PRŮRAZ VZDUCHOVÉ MEZERY MEZI ELEKTRODAMI GENERÁTORU NÍZKOTEPLOTNÍ PLAZMY (reg.číslo GAČR 101/05/0643)

Transkript

1 PRŮRAZ VZDUCHOVÉ MEZERY MEZI ELEKTRODAMI GENERÁTORU NÍZKOTEPLOTNÍ PLAZMY (reg.číslo GAČR /5/643) Ing. Libor Fiala Generátor nízkoteplotní plazmy je nejmodernější zařízení pro roztápění a stabilizaci uhelných energetických bloků v uhelných elektrárnách s granulačním či výtavným ohništěm. Pro prvotní inicializaci plazmové pochodně jiskrovým výbojem se používá vysokonapěťový a vysokofrekvenční ionizační zdroj. Tento zdroj má velmi nepříznivé vlastnosti ovlivňují funkci celé technologie. Z tohoto důvodu byla vytvořena idea nahrazení ionizačního zdroje při prvotní ionizaci generátoru nízkoteplotní plazmy metodou přibližování elektrod k sobě až do okamžiku vzniku elektrického oblouku vlivem průrazu vzduchu v mezielektrodovém prostoru intenzitou elektrického pole. Pro ověření této metody ionizace byla provedena matematická simulace elektrického pole v mezielektrodovém prostoru. Generator of low-temperature plasma is state-of-the-art equipment for smelting and stabilization of coal generating blocks in coal power stations with granulating or smelting fireplace. The high-voltage and high-frequency ionisation source has been used for primary initialization of plasma cresset with spark discharge. This source has very adversely features influencing functions of the whole technology. On this account it was created the idea of supplying ionisation source for primary ionizing plasma cresset, method approximation electrode on till moment rise electric arc owing to electric intensity becomes disruptive discharge air in space between electrode. The mathematic simulation of electric field in space between electrode was performed for checking of those method of ionisation. 3. ANSYS Users Meeting, září 25 Přerov - -

2 Plazmová technologie představuje nový trend ve způsobu iniciace hoření uhelné směsi při roztápění kotlů ze studeného či teplého stavu, dále je využitelná pro stabilizaci kotle. Tento způsob roztápění kotlů je založen na iniciaci hoření uhelné směsi proudem nízkoteplotního plazmatu využívaného jako počátečního aktivačního či stabilizačního zdroje. Jediným palivem využívaným pro roztápění kotle touto nejmodernější technologií je uhelný prášek aktivovaný proudem nízkoteplotního plazmatu vytékající z anodové části plazmatronu, který šetří provozní náklady na roztápění kotle oproti mazutu či zemnímu plynu. Generátor nízkoteplotní plazmy je elektrické zařízení principielně se skládající z dvou elektrodových částí (katodové a anodové) a oddělovací izolační části. Každá elektrodová část se skládá z vlastní měděné elektrody a z vlastního ocelového obalu. Potřebnými medii pro provoz plazmového generátoru jsou tlakový vzduch a voda pro chlazení měděných elektrod. Každá elektroda generátoru plazmy má vlastní chladící okruh integrovaný do katodového a anodového obalu a chladící voda je dodávána z externího zdroje vody. Tlakové vzduchy mají za úkol formovat oblouk v ose plazmatronu jako nosné médium a dále unášet elektrický oblouk přes výstupní anodu difuzorového provedení do aktivační a iniciační komory. Plnící tlakový vzduch je do generátoru nízkoteplotní plazmy přiváděn ve dvou rozdělených větvích, a to na vzduch proudící do katody přes tří drážkový zavířovač s osovou tryskou a na vzduch proudící do anody přes osmi cestný tryskový zavířovač integrovaný do oddělovací izolační vložky. Na obrázku č. je zobrazen osový řez generátorem nízkoteplotní plazmy. Obr. Osový řez generátorem nízkoteplotní plazmy 3. ANSYS Users Meeting, září 25 Přerov - 2 -

