Modelowanie wpływu technologii spalania na warunki wymiany ciepła w powierzchniach ogrzewalnych kotła

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 122

1994 Nr kol. 1262

Konrad ŚWIRSKI Politechnika W arszaw ska Tomasz GOLEC

Instytut E nergetyki, W arszaw a

MODELOWANIE WPŁYWU TECHNOLOGII SPALANIA NA WARUNKI WYMIANY CIEPŁA W

POWIERZCHNIACH OGRZEWALNYCH KOTŁA

S tr e sz c z e n ie . In stalacja palników niskoem isyjnych zwykle powodu

je isto tn e zm iany obciążeń cieplnych poszczególnych powierzchni ogrze

w alnych kotła. Modelowanie m atem atyczne pozw ala n a wyznaczenie nowego sta n u pracy kotła, a n astęp n ie określenie optym alnych zm ian konstrukcyjnych. Przedstaw iono obliczenia ko tła O P-650, a otrzym ane rez u lta ty porównano z w ynikam i pom iarów przed i pomodernizacyjnych.

MODELLING OF COM BUSTION TECH N IQ U E IN FLU EN C E ON BOILER HEAT EXCHANGERS HEAT TRANSFER CONDITIONS

Sum m ary. Reconstruction of pulverized coal fired boilers m ainly concerns introduction of low NOx b u rn ers an d OFA ports. The paper p resen ts m ath em atical model of boiler w hich allows to calculate optim um design of heatin g surfaces modification. The calculations of O P-650 boiler are p resented as a te s t case.

MATHEMATISCHE M ODELLIERUNG DES E IN FL U SSE S DER VERBRENNUNGSBEDINGUNGEN AUF DIE WÄRMEÜBERTRAGUNG IN KESSELHEIZFLÄCHEN

Z u sa m m en fassu n g . In sta lla tio n der NOx- a r m e n B renner k an n bedeutende V eränderungen der B elastu n g der H eizflächen im Kessel verursachen. B enutzung der m ath em atisch en M odellierung erm öglicht neue B etriebszustände des Kessels u nd Blockes festzustellen, infolgedessen e n ts te h t eine M öglichkeit, die Anlage optim al u m zukonstruieren. Im B eitrag w u rd en die B erechnungen des Kessels O P-650 vorgestellt. D eren R e su lta t w urde m it den M eßergebnissen vor u nd nach der M oderniesierung verglichen.

(2)

1. WPROWADZENIE

W raz z wprowadzeniem nowych norm emisji jednym z powodów m oder

nizacji uk ładu paleniskowego kotłów je s t coraz powszechniejsze wprowadza

nie niskoem isyjnych technologii spalania, w których obok palników niskoemisyjnych stosowane są także dysze pow ietrza górnego OFA. Zm iany k o n stru kcyjne palników i komory paleniskowej kotła pyłowego, a także zm iany jako

ści spalanego paliw a, istotnie wpływają n a obciążenia cieplne poszczególnych powierzchni ogrzewalnych. W skrajnym przypadku może to powodować zna

czące niedotrzym anie param etrów produkowanej p ary lub obniżenie wydajności kotła. Zastosowanie m odelowania m atem atycznego i obliczeń n u merycznych pozwała n a kom pleksową ocenę skuteczności planow anej mod

ernizacji i jej wpływu n a pracę kotła oraz całego bloku energetycznego.

2. METODYKA OBLICZEŃ

Proponowany model m atematyczny obejmuje cały blok energetyczny. Przyjęta metodyka zakłada wykorzystanie trzech podstawowych bloków programów:

- obliczeń sp alania węgla i wym iany ciepła w komorze paleniskowej kotła, - obliczeń cieplnych,

- obliczeń tu rb in y i układu regeneracji.

