Помощь студентам в учебе
Повышение энергоэффективности систем пылеприготовления с шаровыми барабанными мельницами при работе на непроектных углях
|
Введение 4
Глава 1. Анализ методов повышения энергоэффективности систем пылеприготовления 12
1.1. Особенности эксплуатации систем пылеприготовления с шаровыми
барабанными мельницами 12
1.2. Обзор результатов исследований энергоэффективности пылесистем 16
1.3. Обзор работ по моделированию пневмотранспорта 20
1.4. Постановка задач работы 28
Глава 2. Моделирование течения газовзвеси в основных элементах систем пылеприготовления 29
2.1. Характеристика объекта исследования 29
2.2. Физико-математическая постановка задачи 31
2.3. Описание инструмента моделирования 34
2.4. Исходные данные для расчета 35
2.5. Численный эксперимент. Обработка результатов 38
2.6. Верификация результатов численного эксперимента 44
2.7. Выводы по главе 2 46
Глава 3. Моделирование аэродинамического сопротивления основных элементов пылесистем с учетом инжекции угольных частиц 48
3.1. Скорость витания и средний диаметр частиц угольной пыли 48
3.2. Аэродинамическое сопротивление, возникающее при инжекции угольных
частиц в ШБМ 53
3.3. Аэродинамическое сопротивление, возникающее при инжекции частиц в
центробежных сепараторах пыли 57
3.4. Выводы по главе 3 62
Глава 4. Анализ энергоэффективности шаровой барабанной мельницы 63
4.1. Сушильная производительность ШБМ 63
4.2. Расчет удельного расхода электроэнергии мельницы ШК-32 65
4.3. Верификация полученных уравнений 68
4.4. Анализ влияния режимных и внешних параметров на
энергоэффективность мельницы ШК-32 70
4.5. Определение оптимальной производительности мельницы ШК-32 при
размоле мугунского угля 73
4.6. Выводы по главе 4 74
Заключение 76
Список литературы 79
Приложение А 93
Приложение Б 96
Приложение В 101
Приложение Г 111
Приложение Д 117
Глава 1. Анализ методов повышения энергоэффективности систем пылеприготовления 12
1.1. Особенности эксплуатации систем пылеприготовления с шаровыми
барабанными мельницами 12
1.2. Обзор результатов исследований энергоэффективности пылесистем 16
1.3. Обзор работ по моделированию пневмотранспорта 20
1.4. Постановка задач работы 28
Глава 2. Моделирование течения газовзвеси в основных элементах систем пылеприготовления 29
2.1. Характеристика объекта исследования 29
2.2. Физико-математическая постановка задачи 31
2.3. Описание инструмента моделирования 34
2.4. Исходные данные для расчета 35
2.5. Численный эксперимент. Обработка результатов 38
2.6. Верификация результатов численного эксперимента 44
2.7. Выводы по главе 2 46
Глава 3. Моделирование аэродинамического сопротивления основных элементов пылесистем с учетом инжекции угольных частиц 48
3.1. Скорость витания и средний диаметр частиц угольной пыли 48
3.2. Аэродинамическое сопротивление, возникающее при инжекции угольных
частиц в ШБМ 53
3.3. Аэродинамическое сопротивление, возникающее при инжекции частиц в
центробежных сепараторах пыли 57
3.4. Выводы по главе 3 62
Глава 4. Анализ энергоэффективности шаровой барабанной мельницы 63
4.1. Сушильная производительность ШБМ 63
4.2. Расчет удельного расхода электроэнергии мельницы ШК-32 65
4.3. Верификация полученных уравнений 68
4.4. Анализ влияния режимных и внешних параметров на
энергоэффективность мельницы ШК-32 70
4.5. Определение оптимальной производительности мельницы ШК-32 при
размоле мугунского угля 73
4.6. Выводы по главе 4 74
Заключение 76
Список литературы 79
Приложение А 93
Приложение Б 96
Приложение В 101
Приложение Г 111
Приложение Д 117
Актуальность темы исследования. Экономия топливно-энергетических ресурсов рассматривается в Федеральной программе «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» [1] в качестве основного фактора повышения конкурентоспособности отечественной продукции и минимизации техногенного воздействия на окружающую среду. Значительные резервы экономии энергии имеются в различных технологических процессах, в том числе в процессах размола и транспорта угольной пыли в системах пылеприготовления энергетических котлов ТЭС. Также энергостратегия предусматривает расширение производства тепловой и электрической энергии на базе сжигания твердого топлива (в частности, угля).
