KARAKTERISTIKE I EVALUACIJA KOMPLEKSNOG MODELA PROCESA I SOFTVERA ZA PREDVIĐANJE POGONSKIH SITUACIJA

U LOŽIŠTU ENERGETSKOG KOTLA NA UGLJENI PRAH

CHARACTERISTICS AND EVALUATION OF COMPREHENSIVE MODEL OF PROCESSES AND SOFTWARE FOR PREDICTION OF OPERATION SITUATIONS IN A UTILITY BOILER PULVERIZED

COAL FIRED-FURNACE

S. Belošević*, M. Sijerčić* i D. Tucaković**

Institut za nuklearne nauke ”Vinča”, Laboratorija za termotehniku i energetiku, Mike Petrovića Alasa 12-14, 11001 Beograd, Srbija*

Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu, Kraljice Marije 16, 11120 Beograd 35, Srbija**

Abstract: For simulation of two-phase turbulent reactive flows and prediction of operation situations in 350 MWe Kostolac B1 boiler tangentially fired furnace, a 3D comprehensive differential mathematical model and CFD code have been developed in-house. An easy-to-use interface for efficient grid generation and data input has been build within the code, having the possibility of coupling with another code for prediction of air-coal dust mixture and hot air distribution between burners’ sections. Characteristics and selected results of a complex evaluation of the model are presented. The evaluation includes grid refinement study, investigation of particle trajectories effect on results and convergence, study on the influence of selected operating conditions (turning off individual burners, different air/fuel ratio, the boiler load reduction) as well as comparisons with measurements of flue gas and flame temperatures. The software potential applications and the model improvements are suggested in the paper as well. Key words: model, evaluation, operation situations, pulverized coal-fired furnace

1. UVOD

Sa aspekta složenosti i spregnutosti mnogobrojnih uticajnih radnih parametara, ložište je kritičan element termoenergetskog sistema, pa mu je potrebno posvetiti posebnu pažnju. Moderan pristup ovoj problematici uključuje i primenu numeričkih simulacija. U tu svrhu, po prvi put kod nas, razvijen je složen 3D diferencijalni matematički model dvofaznog turbulentnog reaktivnog toka i softver za predviđanje pogonskih situacija u ložištu kotla Kostolac B1 350 MWe, u stacionarnom radu, uz interfejs za jednostavno definisanje proračunske mreže, unos ulaznih podataka i jasan i vizuelno atraktivan prikaz rezultata. Moguć je autonoman unos ulaznih podataka, ili povezivanjem sa programskim modulom za proračun pripreme ugljenog praha. Model omogućava promenu velikog broja radnih parametara i daje strujno, temperaturno i koncentracijsko polje multikomponentne gasne smeše, distribuciju toplotnog fluksa i podatke koji definišu kretanje i sagorevanje čestica

ugljenog praha. Na osnovu lokalnih numeričkih vrednosti moguća je i procena globalnih parametara (efikasnost sagorevanja, stepen korisnosti, razmenjena toplota).

Zbog izuzetne složenosti aerodinamike u tangencijalno loženim ložištima, kao što je ovo, strujanje i sagorevanje su veoma komplikovani za modeliranje. Ipak, kompleksni modeli procesa u tangencijalnim ložištima realnih dimenzija, zasnovani na numeričkom rešavanju 3D parcijalnih diferencijalnih jednačina održanja, predmet su mnogih istraživanja u svetu [1-5]. Pojedini elementi ovde predstavljenog kompleksnog modela postupno su verifikovani [6,7], a razvijena su i rešenja za povezivanje sa modulom za proračun pripreme ugljenog praha [8].

