Физическое и математическое моделирование взаимодействия турбулентных струй в ограниченном объеме в закрученных потоках с целью разработки новой высокоэффективной технологии сжигания твердого топлива

Актуальность данного проекта заключается в том, что ранее проводимые в рамках данного проекта работы относились к котлам на применяемых в настоящее время параметрах пара, тогда как основным способом существенного увеличения экономичности выработки электроэнергии на паротурбинных установках при сжигании твердого топлива в обозримом будущем является повышение начальных параметров пара. В настоящее время в России, Китае, США, странах ЕС ведутся разработки энергоблоков нового поколения с ультрасверхкритическими параметрами (УСКП) пара. Начальное давление пара перед турбиной в указанных установках достигает 35 МПа, а его температура составляет 700-720 ºС. При таких параметрах перегретого пара неизбежно применение дорогих никелевых сплавов. Если цена применяемых конструкционных материалов до максимальных температур перегретого пара 560 ºС равна 20-30 дол/т, то сплавы на основе никеля достигают стоимости до 480 дол/т, т.е. более чем на порядок выше. При этом в общей структуре стоимости энергоблока с УСКП пара на долю паропроводов приходится порядка 20 % , что приводит при проектировании котла, турбины и их взаимной компоновки к стремлению экономии средств за счет уменьшения длины паропроводов из дорогих никелевых сплавов. Решением данной задачи является расположение коллекторов острого и вторичного пара в нижней части по высоте котла, что существенно уменьшает длину паропроводов. Эта задача решается за счет применения инверторной топки, в которой горение топлива происходит в верхней части, а отвод топочных газов снизу. Научная новизна настоящего проекта заключается в том, что в ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» участниками настоящего проекта предложена новая М-образная компоновка котла, отличительной особенностью которой является наличие двух наклонных восходящих соединительных газоходов между топкой и конвективной шахтой, начинающиеся от газовых окон, расположенных в нижней трети по высоте топки, а прямоточные горелки с соплами вторичного и третичного воздуха расположены в верхней части котла рассредоточено по ширине больших стен топки по встречно-смещенной схеме. Такая схема котла с инверторной топкой ранее не исследовалась и требует оптимизации с точки зрения надежности, экономичности и снижения образования оксидов азота. Предложенные решения позволят снизить высоту установки выходных коллекторов с 80 м до 20 м, что приведет к уменьшению общей длины дорогостоящих паропроводов в 2,5-3 раза. В рамках научных исследований будут разработаны и предложены новые технологии ступенчатого сжигания в вихревом факеле для котлов большой мощности с инверторной топкой и М-образной компоновкой. В качестве угля предлагается использование одного из углей кузнецкого месторождения, как наиболее перспективного для энергетического использования. Для этого котла предлагается применить технологию эффективного ступенчатого сжигания каменного угля в прямоточно-вихревом факеле в системе вертикальных и горизонтальных тангенциальных факелов в режиме твердого шлакоудаления, ранее успешно применяемую на котлах традиционного профиля и модернизировать ее под инверторную топку. Прямоточные горелки являются горелками коллективного действия, поэтому для эффективного их использования необходимо проводить тепловые и аэродинамические расчеты совместно с физическим моделированием на экспериментальном стенде. Разработанная ранее для традиционных схем сжигания на обычных параметрах пара методика верификации и валидации данных путем сравнения результатов испытаний на физической модели с результатами численных расчетов с помощью математической модели будет применена для случая инверторной топки и М-образной компоновки котла на УСКП пара. Применение данной методики наиболее целесообразно именно для данного проекта, так как в настоящее время действующих котлов на УСКП пара не существует. Для новой схемы сжигания будут предложены варианты организации аэродинамики взаимодействующих струй в прямоточно-вихревом факеле. Анализ и обобщение результатов позволит разработать физические основы эффективного сжигания твердого топлива и обеспечить низкие выбросы оксидов азота при использовании на котлах с УСКП пара и инверторными топками. Численное моделирование будет выполняться в программном комплексе ANSYS Fluent, обладающем широким набором хорошо апробированных математических моделей турбулентности, тепло- и массообмена, горения органических топлив. Граничные условия на стенках задаются смешанными, и включают в себя набор параметров, характеризующих конвективную и радиационную теплоотдачу экранным трубам (степень черноты труб, толщина труб, температура рабочей среды в трубах, коэффициент теплоотдачи от стенок труб к рабочей среде).