Sr|an Belo{evi}1, Sim eon Oka1, Miroslav Sijer~i}1

Qubi{a Brki}2, Titoslav @ivanovi}2

1 Institut za nuklearne nauke „Vin~a”, Beograd2 Ma{inski fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd

Modelirawe i parametarska analizarada lo`i{ta energetskog kotla

Originalni nau~ni radUDC: 519.876.5:662.933BIBLID: 350-218X, 30 (2004), 1-4, 23–38

U radu su prikazani odabrani rezultati parametarskih prora~una izvedenih na osnovu numeri~ke simulacije procesa u lo`i{tu zasagorevawe ugqenog praha energetskog kotla TENT-A2 210 MWe , saodvo|ewem {qake u ~vrstom stawu i tangencijalnim rasporedomgorionika. Kao radni parametri karakteristi~ni za pogonskostawe lo`i{ta, odabrani su fino}a mlevewa ugqenog praha ikvalitet ugqa. U parametarskoj analizi je posmatrano pet re`i-ma rada lo`i{ta. Simulacija je izvedena na osnovu 3D matema-ti~kog modela procesa, razvijenog za simulaciju procesa u lo`i{-tima industrijskih razmera. Prikazani su rezultati simulacija i analiziran uticaj odabranih parametara na konverziju ~esticaugqenog praha usled sagorevawa, temperaturu dimnog gasa i koncen- traciju ugqen-dioksida u lo`i{tu, kao i flukseve toplotnogzra~ewa na ekranskom zidu. Nagla{ena je potencijalna primenamatemati~kog modelirawa procesa u lo`i{tima energetskihkotlova za dijagnostiku i predvi|awe pogonskih stawa i situa-cija.

Kqu~ne re~i: parametarska analiza, model, lo`i{te, ugqeni prah

Uvod

U skladu sa sve stro`ijim zahtevima za ispuwewe uslova koji se ti~u

efikasnosti, pouzdanosti, ekonomi~nosti, ekologije i fleksibilnosti u radu ter-

moenergetskih postrojewa primena matemati~kih modela procesa je sve ve}a. Kot-

lovska postrojewa savremenih termoelektrana sastoje se od razli~ite opreme i

obuhvataju raznovrsne, slo`ene i me|uzavisne procese. Promena kvaliteta i para-

metara aerosme{e izaziva promene u lo`i{tu i na strani prijemnika toplote, ~iji

23

se parametri procesa koriste kao upravqa~ke veli~ine. Modelirawe procesa omo-

gu}ava ra~unarsku simulaciju pogonskih stawa u lo`i{tima za sagorevawe ugqenog

praha i mo`e imati va`nu primenu kod predvi|awa i dijagnostike pogonskih stawa i

situacija kotlovskih postrojewa. U sprezi sa rezultatima termotehni~kih merewa

na kotlovima, rezultati simulacija omogu}avaju uvid u karakter i nivo promene

radnih parametara lo`i{ta. Modelirawe procesa mo`e da predstavqa zna~ajnu

podr{ku pogonskom osobqu, korisnicima termoenergetske opreme omogu}ava ravno-

pravnije u~e{}e u odlu~ivawu pri modernizaciji termoelektrana, a pru`a i po-

dr{ku aktuelnom konceptu odr`ivog razvoja u energetici. Metoda modelirawa i

numeri~ke simulacije procesa na bazi re{avawa sistema transportnih jedna~ina

koje opisuju u~estvuju}e fenomene, na{la je raznovrsne vidove primene u okviru

slo`enih industrijskih sistema. Modelirawe toplotnog fluksa na zidovima kot-

lovskih lo`i{ta kao dijagnosti~kog parametra u ekspertskim sistemima, pru`a

mogu}nost projektovawa on-line sistema za mon i tor ing i dijagnostiku efikasnosti,

sigurnosti i raspolo`ivosti termoenergetskih sistema [1]. Modeli se koriste i u

proceni razli~itih tehnologija za kontrolu-smawewe emisije NOx [2, 3] i kontroli

mehanizma stvarawa naslaga pepela u velikim postrojewima sa sagorevawem ugqenog

praha [4]. Osnovna prednost modelirawa i simulacije je znatno smawewe tro{kova

istra`ivawa, projektovawa i optimizacije. Analizira se veliki broj parametara i

radnih re`ima, uz pove}awe efikasnosti sagorevawa i ekonomi~nosti potro{we

goriva, a smawewe emisije polutanata.

Trodimenzionalni modeli lo`i{ta industrijskih razmera u nas do sada

nisu postojali, ali u svetu se razvijaju ve} dve decenije [5, 6], a u praksi se uspe{no

primewuju od devedesetih [7‡9], sa dosta prostora za daqe usavr{avawe. Pored

kori{}ewa komercijalnih programa [10, 11], razvijaju se i sopstveni modeli procesa

u lo`i{tima [12], koji kao prednost imaju detaqan matemati~ki opis fizi~kih i

hemijskih procesa, veoma blizak realnosti. Razvoj matemati~kih modela sagorevawa

i drugih procesa u lo`i{tima zasniva se na modelirawu turbulentnih transportnih

procesa [13, 14]. Zna~ajno je dobro izmodelirati sve procese i pojave u lo`i{tu,

po~ev od aerodinamike [15] i detaqnog modelirawa procesa u plamenu [16]. ̂ este su i

kombinacije originalnih modela pojedinih procesa i postoje}ih kodova. Pregled

aktivnosti iz oblasti sagorevawa ugqa u vode}im svetskim centrima [17], pokazuje da

se svi predstavqeni istra`iva~ki centri iz sveta bave i primenom ra~unarskih

modela sagorevawa, a mnogi i razvojem i verifikacijom ra~unarskih kodova, za

postrojewa industrijskih razmera. Ta~nost rezultata ra~unarskih programa zavisi

od kvaliteta primewenih matemati~kih modela fizi~kih i hemijskih procesa u

realnim uslovima, kao i od stru~nosti korisnika.