В настоящее время «предприятия энергетической отрасли имеют 80% мощности сроком эксплуатации более 30 лет и не в состоянии самостоятельно осуществить серьезные мероприятия по обновлению основных фондов в связи с длительным сроком окупаемости инвестиционных проектов» [2]. Системы пылепри- готовления (С1111) ТЭС весьма энергоемки: их энергопотребление составляет около 25% от общих затрат электроэнергии на собственные нужды или около 2% от общей выработки электрической энергии [3].
Одним из основных агрегатов для измельчения твердого топлива в России являются шаровые барабанные мельницы (ШБМ) [4]. Область рационального использования ШБМ: очень твердые, абразивные угли с низким коэффициентом размолоспособности кло; низкореакционные угли с малым выходом летучих, требующие очень тонкого помола; угли с большим содержанием серы и минеральных примесей [5]. Следует также отметить, что пылеприготовление применяется не только в энергетике, но и в других отраслях промышленности таких, как горнообогатительная, металлургическая, строительная, химическая, зерно-, деревоперерабатывающая, пищевая.
Однако на тепловых электростанциях ПАО «Иркутскэнерго» из-за ценовой политики ШБМ размалывают угли марок 2Б, 3Б, Д, отходы углеобогащения. На рисунке 1 представлены расходы сжигаемых углей на ТЭЦ-9 и ТЭЦ-10 ПАО «Иркутскэнерго» за 2016 г.
Рисунок 1 - Расходы сжигаемых углей на ТЭЦ-9 (■) и ТЭЦ-10 (■) ПАО «Иркутскэнерго» за 2016 г.: 1 - мугунский (3Б); 2 - черемховский (Д); 3 - азейский (3Б);
4 - ирбейский (2Б); 5 - головинский (Д)
При переводе ШБМ на размол непроектного топлива необходимо уточнение режимов ее работы и определение оптимального. Основные параметры, характеризующие работу ШБМ: предельная производительность; расход сушильно- вентилирующего агента; аэродинамическое сопротивление; тонина помола пыли. Особенностью мельниц этого типа является зависимость потребляемой ими мощности от количества загруженных шаров, количество же топлива, проходящего через ШБМ, мало сказывается их энергопотреблении. Поэтому работа ШБМ, оснащенной пылевым бункером, с максимальной производительностью по топливу наиболее выгодна. Испытания с целью определения предельной производительности ШБМ весьма трудоемки и затратны. Полученная в ходе испытаний информация обычно не отражает влияние изменения характеристик топлива [6, 7]. Замена ШБМ на другие типы мельниц, подходящих для размола бурых углей, является крайне дорогостоящим мероприятием. Поэтому необходимо проводить модернизацию действующего оборудования, повышать эффективность его работы путем экономически и научно обоснованных мероприятий.
В связи с вышеперечисленными проблемами при эксплуатации пылесистем с ШБМ, работающих на непроектных углях, тема диссертационной работы является актуальной.
Степень разработанности проблемы. В отечественной литературе вопросам моделирования и повышения эффективности работы систем пылеприготовле- ния в целом и их отдельных агрегатов уделялось и уделяется много внимания. Этим вопросам посвящены работы Г.Т. Левита [6], А.Н. Лебедева [7], Ю.Г. Назмеева и Р.Г. Мингалеевой [8-10], Д.М. Хзмаляна и Я.А. Кагана [5], В.С. Богданова и Ф.П. Потапова [11], Л.В. Голышева и др. [12-14], С.И. Шувалова [15-16]. В [5-7] обобщен опыт испытаний пылесистем, даны методические рекомендации по анализу их результатов, отмечено существование оптимальных режимов вентиляции и загрузки шарами мельниц типа ШБМ, а также оптимальной тонкости помола пыли при минимуме расхода электроэнергии на пылеприготовление. Исследования [8-10] посвящены «комплексной методике оценки термодинамической эффективности систем подготовки твердого топлива на тепловых электростанциях и котельных» [10]. В работах [12-14] рассматривается повышение эффективности работы систем пылеприготовления с ШБМ. Математическое моделирование пы- лесистем с ШБМ с целью анализа влияния структуры пылесистемы на ее производительность проводилось в статьях [15-16]. Однако, методика определения оптимального режима работы ШБМ на непроектных углях, которая учитывала бы влияние комплекса режимных, внешних и конструктивных параметров, отсутствует.
