10
NUMERIČKA ANALIZA UTICAJA UGLA LOPATICA CENTRIFUGALNOG SEPARATORA NA RASPODELU UGLJENOG PRAHA NA GORIONICIMA M. S.Kozić 1 , S.S.Ristić 2 , M.A. Puharić 2 , B. T. Katavić 2 1 VTI, Beograd, Srbija 2 Institut Goša ,Beograd, Srbija Apstract:U ovom radu su prikazani rezultati 3D numeričke simulacije strujanja u ventilacionom mlinu i kanalu aerosmeše termoelektrane Kostolac B sa centrifugalnim seoaratorom čije lopatice imaju promenjivi postavni ugao. Numerička simulacija multifaznog strujanja je izvršena korišćenjem softvera ANSYS FLUENT, Ojler-Ojlerov i Ojler-Lagranžov pristup. Geometrija generisanog modela ventilacionog mlina i kanala aerosmeše je identična realnom modelu, osim nekoliko sitnih detalja koji su izostavljeni zbog ograničene memorije računara. Nestruktuisana, tetraedarna mreža, koja se sastoji od 2630600 zapreminskih i 706 44 površinskih elemenata je generisana. Postavni ugao lopatica je variran od 30 do 60º. Cilj numeričkih simulacija je bio da sa odredi uticaj ugla lopatica centrifugalnog separatora na raspodelu ugljenog praha na gorionicima. Rezultati numeričke simulacije su upoređeni sa rezultatima merenja u mlinovima koji koriste ovaj tip separatora i mogu da se koriste za modifikaciju geometrije separatora sa ciljem da se dobije optimalna raspodela ugljene prašine na gorionicima. Ključne reći: numerička simulacija strujanja, ventilacioni mlin, kanal aerosmeše, raspodela ugljenog praha, centrifugalni separator CFD ANALYSIS OF CENTRIFUGAL SEPARATOR BLADE ANGLE INFLUENCE ON PULVERIZED COAL DISTRIBUTION AT THE BURNERS M. S.Kozić 1 , S.S.Ristić 2 , M.A. Puharić 2 , B. T. Katavić 2 1 VTI, Belgrade, Serbia 2 Institut Goša ,Belgrade, Serbia Abstract: This paper presents the results of 3D numerical flow simulation in ventilation mill and air mixture duct of Kostolac B power plant, where centrifugal separators, with adjustable blade angle, are used. Numerical simulations of multiphase flow were performed using the Euler-Euler and Euler-Lagrange approach of ANSYS FLUENT software package. The generated model geometry of the ventilation mill and air mixture duct is faithful to the real model, except the smallest details were omitted because of the limitation of the available memory. An unstructured tetrahedral grid, consisted of 2 630 600 volume and 706 444 surface elements, was generated. The blade angle was changed in the interval of 20º to 60º. The main aim of the numerical simulation was to determine the blade angle influence on pulverized coal distribution at the burners. The results of numerical simulations were compared with measurements in the mills with this type of separators and can be used in order to modify the flow separator geometry to obtain the optimal pulverized coal distribution. Keywords: numerical flow simulation, ventilation mill, air mixture duct, pulverized coal distribution, centrifugal separator 1 UVOD 1

NUMERICKA ANALIZA UTICAJA UGLA LOPATICA …e2012.drustvo-termicara.com/resources/files/papers/5bce00.pdfnumeriČka analiza uticaja ugla lopatica centrifugalnog separatora na raspodelu

Embed Size (px)