U radu su prikazani rezultati parametarskih prora~una za lo`i{te na

ugqeni prah energetskog kotla A2 210 MWe termoelektrane „Nikola Tesla”

(TENT), Obrenovac. Simulacija je izvedena na osnovu trodimenzionalnog diferen-

cijalnog matemati~kog modela procesa u lo`i{tu industrijskih razmera [18‡23],

koji podrazumeva simultano re{avawe diferencijalnih jedna~ina strujawa i razme-

ne toplote dvofaznog turbulentnog toka sa reakcijama. Karakteristike razvijenog

modela kao i rezultati wegove verifikacije (parametarski prora~uni i pore|ewa

modela sa merewima), dati su u [23]. Razmatra se sagorevawe ~estica polidisperznog

ugqenog praha realnog granulometrijskog sastava, na bazi kineti~kih parametara

odre|enih eksperimentalno. Model procesa u lo`i{tu po karakteru je izme|u

24

istra`iva~kih i modela za projektovawe. Omogu}ava dobijawe lokalnih vrednosti

tem per a ture i komponenata brzine dimnog gasa, komponenata fluksa toplotnog

zra~ewa, masene koncentracije kiseonika i produkata sagorevawa, koncentracije

~estica ugqenog praha i prora~un trajektorija ~estica ugqenog praha, koksnog

ostatka i pepela, tem per a ture i pre~nika ~estica. Time se stvara osnova i za

prora~un i procenu globalnih radnih parametara, kao {to su: efikasnost sago-

revawa, stepen korisnosti, razmewena toplota, itd.

Lo`i{te kotla A2 210 MWe TENT i model lo`i{ta

U parametarskoj analizi se razmatra lo`i{te parnog kotla bloka A2 210 MWe

TENT. To je jednodobo{ni strmocevni kotao, sa prirodnom cirkulacijom i jednim

me|upregrevawem. Osnovni parametri kotla prikazani su u [23]. Kotao je sa gasnim

traktom u obliku slova „P” (sl. 1), a lo`i{te kotla sa odvo|ewem {qake u ~vrstom

S. Belo{evi} i dr.: Modelirawe i parametarska analiza rada lo`i{ta ...TERMOTEHNIKA broj 1-4 ‡ godina XXX, 23–38 (2004)

25

Slika 1. Vertikalni presek parnog kotla snage 210 MWe

stawu i tangencijalnim rasporedom gorionika. Postoji 6 mlaznih gorionika, od kojih je

svaki u vezi sa po jednim ventilatorskim mlinom i jednim recirkulacionim otvorom.

Aerosme{a tem per a ture 165 °C iz mlina dolazi u inercijalni sep a ra tor i daqe po

vertikalnom kanalu do razdelnika, a odatle kroz 8 pravougaonih kanala do svakog

mlaznika. Sekundarni vazduh tem per a ture 270 °C ubacuje se kroz paralelne kanale

ispod i iznad svakog mlaznika.

Geometrijski model lo`i{ta prikazan je na sl. 2. Razmatra se stacionarni

rad lo`i{ta i zanemaruju poluozra~eni pregreja~i pare iznad wega. Usvajaju se

grani~ni uslovi konstantne tem per a ture na zidu lo`i{ta sa gasne strane, jednake

temperaturi me{avine vode i pare u ekranskim cevima, pa se tako uzima u obzir

odvo|ewe toplote od strane ekrana.

Za izvo|ewe numeri~kih simulacija primewena je trodimenzionalna nume-ri~ka mre`a sa 75 ´ 34 ´ 41 = 104.550 ~vorova ukupno, {to je omogu}ilo zado-voqavaju}u konvergenciju re{ewa.

26

Slika 2. Izgled i dimenzije geometrijskog modela lo`i{ta kotla A2 210 MWe TENT1‡6 ‡ gorionici, R1‡R6 ‡ recirkulacioni otvori

Parametri prora~una i razmatrani radni re`imi

Podaci o geometrijskim i radnim karakteristikama lo`i{ta, preuzeti suiz elaborata [24, 25]. U svim prora~unima usvojena je {ema rada po kojoj je gorionikbroj 6 iskqu~en, odnosno mlin povezan sa wim je rezerva. Svi prora~uni ra|eni su zaiste protoke primarnog i sekundarnog vazduha i ugqenog praha. Modeliran je radlo`i{ta za ukupno pet razli~itih re`ima, tabl. 1, sa stanovi{ta kvalitetaugqa-lignita i granulacije, tj. fino}e mlevewa ugqenog praha. Za ugaq-lignit„Kolubara” ‡ poqe De, analizirane su gruba, sredwa i fina meqava i posmatrano jesagorevawe pet frakcija u okviru granulacije. Tako|e, razmatrano je sagorevawegrube meqave ugqa-lignita „Kolubara” ‡ Tamnava i „Kostolac” ‡ Drmno, sa tako|epet frakcija ugqenog praha. Trebalo bi napomenuti da fino}a mlevewa zavisi kakood vremena eksploatacije (odnosno od habawa pokretnih delova mlina), tako i odre`ima rada mlinova. Zavisno od polo`aja klapni separatora ugqenog praha, istimlinovi daju razli~ite meqave.

