Численные исследования аэродинамики дымовых труб с целью обеспечения достоверного контроля вредных выбросов ТЭС в атмосферу тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, кандидат технических наук Новожилова, Людмила Леонидовна

• Новожилова, Людмила Леонидовна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Новожилова, Людмила Леонидовна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР РАБОТ ПО РАЗРАБОТКЕ СИСТЕМ НЕПРЕРЫВНОГО МОНИТОРИНГА ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ТЭС В 7 АТМОСФЕРУ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Ограничение вредных выбросов в атмосферу

1.2. Перечень документов организации контроля загрязнения ^ атмосферы

1.3. Нормы выбросов вредных веществ в атмосферу

1.4. Показатели вредности

1.5. Контроль массовых выбросов вредных веществ в атмосферу

1.6. Системы непрерывного мониторинга вредных выбросов ТЭС в атмосферу

1.7. Современные технологии для контроля вредных выбросов в атмосферу

1.8. Методики непрерывного измерения расхода газа

1.9. Обзор дымовых труб

1.10. Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АЭРОДИНАМИКИ 57 ДЫМОВЫХ ТРУБ

2.1. Описание математической модели

2.2. Определение критериев оценки полученных результатов

2.3. Область исследования и граничные условия

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЩИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ЗАКРУЧЕННЫХ ТЕЧЕНИЙ В СТВОЛЕ ДЫМОВОЙ ТРУБЫ

3.1. Максимальная симметричная подача газов в гладкоствольную трубу

3.2. Максимальная симметричная подача газов к трубе с учетом неровностей поверхности ствола

3.3. Симметричная подача газов к трубе при пониженных расходах

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ФАКТОРОВ НА УСЛОВИЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ

4.1. Исследование влияния высоты разделительной перегородки

4.2. Исследование влияния несимметричной подачи и пониженных расходов продуктов сгорания в подводящих каналах

4.3. Исследование влияния конструктивных особенностей

4.4. Влияние начальной разности содержания вредных веществ в потоках на выравнивания полей концентраций по высоте 158 дымовой трубы

4.5. Обобщение результатов и рекомендации по установке систем ^^ непрерывного контроля вредных выбросов на дымовых трубах

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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

Заключение диссертации по теме «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты», Новожилова, Людмила Леонидовна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Новожилова, Людмила Леонидовна, 2009 год

1. Рихтер Л.А. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов тепловых электростанций: Учеб. для вузов по спец."Тепловые электр.станции", "Технология воды и топлива на тепл.электр.станциях" - М.: Энергоиздат, 1981. - 295 с.

2. Рихтер Л.А. Газовоздушные тракты тепловых электростанций: производственно-практическое издание/ Л.А. Рихтер. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 263 е.: ил. - Библиогр.: с. 257-260.

3. Волков Э.П., Прохоров В.Б., Рогалев Н.Д., Сафронов С.В. Снижение вредного воздействия выбросов в районе расположения ТЭС на окружающую среду на основе оптимизации распределения нагрузки // Теплоэнергетика.-1993.- № 1.- С.8-13.

4. Волков Э.П. Контроль загазованности атмосферы выбросами ТЭС. -М.: Энергоиздат, 1986.

5. Технические требования к автоматизированной системе контроля выбросов загрязняющих веществ ТЭС. М.: РАО «ЕЭС России», 1997.

6. Федеральный закон О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения №52-ФЗ от 30.03.1999 г. (с изменениями от 30.12.01; 10.01.03).

7. Основные положения энергетической стратегии России на период до 2020г. Территориально-Производственная Политика. Стратегия развития отраслей топливно-энергетического комплекса.

8. Внуков А.К. Защита атмосферы от выбросов энергообъектов: Справ. -М.: Энергоатомиздат, 1992.

9. Росляков П.В., Егорова Л13.Е., Новожилова Л.Л. и др. Исследование полей скоростей и концентраций продуктов сгорания в дымовой трубе ТЭС Теплоэнергетика, 2006, № 5 с. 17-25.

10. Федеральный закон об охране атмосферного воздуха. 04.05.99 N 96-ФЗ.

11. Постановление Правительства Российской Федерации от 12.06.03 г. № 344.

12. Постановление Правительства Российской Федерации от 28.08.92 г. № 632 Об утверждении Порядка определения платы и ее предельных размеров за загрязнение окружающей природной среды, размещение отходов, другие виды негативных воздействий.

13. Перечень методик измерения концентраций загрязняющих веществ в выбросах промышленных предприятий, допущенных к применению. М.: 2001.

14. РД 34.02.303-98. Отраслевая инструкция по нормированию выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для тепловых электростанций и котельных. М.: СПО ОРГРЭС, 1998.

15. ГОСТ Р 50831-95. Установки котельные. Тепломеханическая часть. Общие технические требования. М.: Изд-во стандартов, 1996.

16. РД 34.02.306-98. Правила организации контроля выбросов в атмосферу на тепловых электростанциях и в котельных. М.: СПО ОРГРЭС, 1998.

17. Перечень методик измерения концентараций загрязняющих веществ в выбросах промышленных предприятий, допущенных к применению. М.: СПО ОРГРЭС, 1996.

18. ГОСТ 8.505-84. Метрологическая аттестация методик выполнения измерений содержания компонентов проб веществ и материалов.

19. РД 34.11.321-88. Норма точности измерений технологических параметров тепловых процессов электростанций. М.: ВТИ, 1988.

20. Постановление Правительства Российской Федерации от 24 ноября 1993 г. О создании Единой государственной системы экологического мониторинга

21. Ионкин ИЛ., Росляков П.В., Егорова JI.E. Система непрерывного мониторинга и контроля вредных выбросов ТЭС в атмосферу: Учебное пособие. М.: Издательство МЭИ, 2000 158 с.

