CC BY
17
ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ ФАКЕЛА В ТОПКАХ КОТЛОВ ТГМ-84А
М.А. ТАЙМАРОВ*, И.А. ЗАКИРОВ **, В.М. ТАЙМАРОВ*, Е.Г. МАКСИМОВ*
* Казанский государственный энергетический университет **-филиал ОАО Генерирующая компания - Казанская ТЭЦ-3
Приводятся результаты исследования интегральной интенсивности излучения факела в топках котлов ТГМ-84А по высоте топочных объемов при сжигании уренгойского газа.
Введение
Для повышения КПД топочного объема и, следовательно, для снижения удельных затрат энергоресурсов на производство тепловой энергии необходима оптимизация процессов радиационного теплообмена. Достижение этой цели возможно путем идентификации положения факела в топочном объеме, при котором обеспечиваются наивыгоднейшие условия радиационного теплообмена и соблюдаются эксплуатационные требования к надежности функционирования поверхностей нагрева, работающих при высоких значениях падающих от факела тепловых потоков. В этой связи исследования плотности падающих на экранные поверхности потоков излучения по высоте и по поперечному сечению топки для конкретных условий сжигания топлив являются актуальными.
Теория метода исследования
Все основные показатели теплообмена и нормального функционирования топки зависят от положения факела в топочном объеме и интенсивности его излучения. Именно этими факторами обусловлены наиболее серьезные нарушения топочного процесса. Различным направлению и степени смещения факела соответствует и различный характер распределения плотности падающего потока (ППП) #пад теплового излучения факела на ограждающих стенах топки [1,2],
определение которого и составляет задачу идентификации положения факела.
Идентификация положения факела в плоскости поперечного сечения означает установление степени смещения факела от его центрального положения путем сравнения обогрева симметрично расположенных зон экранов, определяемого по измеренным значениям ППП.
Количественной характеристикой степени смещения факела по глубине и ширине топки является соотношение (или разность) измеренных значений ППП в симметричных (относительно оси или центра топки) точках.
Идентификация положения ядра факела по высоте топки Н сводится к установлению параметров А, а, В, в кривой распределения, которая в безразмерной форме может быть представлена в виде
?п„/р = Ае-их - Ве~в, (1)
© М.А. Таймаров, И.А. Закиров, В.М. Таймаров, Е.Г. Максимов Проблемы энергетики, 2005, № 7-8
ср ^пад Н
где ^пад =-------— - усредненная плотность излучения; х —----- - текущая
(ас • Та4) Нт
относительная высота топки.
Здесь Та - адиабатная температура горения топлива; Н и Нт - текущая и полная высота топочной камеры.
Из условия экстремума функции #падср (х) определяется месторасположение ядра факела по высоте топочной камеры
М—)
х - вв (2)
Лмакс • V-“/
а-р
Проведя измерения #пад на четырех уровнях по высоте топки, несложно, на
основании выражения (1), определить параметры функции распределения А, а, В, р.
На основании изложенного подхода к идентификации положения факела возможно осуществить необходимую схему измерений, реализующую поставленную задачу. Размещение датчиков #пад в угловых зонах топки (ориентировочно на
расстоянии 1,5—2,5 м от угла) на каждом из экранов позволяет установить смещение факела в любом из поперечных направлений. Для определения максимальных значений ППП в каждом из поперечных сечений, с целью восстановления распределения потоков, необходима также установка датчиков ППП в центре фронтовых и задних экранов при встречной и фронтальной компоновке горелок или всех экранов при тангенциальной компоновке. Продольная идентификация требует аналогичных измерений в четырех сечениях по высоте топки.
Методика эксперимента
Эксперименты по исследованию поверхностной плотности падающих потоков излучения факела проводились на котлах ТГМ-84А Казанской ТЭЦ-3 (станционные №1-3) для 50 % -ной нагрузки котлов при сжигании уренгойского газа.
Экспериментальная методика идентификации положения факела и определения его радиационных характеристик включает в себя бесконтактное и контактное определение температуры, измерение падающих потоков теплового излучения радиометром, градуирование радиометра в станционных условиях эксперимента и послойные измерения температуры факела вглубь топки.
Для контактного измерения температуры продуктов сгорания в топке разработан пирометрический термозонд, представляющий собой неохлаждаемый двухэкранный трубчатый кожух и термопару типа ХА с каолиновой тепловой изоляцией в виде нити внутри этого кожуха (рис.1).