Энергоэффективность СПП с ШБМ сильно зависит от режима вентиляции, который определяется расходом сушильного агента. Аэродинамическое сопротивление мельницы является одним из основных параметров, характеризующих ее работу. К настоящему времени существует довольно подробный теоретический и экспериментальный материал, посвященный газовой динамике гетерогенных потов [17]. Из теоретических исследований следует отметить работы А.Ю. Вараксина [17], С. Соу [18], Г. Уоллиса [19], Р.И. Нигматулина [20], Л.И. Зайчика и В.И. Алипченкова [21], И.В. Деревича [22] и др. Среди исследований экспериментального характера стоит выделить работы А.М. Дзядзио и А.С. Кеммера [23], Н. В. Соколова и М.Л. Кисельгофа [24], У. Стегмайера и М. Вебера [25], А.С. Сукоме- ла, Ф.Ф. Цветкова и Р.В. Керимова [26] и др. Но в перечисленных работах приводятся методы и модели, описывающие в основном только влияние концентрации твердых частиц на аэродинамическое сопротивление потоков газовзвеси. Данные модели подходят для установок малой производительности. Течение газодисперсных потоков в реальных объектах энергетики недостаточно подробно изучено.
Цель работы. Разработка методики определения энергоэффективных режимов работы систем пылеприготовления с ШБМ при размоле непроектных углей.
Основные задачи исследования:
1. Обзор существующих методов повышения энергоэффективности систем пылеприготовления.
2. Разработка математической модели и получение критериальных уравнений аэродинамического сопротивления ШБМ.
3. Разработка математической модели и получение критериальных зависимостей аэродинамического сопротивления центробежных сепараторов пыли.
4. Исследование влияния различных параметров на энергоэффективность ШБМ и определение оптимальных режимов работы ШБМ.
Объект исследования. Индивидуальная система пылеприготовления с шаровой барабанной мельницей и промежуточным бункером пыли энергетических котлов.
Предмет исследования. Газодинамика пылегазового потока в элементах оборудования пылесистемы, удельные расходы электроэнергии на пылеприготов- ление.
Методология и методы исследования. Методологической основой работы является разработка алгоритма определения энергоэффективных режимов работы СШ1 с ШБМ. В работе применяются моделирование с помощью пакета прикладных программ FlowVision, методы статистического анализа данных, теории подобия и анализа размерностей.
Научная новизна работы:
1. Предложена математическая модель аэродинамического сопротивления систем пылеприготовления с ШБМ энергетических котлов, отличающаяся учетом потерь давления на инжекцию частиц угольный пыли в поток воздуха.
2. Получены критериальные уравнения, описывающие зависимость аэродинамического сопротивления ШБМ от концентрации угольной пыли, средней скорости витания, среднего диаметра угольных частиц и линейных размеров барабана мельницы.
3. Получены критериальные уравнения, описывающие зависимость аэродинамического сопротивления центробежных сепараторов пыли от концентрации угольной пыли, средней скорости витания, среднего диаметра угольных частиц и линейных размеров сепаратора.
4. Создан алгоритм расчета эффективности работы системы пылеприготовления с шаровой мельницей, отличающийся возможностью определять минимальный удельный расход электроэнергии на пылеприготовление.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты работы могут применяться при эксплуатации шаровых барабанных мельниц с целью повышения экономичности и надежности их работы. Примененный метод исследования и полученные сведения о закономерностях аэродинамического сопротивления могут быть использованы в аэродинамических расчетах широкого класса установок систем пылеприготовления, таких как углеразмольные мельницы различного типа, сепараторы, циклоны, пылепроводы и др.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе по направлению 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» в Иркутском национальном исследовательском техническом университете. Кроме того, разработанная методика определения оптимального режима работы ШБМ используется на ТЭЦ-9 ПАО «Иркутскэнерго» и ТЭЦ-10 000 «Байкальская энергетическая компания» (г. Ангарск) (приложение А).
Положения и результаты, выносимые на защиту:
1. критериальное уравнение, позволяющее вычислить коэффициент аэродинамического сопротивления гомогенного потока для ШБМ;
2. критериальное уравнение, позволяющее вычислить коэффициент аэродинамического сопротивления гомогенного потока для центробежных сепараторов пыли;
3. критериальные уравнения, позволяющие найти коэффициент аэродинамического сопротивления, обусловленного инжекцией частиц угольной пыли в ШБМ;
4. критериальные уравнения, позволяющие найти коэффициент аэродинамического сопротивления, обусловленного инжекцией частиц угольной пыли в центробежных сепараторах пыли;
5. методика анализа энергоэффективности работы ШБМ, основанная на режиме равенства размольной и сушильной производительности мельницы и заключающаяся в определении минимального удельного расхода электроэнергии.
Достоверность результатов обеспечивается применением апробированных математических моделей и надежных методов вычислений, согласованием расчетов с результатами вычислений по известным формулам и измерениями, полученными в ходе режимно-наладочных испытаний систем пылеприготовления.
