Расчетно-экспериментальное исследование теплообмена в топке водогрейного котла кв-тк-100

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКЕ ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА КВ-ТК-100

О.Г. ШИШКАНОВ, И.В. АНДРУНЯК Политехнический институт ФГОУ ВПО Сибирский федеральный университет

В статье представлены результаты расчетно-экспериментального исследования сложного теплообмена в топочной камере водогрейного котла КВ-ТК-100-150-6. Для этого проведены измерения плотности падающего радиационного потока в объеме топочной камеры. Разработана 127-зонная трехмерная математическая модель теплообмена. При моделировании сделана инженерная оценка эффекта рассеяния излучения при изменении зольности сжигаемого топлива. Кроме того, решена сопряженная задача внешнего и внутреннего теплообмена, а именно: теплоотдачи от факела и топочных газов к отдельным участкам поверхности нагрева, переноса теплоты через загрязнение и стенку трубы, теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемой среде. На основе проведенных исследований разработаны рекомендации по увеличению теплопроизводительности водогрейного котла.

Введение

Совершенствование тепловой работы топок энергетических котлов требует детальных знаний о характере и особенностях протекающих процессов радиационного и сложного теплообмена. Наиболее привлекательным в этих целях является проведение комплекса экспериментальных и расчетных исследований. В этом случае в ходе натуральных экспериментов выявляются особенности и закономерности протекания топочных процессов, которые затем учитываются при математическом моделировании. В свою очередь, результаты моделирования позволяют разработать рекомендации по совершенствованию конструкции устройства и режима сжигания, а также проверить ряд технических предложений, параметры которых отличаются от эксплуатационных.

Расчетно-экспериментальные исследования теплообмена проводились в топке котла КВ-ТК-100-150-6 (далее котел КВ-ТК-100) Красноярской ТЭЦ-3. Этот котлоагрегат выполнен по прямоточной схеме, однокорпусный, газоплотный, имеет П-образную компоновку и предназначен для работы на ирша-бородинском буром угле. Проектная температура воды на входе в котел в основном режиме 70 °С, на выходе -150 °С. Расход воды в основном режиме 1250 т/ч. Расчетный КПД котла 90,04%.

Топочная камера (рис. 1), открытого типа, призматической формы с размерами в плане 7104x7060 мм, оборудована холодной воронкой и оснащена восемью прямоточными пылеугольными горелками, которые размещены в ее углах в два яруса тангенциально к условной окружности диаметром 700 мм. Суммарная площадь поверхностей, ограничивающих топку, равна 618 м2, из них 574 м2 - поверхности топочных экранов, а 44 м2 - выходного окна. Вверху смонтированы три газозабора для сушки топлива. Предусмотрена подача газов рециркуляции в горелки, туда же направляется вторичный воздух после воздухоподогревателя. Для подачи топлива в каждый угловой горелочный блок смонтированы пылесистемы прямого вдувания с мельницами-вентиляторами.

© О.Г. Шишканов, И.В. Андруняк Проблемы энергетики, 2008, № 3-4

А-А

Рис. 1. Конструкция топочной камеры котла КВ-ТК-100 с обозначением пылесистем и схема ее

разбиения на расчетные зоны

Методика исследования

В ходе экспериментальных исследований фиксировались плотности падающих на экраны топки радиационных потоков. Измерения проводились радиометром, выполненным на основе тепловой трубы, что позволило отказаться от его внешнего принудительного охлаждения. Зондирование осуществлялось путем ввода термозонда в смотровые лючки топочной камеры. Полученные экспериментальные данные сопоставлялись с режимными параметрами эксплуатации, которые регистрировались приборами штатной системы управления котлоагрегата. Следует отметить, что за время проведения опытов показатели работы котла оставались постоянными. В дни проведения измерений характеристики топлива составляли: ЦГ

= 16,1 мДж/кг, Жг = 31,1%, Аг = 6,4%.

