TUNÇBİLEK TERMİK SANTRALİ 5.ÜNİTE KAZANININ SAYISAL MODELLEMESİ

Transkript

1 TUNÇBİLEK TERMİK SANTRALİ 5.ÜNİTE KAZANININ SAYISAL MODELLEMESİ Faru ÖZDEMİR*, Yaup Erhan BÖKE İstanbul Teni Üniversitesi, Maina Faültesi, İnönü Caddesi No: 65 Gümüşsuyu İSTANBUL *Sorumlu yazar: İstanbul Teni Üniversitesi, Maina Faültesi, İnönü Caddesi No: 65 Gümüşsuyu İSTANBUL E-posta: ÖZET Bu çalışmada, Tunçbile Termi Santrali nin 5. ünitesinde pülverize ömür yaan 150 MW ısıl apasiteye sahip bir azanın sayısal modellemesi yapılmıştır. Kazanda dört adet öşelerde, ii adet de enarlarda olma üzere toplam altı adet brülör grubu bulunmatadır. Her grupta ise alt, orta ve üst bölgede olma üzere üçer adet brülör bulunmatadır. Sayısal model hazırlanıren ii farlı durum göz önüne alınmıştır. Bu durumlar arasındai farlılı toplam hava ve yaıt mitarlarının brülörlere dağılma oranlarındai farlılıtan aynalanmatadır. Kazanın sayısal modellemesi ANSYS yazılımı içindei FLUENT 14.5 modülü ullanılara yapılmıştır. Kazan gerçe çalışma oşullarına uygun şeilde modellenmiştir. Tunçbile Termi Santrali için hazırlanan modellerden elde edilen sonuçlar incelendiğinde her ii modelin de endi içinde tutarlı olduğu görülmetedir. Her ii durumda da azan içindei en yüse sıcalı olara isimlendirilen alev bölgesi istenen şeilde azanın merezinde oluşmatadır. Kesitlerdei sıcalı ve hız dağılımları belendiği şeilde olmuştur. Anahtar elimeler: Hesaplamalı aışalar dinamiği, yanma, pülverize ömür azanı ABSTRACT NUMERICAL MODELING OF 5 th UNIT OF TUNÇBİLEK POWER PLANT In this study, numerical modeling of the 150 MWt pulverized coal-fired boiler of 5 th of Tunçbile Thermal Power Plant was performed. There are six burner groups in the boiler. Two of them are on the side and the rest are at the corners. In each group, there are three burner regions which are the lower, middle and upper regions. When preparing numerical models, two different cases were taen into account. The differences between these cases were caused by differences in distribution of mass rate of total air and total coal to the burners. Numerical model was generated based on actual operating conditions using ANSYS FLUENT When the results obtained from prepared models for Tunçbile Power Plant are considered, it is seen that both cases are self-consistent. In both cases the maximum temperature in the boiler nown as the flame zone occurs in the center of the boiler as desired. In both cases, swirling combustion occurs at the center of the furnace. Temperature and velocity distributions in the cross-sections occur as expected. Keywords: Computational fluid dynamics, combustion, pulverized coal boiler 1.GİRİŞ Bir ülenin eonomi ve endüstriyel gelişimindei temel girdi enerjidir. Bu alanlarda alınmanın gerçeleşebilmesi için enerjinin yeteri adar sağlanabilmesi gerelidir. Türiye endüstriyel, eonomi ve nüfus olara büyümete olan bir üledir. Endüstridei gelişme ve nüfustai artışa paralel olara eletri enerjisi geresinimi de süreli artmatadır. Ülemizde eletri üretiminde büyü ölçüde fosil yaıtlar ve hidroli aynalardan yararlanılmatadır. Tunçbile Termi Santrali üle aynalarından çıarılan linyitin değerlendirilere eletri enerjisi geresiniminin arşılanması amacıyla urulmuştur. Günümüzde deneysel çalışmaların pahalı ve zor olması, uzun zaman geretirmesi, ısıtlı geometrilere imân vermesi ve yanma işlemlerinde çeşitli zorlular yaşanması nedeniyle yüse performanslı bilgisayarlar ullanılara Hesaplamalı Aışanlar Dinamiği