Celem pierwszego etapu obliczeń je s t wyznaczenie rozkładu tem p e ra tu ry w komorze paleniskowej (w tym te m p e ra tu ry wylotowej spalin z kom ory paleni

skowej), obciążeń cieplnych powierzchni opromieniowanych oraz stopnia wy

palenia węgla w komorze paleniskowej kotła. Wielkości te wykorzystyw ane są w bloku obliczeń cieplnych kotła, których celem je s t uzyskanie pełnych wyni

ków rozkładu tem p e ra tu r spalin i pary, param etrów generow anej pary, wy

dajności i spraw ności kotła. Blok obliczeń cieplnych kotła sprzęgnięty je st z blokiem obliczeń turbozespołu, co pozwala n a pełne obliczenia bilansowe bloku energetycznego. Schem at m odelu obliczeniowego przedstaw iono na rys. 1. D a n y m i w ejścio w y m i do o b lic z e ń są je d y n ie ilo ś ć i sk ła d d o p ro

w a d z a n e g o p a liw a , p a ra m etry g e o m e tr y c z n e p o w ie r z c h n i o g r z ew a l

n y c h k o tła oraz in form a cje id e n ty fik u ją c e te c h n o lo g ię sp a la n ia (dla spalania niskoemisyjnego - układ palników, ilość pow ietrza OFA, itp.). Obli

czenia komory spalania, obok danych do kolejnych obliczeń, pozwalają na uzyskanie pełnego opisu procesu sp alan ia i mogą służyć do jego optymalizacji.

W zależności od założonej dokładności opisu, może zostać w ykorzystana jed

nowym iarowa m etoda strefow a lub pełny trójw ym iarow y model z w ykorzysta

niem komercyjnego kodu obliczeniowego FLUENT. Model obciążeń cieplnych kotła stanow ią bilansowe rów nania zachow ania m asy i energii dla każdego z wymienników. Do obliczeń tu rbiny i układu regeneracji w ykorzystyw ane są dane o ilości i p aram etrach produkowanej p ary świeżej i wtórnej, uzyskane

(3)

Modelowanie wpływu technologii spalania na warunki. ¹⁰⁵

D a n e w ejścio w e

■ ilo ść i sk ła d p aliw a

• p a r a m e tr y g eo m etry czn e k otła

• ilo ść p o w ie tr z a O FA

O b lic z e n ia k o m o r y p alen isk ow ej m eto d a strefo w a

3 D m o d e l p ro cesu sp a la n ia

T

O b lic z e n ia ciep ln e k otła b ila n s str u m ie n i m a sy i en ergii

m o d e l p a ro w n ik a

m o d e l w y m ie n n ik ó w g rod ziow ych m o d e l cią g u w y m ie n n ik ó w k o n w ek cy jn y c h m o d e l p o d g rzew a cz y p ow ietrza

m o d e l sc h ła d z a c z y w try sk o w y ch współczynnik .yymlnny ciepła dla powierzchni ogrzewalnych określany każdrazowo na podstawie parametrów pary (wody) 1 spalin,

składu spalin, parametrów geometrycznych

wymienników (powierzchnia, podziałka, średnica nuyitd.) zanieczyszczenia powierzchni

strumień masy pary określany na podstawie bilansu parownika (w każdej z iteracji) i wyników modelu schładzaczy wtryskowych

O b lic z e n ia tu r b in y z u k ła d e m regen er a cji m o d e l b ila n so w y tu r b o z esp o łu

m o d e le w y m ie n n ik ó w r eg en er a cy jn y ch m o d e l k o n d en sa to ra

praca turbiny jest wyznaczana dzięki znajomości Ilości i parametrów pary (obliczenia kotła) i charakterystyk turbiny (zmiennych w funkcji ilości p«ry),

wyliczana jest temp. pary wylotowej z części W P

w y n ik i:

ro zk ła d y te m p e r a tu r w p a len isk u ro zk ła d y k o n c e n tr a c ji sk ła d n ik ó w ob c ią ż e n ie ciep ln e k o m o r y zaw . cz ę śc i p a ln y c h w p o p icie em isja N O x

