Численные исследования аэродинамики дымовых труб с целью обеспечения достоверного контроля вредных выбросов ТЭС в атмосферу

Проблема защиты окружающей среды одна из важнейших задач современности. Выбросы промышленных предприятий, энергетических систем и транспорта в окружающую среду достигли огромных размеров и постоянно увеличиваются. Существующая законодательная база, направленная на регулирование уровней воздействия источников загрязнения на окружающую среду содержит не только нормативы выбросов и требования к контролю, но также и размеры плат за выбросы, которые постоянно ужесточаются. Значительная часть вредных веществ, попадающих в атмосферу, вносится с продуктами сгорания ископаемых топлив тепловых электрических станций и котельных. Обеспечить их экологически эффективную работу невозможно без использования современных средств мониторинга, позволяющих оценить массовые выбросы вредных веществ в окружающую среду с дымовыми газами. Одним из возможных вариантов организации инструментальных измерений вредных выбросов в атмосферу на ТЭС, включающих несколько котельных установок, является реализация систем непрерывного мониторинга непосредственно на дымовой трубе. В настоящее время существует ряд научных работ посвященных данному элементу газового тракта ТЭС, которые затрагивают как проблемы охраны окружающей среды от вредных выбросов ТЭС, так и оптимизации аэродинамики труб, а также повышения их надежности [1−4]. Что касается контроля вредных выбросов на трубе, то на сегодняшний день существует множество разработок успешно внедряемых во многих странах мира. Крупнейшие компании, такие как SICK MAIHAK, Emerson и др. на основе новейших методик производят системы позволяющие проводить непрерывные измерения сразу нескольких вредных компонентов газовой смеси в газоотводящем стволе. При этом одним из основных условий достоверной работы систем мониторинга является правильный выбор мест установки измерительных устройств, обеспечивающих представительность определяемой величины. Критериями выбора измерительного сечения на дымовой трубе являются технические требования к автоматизированной системе контроля выбросов загрязняющих веществ ТЭС [5], согласно которым допустимое отклонение от средних значений скоростей газов и концентраций компонентов в сечении не должно превышать ±10%. Таким образом, для проведения анализа распределения полей скоростей и концентраций дымовых газов в различных сечениях необходимо иметь представление о картине течения потоков в стволе дымовой трубы.

К сожалению, в настоящее время имеется не так много сведений о картине течения дымовых газов в стволе дымовых труб, а также о распределении скоростей и концентраций в различных сечениях по высоте трубы. Существует два способа оценки неравномерности полей скоростей и концентрации: экспериментальный с помощью традиционной методики, предполагающей проведение тарировки сечения, и расчетный. Поскольку на реальной дымовой трубе экспериментально определить поля скоростей и концентраций не представляется возможным, единственным способом исследования аэродинамики остается расчетный метод.

В качестве средства для изучения особенностей турбулентных потоков был выбран программный комплекс Flow Vision, предназначенный для моделирования трехмерных течений жидкости и газа. ПК FlowVision основан на конечно-объемном методе решения системы дифференциальных уравнений в частных производных и использует прямоугольную адаптивную сетку с локальным измельчением. В процессе расчетов была использована модель Incompressible Fluid (Несжимаемая жидкость) предназначенная для моделирования течения газа (жидкости) при больших (турбулентных) числах Рейнольдса и при малых изменения плотности.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию аэродинамики дымовых труб и разработке практических рекомендаций по организации непрерывного инструментального контроля вредных выбросов ТЭС в атмосферу.

В диссертации проведено численное моделирование и исследования процессов смешения потоков продуктов сгорания, подводимых в дымовую трубу, в зависимости от конструктивных и режимных факторов и выявлены особенности аэродинамических течений в стволе дымовой трубы, определяющие перемешивание потоков и выравнивание их аксиальных скоростей в поперечных сечениях по высоте дымовой трубы.

В первой главе диссертации выполнен обзор работ по разработке систем непрерывного контроля вредных выбросов ТЭС в атмосферу. Показана актуальность вопросов связанных с ограничением загрязнения окружающей среды, важной частью которых являются проблемы достоверных измерений вредных веществ в дымовых газах. Для учета одного из основных факторов, влияющих на достоверность контроля (распределение полей скоростей и концентраций в стволе дымовой трубы), предлагается использовать численное моделирование. Во второй главе приводится описание математической модели и исходных данных для различных вариантов, учитывающих изменение как режимных, так и конструктивных факторов. Получены критерии оценки результатов для анализа выравнивания полей скоростей и концентраций в сечениях дымовых труб. В третьей и четвертой главах выполнено обобщение результатов численных экспериментов, в ходе которого получены сведения об особенностях картин течения и сделаны выводы о распределении полей скоростей и концентраций в стволе дымовой трубы. Завершают диссертацию общие выводы по работе.