Tablica 1. Re`imi rada lo`i{ta razmatrani u parametarskoj analizi

Ugaq-kop(basen)

„Kolubara” ‡poqe De

„Kolubara” ‡poqe De

„Kolubara” ‡poqe De

„Kolubara” ‡Tamnava

„Kostolac” ‡Drmno

Meqava Fina Sredwa Gruba Gruba Gruba

Tablica 2. Granulometrijski sastav ugqenog praha i usvojeni pre~nici~estica po frakcijama

Prema sitovnoj analizi ugqenog praha „Kolubara” ‡ poqe Deiza mlina kotla A2 210 MWe TENT

Meqava-granulacija

Frakcije

0–50 mm[%]

50–90 mm[%]

90–200 mm[%]

200–500 mm[%]

>500 mm[%]

Sredwipre~nik~esticed~ sr [mm]

Fina,*R90 = 48,4%

40,68 10,92 20,74 17,84 9,82 194

Sredwa,R90 = 60,15%

24,83 13,95 28,90 21,47 10,85 225

Gruba,R90 = 73,85%

7,55 18,60 31,43 25,10 17,32 295

d~ i [mm] 25 70 145 350 850 ‡

* Prema sitovnoj analizi ugqenog praha „Kolubara” ‡ poqe De su{enog do analiti~ke vlage od 7,30%

Napomena: sredwi pre~nik ~estice ugqenog praha za posmatranu granulaciju je ra~unat kao:

d f di

n

i~ sr ~(= å / ) ,1001

gde d~ i predstavqa pre~nik ~estice i-te frakcije, fi je procentualni udeo

i-te frakcije u meqavi, a n je broj frakcija

Ulazni podaci za prora~un u modelu dati su u [23], pri ~emu je za referentni

re`im usvojen re`im grube meqave ugqa „Kolubara” ‡ poqe De. Granulometrijski

S. Belo{evi} i dr.: Modelirawe i parametarska analiza rada lo`i{ta ...TERMOTEHNIKA broj 1-4 ‡ godina XXX, 23–38 (2004)

27

sastav, tehni~ka i elementarna analiza ugqenog praha iz kanala za aerosme{u i

kineti~ki parametri sagorevawa ugqeva dati su pregledno u tabl. 2‡4, respektivno.

Zasnivaju se na ispitivawima ura|enim u prethodnom periodu u Laboratoriji za

termotehniku i energetiku Instituta za nuklearne nauke „Vin~a”. Frakcije su

dobijene sitovnom analizom ugqenog praha iza mlina (odnosno iz kanala za aero-

sme{u); sastav i toplotna mo} ugqenog praha, prera~unati su prema analizi ugqeva

na dostavno stawe, pod pretpostavkom da je vla`nost ugqenog praha u kanalima

aerosme{e 14%; kineti~ki parametri sagorevawa, odre|eni su na osnovu prividne

brzine sagorevawa ~estice ugqenog praha u celini, prema merewima na vertikalnom

cevnom lo`i{tu u Laboratoriji za termotehniku i energetiku.

Tablica 3. Tehni~ka i elementarna analiza ugqenog prahaiz kanala za aerosme{u

Ugaq-kop(basen)

Tehni~ka analiza

Sadr`ajvlage[%]

Sagor-qivo[%]

Pepeo[%]

Sukupni

[%]

Koksniostatak

[%]

Cfiks

[%]Volatili

[%]CO2

[%]

Dowatoplotna

mo}[kJ/kg]

„Kolubara” ‡poqe De

14,00 65,60 20,40 1,11 47,00 26,60 39,00 0,14 16.081

„Kolubara” ‡ Tamnava

14,00 58,09 27,90 ‡ 52,45 24,55 33,55 – 14.892

„Kostolac” ‡Drmno

14,00 46,24 39,76 1,57 53,29 13,53 32,71 – 10.750

Ugaq-kop(basen)

Elementarna analiza

C[%]

H[%]

Ssulfatni

[%]

Spiritni ++ Sorganski

[%]

O + N[%]

N[%]

O[%]

„Kolubara” ‡poqe De

40,98 3,84 0,396 0,71 19,78 0,91 18,87

„Kolubara” ‡ Tamnava

36,21 3,285 ‡ 0,70 17,88 0,705 17,18

„Kostolac” ‡Drmno

28,77 2,76 0,688 0,89 13,83 0,70 13,13

Tablica 4. Kineti~ki parametri i brzina sagorevawa ugqa datiArenijusovim izrazom kr = A exp(-E/RT)

Ugaq-kop(basen)

Kineti~ki parametriBrzina sagorevawa

na 1273 Kkr [m/s]

PredeksponencijalnifaktorA [m/s]

Energija aktivacijeE [kJ/kmol]

„Kolubara” ‡poqe De

8,9×103 9,54×104 1,08

„Kolubara” ‡ Tamnava

9,03×103 9,71×104 0,93

„Kostolac” ‡Drmno

5,5×103 9,95×104 0,45

28

Rezultati parametarske analize uticaja granulacijeugqenog praha i kvaliteta ugqa

Ciq parametarske analize je da se utvrdi kako model lo`i{ta odgovara na

promenu karakteristi~nih radnih parametara. Odgovor na ovo pitawe predstavqa i

jedan vid verifikacije kompleksnog modela procesa u lo`i{tu. Kao parametri za

analizu, odabrani su granulacija ugqenog praha i kvalitet, odnosno vrsta ugqa-

-lignita, uticajne veli~ine veoma zna~ajne za rad lo`i{ta i kotla u celini. Izve-

deni su parametarski prora~uni i prikazani rezultati numeri~kih simulacija.

Preliminarni rezultati parametarskih prora~una prikazani su u [22], a finalni

detaqno su dati u [23].