2. MATEMATIČKI MODEL Razvijen je 3D diferencijalni matematički model turbulentnog dvofaznog reaktivnog toka sa radijaciono-konvektivnom razmenom toplote u realnoj geometriji predmetnog ložišta. Kompleksni model usklađuje sofisticiranost modela pojedinačnih procesa i praktičnu upotrebljivost softvera. Ovde su istaknute osnovne karakteristike modela, a detalji modela pojedinačnih procesa dati su u [6-8]. Turbulentni tok višekomponentne gasne faze opisuje se parcijalnim diferencijalnim jednačinama održanja u Euler-ovom polju (1), sa dodatnim izvornim članovima usled čestica , prema PSI Cell metodi. Sistem jednačina zatvoren je k-ε modelom turbulencije. Za razliku od [1-5] modelira se i modulacija turbulencije usled čestica.

ΦpS

( ) ΦΦΦ

ΦΓΦρ pjj

jj

SSxx

Ux

++⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

∂∂

∂∂

=∂∂ (1)

Disperzna faza je opisana običnim diferencijalnim jednačinama kretanja i energije individualnih čestica, koje se numerički prate duž trajektorija sa konstantnim protokom broja čestica u Lagrange-evom polju. Uticaj turbulencije gasa na čestice obuhvaćen je difuzionim modelom disperzije, koji obezbeđuje veću proračunsku efikasnost u odnosu na stohastičke modele [3,5]. Ukupna brzina individualne čestice vektorski je zbir konvektivne i difuzione. U skladu sa raspoloživim eksperimentalnim podacima za kinetiku posmatranog goriva, izabran je globalni model sagorevanja čestice, prema kome se pojedinačni procesi u okviru složenog procesa sagorevanja tretiraju zajedno. Razmatraju se heterogene hemijske reakcije u kombinovanom kinetičko-difuzionom režimu, u skladu sa modelom sagorevanja koksnog ostatka i prema konceptu promene prečnika čestice prilikom sagorevanja. Razmatraju se reakcije potpune oksidacije ugljenika i vodonika iz uglja (a uticaj sumpora se uzima u obzir preko ekvivalentnog sadržaja ugljenika). Uzimaju se u obzir i isparavanje vlage i uticaj kiseonika iz goriva kao balasta. Razmena toplote radijacijom opisana je modelom "šest flukseva". Jednačine za totalne radijacione flukseve rešavaju se simultano sa jednačinama dinamike fluida. Termodinamička i transportna svojstva se izvode prema jednačinama stanja i poluempirijskim relacijama. Granični uslovi na ulazu su definisani prirodom problema, a na izlazu uslovom kontinuiteta. Uslovi na zidu se opisuju takozvanim “zidnim funkcijama”.

Diskretizacija nelinearnih parcijalnih diferencijalnih jednačina gasne faze za 3D problem izvedena je metodom kontrolnih zapremina, uz primenu hibridne diferentne šeme. Sprezanje jednačine kontinuiteta i jednačina količine kretanja je izvedeno SIMPLE algoritmom, a stabilizacija iteracionog postupka proračuna obezbeđena metodom podrelaksacije. 3. PREDMETNO LOŽIŠTE I RADNI USLOVI Kotao TE Kostolac B1 nominalne produkcije 1000 t/h pregrejane pare je jednocevni, membransko-zavareni kotao toranjskog tipa sa prinudnom cirkulacijom. Loženje je ugljenim prahom pomoću osam tangencijalno postavljenih gorionika. Ekranisano ložište (dimenzije:

15,1 x 15,1 x 43,0) m (sl. 1: x=0, dno levka; y=0, zadnji zid; z=0, levi zid) je sa zidnim pregrejačem pare i odvođenjem šljake u čvrstom stanju. Svaki gorionički paket ima četiri etaže po visini: donji i gornji glavni gorionik i dva brida gorionika iznad, za sagorevanje sitnijih frakcija ugljenog praha. Na svaki gorionik priključen je po ventilatorski mlin. Za slučaj maksimalne trajne snage kotla (100% opterećenja) pri radu sa 7 mlinova (projektni režim) potrošnja uglja je 428,87 t/h, a protok zagrejanog vazduha 1050·103 Nm3/h. Kao gorivo koristi se lignit sa kopa Drmno. Detaljni podaci o pogonskim uslovima i karakteristikama radnog goriva i ugljenog praha (vlažnosti 8,83%) dati su u [8]. Na osnovu sitovne analize i Rozin-Ramler raspodele i uz primenu numeričkih eksperimenata, usvojen je reprezentativni prečnik čestice ugljenog praha: dp=150 μm. Softver može da obuhvati i detaljne podatke o granulometrijskom sastavu ugljenog praha, ako postoje.