w y n ik i:

stru m ień g en ero w a n ej p a r y p a r a m e tr y g en ero w a n ej p a ry ro zk ła d y te m p e r a tu r p a r y i

sp a lin w k o tle

w s p ó łc z y n n ik i w y m ia n y ciep ła o b cią żen ia c ie p ln e p o w ie r z c h n i sp r a w n o ść k otła

w yn ik i:

p a r a m e tr y p r a c y tu r b o z e sp o łu moc! blok u

sp r a w n o ść b lo k u

u k ład k ilk u se t r ó w n a ń n ie lin io w y c h , r o zw ią zy w a n y c h za p o m o c ą p r o c e d u r ite r a c y jn y c h ,

w y k o r z y sty w a n ie z a a w a n so w a n y ch p ro g ra m ó w sy m u la cy jn y c h p o zw a la n a a u to m a ty c z n e g en ero w a n ie u k ład u rów n ań , w y b ó r o p ty m a ln ej m e to d y ro zw ią za n ia , d o łą cza n ie w ła sn y c h p ro ced u r, sp ra w d z en ie sp ó jn o śc i d an ych

w e jśc io w y c h , itp.

Rys. 1. S c h e m a t m o d elu obliczeniow ego Fig. 1. M odel schem e

(4)

w wyniku obliczeń cieplnych kotła. Do symulacji układów kotła i turbiny wykorzystywano program bilansowy ASPEN PLUS.

3. OBLICZENIA

Przeprowadzono obliczenia testow e dla kotła O P-650 w El. Dolna Odra.

W latach 1986-90 w związku z pogorszeniem jakości spalanego paliw a prze

prowadzono redukcje powierzchni ogrzewalnych przegrzew aczy pary. W raz z popraw ą jakości spalanego paliw a, a szczególnie po w prow adzeniu palników niskoem isyjnych i odbudowie powierzchni przegrzew aczy p a ry wtórnej poja

wiły się problem y eksploatacyjne zw iązane z niedogrzewem p ary pierwotnej (w konsekwencji także wtórnej), wobec czego podjęto decyzję o modernizacji powierzchni ogrzewalnych (rozbudowa II stopnia przegrzew acza pary pier

wotnej). Dla zaproponowanego m odelu m atem atycznego przeprowadzono obli

czenia w trzech w ariantach:

- sta n projektowy kotła,

- sta n po zainstalow aniu palników niskoem isyjnych,

- zainstalow ane palniki niskoem isyjne i zm odernizowane powierzchnie ogrzewalne.

Obliczenia przeprowadzono przed planowaną ostateczną modernizacją kotła i porównano z rezultatam i pomiarów p rzed - i pomodemizacyjnych [3], [4], [5].

3.1. O b liczen ia k om ory p a le n isk o w e j k o tła

Obliczenia komory paleniskowej kotła wykonano m etodą strefow ą [2], któ

r a um ożliwia określenie stopnia w ypalenia paliw a i w ym iany ciepła wzdłuż komory paleniskowej kotła. W ielkościami wejściowymi do obliczeń były wyni

ki bilansu paliw o-pow ietrze dla określonego rodzaju węgla i założonego roz

działu pow ietrza pomiędzy powietrze pierw otne dostarczone do młynów i powietrze wtórne. Istotny je s t przy tym podział pow ietrza wtórnego pomiędzy palniki pracujące, palniki niepracujące (powietrze chłodzące) i dysze powie

trz a górnego OFA. Zwłaszcza udział pow ietrza OFA m a decydujący wpływ na poziom tem p e ra tu ry spalin wylotowych z komory kotła i w konsekwencji na param etry produkowanej pary. Rysunek 2 przedstaw ia przyjęty podział ko

m ory paleniskowej n a strefy dla poszczególnych konfiguracji pracujących młynów. N a rys. 3. przedstaw iono obliczone rozkłady te m p e ra tu r wzdłuż komory paleniskowej dla trzech stru m ien i m asy paliw a doprowadzanego i zam kniętych (linia ciągła) lub otw artych (linia przeryw ana) dyszach OFA.

