Формирование осесимметричного закрученного потока в циклонно-вихревом предтопке мощностью 65 МВт

Благодарность. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № 075-15-2020-806).

Цитирование: Штым, К. А. Формирование осесимметричного закрученного потока в циклонно-вихревом предтопке мощностью 65 МВт / К. А. Штым, Т. А. Соловьёва, Е. Ю. Дорогов, Ю. Б. Гончаренко, Л. В. Кулагина // Журн.Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2022, 15(4). С. 448–458. DOI: 10.17516/1999-494X-0406

вод газа через аксиальные и торцевые вводы – растопочным. Растопочный режим позволяет обеспечить прогрев ЦВП и котла за 30 мин. Работает ЦВП на растопочном режиме до 15 % нагрузки котла. Распределение газа при растопочном режиме позволяет заполнить камеру факелом на 20 % от общего объёма предтопка и при пуске в работу «мягко» прогреть обмуровку предтопка и экранные поверхности нагрева котла. Рост нагрузки котла осуществляется увеличением расхода газа, подаваемого через тангенциальные газовые сопла. Заполнение объёма КС ЦВП факелом при этом составляет 80 %. Комбинированное распределение газа - через тангенциальные, торцевые и осевые вводы – дает эффективную работу котла на нагрузках от 15 до 100 % от номинальной.

С целью изучения процесса формирования симметрии закрученного потока в КС ЦВП проведены аэродинамические исследования при одностороннем и четырехстороннем тангенциальном вводе газа («горячий» поток) и выполнено сравнение с результатами исследований без горения («холодный» поток) топлива в ЦВП. Для исследований был изготовлен зонд, с помощью которого пневмометрическим методом измеряли параметры вихревого потока: направление, статическое и динамическое давления, температуру, содержание кислорода и оксида углерода. Для эксперимента подготовлен один из двух ЦВП котла ПТВМ-100 ст. № 2 Якутской ТЭЦ и один из двух ЦВП котла КВГМ-100-150 ст. № 5 Владивостокской ТЭЦ-1 (рис. 1). В экспериментальном ЦВП котла смонтированы отверстия для ввода исследовательского зонда. Длина КС ЦВП котла ПТВМ-100 ст. № 2 составляет L = 1750 мм, диаметр D = 1750 мм. Замеры производили в трёх сечениях (рис. 1 а ). Первое сечение расположено на расстоянии Х । = 300 мм ( X 1 /D = 0,199) от торца камеры сгорания ЦВП, второе - Х 2 = 770 мм ( X 2 / D = 0,51) и третье - Х 3 = 1170 мм ( X 3 D = 0,77).

Длина КС ЦВП котла КВГМ-100–150 ст. № 5 составляет L = 1460 мм, диаметр D = 1800 мм. Замеры производили в двух сечениях (рис. 1б ). Первое на расстоянии Х [ , равном 510 мм ( X J D = 0,283) от торца КС ЦВП, второе на Х 2 , равном 990 мм ( X 2 / D = 0,55).

Исследование параметров закрученного потока без горения и при горении газа в ЦВП при комбинированном подводе выполняли на котле ПТВМ-100 ст. № 2 при нагрузке 89 Гкал/ч (89 % от номинальной нагрузки котла), а на котле КВГМ-100–150 ст. № 5 при нагрузке 50 Гкал/ч (50 % от номинальной нагрузки котла). При сжигании газа исследования на котле ПТВМ-100 ст. № 2 выполнялись при температуре наружного воздуха минус 47 °С, без горения газа температура воздуха менялась от плюс 3 до минус 9 °С. На котле КВГМ-100–150 исследования проводили при температуре воздуха 10–12 °С.

Вихревое движение потока характеризуется профилем изменения тангенциальной составляющей W,, вектора полной скорости. Анализируя результаты исследований, проведенных в КС ЦВП котлов (рис. 2), можно выделить наличие областей, в которых тангенциальная составляющая W p вектора полной скорости возрастает от стенки КС ЦВП, а затем убывает к оси до нулевых значений. Эти области формируются и «горячим», и «холодным» потоками, которые разделяются между собой максимальными по значению тангенциальными скоростями W _pmax и называются, соответственно, областью квазипотенциального и квазитвёрдого вращения. Для ЦВП котла ПТВМ-100 ст. № 2 максимальные значения тангенциальной скорости W _9max «холодного» потока отмечаются на радиусе 450–500 мм, а для ЦВП котла КВГМ-100-150 ст. № 5 – на радиусе 350–450 мм. Максимальные значения тангенциальной скорости наблюдаются после – 451 –