Slika 1. Izabrane strujnice u geometrijskom modelu ložišta kotla Kostolac B1

Slika 2. Numerička simulacija centralnog vrtloga ložišnih gasova u projektnom režimu

4. EVALUACIJA MODELA-REZULTATI I DISKUSIJA

Izvedena je kompleksna evaluacija razvijenog modela: analiza uticaja numeričke mreže, broja trajektorija čestica, izabranih radnih parametara i pogonskih uslova i poređenje sa merenjima.

Slika 3. Uticaj gustine proračunske mreže na rezultate numeričkih simulacija

4.1. Uticaj numeričke mreže i broja trajektorija čestica Primenjena je 3D struktuirana numerička mreža. Mreža bi trebalo da obezbedi konvergenciju rešenja uz pogodno trajanje proračuna, a da njeno dalje usitnjavanje bitno ne izmeni rezultate. Testirane su tri mreže. Dati su profili temperature gasa na izlazu iz ložišta (pri ravnomernom radu 8 gorionika), duž y ose u blizini prednjeg zida, za z koordinatu po sredini, sl. 3. Razlike u rezultatima ne opravdavaju korišćenje najfinije mreže kada je bitno vreme proračuna, pa su simulacije izvedene pomoću mreže sa 549 250 kontrolnih zapremina. Ispitan je i uticaj broja numerički praćenih trajektorija čestica, za sve tri mreže: sa 50 trajektorija po svakoj od 4 etaže svakog od 8 gorionika, zatim za 200, kao i za 800 trajektorija po etaži. Program stabilno radi u svim slučajevima. Sa aspekta konvergencije, pokazalo se da je dovoljno 200 trajektorija po etaži (800 po gorioniku i ukupno 6400 trajektorija), što je i korišćeno u simulacijama.

4.2. Uticaj šeme isključenja gorionika Tangencijalno loženje daje centralni vrtlog gasova i njihovo podizanje prema uzlazu iz ložišta, sl. 1-2. Isključenje gorionika, odnosno mlinova, ima izraženi efekat na položaj centralnog vrtloga (pomerenog ka isključenom gorioniku, sl. 2), pa stoga i plamena, što utiče na temperaturno polje u ložištu i raspodelu toplotnih flukseva na ekranima. Sa sl. 4, jasan je uticaj isključenja pojedinih gorionika na temperaturno polje (za presek iznad gorionika, x=26,0 m). Sa aspekta simetrije strujnog i temperaturnog polja (koja je povoljna za sagorevanje i smanjenje zaprljanja ekrana), bolje je isključiti suprotne, nego susedne gorionike [6,7].

Slika 4. Modelom predviđeno temperaturno polje u zavisnosti od šeme isključenja gorionika

4.3. Uticaj odnosa protoka vazduha i goriva U tabeli 1 prikazan je uticaj promene odnosa protoka vazduha i goriva na modelom predviđenu srednju izlaznu temperaturu ložišnih gasova, koncentraciju kiseonika i ugljen-dioksida, u poređenju sa predviđanjima za projektne radne uslove pri punom opterećenju kotla, sa odgovarajućim viškom vazduha. Promena odnosa protoka vazduha i goriva postignuta je sniženjem i povišenjem protoka sekundarnog vazduha za po 20%, ravnomerno po svakom od 7 gorionika u radu. Na izlazu iz ložišta, gde su reakcije većim delom završene, a profili temperatura ravnomerniji po preseku, naglašen je opšti efekat hlađenja dimnih gasova usled uvođenja dodatnog vazduha, uz više koncentracije kiseonika. 4.4. Uticaj promene opterećenja kotla Numerički je ispitan i uticaj redukcije opterećenja kotla u odnosu na puno opterećenje (pri snazi bloka 350 MWe, sa 1 isključenim gorionikom). Smanjenje opterećenja je postignuto sniženjem protoka i goriva i vazduha za po 25% ravnomerno za svaki gorionik u radu, ili

