Реферат: Підвищення ефективності роботи котельних агрегатів шляхом пульсаційно-акустичного спалювання палива

Z=, (11)

де , , - власні числа, обумовлені виразами: , , (тут k і n – індекси підсумовування членів ряду).

Отримані значення швидкостей газу в топці використані при описі теплових процесів, який виконувався шляхом спільного рішення рівняння теплообміну й руху методом кінцевих різниць з визначенням температури і концентрації продуктів згоряння за довжиною факела та по висоті топки.

Адекватність математичної моделі перевірена шляхом порівняння результатів математичного моделювання з результатами, отриманими при промисловому випробуванні системи пульсаційно-акустичного спалювання природного газу в топці парового котла ДКВР-10-13. При використанні математичної моделі початкова температура при розрахунках приймалась рівною експериментальній (див. рис. 4) температурі газоповітряної суміші на перерізі амбразури пальників (по осях пальників). Порівняння результатів чисельного дослідження й даних випробувань показало, що похибка розрахунку температури уздовж вісі факела не перевищує 5-14%.

З використанням математичної моделі проведено чисельні дослідження й розраховані температури в робочому об’ємі камерної топки котла ДКВР-10-13 при роботі котла з відносним тепловим навантаженням у діапазоні значень =0,41,5. Дослідження проведені при звичайному режимі роботи котла та з впливом акустичних пульсацій на процес спалювання палива. Результати розрахункових досліджень температур за віссю пальника 1 (див. рис. 3) представлені на рис. 4.

Чисельні дослідження дозволили встановити наступне:

- робота котла при відносних теплових навантаженнях нижче 0,6 від номінального характеризується низьким температурним рівнем у топці через зниження витрати продуктів згоряння й появи в топці холодних застійних зон;

- при роботі котла з впливом акустичних пульсацій положення максимального значення температур при всіх режимах його роботи переміщається до вихідного перерізу амбразури пальника й становить 0,50,7м.

Отримані в цій главі значення температур газу, а також дані про зміну положення максимуму температур використано при комплексному аналізі ефективності впливу акустичних пульсацій на показники роботи парового котла.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень, що підтверджують позитивний вплив зовнішніх пульсаційно-акустичних дій на якість спалювання газоподібного палива, та їхня залежність від розмірів топки парового котла.

В основу методики експериментальних досліджень покладено застосування резонансного ефекту при пульсаційно-акустичному спалюванні палива, що полягає в збігу частот зовнішніх вимушених акустичних пульсацій із частотами пульсацій у топці парового котла. Дослідження пульсаційно-акустичного спалювання палива проводилися в промислових умовах на паровому котлі ДКВР-10-13. Вид котла й необхідне апаратурне забезпечення для визначення акустичних характеристик топки представлені на рис. 5.

Виміри акустичних характеристик топки парового котла виконувалися за допомогою комплекту акустичної апаратури фірми “Brьel & Kjжr”.

Дослідження системи пульсаційно-акустичного спалювання палива виконано у два етапи.

На першому етапі визначалися власні частоти акустичних коливань у робочому об’ємі топки парового котла для дотримання резонансу із частотами зовнішніх акустичних коливань. Одночасно із записом амплітудно-частотної характеристики виконувалися виміри температур у камері згоряння, здійснювався хроматографічний аналіз продуктів згоряння, відібраних за топкою, і обчислювався хімічний недопал палива. Вимір температур у топці котла виконувався шляхом зондування топки по глибині й по ширині в горизонтальній площині.

На другому етапі фіксувалися зміни теплотехнічних характеристик роботи парового котла внаслідок впливу на факел акустичних коливань із частотою 145 Гц (рівень звукового тиску 108Дб), що була прийнята як робоча й відповідала одному з максимумів звукового тиску на амплітудно-частотній характеристиці топки. Акустичні коливання, що порушувалися динамічним збудником, установленим в оглядовому вікні топки котла, направляли на факел.

Аналіз експериментальних досліджень підтвердив результати теоретичних досліджень. Зміна характеристик роботи котла проявлялася в підвищенні температури газів у топці котла на 5060^О С та зниженні хімічного недопалу палива з 2,0 % до 0,5 %.

Для одержання загальної картини впливу пульсаційно-акустичного спалювання палива на характеристики роботи котла проведені розрахункові дослідження, які виконано на основі нормативного методу розрахунку котельних агрегатів.

