MATEMATICKÁ SIMULOVACE PROUDĚNÍ UHELNÉ AEROSMĚSI APLIKOVANÁ NA VÍŘIVÝ HOŘÁK č.2 KOTLE K3 EVO I STABILIZOVANÝ PLAZMOVOU TECHNOLOGIÍ (reg.číslo GAČR 101/05/0643) Ing. Kamil Stárek, Ing. Libor Fiala, Prof. Ing. Pavel Kolat,DrSc., Dr. Ing. Bohumír Čech Při aplikaci plazmové technologie pro roztápění a stabilizaci uhelných energobloků na elektrárně Vojany I bylo navrženo místo umístění generátoru nízkoteplotní plazmy na základě analytických výpočtů počátečních parametrů uhelné směsi a praktických zkušeností specialistů na práškové kotle. Následně byla navržena matematická simulace aerodynamiky proudění antracitické uhelné směsi práškovody a vířivým hořákem pro počáteční provozní parametry uhelné směsi (regulované průtokem primárního vzduchu z rozváděcího vzduchového kanálu a otáčkami komůrkového podavače antracitického uhelného prášku) pro ověření správnosti lokalizace umístění plazmového generátoru v aktivačním stupni hořáku prvotním analytickým výpočtem. Cílem matematické simulace aerodynamiky proudění bylo ověření, zda místem provozní instalace umístění plazmového generátoru stanoveného analytickým výpočtem proudí maximální koncentrace uhelného prášku při srovnání s aerodynamikou proudění a koncentračním rozložením uhelné směsi řešené numerickými metodami. While using plasma technology for starting and stabilization coaly generating blocks on power station Vojany I. there was designed a place for generator of low-temperature plasma on the basis of analytical calculation of initial parameters coaly mixtures and practical experience of specialists on pulverized fuel boiler. Sequentially there was designed a mathematical simulation of aerodynamics flux semi-anthracite coal mixtures through powdery ducts and vortex burner for initial operation parameters of coaly mixtures for checking over placing plasma generator with regard to occurrence of maximum concentration dust coal in activation level burner with primary analytical calculation. Placing of plasma column generator of low-temperature plasma into the place of maximum concentration dust coal running activation level burner is very important to sufficient initiatory termochemical response of dust coal pelted with plasma column. - 1 -
Plazmová technologie představuje nový trend ve způsobu iniciace hoření uhelné směsi při roztápění kotlů ze studeného či teplého stavu. Tento způsob roztápění kotlů, jejichž primárním energetickým palivem je uhlí ve formě uhelného prášku u kotlů s granulačním či výtavným ohništěm, je založen na iniciaci hoření uhelné směsi proudem nízkoteplotního plazmatu využívaného jako počátečního aktivačního či stabilizačního zdroje. Tato plazmová pochodeň je směsí iontů kyslíku, dusíku, elektrodového plynu, atomů a zbývajících molekul o teplotě až 4000 C působící svým teplotním gradientem na uhelnou částici v místě instalace plazmové generátoru - tzv. aktivační plazmové komoře nebo komoře termochemické přípravy paliva. Při vzájemném styku nízkoteplotního proudu plazmatu s uhelnou částicí dojde v důsledku vysokého teplotního gradientu a tepelného výkonu generátoru plazmy k uvolnění prchavých látek hořlaviny z aktivované uhelné částice a k následujícím termochemickým reakcím uvolněných radikálů aktivních center s okysličovadlem obsaženým v nosném proudu vzdušiny, kterým může být primární spalovací vzduch nebo horké sušící spaliny, po délce aktivační komory (viz. obr.1). Obr.1 Princip iniciace hoření uhelné směsi nízkoteplotním plazmatem v aktivační plazmové komoře hořáku. Míra uvolněného množství prchavých látek pak závisí na typu spalovaného uhlí, lokálním hmotnostním toku uhelné směsi aktivační oblastí a na aktuálním elektrickém výkonu generátoru nízkoteplotní plazmy. Pro každé spalované uhlí je specifická různá destilační teplotní křivka prchavé hořlaviny charakterizující míru uvolněné prchavé hořlaviny na teplotě ohřevu uhelné částice. Společně s touto křivkou je důležitá i křivka tepelného obsahu uvolněného množství prchavé hořlaviny vyjádřená formou spalného tepla, resp. výhřevnosti při známé zbytkové vlhkosti v uhelné částici. - 2 -