Citation preview

NUMERIČKA ANALIZA UTICAJA UGLA LOPATICACENTRIFUGALNOG SEPARATORA NA RASPODELU UGLJENOG

PRAHA NA GORIONICIMA

M. S.Kozić1, S.S.Ristić2, M.A. Puharić2, B. T. Katavić2

1 VTI, Beograd, Srbija2 Institut Goša ,Beograd, Srbija

Apstract:U ovom radu su prikazani rezultati 3D numeričke simulacije strujanja u ventilacionommlinu i kanalu aerosmeše termoelektrane Kostolac B sa centrifugalnim seoaratorom čije lopaticeimaju promenjivi postavni ugao. Numerička simulacija multifaznog strujanja je izvršenakorišćenjem softvera ANSYS FLUENT, Ojler-Ojlerov i Ojler-Lagranžov pristup. Geometrijagenerisanog modela ventilacionog mlina i kanala aerosmeše je identična realnom modelu, osimnekoliko sitnih detalja koji su izostavljeni zbog ograničene memorije računara. Nestruktuisana,tetraedarna mreža, koja se sastoji od 2630600 zapreminskih i 706 44 površinskih elemenata jegenerisana. Postavni ugao lopatica je variran od 30 do 60º. Cilj numeričkih simulacija je bio da saodredi uticaj ugla lopatica centrifugalnog separatora na raspodelu ugljenog praha na gorionicima.Rezultati numeričke simulacije su upoređeni sa rezultatima merenja u mlinovima koji koriste ovajtip separatora i mogu da se koriste za modifikaciju geometrije separatora sa ciljem da se dobijeoptimalna raspodela ugljene prašine na gorionicima.

Ključne reći: numerička simulacija strujanja, ventilacioni mlin, kanal aerosmeše, raspodela

ugljenog praha, centrifugalni separator

CFD ANALYSIS OF CENTRIFUGAL SEPARATOR BLADE ANGLEINFLUENCE ON PULVERIZED COAL DISTRIBUTION AT THE BURNERS

M. S.Kozić1, S.S.Ristić2, M.A. Puharić2, B. T. Katavić2

1 VTI, Belgrade, Serbia2 Institut Goša ,Belgrade, Serbia

Abstract: This paper presents the results of 3D numerical flow simulation in ventilation mill andair mixture duct of Kostolac B power plant, where centrifugal separators, with adjustable bladeangle, are used. Numerical simulations of multiphase flow were performed using the Euler-Eulerand Euler-Lagrange approach of ANSYS FLUENT software package. The generated model geometryof the ventilation mill and air mixture duct is faithful to the real model, except the smallest details wereomitted because of the limitation of the available memory. An unstructured tetrahedral grid, consisted of2 630 600 volume and 706 444 surface elements, was generated. The blade angle was changed in theinterval of 20º to 60º. The main aim of the numerical simulation was to determine the blade angleinfluence on pulverized coal distribution at the burners. The results of numerical simulations werecompared with measurements in the mills with this type of separators and can be used in order tomodify the flow separator geometry to obtain the optimal pulverized coal distribution.

Keywords: numerical flow simulation, ventilation mill, air mixture duct, pulverized coal

distribution, centrifugal separator

1 UVOD

1

U termoelektrani "Kostolac B", koriste se ventilacioni mlinovi sa dva tipa separatora. Jedan

tip su žaluzine, a drugi centrifugalni separator [1]. Detaljan opis sistema ventilacionog mlina ikanala aerosmeše (VMKA je prikazan u referencama [1-8]. Analiza multifaznog strujanja uVMKA, korišćenjem softvera ANSYS FLUENT, model mešavine u Ojlerovom pristupu, za uglovelopatica centrifugalnog separatora od 20o i 30o prema vertikali, prikazana je u radovima [2,3].Rezultati numeričke simulacije strujanja su pokazali dobro slaganje sa merenjima koja su seodnosila na raspodelu gasne mešavine po gorionicima. Znatna odstupanja su se javila za slučajraspodele ugljenog praha po gorionicima.

Raspodela ugljenog praha po gorionicima je veoma važna za efikasnost procesa sagorevanja,odnosno za pravilan i ekonomičan rad termoelektrana. Postoji brojna literatura [9-12] koja izučavaproces sagorevanja. Istraživanja posvećena radu ventilacionih mlinova i uticaju separatora naraspodelu ugljenog praha po gorionicima su takođe veoma značajna za optimizaciju radatermoelektrana. Modifikacije geometrije separatora i kanala aerosmeše doprinose tom cilju [2,8,13-17]. Veoma često, uticaj separatora na proces sagorevanja se ispituje u laboratoriskimpostrojenjima, eksperimentalnim i metodama numeričke simulacije [14,15]. Uticaj pozicioniranjacentrifugalnog separatora u horizontalnim gorionicima na distribuciju ugljenog paraha jerazmatrana u radu [18,19], a u radu [20].