Расчеты и исследования в работе проводились на основе официальной статистической информации ПАО «Иркутскэнерго» [27, 28]. Многочисленные расчеты, сделанные по предложенным моделям, показали, что расчетные величины (аэродинамическое сопротивление, расход электроэнергии) находятся в близком сопоставимом диапазоне с фактическими показателями.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на IX Всероссийской конференции с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» ИТФ им. Кутателадзе СО РАН (г. Новосибирск, 2015 г.), конференциях-конкурсах молодых ученых «Системные исследования в энергетике» ИСЭ им. Мелентьева СО РАН (г. Иркутск, 2015-2016 гг.), XII международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Теплоэнергетика. Энергия-2017» ИГЭУ (г. Иваново, 2017 г.), Всероссийских конференциях с международным участием «Производство и использование энергии в условиях Сибири» ИРНИТУ (г. Иркутск, 2014-2018 гг.), IX Всероссийской научной конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» ТПУ (г. Томск, 2020 г.).
Личный вклад автора. Основные научные положения, результаты и выводы диссертационной работы получены автором лично. Анализ полученных результатов выполнен автором совместно с научным руководителем.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 16 статьях [29-44], в том числе 7 в рецензируемых научных изданиях, 4 из которых входят в перечень ВАК РФ, 2 - в базу Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 141 наименования, 5 приложений, изложенных на 121 странице, иллюстрированной 44 рисунками и 12 таблицами.
В первой главе приводится обзор литературы по вопросам, исследуемым в данной работе. Рассмотрены проблемы эксплуатации и повышения эффективности систем пылеприготовления энергетических котлов. Рассмотрены существующие методы описания двухфазных дисперсных турбулентных течений, проанализированы их преимущества и недостатки. Дана постановка основных задач, решаемых в диссертационной работе.
Во второй главе проведено моделирование течения газовзвеси, кратко описаны объекты исследования, поставлена физико-математическая задача, приведены уравнения, описывающие газодинамику гомогенного запыленного потока. С применением программного комплекса FlowVision получена картина движения гомогенной угольной газовзвеси в шаровых барабанных мельницах и центробежных сепараторах. Выявлено одно составляющее полного аэродинамического сопротивления основных агрегатов систем пылеприготовления - сопротивление гомогенного потока, учитывающее сопротивление трения и местные сопротивления. Для этого составляющего получены критериальные уравнения, описывающие зависимость сопротивления от концентрации угольной пыли.
Третья глава посвящена моделированию аэродинамического сопротивления основных элементов систем пылеприготовления. Выявлено второе составляющее полного аэродинамического сопротивления основных агрегатов систем пылеприготовления - сопротивление, обусловленное торможением частиц угольной пыли и повторной их инжекцией турбулизированным потоком. Для этого составляющего получены критериальные уравнения, выражающие зависимость сопротивления от средней скорости витания, среднего диаметра угольных частиц и линейных размеров ШБМ и сепараторов.
В четвертой главе исследовались энергоэффективность пылесистемы с шаровой мельницы ШК-32 и зависимости удельного расхода электроэнергии на пылеприготовление от шаровой загрузки и расхода сушильного агента. Получена система уравнений, которая позволяет определить минимальный расход электроэнергии на размол и пневмотранспорт угля в пылесистеме с мельницей ШК-32.
В заключении представлены основные результаты работы.
В настоящее время «предприятия энергетической отрасли имеют 80% мощности сроком эксплуатации более 30 лет и не в состоянии самостоятельно осуществить серьезные мероприятия по обновлению основных фондов в связи с длительным сроком окупаемости инвестиционных проектов» [2]. Системы пылепри- готовления (С1111) ТЭС весьма энергоемки: их энергопотребление составляет около 25% от общих затрат электроэнергии на собственные нужды или около 2% от общей выработки электрической энергии [3].
Одним из основных агрегатов для измельчения твердого топлива в России являются шаровые барабанные мельницы (ШБМ) [4]. Область рационального использования ШБМ: очень твердые, абразивные угли с низким коэффициентом размолоспособности кло; низкореакционные угли с малым выходом летучих, требующие очень тонкого помола; угли с большим содержанием серы и минеральных примесей [5]. Следует также отметить, что пылеприготовление применяется не только в энергетике, но и в других отраслях промышленности таких, как горнообогатительная, металлургическая, строительная, химическая, зерно-, деревоперерабатывающая, пищевая.
Однако на тепловых электростанциях ПАО «Иркутскэнерго» из-за ценовой политики ШБМ размалывают угли марок 2Б, 3Б, Д, отходы углеобогащения. На рисунке 1 представлены расходы сжигаемых углей на ТЭЦ-9 и ТЭЦ-10 ПАО «Иркутскэнерго» за 2016 г.