Na sl. 3. prikazana je promena pre~nika ~estica du` lo`i{ta, polidis-

perznog ugqenog praha svih pet frakcija u okviru grube meqave ugqa „Kolubara” ‡

poqe De. ^estice ugqenog praha numeri~ki su pra}ene od ulaska u lo`i{te do

izlaska, pri ~emu se jasno vidi da one mewaju pre~nik na delu putawe na kome traje

sagorevawe. Najsitnije ~estice zavr{avaju sagorevawe veoma brzo i daqe nastavqaju

do izlaza iz lo`i{ta kao ~estice lete}eg pepela. Dijagrami promene pre~nika

~estice usled sagorevawa se ne bi bitno razlikovali za druge dve meqave, jer

pojedina~ne ~estice „ne ose}aju” da li su deo grube ili fine meqave, odnosno da li ih

S. Belo{evi} i dr.: Modelirawe i parametarska analiza rada lo`i{ta ...TERMOTEHNIKA broj 1-4 ‡ godina XXX, 23–38 (2004)

29

Slika 3. Promena pre~nika ~estice ugqenog praha usledsagorevawa u lo`i{tu, za razli~ite frakcije

u meqavi ima mnogo ili malo. I sam model ne predvi|a direktno me|udejstvo

~estica, ve} samo posredstvom okoline, kao {to i jeste u realnosti.

U ovom slu~aju, po{to skoro sve ~estice koje se kre}u prema izlazu sago-

revaju potpuno, procenat nesagorelog u lete}em pepelu je mali. [to su ~estice

krupnije sagorevawe se odvija na du`em putu, kao {to se i moglo o~ekivati. Me|utim,

uo~ava se da najve}i broj najkrupnijih ~estica u meqavi, usvojenog po~etnog pre~-

nika 850 mm, usled te`ine pada u lo`i{ni levak. Ve}im delom, to su nepotpuno

sagorele ~estice ugqenog praha. U ovom slu~aju se sagorevawe delimi~no nastavqa i

u oblasti levka, zato je on topliji nego kod kotlova u realnosti. Ovakvo kretawe

najkrupnijih ~estica se obja{wava aerodinamikom jer postoji sna`no vrtlo`no

kretawe gasa [21, 23] i ~estica [22, 23], prema levku.

Kao ilustracija uticaja granulacije-meqave ugqenog praha na procese u

lo`i{tu predstavqen je dijagram promene po visini lo`i{ta masene koncentracije

produkata (odnosno ugqen-dioksida, iako je u ovom modelu produkt i vodena para).

Date su sredwe vrednosti, tj. vrednosti osredwene po popre~nom preseku (sl. 4).

Dijagram na sl. 4 pokazuje sli~an oblik krivih za pojedine meqave. Premda je, prema

tabl. 2, dominantna frakcija u sredwoj i gruboj meqavi po~etnog pre~nika 145 mm, a u

finoj meqavi najsitnija (25 mm), sl. 3 pokazuje da obe frakcije sagorevaju potpuno

ve} u oblasti gorionika. Krive su na visinama iznad gorionika za finiju meqavu

pomerene prema vi{im vrednostima koncentracije. Zavisnost rezultata od meqave

poti~e od razli~itog procentualnog udela ~estica pojedinih frakcija u meqavi,

tabl. 2. Po{to u finijoj meqavi postoji ve}i sadr`aj sitnijih ~estica, koje }e br`e

sagoreti, to je i dostignuta koncentracija dobijenih produkata sagorevawa vi{a za

posmatranu visinu lo`i{ta. Tako|e, procenat najkrupnijih ~estica ugqenog praha

koje idu u levak (uglavnom kao nepotpuno sagorele ~estice), kod finije meqave je

mawi, a ve}i udeo ~estica koje se kre}u navi{e. Ove ~estice, sagorevaju}i, daju vi{e

tem per a ture i koncentracije produkata sagorevawa u centralnom delu lo`i{ta, u

slu~aju finije meqave. Uprkos intenzivnom sagorevawu, u zoni gorionika se zapa`a

pad masene koncentracije produkata sagorevawa usled uduvavawa znatnih koli~ina

primarnog vazduha (koji ulazi u sastav aerosme{e) i sekundarnog vazduha, kroz

30

Slika 4. Promena po visinilo`i{ta, sredwih vrednostimasene koncentracije CO2,za grubu i finu meqavu

gorionike. U oblasti iznad gorionika sadr`aj produkata sagorevawa raste do

visine koja pribli`no odgovara polo`aju recirkulacionih otvora (ne{to preko

one na kojoj, prema sl. 3 vi{e nema sagorevawa). Posle blagog pada, sredwe koncen-

tracije se bitno ne mewaju, a ne bi ni trebalo, s obzirom da je sagorevawe ve}

zavr{eno.

Pona{awe ~estica ugqenog praha pri sagorevawu istih frakcija razli-

~itih ugqeva predstavqeno je na sl. 5. Zbog ve}eg procenta pepela u ugqu Kostolac ‡

Drmno, tabl. 3, pre~nik ~estice pepela ostale posle potpunog sagorevawa:

d d~ min ~ in

pepela=

%

1003 (1)

ve}i je nego u slu~aju ugqa „Kolubara” ‡ poqe De. U izrazu (1) d~ in predstavqa po~et-

ni pre~nik ~estice ugqenog praha koja pripada odre|enoj frakciji.

Za obe analizirane frakcije, vidi se da ~estice praha ugqa „Kostolac” ‡

Drmno sagorevaju potpuno do ve}ih visina u lo`i{tu, u odnosu na ugaq „Kolubara” ‡

S. Belo{evi} i dr.: Modelirawe i parametarska analiza rada lo`i{ta ...TERMOTEHNIKA broj 1-4 ‡ godina XXX, 23–38 (2004)

31

Slika 5. Promena pre~nika ~estice ugqenog praha usled sagorevawau lo`i{tu, za razli~ite ugqeve

poqe De. Rezultat se mo`e objasniti imaju}i u vidu bitno mawe vrednosti brzine

hemijske reakcije sagorevawa [21], odnosno predeksponencijalnog faktora A (tabl.

4), iz Arenijusove relacije za brzinu reakcije, za ugaq „Kostolac” ‡ Drmno.

