1. ДИСЕРТАЦИОНЕН ТРУД
Моделни изследвания на пещните процеси на
енергийни парогенератори тип 1В-365-139, ст. №4 в
ТЕЦ „Русе - Изток“
Технически Университет – София
Енергомашиностроителен Факултет
Катедра Топлоенергетика и Ядрена Енергетика
Докторант: маг. инж. Крум Тодоров
Научен ръководител: проф .д-р. инж. Бончо Бонев

2. Екологични
изисквания
Промяна на
горивната
база
Натурни
изпитания
Моделни
изследвания
Технологични
параметри
характеризи-
ращи
работата на
ЕПГ
1. Подход при
създаването и
използването на
цифров модел за
изследване на горивен
процес
2. Повишаване на
паропроизводството
(достигане на проектни
стойности)
3. Препоръки за
оптимална работа на
котел 1В-365-139
свързани с:
- Намаляване на
загубите в пещната
камера
- Първични
мероприятия за
редуциране на NOx
Постановка на изследванията в дисертационния труд
Причини.
Необходи-
мост от
обследване
Цел:
1.Оптимизиране на
горивния процес с
цел намаляване
загубите в ПК
2.Редуциране на
азотните оксиди
Средства.
Планиране и
провеждане
на
изследването
Резултати Изводи и заключения

3. Заключителна частИзследователска
част
Теоретична частУводна част
Глава I
Постановка на
изследователската
задача
Глава II
Теоретични основи при
провеждането на
цифрови симулации за
изследване на горивни
процеси
Глава VI
Теоретични познания за
формирането и редуци-
рането на азотни оксиди
при горивни процеси
Глава III
Планиране и
провеждане на натурни
изпитания на ЕПГ 1В-
365-139
Глава IV
Изграждане на
изчислителен модел
Глава V
Моделни изследвания
на организацията на
горивния процес
Глава VII
Моделни изследвания
за образуването и
разпределението на
азотните оксиди в
пещната камера
Препоръки за
оптимална работа на
котел тип 1В-365-139
Подход при създаването
и използването на
цифров модел за
изследване на пещни
процеси
Предложения за
оптимизиране на
горивния процес
Предложения за
първични мероприятия
за редуциране на NOx
Структура на дисертационния труд

4. Принципна схема на изследвания обект
ПГ 1В-365-139, ст. № 4
ТЕЦ ,,Русе-Изток’’

5. Основни параметри и технологични особености на парогенератор
1В-365-139, ст. № 4 в ТЕЦ „Русе - изток”
Основни технически параметри на ПГ са:
• Номинална паропроизводителност: 365 t/h
• Налягане на прегрята пара: 13,9 MPa
• Температура на прегрята пара: 535 oC
• Температура на питателна вода: 240 oC
• Разход на междинно прегрята пара: 328 t/h
– Налягане и температура на входа: 3,62 MPa, 389 oC
– Налягане и температура на изхода: 3,26 MPa, 535 oC
• Часов разход на гориво: 42,5 t/h
C r, % H r, % N r, % O r, % S r, % A r, % W r, % Q , kJ/kg
70,04 2,78 1,03 1,35 0,42 16,6 6,0 26 168
Характеристики на проектното гориво

6. Проектни данни
Параметър Означ. Размерност Стойност
Часов разход на гориво В t/h 42,5
Паров товар D t/h 365
Загуба на топлина с изходящи газове q2 % 6,815
Загуба на топлина от химическо
недоизгаряне
q3 % 0
Загуба на топлина от механично
недоизгаряне
q4 % 4
Загуба на топлина в околната среда q5 % 0,433
Загуба на топлина с физическата топлинна
на шлаката
q6 % 0,17
Температура на изходящи газове tДГ
оС 140
КПД брутен разчетен η % 88,57
Теоретичен обем на в-ха за горене Vo Nm3/kg 6,75

7. Натурни изпитания на ЕПГ 1В-365-139, ст. № 4
● Промяна на общото количество организирано
подаван въздух;
● Промяна на количеството въздух подавано към
мелниците;
● Промяна на количеството въздух подаван като
вторичен;
● Промяна на количеството въздух
подаван като първичен;
Провеждане на натурни изпитания:
● Определяне на съдържанието на О2 (кислород) в
димните газове в конвективна шахта (в зоната на
стационарния прибор за измерване на кислород) и
пред електрофилтър;
● Определяне на съдържанието на неизгорял въглерод
в отнесеното.