Рисунок 1 - Расходы сжигаемых углей на ТЭЦ-9 (■) и ТЭЦ-10 (■) ПАО «Иркутскэнерго» за 2016 г.: 1 - мугунский (3Б); 2 - черемховский (Д); 3 - азейский (3Б);
4 - ирбейский (2Б); 5 - головинский (Д)
При переводе ШБМ на размол непроектного топлива необходимо уточнение режимов ее работы и определение оптимального. Основные параметры, характеризующие работу ШБМ: предельная производительность; расход сушильно- вентилирующего агента; аэродинамическое сопротивление; тонина помола пыли. Особенностью мельниц этого типа является зависимость потребляемой ими мощности от количества загруженных шаров, количество же топлива, проходящего через ШБМ, мало сказывается их энергопотреблении. Поэтому работа ШБМ, оснащенной пылевым бункером, с максимальной производительностью по топливу наиболее выгодна. Испытания с целью определения предельной производительности ШБМ весьма трудоемки и затратны. Полученная в ходе испытаний информация обычно не отражает влияние изменения характеристик топлива [6, 7]. Замена ШБМ на другие типы мельниц, подходящих для размола бурых углей, является крайне дорогостоящим мероприятием. Поэтому необходимо проводить модернизацию действующего оборудования, повышать эффективность его работы путем экономически и научно обоснованных мероприятий.
В связи с вышеперечисленными проблемами при эксплуатации пылесистем с ШБМ, работающих на непроектных углях, тема диссертационной работы является актуальной.
Степень разработанности проблемы. В отечественной литературе вопросам моделирования и повышения эффективности работы систем пылеприготовле- ния в целом и их отдельных агрегатов уделялось и уделяется много внимания. Этим вопросам посвящены работы Г.Т. Левита [6], А.Н. Лебедева [7], Ю.Г. Назмеева и Р.Г. Мингалеевой [8-10], Д.М. Хзмаляна и Я.А. Кагана [5], В.С. Богданова и Ф.П. Потапова [11], Л.В. Голышева и др. [12-14], С.И. Шувалова [15-16]. В [5-7] обобщен опыт испытаний пылесистем, даны методические рекомендации по анализу их результатов, отмечено существование оптимальных режимов вентиляции и загрузки шарами мельниц типа ШБМ, а также оптимальной тонкости помола пыли при минимуме расхода электроэнергии на пылеприготовление. Исследования [8-10] посвящены «комплексной методике оценки термодинамической эффективности систем подготовки твердого топлива на тепловых электростанциях и котельных» [10]. В работах [12-14] рассматривается повышение эффективности работы систем пылеприготовления с ШБМ. Математическое моделирование пы- лесистем с ШБМ с целью анализа влияния структуры пылесистемы на ее производительность проводилось в статьях [15-16]. Однако, методика определения оптимального режима работы ШБМ на непроектных углях, которая учитывала бы влияние комплекса режимных, внешних и конструктивных параметров, отсутствует.
Энергоэффективность СПП с ШБМ сильно зависит от режима вентиляции, который определяется расходом сушильного агента. Аэродинамическое сопротивление мельницы является одним из основных параметров, характеризующих ее работу. К настоящему времени существует довольно подробный теоретический и экспериментальный материал, посвященный газовой динамике гетерогенных потов [17]. Из теоретических исследований следует отметить работы А.Ю. Вараксина [17], С. Соу [18], Г. Уоллиса [19], Р.И. Нигматулина [20], Л.И. Зайчика и В.И. Алипченкова [21], И.В. Деревича [22] и др. Среди исследований экспериментального характера стоит выделить работы А.М. Дзядзио и А.С. Кеммера [23], Н. В. Соколова и М.Л. Кисельгофа [24], У. Стегмайера и М. Вебера [25], А.С. Сукоме- ла, Ф.Ф. Цветкова и Р.В. Керимова [26] и др. Но в перечисленных работах приводятся методы и модели, описывающие в основном только влияние концентрации твердых частиц на аэродинамическое сопротивление потоков газовзвеси. Данные модели подходят для установок малой производительности. Течение газодисперсных потоков в реальных объектах энергетики недостаточно подробно изучено.
Цель работы. Разработка методики определения энергоэффективных режимов работы систем пылеприготовления с ШБМ при размоле непроектных углей.
Основные задачи исследования:
1. Обзор существующих методов повышения энергоэффективности систем пылеприготовления.
2. Разработка математической модели и получение критериальных уравнений аэродинамического сопротивления ШБМ.
3. Разработка математической модели и получение критериальных зависимостей аэродинамического сопротивления центробежных сепараторов пыли.