Da bi se dobila tačnija raspodela ugljenog praha po gorionicima u VMKA sa centrifugalnimseparatorom u Termoelektrani Kostolac B, izvršena je analiza multifaznog strujanja metodomdiskretne faze (DPM) u Lagranževom pristupu [8]. U ovom modelu prate se putanje česticadiskretne faze u neprekidnoj primarnoj fazi. Numeričke simulacije su urađene za uglove lopaticaseparatora od 20o, 30o, 40o, 50o i 60o u odnosu na vertikalu, da bi se analizirao uticaj promene uglalopatica na raspodelu ugljenog praha po gorionicima.

Zavisnost raspodele ugljenog praha po gorionicima od ugla lopatica centrifugalnog separatoraprema vertikali pokazuje da promena ugla lopatica malo utiče na promenu udeo ugljenog praha naglavnim gorionicima, dok je promena na otparcima velika. Primer udeo praha na gornjem otparku,za ugao od 50o, veći je od udela na donjem otparku i oba gorionika pojedinačno.Poređenje rezultatanumeričke simulacije i merenja koja su urađena na mlinovima M17 i M24, pokazuje veoma dobroslaganje za ugao lopatica od 30o.

2 NUMERIČKA SIMULACIJA STRUJANJA

Ulazni podaci za numeričku simulaciju višefaznog strujanja u VMAC sa centrifugalnimseparatorom, definisani su na osnovu merenja izvršenih na izvedenim postrojenjima i detaljnoprikazani u ref.[2,3,5-7]. Kao rezultat se dobija procentualni udeo mase ugljenog praha pogorionicima.

2.1 Raspodela veličine čestica ugljenog prahaU istraživanju uticaja geometrijskih modifikacija na raspodelu ugljenog praha, korišćenjem

DPM metode primenjeno je ubrizgavanje sa Rosin-Ramlerovom raspodelom veličina česticaugljenog praha. Na osnovu sprovedenih analiza prikazanih u [3, 8], definisana su četiri intervalaveličina čestica praha. U tabeli Tabeli 1 je dat procentualni udeo za definisane intervale, aparametri Rosin-Ramlerove raspodele su:

• srednji prečnik d = 152 µm• parametar rasprostiranja n = 1.5227

2.2 Generisanje geometrijeNa slikama 1a do 1d prikazana je geometrija kompletnog sistema VMAC sa centrifugalnim

separatorom, sa lopaticama pod uglom od 40o, kao i samog centrifugalnog separatora za ugaolopatica od 20o, 40o, i 60o u odnosu na vertikalu.

2

Slika 1. a- Geometrijski model VMAC sa centrifugalnim separatorom za ugao lopatica separatora od40o, b-Geometrija centrifugalnog separatora, ugao lopatica 20o, c- ugao lopatica 40o, d- ugao lopatica 60o

Tabela1 Procentualna raspodela ugljenog praha za definisane intervale Rosin-Ramlerove raspodelePrečnik čestica (µm) udeo

%0 - 90 2690 - 200 50200 - 500 20500 - 1000 4

2.3 Generisanje mrežeNumerička mreža VMKA sa uglom lopatica centrifugalnog separatora od 30o ima 2

630 600 zapreminskih elementa. Za ovako složenu geometriju moguće je generisati jedinonestrukturisanu mrežu. Usled promene geometrije centrifugalnog separatora, menja se i kvalitetmreže i broj zapreminskih elemenata. S obzirom da je geometrija VMKA sa centrifugalnimseparatorom manje složena od konfiguracije sa žaluzinama, to kvalitet mreže ostaje praktično isti zarazličite geometrije centrifugalnog separatora. Razlika između broja zapreminskih elemenata mrežesa najvećim i najmanjim brojem elemenata je ispod 1.5%. Na slici 2a prikazana je zapreminskamreža u celom numeričkom domenu za centrifugalni separator sa lopaticama pod uglom od 50o, dokje na slikama 2b i 2c prikazana površinska mreža na centrifugalnom separatoru sa uglovem lopaticaod 60o i 20°, a na slici 2c je data zapreminska mreža oko lopatica centrifugalnog separatora za 20°.