8. Гориво Стойност
Калоричност, [kJ/kg] 28 500 ÷ 28 900
Съдържание на летливи
вещества, [Vdaf, %] 10 ÷ 12
Финост на праха, [R90 , %] 10 ÷ 12
Товар на блока, MWе 90 100 110
Разход общ въздух [m3/h]
(след корекция на показанията
на приборите) 294 000 328 000 360 00
Показание на положението на
клапите за вторичен въздух №№
1÷10, [%] 45 ÷ 50 60 ÷ 65 80
Налягане на първичния въздух,
[Pa] 3600÷3700 3800÷4000 4100÷4300
Режимна карта

9. Коефициент на полезно действие на парогенератор ст. № 4
Величина Означение Дименсия Стойност
Електрическа мощност Nел MW 85 95 110
Разход на прегрята пара D t/h 260,6 291,1 346,4
Калоричност на въглищата Qi
r КJ/kg 29420 29420 27864
Съдърж. на неизг. гориво в отнесената
пепел с дим. газове
U % 12 13 14
Температура на изходящите газове
(средна)
tизх.г.
ОC 164,5 164,2 169,0
Коефициент на излишък на въздуха αизх.газ. - 1,95 1,87 1,71
Загуба с изходящите газове q2 % 10,60 10,08 10,26
Загуба от механично недоизгаряне q4 % 1,74 1,75 2,07
Загуба от топлообмен с околната среда q5 % 0,54 0,49 0,41
Загуба с физическата топлина на
шлаката
q6 % 0,12 0,11 0,12
КПД – обратен баланс ηпг % 87,03 87,57 87,15

10. 10,60 %
10,08 %
10,26 %
9
9.5
10
10.5
11
250 275 300 325 350
q2, %
DПП, [t/h]
Загуба на топлина от изходящи газове
q2 = 32,5925 – 0,14545.DПП + 0,000234.(DПП)2 , %
1.7405142 1.748369
2.068026
1.5
1.75
2
2.25
2.5
250 275 300 325 350
q4, [%]
Dпп, [t/h]
Загуба на топлина от механично недоизгаряне
q4 = 5,34775 – 0,02779.DПП + 0,000053.(DПП)2 , %
1.954
1.8674
1.71
1.2
1.4
1.6
1.8
2
250 275 300 325 350
DПП [t/h]
Коефициента на излишък на въздух
αизх.газове
αизх.газ. = 2,69735 – 0,00286.DПП
87.03
87.57
87.15
86.8
87
87.2
87.4
87.6
87.8
88
250 275 300 325 350
кпд, [%]
DПП, [t/h]
КПД на котел №4
ηК4 = 60,2139 + 0,18024.DПП + 0,0003.(DПП)2 , %
Промяна на основни технологични параметри спрямо паровия товар

11. Изграждане на цифров симулационен модел за обследване на
процесите в пещната камера на парогенератор ст. № 4 в ТЕЦ „Русе
– Изток”
Геометрични особености на изчислителния модел
Вертикално сечение на ПК
на ПГ ст. №4
Тримерен модел на ПК,
изграден в CAD среда
Стъпки при създаване
на изчислителен модел
• Пресъздаване на
геометричните размери
в CAD среда
• Избор на граници на
работния обем
• Създаване на
изчислителна мрежа в
ANSYS ICEM
• Задаване на входни
условия в ANSYS CFX