4. Исследование влияния различных параметров на энергоэффективность ШБМ и определение оптимальных режимов работы ШБМ.
Объект исследования. Индивидуальная система пылеприготовления с шаровой барабанной мельницей и промежуточным бункером пыли энергетических котлов.
Предмет исследования. Газодинамика пылегазового потока в элементах оборудования пылесистемы, удельные расходы электроэнергии на пылеприготов- ление.
Методология и методы исследования. Методологической основой работы является разработка алгоритма определения энергоэффективных режимов работы СШ1 с ШБМ. В работе применяются моделирование с помощью пакета прикладных программ FlowVision, методы статистического анализа данных, теории подобия и анализа размерностей.
Научная новизна работы:
1. Предложена математическая модель аэродинамического сопротивления систем пылеприготовления с ШБМ энергетических котлов, отличающаяся учетом потерь давления на инжекцию частиц угольный пыли в поток воздуха.
2. Получены критериальные уравнения, описывающие зависимость аэродинамического сопротивления ШБМ от концентрации угольной пыли, средней скорости витания, среднего диаметра угольных частиц и линейных размеров барабана мельницы.
3. Получены критериальные уравнения, описывающие зависимость аэродинамического сопротивления центробежных сепараторов пыли от концентрации угольной пыли, средней скорости витания, среднего диаметра угольных частиц и линейных размеров сепаратора.
4. Создан алгоритм расчета эффективности работы системы пылеприготовления с шаровой мельницей, отличающийся возможностью определять минимальный удельный расход электроэнергии на пылеприготовление.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты работы могут применяться при эксплуатации шаровых барабанных мельниц с целью повышения экономичности и надежности их работы. Примененный метод исследования и полученные сведения о закономерностях аэродинамического сопротивления могут быть использованы в аэродинамических расчетах широкого класса установок систем пылеприготовления, таких как углеразмольные мельницы различного типа, сепараторы, циклоны, пылепроводы и др.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы применяются в учебном процессе по направлению 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» в Иркутском национальном исследовательском техническом университете. Кроме того, разработанная методика определения оптимального режима работы ШБМ используется на ТЭЦ-9 ПАО «Иркутскэнерго» и ТЭЦ-10 000 «Байкальская энергетическая компания» (г. Ангарск) (приложение А).
Положения и результаты, выносимые на защиту:
1. критериальное уравнение, позволяющее вычислить коэффициент аэродинамического сопротивления гомогенного потока для ШБМ;
2. критериальное уравнение, позволяющее вычислить коэффициент аэродинамического сопротивления гомогенного потока для центробежных сепараторов пыли;
3. критериальные уравнения, позволяющие найти коэффициент аэродинамического сопротивления, обусловленного инжекцией частиц угольной пыли в ШБМ;
4. критериальные уравнения, позволяющие найти коэффициент аэродинамического сопротивления, обусловленного инжекцией частиц угольной пыли в центробежных сепараторах пыли;
5. методика анализа энергоэффективности работы ШБМ, основанная на режиме равенства размольной и сушильной производительности мельницы и заключающаяся в определении минимального удельного расхода электроэнергии.
Достоверность результатов обеспечивается применением апробированных математических моделей и надежных методов вычислений, согласованием расчетов с результатами вычислений по известным формулам и измерениями, полученными в ходе режимно-наладочных испытаний систем пылеприготовления.
Расчеты и исследования в работе проводились на основе официальной статистической информации ПАО «Иркутскэнерго» [27, 28]. Многочисленные расчеты, сделанные по предложенным моделям, показали, что расчетные величины (аэродинамическое сопротивление, расход электроэнергии) находятся в близком сопоставимом диапазоне с фактическими показателями.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на IX Всероссийской конференции с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» ИТФ им. Кутателадзе СО РАН (г. Новосибирск, 2015 г.), конференциях-конкурсах молодых ученых «Системные исследования в энергетике» ИСЭ им. Мелентьева СО РАН (г. Иркутск, 2015-2016 гг.), XII международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Теплоэнергетика. Энергия-2017» ИГЭУ (г. Иваново, 2017 г.), Всероссийских конференциях с международным участием «Производство и использование энергии в условиях Сибири» ИРНИТУ (г. Иркутск, 2014-2018 гг.), IX Всероссийской научной конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» ТПУ (г. Томск, 2020 г.).
Личный вклад автора. Основные научные положения, результаты и выводы диссертационной работы получены автором лично. Анализ полученных результатов выполнен автором совместно с научным руководителем.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 16 статьях [29-44], в том числе 7 в рецензируемых научных изданиях, 4 из которых входят в перечень ВАК РФ, 2 - в базу Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 141 наименования, 5 приложений, изложенных на 121 странице, иллюстрированной 44 рисунками и 12 таблицами.