3 Nízkoteplotní plazma vzniká působením stejnosměrného elektrického oblouku na zavířenou soustavu plnících tlakových vzduchů v prostoru vymezeném měděnými elektrodami. Plazmatron je napájený stejnosměrným stabilizovaným proudem a dosahuje elektrického výkonu v regulačním rozsahu 6 32 kw. Stěžejními podmínkami pro správný chod generátoru nízkoteplotní plazmy a stabilní proces hoření elektrického oblouku v mezielektrodovém prostoru jsou stejnosměrný stabilizovaný proud vztažený k průtočnému množství plnících tlakových vzduchů. Na obrázku č.2 je zobrazen boční pohled na plazmovou pochodeň vystupující z plazmového generátoru. Obr.2 Boční pohled na plazmovou pochodeň vystupující z generátoru nízkoteplotní plazmy Pro prvotní ionizaci mezielektrodového prostoru je používán vysokonapěťový a vysokofrekvenční ionizační zdroj (oscilátor) s parametry výstupního napětí 5 kv a frekvenci 2 MHz. Tento způsob inicializace elektrického oblouku má několik zásadních nevýhod. Mezi tyto nevýhody patří vysoká hladina elektromagnetického rušení, která má vliv na veškerá elektrická zařízení v okolním prostoru. Vliv elektromagnetického rušení lze eliminovat pouze do stavu, že ionizační zdroj ruší v omezené míře pouze vlastní elektrické zařízení plazmové technologie. Z důvodu, aby toto rušení neovlivňovalo systémy měření a regulace celé technologie byly vyvinuty nezávislé ochrany, které oddělují citlivé elektrické okruhy od zbylých zarušených okruhů. Mezi další nevýhody patří citlivost na kvalitu povrchu elektrod v místech vzniku ionizační elektrické jiskry vyvolané oscilátorem. S touto nevýhodou úzce souvisí nepříliš velká vlastní spolehlivost ionizačního zdroje. Z následujícího plyne, že s uvedeným způsobem inicializace plazmové pochodně elektrickou jiskrou oscilátoru, nelze zaručit % spolehlivost při startu generátoru nízkoteplotní plazmy. Právě z těchto důvodů byla objevena idea změny způsobu ionizace elektrodového prostoru. Nový způsob zapalování plazmového generátoru 3. ANSYS Users Meeting, září 25 Přerov - 3 -

4 spočívá v přibližování měděných elektrod k sobě, čímž se zmenšuje vzduchová mezera a roste intenzita elektrického pole. V určité vzdálenosti elektrod od sebe dojde k elektrickému průrazu mezielektrodového prostoru a tím ke vzniku elektrického výboje mezi katodou a anodou. Protože plazmová technologie je nasazená na elektrárně Prunéřov I. a tudíž jsme limitováni elektrickými parametry zde nasazeného výkonového tyristorového usměrňovače. Tento usměrňovač dává při zatížení naprázdno napětí max. 56 V. Tato hodnota napětí je přivedena na katodovou elektrodu, druhá anodová elektroda je přizemněna. Při analytickém ověření možnosti použití metody přibližování elektrod pro inicializaci elektrického oblouku jsme vyšli ze známé Paschenovy křivky. Z Paschenovy křivky uvedené na obrázku č.3 a z přibližných výpočtu dle dostupných analytických rovnic pro homogenní pole jsme došli k výsledku, že k průrazu elektrické pole a vzniku elektrického oblouku dojde při vzdálenosti vzduchové mezery přibližně,2 mm. Z analytického přiblížení řešeného problému pro homogenní pole jsme došli k přibližné vzduchové mezeře potřebné k přeskoku elektrického oblouku definovaným stejnosměrným napětím. Pro hodnotu tlakových poměrů vzduchu mezi elektrodami a pro hodnotu napětí 56V mezi měděnými elektrodami je přeskoková vzdálenost přibližně,2 mm pro homogenní elektrické pole. - experimentální závislost - vypočítaná závislost Up [kv] Up,,, pd [kpa cm] Obr.3 Závislost přeskokového napětí v homogenném poli pro vzduch 3. ANSYS Users Meeting, září 25 Přerov - 4 -

5 Protože elektrické pole v oblasti elektrod generátoru nízkoteplotní plazmy nelze považovat za homogenní, bylo nutné pro zpřesnění analýzy přistoupit k řešení simulace elektrického pole numerickými metodami. Pro takové řešení analýzy byl použit software ANSYS Emag, který využívá numerické metody konečných prvků. Pro reálnost analýzy byl vytvořen přesný geometrický numerický model oblasti mezi elektrodami plazmatronu. Pro urychlení výpočtu analýzy bylo s výhodou použito osové geometrické souměrnosti a byl tedy vytvořen dvourozměrný model s definovanou osou symetrie (na obrázku č.4 je zobrazen geometrický model oblasti mezi elektrodami plazmatronu, obrázek č.5 přestavuje detailní zobrazení oblasti vzduchového prostředí mezi měděnými elektrodami). Výpočet numerickými metodami provedeme z hlediska spolehlivosti průrazu mezielektrodového prostoru plazmového generátoru pro snížené napětí na katodě o hodnotě 5V. AREAS TYPE NUM 9:3:7 Y Z X Obr.4 Zobrazení vytvořené geometrie modelu prostoru mezi elektrodami generátoru nízkoteplotní plazmy 3. ANSYS Users Meeting, září 25 Přerov - 5 -

