Распределение тепловых потоков в топке парового котла ТГМП-204

Макаров А. Н., доктор техн. наук

Тверской государственный технический университет

Результаты анализа газового, мазутного факела, создаваемого одиночной горелкой как источника теплового излучения изложены в [1]. Факел представляет собой геометрическое объемное тело в форме эллипсоида вращения, причем диаметр в любом поперечном сечении факела меньше его длины. Предложено моделировать факел излучающими объемными телами – цилиндрами, тепловой поток и мощность излучения которых зависят от распределения изотерм по объему факела. Там же приведены результаты расчетов моделирования факела двумя цилиндрами одинаковой высоты 10 м и разного диаметра: диаметр первого цилиндра 2 м, диаметр второго 0,2 м. Результаты расчетов локальных угловых коэффициентов излучения цилиндров на элементарные площадки дали одинаковый результат. Аналогичный результат получен при увеличении диаметра цилиндра до 4 – 6 м, а также при уменьшении диаметра цилиндра до 0,1 – 0,01 м при постоянной высоте цилиндра.

Любой исследователь может проверить полу- ченные результаты, рассчитав локальные угловые коэффициенты излучения цилиндров различного диаметра одинаковой высоты на элементарную площадку, причем диаметр должен быть меньше высоты цилиндра по аналитическим выражениям, приведенным в [2]. Сделан вывод [1], что для реальных геометрических размеров факела, когда его диаметр в любом поперечном сечении меньше длины, распределение потока излучения факела при его моделировании цилиндром не зависит от

диметра, а зависит от длины (высоты) цилиндра и пространственного положения цилиндра и поверхностей нагрева.

Следующим этапом в разработке геометриче- ской и математической модели факела как источ- ника теплового излучения была аппроксимация факела линейным источником излучения – цилиндром, длина которого при горизонтальном его положении равна длине факела, а диаметр является бесконечно малой величиной. Аппроксимация факела цилиндром малого диаметра связана с тем, что в настоящее время существует несколько аналитических выражений для определения локальных и средних угловых коэффициентов излучения цилиндра на элементарные площадки и поверхности, охватывающих простейшие случаи положения цилиндра и поверхности – взаимопараллельные и взаимоперпендикулярные [2].

Для расчета теплообмена излучением в печах и топках паровых котлов необходимы аналитиче- ские выражения для любых вариантов расположения факела и поверхности нагрева. Имеются 16 аналитических выражений для расчета локальных и средних угловых коэффициентов излучения цилиндра малого диаметра (линейного источника излучения) на поверхности нагрева при их любом взаимном пространственном положении [3 – 5], которые можно использовать в математической модели факела как источника теплового излучения.

Для моделирования факела в мартеновской печи и определения его оптимального положения

r

) ! + 4 :

метки высоты топки до отметки 15 м. На следующую одну треть объема топки от отметки 15 м до отметки 30 м приходится 388 МВт, т.е. 18% мощности факела. На следующую одну треть объема топки, от отметки 30 м до отметки 46 м, приходится только 10% мощности факела, т.е. 216 МВт. Такое распределение мощности по объему факела оказывает существенное влияние на распределение тепловых потоков по экранным поверхностям топки.

Для расчета интегральных потоков излучений, падающих от факела на экранные поверхности стен, осуществим следующее моделирование факела. В прямой эллиптический цилиндр, представляющий вертикальную часть факела, впишем три прямых круговых цилиндра (ðèñ. 1), которые будут моделировать излучение вертикальной части факела как по высоте, так и по объему, т.е. по ширине и глубине топки. Распределение потоков излучения цилиндра на поверхности нагрева не зависит от диаметра цилиндра, поэтому вертикальную часть факела моделируем 15 цилиндрами малого диаметра, линейными источниками излуче- ния по три в каждой вертикальной объемной зоне.

Первая вертикальная объемная зона факела моделируется первым ярусом вертикальных линейных источников 1, вторая соответственно вторым ярусом 2 и так далее до яруса 5 линейных источ- ников включительно. Горизонтальная часть факела моделируется также тремя линейными источниками излучения, но установленными в горизонтальный ряд 8. В каждом горизонтальном линейном источнике выделяется мощность Pãë = Pã 3 = = 215,33 МВт. В каждом вертикальном линейном источнике выделяется мощность Pjâ = Pm 3, ãäå Pm – мощность, выделяемая в m-й вертикальной объемной зоне.

От каждого линейного источника горизонтальной и вертикальной объемных зон определяем плотность интегрального потока излучения, падающего на i-ю элементарную площадку на поверхности стен, по выражению [7]

ãäå ij – локальный угловой коэффициент излуче- ния j-го линейного источника излучения на i-ю площадку, который определяется по аналитиче- ским выражениям, выведенным в [3 – 5]; Pj – мощность j-го линейного источника, МВт; Fi – площадь i-й элементарной площадки, м2; l – средняя длина пути луча, м.