Parametry typu spalovaného uhlí společně s průtokovými parametry uhelné směsi aktivační a výkonovou oblastí plazmového hořáku pak limitují dynamiku tvorby práškového plamene na jeho ústí, požadovaný elektrický výkon plazmových generátorů, členitost a složitost regulačním zásahů nutných pro úspěšné dosažení stabilizačního tepelného výkonu práškového hořáku a úspěšné zapálení následujících výkonových práškových hořáků a určují tím celkovou časovou náročnost najíždění kotle z odstávkového stavu na provozní parametry páry. Aby bylo dosaženo maximální přípustné dynamiky tvorby práškového plamene na ústí stabilizačního práškového hořáku společně s povoleným růstem trendů teplot na teplosměnných plochách kotle a současně byl spotřebován co nejnižší elektrický výkon plazmového generátoru je nutné využívat tento zdroj aktivační energie především na ohřev uhelných částic na příslušnou destilační teplotu, nikoliv na ohřev balastního dusíku a zbytkového kyslíku nosné vzdušiny. S tím následně souvisí volba vhodného konstrukčního a technologického umístění plazmového generátoru v aktivační oblasti práškového hořáku. Prvotní aplikací plazmové technologie byla instalace na Elektrárně Vojany I. Tento pilotní projekt byl řešen formou výzkumné vývojové úlohy označené pod názvem RVT úloha, která měla za úkol prokázat využití nízkoteplotního plazmového aktivačního zdroje pro zapálení a stabilizaci hoření práškových vířivých hořáků spalujících doněcké antracitické uhlí v práškovém kotli s výtavným ohništěm. Původní návrh uvažoval s instalací 2 ks nových práškových hořáků uzpůsobených pro instalaci plazmového generátoru (obr.2,3 představuje skutečné provedení hořáku č.2 na elektrárně Vojany I.). Obr.2,3 Pohledy na plazmový vířivý hořák č.2 tvořený výkonovou částí a aktivační plazmovou komorou se spirálním vstupem uhelného prášku do komory Vzhledem k chemickým rozborům antracitického uhlí po stránce obsahu prchavých látek hořlaviny, destilační teplotní křivce a křivce tepelného obsahu - 3 -
byl určen požadovaný elektrický výkon plazmového generátoru. Každý ze dvou kusů nových hořáků obsahoval po jednom kusu plazmového generátoru o jmenovitém elektrickém výkonu 300 kwe regulovatelný až do úrovně 160 kwe. Současně na základě nastavitelných průtokových parametrů primární uhelné směsi v prvotní fázi (pozn. parametry primární uhelné směsi byly regulovány tlakem primárního vzduchu v rozváděcím kanálu, natočením klapky primárního vzduchu před ejektorovým směšovacím kusem, průtočným průřezem mezizásobníku antracitického prášku a otáčkami komůrkového podavače uhelného prášku) bylo navrženo konstrukční provedení nového vířivého hořáku skládajícího se s výkonové části s pomocnými a hlavními vířivými lopatkami a z obtokové aktivační komory, u které bylo zavíření uhelné směsi docíleno instalací spirální skříně se souhlasným smyslem zavíření jako u výkonového proudu (dispozice hořáku je uvedena na obr.4). Z důvodu teplotní ochrany ocelového pláště obtokové komory a stabilizaci následného termochemického procesu hoření uvolněné prchavé hořlaviny s okysličovadlem byla tato komora vyložena keramickými segmenty mezikruhového průřezu. Hmotnostní rozdělení uhelné směsi do výkonové a aktivační komory hořáku bylo realizováno úhlem natočení jednolisté hořákové rozdělovací klapky. Obr.4 Dispozice výkonového vířivého hořáku č.2 s plazmovou aktivační komorou Předmětem zdlouhavých teoretických úvah pak byla volba vhodného umístění generátoru nízkoteplotní plazmy tak, aby tepelný a teplotní obsah vytékajícího proudu nízkoteplotního plazmatu byl využit na ohřev uhelných částic antracitu (koncentrované uhelné směsi) na vhodnou destilační teplotu, a tím bylo - 4 -