Zastosowanie dysz OFA powoduje zm niejszenie n a d m ia ru pow ietrza w obrę

bie pasa palnikowego i spalanie węgla w w aru nk ach stechiometrycznych.

Pociąga to za sobą zwiększenie obciążeń cieplnych i tym sam ym ilości pary generowanej przez parownik. W ynikiem zastosow ania dysz OFA je s t obniże

nie tem p eratu ry spalin rzędu 50-90 K n a poziomie przew ężenia komory

(5)

Modelowanie wpływu technologii spalania na warunki. 107

\ /

\ r

Rys. 2. Kocioł O P -6 5 0 ; p o d ział ko m o ry p alen isk o w ej n a stre fy F ig. 2. M odel zones in th e O P -6 5 0 b o ile r fu ra n c e c h a m b e r

spalania. Należy podkreślić istotny wpływ zanieczyszczenia powierzchni ekranów kotła n a rozkład tem p e ra tu ry spalin w kotle i te m p e ra tu rę spalin wylotowych z kom ory spalania, co w przyjętej m etodzie rzu tu je n a całość wyników obliczeń cieplnych kotła. Obliczenia (rys. 4) wykonano dla współ

czynnika zanieczyszczenia odpowiadającego czystym ekranom . Dla ekranów zanieczyszczonych i pracy kotła z zainstalow anym i p alnikam i niskoemisyj- nymi i zredukow anym i pow ierzchniam i ogrzew alnym i otrzym ano wyższe tem p eratury p ary świeżej (o ok. 12 K dla wysokich obciążeń i n aw et do 20-25 w zakresie niższych mocy) i zm iany tem p e ra tu ry p ary w tórnej (ok. - 5 K dla wysokich obciążeń i +15-20 dla niskich mocy).

(6)

Temperatura spalin [C]

100%+OFA 100% bez OFA 85%+OFA

--o- - m - -A-

85%bjzOFA 70%+OFA 70% bez OFA

Rys. 3. R ozkład te m p e r a tu r w kom orze p alen isk o w ej; kocioł z z a in s ta lo w a n y m i p a ln ik a m i n isk o em isy jn y m i

Fig. 3. T e m p e ra tu rę d is trib u tio n in f u m a n c e ch am b e r; bo iler w ith Iow N O x b u rn e r s OFA nozzles open (solid line), O FA nozzles closed (d ash ed )

3.2. O b liczen ia w y m ia n y c ie p ła d la p o w ie r z c h n i o g r z e w a ln y c h k o tła Model obliczeń cieplnych kotła obejmuje modele poszczególnych wym ienni

ków: parow nika, czterech stopni przegrzew aczy p ary świeżej, trzech stopni przegrzewaczy pary wtórnej, podgrzewacza wody i pow ietrza oraz modele schładzaczy wtryskowych pary. Dla każdej powierzchni ogrzewalnej zgodnie z [1] wyznaczony je s t współczynnik przen ik ania ciepła, który w przypadku ogólnym je s t zależny od:

— param etrów geometrycznych wym iennika: średnic ru r, grubości ścianek, wielkości podziałek, ilości ru r, sum arycznej powierzchni,

- param etrów spalin: strum ienia masy, prędkości przepływu, param etrów term odynam icznych - tem peratu ry , liczby P ra n d tla , lepkości kinem atycz-

(7)

Modelowanie wpływu technologii spalania na warunki. 109

a) stan w g projektu technicznego

f- 450

70 80 90

obciążenie kotła (%WMT)