3

Slika 2. a-Zapreminska mreža u celom numeričkom domenu za VMAC sa centrifugalnim separatoromsa lopaticama pod uglom od 50o, b-Površinska mreža na centrifugalnom separatoru za ugao lopatica od 20o,c-Površinska mreža na centrifugalnom separatoru za ugao lopatica od 60o, d-zapreminska mreža nacentrifugalnom separatoru za ugao lopatica od 20o

2.4 Definisanje graničnih uslovaKod DPM metode pri ubrizgavanju diskretne faze, moraju se definisati granični uslovi koji

obuhvataju meru odbijanja delića ugljenog praha od čvrstih granica, u pravcima normale i tangentena površinu. U ovom ispitivanju usvojene su identične vrednosti kao za mlin sa žaluzinama [2],odnosno vrednost koeficijenta vraćanja u pravcu normale je 1.0, a u pravcu tangente 0.9.

3. ANALIZA REZULTATA I POREĐENJE SA MERENJIMA

Rezultati numeričke simulacije za VMAC sa centrifugalnim separatorom, upoređeni su sarezultatima merenja iz ref.[4]. U tabeli T-2 data je raspodela ugljenog praha po gorionicima zaVMAC sa centrifugalnim separatorom. Rezultati za ugao lopatica separatora od 60o nisu dati utabeli jer je konvergentno rešenje dobijeno samo za neprekidnu fazu. U ovom slučaju putanje zagotovo 50% čestica ugljenog praha ubrizganih u gas su nekompletne, što znači da takve čestice nenapuštaju numerički domen, odnosno ne odlaze ka gorionicima, pa takvo rešenje nije relevantno.Numerička simulacija ukazuje da se čestice ugljenog praha neprekidno odbijaju od lopaticacentrifugalnog separatora, bez mogućnosti da ih zaobiđu i odu ka gorionicima.

Rezultati merenja dati u tabeli Tabeli 2 pokazuju da centrifugalni separator za ugao lopatica od30o deluje tako da se ugljeni prah gotovo podjednako raspodeljuje na donji i gornji gorionik i donjiotparak.

4

Tabela 2 Eksperimentalna i numerička raspodela ugljenog praha za različite zglove centrifugalnogseparatora- DPM model

Merenje

(ugao lopatica između 25o i 30o)

Numerička simulacija srednji prečnik čestica : dsr = 152 µmparametar rasprostiranja: n=1.5227ugao lopatica centrifugalnog separatora prema vertikali

M17 M24 20o 30o 40o 50o

% % % % % %

donji gorionik30.4 33.7 29.4 29.9 30.1 28.7

gornjigorionik 25.8 28.2 26.9 29.6 29.3 27.9donji otparak

30.7 25.8 21.1 24.8 18.4 10.9gornji otparak

13.1 12.3 22.6 15.7 22.2 32.5

Na slici 3 prikazan je dijagram raspodele ugljenog praha po gorionicima u zavisnosti od uglalopatica centrifugalnog separatora prema vertikali. Karakter krivih pokazuje da promena uglalopatica vrlo malo utiče na udeo ugljenog praha na glavnim gorionicima. Kod otparaka se taj udeomenja za više od dva puta. Udeo praha na gornjem otparku, za ugao od 50o, veći je nego na donjemili gornjem gorioniku pojedinačno.

Slika 3 Dijagram raspodele ugljenog praha po gorionicima u zavisnosti od ugla lopaticacentrifugalnog separatora prema vertikali

Na slikama 2.10-2.13 je prikazan deo rezultata dobijenih numeričkom simulacijom strujanja,za centrifugalni separator sa lopaticama pod uglovima 20o, 30o, 40o i 50o u odnosu na vertikalu. Zasvaki od uglova prikazane su putanje čestica ugljenog praha oko centrifugalnog separatora, kao iputanje u kanalu aerosmeše i horizontalnim kanalima ka gorionicima. Putanje u ovim kanalima suprikazane u funkciji brzine i veličine čestica. Vektori brzine mešavine oko lopatica separatorapostavljenim pod uglom 50o pokazuju veliku oblast povratnog strujanja iza lopatica. Ovo se javljakao posledica velikog postavnog ugla lopatica u odnosu na pravac dolazeće struje.

