and Technology. 2006. № 178(4). P. 763—787.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (гос. контракт № 16.516.11.6036)

: 31 дек 2012 , Сколько сценариев у Вселенной? , том 47, №5