Nové řešení nástřiku vody do proudu spalin pro elektrárnu Ledvice společnosti ČEZ
Jak otestovat návrh nového řešení za plného provozu elektrárny?
V energetickém průmyslu není možné provádět jakékoliv změny za provozu, mohly by ohrozit jeho chod. Bez použití numerického modelování se jen velmi těžce odhaduje správná funkce nově navrženého designu. Může být provedena celá řada měření, ale je téměř nemožné si novou změnu komplexně představit při plném provozu. Proto nás oslovili zástupci společnosti ČEZ, abychom jim pomocí Ansys software pomohli s návrhem nového řešení.
Skupina ČEZ je největší energetické uskupení v České republice. V minulém roce ČEZ vyrobil 60,9 TWh elektřiny. Společnost zaměstnává přes 30 tisíc lidí a její čistý zisk v minulém roce dosáhl 22,8 mld Kč.
Minimalizován dopad vodních kapek na stěnu potrubí na
0,4 kg/h
z původních 270 kg/h
Jak se připravit na zpřísnění emisních limitů tuhých látek?
Na správnou funkci zařízení v náročných energetických provozech je kladen velký důraz. Zásadním aspektem je minimalizace negativních vlivů na životní prostředí. Všechna zařízení jsou neustále kontrolována i jejich provoz musí odpovídat přísným normám. Vlivem legislativních změn dochází k neustálému zpřísňování i snižování emisních limitů, které musí být splňovány. V tomto případě se skupina ČEZ chtěla předem připravit na zpřísnění emisních limitů tuhých znečisťujících látek (dále jen TZL), které se týká i nejmodernějšího nadkritického zdroje v ČR – elektrárny Ledvice. Pro čištění spalin se zde využívají elektroodlučovače, které dokáží při stávajícím provozu zachytit více než 99 % vstupujících částic. I přesto je vlivem legislativních požadavků neustálý tlak na zlepšování této technologie. Jedním ze způsobů, jak je možné snížit emise TZL, je úprava chemických i tím pádem i elektrických vlastností nežádoucích částic. Tyto částice mohou být následně odloučeny v elektroodlučovači s vyšší účinností, čímž se dosáhne snížení emisí TZL. Jednou ze zvažovaných variant bylo vlhčení spalin za pomoci trysek umístěných ve spalinovodu. Klíčovým požadavkem bylo výrobně jednoduché provedení trysek i jejich optimální umístění ve spalinovodu. To proto, aby voda nedopadala na jejich stěny i zároveň tak došlo ke kompletnímu odpaření dávkované vody ve zvoleném úseku.
Ansys Fluent jako výběr nejvhodnějšího řešení
Pomocí numerických simulací můžeme řešit velmi složité fyzikální problémy. V tomto případě však bylo nutné získat vstupní data z experimentálního měření. Proto jsme spolupracovali s Energetickým ústavem z FSI, VUT v Brně, který provedl experimentální ověření funkce trysek spolu s detailním měřením velikostí i rychlostí kapek. Na základě výsledků experimentu jsme zpracovali i vyhodnotili velké množství dat. Vytvořený virtuální sprej byl následně přenesen do komplexní vícefázové CFD simulace proudění spalin.
Detaily řešení Po nakreslení 3D modelu dle dodaných podkladů i tvorbě výpočetní sítě byly provedeny dva výpočty proudění spalin bez nástřiku vody pro nižší i vyšší výkon kotle v simulačním nástroji Ansys Fluent. Tato data sloužila pro ověření výsledků simulace s měřením za reálného provozu i také posloužila k tomu, že na základě zjištěných poznatků byl dle analytických vztahů navržen základní tvar trysek i celkový koncept distribuce vody uvnitř spalinovodu. Následně kolegové z VUT provedli experimenty pro tři velikosti trysek i čtyři tlakové úrovně. V těchto experimentech sledovali primárně velikostní spektrum kapek. Na základě dat z experimentu byly kapky rozděleny do 11 velikostních tříd pro každý bod spreje, což vedlo na celkový počet 660 bodů pro popis jedné trysky. Data byla následně upravena pro účely výpočtu, kam vstupovalo přes 230 000 hodnot popisujících vznikající kapky vody. Dále byl sledován rozpad kapek i jejich trajektorie při nástřiku vody do proudících spalin.
Na základě těchto poznatků byl proveden finální návrh řešení distribuce vody do proudu spalin. Navržené řešení rozmístění trysek bylo provedeno tak, aby bylo minimalizováno množství kapek dopadajících na stěnu spalinovodu. V místech předpokládaných vírů byly potrubní větve zkráceny. Také trysky, které byly umístěny blízko u stěn potrubí, byly přesunuty do větší vzdálenosti. Tím bylo docíleno snížení dopadu vody na stěnu z původní hodnoty 270 kg/h na 0,4 kg/h. Nakonec byly provedeny kompletní výpočty proudění spalin s nástřikem trysek pro vyšší i nižší výkon. Při vyšším výkonu bylo využito přes 350 trysek a při nižším výkonu více než 230. V obou případech dojde ke kompletnímu odpaření vody v definovaném úseku spalinovodu s bezpečnou rezervou před vstupem spalin do rotačního regeneračního výměníku Ljungström, což bylo jedním z nejdůležitějších požadavků. Ve finále byl na základě dodaných podkladů uvažován také vliv částic odcházejících z procesu spalování (TZL). Tento přístup nevykázal žádný zásadní negativní vliv na vypařování kapek vody. Rovněž nebyly zaznamenány žádné významné nerovnoměrnosti z hlediska rozložení tuhých částic vzhledem k jejich relativně malé velikosti.
Výsledek spolupráce
Díky našim výpočtářům z SVS FEM se ve spolupráci s kolegy z Energetického ústavu z VUT podařilo navrhnout nové řešení nástřiku vody do proudu spalin tak, aby nově navržené řešení splnilo požadavky klienta a došlo k odpaření všech kapek vody před stanovenou výškovou kótou. Zároveň byl minimalizován dopad vodních kapek na stěnu potrubí z původní hodnoty 270 kg/h na 0,4 kg/h.