Рис. 1. Схема ЦВП с расположением экспериментальных сечений и основными размерами а) схема ЦВП котла ПТВМ-100 ст. № 2 б) схема ЦВП котла КВГМ-100-150 ст. № 5; D – диаметра КС ЦВП, D твк – диаметр торцевой вихревой камеры, D з – диаметр завихрителя, D п – диаметр пережима

Fig. 1. Scheme of the CVB with the arrangement of experimental sections and limited dimensions а) scheme for CVC of water boiler PTVM-100 № 2 b) scheme for CVC of water boiler KVGM-100-150 № 5; D – diameter of the CS of the CVP, Dтвк – diameter of the end vortex chamber, Dз – diameter of the swirler, Dп – clamping diameter радиуса пережима. Радиус пережима Rп для КС ЦВП котла КВГМ-100-150 ст. № 2 составляет 645 мм. В первом сечении максимальная скорость Wφmax, равная 23 м/с, отмечена на радиусе 420 мм, а во втором (Wφmax, равная 22,2 м/с) – на радиусе 520 мм.

Максимальная по абсолютной величине W φmax указывает на наибольшую интенсивность вихревого течения. Максимальные значения тангенциальной скорости занимают относительно протяженную зону, которая и является переходной между квазипотенциальной и квазитвёрдой областями. Протяженность её составила на исследуемых камерах в среднем 100–200 мм. Относительный диаметр пережима d п = D п / D ( d = D c /D cch ) влияет на расположение максимальных тангенциальных скоростей в объёме камеры [1] и с его уменьшением W _φmax смещается к оси камеры, тем самым увеличивая область квазипотенциального вращения. Аналогичный харак- – 452 –

о section 1 coold

• section 1

л section 2 coold

* section 2

□ section 3 coold

■ section 3

Рис. 2. Изменение тангенциальной составляющей вектора скорости закрученного потока: а) ПТВМ-100 ст. № 2; б) КВГМ-100-150-100 ст. № 5; R _з – радиус завихрителя; R _т – радиус торцевых сопел; R _п – радиус пережима

Fig. 2. Change in the tangential component of the velocity vector of the swirling flow: a) PTVM-100 art. № 2; b) KVGM-100-150-100 art. № 5; Rз - radius of the swirler; Rт - radius of end nozzles; Rп - clamping radius тер изменения тангенциальной скорости «холодного» потока наблюдается и в КС ЦВП котла ПТВМ-100 ст. № 2. Максимальные значения Wφmax при исследованиях достигли 40 м/с, так как объём воздуха, подаваемого в КС ЦВП ПТВМ-100 ст. № 2, в два раза больше, чем в КС ЦВП котла КВГМ-100-150 ст. № 5.

Камера сгорания ЦВП котла ПТВМ-100 ст. № 2 и котла КВГМ-100-150 ст. № 5 имеет оптимальный параметр - калибр камеры d _п = D _п/ D (d = D c /D cch ), равный 0,72, что позволяет создать интенсивный закрученный «холодный» поток в 63-73 % основного объёма камеры предтоп-ка. В остальной части объёма, которая является областью квазитвёрдого вращения, интенсивность закрутки потока снижается и практически в оси КС предтопка W _φ равна нулю.

Изменение профиля W_(p в КС сгорания ЦВП (рис. 2) наглядно показывает, что формируемый четырехсторонним тангенциальным вводом воздуха закрученный «холодный» поток осесимметричен. Тангенциальная скорость с максимальных значений в исследуемых камерах убывает в зоне квазитвёрдого вращения тела. Практически на оси КС ЦВП W _φ равна 0 м/с, что указывает на отсутствие вращения потока. Имеется незначительное несовпадение геометрической оси КС ЦВП и аэродинамической оси вращения закрученного потока. В КС ЦВП котла ПТВМ-100 ст. № 2 аэродинамическое отклонение «холодного» потока относительно геометрической оси КС не превышает 1,5 %, а в КС ЦВП котла КВГМ-100-150 – не более 7,8 %. Таким образом, четырёхсторонний тангенциальный ввод воздуха способствует равномерному формированию осесимметричного «холодного» потока в КС ЦВП.

Закрутка потока подтверждается профилем изменения тангенциальной составляющей Wφ вектора полной скорости как «горячего» потока, так и «холодного» потока, но процесс горения оказывает влияние на изменение W(p (рис. 2). Особенность формирования структуры «горяче-– 453 – го» и «холодного» закрученного потоков качественно сохраняется и характеризуется возрастанием Wj от стенки КС ЦВП В этой области происходит смешение газа с воздухом с последующим горением, сопровождаемое ростом температуры потока (рис. 3). При горении профиль тангенциальной составляющей вектора полной скорости имеет зоны деформации в квазипо-тенциальной и в квазитвёрдой областях, связанные с влиянием аксиального ввода воздуха, подвода газа на горение и непосредственно процессом устойчивого [1, 2, 3, 9] формирования и развития факела в предтопке.