5

a

b c

Slika 4 a-Putanje čestica ugljenog praha kod centrifugalnog separatora, b- čestice u kanalu aerosmeše ihorizontalnim kanalima ka gorionicima, c- putanje čestica u zavisnosti od njihovog prečnika za postavniugao lopatica 20o.

a

6

c d

Slika 5 a-Putanje čestica ugljenog praha kod centrifugalnog separatora, b- čestice u kanaluaerosmeše i horizontalnim kanalima ka gorionicima, c- putanje čestica u zavisnosti od njihovogprečnika za postavni ugao lopatica 30o

a

b c

Slika 6 a-Putanje čestica ugljenog praha, b-čestice u kanalu aerosmeše i horizontalnimkanalima ka gorionicima, c- putanje čestica u zavisnosti od prečnika za postavni ugao lopatica 40o

7

a

b c

Slika 7 a-Putanje čestica ugljenog praha kod centrifugalnog separatora, b- čestice u kanalu aerosmeše ihorizontalnim kanalima ka gorionicima, c- putanje čestica u zavisnosti od njihovog prečnika za postavniugao lopatica 50o

Slika 8. Vektori brzine mešavine kod lopatica separatora (e), za postavni ugao lopatica 50o

8

4. ZAKLJUČAK

Primenom DPM dobijeni su numerički rezultati za multifazno strujanje u VMKA sacentrifugalnim separatorom, čije lopatice su postavljene pod uglom od 20o, 30o, 40o, 50o i 60o uodnosu na vertikalu, a u cilju ispitivanja uticaja promene ugla na raspodelu ugljenog praha pogorionicima.

Rešenje dobijeno za postavni ugao lopatica separatora od 60o odbačeno je kao irelevantno, jersu putanje za gotovo 50% čestica ugljenog praha nekompletne. Pri ovom položaju lopatica, javlja seizraženo otcepljenje struje gasovite faze praćeno velikom oblašću povratnog strujanja iza svake odlopatica.Zavisnost raspodele ugljenog praha po gorionicima od ugla lopatica centrifugalnogseparatora prema vertikali pokazuje da promena ugla lopatica vrlo malo utiče na udeo ugljenogpraha na glavnim gorionicima, dok je veoma izražena na otparcima. Udeo praha na gornjemotparku, za ugao od 50o, veći je od udela na donjem otparku i oba gorionika pojedinačno.

Uočava se da centrifugalni separator daje gotovo ujednačene raspodele ugljenog praha naglavnim gorionicima i donjem otparku za postavne uglove lopatica do 30º, za razliku od žaluzinagde je najveći udeo na glavnim gorionicima. Kod centrifugalnog separatora na glavne gorionike ideoko 60% ugljenog praha, a kod žaluzina preko 80%.

Poređenje rezultata numeričke simulacije i merenja koja su urađena na mlinovima M17 i M24,pokazuje veoma dobro slaganje za ugao lopatica od 30o. Proizvođač postrojenja preporučuje da tajugao bude između 25o i 30o. Ovaj rezultat još jednom pokazuje mogućnosti DPM u dobijanjurelevantnih i korisnih rezultata za analizu multifaznog strujanja u sistemu ventilacioni mlin-kanalaerosmeše.

ZAHVALNOST

Autori zahvaljuju Ministartsvu prosvete, nauke i tehnološkog razvoja Republike Srbije za finansiskupodršku kroz projekat TR-34028, u okviru koga su realizovana istraživanja čiji se rezultati prikazuju u ovomradu.

REFERENCES

[1] B.Perković, A.Mazurkijevič, V.Tarasek, Lj.Stević, "Rekonstrukcije, modrnizacije i ostvarenjeprojektovane snage bloka B2 u TE Kostolac", Termotehnika 30, (2004),1, pp. 57-81.[2] Kozic Mirko S., Ristic Slavica S., Puharic Mirjana A., Katavic Boris T., Numerical simulationof multiphase flow in ventilation mill and channel with louvers and centrifugal separator, Thermal

Science, 15, (2011),3, pp.677-689. [3] Katavić B., Kozić M., Ristić S., Puharić M., Numerička simulacija strujanja u ventilacionommlinu termolektrane Kostolac B - konfiguracija sa centrifugalnim separatorom, elaborat,Institut Goša, 2010.[4] Termotehnička ispitivanja i analiza rada kotlovskih postrojenja blokova B1 i B2 u TEKostolac (2007, 2008 godina), PD TENT d.o.o., Proizvodno-tehnički sektor .[5] Kozic M., Ristic S., Katavic B., Puharic M., Numerical simulation of multiphase flow aroundgrinding wheel impact plates of ventilation mill, Proceedings of III International Symposium