Posmatraju se promene po visini lo`i{ta sredwih vrednosti tem per a ture

lo`i{nih gasova i koncentracije ugqen-dioksida, kao i sredweg radijacionog top-

lotnog fluksa na ekranskim zidovima lo`i{ta, u funkciji kvaliteta ugqa. Pri

tome, trebalo bi voditi ra~una o tome da koncentracije zavise od sagorevawa i

aerodinamike u lo`i{tu, a tem per a ture jo{ i od toplotnog fluksa.

Po{to prema sl. 5 sagorevawe ugqa „Kostolac” ‡ Drmno traje na du`em putu,

to su za neku posmatranu visinu lo`i{ta dostignute tem per a ture ni`e nego kod ugqa

„Kolubara” ‡ poqa De, gde se ranije zavr{ilo sagorevawe svih ~estica. Stoga je

dijagram promene sredwih temperatura gasova u lo`i{tu (sl. 6), za ugaq „Kostolac”

‡ Drmno pomeren u smeru ni`ih vrednosti. Ovome svakako doprinosi i mawi sadr`aj

sagorqivih materija u ovom ugqu, videti tabl. 3. Usled ulaska, kroz gorionike,

32

Slika 6. Promena po visinilo`i{ta, sredwih vrednostitem per a ture gasovitihprodukata sagorevawa,za razli~ite ugqeve

Slika 7. Promena po visinilo`i{ta, sredwih vrednostimasene koncentracije CO2,za razli~ite ugqeve

hladnije struje primarnog vazduha (koji ulazi u sastav aerosme{e) i sekundarnog

vazduha, postoji izvestan pad sredwe tem per a ture na po~etku oblasti gorionika.

Iznad gorionika temperatura gasova raste usled hemijskih reakcija sve dok one

traju, a zbog porasta radijacionog prenosa toplote na ekranske zidove (sl. 8‡9),

temperatura opada. Zapa`a se porast sredwe tem per a ture po visini lo`i{ta sa

maksimumom na visini od oko 26,0 m. Maksimalne vrednosti temperatura u lo`i{tu

izmerene opti~kim pirometrom, nalaze se na kontrolnom nivou od 26,3 m [24].

Na pomerenost dijagrama masenih koncentracija CO2 po x-osi (sl. 7), najvi-

{e uti~e ni`i sadr`aj sagorqive mase, odnosno vi{i sadr`aj pepela (tabl. 3) ugqa

„Kostolac” ‡ Drmno u odnosu na ugaq „Kolubara” ‡ poqe De.

Na sl. 8 i 9 predstavqeni su radijacioni toplotni fluksevi na pojedinim

zidovima lo`i{ta. Prikazane su rezultante prora~unatih komponenti flukseva

radijacije u sva tri koordinatna pravca, prethodno osredwenih za svaku visinu. Pod

pretpostavkom sive i difuzione povr{ine zida, grani~ni uslov defini{e inten-

zitet zra~ewa zida kao zbir sopstvenog zra~ewa zida i zra~ewa reflektovanog od

gasnog sloja neposredno uz zid:

I T I s nz z zz d- +

=

= +-

×òes e

p p p

4

2

1

W

W( )r r

(2)

U izrazu (2) s je [tefan-Bolcmanova konstanta, Tz je apsolutna tempe-

ratura zida (zadaje se u modelu), ez je emisivnost zida (usvaja se), a r rs ni su jedini~ni

vektori u pravcu upadnog zraka i normalno na povr{inu, respektivno. Integrali se

po prostornom uglu W od 2p steradijana.

S. Belo{evi} i dr.: Modelirawe i parametarska analiza rada lo`i{ta ...TERMOTEHNIKA broj 1-4 ‡ godina XXX, 23–38 (2004)

33

Slika 8. Promena po visini lo`i{ta,sredwih vrednosti rezultuju}egradijacionog fluksa na desnom

ekranskom zidu, za razli~ite ugqeve

Slika 9. Promena po visini lo`i{ta,sredwih vrednosti rezultuju}egradijacionog fluksa na predwem

ekranskom zidu, za razli~ite ugqeve

Postoji porast radijacionog fluksa i prenosa toplote na ekranske zidove u

zoni iznad gorionika (iznad 17,0 m visine). Zbog maweg sadr`aja sagorqive mase

(tabl. 3) kao i usled sporijeg sagorevawa (sl. 5) zapa`a se pomerenost dijagrama za

ugaq „Kostolac” ‡ Drmno u smeru ni`ih vrednosti flukseva. Razlika u fluksu

radijacije na desnom i predwem zidu lo`i{ta, jasna je kada se ima u vidu da na desnom

zidu radi jedan gorionik ‡ broj 2, a na predwem zidu dva gorionika ‡ broj 3 i 4 (sl. 2).

Stoga je dejstvom dva gorionika plamen oduvan hladnom strujom daqe od predweg

zida, pa je i fluks ni`i.

Mada bi se moglo o~ekivati da dijagrami, kako temperatura i koncentracija

produkata, tako i radijacionih flukseva, za ugaq koji sporije sagoreva (sl. 5) imaju

maksimume pomerene ka ve}im visinama, to ovde nije slu~aj. Obja{wewe bi se moglo

potra`iti u ~iwenici da sna`no uzlazno spiralno strujawe [21‡23], po~ev od neke

visine (obi~no one koja odgovara zavr{etku sagorevawa svih ~estica), u izvesnoj

meri izjedna~ava uslove i dominantno uti~e na karakter kako koncentracijskog,

tako i temperaturnog poqa i sa wim usko povezanih toplotnih flukseva.

U tabl. 5 date su vrednosti tem per a ture lo`i{nih gasova i masene koncen-

tracije ugqen-dioksida, koje model predvi|a na izlaznom preseku iz lo`i{ta,

odnosno na visini od 33,2 m. Izlaz iz lo`i{ta je popre~ni presek neposredno na

po~etku su`enog dela u modelu lo`i{ne geometrije (sl. 2), a u realnosti odgovara

uslovima neposredno ispred poluozra~enih pregreja~a pare.