Результати досліджень показали, що збудження акустичних пульсацій може помітно підвищити ефективність роботи котла в усіх режимах його експлуатації й цим забезпечити економію палива на виробництво теплової енергії, а саме, в результаті застосування пульсаційно-акустичного спалювання палива к.к.д. котла збільшується на 1,01,5%, питома витрата умовного палива знижується на 0,50,7 кг у.п. / ГДж.

Оцінка поліпшення екологічних показників роботи котла показала, що річне зниження викидів СО в атмосферу залежить від навантаження на котел і складає 3356 т/рік при незмінному рівні викидів N_X O_У .

В результаті досліджень розроблені спосіб і конструкція системи пульсаційно-акустичного спалювання палива в топках котельних агрегатів (патент на корисну модель "Спосіб спалювання палива" № 25300) і топка котла для здійснення способу (патент на корисну модель "Топка котла" № 25608), що пройшли промислову апробацію. Суть технічних рішень, що покладені в основу винаходів, полягає в тім, що топка по периметру обладнується акустичним поясом, що є гофрованою поверхнею (див. рис. 6) та дозволяє використовувати енергію відбитих акустичних коливань.

Розроблені технологічні рекомендації із застосування системи пульсаційно-акустичного спалювання палива на різних типах котельних агрегатів, на основі яких розроблено технічне завдання на реконструкцію топки парового котла ДКВР-10-13. Очікувана економія природного газу - 114 тис. м³ /рік, строк окупності інвестицій менш одного року.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена важлива науково-технічна задача підвищення ефективності спалювання природного газу в промислових котлах на основі технології пульсаційно-акустичного спалювання палива.

Основні результати роботи полягають у наступному:

1. На підставі аналізу напрямків підвищення ефективності роботи промислових котлів доведена перспективність використання пульсаційно-акустичного методу спалювання палива на серійних котельних агрегатах.

2. Уперше запропонована система диференціальних рівнянь теплообміну, руху й нерозривності газового потоку для турбулентного дифузійного факела, що перебуває під зовнішнім пульсаційно-акустичним впливом на основі величини лінійного розміру вихорів, що дозволило розрахунковим шляхом визначити діапазон частот амплітудно-частотної характеристики факела залежно від конструктивних характеристик пальника.

3. На основі математичного моделювання визначено вплив лінійного розміру вихорів на інтенсифікацію процесів сумішоутворення та вигоряння газоподібного палива в об’ємі турбулентного дифузійного факела, що перебуває під зовнішнім пульсаційно-акустичним впливом. Порівняння чисельних і експериментальних даних показало, що відносна похибка розрахунку концентрації природного газу за довжиною факела не перевищує 7-15 %.

4. Розроблена й адаптована математична модель газодинамічних і теплових процесів у робочому об’ємі камерної топки котла, яка дозволяє визначати швидкості і температури продуктів згоряння за перерізом топки, характер зміни температур, а також зміну положення максимуму температур за довжиною факела при пульсаційно-акустичному впливі. Порівняння результатів чисельного дослідження та експериментальних даних показало, що, похибка розрахунку температури уздовж вісі факела з використанням моделі не перевищує 5-14%. Отримані значення температур газу, а також дані про зміну положення максимуму температур використано при комплексному аналізі ефективності впливу акустичних пульсацій на показники роботи парового котла.

5. Уперше експериментально підтверджено вплив зовнішніх пульсаційно-акустичних дій на якість спалювання газоподібного палива в топці парового котла: підвищення температури в топці на 5060 ^О С, зниження хімічного недопалу палива з 2,0 % до 0,5 %, що відбувається за рахунок інтенсифікації процесів сумішоутворення та переміщення максимуму температур газу до вихідного перерізу амбразури пальників.

6. Розрахунковим шляхом показано, що збудження акустичних пульсацій може помітно підвищити ефективність роботи котла у всіх режимах його експлуатації й цим забезпечити економію палива на виробництво теплової енергії, а саме, в результаті застосування пульсаційно-акустичного спалювання палива к.к.д. котла збільшується на 1,01,5%, питома витрата умовного палива знижується на 0,50,7 кг у.п./ГДж. Річне зниження викидів СО в атмосферу складає 3356 т/рік при незмінному рівні викидів N_X O_У .