Плотность интегрального потока излучения, падающего от линейного источника на расчетную площадку Fê при нахождении последних во взаимопараллельных плоскостях, обратно пропорциональна кратчайшему расстоянию r от центра элементарной площадки до оси вертикального линейного источника и прямо пропорциональна углу (в радианах), под которым линейный источник излучает в расчетную точку À площадки (ðèñ. 2).

ãäå lë – длина линейного источника, м; 1 – угол между нормалью ¹ 2 к расчетной площадке, проходящей через точку À, и ось линейного источника и лучом, выходящим из точки À и проходящим че- рез верхнее основание линейного источника, град;2 – угол между нормалью ¹ 2 и лучом, выходящим из точки À и проходящим через нижнее основание линейного источника, град.

Как видно из уравнения (4), с удалением рас- четной площадки от вертикального линейного источника, вертикальной объемной зоны уменьшается угол , под которым линейный источник излу- чает в расчетную точку, уменьшается сомножитель

âквадратных скобках, уменьшается плотность интегрального потока излучения вертикальной зоны

âрасчетную точку. Кроме того, увеличивается длина пути лучей и уменьшается излучение. При любом другом взаимном расположении линейного источника и поверхности нагрева используются другие аналитические выражения для определения плотности интегральных потоков излучения [6, 8].

Плотность интегрального потока излучения, падающего на i-ю элементарную площадку от факела, находим как сумму плотностей интегральных потоков излучений от всех линейных источ- ников

j 1

Плотность интегрального потока излучения, падающего на i-ю площадку, вызванного отражением излучения факела от стен, пода, потока, а

также плотность интегрального потока излучения, падающего на i-ю площадку от излучающих поверхностей стен, пода, потолка, не определяем в связи с тем, что они при отсутствии огнеупорного покрытия в сумме составляют не более 3% плотности интегрального потока излучения, падающего на i-ю элементарную площадку от факела [1].

Рассчитаем плотность интегрального потока излучения, падающего от факела на следующие поверхности: на фронтальную стену по вертикальной оси симметрии стены; на фронтальную стену по вертикальной линии, расположенной на расстоянии 8 м от вертикальной оси симметрии фронтальной стены; на боковую стену по вертикальной оси симметрии боковой стены; на боковую стену по вертикальной линии, расположенной на расстоянии 4 м от вертикальной оси симметрии боковой стены; на под по большой оси симметрии пода; на под по горизонтальной линии, расположенной параллельно большой оси симметрии пода на расстоянии 4 м.

Результаты расчета интегральных потоков излучений, падающих на экранные поверхности стен, пода топки парового котла ТГМП-204, показаны на ðèñ. 3. Распределение интегральных потоков излучений, падающих на фронтальную и заднюю стены, одинаково и характеризуется графиками 1 è 5 (ðèñ. 3, à ); одинаково и распределение интегральных потоков излучений, падающих на правую и левую боковые стены топки, которое характеризуется графиками 3 è 4. Результаты расче- та совпадают с результатами измерения плотностей интегральных потоков излучений по вертикальной оси симметрии фронтальной стены [9], что говорит об адекватности разработанной математи- ческой модели факела натуре.

Максимальные интегральные потоки излуче- ний расположены на фронтальной и задней стенах выше верхнего яруса горелок на 4 – 5 м на высоте 12 – 16 м. Экранные поверхности стен на высоте 12 – 16 м находятся под максимальным излучением горизонтальной объемной зоны и первой вертикальной объемной зоны факела. Здесь плотности интегральных потоков излучений достигают 780 кВт м2 на фронтальной и задней стенах и 520 кВт м2 на боковых стенах. На стенах на уровне пода интегральные потоки излучений в 1,7 – 1,9 раза меньше и составляют соответственно 460 и 270 кВт м2. Снижение интегральных потоков излучений на стенах на уровне пода связано с тем, что нижний пояс стен расположен на значительном удалении от первой вертикальной объемной зоны и, тем более, от второй – пятой объемных зон. Аналогично уменьшается плотность интегральных потоков излучений факела по высоте стен на площадки, находящиеся выше 20 м.

На стенах, под потолком, плотности интегральных потоков излучений составляют 150 кВт м2 íà

6

15

7

10

5

0

100200 300 qï, êÂò/ì2

á)

& 4 + 4 : 4

4 ! ' ( 4 + ' ( 4 4 >? %

1 – результаты расчета распределения плотности интегрального потока излучения по вертикальной оси симметрии фронтальной стены; 2 – то же, результаты измерений; 3 – 5 – результаты расчета распределения плотности интегрального потока излучения соответственно по вертикальной оси симметрии боковой стены, по высоте боковой стены на расстоянии 4 м от вертикальной оси симметрии боковой стены, по высоте фронтальной стены на расстоянии 8 м от вертикальной оси симметрии фронтальной стены; 6, 7 – результаты расчета распределения плотности интегрального потока излучения соответственно по большой оси симметрии пода, по горизонтальной линии, расположенной параллельно большой оси симметрии пода на расстоянии 4 м

фронтальной и 110 кВт м2 на боковой по вертикальной оси симметрии стен. Такое снижение интегральных потоков излучений на поверхностях стен под потолком связано с тем, что верхний пояс стен находится на значительном удалении от горизонтальной и первой вертикальной объемных зон факела, в которых выделяется 72% мощности факела, а в рядом расположенных четвертой и пятой вертикальных объемных зонах выделяется всего около 10% мощности факела.