Эксперименты проводились при различных сочетаниях работающих пылесистем, что дало возможность оценить влияние положения факела на теплообмен в топке. К сожалению, отсутствие точек для зондирования не позволяет провести полное сопоставление экспериментальных данных во всех сечениях.

Для зонального моделирования сложного теплообмена [1] объем топочной камеры разбивался на 9 расчетных ярусов по высоте. Из них: объем холодной воронки - 2 яруса, зона активного горения - 3 яруса, зона догорания топлива - 2 яруса и пространство, примыкающее к выходному окну топки, - 2 яруса. В сечении расчетного яруса выделялось 8 зон пристенного слоя и 1 зона центрального слоя. Такая разбивка позволяет учесть в расчетах температурную неравномерность, возникающую вследствие отключения индивидуальной пылесистемы прямого вдувания, а вместе с ней и соответствующего блока горелок. Общее число зон

математической модели составило - 127, из них 65 - объемные, остальные -поверхностные (рис. 1). Характеристики основного режима эксплуатации при моделировании представлены в табл. 1.

Таблица 1

Данные эксплуатационного режима

Номинальный расход топлива Доля уноса Влажность воздуха Избыток воздуха в топке Температура воздуха подогрева Температура газов рециркуляции Доля газов рециркуляции

8,05 кг/с 0,9 10 г/кг 1,14 368°С 170°С 0,15

Изменение состава ирша-бородинского угля, в течение года, в частности изменении зольности с 3,7% до 10,5% (табл. 2) с возможным дальнейшем увеличением до 15*18%, создает необходимость оценить рассеяние излучения золовыми частицами, концентрация которых в объеме топочной камеры растет пропорционально значению Аг. Методическое обеспечение учета рассеяния при зональном моделировании теплообмена представлено в работе [1]. Однако использование предложенных методов, помимо специального математического обеспечения, требует детальных экспериментальных данных по форме индикатриссы рассеяния и другим параметрам.

Таблица 2

Годовое изменение характеристик сжигаемого ирша-бородинского угля

Характеристика угля Январь Февраль Март Апрель Май

О, МДж/кг Аг, % №, % 15,341-16,610 4,4-9,1 29,6-36,2 15,852-16,074 4,3-7,0 29,7-35,5 15,031-16,225 4,8-8,1 30,5-33,2 15,404-16,380 3,6-8,5 28,8-34,6 15,944-16,652 3,9-5,9 27,4-31,5

Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь

, МДж/кг Аг, % №, % 15,140-16,522 4,4-6,6 25,2-31,9 15,094-16,727 3.7-10,0 28.7-31,6 15,609-16,656 4,5-8,6 28,5-34,2 14,774-16,606 3,8-10,5 27,3-34,7 15,835-16,890 4,7-8,7 29,6-32,0

В данном исследовании оценка рассеяния излучения на теплообмен проводилась путем некоторого снижения значений коэффициентов поглощения а 1 в объемных зонах математической модели. Изменение величины а; рассчитывалось по следующей зависимости:

а I = а I осн. [2,8

где а 1 и а [ осн. - соответственно скорректированные и основные коэффициенты

1 виз.

поглощения в объемных зонах математической модели, м ; Б С =----------------- -

аосн. + Риз.

эффективный критерий Шустера; риз - коэффициент изотропного рассеяния, м-1. Анализ теплообмена проводился при значении Б С =0,55 [1]. Значения а; осн.

определялись согласно [2], с соответствующим изменением поглощения излучения коксовыми частицами пропорционально коэффициентам выгорания в объемных зонах математической модели.