2 yazılımlarından yararlanılmatadır. Gere bilimsel çalışmalarda, gerese endüstriyel çalışmalarda azan performanslarının incelenmesinde bu yazılımların ullanımı olduça yaygınlaşmıştır. Le Bris ve diğ. pülverize ömür yaan bir azanı modelledileri çalışmada azanın üst ısmındai ısı değiştiricilerin geometrilerinin oluşturulması zor olduğundan bu bölgeye geometride yer verilmemiş faat bunların neden olduğu basınç ayıpları buradai aış hacminin gözeneli ortam olara tanımlanmasıyla hesaba atılmıştır [1]. Holar ve diğ. farlı ışınım modelleri ullanara pülverize ömür yaan bir azanı modellemişler. Karşılaştırmada P1, Discrete Transfer ve Discrete Ordinates ışınım modelleri ullanılmıştır. Modelden elde edilen sonuçlar deneysel verilerle arşılaştırıldığında tüm modellerin yaın sonuçlar verdiği faat Discrete Transfer ve Discrete Ordinates modellerinin ullanıldığı durumlarda bu sonuçların daha da yaın olduğu görülmüştür [2]. Vuthaluru ve diğ. FLUENT yazılımındai erozyon modellerini ullanara ömür azanındai erozyon aşınmasını modellemişlerdir. Aış alanındai parçacıların hızlarının ve yörüngelerinin, yayınlanmış verilerle ve santraldei gözlemlemelerle uyumlu olduğu görülmüştür [3]. Aydın ve Dura, Seyitömer Termi Santrali nde pülverize ömür yaan bir azanın sayısal modellemesi üzerine çalışmışlar ve azan içerisindei sıcalı dağılımının boru yırtılmaları üzerindei etisini araştırmışlardır [4]. Purimetla ve Cui ömür azanının sayısal modellemesini yapara değişi ütlesel debilerdei ve yaıcı pozisyonlarındai durumları inceleyip elde edilen sonuçları 1/8 ölçeğinde hazırlanmış deneysel modelden elde edilen sonuçlar ile arşılaştırmışlardır [5]. Şeil 1: Oluşturulan azan geometrisi. Kazanda 16.6 m yüselite bulunan brülörler alt grup, 19.2 m yüselite bulunanlar orta grup, 21.9 m yüselite bulunanlar ise üst grup olara adlandırılmatadır. Kazanın oca bölgesi Şeil 2 de görülmetedir. Bu çalışmada, hesaplamalı aışanlar dinamiği ullanılara azandai alev oluşumunun sayısal olara modellenmesiyle ömür ile azan arasındai uyumun incelenmesi amaçlanmatadır. Sıcalı ölçüm cihazları ullanılara azanın içerisindei belirli notalarından sıcalı ölçümleri yapılmış, bu değerler ile sayısal modelden elde edilen sıcalı değerleri arşılaştırılmıştır. Bu çalışma yüse lisans tezlerini desteleme programı apsamında İstanbul Teni Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi tarafından destelenmiştir. 2.KAZAN GEOMETRİSİ VE AĞ YAPISININ OLUŞTURULMASI Santralin 5. ünitesinde ullanılan 150 MW urulu güce sahip azanın geometrisi azanın gerçe ölçülerinden yararlanılara oluşturulmuştur. Kazanın modellemesinde cüruf bölgesinden azan çıışına adar olan bölge ele alınmıştır. Oluşturulan azan geometrisi Şeil 1 de görülmetedir. Şeil 2: Kazana ait oca bölgesi. Oca bölgesindei brülörler azana farlı açılarla bağlanara azan merezinde teğetsel yanmanın oluşması sağlanmıştır. Oca bölgesine ait ölçüler ve oluşturulan geometri sırasıyla Şeil 3 te görülmetedir.