12. Изграждане на цифров симулационен модел за обследване на
процесите в пещната камера на парогенератор ст. № 4 в ТЕЦ „Русе –
Изток”
•390 000 елементарни обема
•Хексагонална изчислителна мрежа
•Различна гъстота в различните зони на
моделирания обем
Разходът на гориво - 42,5 t/h (11,805 kg/s),
като 20% в бридови горелки (2,361 kg/s)
8 на брой (през една БГ се подават 0,2951 kg/s)
Останалите 80% от горивото
постъпва през основни
горелки (9,444 kg/s)
10 на брой (през една ОГ
се подават 0,9444 kg/s).
Дебит,
Nm3/h
Темп.,
оС
Първичен въздух 150 000 200
Вторичен въздух 165 000 335
Въздух за мелничен
вентилатор
45 000 130
Общо организирано
подаван въздух
360 000 -
Въздух бриди 335
Транспорт бриди 130

13. Валидиране на резултати от изчислителен модел на пещната
камера на парогенератор ст. № 4 в ТЕЦ „Русе – Изток”
№ Величина Дименсия Проект Модел
Отн.
откл., %
1
Топлинна мощност
възприета от екранните
стени на топилната пещ
MW 58 61,4 -5,9
2
Топлинна мощност
възприета от екранните
стени на ПК между двете
стеснения
MW 65 68,5 -5,4
3
Обща топлинна
мощност възприета от
екранните стени на ПК
MW 123 129,9 -5,6
4
Топлинна мощност на
димния газове на изхода
от ПК
MW 212 204,0 3,8
5
Обща топлинна
мощност освободена в
ПК
MW 335 333,9 0,3
6
Темп. на димните газове
на изхода от топилната
пещ
К 2058 1985 3,5
7
Темп. на димните газове
в зоната на
аеродинамичния зъб
К 1510 1420 5,9
● Проверка сходимостта
на решението от броя на
итерациите
● Проверка на
устойчивостта на
решението
● Проверка сходимостта
на решението за
използваната изчислителна
мрежа
● Проверка сходимостта
на решението за
използваната стъпка на
дискретизация
● Съпоставка на CFD
резултатите с
експериментални
(проектни) данни

14. Моделни изследвания на пещната камера
на котел ст.№ 4 в ТЕЦ „Русе – Изток”
Осъществени въздействия при моделните изследвания и критерии за оценка
Критерии за оценка на
направените въздействия
Осъществени въздействия
върху работата на котела
Промяна качеството на
подаваните за изгаряне
въглища
Промяна разхода на
организирано подавания
въздух
Промяна количествата
въздух подавани като
първичен и вторичен
Промяна количеството
въглищен прах подаван през
БГ
Промяна едрината на
въглищния прах подаван в
котела
Конструктивни промени на
котела с цел осигуряване
на „въздушно скеле”
Количество изгорял кокс
(въглища) – респ. загуби q4
Температурен профил по
височина на пещната камера
Изменение концентрацията
на O2 по височина на
пещната камера
Количество възприета
топлина от различните части
на пещта
Количество образувани
азотни оксиди при
различните въздействия

15. 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Проектно гориво 42,5 t/h Настоящо гориво 38,78
t/h
q4, % Неизгорял кокс, kg/s
Промяна качеството на подаваните за изгаряне въглища
Количество неизгорял кокс
(въглища) – респ. загуби q4
Изменение на температурата
по височина на ПК
Изменение концентрацията
на O2 по височина на ПК
Количество възприета
топлина от различните части
на пещта
100
140
180
220
260
Проектно гориво
42,5 t/h
Настоящо гориво
38,78 t/h
QПК,
QPRESS,
MW
QПК, MW
Qpress, MW