6 AREAS TYPE NUM 9:4:2 Obr.5 Detailní zobrazení geometrie modelu prostoru mezi elektrodami generátoru nízkoteplotní plazmy Pro přesnost výpočtu je velmi důležitá kvalitně vytvořená výpočetní síť. Při pokrývání modelu sítí byl dán důraz na vytvoření kvalitní mapované sítě a dále na vhodné nastavení hustoty elementů v různých místech modelu dle předpokládaného rozložení elektrického pole a to podle amplitudy pole a především změn směru pole. V místech s předpokládaným vysokým gradientem pole byla nastavena hustší síť, v místech s malým gradientem jemnější síť. Důraz byl rovněž kladen na síť představující okolní vzduch, vnější plocha vytvořeného modelu byla pokryta pro zpřesnění výpočtu sítí INFIN zohledňující prostup elektrického pole dále do okolního prostoru. Provedení modelu sítě konečných prvků je ukázáno na obrázku č ANSYS Users Meeting, září 25 Přerov - 6 -

7 ELEMENTS 9::3 Obr.6 Zobrazení sítě konečných prvků řešeného modelu Řešení této numerické analýzy bylo provedeno pro 2 předem definovaných vzdáleností měděných elektrod generátoru nízkoteplotní plazmy. Tyto vzdálenosti byli vybrány dle analytického výpočtu a představují postupné přibližování elektrod dle kroku, který se zmenšuje s klesající vzduchovou mezerou mezi elektrodami. V okamžiku, kdy překročí intenzita elektrického pole hodnotu 3 MV/m můžeme dle teoretických předpokladů předpokládat, že nastane průraz mezielektrodového prostředí intenzitou elektrického pole v důsledku překročení průrazné pevnosti vzduchu. Zobrazení průběhu elektrické intenzity mezi elektrodami ve vybraných velikostech vzduchové mezery jsou uvedeny na obrázcích č.7, 9,, 3 a 5. Dále jsou vyobrazeny grafické výstupy závislosti intenzity elektrického pole na vzdálenosti vzduchové mezery v nejužším místě mezielektrodového prostoru mezi měděnými elektrodami generátoru nízkoteplotní plazmy. Tyto závislosti jsou uvedeny na obrázcích č.8,, 2, 4 a ANSYS Users Meeting, září 25 Přerov - 7 -

8 NODAL SOLUTION STEP= SUB = TIME= EFSUM (AVG) RSYS= SMN =2.492 SMX = :56:48 POST STEP= SUB = TIME= PATH PLOT NOD=682 NOD2=72 EFSUM (x**2) :24:39 MX intenzita el. pole [V/m] (x**-3) vzduchová mezera [m] Obr.7 Kontury intenzity el. pole v mezielektrodovém prostoru pro vzduchovou mezeru,62 mm Obr.8 Závislost intenzity el. pole na vzdálenosti vzduchové mezery o velikosti,62 mm NODAL SOLUTION STEP= SUB = TIME= EFSUM (AVG) RSYS= SMN =2.586 SMX =5878 3:6:26 POST STEP= SUB = TIME= PATH PLOT NOD=69 NOD2=73 EFSUM (x**2) :3:4 MX intenzita el. pole [V/m] (x**-3) vzduchová mezera [m] Obr.9 Kontury intenzity el. pole v mezielektrodovém prostoru pro vzduchovou mezeru,4 mm Obr. Závislost intenzity el. pole na vzdálenosti vzduchové mezery o velikosti,4 mm NODAL SOLUTION STEP= SUB = TIME= EFSUM (AVG) RSYS= SMN =2.657 SMX =.3E+7 3:32:59 POST STEP= SUB = TIME= PATH PLOT NOD=7 NOD2=792 EFSUM (x**3) :2:2 MX intenzita el. pole [V/m] (x**-4) vzduchová mezera [m] E+7 Obr. Kontury intenzity el. pole v mezielektrodovém prostoru pro vzduchovou mezeru,46 mm Obr.2 Závislost intenzity el. pole na vzdálenosti vzduchové mezery o velikosti,46 mm 3. ANSYS Users Meeting, září 25 Přerov - 8 -