docíleno uvolnění požadovaného množství prchavých látek hořlaviny. Hoření takto uvolněného množství prchavých látek hořlaviny s kyslíkem obsaženým v nosné vzdušině pak po délce aktivační komory představovalo tvorbu práškového plamene o příslušné tepelném výkonu a teplotě, který byl následně využíván k iniciaci hoření uhelné směsi proudící vířivou výkonovou částí hořáku. Nevhodná volba umístění plazmového generátoru v aktivační komoře hořáku by znamenala, že energie nízkoteplotního plazmatu je využívána pouze na ohřev nízkokoncentrované uhelné směsi, což se projeví snížením množství vývinu prchavé hořlaviny o nižším tepelném obsahu, snížením reakčních rychlostí hoření uvolněné prchavé hořlaviny s okysličovadlem po délce aktivační komory, snížením tepelného výkonu a teploty práškového plamene aktivovaného proudu na výtoku z této komory. To by následně vedlo k nižší aktivaci výkonového proudu uhelné směsi ve směšovací komoře stabilizačního hořáku. Nevhodná volba umístění plazmového generátoru na aktivační komoře by znamenala snížení dynamiky růstu teplotního trendu práškového plamene na ústí stabilizačního hořáku, prodloužila by dobu dosažení požadovaného tepelného výkonu stabilizačního hořáku nutného pro bezpečné zapálení následujícího výkonového práškového hořáku. V případě praktických zkoušek plazmového způsobu roztápění na Elektrárně Vojany I byl nalezen provozní režim nastavení průtokových parametrů a koncentrace primární uhelné směsi společně s polohou natočení listu hořákové rozdělovací klapky, při kterém bylo dosaženo maximální dynamiky tvorby práškového stabilizačního plamene na ústí hořáku č.2 umístěného ve frontě hořáků na zadní stěně spalovací komory. S pokrokem technologií umožňující matematické modelování fyzikálních procesů, byl firmou ORGREZ, a.s. zakoupen software pod názvem ANSYS CFX pracující na principu numerického modelování fyzikálních dějů metodou konečných objemů. V rámci optimalizace využití plazmové technologie na Elektrárně Vojany I byl tento software využit pro modelování aerodynamiky proudění primární uhelné směsi stabilizačním plazmovým hořákem č.2 při praktickém nastavení průtoku a koncentrace uhelné směsi a natočení listu hořákové rozdělovací klapky. Cílem tohoto matematického modelu bylo ověřit, při praktickém provozním nastavení regulačních členů dopravní trasy stabilizačního hořáku č.2, volbu umístění plazmového generátoru na aktivační komoře. Jednalo se především o ověření zda-li je energie nízkoteplotního plazmatu využívána na aktivaci hoření koncentrované uhelné směsi pro dosažení maximální tvorby práškového stabilizačního plamene nebo na aktivaci nízkokoncentrované uhelné směsi (tzn. nižšího hmotnostního toku antracitického uhelného prášku). Matematické modelování virtuálního hořáku č.2 softwarem ANSYS CFX bylo analyzováno pro čtyři různé úrovně natočení hořákové rozdělovací klapky, a to 0, 30, 50 a 70 %. - 5 -
Při praktických provozních zkouškách zapalování antracitického uhelného prášku do studené spalovací komory bylo ověřeno, že nejkratší doby nutné pro dosažení požadovaného stabilizačního výkonu hořáku č.2, tedy nejvyšší dynamiky hoření antracitické uhelné směsi, bylo dosaženo při úhlu natočení hořákové rozdělovací klapky do polohy 70 %. Proto se zaměřila pozornost matematického modelu právě na tuto provozní úroveň nastavení hořákové rozdělovací klapky. V rámci tohoto příspěvku bychom Vás chtěli seznámit s postupem modelování proudění uhelné směsi o konkrétních parametrech plazmovým hořákem č.2 při úrovni natočení hořákové rozdělovací klapky do polohy 70 %. Hlavním cílem matematického modelu při těchto provozních parametrech bylo ověřit navrženou polohu umístění plazmového generátoru v aktivační komoře s ohledem na dynamiku proudění uhelného prášku touto oblastí. Srovnání zvolené polohy umístění plazmového generátoru na komoře s výsledky matematického modelu je uvedeno v závěru tohoto příspěvku. Nejprve bychom Vás chtěli seznámit s postupem tvorby matematického modelu, zadanými podmínkami při řešení a dosaženými výsledky. Pro vytvoření virtuálního 3-D modelu plazmového vířivého hořáku č.2 bylo nutno shromáždit veškerou výkresovou dokumentaci vztahující se k tomuto řešenému problému (tzn. výkresová dokumentace přívodního práškovodu k hořáku od ejektorového směšovacího kusu, vlastní konstrukční řešení stabilizačního plazmového hořáku č.2). Při tvorbě geometrie virtuálního modelu pro řešení analýzy proudění je