Возрастания значений тангенциальной составляющей W _φ вектора полной скорости в ква-зипотенциальной области и около стенки КС вызваны активным процессом смешения и началом горения топливно-воздушной смеси. В квазипотенциальной области характер изменения значений тангенциальной составляющей W φ вектора полной скорости практически совпадает с изменениями значений температур потока на тех же радиусах (рис. 2, 3) – с повышением температуры W _φ возрастает. Подаваемый в тангенциальные сопла газ не только способствует развитию закрученного потока, но и интенсифицирует смесеобразование с тангенциально вводимым воздухом за счёт высоких скоростей (до 70 м/с при номинальных нагрузках) и началом процесса горения, увеличивающим скорость потока.

Несовпадение геометрической оси КС ЦВП и аэродинамической оси вращения закрученного потока при горении для котла ПТВМ-100 ст. № 2 не превышает 25 %, а для КВГМ-100-150 – 7,78 %. Таким образом, четырёхсторонний тангенциальный ввод воздуха и газа способствует равномерному формированию осесимметричного «горячего» потока в КС ЦВП.

Процесс смесеобразования и горения в квазипотенциальной области характеризуется не только изменением температуры потока (рис. 3), но и содержанием кислорода, вступающего в реакцию горения (рис. 4). Профили снижения температуры в первом сечении на радиусе от 0 до 150 мм (рис. 4) указывают на влияние аксиального ввода воздуха через трубу, предна-

• section 1           a section 2         ■ section 3

Рис.3. Изменение температуры закрученного потока: а) ПТВМ-100 ст. № 2; б) КВГМ-100-150-100 ст. № 5; R з – радиус завихрителя; R т – радиус торцевых сопел; R п – радиус пережима

Fig. 3. Temperature change of the swirling flow: a) PTVM-100 art. № 2; b) KVGM-100-150-100 art. № 5; R з – the radius of the swirler; R т – the radius of the end nozzles; R п – the radius of the clamp

Рис. 4. Изменение содержания кислорода в закрученном потоке в КС ЦВП котла: а) ЦВП котла ПТВМ-100 ст. № 2; б) КВГМ-100-150 ст. № 5; R _з – радиус завихрителя; R _т – радиус торцевых сопел; R _п – радиус пережима

Fig. 4. Change in the oxygen content in the swirling flow in the CS of the central heating system of the boiler: a) the CVP of the PTVM boiler is 100 st. № 2; b) KVGM-100-150 st. № 5; Rз – radius of значенную для расположения многосопловой центробежной жидкотопливной форсунки. По длине КС ЦВП также отмечено снижение значений температур потока в осевой области из-за аксиально подаваемого через лопаточный завихритель воздуха, который наиболее влияет на процесс горения именно в первом сечении, потому что содержание кислорода в этой области достаточно высокое и составляет 9,5–20 % в КС ЦВП котла ПТВМ-100 ст. № 2 и 15–18 % в КС ЦВП котла КВГМ-100-150 ст. № 5 (рис. 4).

В зависимости от нагрузки котла содержание кислорода в центральной части КС меняется – с ростом нагрузки увеличивается. Содержание кислорода в «горячем» потоке составляет 6–15 % в сечениях 2 и 3 для КС ЦВП котла ПТВМ-100 ст. № 2, а во втором сечении КС ЦВП котла КВГМ-100-150 ст. № 5 изменяется от 8 до 3,5 %. В диапазоне радиусов 200–550 мм содержание кислорода в «горячем» потоке составляет 1,5–9 %. Содержание кислорода и значения температур «горячего» потока показывают области горения и области смешения воздуха и газа.

Возрастание температуры в ЦВП позволяет добиться максимального сгорания топлива в объёме предтопка. Сформированный таким образом высокотурбулизированный факел способствует эффективному теплообмену с тепловоспринимающими поверхностями топочного объёма [4]. Максимальные температуры «горячего» потока (рис. 3) по результатам исследований таковы: 600 °С в КС ЦВП котла ПТВМ-100 ст. № 2 и 1330 °С в КС ЦВП котла КВГМ-100-150 ст. № 5.