3 Şeil 5: Oca bölgesindei ağ yapısı. 3.SAYISAL MODELLEME Şeil 3: Oca bölgesi ölçüleri ve oluşturulan geometri. Hava ve ömür azana farlı anallardan girmetedir. Kazanda ullanılan brülör yapısı Şeil 4 te görülmetedir. Şeil 4: Hava ve ömür giriş yüzeyleri. Kazan geometrisi üzerinde ağ yapısı oluşturuluren yaıt hava arışım bölgeleri, alev bölgesi ve azan çıışı gibi riti bölgelerde ağ yapısının daha sı olmasına diat edilmiştir. Ağ yapısında 4.2 milyon hücre ullanılmıştır. Bölgenin yapısına bağlı olara üçgen veya dörtgen ağ elemanları tercih edilmiştir. Oca bölgesindei ağ yapısı Şeil 5 te görülmetedir. Kazanın sayısal modellemesinde hesaplamalı aışanlar dinamiği yazılımı olan ANSYS FLUENT 14.5 ullanılmıştır. Sayısal model hazırlanıren Durum 1 ve Durum 2 olara adlandırılan ii farlı durum ele alınmıştır. Bu durumlar arasındai farlılı toplam hava ve ömür debilerinin brülörlere dağılma oranları arasındai farlılıtan aynalanmatadır. Durum 1, santral verilerine dayalı olara oluşturulmuştur. Burada toplam hava debisinin %43 ü alt, %43 ü orta ve %14 ü üst brülörlerden, toplam ömür debisinin %43 ü üst, %35 i orta ve %22 si üst brülörlerden gönderilmiştir. Varsayıma dayalı Durum 2 de ise toplam hava ve ömür debileri her brülöre eşit şeilde gönderilmiştir. 3.1.SINIR ŞARTLARI Kazandai hava giriş yerlerinde ütle giriş şartı ullanılara burada ütlesel hava debisi ve havanın sıcalığı tanımlanmıştır. Kazana 613 K sıcalıta toplam 199 g/s hava gönderilmiştir. Kömür giriş yerlerinde enjesiyon yüzeyi tanımlanara buradan ömür gönderilmiştir. Kömür giriş yerlerinde enjesiyon yüzeylerinin oluşturulması ömür tanecilerinin boyutlarının tanımlanmasına olana sağlamatadır. Santral verilerine dayalı olara azandai 3 numaralı gruba ait brülörlerden sadece hava gönderilmiştir. Kömür giriş yerlerinden 573 K sıcalıta g/s ömür gönderilmiştir. Kömür analizlerine dayalı olara ömür tanecilerinin minimum ve masimum çapları sırasıyla 90 ve 500 μm olara tanımlanmıştır. Kazan çıış yüzeyinde sınır şartı olara basınç çıışı ullanılmıştır. Kazan ve brülör yüzeyleri duvar sınır şartı olara tanımlanmıştır. Kazan duvarlarının tamamı su soğutmalıdır. Duvar sınır şartı olara tanımlanan sıcalı değeri literatürdei benzer çalışmalardan hareetle

4 borulardai suyun doyma sıcalığından 50 K daha fazla alınara belirlenmiştir. Kazan duvarlarında ullanılan sabit sıcalı değeri 659 K dir. Geometride yer verilmeyen, azanın üst bölgesindei ızdırıcı boruların bulunduğu bölgedei aış hacminin gözeneli ortam olara tanımlanmasıyla bu boruların neden olacağı basınç ayıpları hesaba atılmıştır. Bu bölgedei aış hacmi için porozite değeri 0.8 olara ullanılmıştır. 