Contemporary Problems of Fluid Mechanics, May 12-13th, 2011, University of Belgrade, Facultyof Mechanical Engineering, Serbia[6] Kozic M., Ristic S., Puharic M Katavic B., Kutin M., Numerical Visualization of MultiphaseFlow in Ventilation Mill and Mixture Channel, Proceedings, The 8th Pacific on Flow Visualizationand Image Processing, Moscow, 21.-25.august 2011., Edt. Prof. DrI.A.Znamenskaya, MSU,Moskow, Russia, ISBN 978-5-8279-0093-1,[7] Kozic M., Ristic S., Katavic B., Puharic M, Prvulović M., Comparison of Numerical andExperimental Results for Multiphase Flow in Duct System of Thermal Power Plant, Scientific

Technical Review, 60, (2010), 3-4, pp.39-47

9

[8] Kozic M., Ristic S., Katavic B., Puharic M, Analiza uticaja postavnog ugla lopaticacentrifugalnog separatora na raspodelu ugljenog praha metodom DPM, Elaborat, Institut Goša,2012[9] Tucakovic D., Zivanovic T., Stevanovic V., Belosevic S., Galic R., A computer code for theprediction of mill gases and hot air distribution between burners’ sections at the utility boiler,Applied Thermal Engineering, 28, (2008), pp.2178–2186[10] Belosevic S., Sijercic M., Tucakovic D., Crnomarkovic N., A numerical study of a utilityboiler tangentially-fired furnace under different operating conditions, Fuel, 87, (2008), pp.3331–3338[11] Liming Y., Smith A. C., Numerical study on effects of coal properties on spontaneous heatingin longwall gob areas, Fuel, 87, (2008) pp.3409–3419[12] Živković N. V., Cvetinović D. B., Erić M. D., Marković Z. J. Numerical Analysis of the FlueGas-Coal Particles mixture flow in burner’s distribution channels with regulation shutters at the tppNikola Tesla–a1 utility boiler, Thermal science: 14 (2010), 2, pp. 505-520[13] Živković G., Nemoda S., Stefanović P., Radovanović P., Numerical simulation of the influenceof stationary louver and coal particle size on distribution of pulverized coal to the feed ducts of apower plant burner, Thermal Science, 13, (2009), 4, pp. 79 – 90[14] Benim A.C., Stegelitz P., Epple B., Simulation of the two-phase flow in a laboratory coal pul-veriser, Forsch Ingenieurwes (2005) 69: 197–204, DOI 10.1007/s10010-005-0002-4[15] Shukla S.K., Shukla P., Ghosh P., Evaluation of numerical schemes for dispersed phase mod-eling of cyclone separators, Engineering Application of Computational Fluid Mechanics, l.5,(2011), 2, pp.235-246, [16] Kozic M., Ristic S., Katavic B., Puharic M., Redesign of impact plates of ventilation millbased on 3D numerical simulation of multiphase flow around grinding wheel, Fuel Processing

Technology, DOI: 10.1016/j.fuproc.2012.09.027.[17] Ivanović V., Živanović T, Tucaković D., Stupar G., Reconstruction of the aero-mixture chan-nels of the pulverized coal plant of the 100MW power plant unit, Thermal Science, 15, (2011), 3,pp.663-676[18] Jianping J., Zhengqi Li *, Zhichao C., Guangkui L., Chunlong L., Study of the influence ofvane angle on flow, gas species, temperature, and char burn out in a 200 MWe lignite-fired boiler,Fuel, 89, (2010), pp.1973–1984[19] Park H.Y., Faulkner M., Turrell M.D., Stopford P.J., Kang D.S., Coupled fluid dynamics andwhole plant simulation of coal combustion in a tangentially-fired boiler, Fuel 89 (2010) pp.2001–2010[20] Feng R., Zhengqi Li, Jianping J., Xiaohui Z., Zhichao C., Juwei Z., Influence of the adjustablevane position on the flow and combustion characteristics of a down-fired pulverized-coal 300 MWeutility boiler, Fuel Processing Technology, 89 (2008), pp.1297–1305

10