В первой главе приводится обзор литературы по вопросам, исследуемым в данной работе. Рассмотрены проблемы эксплуатации и повышения эффективности систем пылеприготовления энергетических котлов. Рассмотрены существующие методы описания двухфазных дисперсных турбулентных течений, проанализированы их преимущества и недостатки. Дана постановка основных задач, решаемых в диссертационной работе.
Во второй главе проведено моделирование течения газовзвеси, кратко описаны объекты исследования, поставлена физико-математическая задача, приведены уравнения, описывающие газодинамику гомогенного запыленного потока. С применением программного комплекса FlowVision получена картина движения гомогенной угольной газовзвеси в шаровых барабанных мельницах и центробежных сепараторах. Выявлено одно составляющее полного аэродинамического сопротивления основных агрегатов систем пылеприготовления - сопротивление гомогенного потока, учитывающее сопротивление трения и местные сопротивления. Для этого составляющего получены критериальные уравнения, описывающие зависимость сопротивления от концентрации угольной пыли.
Третья глава посвящена моделированию аэродинамического сопротивления основных элементов систем пылеприготовления. Выявлено второе составляющее полного аэродинамического сопротивления основных агрегатов систем пылеприготовления - сопротивление, обусловленное торможением частиц угольной пыли и повторной их инжекцией турбулизированным потоком. Для этого составляющего получены критериальные уравнения, выражающие зависимость сопротивления от средней скорости витания, среднего диаметра угольных частиц и линейных размеров ШБМ и сепараторов.
В четвертой главе исследовались энергоэффективность пылесистемы с шаровой мельницы ШК-32 и зависимости удельного расхода электроэнергии на пылеприготовление от шаровой загрузки и расхода сушильного агента. Получена система уравнений, которая позволяет определить минимальный расход электроэнергии на размол и пневмотранспорт угля в пылесистеме с мельницей ШК-32.
В заключении представлены основные результаты работы.
Данная работа посвящена повышению энергоэффективности систем пылеприготовления с шаровыми барабанными мельницами при работе на непроектных углях с использованием методов численного моделирования.
Основные выводы и результаты диссертационной работы:
1. Разработан подход к решению проблемы повышения энергоэффективности систем пылеприготовления с шаровыми барабанными мельницами при работе на непроектных углях, основанный на моделировании пневмотранспорта угольной пыли.
2. Предложена математическая модель аэродинамического сопротивления шаровых барабанных мельниц и центробежных сепараторов пыли, согласно которой полное аэродинамическое сопротивление складывается из кРгом - потерь давления гомогенного потока газовзвеси, вызванных трением и местными потерями, и ЬРинж - потерь давления, обусловленных инжекцией угольных частиц в поток воздуха.
Установлено, что аэродинамическое сопротивление шаровых барабанных мельниц состоит на 80% из АРинж и на 20% из АРгом, аэродинамическое сопротивление центробежных сепараторов - на 50% из ДРинж и на 50% из кРгом.
3. Получены критериальные уравнения, описывающие зависимость аэродинамического сопротивления элементов пылесистем от средней скорости витания и среднего диаметра частиц угольной пыли.
Коэффициент сопротивления гомогенного потока угольной газовзвеси для шаровых барабанных мельниц
' -1200 ДМ- к
^гом 1200 Re0,4 kL
Коэффициент сопротивления, вызванного инжекцией частиц, для шаровых барабанных мельниц
- 36,6(1 + М) кТХ,
ин<Ж OUIH
S = 36,6(1 + V) kT32kL
Коэффициент сопротивления гомогенного потока угольной газовзвеси для центробежных сепараторов пыли
гсе гл 1 1 гл— 4 се / i . се �Д43 0,657
%гоМ =9,12 -10 V (1 + V ) Re;
Коэффициент сопротивления, вызванного инжекцией частиц, для центробежных сепараторов пыли
гсе 1 z' ^7 1,5 /1 . 1 0,16
£,,,. = WV (1+vVk,™
SL. = W/tf(1+v)kd 0,317
ин 'Ж. се
Пределы применимости полученных уравнений:
Ree=3•105^2•106,
V = 0,16 ^ 0,76,
к . = 0,6 ^ 6,8,
kd = 0,8 ^ 2,6.
Полученные уравнения согласуются с известными формулами для определения потерь давления и с экспериментальными данными.