Специфика работы водогрейного котла КВ-ТК-100 заключается в том, что нагреваемая среда входит в экранные поверхности с одной температурой, которая меняется по мере продвижения среды вверх, в отличие от барабанных котлов, когда температура пароводяной смеси постоянна во всех точках экранных поверхностей. Темп изменения температуры нагреваемой среды зависит от теплообмена на внешних поверхностях нагрева, обращенных к высокотемпературному факелу. Таким образом, для водогрейных котлов необходимо решить сопряженную задачу внешнего и внутреннего теплообмена, которая подразумевает учет теплоотдачи от факела и топочных газов к отдельным участкам поверхности экранов, переноса теплоты через загрязнения и стенку трубы, а также теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемой среде. Температура среды tс, в данном случае, по мере ее нагрева

является определяемой величиной. Для случая прямоточного котла такая задача решена в [3]. Здесь использован аналогичный подход.

В первом приближении задавались температуры нагреваемой среды в поверхностных зонах математической модели tС, .. При этом использовались

данные, полученные при сходном режиме эксплуатации. Затем проводился зональный расчет теплообмена, где определялись температуры, тепловые потоки и теплопоглощение в зоне модели Q¡. В зависимости от этого уточнялись

первоначально выбранные tС, . и устанавливались новые температуры tС, .,

которые использовались на следующей итерации при зональном расчете температур. Итерации считаются законченными, если разность между значениями теплопоглощений Qi , полученными на предыдущей и последующих

итерациях, не превышали малой, наперед заданной величины А^. .

Выгорание топлива в объемных зонах топки задавалось в соответствии с результатами экспериментальных исследований. Значения основных и скорректированных коэффициентов поглощения топочной средой представлены в табл. 3.

Таблица 3

Выгорание топлива и коэффициенты поглощения топочной средой в объемных зонах математической модели

Параметр Номер зоны

1 2 3 - 11 12 - 20 21 - 29 30 - 38 39 - 47 48 - 56 57 - 65

ж. - - - 0,463 0,486 0,026 0,023 - -

а. осн.- м-1 0,30 0,27 0,24-0,35 0,21-0,27 0,21-0,26 0,17-0,27 0,19-0,28 0,22-0,33 0,21-0,30

аскор.> м-1 0,16 0,14 0,12-0,18 0,10-0,14 0,05-0,09 0,04-0,08 0,05-0,09 0,01-0,03 0,06-0,10

Коэффициенты конвективной теплоотдачи для экранных поверхностей нагрева ак, коэффициенты теплопередачи через слой золовых отложений и материал труб к нагреваемой среде Кт п., температура воды по высоте экранов tс , степень черноты шлакозоловых отложений £ для поверхностей нагрева приведены в табл. 4.

Значения параметров математической модели

Параметр Экранные поверхности

Холодная воронка Зона активного горения Зона дожигания

а к, Вт/(м2-К) 35 35 35

Ктп. , кВт/(м2К) 0,997 0,389 0,375

и О и 73 87 95*150

S 0,8 0,78 0,74

Основные результаты

Основные результаты проведенных расчетно-экспериментальных исследований представлены на рис. 2-5 и в табл. 5.

Как видно из представленных экспериментальных данных и построенных на их основе изорад, в целом распределение падающих радиационных потоков в горизонтальных сечениях достаточно ровное. По высоте топочной камеры максимальные значения зарегистрированы на уровне верхней границы зоны активного горения. Изменение показателей теплообмена при отключении пылесистемы наиболее ярко проявляется при сопоставлении экспериментальных данных, полученных на правом и левом экранах. Так, при отключении

пылесистемы Г факел горелочного блока В отклоняется к левой стене - q^ = 191

кВт/м2, в свою очередь, на противоположной правой - = 143 кВт/м2 и, в

целом, теплонапряженность слева выше, чем справа.

Отключение пылесистемы Б вызывает прямо противоположную картину.

Здесь - q™ = 192 кВт/м2 получено справа (отключен факел блока горелок А), а

qimT = 158 кВт/м2 - слева. Аналогичным образом меняется общая

теплонапряженность стен. Тепловая неравномерность заметно выравнивается при включении в работу всех пылесистем.