Tablica 5. Tem per a ture lo`i{nih gasova i masene koncentracije ugqen-dioksida,osredwene po popre~nom preseku na izlazu iz lo`i{ta, prema matemati~kom modelu

Radni re`im„Kolubara” ‡ poqe De

Fina meqava

„Kolubara” ‡ poqe De

Gruba meqava

„Kostolac” ‡ Drmno

Gruba meqava

Sadr`aj sagorqivog u ugqenom prahu [%]

65,60 65,60 46,24

Ostatak na situR90 [%]

48,40 73,85 73,85

tiz [°C] 1126 1107 1064

XCO2 iz [kg/kg] 0,2204 0,2046 0,1885

U skladu sa o~ekivawima, kod ugqa ni`eg kvaliteta temperatura je ni`a, a

vi{a je za finiju meqavu. Usled vrtlo`nog me{awa i delimi~nog ujedna~avawa

strujnog i temperaturnog poqa nema velikih razlika u izlaznim temperaturama,

posebno za razli~ite meqave. Modelom predvi|ene tem per a ture na izlazu iz lo`i{-

ta bliske su vrednostima koje se mogu o~ekivati u realnosti i koje se koriste kao

projektne tem per a ture i ulazni podatak u prora~unu pregreja~a pare. Koncen-

tracija produkata na izlazu je najve}a za najkvalitetniji ugaq, a najmawa za ugaq sa

najvi{e pepela (odnosno najmawe sagorqive mase); razlika je oko 8%. Razlika

izme|u meqava je pribli`no 7,5% i poti~e od toga {to kod finije meqave vi{e

~estica sagoreva u centralnom delu lo`i{ta, jer je mawe krupnih ~estica koje se

kre}u ka levku (to su ve}inom nepotpuno sagorele ~estice).

34

Zakqu~ak

Bitna odlika ovog rada predstavqa modelirawe kompleksnih procesa u

realnom lo`i{tu za sagorevawe ugqenog praha. Prikazani su odabrani rezultati

parametarskih prora~una izvedenih na osnovu numeri~ke simulacije procesa u

lo`i{tu energetskog kotla A2 210 MWe TENT. Simulacija je izvedena na osnovu 3D

matemati~kog modela procesa, razvijenog za simulaciju procesa u lo`i{tu indus-

trijskih razmera. Model pru`a numeri~ki opis svih, ili ve}ine slo`enih i me|u-

sobno zavisnih procesa i pojava, koji defini{u rad lo`i{ta na ugqeni prah.

Raspolo`ivi modeli pojedinih procesa u lo`i{tu, unapre|eni su sa aspekta tro-

dimenzionalnosti, slo`ene geometrije lo`i{ta, slo`enih grani~nih uslova i sa

stanovi{ta prilago|avawa specifi~nostima konverzije na{ih ugqeva i ugra|eni u

jedinstven numeri~ki kod. Po prvi put kod nas se pristupilo razvoju trodimen-

zionalnog matemati~kog modela gasodinami~kih procesa u lo`i{tu, kao i odgova-

raju}eg numeri~kog koda.

U parametarskoj analizi je posmatrano pet re`ima rada lo`i{ta. Rezulta-

ti su pokazali da predlo`eni model realno odslikava uticaj promene ispitivanih

parametara (kvaliteta ugqa i granulacije ‡ fino}e mlevewa ugqenog praha) na kon-

verziju ~estica ugqenog praha usled sagorevawa, temperaturu dimnog gasa i kon-

centraciju ugqen-dioksida u lo`i{tu, kao i flukseve toplotnog zra~ewa na ekran-

skom zidu. Razvijeni model omogu}ava boqe poznavawe i analizu lo`i{nih procesa

i predstavqa dobru osnovu za daqe unapre|ewe modelirawa u ovoj oblasti. Model

omogu}ava detaqan uvid u strukturu i lokalne parametre procesa u lo`i{tu i mo`e

se koristiti za izvo|ewe ra~unarskih simulacija procesa u lo`i{tima realnih

kotlova, predvi|awe, prora~un i optimizaciju parametara i konstrukcije. Za pos-

matrane uslove rada, model pru`a mogu}nost odre|ivawa i procene karakteris-

ti~nih radnih parametara (pokazateqa pogonskog stawa lo`i{ta), kao {to su

temperatura lo`i{nih gasova, polo`aj plamena, koncentracija produkata sagore-

vawa, fluksevi toplotnog zra~ewa na ekranskom zidu itd. Stoga model predstavqa

osnovu za primenu u oblasti predvi|awa i dijagnostike pogonskih stawa i situacija

u lo`i{tu i vo|ewe kotlovskih postrojewa termoenergetskih blokova.

Oznake

A ‡ predeksponencijalni faktor u Arenijusovoj relaciji za brzinu reakcije, [m/s]d~ ‡ pre~nik ~estice ugqenog praha, [m]d~ i ‡ pre~nik ~estice ugqenog praha i-te frakcije, [m]d~ in ‡ po~etni pre~nik ~estice ugqenog praha, [m]d~ min ‡ pre~nik ~estice pepela ‡ ostale posle potpunog sagorevawa, [m]d~ sr ‡ sredwi pre~nik ~estica ugqenog praha, [m]E ‡ energija aktivacije ugqa u Arenijusovoj relaciji za brzinu reakcije, [J/mol]fi ‡ procentualni udeo i-te frakcije ugqenog praha u meqavi, [–]I+ ‡ intenzitet toplotne radijacije, [W/m2]I z

- ‡ intenzitet toplotne radijacije zida, [W/m2]kr ‡ kineti~ka brzina reakcije, [m/s]