4. Предложена формула, позволяющая найти минимальный удельный расход электроэнергии на пылесистему с мельницей ШК-32, исходя из режима равенства сушильной и размольной производительностей
0.0746В3ЬбПб^Г Y H.mK6pKm + 1.86D6L6n6S6 + Ц^Л^
п п B
1эл 'Пр с
(1+н)к (s + S W
у г* / в у Ъ гом инж / (
п п B
1эл *мв с
Так минимальные затраты на размол азейского угля влажностью Wр = 25% с шаровой загрузкой уб = 0,2 достигаются при Увнф^т = 13.8 м3/с (что соответствует производительности мельницы B = 57 т/ч) и составляют ЭШБМ = 18,9 кВт-ч/т; при размоле мугунского угля (Wр = 22%, уб = 0,2) минимум энергозатрат получается при Увнф^т = 12.9 м3/с (B = 68 т/ч) и равен 15,8 кВт-ч/т.
Средние отклонения результатов расчетов по предложенной формуле от аналогичных экспериментальных данных находятся в диапазоне ±5%.
5. Полученные результаты внедрены в ПАО «Иркутскэнерго» для определения энергозатрат пылесистемы с мельницей ШК-32 при размоле мугунского бурого угля до тонины помола R90 = 35% (Приложение А).
Основные выводы и результаты диссертационной работы:
1. Разработан подход к решению проблемы повышения энергоэффективности систем пылеприготовления с шаровыми барабанными мельницами при работе на непроектных углях, основанный на моделировании пневмотранспорта угольной пыли.
2. Предложена математическая модель аэродинамического сопротивления шаровых барабанных мельниц и центробежных сепараторов пыли, согласно которой полное аэродинамическое сопротивление складывается из кРгом - потерь давления гомогенного потока газовзвеси, вызванных трением и местными потерями, и ЬРинж - потерь давления, обусловленных инжекцией угольных частиц в поток воздуха.
Установлено, что аэродинамическое сопротивление шаровых барабанных мельниц состоит на 80% из АРинж и на 20% из АРгом, аэродинамическое сопротивление центробежных сепараторов - на 50% из ДРинж и на 50% из кРгом.
3. Получены критериальные уравнения, описывающие зависимость аэродинамического сопротивления элементов пылесистем от средней скорости витания и среднего диаметра частиц угольной пыли.
Коэффициент сопротивления гомогенного потока угольной газовзвеси для шаровых барабанных мельниц
' -1200 ДМ- к
^гом 1200 Re0,4 kL
Коэффициент сопротивления, вызванного инжекцией частиц, для шаровых барабанных мельниц
- 36,6(1 + М) кТХ,
ин<Ж OUIH
S = 36,6(1 + V) kT32kL
Коэффициент сопротивления гомогенного потока угольной газовзвеси для центробежных сепараторов пыли
гсе гл 1 1 гл— 4 се / i . се �Д43 0,657
%гоМ =9,12 -10 V (1 + V ) Re;
Коэффициент сопротивления, вызванного инжекцией частиц, для центробежных сепараторов пыли
гсе 1 z' ^7 1,5 /1 . 1 0,16
£,,,. = WV (1+vVk,™
SL. = W/tf(1+v)kd 0,317
ин 'Ж. се
Пределы применимости полученных уравнений:
Ree=3•105^2•106,
V = 0,16 ^ 0,76,
к . = 0,6 ^ 6,8,
kd = 0,8 ^ 2,6.
Полученные уравнения согласуются с известными формулами для определения потерь давления и с экспериментальными данными.
4. Предложена формула, позволяющая найти минимальный удельный расход электроэнергии на пылесистему с мельницей ШК-32, исходя из режима равенства сушильной и размольной производительностей
0.0746В3ЬбПб^Г Y H.mK6pKm + 1.86D6L6n6S6 + Ц^Л^
п п B
1эл 'Пр с
(1+н)к (s + S W
у г* / в у Ъ гом инж / (
п п B
1эл *мв с
Так минимальные затраты на размол азейского угля влажностью Wр = 25% с шаровой загрузкой уб = 0,2 достигаются при Увнф^т = 13.8 м3/с (что соответствует производительности мельницы B = 57 т/ч) и составляют ЭШБМ = 18,9 кВт-ч/т; при размоле мугунского угля (Wр = 22%, уб = 0,2) минимум энергозатрат получается при Увнф^т = 12.9 м3/с (B = 68 т/ч) и равен 15,8 кВт-ч/т.
Средние отклонения результатов расчетов по предложенной формуле от аналогичных экспериментальных данных находятся в диапазоне ±5%.
5. Полученные результаты внедрены в ПАО «Иркутскэнерго» для определения энергозатрат пылесистемы с мельницей ШК-32 при размоле мугунского бурого угля до тонины помола R90 = 35% (Приложение А).