Отсутствие водоохлаждаемой рубашки у термопары вызвано условиями выполнения экспериментов, а именно отсутствием гребенок для раздачи воды на охлаждение на площадках обслуживания котлов. Верхний температурный предел измерений термозонда ограничивался температурной стойкостью рабочего спая термопары. Холодный спай термопары имел температуру окружающего воздуха, что учитывалось при обработке результатов экспериментов согласно рекомендациям [3].
Рис. 1. Принципиальная схема термозонда для внутри топочных измерений температуры: 1 - термопара в обмотке из каолиновой нити; 2 - внутренний
трубчатый защитный экран; 3 - наружный трубчатый защитный экран; 4 - вторичный измерительный прибор (электронный цифровой вольтметр); 5 -
рабочий (горячий) спай термопары
При экспериментах в послойных измерениях температуры факела рабочий спай вместе с кожухом вдвигался через лючок в топку котла через каждые 100 мм и производился отсчет показаний. Максимально допустимая температура работы пирометрического термозонда, достигнутая с термопарой типа ХА, составила 1370 °С. При длительной работе свыше этой температуры происходило обгорание одного из термоэлектродов на расстоянии 5 мм от рабочего спая. Калиновая нить при этой температуре в топке термически не разрушалась, а лишь происходило локальное потемнение нити в местах контакта с ее внутренней поверхностью защитного трубчатого экрана.
Электронный цифровой вольтметр позволял считывать показания в мВ, а также показания непосредственно в виде значений температуры в °С.
Для более высоких температур за пределами стойкости ХА-термопары, а также при дублировании показаний термопары ХА, использовался оптический пирометр ОППИР-017.
Принципиальная схема оптической части радиометра для измерения интегральной плотности падающих потоков от излучения факела приведена на рис. 2.
Термостолбик 3 снабжен системой термостатирования, учитывающей
изменение температуры окружающего воздуха и сохраняющей постоянство градуировки. Окуляр 4 служит для контроля заполнения линзы объектива падающим лучистым потоком.
Для условий высокотемпературного градуирования непосредственно на котле была разработана конструкция высокотемпературного эталонного
излучателя - трубчатого абсолютно черного тела (рис. 3).
Для проведения градуирования трубчатый излучатель вдвигался через лючок в обмуровке в газоход котла на
Рис. 2. Принципиальная схема оптической части радиометра: 1- излучающая топочная среда; 2 -флюоритовая линза объектива; 3 - приемник теплового излучения - термостолбик; 4 - линза окуляра; 5 - регистрирующий вторичный прибор (цифровой милливольтметр)
глубину не менее 0,8 м. После прогрева стенок и донышка эталонного излучателя (после отсутствии роста температуры по показаниям термопары) проводилась одновременная регистрация сигналов с приемника излучения радиометра и термопары. Переход от температуры трубчатого абсолютно черного тела к энергетическим единицам осуществлялся по формуле Стефана-Больцмана. Дополнительный контроль и тестирование температуры излучающей полости абсолютно черного тела выполнялось при снятом радиометре с помощью
Рис. 3. Схема градуирования радиометра
непосредственно на котле в условиях эксперимента: 1 - рабочий спай термопары; 2 - трубчатый высокотемпературный эталонный излучатель; 3 -радиометр интегрального излучения; 4 - цифровые милливольтметры; 5 - обмуровка котла
оптического пирометра ОППИР-017 (при температуре полости свыше 800 °С).
Определение плотности падающих потоков излучения факела представляет собой совокупное измерение, и погрешность экспериментов включает в себя неисключенную систематическую погрешность метода и средств измерений.
Неисключенная систематическая погрешность определения интегральной способности в общем виде записывается как
11/ 2 , 2 2 2 2 2 \0,5 /'2\
Сти = 1,1(СТИП +СТа +Стк +СТр +СТ0 +СТМ У , (3)
где сти.п- систематическая погрешность определения отношения интегрального излучения исследуемого потока и абсолютно черного тела; ста - погрешность определения коэффициента избытка воздуха; стк - погрешность определения геометрических характеристик излучающего объекта; Стр - погрешность
регистрации сигнала; сто - погрешность графической обработки результатов; стм -методическая погрешность.
Систематическая погрешность определения отношения интегрального излучения исследуемого потока и абсолютно черного тела выражается как
сти.п = 1,1(°Е2 + °Ео2)0,5, (4)
где СТе , ^Ео - систематические погрешности определения интегральной плотности
энергии излучения факела и абсолютно черного тела.
