Алматы ЖЭО-2 БКЗ-420 қазанында ПОЖ моделдеу және сынау

Бұл жұмыста Алматы ЖЭО-2 БКЗ-420 қазанында ПОЖ-ні моделдеу және сынаулар нәтижелері көрсетілген (10-сурет). БКЗ-420 қазаны үшін плазмалық-отын жүйелері негізгі үш жанарғы негізнде құрылған: төменгі қабаттың екі шеткі жанарғысы және жоғарғы қабаттың ортаңғы жанарғысы; ПОЖ жанарғыларда біріншілік аэроқоспа каналының орнында орналасқан. Бұл екіншілік аэроқоспа жолдарын (аэроқоспаның сыртқы каналы) және екіншілік ауаны өзгеріссіз қалдыруға мүмкіндік берді.

Сурет 10. Алматы ЖЭО-2 БКЗ-420 қазанында негізгі шаң-көмірлі жанарғылардың және ПОЖ-нің үйлестіру сызба-нұсқасы.

1 – штаттық құйынды екіағынды шаң-көмірлі жанарғы; 2 – ПОЖ

Сандық зерттеулер үшін қазанның жұмыс істеуінің екі режимі таңдалып алынған: дәстүрлі (алты шаң-көмірлі жанарғыны пайдаланады) және жанудың плазмалық белсендірілуі (ПОЖ-дегі үш шаң-көмірлі жанарғыларды ауыстыру). ПОЖ-да аэроқоспадан алынатын ЖЕО параметрлері «Плазма-Көмір» бағдарламасы көмегімен есептелген. Олар ПОЖ-мен жабдықталған БКЗ-420 қазанының оттығын үшөлшемді есептеу үшін бастапқы параметрлер ретінде болған, ал есептеу Cinar ICE бағдарламасы бойынша жүргізілді. Осы бағдарлама штаттық құйынды шаң-көмірлі жанарғылармен жабдықталған БКЗ-420 қазанының оттығында көмірдің жануының дәстүрлі режимін де есептеу үшін қолданылды.

Қазанда күлділігі 40%-ды құрайтын, ұшқыш заттары 24%, ылғалдылығы 5% және жану жылуы 16760 кДж/кг болатын жоғары күлді Екібастұз тас көмірі жағылады. «Плазма-Көмір» бағдарламасы бойынша ПОЖ-ін есептеуге арналған бастапқы мәліметтер:

Плазмотронның қуаттылығы, кВт......................................................200

Аэроқоспаның бастапқы температурасы, К.....................................362

Көмірдің жанарғы немесе ПОЖ арқылы шығыны, кг/сағ.............6000

Біріншілік ауаның шығыны, кг/сағ.....................................................8955

ПОЖ-нің ұзындығы, м.........................................................................3,687

Көмір төрт құраушылардың қосындысы ретінде моделденеді, % (масса бойынша): негізгі тіркелген көміртек С – 46,18, ұшқыш заттар (H₂ – 2,63, H₂O – 1,84, CO – 3,95, CO₂ – 1,4, CH₄ – 0,55), күл – 40 және бензол түрінде болатын шайыр C₆H₆ – 3,45. Есептеу нәтижесінде ЖЕО-ның түзілуінің плазмалық үдерісінің келесі сипаттамалары алынған: газ бен бөлшектердің температуралары мен жылдамдықтарының таралуы, газ фазасының комоненттері концентрациялары, кокс қалдығындағы көміртектің газификация дәрежесі және концентрациясы. ПОЖ шығарда газ бен бөлшектер арасында термиялық тепе-теңдік орнайды, бұл кезде газ бен бөлшектер температурасы 1025 К, ал газ ағынының жылдамдығы 49 м/с, ол бөлшектердің жылдамдығынан 1 м/с-қа артық. ПОЖ-нен шыққанда ағынның жылдамдығы дәстүрлі шаң-көмірлі жанарғылардан шыққандағы аэроқоспаның жылдамдығынан айтарлықтай жоғары болатынын атап өткен жөн. ПОЖ-нен шыққанда тотықтырғыштар (CO₂, H₂O, О₂) концентрациясы 19,2%-ға тең болады, көмірдің газификация дәрежесі 40%-ды құрайды, бұл ЖЕО алуға толықтай жеткілікті.

