Технологические и технические решения процессов сжигания высоковязких тяжелых топлив в судовых котельных установках (10.05.2011)

Автор: Суменков Вячеслав Михайлович

4 – Dф?/Dф

Воздух в полном объеме для распыливания и горения подводился через сопло Вентури, на входе в которое установлены поворотные лопатки, меняющие степень крутки потока в сопло от 0,6 до 6, расход воздуха при этом менялся от 100 до 10 %, давление воздуха на всех нагрузках горелки перед лопатками оставалось постоянным и равным 4000 Па, что обеспечивало скорость потока в горле сопла Вентури до 130 м/с и качественное распыливание со смесеобразованием струй топлива.

Определение максимальной длины и диаметра факела по оси потока Lф и Dф, определяемых максимальным диаметром капель dмакс и параметром крутки потока n, позволяли установить конструктивные характеристики топочного устройства в зависимости от нагрузки и разместить факел в объеме принятого топочного прост-ранства котла.

Коэффициент загрязнения поверхности теплообмена, ?, зависит в основном от скорости газового потока, W, и других факторов и пока не имеет однозначного решения.

Автор предлагает новые разработки, прошедшие экспериментальную проверку (патенты № 102755, № 102756 и № 2412398).

В главе 4 приведена методика расчета элементов и конструирования котлов.

При разработке методики за основу приняты нормативные методы расчета теплового, аэродинамического, циркуляции и прочности, которые не содержат рекомендаций по конструктивным параметрам судовых котлов и не полностью адаптированы к морским особенностям. Для судовых котлов важными являются следующие технико-экономические параметры, влияющие на достижение минимума затрат при производстве тепловой энергии: сорт топлив, горелочные устройства, объем топки, тепловое напряжение топочного пространства, степень экрани-рования топки и шаг труб, распределение тепловой мощности между радиационной и конвективной поверхностями теплообмена, целесообразность использования экономайзера и воздухоподогревателя, поперечное сечение газохода котла и скорость потока газов, нагрузочные характеристики котлов и их годовая наработка. В работе учтены: теплообмен в топке, степень экранирования, скорость газов в газоходах, нагрузочные характеристики и годовая наработка котлов.

Приведенные затраты на производство тепловой энергии учитывают топливную составляющую расходов и отчисления на амортизацию с коэффициентом эффектив-ности капитальных вложений, заработную плату обслуживающего персонала, затраты на потребляемую электроэнергию и добавочную воду. В качестве критерия опти-мизации была принята величина приведенных затрат на производство тепловой энергии.

Уменьшение массы котла связано с уменьшением поверхности за счет повы-шения эффективности теплообмена с рациональным распределением радиационной и конвективной поверхностей. В монографии Андрющенко А.И. и др. «Оптимизация тепловых циклов и процессов ТЭС» при решении оптимизационной задачи для стационарных котлов рекомендуется принимать поверхность теплообмена. Эти подходы использованы и для судовых котлов.

Оптимизационная задача решалась с учетом ограничительных условий.

К внешним или экономическим ограничениям по эксплуатации относятся: вид, сорт и стоимость топлива, стоимость электроэнергии, стоимость добавочной воды, удельная или общая стоимость заводского изготовления котла, удельная стоимость элементов комплектующего вспомогательного оборудования котельной установки, заработная плата обслуживающего персонала, коэффициент эффективности капи-тальных вложений, норма амортизационных отчислений, длительность работы и вероятная средняя тепловая нагрузка (мощность) в течение годового периода эксплуатации.

Технологические ограничения отражают условия изготовления котлов на предприятии. К основным ограничениям относятся: тип котла, наружные и внут-ренние диаметры труб поверхностей теплообмена, относительные шаги трубных пучков, конфигурация объема топочного пространства, тип топочного устройства, размеры водяного и пароводяного коллекторов, пароперегревателя.

Технические ограничения включают различные области современных знаний: сжигание различных видов и сортов топлив с особенностями различных топочных устройств, формирование отложений на поверхностях теплообмена, коррозия поверхностей с газовой и водяной сторон, водообработка, деаэрация и аэрация воды, термическая и коррозионная стойкость материалов, автоматизация процессов и другое.

Внутренние граничные условия относятся к предельным значениям параметров котла: температура газов на выходе из топки ограничена величиной 1500 (С по условию термической стойкости кирпичной кладки топки, температура стенки паро-перегревателя ограничена величиной 680 (С по условию отсутствия более термо-стойких материалов, температура стенок хвостовых поверхностей теплообмена, выполненных из сталей без антикоррозионного покрытия, ограничена величиной температуры точки росы уходящих газов, температура воды на выходе из эконо-майзера не должна превышать определенного значения по условию исключения вскипания воды в нем при долевых нагрузках котла.