Другой особенностью топочных процессов, выявленных в ходе экспериментальных измерений, является наличие максимума плотности

падающих радиационных потоков на тыловом экране (q^X = 212*216 кВт/м2), что

вызвано смещением высокотемпературных газов к выходному окну топки. Такое отклонение тепловых потоков привело к образованию (отметка 19,85 м по высоте) несколько левее центра тылового экрана слоя гребневидных золовых отложений с толщиной 180*200 мм, что установлено при визуальном осмотре, тогда как остальные экранные поверхности нагрева котла в дни проведения замеров оставались эксплуатационно чистыми (имели место только первичные отложения).

Таблица 5

Результаты зонального моделирования теплообмена

Температуры

Вариант газов поверхности max q пад ,

расчета и о S я и о 8'а S & Ф о т, °С t max °С пов.з ’ кВт/м2

1 (базовый) 1260 1147 923 829 217

2 (с учетом рассеяния излучения) 1374 1095 1009 717 176

19850

в) 150 158 Ю2

Рис. 2. Распределение плотности падающих радиационных потоков при следующих схемах включения пылесистем: а) АБВ; б) АВГ; в) АБВГ

© Проблемы энергетики, 2008, № 3-4

54

70

В

При зональном моделировании теплообмена рассматривался случай симметричного положения факела. Проведенное сопоставление

экспериментальных и расчетных данных выявило их удовлетворительную сходимость (рис. 4).

Высота топки, м

Рис. 3. Изменение температур центра (1, 2) и пристенных слоев (3, 4) по высоте топки: соответственно для варианта с рассеянием (1, 4) и без рассеяния (2, 3) излучения золовыми

частицами

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Высота топки, м

Рис. 4. Изменение плотности падающего радиационного потока по высоте топки: 1 - плотности падающего радиационного потока без рассеяния; 2 - плотности падающего радиационного потока с рассеянием (Аг = 15,8%). Точками Д показаны данные эксперимента

Из графиков видно, что учет эффекта рассеяния излучения золовыми частицами (соответствует изменению содержания А в сжигаемом топливе свыше

20%) значительно меняет распределение температур и тепловых потоков в топочной камере. Так, температуры в центральном слое математической модели, полученные с учетом рассеяния на 80^110°С, превышают аналогичные в варианте без учета. Для температур в пристенном слое и на поверхности золовых отложений наблюдается иная картина. Здесь максимальные значения зарегистрированы в варианте без учета рассеяния, а минимальные - в варианте с учетом. Аналогично распределение плотности падающих радиационных потоков излучения.

Полученный эффект объясняется тем, что при повышенной зольности сжигаемого угля излучение факела экранируется и рассеивается частицами золы. Образуется высокотемпературный центр, окруженный значительно более

«холодной» периферией (разница температур газов в горизонтальных сечениях составляет между центром и пристенным слоем 238*280 °С). Это обстоятельство ухудшает процессы передачи теплоты в топочной камере, приводит к снижению величины коэффициента тепловой эффективности и высоким значениям

температуры газов на выходе: ОТ = 923°С - без учета и ОТ = 1009°С - с учетом

рассеяния. В условиях сжигания шлакующих углей подобное увеличение температуры может привести к загрязнению и шлакованию поверхностей нагрева в конвективном газоходе. Кроме того, ухудшение условий теплопередачи в топочной камере при увеличении зольности приводит к уменьшению величины теплопоглощения экранами, что, в свою очередь, снижает темп прироста температуры нагреваемой смеси. Так, на выходе из экранов в результате «недобора» теплоты ¿с = 139°С в отличие от необходимых 150 °С.