ПОЖ-нен шыққандағы интегралды сипаттамалар (кестені қара) Cinar ICE бағдарламасын пайдалана отырып ЖЕО-ның БКЗ-420 энергетикалық қазанының оттығында жануын үшөлшемді сандық моделдеуде бастапқы параметрлер ретінде қолданылды.

Кесте 4. ПОЖ-нен шығардағы ЖЕО-ның құрамы

Дәстүрлі және плазмалық режимдерде оттықтан шыққандағы параметрлерді есептеу нәтижелері:

Келтірілген мәліметтер үш ПОЖ бар оттықтан шыққандағы көмірдің толық жануын сипаттайтын қалдық көміртектің концентрациясы дәстүрлі жағудағыға қарағанда 16%-ға төмен екендігі көрсетеді. Плазмалық-отын жүйесі азот оксидтерінің шығарылуын 33%-қа төмендету есебінен қатты отынның жану үдерісінің экологиялық сипаттамаларын жақсартады. ПОЖ-ін пайдаланған кезде қазанның оттығынан шыққанада қалдық көміртек пен азот оксидтерінің NO _x концентрацияларының төмендеуі ЖЭС-ның экологиялық-экономикалық көрсеткіштерін арттыратыны анық.

БКЗ-420 қазанында орнатылған үш ПОЖ-ін сынау кезінде аэроқоспада шаңның қажетті концентрациясы оранғанда (0,6-0,7 кг/кг), қазанның салқын оттығында шаң-көмірлі шырақтың тұтануы байқалған. Сандық пирометрмен -шырақтардың температурасын өлшеу тұтанғаннан кейін температура 700-800°С құрағанын көрсетті және ол қажетті 1050-1070°С-ге дейін көтерілген, бұл ПОЖ-мен жабдықталған БКЗ-420 қазанының оттығын моделдеу нәтижелерімен сәйкес келеді. Сынаулар кезінде шырақтардың тұрақтануынан кейінгі ыстық ауа температурасының жылдамдығының артуы қазанды мазуттпен жағу кезіндегі жылдамдығына сәйкес келетіні тіркелді [57].

Бірақ қазанды мазутсыз жағуға қажетті тұрақты шаң-көмірлі шырақ шаңды тура үрлейтін шаң жүйесінің штатты режимінде аэроқоспадағы көмір шаңының концентрациясын 0,6-0,7 кг/кг деңгейінде тұрақтандыру мүмкін болмағандықтан және иірмек аэроқоспа ағынының тұтас ауа плазмалық шырақпен жеткіліксіз әрекеттеспеуінен алынбады (11-сурет). Суреттен көрініп тұрғандай, ПОЖ-інң қимасының салыстырмалы түрде үлкен емес ауданын плазмалық шырақ жауып жатса, онда аэроқоспа ағынының негізгі бөлігі онымен байланыспайды, бұл жоғары күлді Екібастұз көмірінің шаң-көмірлі шырағының тұрақсыз тұтануына алып келеді. Осыған байланысты құйынды ПОЖ-дегі аэроқоспаның иірмек ағынының тұтас ауа плазмалық шырақпен қарқынды түрде әрекеттесуін ұйымдастыру үшін траекториясын анықтау керек. Бұл міндетті шешу үшін аэроқоспаны сарп аппарат арқылы беретін құйынды ПОЖ-нің сандық зерттеулері жүргізілді (12-сурет). Есептеулердің мақсаты аэроқоспа ағынының плазмалық шырақтың плазмотроннан шығу аймағымен қиылысу аймағын анықтау болып табылды.

Сурет 11. Аэроқоспа берілмегендегі ПОЖ-дегі плазмалық шырақ

Сурет 12. Алматы ЖЭО-2 БКЗ-420 қазанына арналған құйынды ПОЖ-нің жалпы көрінісі