При оптимизации характеристик котельной установки использованы вспомо-гательные функции теплофизических свойств рабочих веществ.

Определение теплоемкости воздуха и продуктов сгорания осуществлено по известному полиному Ривкина С.Л. с учетом относительных долей газовых компо-нентов в смеси газов в зависимости от абсолютной температуры.

В полином С.Л. Ривкина добавлен член, учитывающий газовый компонент в виде сернистого ангидрида, относительная доля которого в продуктах сгорания существенна при сжигании высокосернистого топлива. Его учет и использование абсолютной термодинамической шкалы температур является отличительным свой-ством метода вычисления энтальпии по сравнению с рекомендуемым и несколько меняет результаты её вычисления. Это оправдано, так как использование теплоем-кости углекислого газа для газового компонента в виде сернистого ангидрида обеспечивает определенную погрешность в расчетах по нормативному методу.

В работе установлены функции связи вязкости, теплопроводности, критерия Прандтля для воздуха и продуктов сгорания топлива и ВТЭ с абсолютной температурой.

Для определения вязкости ВТЭ использовалась формула Кафарова-Бабанова

где µэ, µТ и µв - динамическая вязкость соответственно эмульсии, топлива и воды.

Плотность ВТЭ определялась по выражению, полученному на основе закона адитивности,

pэ = pТ (1-W) + pВ W, (22)

где - pВ и pТ - плотности воды и топлива при данной температуре;

W – объемное влагосодержание эмульсии.

20= 985…1100 кг/м3 нару-шается очень медленно даже для грубодисперсных ВТЭ.

Межфазное поверхностное натяжение на границе раздела дисперсной фазы и дисперсионной среды является одним из основных факторов, определяющих эффективность диспергирования в процессе приготовления топливной эмульсии. Уменьшение межфазного натяжения положительно отражается на качестве диспер-гирования и позволяет получить в диспергирующих аппаратах однородные и высокодисперсные эмульсии. На основе опытов Лебедева О.Н. получена формула

Т[1+(4,96-3,82·10-2·t·W1+0,5W], (23)

Т – коэффициенты поверхностного натяжения ВТЭ и исходного сухого топлива.

0,96 в интервале температур (0…400) °C определена по эмпирической формуле Крего,

которая точнее при сравнении опытными значениями. По данным В. М. Иванова она применима и для определения теплоемкости нефтяных остатков с плотностью ??1,0

Теплота сгорания определялась по универсальной формуле Менделеева Д. И.

Использование функций связи для реального диапазона изменения тепло-физических свойств рабочих веществ - газов, воды, пара и ВТЭ в котельной установке делает программное обеспечение универсальным и позволяет выполнять вариантные расчеты без обращения к табличным данным по заданным параметрам тепловой энергии и видам используемого топлива.

При оптимизации характеристик котельной установки параметры топки: тепловое напряжение топочного пространства qт, определяющего объем Vт, степень экранирования топки (т, относительный шаг труб экрана Sт, скорости газов в газоходах котла являются оптимизируемыми параметрами. К ним относятся: скорость газов в притопочном пучке Wпр, в пароперегревателе Wпп, в периферийном испарительном пучке Wи, в двух ступенях экономайзера Wэк1, Wэк2, Wгв, и воздуха в воздухоподогревателе Wвп. Количество оптимизируемых параметров оказывается от 6 до 13 и зависит от конструкции котла и внешних условий эксплуатации.

В зависимости от ограничения может оказаться несколько локальных оптималь-ных решений, которые распределены на многомерной поверхности поиска, полу-чаемые решения имеют близкие численные значения минимума затрат, но одно из них обладает глобальным оптимумом функции. Задача поиска глобального оптимума является достаточно сложной и требует использования приемлимого аппарата из существующих методов оптимизации:

1. Слепого поиска или упорядочивания результатов по критерию эффективности (метод координатной пространственной сетки).

2. Градиентного поиска наискорейшего спуска, проектирования градиента и др.

3. Учета граничных условий по штрафным санкциям.

Для решения поставленной задачи разработан оригинальный комбинированный метод оптимизации, включающий элементы методов: координатной сетки, гради-ентного поиска и учета граничных условий, реализующий основные достоинства и снижающий влияние негативных характеристик используемых методов. Предла-гаемый метод применим на трех уровнях.

На первом уровне используется метод пространственной сетки с большим шагом по всем граничным оптимизируемым характеристикам и граничным условиям, который позволяет вычислить примерные границы области глобального оптимума и влияние на положение различных граничных условий.

На втором уровне используется база данных первого уровня для получения аппроксимирующей зависимости между основными техническими характеристиками котельной установки и граничными условиями, что ограничивает область распо-ложения глобального оптимума. В результате определяется положение точки начала оптимизации для третьего уровня, использующего модифицированный метод случай-ного поиска в сочетании с методом штрафов.


загрузка...