При этом
стЕ,СТЕ0 = 1,1(4стт,т02 + стр2 + сто2 )0,5 , (5)
где стт, стт0- погрешности измерения температуры излучающей среды в топке и излучающей полости абсолютно черного тела.
При обработке экспериментальных данных за результат измерения принимается среднеарифметический результат измерений яср.
Оценка среднеквадратичного отклонения S описывается выражением
S = [([ + «Ср )2/n(n -1)]0,5 (6)
где П, Х[ - число и результат измерений.
Здесь суммирование ведется от 1 до п.
В соответствии со значением коэффициента надежности а = 0,95 и числом измерений п определяется коэффициент Стьюдента ¿а.
При этом формула для расчета случайной погрешности записывается как Да = ¿а • £ .
Отсюда результат с границами случайной погрешности а = яСр ± Да и относительная случайная погрешность £ = (Да/а) • 100% .
Общая погрешность измерений определяется как совокупность случайной и неисключенной систематической погрешностей:
5 = 1,1(%2 + а2)0,5. (7)
Так как в экспериментах по исследованию теплонапряженности получено а / £ > 8 , то случайной погрешностью £ можно пренебречь и границы погрешностей результатов измерений можно оценивать по неисключенной систематической погрешности ±а (%).
Отсюда систематическая погрешность определения интегральной излучательной способности при температуре Т = 1370 К аи = ± 12,7 % (составляющие погрешности: а т =1,7 %; а т 0 =1,2 %; ао = 0,8 %; ар = 0,8 %; аЕ = 7,58 %; аЕо = 5,42 %;
аи.п = 10,25 %; ам = 4 %; ак = 3 %; а х = 1,1 %).
Основные погрешности связаны с измерением температуры излучающей топочной среды и полости абсолютно черного тела. Погрешность определения температуры излучающей среды и полости абсолютно черного тела рассчитывалась согласно рекомендациям [3].
Экспериментальные результаты и их обсуждение
На рис. 4 приведены проекции изотерм для боковых экранов котла №3
ТГМ-84А КТЭЦ-3. Как видно из графиков, линии максимальных изотерм сдвинуты по направлению к заднему экрану, и в целом факел характеризуется низкими значениями яркостных температур.
На рис.5 представлены распределения плотностей излучения факела Ет{ (Вт/м2) по высоте топки (м) от пода для котла №3 ТГМ-84А КТЭЦ-3, из которых видно, что максимальное излучение факела
сосредоточено в сравнительно узком диапазоне высоты в районе горелок.
Рис. 4. Проекция изотерм для бокового экрана в котле №3 ТГМ-84А КТЭЦ-3 (топливо - уренгойский газ, паровая нагрузка 200 т/ч, а=1,15)
hi
/УУЛ
0 МО' 2.105
Ег,
Рис. 5. Распределение плотностей излучения факела Eri (Вт/м2) по высоте топки Ь (м) от
пода топки (котел № 3 ТГМ-84А КТЭЦ-3, топливо - уренгойский газ, паровая нагрузка 200 т/ч, а=1,15)
поперечному сечению в зависимости от расстояния і (м) от правой боковой стенки котла во внутрь топки котла №2 ТГМ-84А КТЭЦ-3 (измерения проведены через лючок №8 на отметке 10,8 м, топливо - Уренгойский газ, паровая нагрузка 250 т/ч, а=1,1)
Послойные измерения температуры (рис. 6) показывают, что сильный рост температуры происходит в пристеночном слое факела толщиной до 0,8 м.
Расчеты и построение графиков проведены с использованием программного обеспечения МаШСа^
Выводы
1. Интенсивность теплового излучения факела топочных объемов котлов ТГМ-84А при сжигании уренгойского газа для паровых нагрузок около 200 т/ч и коэффициентах избытка воздуха а=1,15 очень невелика, что связано с величиной нагрузки котельного агрегата (около 50 % от номинальной).
2. Задние экраны испытывают повышенные радиационные тепловые нагрузки в районе горелок, что объясняется значительной оптической толщиной факела по осям горелок.
Summary
The outcomes of a research of an integrated emission power of a plume in boiler TGM-84A on height of volumes for want of burning urengoj of gas are resulted
Литература
1. Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых котлов. - Л.: Энергоатомиздат, 1984.- 240 с.
2. Таймаров М.А. Лабораторный практикум по курсу «Котельные установки и парогенераторы».- Казань: КГЭУ: 2004.- 108 с.
3. Трембовля В.И. и др. Теплотехнические испытания котельных установок.-М.: Энергия, 1977.- 297 с.
Поступила 22.06.2005