isključenjem dva dodatna gorionika i blokiranjem odgovarajućeg dotoka vazduha. Numeričke vrednosti date u tabeli 1 pokazuju da se pri ovome snižavaju srednje izlazne temperature dimnog gasa i sadržaj ugljen-dioksida, a sadržaj kiseonika proporcionalno raste. Tabela 1. Srednje temperature dimnog gasa i koncentracije O2 i CO2 na izlazu iz ložišta

Radni uslovi

Snaga bloka 350 MWe,

radi 7 gorionika

Protok sek.

vazduha: 20% niži

Protok sek.

vazduha: 20% viši

Protok goriva i

vazduha: 25% niži

Snaga bloka 250 MWe,

radi 5 gorionika*

t (OC) 1021,564 1057,457 990,62 1001,902 940,028 XO2 (kg/kg) 0,070 0,057 0,080 0,075 0,088 XCO2 (kg/kg) 0,151 0,163 0,141 0,146 0,134

*Dva dodatna gorionika su isključena 4.5. Poređenja numeričkih rezultata sa termotehničkim merenjima na kotlu U tabeli 2 dato je poređenje numeričkih vrednosti temperature gasa i plamena na visini recirkulacionih otvora, sa izabranim rezultatima termotehničkih merenja za tri režima [9]. Aspiracionom sondom se mere lokalne temperature gasa, dok temperatura plamena koju registruje optički pirometar zavisi od optičke vidljivost u ložištu (ovde je oko 3 m [9], pa su numeričke vrednosti za režime 2 i 3, uzete za tu dubinu). Razmatrani radni uslovi odgovaraju velikom prisisu falš vazduha [9], što je i modelom uzeto u obzir. Za režim 2 izvedeni su proračuni za različite količine falš vazduha. Usled povećanog hlađenja ložišnih gasova, predviđena temperatura plamena je niža u slučaju veće količine falš vazduha. Tabela 2. Poređenje modelom predviđenih temperatura dimnog gasa i plamena sa merenjima

Temperatura dimnog gasa (oC), za referentni radni režim 1 Merni otvori po obimu ložišta; dubina 4,5 m od unutrašnjeg Model Mereno

aspiracionom sondom 8p (prednji zid) 1172 1138 8d (desni zid) 1100 1151 8z (zadnji zid) 1118 1150*

8l (levi zid) 1153 1122 Temperatura plamena (oC), za referentni radni režim 2

Merni otvori po obimu ložišta; dubina 3 m od unutrašnjeg zida

Model (falš vazduh:

123 kg/s)

Model (falš vazduh:

68 kg/s)

Mereno optičkim pirometrom

8z (zadnji zid) 997,8 1107,9 1020 8l (levi zid) 964 1039,3 1070

Temperatura plamena (oC), za referentni radni režim 3 Merni otvor na levom zidu; dubina 3 m od unutrašnjeg zida Model Mereno

optičkim pirometrom 8l (levi zid) 1082 1100

*Mereno optičkim pirometrom 5. ZAKLJUČAK Razvijen je 3D diferencijalni matematički model i softver za simulaciju procesa u ložištu kotla Kostolac B1. Softver je kuplovan sa programom za proračun pripreme ugljenog praha. Date su karakteristike modela i rezultati njegove evaluacije. Softver omogućava predviđanje