Значительной неравномерностью характеризуется изменение плотности интегральных потоков

излучений по периметру стен. В “горячем поясе” фронтальной и задней стен, находящемся на высоте 12 – 16 м, плотности интегральных потоков излучений факела изменяются от 780 кВт м2 на вертикальной оси симметрии стен до 180 кВт м2 на периферии стен, т.е. уменьшаются в 4, 3 раза. Это связано с тем, что вертикальные оси симметрии фронтальной и задней стен расположены на наименьшем удалении от линейных источников, центрального и периферийных цилиндров, которыми моделируется факел (ðèñ. 1).

На левой периферии стен, если смотреть на фронтальную стену снаружи, только один левый периферийный линейный источник, одна периферийная область факела приближены к стенам, два других линейных источника – центральная и правая периферийная области факела – удалены от левой периферии стен. Аналогичное можно сказать и о правой периферии стен. При перемещении расчетных площадок вверх к потолку неравномерность плотностей интегральных потоков излуче- ний факела на вертикальной оси симметрии и на периферии фронтальной и задней стен уменьшается до 2 раз при абсолютных значениях плотностей 150 и 75 кВт м2 соответственно.

Значительно меньше различие плотностей интегральных потоков излучений факела на вертикальной оси симметрии и периферии боковых стен. На высоте 12 – 16 м плотности интегральных потоков излучений факела составляют 520 и 290 кВт м2 по вертикальной оси симметрии и на периферии боковых стен соответственно. Под потолком боковых стен это различие еще меньше и составляет 120 и 95 кВт м2 по вертикальной оси симметрии и на периферии соответственно. Это связано с тем, что расстояние от линейных источ- ников излучения до вертикальной оси симметрии боковых стен незначительно отличается от аналогичного до периферии боковых стен.

Íà ðèñ. 3, á показаны результаты расчета распределения плотности интегральных потоков излучений по поверхности пода. Изорада 250 кВт м2 образует в центре поверхности пода “горячее пятно” в виде эллипса, размер которого по большой оси 12 м, по малой оси 8 м. На периферии пода

интегральные потоки излучения не превышают 125 кВт м2.

Известно [11], что с увеличением плотности интегрального потока излучения, падающего на экранные поверхности, увеличивается поверхностная плотность отложений внутри труб. При тепловом потоке 200 кВт м2 поверхностная плотность отложений внутри труб составляет 0,1 кг м2, ïðè 500 êÂò ì2 – 0,3 êã ì2, т.е. при увеличении теплового потока пропорционально возрастает плотность отложений внутри труб. Следовательно, в настоящее время актуальна задача снижения и выравнивания плотностей интегральных

потоков излучений по периметру и высоте стен топок паровых котлов.

Экспериментальное подтверждение результатов произведенных расчетов распределения плотностей интегральных потоков излучений по поверхностям топки парового котла ТГМП-204 можно найти в [9], а также в [12, 13]. В [12] приведено полученное экспериментальным путем распределение интегральных потоков излучений по высоте левого бокового экрана топки парового котла ТГМП-204ХЛ, работающего в режиме максимальной нагрузки блока, составляющей 800 – 820 МВт.

Отличие в результатах произведенных расче- тов и измерений [12] тепловых потоков по высоте боковых стен составляет от 10 до 20%, что, оче- видно, связано со стадийным сжиганием топлива в экспериментах, подачей воздуха через тракт рециркуляции газов вверху топки и c работой с коэффициентом избытка воздуха в топке = 1,05 1,07. В расчетах же принимаем, что газы рециркуляции подаются через короб, в котором смонтированы горелки, коэффициент избытка воздуха в топке = 1,03.

Отличие в максимальных локальных падающих потоках излучений в топке парового котла типа ТГМП-204, полученных расчетным путем (780 кВт м2) и измерениями (870 кВт м2) [13], не превышает 12%, что подтверждает адекватность разработанной математической модели факела натуре.

Выводы

1.Распределение мощности по высоте факела

èобъему топки характеризуется значительной неравномерностью: в нижней одной трети объема топки выделяется более двух третей мощности факела, в средней одной трети около 20% мощности, в верхней одной трети объема топки 10% мощности факела.

2.Анализ распределения плотностей интегральных потоков излучений факела по высоте и периметру стен топки показал значительную неравномерность этого распределения: на экранных поверхностях фронтальной и задней стен, находящихся на высоте 12 – 16 м, плотности падающих интегральных потоков излучений изменяются от

780 äî 180 êÂò ì2 в центре и на периферии стен соответственно. На боковых стенах плотности интегральных потоков излучений составляют 120 и 95 кВт м2 в центре и на периферии стен соответственно на высоте 12 – 16 м. Неравномерное распределение плотностей интегральных потоков излучения факела уменьшается по высоте стен до 2 раз, максимальные и минимальные плотности интегральных потоков излучений на стенах под потолком составляют 150 и 75 кВт м2.