Как узнать, что конкретно происходит в огромной топочной камере современной теплоэлектростанции? В саму топочную камеру во время ее работы вы, конечно, не заглянете. Нужно этот процесс смоделировать. Но как? Сделать уменьшенную копию, зажечь топливо или подать дым? Можно, в принципе, и так. Только что вы там увидите, особенно, если стенки затянет копотью, да и температура вокруг повысится, и дым куда-то отводить придется? Будет это все не очень наглядно. Дым, в данном случае, не самый лучший маркер для исследователя. Есть ли более удобный вариант? Как выяснилось, такой вариант есть.
Оказывается, что эти процессы можно экспериментально исследовать с помощью… воды. Да-да, именно с помощью воды моделировать газовую среду! По большому счету замена одной «стихии» на другую в данном конкретном случае не искажает общей картины. Зато, как мы понимаем, применение воды вместо огня и дыма позволяет не только детально изучить процесс, но и серьезно оптимизировать его.
В одной из лабораторий Института теплофизики СО РАН есть именно такая модель – уменьшенная копия вихревой топки Красноярской ТЭЦ-2. Корпус модели создан из толстого органического стекла, через которое можно наблюдать, как внутри топки формируется вихревой поток. В камеру, заполненную водой, дополнительно подается небольшое количество воздуха. Как раз благодаря ему образуются пузырьки, являющиеся своего рода маркером упомянутого вихревого потока, который мы и наблюдаем через прозрачную стенку.
Глядя внутрь, вы можете легко рассмотреть, как движется этот поток, как он изменяется и в какую сторону отклоняется в зависимости от заданных режимов работы. Выражаясь научно, мы можем наглядно изучать аэродинамическую структуру потока. Это позволяет делать выводы о том, что происходит в настоящей топке. И уже на основании таких исследований ученые дают заказчикам (в данном случае – производителям данных топочных камер котлов) свои рекомендации относительно оптимизации геометрии самой конструкции и оптимизации режимов работы топочной камеры (включая и аварийные режимы).
Почему это так важно? Дело в том, что конструкции топок и режимы их работы еще далеки от совершенства. Существуют, например, проблемы неполного сгорания угольной пыли, шлакование топочных экранов и даже проблема прожигания стенок. Как пояснил заведующий Лабораторией экологических проблем теплоэнергетики Сергей Шторк, «при сжигании угля одна из главных проблем – это отложение шлака на топочных экранах.
Иногда эти отложения бывают массой в несколько тонн, что сильно ухудшает теплообмен и, соответственно, эффективность работы котла. Мало того, эта масса может оторваться и с большой высоты упасть вниз. Приходится периодически останавливать топку и очищать ее. А хорошая организация аэродинамики потока позволит подобрать такие режимы, что таких отложений просто не будет.
Здесь также очень важен уровень КПД, а он связан с организацией процесса горения. И мы в ходе исследований можем этот процесс изучить».
Разумеется, улучшать работу топки «методом тыка» (как это часто делалось в ранние времена) – это то же самое, что с закрытыми глазами стрелять по воробьям. Вот здесь-то на помощь и приходит фундаментальная наука, способная разобрать физику данного процесса, что называется, по полочкам. Уже сейчас, по словам Сергея Шторка, изучены факторы, влияющие на процесс шлакования. «Если горелочная струя идет вблизи стенки, – поясняет он, – то, значит, в натурных условиях это приведет к отложению шлаков. Отсюда задача – отделить горелочную струю от стенки, а это уже – чисто аэродинамическая задача, которую мы здесь можем решить, выявив оптимальный угол поворота сопел и, возможно, дополнительной подачей воздуха». Такие «бесшлаковочные» режимы, утверждает ученый, уже найдены.
Топочными котлами ТЭЦ изучение энергетических систем не ограничивается. В Институте теплофизики активно изучают и те процессы, что происходят в рабочих частях гидроэлектростанций. И здесь также применяются свои оригинальные подходы к исследованию. Если в предыдущем случае аэродинамические течения моделируются с помощью воды, то с недавних пор в упомянутой лаборатории гидротурбинные течения моделируют… в воздушной среде! Сам метод с точки зрения физики вполне корректен. Причем, в нашей стране когда-то давно он применялся. Потом о нем почему-то забыли. И вот совсем недавно – примерно год назад – специалисты Института решили его опробовать, сконструировав специальную установку, с помощью которой можно изучать потоки, образующиеся при протекании воды через гидротурбину из верхнего бьефа в нижний бьеф. Это точная модель так называемой отсасывающей трубы гидротурбины, расположенной за рабочим колесом. По сути – нижняя часть водовода.
Раньше эти процессы традиционно изучались, как и положено, в водной среде. И такая установка в Институте теплофизики также имеется (см. следующее фото).
Но теперь перешли еще и «на воздух». Что в этом случае дает такая «замена» сред? Как разъяснил Сергей Шторк, «в воду, конечно, можно добавить маркеры, и это все будет выглядеть красиво. Но там есть проблемы с давлением. Плотность воды в тысячу раз больше, чем плотность воздуха. Соответственно, и динамические усилия на все элементы в тысячу раз больше. Поэтому с воздухом, как оказалось, работать намного удобнее».
Новая установка позволяет изучать структуру потока, замерять с помощью лазера распределения скоростей, измерять микрофоном пульсации давления. Для этого в ней созданы специальные окна с кварцевым стеклом, куда можно «завести» лазерный луч. Соответственно, установка оснащается высокоточным измерительным оборудованием.
Причем, конструкция измерителя разработана в самом Институте, включая и компьютерную программу, с помощью которой автоматизирован весь процесс. Измеритель способен с высокой точностью замерить скорость в различных точках изучаемого потока. Все это, как мы понимаем, отображается на мониторе компьютера.
Собственно, именно благодаря появлению высокоточных бесконтактных оптических измерительных систем как раз и появилась возможность возродить забытый метод исследования. То есть применять аэродинамику при изучении проблем отечественной гидроэнергетики. И в этом смысле реализация данного подхода, примененного новосибирскими учеными, является, без всяких преувеличений, уникальным для науки явлением.
Олег Носков
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии