Microsoft Word - D-Tucakovic - Rad - Energetika 2008.doc

Транскрипт

1 SOFTVER ZA ODREĐIVANJE RASPODELE AEROSMEŠE I ZAGREJANOG VAZDUHA PO ETAŽAMA GORIONIKA ENERGETSKOG PARNOG KOTLA A COMPUTER CODE FOR THE PREDICTION OF MILL GASES AND HOT AIR DISTRIBUTION BETWEEN BURNERS' SECTIONS AT THE UTILITY BOILER dr Dragan Tucaković *, dr Titoslav Živanović **, dr Srđan Belošević ** * Mašinski fakultet, Kraljice Marije 16, Beograd 35, Srbija ** Institut za nuklearne nauke Vinča Laboratorija za termotehniku i energetiku, ABSTRACT: One of the main tasks during the design or simulation and analyses of the utility steam boiler operation is the prediction of a distribution of mill gases and hot air flow rates between burners' sections. These are the boundary conditions for the combustion process in the boiler furnace, and they strongly influence the steam boiler economy and reliability of operation. A computer code for the prediction of mill gases and hot air distribution between boiler burners has been developed. The code is based on simultaneous calculations of material and heat balances for the fan mill and corresponding air tracts. This paper presents a methodology of performed calculations, the code structure, and results obtained for the steam boiler furnace of 350 MW e thermal power plant equipped with eight fan mills. Key words: mill gases, hot air, aerodynamic calculation, air tract, mill tract. 1. UVOD Softver za određivanje raspodele aerosmeše i zagrejanog vazduha po pojedinim etažama gorioinika baziran je na povezanim proračunima toplotnog i materijalnog bilansa mlinskog postrojenja, kapaciteta mlevenja ventilatorskog mlina, aerodinamičkog proračuna mlinskog i vazdušnog trakta. Poznavanjem radnih parametara parnog kotla, prvo se, na osnovu toplotnog bilansa, određuje ukupna potrošnja goriva i vazduha potrebna da se ostvari željena produkcija kako sveže tako i naknadno pregrejane pare, a zatim proračunom maksimalnog kapaciteta mlina [1, 7] određuje potreban broj mlinova u radu. Uporednim proračunom toplotnog i materijalnog bilansa mlinskog postrojenja [1, 3] i zonalnog termičkog proračuna ložišta [5] određuju se protoci vrelih recirkulisanih produkata sagorevanja sa kraja ložišta, isparele vlage iz goriva, hladnih recirkulisanih produkata sagorevanja sa kraja kotla i štetnog vazduha. Protok zagrejanog vazduha (primarnog vazduha), koji se takođe dovodi u mlin, pri ovom proračunu se pretpostavlja a potom aerodinamičkim proračunom vazdušnog trakta [3, 4, 6] proverava, što znači da se određuje iterativnim postupkom. Nakon ovih proračuna određeni su pojedini protoci transportnog fluida, protok primarnog vazduha, protok sekundarnog vazduha kao i njegova raspodela po pojedinim etažama gorionika i protok tercijarnog vazduha koji se dovodi ispod rešetke za dogorevanje. Na kraju, vrši se aerodinamički proračun mlinskog

2 trakta [1, 6] na osnovu čega se određuje raspodela aerosmeše po pojedinim etažama gorionika. Osim toga, određuje se i napor mlina [1] kako bi se utvrdila njegova ventilaciona sposobnost. Prikazani softver omogućuje dva načina proračuna raspodele protoka aerosmeše i zagrejanog vazduha. Prvi način odnosi se na podjednako opterećenja mlinova u radu, odnosno kada su pomenuti protoci kroz pojedine etaže gorionika za razmatrane mlinove identični [8]. Drugi način proračuna svodi se na proračun svakog mlina posebno s obzirom da njihova opterćenja nisu identična što je prouzrokovano različtim brojem časova rada pojedinih mlinova [9, 10]. Naime, pohabanost udarnih tela mlinova se razlikuje što dovodi do neujednačene, kako potrošnje uglja tako i kvaliteta meljave. Da bi se izvršili proračuni svakog mlina posebno, potrebno je poznavati protok zagrejanog vazduha ka posmatranom mlinu kao i odgovarajuću potrošnju uglja što se može dobiti iz dispečerskog centra koji prati rad kotla i beleži odgovarajuće veličine u bazu podataka. Svi pomenuti proračuni su izrađeni u softverskom paketu Visuel Fortran, dok je unos podataka, povezivanje odgovarajućih proračuna, kao i prikaz rezultata omogućen u Visuel Studiu. Nakon izvršenih proračuna, dobijeni rezultati se unose u posebnu bazu podataka koja se koristi za granične uslove 3D proračuna ložišta. Osim toga, razvojem ovog softvera omogućeno je praćenje rada kotla u realnim uslovima rada na osnovu čega je moguće predvideti veći broj faktora koji utiču na njegov što stabilniji i ekonomičniji rad. Mogu se analizirati razni uticaji: uticaj temperature aerosmeše na protok recirkulisanih gasova sa kraja ložišta, protok primarnog i sekundarnog vazduha; uticaj promene protoka primarnog i sekundarnog vazduha na proces sušenja uglja i potrebnog odnosa brzina aerosmeše i sekundarnog vazduha; uticaj kvaliteta meljave na kapacitet mlina i proces sagorevanja; uticaj povećanog prisisa štetnog vazduha u mlinsko postrojenje i ložište. Postoji određen broj radova koji se bave ovom problematikom a koji su korišćeni u cilju što boljeg sagledavanja problema vezanih za kvalitetan rad ložišnog uređaja [7, 8, 9, 10, 15, 16]. Softver za 3D proračun razmatranog ložita razvijen je u Laboratoriji za termotehniku i energetiku instituta za nuklearne nauke u Vinči. Metodologija proračuna ovog softvera prikazana je u [11, 12, 13], dok su dobijeni rezultati za razmatrano ložište prikazani u [14]. 2. OPIS LOŽIŠNOG UREĐAJA Ložište predmetnog parnog kotla opremljeno je sa osam ventilatorskih mlinova. S obzirom da je za sagorevanje izabran lignit male toplotne moći i velikog sadržaja vlage, za pripremu goriva usvojen je modifikovani sistem sa direktnim uduvavanjem i sušenjem ugljenog praha po zatvorenom procesu. Lignit se u mlinu melje i istovremeno suši mešavinom recirkulisanih produkata sagorevanja sa kraja ložišta, zagrejanog vazduha (primarni vazduh) i recirkulisanih hladnih produkata sagorevanja sa kraja kotla. Iza separatora, po toku aerosmeše, postavljen je razdvajač u kome se aerosmeša deli na primarnu i sekundarnu struju. Primarna struja aerosmeše sadrži veći deo ugljenog praha definisan stepenom izdvajanja ugljenog praha (g), koji se najčešće kreće u granicama od 0,7 do 0,85. Količina transportnog fluida u primarnoj struji definisana je stepenom deljenja otparaka (l) koji je određen na osnovu izbora odnosa slobodnog preseka kanala za primarnu i sekundarnu struju aerosmeše. Primarna struja aerosmeše, kod modifikovanog sistema sa direktnim uduvavanjem, uvodi se u ložište kroz glavni gorionik podeljen u dve etaže, donju i gornju, dok se sekundarna struja aerosmeše uvodi kroz donji i gornji deo gorionika za otparke (sl. 6). Stepen izdvajanja ugljenog praha (g) može se, u određenim granicama, regulisati promenom ugla lopatica u razdvajaču aerosmeše, dok se na stepen deljenja otparaka (l) može uticati

3 promenom ugla nagiba klapni (φ) koje se nalaze u kanalima aerosmeše ispred svake etaže gorionika (sl. 4). Vazduh, potreban za sagorevanje uglja, usisava se kroz dva zasebna kanala, predgreva parnim predgrejačima i zatim dovodi do dva paraleno vezana ventilatora. Ventilatori potiskuju predgrejan vazduh kroz regenerativne rotacione zagrejače, nakon kojih zagrejan vazduh dolazi u zajednički prstenasti kanal postavljen oko kotla. Iz prstenastog kanala zagrejani vazduh se preko razdelnih kutija odvodi ka mlinovima, dok se na sredini ovog kanala nalazi priključak za tercijarni vazduh, koji se posebnim kanalima odvodi ispod rešetke za dogorevanje smeštene u ložišnom levku. Zagrejan vazduh, koji se dovodi jednom od mlinova u radu, deli se na dve struje, primarnu i sekundarnu. Primarni vazduh se uduvava u glavu recirkulacionog kanala u cilju regulisanja temperature aerosmeše, u koju se istovremeno uvode i recirkulisani produkti sagorevanja sa vrha ložišta i sa kraja kotla. Sekundarni vazduh se dovodi u razdelnu kutiju koja je podeljena na dva dela: deo iz koje se vazduh dovodi u glavni gorionik i deo iz koje se vazduh dovodi u gorionik za otparke. U glavni gorionik vazduh se uvodi kao gornji, jezgreni i donji, a u gorionik za otparke kao gornji, srednji, jezgreni i donji. Klapne za regulisanje protoka primarnog (α p ) i sekundarnog (α s ) vazduha postaveljene su u odgovarajućim kanalima (sl. 6). Osim toga, dovodi se i određena količina zagrejanog vazduha za hlađenje gorionika koji nisu u radu. 3. PRIKAZ SOFTVERA ZA ODREĐIVANJE RASPODELE AEROSMEŠE I ZAGREJANOG VAZDUHA Uprošćena šema algoritma, na osnovu koga je napravljen softver za određivanje raspodele aerosmeše i zagrejanog vazduha, prikazana je na slici 1. Na slici 2 pretstavljena je glavna forma koja služi za unos podataka o kvalitetu goriva, za povezivanje sa ostalim formama vezanih za unos podataka, za izvršenje potrebnih proračuna, kao i za povezivanje sa formama za prikaz rezultata. Kao što je rečeno, prvo se u glavnoj formi unose podaci za ugalj: njegova elementarna analiza, donja toplotna moć i koeficijent meljivosti po Hardgrouvu. Nakon toga, iz glavne forme, pristupa se formi za unos potrebnih podataka za proračun toplotnog bilansa parnog kotla (sl. 3). U okviru ove forme, potrebno je uneti podatke za trakt sveže (D, p nv, t nv, p s i t s ) i naknadno pregrejane pare (D r, p r, t r, p rs i t rs ), podatke za temperaturu produkata sagorevanja na izlazu iz kotla ( t iz g ), temperaturu na mestu oduzimanja ul iz hladnih recirkulisanih gasova (t hg ) kao i temperature vezane za vazdušni trakt (t hv, t zv, t zv ). Osim toga, unose se i koeficijenti viška vazduha: na kraju ložišta (α l ), ispred zagrejača vazduha ( α ), na izlazu iz kotla (α iz ) i na mestu oduzimanja hladnih recirkulisanih gasova ul zv (α hg ) kao i priraštaji koeficijenta viška vazduha u ložištu (Δα l ) i u mlinskom postrojenju (Δα m ). Ukoliko se u ovoj formi ne unesu svi ponuđeni ulazni podaci softverski program će automatski, pri proračunu toplotnog bilansa, za neunešene podatke usvojiti projektne vrednosti. Pored unetih i usvojenih podataka u formi prikaza rezultata predstavljeni su i osnovni reziltati toplotnog bilansa: opterećenje parnog kotla, ukupno uneta količina toplote u kotao, stepen korisnosti kotla, snaga kotla i potrošnja goriva (sl. 3). Posle unosa podataka za toplotni bilans parnog kotla, iz glavne forme ulazi se u novu formu za unos podataka vezanih za mlin (sl. 4) na osnovu kojih će biti izvršeni proračuni kapaciteta mlevenja i kapaciteta sušenja mlina, a samim tim i odrediti potreban broj mlinova u radu. Za pomenute proračune potrebno je uneti uglove nagiba klapni u kanalima za primarni (α p ) i sekundarni (α s ) vazduh, koeficijent recirkulacije hladnih gasova sa kraja kotla (r 2 ), broj

4 obrtaja dozatora uglja (n d ) i udarnog kola mlina (n em ), stepen izdvajanja ugljenog praha (g), uglove nagiba klapni (φ) koje se nalaze u kanalima aerosmeše ispred svake etaže gorionika, temperaturu aerosmeše (t 2 ), ugao nagiba klapni separatora (γ), ostatak na situ od 90 μm (R 90 ) i ostatak na situ od 1000 μm (R 1000 ). Ukoliko se neki od ovih podataka ne unese, pri proračunu će biti uzete projektne vrednosti. Ova forma se može, takođe, ponovo otvoriti u okviru prikaza rezultata (sl. 4). Slika 1. Uprošćena šema algoritma

5 Slika 2. Glavni ekran za unos podataka i povezivanje sa ostalim formama za unošenje i prikaz rezultata proračuna Slika 3. Forma za unos podataka vezanih za proračun toplotnog bilansa i prikaz rezultata

6 Slika 4. Forma za unos podataka vezanih za proračun mlinskog postrojenja Nakon određivanja proračunski potrebnog broja mlinova, neophodnih za obezbeđenje tražene produkcije kotla, potrebno je od osam mlinova odabrati one koji su u radu i mlinove van pogona. Ovaj izbor vrši se u posebnoj formi prikazanoj na slici 5. S obzirom da su do sada unete i izračunate sve neophodne vrednosti za aerodinamički proračun mlinskog i vazdušnog trakta, sa glavne forme pristupa se ovim proračunima. Nakon izvršenih aerodinamičkih proračuna prikazi rezultata nalaze se u posebnim formama kojima se pristupa iz glavne forme. Na slici 6 prikazana je forma raspodele aerosmeše i vazduha ka jednom od mlinova u radu. Na desnoj strani forme jasno se uočava raspodela vazduha koji se deli na primarni i sekundarni čije se količine regulišu postavljenim klapnama. Iz kanala za sekundarni vazduh, najpre se odvaja deo vazduha za hlađenje gorionika za tečno gorivo (V tg ) i zaptivnog vazduha za mlin (V zv ), dok se preostali vazduh uvodi kao gornji, srednji, jezgreni i donji kroz pojedine etaže gorionika. Protok tercijarnog vazduha prikazan je na donjem delu forme, dok je na levoj strani prikazana raspodela aerosmeše kao i protok vrelih recirkulisanih gasova sa kraja ložišta. Protoci ugljenog praha kao i protoci otparaka tabelarno su prikazani za svaku etažu gorionika. Svi do sada prikazani rezultati odnose se na podjednako opterećenje mlinova u radu. U realnim uslovima rada parnog kotla, zbog različitog broja časova rada pojedinih mlinova, kvaliteti meljave, kapaciteti mlinova, protoci recirkulisanih gasova sa kraja ložišta, protoci primarnog vazduha i ostale pojedinine veličine se razlikuju. Upravo zbog toga, u ovom softveru, u donjem delu glavne forme (sl. 2), omogućeno je unošenje podataka i proračun za svaki mlin posebno. Mlinovi u radu i mlinovi van pogona određeni su prethodnim proračunom u uslovima podjednakog opterećenja.

7 Slika 5. Forma za izbor mlinova u radu i mlinova van pogona Slika 6. Forma za prikaz rezultata raspodele aerosmeše i vazduha za miln u radu

8 Za mlinove u radu učitavaju se ulazni podaci u formi koja je prikazana na slici 4, s tim što se sada dodatno unosi i protok ukupnog vazduha ka tom mlinu i potrošnja uglja koji su dobijeni na osnovu merenja. Ako neki od ulaznih podataka, koji se odnose na razmatrni mlin, nisu poznati, softverski program će automatski usvojiti te veličine iz prethodnog proračuna. Nakon izvršenih aerodinamičkih proračuna, rezultati raspodele ugljenog praha, transportnog fluida i zagrejanog vazduha prikazani su u formi koja se odnosi samo na taj mlin a čiji je oblik identičan kao na slici 6. Za mlinove koji su van pogona potrebno je uneti protok vazduha za hlađenje gorionika, a na osnovu aerodinamičkog proračuna vazdušnog trakta biće određena njegova raspodela po pojedinim etažama gorionika. Rezultati proračuna, takođe su prikazani u formi koja je identična kao i za mlinove u radu, s tim što je protok ugljenog praha, transportnog fluida i primarnog vazduha jednak nuli. 4. ANALIZA UTICAJA POVEĆANOG PRISISA VAZDUHA POMOĆU PRIKAZANOG SOFTVERA Kao jedan od primera korišćenja ovog softvera može se navesti slučaj koji se često javlja u toku eksploatacije energetskih parnih kotlova, kada dolazi do podizanja vatre u ložištu što izaziva probleme vezane za njegov siguran rad. Podizanje vatre može biti prouzrokovano nepravilnom raspodelom ugljenog praha u razdvajaču aerosmeše kao i nedovoljnim brzinama sekundarnog vazduha u gorionicima što se može analizirati u prikazanom softveru promenom stepena izdvajanja ugljenog praha i promenom protoka sekundarnog vazduha. Naime, na protok sekundarnog vazduha, osim postavljenih klapni u kanalima primarnog i sekundarnog vazduha, veliki uticaj ima i količina prisisanog vazduha koja se u softverski program unosi u vidu priraštaja koeficijenta viška vazduha u ložištu i mlinskom postrojenju a koja direktno utiče na protok, pa samim tim i na brzinu sekundarnog vazduha. Na slici 7, za mlin u radu, prikazana je promena protoka primarnog i sekundarnog vazduha i protoka transportnog fluida u zavisnosti od priraštaja koeficijenta viška vazduha u mlinu. Slika 7. Zavisnost protoka vazduha i transportnog fluida od priraštaja koeficijenta viška vazduha u mlinu