ponašanja ložišta u promenljivim radnim uslovima i može biti efikasna dopuna, korektor i kontrolor termotehničkih merenja. Primena softvera za izradu palete mogućih situacija u funkciji promene parametara procesa, može dovesti do povećanja efikasnosti sagorevanja i smanjenja emisije i biti podrška pogonskom osoblju u vođenju postrojenja. Valorizacija softvera sagledava se u primeni na blokovima Elektroprivrede i u unapređenju modela u nekoliko pravaca: optimizacija modela heterogenih reakcija sagorevanja i gasifikacije, optimizacija i inkorporacija modela devolatilizacije, sagorevanja u gasnoj fazi i formiranja i destrukcije NOx, povezivanje gasne i vodene strane ložišta u cilju definisanja pouzdanijih graničnih uslova na zidovima, optimizacija modela radijacione razmene toplote i definisanje različite raspodele frakcija polidisperznog ugljenog praha po visini gorionika. ZAHVALNOST Rad je nastao kao rezultat istraživanja na projektu “Modeliranje i numerička simulacija turbulentnih strujno-termičkih procesa u ložištima energetskih kotlova“, TR-6609A, Ministarstva nauke Republike Srbije i uz podršku JP “Elektroprivreda Srbije”. REFERENCE [1] Scott, C. H., Smoot, L. D.: A Comprehensive Three-Dimensional Model for Simulation

of Combustion Systems: PCGC-3, Energy & Fuels, 7 (1993), 6, pp. 874-883. [2] Bermudez de Castro, A., Ferin, J. L.: Modelling and Numerical Solution of a Pulverized

Coal Furnace, Proceedings, 4th International Conference on Technologies and Combustion for a Clean Environment, Lisbon, Portugal, July 7-10, 1997, paper 33.1, pp. 1-9.

[3] Fan, J., Qian, L., Ma, Y., Sun, P., Cen, K.: Computational Modeling of Pulverized Coal Combustion Processes in Tangentially Fired Furnaces, Chemical Engineering Journal, 81 (2001), 1-3, pp. 261-269.

[4] Zhou, L. X., Li, L., Li, R. X., Zhang, J.: Simulation of 3-D Gas-Particle Flows and Coal Combustion in a Tangentially Fired Furnace using a Two-Fluid-Trajectory Model, Powder Technology, 125 (2002), 2-3, pp. 226-233.

[5] Yin, C., Caillat, S., Harion, J. L., Baudoin, B., Perez, E.: Investigation of the Flow, Combustion, Heat-Transfer and Emissions from a 609 MW Utility Tangentially Fired Pulverized Coal Boiler, Fuel, 81 (2002), 8, pp. 997-1006.

[6] Belošević, S.: Prilog modeliranju procesa u ložištu kotla za sagorevanje ugljenog praha, doktorska disertacija, Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu, 2003.

[7] Belosevic, S., Sijercic, M., Tucakovic, D.: Three-Dimensional Modeling of Utility Boiler Pulverized Coal Tangentially Fired Furnace, International Journal of Heat and Mass Transfer, 49 (2006), 19-20, pp. 3371-3378.

[8] Belošević, S., Sijerčić, M., Crnomarković, N., Đurović, D., Jovanović, R.: Matematički modeli i softverski alati strujnodinamičkih i toplotnih procesa u opremi termoenergetskih blokova za primenu u dijagnostici stanja i predviđanju ponašanja, Studija, Institut za nuklearne nauke Vinča i Mašinski fakultet, mart 2007, Beograd.

[9] Perković, B., Adamović, D., Joksimović, V. Erić, M.: Podešavanje i optimizacija rada kotla bloka 1 u TE Kostolac-B posle kapitalnog remonta i rekonstrukcija iz 2002/2003, Izveštaj NIV-ITE 297, Institut Vinča-Laboratorija za termotehniku i energetiku i JP TENT-Proizvodno tehnički sektor, jul 2005, Vinča.