9 NODAL SOLUTION STEP= SUB = TIME= EFSUM (AVG) RSYS= SMN =2.676 SMX =.237E+7 3:48:58 POST STEP= SUB = TIME= PATH PLOT NOD=7 NOD2=792 EFSUM (x**3) :28:47 MX intenzita el. pole [V/m] (x**-4) vzduchová mezera [m] E+7.55E+7.27E+7.29E+7.8E+7.237E+7 Obr.3 Kontury intenzity el. pole v mezielektrodovém prostoru pro vzduchovou mezeru,23 mm Obr.4 Závislost intenzity el. pole na vzdálenosti vzduchové mezery o velikosti,23 mm NODAL SOLUTION STEP= SUB = TIME= EFSUM (AVG) RSYS= SMN =2.68 SMX =.335E+7 4::52 POST STEP= SUB = TIME= PATH PLOT NOD=69 NOD2=73 EFSUM (x**3) :2:52 MX intenzita el. pole [V/m] (x**-4) vzduchová mezera [m] E+7.22E+7.293E+7.E+7.83E+7.257E+7.335E+7 Obr.5 Kontury intenzity el. pole v mezielektrodovém prostoru pro vzduchovou mezeru,5 mm Obr.6 Závislost intenzity el. pole na vzdálenosti vzduchové mezery o velikosti,5 mm Na uvedených obrázcích č.7-6 je názorně vidět, jak se zvyšuje intenzita elektrického pole při snižující se vzdálenosti vzduchové mezeře mezi měděnými elektrodami. Pro větší přehlednost závislosti intenzity elektrického pole na velikosti vzduchové mezery bylo provedeno grafické zhodnocení této závislosti pro všechny vypočtené vzdálenosti vzduchové mezery. V grafickém zobrazení závislosti je zobrazena oblast teoretického průrazu mezielektrodového prostoru překročením průrazné pevnosti vzduchového prostředí mezi elektrodami intenzitou elektrického pole. Tato závislost intenzity elektrického pole na velikosti vzduchové mezery je zobrazena na obrázku č ANSYS Users Meeting, září 25 Přerov - 9 -

10 Intenzita elektrického pole mezielektrodového prostoru v závislosti na velikosti vzduchové mezery Oblast teoretického průrazu mezielektrodového prostoru intenzitou elektrického pole Intenzita el.pole - max. hodnoty [kv/m] ,2,4,6,8,2,4,6,8 velikost vzduchové mezery [mm] Obr.7 Závislost intenzity elektrického pole mezielektrodového prostoru na velikosti vzduchové mezery Ze závislosti intenzity elektrického pole na velikosti vzduchové mezery uvedené na obrázku č.7 vyplývá, že pro tvar elektrod plazmového generátoru má tato závislost tvar hyperbolické křivky a hranici teoretického průrazu mezielektrodového prostoru dosahuje při hodnotě vzdálenosti vzduchové mezery,7 mm. Tuto definovanou vzdálenost elektrod můžeme považovat za bezpečnou hodnotu vzduchové mezery, při které spolehlivě dojde k přeskoku. Protože jsme pro výpočet numerické analýzy použili snížené napětí, bude tedy minimální vzdálenost vzduchové mezery větší a dle experimentálním pokusům provedených na zařízení plazmové technologie je přeskoková vzdálenost v rozmezí vzdálenosti,2,25 mm. Přeskoková vzdálenost je závislá nejen na použitém napětí mezi elektrodami, ale také na tlaku vzduchového média v mezielektrodovém prostoru ( viz. Paschenova křivka obrázek č.3). Vzhledem k tomu, že v mezielektrodovém prostoru proudí tlakový vzduch z rozváděcích kanálů katody a zejména anody je zřejmé, že ke zvýšené přeskokové vzdálenosti mezi elektrodami plazmového generátoru oproti numerické analýze přispívá nejenom zvýšené napětí, ale také právě proudění tlakové vzdušiny v mezielektrodovém prostoru. Příspěvek zpracován v rámci řešení projektu GAČR /5/643 Využití plazmové technologie v uhelné energetice. 3. ANSYS Users Meeting, září 25 Přerov - -