16. Изгаряне на въглища с различно количество
организирано подаван въздух
Изменение на температурата
по височина на ПК Количество изгорял кокс
(въглища) – респ. загуби q4
Изменение концентрацията
на O2 по височина на ПК
Топлинна мощност
възприета от ПК
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
130
150
170
190
210
317,000 360,000 380,000
Изгорялкокс,kg/s
Загубиq4,%
QПК, QPRESS,
MW
Разход на организирано подавания въздух в
ПК, Nm3/h
QПК, MW
Qpress
Изгорял Кокс
q4, %

17. Промяна на съотношението между първичен и
вторичен въздух
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
110
130
150
170
190
210
230
Vпърв/Vобщо=0,42 Vпърв/Vобщо=0,37 Vпърв/Vобщо=0,32
Изгорялкокс,kg/s
Загубиq4,%
QПК, QPRESS, MW
Топлинна можност възприета от ПК и топлина напускаща пещта
при изменение на съотношението между първичния и вторичния
организирано подаван въздух
QПК, MW Qpress
Изгорял Кокс q4, %
1100
1200
1300
1400
1500
Отн.
Vпърв/Vобщо=0,42
Отн.
Vпърв/Vобщо=0,37
Отн.
Vпърв/Vобщо=0,32
TПК
1, ТПК
2
ОС
Изменение на температурите в две сечения на ПК
при промяна на съотношението между
първичния и вторичния въздух
TПК,1- Средна температура на изхода от топилната пещ
ТПК, 2- Средна температура във второто стеснение
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Височина на ПК
H, m
О2, %
Промяна концентрацията на О2 по височина на ПК при изменение на
съотношението между първичния и вторичния въздух
Отн. Vпърв/Vобщо=0,42 при 10% бриди
Отн. Vпърв/Vобщо=0,37 при 10% бриди
Отн. Vпърв/Vобщо=0,32 при 10% бриди

18. Промяна дела на въглищния прах подаван в
бридовите горелки
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
1300 1400 1500 1600 1700 1800
Височина на
ПК
H, m
Т, К
Изменение на средната температура Tср по
височина на ПК при промяна количеството на
подаваното гориво през бридови горелки
10% въглищен прах в БГ
20% въглищен прах в БГ
30% въглищен прах в БГ
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 2 4 6 8 10
Височина на ПК
H, m
О2, %
Изменение концентрацията на О2 по височина на ПК
при промяна количеството на подаваното гориво през
бридови горелки
10% въглищен прах в БГ
20% въглищен прах в БГ
30% въглищен прах в БГ
1100
1200
1300
1400
1500
10% 20% 30%
TПК1, ТПК2
ОС
Дял на въглищен прах подаван в БГ
Изменение на температурите в две сечения на ПК
при промяна на дела на въглищния прах подаван
през БГ
TПК,1- Средна температура на изхода от топилната пещ
ТПК, 2- Средна температура във второто стеснение
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
110
130
150
170
190
210
230
10% 20% 30%
Изгорялкокс,kg/s
Загубиq4,%
QПК, QPRESS,
MW
Дял на въглищен прах подаван в БГ
Топлинна мощност възприета от ПК и топлина
мощност на ДГ при промяна на дела на въглищния
прах подаван през БГ
QПК, MW Qpress Изгорял Кокс q4, %

19. Моделно изследване на горивния процес при различна
едрина на въглищния прах подаван в парогенератор ст. №4
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900
Височина на
ПК
H, m
Т, К
Изменение на средната температура Tср по височина
на ПК при промяна зърнометричния състав на
горивото
57μm 45μm
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 2 4 6 8 10
Височина на
ПК
H, m
О2, %
Изменение концентрацията на О2 по височина на
ПК при промяна зърнометричния състав на
горивото
57μm 45μm
0
50
100
150
200
250
57 45
QПК, MW 136.7 140.4
Qpress, MW 207.7 211
Изгорял Кокс, kg/s 7.993 8.148
q4, % 3.2438 1.8163
Изменение на някои параметри при промяна едрината на
въглищния прах
Количество изгорял кокс
(въглища) – респ. загуби q4
Топлинна мощност
възприета от ПК и топлинна
мощност на ДГ