S. Belo{evi} i dr.: Modelirawe i parametarska analiza rada lo`i{ta ...TERMOTEHNIKA broj 1-4 ‡ godina XXX, 23–38 (2004)

35

n ‡ broj frakcija ugqenog praha, [‡]rn ‡ jedini~ni vektor normalan na povr{inu, [‡](qr Rez)sr ‡ sredwi rezultuju}i radijacioni fluks na ekranskom zidu, [W/m2]R ‡ univerzalna gasna konstanta, [J/mol×K]rs ‡ jedini~ni vektor u pravcu upadnog zraka, [‡]T ‡ temperatura, [K]Tsr ‡ sredwa temperatura lo`i{nih gasova, [K]Tz ‡ temperatura zida lo`i{ta, [K]tiz ‡ sredwa temperatura lo`i{nih gasova, na izlazu iz lo`i{ta, [°C](XCO2)sr ‡ sredwa masena koncentracija ugqen-dioksida, [kg/kg]XCO2 iz ‡ sredwa masena koncentracija ugqen-dioksida, na izlazu iz lo`i{ta, [kg/kg]x, y, z ‡ koordinate, [m]

Gr~ki simboli

ez ‡ emisivnost zida lo`i{ta, [‡]s ‡ [tefan-Bolcmanova konstanta, [W/m2×K4]W ‡ prostorni ugao, [sr]

Literatura

[1] Afgan, N. H., Mar tins, N., Carvalho, M. G., Heat Flux – a De sign and Di ag nos tic Pa ram e ter for Ther malEquip ment, Pro ceed ings, EUROTHERM #56, Heat Trans fer in Ra di at ing and Combusting Sys tems-3,Delphi, Greece, April 1-3, 1998, 112-129

[2] Hill, S. C., Smoot, L. D., Mod el ing of Ni tro gen Ox ides For ma tion and De struc tion in Com bus tion Sys -tems, Prog. En ergy Combust. Sci., 26 (2000), 4-6, 417-458

[3] Azevedo, J. L. T., Coelho, L. M. R., Carvalho, M. G., Nu mer i cal Mod el ling of In-Fur nace NOx Re duc tionTech nol o gies for Pul ver ised Coal Com bus tion, Jour nal of The o ret i cal and Ap plied Me chan ics, 27 (1997), 1,77-88

[4] Wang, H., Harb, J. N., Mod el ing of Ash De po si tion in Large-Scale Com bus tion Fa cil i ties Burn ing Pul ver -ized Coal, Prog. En ergy Combust. Sci., 23 (1997), 3, 267-282

[5] Fiveland, A. W., Wessel, A. R., Nu mer i cal Model for Pre dict ing Per for mance of Three-Di men sional Pul -ver ized-Fuel Fired Fur naces, Jour nal of En gi neer ing for Gas Tur bines and Power, 110 (1988), 117-126

[6] Smoot, L. D., A De cade of Com bus tion Re search, Prog. En ergy Combust. Sci., 23 (1997), 3, 203-232[7] Visser, M., Weber, R., Math e mat i cal Mod el ling of Full In dus trial–Scale Com bus tion Equip ment, Re -

sults of the MMF 5-1 In ves ti ga tion, IFRF Doc. No. F36/y/18, Ijmuiden, the Neth er lands, 1992[8] Hill, S. C., Smoot, L. D., A Com pre hen sive Three-Di men sional Model for Sim u la tion of Com bus tion Sys -

tems: PCGC-3, En ergy & Fu els, 7 (1993), 6, 874-883[9] Coelho, P. J., Carvalho, M. G., Eval u a tion of a Three-Di men sional Math e mat i cal Model of a Power Sta -

tion Boiler, Jour nal of En gi neer ing for Gas Tur bines and Power, 118 (1996), 887-895[10] Stevanovi}, @., Mod el ling of Pul ver ized-Coal Com bus tion in Fired-Fur naces, Pro ceed ings, In ter na tional

Sem i nar on Mod el ling and Op ti mi za tion of Pol lut ant Re duced In dus trial Fur naces, Sofia, Bul garia, No -vem ber 27-29, 2000, Tech ni cal Uni ver sity of So fia, 45-59

[11] Filkoski, R. V., Petrovski, I. J., Nospal, A. T., CFD Sim u la tion of Pro cesses in Pul ver ized Coal-Fired Boiler Fur nace, Pro ceed ings on CD-ROM, 15th In ter na tional Con gress of Chem i cal and Pro cess En gi neer ingCHISA, Praha, Czech Re pub lic, Au gust 25-29, 2002, 1-10

[12] Krasinsky, D. V., Rychkov, A. D., Salomatov, V. V., Nu mer i cal Mod el ing of 3-D Two-Phase Tur bu lentFlows in a Vor tex Fur nace of Boiler Unit, Pro ceed ings, In ter na tional Con fer ence AMCA-95, Novosibirsk,Rus sia, June 20-24, 1995, 204-211

[13] Jones, J. M., Pourkashanian, M., Wil liams, A., Chakraborty, R. K., Sykes, J., Laurence, D., Mod el ling ofCoal Com bus tion Pro cesses – A Re view of Pres ent Sta tus and Fu ture Needs, Pro ceed ings, 5th An nual In -ter na tional Pitts burgh Coal Con fer ence, Pitts burgh, USA, Sep tem ber 14-18, 1998, 1-20

[14] Stankov, P., Three-Di men sional Tur bu lent Flows in Heat and Mass Trans fer Pro cesses, Ph. D. the sis –Sum mary, Tech ni cal Uni ver sity of So fia, De part ment of Hydroaerodynamics and Hydrolic Ma chines,CFD Cen ter, So fia, Bul garia, 1998