3.2.KULLANILAN MODELLER Pülverize ömür azanının sayısal modellenmesiyle ilgili geniş bir literatür araştırması yapılmış olup onuyla ilgili olan çalışmalarda ağırlılı olara ullanılan modeller ullanılmıştır. Hesaplamalar zamandan bağımsız olara yaptırılmıştır. Kazan içerisindei türbülanslı aışın modellenmesinde diğer türbülans modellerine göre zamandan tasarruf sağlayıp abul edilebilir doğruluta sonuçlar sağlayan standart -ε türbülans modeli ullanılmıştır. Pülverize ömür yanmasında ömür ile hava ayrı anallardan azana girdiğinden dolayı ön arışımsız yanma mevcuttur. Bundan dolayı yanmanın modellenmesinde ön arışımsız yanma modeli ullanılmıştır. Bu modelin içindei PDF yalaşımı ullanılara azanda ullanılan ömürün içeriği ve özelliği tanımlanmıştır. Kömüre ait özelliler Tablo 1 de görülmetedir. Tablo 1: Kömüre ait özelliler. Madde Türü Kütlesel Oran Madde Türü Kütlesel Oran Uçucu Madde Sabit Karbon Nem Kül % 23.8 % 20.4 % 15.6 % 40.2 Karbon Osijen Hidrojen Azot Küürt % 72 % 16.2 % 5 % 2.7 % 4.1 Yoğunlu 1300 g/m 3 Özgül Isı 1300 J/gK Üst Isıl Değer 1.33x10 7 J/g Alt Isıl Değer 1.25x10 7 J/g Kazandai ışınımın modellenmesinde, diğer ışınım modellerine göre zamandan tasarruf sağlayan buna arşın abul edilebilir ölçüde doğru sonuçlar sunan P1 ışınım modeli ullanılmıştır. Ayrı faz (discrete phase) modeli ullanılara gaz fazındai türbülansın ömür parçacılarının yörüngelerine olan etisi göz önünde bulundurulmuştur. 3.3.SAYISAL ÇÖZÜM TEORİSİ ANSYS FLUENT 14.5, ço geniş fizisel modelleme abiliyetine sahip olan ve ilgili denlemleri sonlu hacimler yalaşımıyla çözen bir yazılımdır. Tüm aışlarda ütle ve momentum orunum denlemleri çözdürülmetedir. Bunlara e olara ısı transferi ve sııştırılabilirliğin olduğu durumlarda enerji denlemi, arışımın olduğu durumlarda tür orunum denlemi, ön arışımsız yanmada frasiyon ve varyans orunum denlemleri de çözdürülmetedir. Kütle orunum denleminin genel şeli aşağıdai gibi gösterilebilir. ρ + ( ρv) = S m t Burada ρ aışanın yoğunluğunu, v aışanın hızını, S m ise ayrılmış iinci fazdan (sıvı damlacılarının buharlaşması nedeni gibi) süreli faza ilave edilen ütleyi veya ullanıcı tarafından tanımlanan aynağı ifade etmetedir. İvmelenme olmayan bir atalet referans çerçevesinde momentum orunum denlemi aşağıdai gibidir. t v + vv = p + g + + F ( ρ ) ( ρ ) ρ ( t) Burada p stati basıncı, τ gerilme tensörünü, ρg yerçeimi uvvetini ve F ise dış uvvetleri (ayrı faz ile etileşimden meydana gelen) temsil etmetedir. Ayrıca F gözeneli ortam ve ullanıcı tanımlı aynalar gibi diğer model bağımlı ayna terimlerini de içerir. Çoğu türbülanslı aış için sağlam, eonomi ve maul doğruluta olması bu modeli endüstriyel aış ve ısı transferi simülasyonlarında popüler ılmıştır. Burada türbülans ineti enerjisini, ε ise disipasyon oranını göstermetedir. ve (1) (2) µ t ( ρ) + ( ρ u i ) = µ + + t x i x j σ x j (3) G + G b + ρε Y M + S µ t ε ( ρε ) + ( ρε u i ) = µ + + t x i x j σε x j 2 ε ε C 1ε ( G + C 3 G b ) C 2 ρ Sε ε + ε + (4) Bu eşitlilerde G ortalama hız gradyanlarından aynalanan türbülans ineti enerji üretimini, G b aldırma uvvetinden aynalanan türbülans ineti enerji üretimini, Y M sııştırılabilir türbülansta dalgalanan genleşmenin toplam disipasyon oranına atısını temsil etmetedir. C 1ε, C 2ε ve C 3ε sabit sayıları göstermetedir. σ ve σ ε sırasıyla ve ε için Prandtl sayılarıdır. S ve Sε ise ullanıcı tarafından tanımlanan üretim terimlerini göstermetedir.