20. Образуване на азотни оксиди при изгаряне на органични
горива в енергийни парогенератори
Азотни оксиди
Видове
NO NO2
Механизми на формиране
Термични
NOx
МеханизъмнаЗелдович
Горивни
NOx
Бързи NOx
ФениморNO-образувасе
мигновеновъвфронтана
пламъка,предиданастъпи
моментазаобразуваненаNO
чрезтермичниямеханизъм
Влияние на температурата в ПК
върху образването на NOx
NO ≥
95%.NOx

21. Методи използвани в дисертационния труд за изчисляване на
концентрацията на NОx.
Методи за определяне на концентрацията на NOx
„МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАСЧЕТУ ВЫБРОСОВ
ОКСИДОВ АЗОТА С ДЫМОВЫМИ ГАЗАМИ КОТЛОВ
ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ”, РД. 34.02.304-95,
01.07.1996 г.
/Разработен от ВТИ и ЦКТИ/
Масовият дебит на изхвърляните
азотни оксиди (g/s) се определя чрез
приведено азотно съдържание.
Използване на ANSYS CFX за моделни изследвания на
образуването и редуцирането на азотни оксиди при
енергийни парогенератори
Моделза„термичен”
NO
Моделза„бърз”NO
Моделза„горивен”
NO
Моделзадоизгаряне
(разпадане)наNO

22. Влияние на различни въздействия върху образуването на NOx в пещната
камера според нормативен метод - РД. 34.02.304-95.
Промяна на концентрацията на NOx в зависимост от
коефициента на излишък на въздух на ГИ
Промяна на концентрацията на NOx в зависимост от
температурата в зоната на горивния процес
Промяна на концентрацията на NOx в зависимост от
отношение на скоростите в изходното сечение на горелката
Велич. Разм. 1 2 3 4 5 6 7 8 9
- 0,9 0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3
K 1250 1350 1450 1550 1650 1750 1850 1950 2050
W2/W1 - 1,4 1,725 2,05 2,375 2,7 3,025 3,35 3,675 4
Начални условия
Гα
''
АГТ

23. Формиране на NO в ПК на котел ст. №4 в ТЕЦ „Русе - Изток” –
резултати от моделни изследвания
Сравнителен анализ при изгаряне на въглища с различно количество организирано
подаван въздух
620
640
660
680
700
720
740
760
780
317000 360000 380000
682
759
776
NO, ppm
V, m3/h
Концентрация на азотните оксиди на изхода от ПК при
промяна разхода на организирано подавания въздух
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12
Височина на ПК
H, m
NO, kg/s
Изменение масовия дебит на NO по височина на ПК при
промяна разхода на организирано подавания въздух
Vв-х=317000
Vв-х=360000
Vв-х=380000

24. Предложения за реконструкция на ПК на котлоагрегат ст. №
4, с цел ограничаване формирането на азот оксиди.
• Модел на реконструираната пещ на ПГ
ст. № 4 - Въздушно скеле.
 Зоната на високите температури да има
недостиг на въздух т.е. α < 1,0;
 Над тази зона да се подава останалия
необходим за горенето въздух.
• Геометрични особености на изчислителния модел- корекция
на съществуващата конструкция:
 над стеснението на изхода от топилната пещ (от двете страни) се
разполагат по 5 отвора;
 избраната форма е правоъгълна със следните размери: 0,75 x 0,45 m;
 броят и размерите на отворите са съобразени с дебитите на въздух,
които са предвидени да преминат през тях и съответните скорости на
изтичане;
 през тези отвори се подава „третичен” въздух.