[15] Alekseenko, S. V., Borisov, V. I., Goryachev, V. D., Kozelev, M. V., Three-Di men sional Nu mer i cal and Ex -per i men tal Sim u la tion of Aero dy nam ics in Fur nace Cham bers of Ad vanced Steam Gen er a tors at Iso -ther mal Con di tions, Thermophysics and Aero mech an ics, 1 (1994), 4, 325-331

36

[16] Weber, R., Pe ters, A. A. F., Breithaupt, P. P., Visser, B. M., Math e mat i cal Mod el ing of Swirl ing Flames ofPul ver ized Coal: What Can Com bus tion En gi neers Ex pect from Mod el ing?, Jour nal of Flu ids En gi neer -ing, 117 (1995), 289-297

[17] Smoot, L. D., In ter na tional Re search Cen ters’ Ac tiv i ties in Coal Com bus tion, Prog. En ergy Combust. Sci.,24 (1998), 5, 409-501

[18] Belo{evi}, S. V., Oka, S. N., Sijer~i}, M. A., Stevanovi}, M. @., Postignuti rezultati urazvoju i postupnoj verifikaciji 3D modela lo`i{ta kotla za ugqeni prah, Tehnika, TENT2000, 55 (2000), 4/5, 45-51

[19] Belosevi}, S. V., Oka, S. N., Sijer~i}, M. A., De vel op ment of Three-Di men sional Math e mat i cal Model forPul ver ized Coal Boiler Fur naces, Book of Ab stracts, Com bus tion Re lated Flows, 3rd In ter na tionalFORTWIHR Con fer ence 2001 - High Per for mance Sci en tific and En gi neer ing Com put ing – Meth ods,De vel op ments and Ap pli ca tions, Erlangen, Ger many, March 12-14, 2001, 1-4

[20] Belosevi}, S. V., Oka, S. N., Sijer~i}, M. A., Re sults of Three-Di men sional Math e mat i cal Model De vel op -ment for Pul ver ized Coal Fur nace, Pro ceed ings, 13st Sem i nar of Young Sci en tists: Phys i cal Prin ci ples ofEx per i men tal and Math e mat i cal Sim u la tion of Heat and Mass Trans fer and Gas Dy nam ics in PowerPlants, Saint Pe ters burg, Rus sia, May 20-25, 2001, v. 1, 254-257

[21] Belo{evi}, S., Oka, S., Brki}, Q., @ivanovi}, T., Sijer~i}, M., Stevanovi}, @., Modelirawe isimulacija procesa u lo`i{tu kotla na ugqeni prah, primenom sopstvenog 3D kompjuterskogkoda, Procesna tehnika, 18 (2002), 1, 207-210

[22] Belo{evi}, S., Oka, S., Brki}, Q., @ivanovi}, T., Sijer~i}, M., Uticaj granulacije ugqenogpraha i kvaliteta ugqa, prema modelu lo`i{nih procesa u kotlu, Procesna tehnika, 19 (2003),1, 213-216

[23] Belo{evi}, S., Prilog modelirawu procesa u lo`i{tu kotla za sagorevawe ugqenog praha,Doktorska disertacija, Ma{inski fakultet, Univerzitet u Beogradu, Beograd, 2003.

[24] Pavlovi}, P., Rizni}, J., Rezultati toplotnih merewa u lo`i{tu kotla br. 2 TE „NikolaTesla”, Interni izve{taj IBK-LTFT-104, Institut za nuklearne nauke „Vin~a”, Beograd,1977

[25] Pavlovi}, P., Stefanovi}, P., Primena plazmatrona za stabilizaciju sagorevawa na kotlubloka 210 MW u TE „Nikola Tesla”, Izvod iz studije, Institut za nuklearne nauke „Vin~a”,Beograd, 1999

Ab stract

Mod el ing and Para met ric Study ofUtil ity Boiler Fur nace Op er a tion

by

Srdjan BELO[EVI]1, Sim eon OKA1, Miroslav SIJER^I]1,Ljubi{a BRKI]2 and Titoslav @IVANOVI]2

1 VIN^A In sti tute of Nu clear Sci ences, Bel grade, Ser bia and Montenegro2 Fac ulty of Me chan i cal En gi neer ing, Uni ver sity of Bel grade, Bel grade, Ser bia and Montenegro

Pa per pres ents se lected re sults of para met ric study per formed by means of nu -mer i cal sim u la tion of pro cesses in TENT-A2 210 MWe util ity boiler tan gen tially-fireddry-bot tom fur nace. Grind ing fine ness of coal and coal qual ity have been se lected and an -a lyzed as pa ram e ters char ac ter iz ing the fur nace op er at ing con di tion. Five op er a tion re -gimes of the fur nace have been con sid ered by para met ric study. The sim u la tion has been

S. Belo{evi} i dr.: Modelirawe i parametarska analiza rada lo`i{ta ...TERMOTEHNIKA broj 1-4 ‡ godina XXX, 23–38 (2004)

37

per formed on the ba sis of 3D math e mat i cal model of pro cesses, de vel oped for the pur -pose of the sim u la tion of pro cesses in in dus trial scale boiler fur naces. The sim u la tion re -sults are pre sented, as well as an anal y sis of the in flu ence of se lected op er a tion para-me ters to the pul ver ized coal par ti cles con ver sion due to com bus tion, to the flue gas tem -per a ture and car bon-di ox ide con cen tra tion in the fur nace and to the fur nace wall ra di a -tion fluxes. Po ten tial ap pli ca tions of the boiler fur nace mod el ing for di ag nos tics andpre dic tion of op er at ing con di tions and sit u a tions have been em pha sized in the pa per.

Key words: para met ric study, model, fur nace, pul ver ized coal

Odgovorni autor / Cor re spond ing au thor (S. Belo{evi})E-mail: v1belose@vin.bg.ac.yu

38