1. Введение
Изучение процессов плазменной обработки топливных материалов осуществляются рядом исследовательских групп России [1], [2], [3], [4], странах СНГ [5], [6], [7] и за рубежом [8], [9]. Использование плазменных технологий розжига на ТЭЦ перспективно для повышения эффективности их работы, экологической безопасности, обусловленной снижением вредных выбросов, более полным сгоранием угля, в том числе высокозольного, а также уменьшения топливных затрат в энергосистемах.
Тем не менее, внедрение плазменных технологий в современную энергетику и промышленность России ограничено из-за недостаточно глубокого понимания происходящих при плазменной обработке угля технологических процессов, включая аэродинамические явления. Это обстоятельство выступает ключевым препятствием для масштабирования установок плазменного воспламенения, применяемых в энергетических системах. Решение поставленных задач приведет к результатам, имеющим значительную научную ценность для отрасли.
Помимо технико-экономических доводов актуальность внедрения инновационных технологий сжигания углеводородного топлива согласуется с Энергетической Стратегией России до 2030 года, планирующей уменьшение газовой составляющей на фоне роста доли угля в энергобалансе внутреннего потребления.
Оценивать влияние различных факторов на аэродинамику запылённого потока внутри трубопровода ПТС сложно из-за гравитационного разделения пылевых частиц и деформации профиля скоростей в канале [3], [4], [10]. Для устранения данных эффектов используются устройства подготовки потока (УПП), которые позволяют выровнять профиль скорости текучих сред, устранить закрутку потока, деформацию эпюры его скоростей по сечению трубы.
Цель работы — экспериментальное изучение влияния модернизированного устройства подготовки потока на аэродинамические параметры в канале термохимической плазменно-топливной системы.
2. Методы и принципы исследования
Схема плазменно-топливной установки: 1 – плазмотрон; 2 – пункт электропитания; 3 – топливный бункер; 4, 5 – устройства воздухоподачи; 6 – контрольно-измерительные системы; 7 – зона термохимической угольной подготовки; 8 – камера циклонного типа; 9 – частотные приводы
Общий вид стенда с установленным УПП
На рисунке 1 изображена схема лабораторного стенда, на котором проводилось экспериментальное исследование.Для изучения аэродинамических свойств запыленного потока отдельно смоделирован Т-образный стенд (рис. 2) с длиной трубопровода 2350 мм, диаметром 100 мм. Через отвод a подавалась угольная пыль, УПП был установлен в точке b.Распределение давления, скоростей воздушного потока в системе, движения характерной частицы изучали методом CFD-моделирования.
3. Основные результаты и обсуждение
Результаты стендовых испытаний показали, что без использования УПП (или струевыпрямителя) эпюра скоростей запыленного потока предсказуемо деформируется из-за сил трения о внутренние поверхности канала, осаждения частиц пыли под действием гравитации в нижнюю его часть. Для компенсации данных искажений среди ассортимента разных моделей (УПП «Sprenkle», «Zanker» «Gallagher», «K-Lab NOVA», «NEL Spearman», струевыпрямители «АМСА», «Etoile») наиболее подходящим является УПП «NEL (Spearman)». Последний отличается простотой, надежностью конструкции и позволяет эффективно стабилизировать газодисперсный поток на небольшом расстоянии от источника возмущений, поддерживать равномерное скоростное поле, нивелировать гидравлическое сопротивление.
УПП «NEL (Spearman)»
УПП с конструктивными изменениями
На рисунке 3 представлен общий вид и разрез модели устройства — пластина с отверстиями на трех окружностях (толщина 0,12 D — диаметр трубопровода), которая монтируется поперек потока.Однако в запылённом потоке частицы замедляются при столкновениях с плоскими поверхностями устройства подготовки потока, многократно отражаясь обратно против направления движения, создавая дополнительное сопротивление потоку (рис. 5а, 6а) и приводя к значительным потерям давления (рис. 7а) согласно данным CFD-моделирования. Замедление частиц способствует усиленной гравитационной сепарации из-за потери ими импульса [11], что ухудшает общую эффективность функционирования (рисунки 5–7).
Трек характерной частицы вблизи УПП: а – исходный вариант; б – модернизированный
Общий вид на трек характерной частицы в стенде: а – исходный вариант УПП; б – модернизированный
Графическое изображение распределения давления в области установки УПП: а – исходный вариант; б – модернизированный
Однако в запылённом потоке частицы замедляются при столкновениях с плоскими поверхностями устройства подготовки потока, многократно отражаясь обратно против направления движения, создавая дополнительное сопротивление потоку (рис. 5а, 6а) и приводя к значительным потерям давления (рис. 7а) согласно данным CFD-моделирования. Замедление частиц способствует усиленной гравитационной сепарации из-за потери ими импульса [11], что ухудшает общую эффективность функционирования (рисунки 5-7).С учетом установленных недостатков исходного варианта была разработана новая модель, конструктивные отличия которой могли бы позволить повысить устойчивость профиля скорости и устранить прямое столкновение частиц с поверхностью детали [11], [12].
