Методология комплексного исследования характеристик излучения и пирометрирования рабочих сред энергетических установок

Цель работы: повышение точности и интерпретируемости результатов определения спектрального состава теплового излучения и температуры продуктов горения и сгорания за счет разработки методологии комплексного исследования характеристик излучения и пирометрирования многофазных и многокомпонентных рабочих сред энергетических установок при использовании различных топлив. Объекты исследования: многофазные и многокомпонентные рабочие среды энергетических установок, представляющие собой продукты горения и сгорания парового котла при факельном сжигании твердых топлив (торфа и угля), продукты горения и сгорания высокоэнергетических установок (ЖРД, РДТТ, газогенератор). Полученные результаты и новизна: 1. Универсальный модульный программный комплекс «Spektr» для расчета спектральных и интегральных характеристик излучения многофазных и многокомпонентных рабочих сред энергетических установок при использовании различных топлив в спектральном интервале (0,4 – 14) мкм и температурном диапазоне (300 – 3200) К. Комплекс отличается от существующих тем, что обладает свойствами многофункционального применения в отношении его отдельных модулей и частей. Комплекс имеет двойное назначение (военное и гражданское), позволяет устанавливать закономерности переноса энергии излучения и спектральный состав теплового излучения рабочих сред энергетических установок (ЖРД, РДТТ, газогенератор, паровой котел). 2. Результаты расчетных исследований характеристик излучения рабочих сред энергетических установок (ЖРД, РДТТ, газогенератор, паровой котел) с учетом селективности и влияния определяющих факторов (температуры, давления, дисперсности, состава газовой и конденсированной фаз, наличия сажи и др.) на спектры теплового излучения. 3. Научно-обоснованная методика пирометрирования топки парового котла, основу которой представляет новый подход экспериментально-расчетного определения излучательной способности, устанавливаемой на яркостных пирометрах. Методика отличается от существующих тем, что позволяет определять отдельно температуру газовой фазы в полосе излучения CO2 и температуру частиц конденсированной фазы в полосе прозрачности газовой фазы на основе анализа спектров излучения рабочих сред энергетических установок. Доказано существование и найдена величина температурной неравновесности между газом и частицами по высоте топки парового котла БКЗ-210-140Ф при сжигании твердых топлив (торфа и угля). 4. Программно-аппаратный комплекс, основанный на применении созданной программы «Temper» (получено свидетельство на программу ЭВМ) и пирометра Optris CTlaser F2H для полосы излучения CO2, который позволяет определять температуру и излучательную способность топочных газов в котлоагрегатах при сжигании твердых видов топлива (торфа и угля). Комплекс отличается от существующих тем, что его работа основана на нахождении общего решения аналитических экспериментальных и расчетных зависимостей излучательной способности от температуры при заданной массовой доле CO2. 5. Расчетные спектральные и интегральные плотности потоков энергии излучения и излучательные способности рабочих сред факела с учетом температурной неравновесности и степени выгорания топлива по высоте топки парового котла БКЗ-210-140Ф при сжигании твердых топлив (торфа и угля). Методы исследования: современные методы и методики определения и обработки исходных данных (методы сканирующей электронной микроскопии, рентгенофлуоресцентной спектрографии, малоуглового светорассеяния, синхронного термического анализа), методы расчета радиационных характеристик дисперсных сред с помощью теории рассеяния, метод сферических гармоник в P3-приближении для решения интегро-дифференциального уравнения переноса энергии излучения, метод бесконтактного пирометрического измерения температуры. Степень внедрения. Результаты диссертационной работы используются компанией ЗАО «ВяткаТорф», применяются для контроля температурного режима сжигания топлива при проведении режимно-наладочных испытаний и тепловых расчетов котельных агрегатов Кировского филиала ПАО «Т Плюс» (Кировская ТЭЦ-4). Материалы работы используются в научных исследованиях лаборатории «Энергетические системы и технологии» ФИЦ КазНЦ РАН, а также в образовательной деятельности ВятГУ по направлению подготовки 13.03.01. Теплоэнергетика и теплотехника. Область применения: на объектах промышленной теплоэнергетики, использующих углеводородное топливо, при эксплуатации и проведении режимно-наладочных испытаний для контроля температурного режима сжигания топлива с целью минимизации шлакования и образования оксидов азота, а также в научно-образовательном процессе в профильных высших учебных заведениях.