22. СО 34.02.320-2003. Методические указания "Организация контроля газового состава продуктов сгорания стационарных паровых и водогрейных котлов". -М.: СПО ОРГРЭС, 2003.

23. П.В. Росляков, Закиров И.А., Егорова JI.E. и др. Система непрерывного контроля и регулирования процесса горения и вредных выбросов в атмосферу Теплоэнергетика. 2000. №6. С. 35-40.

24. ГОСТ 8.207-76 Государственная система обеспечения единства измерений. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения.

25. РД 52.04.59-85. Охрана природы. Атмосфера. Требования к точности контроля промышленных выбросов. Методические указания.

26. П.В. Росляков, И.Л. Ионкин, И.А. Закиров и др. Контроль вредных выбросов ТЭС в атмосферу — М.: Издательство МЭИ, 2004.

27. ГОСТ 17.2.1.01-76. Охрана природы. Атмосфера. Классификация выбросов по составу.

28. РД 52.04.186-89. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. -С-Пб., 1991.

29. Положение о государственном учете вредных воздействий на атмосферный воздух.

30. Сборник законодательных, нормативных и методических документов для экспертизы воздухоохранных мероприятий. — JL: Гидрометеоиздат, 1986.

31. Installing CEMS Under The Clean Air Amendments of 1990// Proceedings of The American Power Conference. 1994. Vol. 56-11. Illinois Institute of Technology. Chicago, Illinois, 1994, p. 1209-1213.

32. Разработка системы мониторинга вредных газообразных выбросов Казанской ТЭЦ-З/Огчет о НИР/ МЭИ, руководитель Росляков П.В. М.: 1998.

33. Технические предложения на систему непрерывного мониторинга вредных газообразных выбросов в атмосферу Казанской ТЭЦ-3. Отчет о НИР /"Энергоситемотехника-2000", МЭИ (ТУ); Руководитель Росляков П.В. М., 2000.

34. Дьяков А.Ф., Берсенев А.П., Гаврилов Е.И. Макроэкологические аспекты развития теплоэнергетики России. //Теплоэнергетика. 1996. №2. С. 29-33.

35. Росляков П.В., Ионкин И.Л., Щелоков Ю.В. и др. Система мониторинга вредных газообразных и жидких выбросов тепловых электростанций — Электрические станции, 1998, №3.

36. Типовая инструкция по организации системы контроля промышленных выбросов в отрасли промышленности. Л.: Изд-во ГГО, 1986.

37. Росляков П.В., Ионкин И.Л., Закиров И.А., Егорова Л.Е. Влияние неравномерности концентрационных полей на достоверность газового анализа. Новое в российской электроэнергетике (ежемесячный электронный журнал), 2005, №1. с. 23-33.

38. Росляков П.В., Закиров И.А Егорова Л.Е. и др. Реализация систем непрерывного мониторинга вредных выбросов на ТЭС "ТАТЭНЕРГО" /Международная научно-практическая конференция "Экология энергетики-2000": Материалы конференции. М.: Издательство МЭИ, 2000.

39. Росляков П.В., Ионкин И.Л., Щелоков Ю.В. и др. Разработка программно-вычислительного комплекса системы мониторинга вредных газообразных и жидких выбросов тепловых электростанций -Электрические станции, 1998, №7.

40. Технологии мониторинга эмиссий для энергетических предприятий сжигания и газификации угля. Отчет Департамента торговли и промышленности (DTI) Великобритании. Март 2004.

41. РД 52.04.59-85 Охрана природы. Атмосфера. Требования к точности контроля промышленных выбросов. Методические указания.

42. Сборник методик по определению концентраций загрязняющих веществ в промышленных выбросах. Л.: Гидрометеоиздат, 1989.

43. ОНД-90. Руководство по контролю источников загрязнения атмосферы. СПб.: ДНТП, 1992.

44. Моделирование горения твердого топлива /Э.П.Волков, Л.И.Зайчик, В.А.Першуков. М.: Наука. 1994.

45. Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева А.А. Теплотехнические испытания котельных установок. М.: Энергоатомиздат, 1991.

46. Кемельман Д.Н., Эскин Н.Б. Наладка котельных установок: Справочник. -М.: Энергоатомиздат, 1989.

47. Аэродинамический расчет котельных установок (Нормативный метод) / Под ред. С.И.Мочана. Изд. 3-е. JL: Энергия, 1977.

48. Шишков И.А. и др. Дымовые трубы энергетических установок. М., «Энергия», 1976 176 с.

49. Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. (Подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов). — М.: Машиностроение, 1983.

50. Huber G.W., Shan G. Continuous Emissions Monitoring at Ohio Power Plants. 1995.55.3акиров И.А. Разработка теоретических основ и комплексное внедрение природоохранных технологий на ТЭС. Диссертация.

51. Росляков П.В., Закиров И.А., Ионкин И.Л., Егорова JI.E. Методические проблемы контроля газовых выбросов на ТЭС и в котельных // Вестник МЭИ М.: Изд-во МЭИ. 1997. №1. С. 25-32.

52. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. JI.: Энергоатомиздат, 1991.

53. Росляков П.В., Егорова JI.E., Новожилова JI.JI. Организация мониторинга вредных выбросов из дымовых труб ТЭС на основе численных исследований. Вестник МЭИ, 2008, №4.

54. Росляков П.В., Новожилова JI.JI. Исследование аэродинамики потоков в дымовых трубах ТЭС для оптимизации контроля вредных выбросов в атмосферу. Радиотехника, электротехника и энергетика.

55. Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. В 3-х томах. Том 3 — М.: Изд-во МЭИ, 2006 480 с. с. 261-262.