100

p.święta projekt p.wtór na projekt p. święta obliczenia p. wtórna obliczenia

b) p o instalacji palników niskoemisyjnych

obciążenie kotła (%WMT)

p. święta pomiar [3]

p. wtórna pomiar [3J - p.święta obliczenia - p. wtórna obliczenia

c) po m odernizacji powierzchni ogrzewalnych

obciążenie koUa (%WMT)

■ p. święta pomiar [5/

A p. wtórna pomiar [5]

• p. święta pomiar [4]

♦ p. wtórna pomiar [4J

— p.świeta obliczenia

— p. wtórna obliczenia

Rys. 4. W yniki obliczeń i re z u lta ty p o m iaró w k o tła O P -6 5 0

Fig. 4. C a lc u la tio n r e s u lts a n d m e a s u re m e n ts o f O P -6 5 0 boiler: a) d e sig n s t a tu s , b) low N O x b u rn e r s c) re d e s ig n e d h e a tin g su rfa c e s

(8)

nej, przewodności cieplnej, składu spalin: zaw artości gazów dwuatomo- wych, wody i części lotnych, itp.,

— param etrów czynnika ogrzewanego: stru m ien ia m asy pary, prędkości przepływu, param etrów term odynam icznych: gęstości, tem p eratu ry , liczby P ran d tla, lepkości kinem atycznej, przewodności cieplnej, itp.,

- współczynnika zanieczyszczenia powierzchni ogrzewalnych, który może zostać określony na podstaw ie wzorów projektowych.

W ielkościami wejściowymi do modelu określającego ilość ciepła przejętego w każdej z powierzchni ogrzewalnych są jedynie p a ra m etry strum ieni wloto

wych. Dla pełnego modelu kotła tworzy to złożony (szczególnie w przypadku zmiennego — zależnego od param etrów czynników przed i za wym iennikiem współczynnika przejm ow ania ciepła) nieliniowy układ rów nań, rozwiązywany za pomocą m etod iteracyjnych. W każdej z iteracji każdorazowo wyznaczany je s t strum ień generowanej pary (bilans parow nika) i współczynniki wymiany ciepła dla każdej powierzchni ogrzewalnej. N a rys. 4 przedstaw iono wyniki symulacji dla trzech obliczeniowych w ariantów w raz z rez u lta tam i pomiarów [3], [4], [5],

Obliczenia stan u pracy kotła wg założeń projektowych (rys. 4a) przeprowa

dzono dla w stępnej weryfikacji przyjętej metodyki. Zbieżność rezultatów po

zw ala n a założenie, że model odzwierciedla pracę kotła w w arunkach rzeczy

wistych, a także może zostać w ykorzystany do obliczeń stanów odbiegających od w arunków projektowych. W yniki obliczeń sta n u pracy kotła po instalacji palników niskoem isyjnych w skazują n a isto tn ą zm ianę w stru k tu rz e obciążeń cieplnych. Zwiększona ilość ciepła przyjętego w parow niku (o ok. 4% w stosun

ku do całkowitej ilości ciepła produkowanego w kotle), powiększająca stru m ień generowanej pary, uniem ożliwia jej podgrzanie do w artości projekto

wych, w konsekwencji prowadząc do niedogrzania p ary świeżej i niedotrzym a

nia param etrów p ary wtórnej. Obliczenia przeprowadzono dla współczynnika nad m iaru pow ietrza 1,2 i czystych powierzchni ekranowych. W yniki w skazu

ją, że te dwa p aram etry w czasie eksploatacji kotła mogą w istotny sposób przeciwdziałać niekorzystnym zmianom s tru k tu ry przejm ow ania ciepła. Obli

czenia sta n u pracy kotła w związku z planow aną m odernizacją powierzchni ogrzewalnych (rys. 4c) w skazują n a popraw ę p aram etrów pracy kotła. Wyniki pomiarów pomodernizacyjnych potwierdziły, że przy użyciu przyjętej metody

ki obliczeń m ożna z dużą dokładnością przewidzieć p a ra m etry generowanej pary (rys. 4c).