Необходимость поддержания в камере предтопка высокой температуры для успешного процесса горения объясняется тем, что при температуре ниже 540 °С сложно получить полное сгорание природного газа. Значения температур (рис. 3) «горячего» потока в ЦВП котла ПТВМ-100 ст. № 2 указывают на неполное сгорание основной части газа в предтопке. При – 455 – этом процесс горения ускоряет перемещение закрученного потока из предтопка в топку котла, сокращая время пребывания недогоревшей топливно-воздушной смеси в предтопке. Последующее смешивание газа и продуктов горения с окислителем позволяет догореть части топлива и оксидам углерода уже в объёме топки котла. Оксид углерода, смешиваясь с окислителем О2, горит в топке с выделением большого количества теплоты Q [11], превращаясь в двуокись углерода СО2 (1):

2CO + O2 = 2CO2 + Q (1)

Об эффективности работы котла ПТВМ-100 ст. № 2 свидетельствует содержание СО в уходящих газах, которое при а, равном 1,4, составляет от 9 до 15 мг/м3.

Процесс неполного сгорания топливно-воздушной смеси в предтопке в условиях аэродинамики топки котла служит причиной образования на экранных трубах локальных сажистых отложений, о чём свидетельствует состояние боковых топочных экранов слева от первого ЦВП А и справа от второго ЦВП Б котла ПТВМ-100 ст. № 2 (рис. 5). Надо отметить, что подобные условия возникают при работе котла на максимальных нагрузках, а также при пуске.

При пуске котла из холодного состояния не рекомендуется включать тангенциальный подвод газа в ЦВП в течение первых 30 минут, так как стенки КС ЦВП постепенно прогреваются и тем самым снижают температуру факела, что приводит к неполному сгоранию газа. В зимнее время увеличивается период прогревания ЦВП и котла из-за низких температур воздуха, подаваемого на горение (до минус 54 °С). Локальные области набрасывания на экранные поверхности окиси углерода представлены на рис. 4.

Рис.5. Состояние боковых топочных экранов котла ПТВМ-100 ст. № 2 а) слева от предтопка А; б) справа от предтопка Б

Fig. 5. The condition of the side furnace screens of the PTVM boiler is 100 art. №. 2 a) to the left of the preheating A; b) to the right of the pre-heating B

При максимальных нагрузках на котле ПТВМ-100 ст. № 2 тангенциально раздающие газ трубки диаметром 38х3 мм не обеспечивают в предтопке полного смешения максимального расхода газа с воздухом даже при высоких скоростях газа ≈ 70 м/с. Основное и наилучшее перемешивание струи газа с окислителем происходит на границе взаимодействия газовых сред (воздушной и топливной), где и осуществляется горение. Перемешивание центральной части газовой струи с недостаточным количеством окислителя способствует генерации оксида углерода CO, реакцию окисления описывает уравнение (2):

2C + O2 = 2CO. (2)

При выталкивании закрученного потока в топку котла происходит заполнение пространства топки и областей возле экранных поверхностей, где локально (рис. 5) и происходит набрасывание на экраны окиси углерода закрученным потоком. С учётом разницы температур между теплоносителем в экранных трубах и факелом создаются зоны с пониженным температурным уровнем, где при низкой локальной концентрации кислорода (О2 = 0-2 %) создаются условия для восстановления углекислоты (СО2) до окиси углерода (3):

C + CO2 = 2CO. (3)

Реакция эндотермична и уже при температуре пламени 800 °С и ниже степень превращения СО2 в СО достигает 80 % с набрасыванием окиси углерода на экраны поверхности топки котла (см. рис. 5) [11].

Стоит отметить, что модернизация газового водогрейного котла ПТВМ-100МЦ ст. № 2В позволила эффективно сжигать газ в диапазоне температур холодного воздуха от минус 54 °С до плюс 30 °С с высокой энергетической и экологической эффективностью.

Равномерное комбинированное распределение воздуха и газа позволило интенсифицировать тепло и массообмен топлива и воздуха в КС ЦВП котла КВГМ-100-150 и добиться практически полного смешения в объёме КС ЦВП.

Выводы

• 1.    Четырёхсторонний тангенциальный ввод воздуха способствует равномерному формированию осесимметричного «холодного» потока в КС ЦВП. Аэродинамическое отклонение «холодного» потока относительно геометрической оси КС не превышает 7,8 %.

• 2.    Четырёхсторонний комбинированный ввод воздуха и газа в КС ЦВП позволяет оптимально формировать факел в КС ЦВП и топке котла, получать наиболее эффективный режим горения при работе котла в диапазоне нагрузок 10–100 %. Несовпадение геометрической оси КС ЦВП и аэродинамической оси вращения закрученного «горячего» потока не превышает 7,78 %.

• 3.    Односторонний тангенциальный ввод газа в КС ЦВП способствует отклонению аэродинамической оси «горячего» потока от геометрической оси КС ЦВП до 25 %.

• 4.    Равномерное комбинированное распределение воздуха и газа интенсифицирует тепло и массообмен топлива и воздуха в КС ЦВП, что позволяет осуществить практически полное сгорание природного газа в объёме КС ЦВП с последующим догоранием в топке котла.