Рис. 5. Изменение характеристик теплообмена от теплопроизводительности котла: 1 -температура газов на выходе из топки; 2 - максимальная плотность падающих радиационных

потоков

С помощью разработанной трехмерной зональной математической модели теплообмена проведено исследование влияния на тепловую работу котла КВ-ТК-100 увеличения теплопроизводительности в диапазоне 100*120 Гкал/ч. Изменение при этом характеристик суммарного и локального теплообмена показано на рис. 5. Видно, что такое повышение нагрузки котла приводит к росту общего пирометрического уровня в топочной камере. В реальных условиях сжигания шлакующего топлива такое изменение режима вызовет значительный рост отложений на поверхностях нагрева. При этом необходимо учитывать, что достижение максимальной теплопроизводительности на трех работающих пылесистемах в условиях температурной неравномерности (согласно представленным экспериментальным данным) повлечет гораздо большее увеличение максимальной плотности падающих радиационных потоков, чем получено в случае симметричного положения факела (ориентировочно

Ц падХ =250 * 270 кВт/м2). Снизить в этом случае опасность шлакования позволит

увеличение подачи газов рециркуляции до грец = 22% и более частое включение в

работу аппаратов очистки.

Выводы

1. Проведено расчетно-экспериментальное исследование сложного

теплообмена в топочной камере котла КВ-ТК-100 Красноярской ТЭЦ-3. В ходе

экспериментов фиксировались значения плотности падающих на экраны радиационных потоков, а в расчетах использовалась разработанная 127-зонная трехмерная математическая модель.

2. Установлено, что изменение режима сжигания, вызванное различным включением в работу пылесистем котла, сопровождается соответствующим распределением характеристик теплообмена и повышением температурной неравномерности. Причем наиболее теплонапряженным является участок тылового экрана (отметка 19,85 м по высоте), где зарегистрировано

q max = 216 + 217 кВт/м2 и отмечен очаг золовых отложений.

3. При зональном моделировании теплообмена выполнена оценка влияния на тепловую работу котла рассеяния излучения золовыми частицами. Совместно с решением задачи внутреннего и внешнего теплообмена получено, что увеличение зольности топлива ( Ar >20%) приводит к снижению температуры теплоносителя

вследствие неэффективной теплопередачи.

4. Выявлено, что повышение теплопроизводительности котла до 120 Гкал/ч дает опасное, по условиям шлакования, увеличение показателей локального теплообмена. Так, значения максимальной плотности падающего радиационного потока с учетом температурной неравномерности составили 250*270 кВт/м2. Поэтому необходимо изменить режимные параметры эксплуатации: увеличить подачу газов рециркуляции до грсц = 0,22% или обеспечить включение аппаратов очистки экранов не менее 4 раза в сутки.

Summary

The are results of experimental exploration of complex heat and mass transfer in the hot-water boiler. For this dimension the desting of radiation flow in the furnace KV-TK-100-150-6. The 127-zone three-dimensional mathematical model of heat and mass transfer has been developed. At simulation the engineering estimation of effect of radiation is made at change ashlevel of burnt fuel. Besides the interfaced problem of external and internal heat and mass transfer is solved, namely: heat dissipation from a torch and furnace gases to separate sites of heating surface, transfer of heat through pollution and a wall of a pipe, heat dissipation from a wall of a pipe to heated up environment. On the basis of the lead exploration recommendations on increase heat effect a hot-water boiler are developed.

Литература

1. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н. Теплообмен излучением: Справочник / Под ред. А.Г. Блоха. - М.: Энергоатоиздат, 1991. - 432 с.

2. Шишканов О.Г., Андруняк И.В. Определение радиационных характеристик для зонального моделирования теплообмена с учетом селективности излучения / Известия РАН. Энергетика, 2004. - № 6. - С. 144-151.

3. Журавлев Ю.А., Ослонович В.А., Шишканов О.Г. Влияние условий сжигания шлакующих углей на теплообмен и процесс парогенерации в экранах топочной камеры // Влияние минеральной части энергетических топлив на условия работы парогенераторов: Тез. докл. VI Всесоюзн. конф. Т. 4. - Таллин, 1986. - С. 107-112.

Поступила 02.11.2007