potřeba důkladně se seznámit s kompletní trasou kanálů a práškovodů a najít zde problematická místa z hlediska výpočtu numerickými metodami. Za klasická problematická místa je možno považovat veškeré regulační klapky, vířivé elementy, koncentrátory a oblasti s výraznou změnou průřezu kanálu. Analýzu těchto problémových oblastí je často třeba řešit zjednodušením, které nesmí mít podstatný vliv na průběh řešení vlastní analýzy. Při řešení této analýzy nebylo nutné sáhnout k žádným zjednodušením, a proto tento virtuální model přesně odpovídá skutečnému provedení plazmovému vířivému hořáku č.2 instalovaného na elektrárně Vojany I. Pro tvorbu geometrie je možno použít jakýkoliv pokročilý CAD systém. Zde byl použit implicitní CAD systém Design Modeler, který je součástí vizualizačního prostředku ANSYS Workbench. Geometrie byla vytvořena jako parametrická, které umožňuje velmi snadnou modifikaci celého modelu. Například, zde byla používána pohyblivá regulační klapka, kde ke změně natočení této klapky postačilo zadat pouze novou hodnotu natočení a po aktualizaci byl model modifikován už s novým nastavením klapky. Na obrázcích 5-8 je znázorněn geometrický virtuální model plazmového vířivého hořáku č.2 v 3-D dimenzi v různých pohledech. - 6 -
Obr.5-8 Znázornění geometrie matematického virtuálního modelu plazmového vířivého hořáku č.2 Pro řešení analýz numerickými metodami je třeba vytvořit výpočetní síť. Výpočetní síť udává numerickému řešiči výpočetní body, ve kterých je výpočet prováděn. Hustotu sítě je třeba zvýšit v oblastech, kde se předpokládají zvýšené gradienty sledovaných fyzikálních veličin. Ve fyzice proudění jde především o náhlé změny průřezu projev místní tlakové ztráty, spojení či rozdělení kanálů, vliv mezní vrstvy u stěny řešeného segmentu při turbulentním proudění, atd. Před vlastním spuštěním solveru analýzy je třeba zadat okrajové podmínky úlohy. V tomto případě byl zadán hmotnostní průtok primární uhelné směsi na vstupu do přívodního práškovodu za ejektorovým směšovacím kusem a na výstupu (tzn. ústí hořáku) byl definován výstupní tlak. Dále byl zadán na stěny kanálu parametr drsnosti stěny. Definovány byli i parametry proudící směsi, tedy parametry nosné vzdušiny proudící kanálem a parametry antracitického uhelného prášku získaného - 7 -
laboratorním rozborem vzorku paliva. Protože řešíme pouze proudění směsi primární nosné vzdušiny s práškovým antracitickým uhlím o určitém koncentračním poměru, byla úloha definována jako izotermická, je tedy zadána pouze teplota proudící uhelné směsi, která zůstává konstantní. Tím byly zadány veškeré potřebné údaje pro řešení analýzy proudění primární uhelné směsi vířivým hořákem č.2. Z grafických výstupů trajektorií uhelných částic antracitu (obr.9-12) získaných numerickým výpočtem analýzy plazmového vířivého hořáku č.2 při natočení rozdělovací klapky do polohy 70 % si lze udělat představu o chování uhelných částic antracitu v kanále vířivého hořáku. Pro větší přehlednost grafických výstupů jsou uvedeny trajektorie uhelných částic v různých pohledech. Barevné zobrazení trajektorií vystihuje aktuální rychlosti pohybu částic v dané oblasti a současně nám při přepočtu dávají představu o hmotnostním toku uhelného prášku danou oblastí. Obr.9-12 Zobrazení trajektorií uhelných částic antracitu proudících hořákem s aktuálními rychlostmi v různých průřezech - 8 -
Obr.13-15 Zobrazení rychlostních profilů proudění nosné vzdušiny v definovaných řezech hořáku - 9 -