25. Изследвани въздействия чрез новия модел на пещната камера

26. Случаи с коригирана конструкция – въздушно скеле
(Vв-х=380 000 Nm3/h)
Разход
на въглища
Организирано подаван въздух (*)
Средна
едрина
напраха
вОГ
ОБЩО
t/h
%гориво
бриди
Общо
Въздух
Nm3/h
Първичен
m/s(%)
Вторичен,
m/s(%)
Третичен,
m/s(%)
транспорт
бриди,
m/s(%)
μm
Случай 03 42,5 20 380 000
42,6
(39 %)
17
(30 %)
21
(18 %)
35,87
(11 %)
57
Случай 04-
пос. на
насочва
42,5 20 380 000
42,6
(39 %)
17
(30 %)
21
(18 %)
35,87
(11 %)
57
Случай 05 42,5 20 380 000
32,6
(30 %)
17
(31 %)
31,5
(30 %)
35,87
(11 %)
57
Случай 06 42,5 20 380 000
32,6
(30 %)
17
(31 %)
31,5
(30 %)
35,87
(11 %)
45
Случай 08
(**)
42,5 20 380 000
32,6
(30 %)
17
(31 %)
31,5
(30 %)
35,87
(11 %)
57
Случай 09
(***)
42,5 20 380 000
32,6
(30 %)
17
(31 %)
19
(30 %)
35,87
(11 %)
57
(*) – В таблицата за организирано подавания въздух, са посочени скоростите с които въздуха влиза в пещната камера и
процентния дял на всеки от тях от общия организирано подаван към котела (стойността в скобите);
(**) – Разликата между Случай 5 и Случай 8 – местата през които се подава третичния въздух (но сеченията са равни);
(***) – Разликата между Случай 5 и Случай 9 – сеченията през които се подава третичния въздух;

27. Резултати от моделни изследвания при осъществяването на
„въздушно скеле” в пещната камера.
0
50
100
150
200
250
0% 18% 27%
QПК, MW 133.53 130.1 142.5
Qpress, MW 218.3 205.3 198.9
Изгорял Кокс, kg/s 8.134 7.693 7.624
q4, % 1.9332 5.9965 6.6296
Дял третичен
въздух
Изменение на температурата
по височина на ПК
Количество изгорял кокс
(въглища) – загуби q4
Промяна концентрацията
на NO
Топлинна мощност
възприета от ПК
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0% 18% 27%
TПК,1- Средна
температура на
изхода от топилната
пещ
1686 1732 1785
ТПК,2- Средна
температура във
второто стеснение
1411 1379 1377
NO, ppm 770 588 499
Дял на третичния въздух

28. Научно-приложни приноси
● Формулиран и обоснован е научен подход за изследване
и подобряване характеристиките на пещни процеси при
енергийни котли, оползотворяващи въглища в условията на
факелно изгаряне. Този подход се основава на комбинацията
от натурни и моделни изследвания;
● Разработен е цифров симулационен модел за
изследване на пещните процеси на котел 1В-365-139 в
ТЕЦ „Русе-Изток”. Извършена е валидация на модела
при проектни и реални експлоатационни условия;
● Създадени и приложени са модели за изчисляване на
формиращите се в пещната камера азотни оксиди при
изгаряне на въглища в условията на факелко изгаряне;
● Направени са научно обосновани предложения за
редуциране на формиращите се азотни оксиди в
пещната камера на котел тип 1В-365-139.

29. Инженерно-приложни приноси
● На основата на предложение за оптимално
разпределение на подавания въздух за горене е
повишено паропроизводството на котела за
сметка на намаление на загубите на топлина от
механично недоизгаряне;
● Използвайки утвърдена методика за
натурни изпитания на котли е направен анализ
на текущото състояние на котела и са посочени
коригиращи действия за подобряване
условията на цялостната работа на котела.

30. БЛАГОДАРЯ ВИ ЗА ВНИМАНИЕТО!
Технически Университет – София
Енергомашиностроителен Факултет
Катедра Топлоенергетика и Ядрена Енергетика
Докторант: маг. инж. Крум Тодоров