5 Adyabati olmayan durumlarda ön arışımsız yanma modeli için yapılan hesaplamalarda enerji denleminin toplam entalpi formu çözdürülür. Bu denlem aşağıda gösterilmetedir. t ( ρ ).( ρ ). ( ) H + H = H + S h Burada H toplam entalpiyi göstermetedir. s yönünde r pozisyonunda absorbe eden, yayan ve saçan bir ortam için ışınımla ısı geçişi denlemi; di ( r, s 4 ) 2 st + ( a + s ) I ( r, s) = an + ds π s 4π ' ' ' I( r, s) Φ ( s, s) dω 4π 0 (5) (6) 3.4.ANALİZ SONUÇLARI Bu ısımda azanın brülör seviyelerindei sıcalı ve hız dağılımları incelenmiş, belirli notalardan ölçülen sıcalı değerleri modelden elde edilen sonuçlar ile ıyaslanmıştır. Ölçümler brülörlerin olmadığı yüzeylerin ortasından azanın 45 cm içine girilere yapılmıştır. Kıyaslama yapılan yüseliler Şeil 6 da gösterilmiştir. Bu denlemde s saçılma yön vetörünü, s yol uzunluğunu, a absorpsiyon atsayısını, n yansıtma indesini, σ s saçılma atsayısını, σ Stefan-Boltzmann sabitini, I radyasyon şiddetini, T yersel sıcalığı, Φ faz fonsiyonunu, Ω atı açısını, (a + σ s )s ise opti alınlığı veya ortamın saydamlığını göstermetedir. Ço fazlı aışların sayısal hesaplanmasında ii tane yalaşımdan yararlanılmatadır. Bunlar; Euler-Lagrange yalaşımı ve Euler-Euler yalaşımıdır. Aışan fazı Navier-Stoes denlemlerini çözere süreli ortam gibi davranıren, dağılmış faz hesaplanan aış alanı boyunca ço sayıdai tanecilerin, abarcıların veya damlacıların izlenmesiyle çözülür. Dağılmış faz aışan fazıyla momentum, ütle ve enerji transferinde bulunabilir. Aışan fazındai hesaplamalar sırasında belirli aralılarla taneci ya da damlacı yörüngeleri ayrı ayrı hesaplanır. Bu yalaşım sprey urutucular, ömür ve sıvı yaıt yanması için uygundur. Yazılım, taneciğin üzerindei uvvet dengesini integre edere ayrı fazdai taneciğin, damlacığın veya abarcığın yörüngesini tahmin eder. Bu uvvet dengesi taneciğe etiyen uvvetler ile parçacı ataletini eşitler. Bu eşitli artezyen oordinatlarda x yönü için yazılırsa; du p dt eşitliği elde edilir. F g( ρp ρ) = F D ( u up ) + + F ρ p Burada u ve u p sırasıyla aışan faz hızını ve taneci hızını, ρ p partiül yoğunluğu, F e hızlanma (uvvet/birim partiül ütlesi) terimi, F D birim partiül ütlesi için sürüleme uvvetidir [6]. (7) Şeil 6: Deneysel ölçüm yapılan yüseliler. Kazan üzerinden ölçülen ve modelden elde edilen sıcalı değerleri Tablo 2 de görülmetedir. Tablo 2: Ölçülen ve modelden elde edilen sıcalı değerleri. Yüseli (m) Ölçülen (K) Durum 1 (K) Durum 2 (K) Şeil 7-9 da Durum 1 için, Şeil de Durum 2 için farlı brülör seviyelerindei sıcalı dağılımları görülmetedir. Her ii durumda da alev topu olara adlandırılan en sıca bölge azan merezinde oluşmatadır ve en yüse sıcalı değerleri birbirine yaındır. Durum 1 de alevin azan esitinde daha büyü bir bölgeye yayıldığı görülmetedir.

6 Şeil 7: Durum 1 için alt brülör bölgesindei sıcalı dağılımı. Şeil 10: Durum 2 için alt brülör bölgesindei sıcalı dağılımı. Şeil 8: Durum 1 için orta brülör bölgesindei sıcalı dağılımı. Şeil 11: Durum 2 için orta brülör bölgesindei sıcalı dağılımı. Şeil 9: Durum 1 için üst brülör bölgesindei sıcalı dağılımı. Şeil de Durum 1 için, Şeil de Durum 2 için farlı brülör seviyelerindei hız vetörleri görülmetedir. Durumlar incelendiğinde her ii durumda da hız vetörlerinin azan merezine yöneldiği ve Şeil 12: Durum 2 için üst brülör bölgesindei sıcalı dağılımı. merezde girdap oluştuğu görülmetedir. Durum 2 için hız değerleri daha yüsetir. Hız vetörleri, özellile alt brülör bölgesinde Durum 2 için alevin oca merezinde toplandığını göstermetedir.