9 Proračuni su sprovedeni za razmatrani parni kotao pri produkciji sveže pare od 265 kg/s i sagorevanju garantnog uglja čija je donja toplotna moć 7326,9 kj/kg. Veličine koje nisu varirane pri analizi su: koeficijent viška vazduha na kraju ložišta (α l =1,25), priraštaj koeficijenta viška vazduha u ložištu (Δα l = 0,1), temperatura zagrejanog vazduha ( t iz zv = 285 o C), temperatura aerosmeše (t 2 = 200 o C), ugao nagiba klapne u kanalu za primarni vazduh (α p = 0 o ), ugao nagiba klapne u kanalu za sekundarni vazduh (α s = 0 o ). Potreban broj mlinova u radu je šest. Odnos protoka sekundarnog vazduha i transportnog fluida koji obezbeđuje kvalitetno sagorevanje odgovara priraštaju koeficijenta viška vazduha u mlinu do 0,1, kolika je i projektna vrednost. Povećanjem prodora štetnog vazduha u mlin, kao posledica nedovoljne zaptivenosti mlina, protok sekundarnog vazduha se smanjuje dok se protok transportnog fluida povećava. Samim tim i odnos brzina sekundarnog vazduha i aerosmeše je sve manji što dovodi do nekvalitetnog mešanja vazduha i ugljenog praha, odnosno do neadekvatnog i nepotpunog sagorevanja. 5. ZAKLJUČAK Prikazani softver, napravljen za proračun mlinskog postrojenja, prvenstveno je namenjen za definisanje ulaznih podataka kod 3D proračuna ložišta, ali se može i individualno koristiti prilikom analiza vezanih za raspodelu zagrejanog vazduha i ugljenog praha po pojedinim gorionicima kao i kod raspodele transportnog fluida po kanalima aerosmeše. Osim toga, na osnovu merenja, moguće je ovim softverom simulirati stvarne uslove rada mlinskog postrojenja i ložnog uređaja a zatim analizama odrediti relevantne parametre sa kojima bi rad ložišta parnog kotla bio najoptimalniji. REFERENCE [1] T. Živanović, Lj. Brkić, D. Tucaković, Proračun postrojenja za pripremu ugljenog praha, Mašinski fakultet, Beograd, [2] AO Inženjerska kompanija Ziomar, Projekat rekonstrukcije kotla br. 1 Tehnički izveštaj P3, Podoljsk, Novosibirsk, [3] Lj. Brkić, T. Živanović, Parni kotlovi, Mašinski fakultet, Beograd, [4] Lj. Brkić, T. Živanović, D. Tucaković, Aerodinamički proračun parnih kotlova, Mašinski fakultet, Beograd [5] Lj. Brkić, T. Živanović, D. Tucaković, Termički proračun parnih kotlova, Mašinski fakultet, Beograd, [6] Аэродинамический расчет котельных установок Нормативний метод, Энергия, Москва, [7] D. Tucaković, T. Živanović, Analysis of operation of steam boiler grinding circuit with direct-firing mill in TPP Drmno, XXVI Kraftwerkstechnisches kolloquium, Dresden, [8] T. Živanović, D. Tucaković, Fan mill process modelling, XXVI Kraftwerkstechnisches kolloquium, Dresden, [9] T. Živanović, M. Stojaković, Process modelling and fan mill regulating in exploitation, II International forum, Zbornik radova, Str do18-2-6, Erlangen, 1992.

10 [10] D.H.Scott, Coal pulverisers Perfomance and safety, IEA Coal Research, London, [11] S. Belosević, M. Sijerčić, S. Oka, D. Tucaković, Three-dimensional modeling of utility boiler pulverized coal tangentially fired furnace, International Journal of Heat and Mass Transfer 49 (2006) [12] S. Belosević, S. Oka, M. Sijerčić, Development of three-dimensional mathematical model for pulverized coal boiler furnaces, in: Book of Abstract 3 rd International Fortwihr Conference 2001, Erlangen, Germany, 2001, pp [13] S. Belosević, S. Oka, M. Sijerčić, Results of three-dimensional mathematical model development for pulverized coal furnace, in: Proceedings of the XIII Seminar of Young Scientists Physical Principles of Experimental and Mathematical Simulation of Heat and Mass Transfer and Gas Dynamics in Power Plants, vol. 1, MPEI Publishers, Saint Petersburg, Russia, 2001, pp [14] S. Belosević, M. Sijerčić, D. Tucaković, A numerical study on tangentially fired furnace aerodynamics, International Symposium Power Plants 2006, Proceedings (CD Version), Vrnjačka Banja, Serbia, [15] G.T.Levit, Optimizing the control of combustion in steam boilers equipped with pulverizing fans, Thermal Engineering, 47 (2000) pp [16] X.Z.; Liu, S.; Hui, Z., Yu, Development and application of a pulverized-coal regulating device, Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 15 (2000) pp