4. WNIOSKI

Proponowana m etodyka umożliwia kom pleksową analizę wpływu zmian technologii spalania n a pracę kotła pyłowego, a tak że całego bloku energetycz

nego. R ezultaty pomiarów potw ierdzają możliwość jej zastosow ania do projek-

(9)

Obliczeniowa sprawność kotła przy spalaniu różnych paliw

93.001

Przewidywana moc bloku [MW]

Rys. 5. O bliczenia sp ra w n o śc i k o tła i b lo k u d la ró żn y ch g a tu n k ó w sp a la n e g o p a liw a (ko

cioł po in s ta la c ji p aln ik ó w n isk o em isy jn y ch )

Fig. 5. B o iler a n d u n it efficiency a s a fu n c tio n of fu el q u a lity (boiler w ith low N O x b u rn e r s im p le m e n te d )

(10)

tów modernizacji. Zastosowanie m odelowania m atem atycznego pozwala na przeprow adzenie wielu w ariantów obliczeń, w tym także n a dokonywanie optymalizacji projektowej korekcji powierzchni ogrzewalnych. Dodatkowo możliwe je s t prognozowanie zm ian sta n u pracy kotła w czasie długotrwałej eksploatacji. Kompleksowe obliczenia bloku energetycznego pozwalają także n a w szechstronną analizę jego pracy np. dla określenia wpływu jakości spala

nego paliw a - przykładowe wyniki tak ich obliczeń dla testowego przykładu kotła O P-650 z zainstalow anym i palnikam i niskoem isyjnym i przedstawiono n a rys. 5.

LITERATURA

[1] Orłowski P., D obrzański W., Szwarc E.: Kotły parowe; konstrukcja i obliczenia. WNT, W arszaw a 1979.

[2] Tieplowoj raszcziet kotielnych agriegatow. M oskwa 1973.

[3] Florkiewicz R.: Ocena w arunków pracy kotła O P-650 n r 4 w El. Dolna O dra po zabudowie palników niskoem isyjnych, opracowanie IEN 1992.

[4] Florkiewicz R.: Ocena w arunków pracy kotła O P -650 n r 7 w El. Dolna O dra po modernizacji, opracowanie IEN 1994.

[5] Florkiewicz R.: Ocena w arunków pracy kotła O P -650 n r 8 w El. Dolna O dra po modernizacji, opracowanie IEN 1994.

Recenzent: Dr hab. inż. M arek PRONOBIS

Wpłynęło do Redakcji 28.08.1994 r.

A b stract

C u rren t m odernization of pulverized coal boiler m ainly concerns in stallatio n of low Nox b u rn ers and over fire a ir ports. New combustion technique modifies tem p eratu re d istribution in furnace and usually has significant influence on h e a t tra n sfe r conditions in boiler, changing design h e a t d uty of p articu lar exchanger. The paper p resen ts m ath em atical model of boiler which allows calculation of altered boiler operation and m ay be used for optim um design of h eatin g surfaces modification. The zone m ethod of furnace calculation were used to determ ine furnace gas exit tem p eratu re. The model of boiler consists of set of nonlinear equations describing h e a t duty of each exchanger w ith variable h e a t tra n sfe r coefficient. Only geom etrical d ata of

(11)

boiler h e a t exchangers, fuel analyse an d m ass flow w ere used as in p u t data.

The ASPEN PLUS comercial software w as used to create th e model. The OP-650 type boiler w as chosen as a te s t case. T hree v a ria n ts of calculations were provided: design s ta tu s of boiler, boiler w ith low NOx burn ers implem ented and finally boiler w ith redesigned h e a tin g surfaces. Fig. 4 shows results of th e calculations com pared w ith m easu rem en ts d ata. P resented method seem s to be very attractiv e way of analyses influence of new combustion techniques on boiler operation, reducing risk of necessary boiler m odernization. The model of whole u n it m ay be also used for global investigation for example to determ ine optim um q u ality of fuel used.