Разрез пластины с разметкой зенкирования
Результат зенкирования
Модификация проводилась в соответствии с алгоритмом: для типовой трубы (D = 100 мм) принимается толщина пластины 24 мм с отверстиями 10, 12, 16 мм, что соответствует ГОСТу 8.586.1-2005. Далее пластина делится линией по Х-оси, толщина нижней и верхней частей пластины от нижней и верхней граней соответственно до медианной линии составляет 12 мм. Зенкирование проводится по рабочим диаметрам отверстий 10–18 мм, 16–33,5 мм и 12–26 мм (рис. 8), в результате чего происходит развертка верхней части пластины и верхняя часть приобретает ряд острых граней, разделяющих отверстия перфорации (рис. 9). С помощью фотополимерного 3D-принтера AnycubicPhotonM3 6K (КНР) печатали деталь из акриловой смолы (рис. 4).Рабочая поверхность с острой формой граней оптимизированного УПП уменьшает эффект торможения частиц, понижая гидравлическое сопротивление (рис. 5б, 6б, 7б). Дополнительно входная кромка позволяет распределить частицы в объеме трубопровода, что устраняет накопленный эффект гравитационной сепарации.
Эпюра скоростей воздушного потока
Идеальная эпюра скоростей смоделирована на рисунке 10 с наложением исследованных вариантов УПП. При использовании УПП в запыленном потоке необходимо добиться максимально приближенной формы эпюры скоростей к идеальной.Расчет известных аналитических метрик оценки качества регрессионных моделей дает объективное заключение об эффективности предложенного варианта модернизации УПП (таблица 1).
Сравнительные данные аналитических метрик для разных режимов
| Метрика | Оценка относительно двух режимов | ||
| ИД и БС | ИД и М-УПП | ИД и УПП NEL | |
| MAE | 0,69 | 0,79 | 0,78 |
| RMSE | 1,02 | 0,95 | 1,03 |
| R | 0,96 | 0,98 | 0,97 |
| 2 | 0,93 | 0,97 | 0,94 |
По совокупному анализу значений метрик можно сделать вывод об эффективности модернизированного УПП: значение среднеквадратичной ошибки RMSE минимально, что свидетельствует о более точном прогнозе и приближении фактических данных, коэффициент детерминации R2 имеет наибольшее значение, близок к единице и подтверждает соответствие модели данным.
Расчет коэффициентов местного сопротивления производился на основании экспериментальных данных для труб диаметром 100 мм со средней скоростью потока 15 м/с. Исходные данные к расчету и результаты сведены в таблицу 2.
Результаты расчета местного сопротивления
| Вид УПП | Перепад давления, ∆p | Плотность воздуха, ρ | Скорость потока, ω | Коэффициент местного сопротивления, ξ |
| «NEL (Spearman)» | 830/89 | 1,226 | 15 | 5,37 |
| М-УПП | 553/86 | 1,226 | 15 | 3,38 |
Таким образом, соотнося величины коэффициентов местного сопротивления для УПП с внесенными конструктивными изменениями со стандартным УПП, можно сделать вывод о том, что модернизированный вариант устройства не только позволяет стабилизировать поток с частицами пыли, но и обладает лучшими показателями по сопротивлению, не вызывая потери удельной энергии потока на данном участке.
При внедрении оптимизированного варианта УПП следует учитывать возможный негативный эффект повышенной скорости износа детали вследствие особенностей строения острых граней, подверженных абразивному воздействию движущегося потока частиц твердого топлива.
Представленный в исследовании вариант УПП, изготовленный из органической акриловой фотополимерной смолы, применялся для лабораторных испытаний и является расходным звеном, не предназначенным для долгосрочной работы в условиях агрессивных сред [12]. В производственном процессе повышение ресурса элементов устройства подготовки пылеугольного потока представляет собой одну из важных задач, направленных на обеспечение надёжности и эффективности функционирования системы. Ключевое значение здесь приобретает правильный подбор конструкционного материала и защитных покрытий, обеспечивающих устойчивость к абразивному износу, вызванному воздействием твердых частиц топлива.
Одним из перспективных направлений повышения ресурса является использование высокопрочных нержавеющих сталей и сплавов (легированных Cr, Mo, Ni), отличающихся высоким сопротивлением абразионному износу, что позволяет увеличить срок службы изделий, работающих в сложных условиях эксплуатации [13]. Другим решением может быть использование композитов на основе керамических наполнителей (например, карбид вольфрама в металлической связующей матрице кобальта), обеспечивающих повышенную прочность и износостойкость поверхности, низкий коэффициент трения [14]. Одним из наиболее распространённых методов защиты поверхностей является напыление износостойких покрытий, например, на основе нитрида титана, борида хрома [15], обладающих высокими прочностными характеристиками, низким коэффициентом трения и хорошей адгезией к подложкам.
Проблема повышения ресурса деталей устройства подготовки пылеугольного потока требует комплексного технико-экономического подхода, выбор оптимального материала или покрытия должен основываться на результатах лабораторных и натурных испытаний, учитывающих специфику условий эксплуатации конкретного устройства.
4. Заключение
Проведено сравнительное исследование изменения характера движения частиц, скорости, давления в трубопроводе ПТС при установке УПП.
Предложено усовершенствованное устройство подготовки запыленного потока для лабораторных исследований, позволяющее снизить эффект торможения и гравитационную сепарацию частиц, гидравлическое сопротивление.
Полученные данные открывают возможность дальнейшего изучения на испытательном стенде скоростных параметров движения воздушного потока и фракций угольной пыли, перепада давления в области расположения генератора низкотемпературной плазмы, аэродинамических процессов в плазменно-топливной системе с учетом горения.