Na obr. 13-15 jsou zobrazeny rychlostní profily proudění nosné vzdušiny ve významných řezových rovinách. Jedná se podélný řez osou aktivační a výkonové komory hořáku, kde je patrný projev chování nosné vzdušiny v jednotlivých elementárních částech hořáku a po sloučení obou proudů ve směšovací komoře hořáku (obr.13). Na obr.14 je vyobrazen řez spirální skříní, kde je patrný rychlostní profil zavířené nosné vzdušiny. Na dalším obrázku (obr.15) jsou zobrazeny řezy kanálem v definovaných řezových rovinách. Z výsledných rychlostních profilů je patrný zavířený postup nosné vzdušiny po směru proudění hořákem (rotační přesun proudící hmoty vyvolaný zvoleným úhlem natočení vířivých elementů hořáku). Grafické výstupy z matematického modelu proudění uhelné směsi při provozním nastavení hořákové rozdělovací klapky do polohy 70 %, uvedená na obr. 16 a 17, vyjadřují trajektorii pohybu uhelných částic v oblasti instalace plazmového generátoru. Barevné zobrazení trajektorií vystihuje aktuální rychlosti pohybu částic v dané oblasti a současně nám při přepočtu dávají představu o hmotnostním toku uhelného prášku danou oblastí. Z obr. 16 a 17 plyne, že nejkoncentrovanější proud uhelných částic antracitu neprochází zvoleným místem umístění plazmového generátoru. Tento koncentrovaný proud uhelného prášku oblast instalace plazmového generátoru spirálně obtéká. Nízkoteplotní plazma pak zasahuje pouze nízkokoncentrovaný proud uhelné směsi a limituje tím dynamiku tvorby práškového plamene ve výstupní části plazmové komory, a tím ovlivňuje iniciaci zapálení zbývající primární uhelné směsi proudící výkonovou částí hořáku. Tento dopad nevhodné volby umístění plazmového generátoru na aktivační komoře, s ohledem na charakter proudění uhelného prášku touto komorou za spirální skříní, se pak při provozních zkouškách projevil určitou časovou prodlevou ve vizuálním projevu hoření antracitického prášku na ústí hořáku č.2, počátečním začerněním plamene a pozvolným růstem teploty práškového plamene na ústí. I přesto byla při tomto provozním režimu definovaného úhlem natočení hořákové rozdělovací klapky do polohy 70 % dosažena nejvyšší dynamika tvorby práškového plamene na ústí hořáku a nejkratší časová prodleva začernění plamene neaktivovaným uhelným práškem. S ohledem na grafické výstupy modelu proudění uhelného prášku aktivační komorou hořáku uvedené na obr. 16 a 17 je nutné přesunout zaústění plazmového generátoru do komory tak, aby vytékající proud nízkoteplotního plazmatu zasahoval maximální proud uhelného prášku. - 10 -
Obr.16-17 Zobrazení trajektorií uhelných částic antracitu proudících plazmovou komorou hořáku S ohledem na aktivaci hoření uhelných částic proudících výkonovou části hořáku je nutné, aby hořící uhelné částice vystupující z plazmové aktivační komory zasahovaly tento proud surových uhelných částic. O trajektoriích proudění surových uhelných částic za vířivými elementy a aktivovaných uhelných částic za plazmovou aktivační komorou pojednává obr. 18 a 19. Nízkokoncentrovaný uhelný proud, u kterého bylo iniciováno hoření nízkoteplotním plazmatem za spirální skříní, se ve směšovací komoře slučoval s koncentrovaným proudem výkonové uhelné směsi na obvodu směšovací komory. Tím předával novým surovým uhelným částicím tepelnou energii nutnou pro uvolnění prchavých látek hořlaviny z těchto částic. Přesunutí místa zaústění plazmového generátoru do místa maximální koncentrace uhelného prášku bude znamenat, že hořící uhelné částice a částice proudící výkonovou části hořáku budou ve směšovací komoře vzájemně pootočeny o 180. Tím nedojde v prvotním okamžiku směšování k maximálnímu přenosu tepelné energie z hořících částic na částice surové. Pro dosažení maximálního přenosu tepla na surové uhelné částice je nutné optimalizovat oblast vstupu uhelných částic do vířivých elementů výkonové části hořáku. S ohledem na charakter proudění uhelné směsi touto oblastí znázorněné na obr.13 je žádoucí docílit přesunu uhelných částic do pravé oblasti vířivé části hořáku. V tomto případě by bylo dosaženo maximálního přenosu tepelné energie, a tím dosaženo maximální dynamiky hoření uhelných částic proudících výkonovou části hořáku na jeho ústí. Tato optimalizace by přispěla k časovému zkrácení začernění plamene při počáteční fázi zapalování hořáku a ke zkrácení doby pro dosažení požadovaného stabilizačního výkonu hořáku č.2. - 11 -
Obr.18-19 Zobrazení trajektorií pohybu aktivovaných a výkonových uhelných částic za vířivými elementy výkonové části hořáku a plazmovou komorou v oblasti směšování obou proudů částic. Příspěvek zpracován v rámci řešení projektu GAČR 101/05/0643 Využití plazmové technologie v uhelné energetice. - 12 -