Автор защищает результаты теоретических исследований, их обобщение и рекомендации по внедрению в промышленность.

Диссертация содержит изложение и обобщение материалов, являющихся личным вкладом автора в работы, в проведении которых участвовали сотрудники МЭИ (ТУ) П. В. Росляков, JI.E. Егорова и И. Л. Ионкин, которым автор выражает глубокую признательность.

Автор выражает особую признательность и благодарность научному руководителю доктору технических наук профессору П. В. Рослякову.

1. ОБЗОР РАБОТ ПО РАЗРАБОТКЕ СИСТЕМ НЕПРЕРЫВНОГО МОНИТОРИНГА ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ТЭС В АТМОСФЕРУ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Проведено численное моделирование и исследование процессов перемешивания потоков продуктов сгорания, подводимых в дымовую трубу, с целью разработки практических рекомендаций по организации достоверного непрерывного инструментального контроля вредных выбросов ТЭС в атмосферу. Выявлены особенности аэродинамических течений в стволе дымовой трубы, определяющие процессы перемешивания потоков и выравнивания их аксиальных скоростей в поперечных сечениях по высоте дымовой трубы. Показано, что закрученные течения в дымовых трубах, как правило, не обеспечивают требуемого качества перемешивания на расстоянии 6−8 эквивалентных диаметров от места последнего возмущения, что входит в противоречие с общепринятыми представлениями.

2. Показано, что для типовых дымовых труб с разделительной перегородкой и симметричным подводом дымовых газов неравномерность ввода продуктов сгорания в ствол дымовой трубы и высокие скорости газов способствуют более быстрому перемешиванию газовых потоков и выравниванию концентрационных полей в поперечных сечениях трубы. Наихудшие условия для выравнивания концентрационных полей по высоте дымовой трубы имеют место при одинаковых расходах подводимых газов по сторонам трубы независимо от их величины.

3. В отличие от концентрационных полей симметричный по расходу подвод продуктов сгорания в дымовую трубу благоприятно влияет на выравнивание полей аксиальных скоростей. Наилучшие условия для выравнивания скоростных полей имеют место при максимальных расходах дымовых газов.

4. Увеличение шероховатости отводящего ствола дымовой трубы и использование труб с консольными выступами за счет увеличения ширины пограничного слоя в целом благоприятно сказываются на перемешивании потоков. При этом, однако, не было отмечено их существенного влияния на выравнивание поля аксиальных скоростей и на принципиальную картину течения внутри трубы.

5. Увеличение высоты разделительной перегородки сверх рекомендуемых значений негативно сказывается на интенсивности выравнивания полей аксиальных скоростей. Отсутствие разделительной перегородки способствует лучшему перемешиванию потоков, но существенно увеличивает аэродинамическое сопротивление дымовой трубы.

6. При значительной разнице в концентрациях примесей в смешивающихся потоках, как правило, требуемое качество их перемешивания не достигается по всей высоте отводящего ствола, что делает нецелесообразным установку систем инструментального контроля на дымовых трубах. Однако, если начальное содержание примесей в потоках отличается от средней величины не более чем на 20%, требуемое качество смешения потоков и выравнивание скоростных полей безусловно обеспечиваются на расстоянии 14 Dqkb от разделительной перегородки вне зависимости от конструктивных и режимных факторов.

7. Результаты численных экспериментов показали, что при подводе топлив близких по составу, для обеспечения требуемой достоверности контроля массовых выбросов вредных веществ измерительные системы на дымовой трубе должны быть установлены на расстоянии не менее 14 эквивалентных диаметров от верхней кромки разделительной перегородки. При этом следует использовать измерительные системы, позволяющие получить осредненные значения по диаметру дымовой трубы (ультразвуковые измерители скорости, оптоэлектронные газоанализаторы с установкой передатчика и приемника на противоположных сторонах газохода). В остальных случаях контроль вредных выбросов следует осуществлять в газоходах каждого отдельного котла.

8. Исследования показали, что в случае дымовых труб с нестандартными (нетиповыми) условиями подвода дымовых газов возможность установки измерительных систем на них должна предварительно оцениваться с помощью расчетов для конкретных конструктивных и режимных условий.