7 Şeil 13: Durum 1 için alt brülör bölgesindei hız dağılımı. Şeil 16: Durum 2 için alt brülör bölgesindei hız dağılımı. Şeil 14: Durum 1 için orta brülör bölgesindei hız dağılımı. Şeil 17: Durum 2 için orta brülör bölgesindei hız dağılımı. Şeil 15: Durum 1 için üst brülör bölgesindei hız dağılımı. Şeil 19 ve 20 dei azan boyunca olan sıcalı dağılımları incelendiğinde her ii durumda da alev bölgesi azan merezinde oluşmatadır. Şeil 18: Durum 2 için üst brülör bölgesindei hız dağılımı. Durum 1 de azan oca merezinden itibaren azan çıışına sıcalı değeri yavaşça düşmete ien diğer durumda sıcalı değeri belli bir yüseliğe adar belirgin bir düşüş göstermete, bu yüseliten itibaren

8 ise düzgüne yaın bir sıcalı dağılımı oluşmatadır. Durum 1 de alevin oca bölgesinin üst ısımlarına taştığı, azan içinde sıca bölgesinin azan düşey eseni boyunca azan çıışına adar yayıldığı görülmetedir. Durum 2 halinde alev bölgesinin daha üçü hacimde oluştuğu, azan üst ısımlarında sıcalıların Durum 1 ye ıyasla daha düşü olduğu görülmetedir. Oca yatay esitindei hız değerinin yüse olması Durum 2 de alev bölgesinin daha dar bölgede olmasına ve azan üst ısımlarına alev uzamasının daha az gerçeleşmesini sağlamıştır. ölçülen sıcalılar arşılaştırıldığında genel olara %10 lu bir yalaşımda olması ve aış arateristilerinin aynı olması sebebiyle modelin doğrulandığı söylenebilir. Kazanda en sıca bölgenin oca bölgesinde oluşması istenmetedir. Oca bölgesinin üstünde yüse sıcalıların oluşması azanın üst ısmındai boruların patlamasına neden olabilmetedir. Durum 1 dei aış incelendiğinde yanma ürünleri azanı alev topu şelinde yüse sıcalıta teretmetedir. Durum 2 de ise yüse sıcalılar oca bölgesine yaın bölgede meydana gelmete ve yanma ürünleri azanı daha düşü sıcalılarda teretmetedir. Bundan dolayı, bu durumun istenilen şartlara daha uygun olduğu görülmetedir. KAYNAKLAR [1] Le Bris, T., Cadavid, F., Caillat, S., Pietrzy, S., Blondin, J., Baudoin, B. Coal combustion modelling of large power plant, for NOx abatement, Fuel, 86, , [2] Holar, R. ve Hebbal, O. CFD Anlysis of Pulverised- Coal Combustion of Burner Used In Furnace with Different Radiation Models, IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering, 5, 25-34, Şeil 19: Y-Z düzleminde Durum 1 dei sıcalı dağılımı. [3] Vuthaluru, H., Gandhi, M.B., Vuthaluru, R., French, D., Shah, K. CFD based prediction of erosion rate in large scale wall-fired boiler, Applied Thermal Engineering, 42, , [4] Aydin, O. ve Dura, M.M. The Effect of Temperature Distribution on Tube Rupture, Journal of Thermal Science and Technology, Vol. 7, No. 4., [5] Cui, J. ve Purimetla, A. CFD studies on burner secondary airflow, Applied Mathematical Modelling, 33, , [6] Fluent Inc., FLUENT 14.0 Theory Guide, Şeil 20: Y-Z düzleminde Durum 2 dei sıcalı dağılımı. SONUÇ Sonuçlarla ilgili genel bir değerlendirme yapıldığında her ii modelin de endi içinde uyumlu olduğu görülmüştür. Her ii durumda azan içerisinde en sıca bölge olan alev bölgesi ve girdap azan merezinde oluşmatadır. Kazanın gerçe çalışma oşullarına göre hazırlanan modelden (Durum 1) elde edilen sonuçlar ile azandan

9