Моделирование процесса горения твердого топлива в топочном устройстве

УДК 543.4:5.44.2

А. Р. Мухутдинов, З. Р. Вахидова, М. Г. Ефимов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ТОПОЧНОМ УСТРОЙСТВЕ

Ключевые слова: компьютерная модель, горение, эксплуатационные параметры, искусственная нейронная сеть.

В данной статье показано компьютерное моделирование процесса сжигания твердого топлива в теплоэнергетической установке.

Keywords: computer model, combustion, performance, artificial neural network.

This article shows a computer simulation of the combustion of solid fuels in thermal power plant.

Введение

Исследованию процесса горения твердых топлив (ТТ), а также конструкциям топочных и горелочных устройств посвящено много работ [1-6]. Апробировано большое количество различных конструкций пылеугольных котлов. Однако теплоэнергетические установки на ТТ характеризуются низкой эффективностью. Это объясняется сложным взаимодействием процессов распыления топлива и воздуха, перемешивания и химического реагирования, что составляет далеко не полный перечень физико-химических факторов, определяющих конечные характеристики процесса сжигания топлив. Учитывая, что вследствие низкой стоимости ТТ (угля) и больших запасов, его использование будет расти и особенно в регионах, богатых этим ископаемым топливом.

Известно, что к топочному оборудованию предъявляются жесткие требования по полноте горения, минимальным вредным выбросам, простоте, надежности и экономичности конструкции, по удобству эксплуатации и регулирования. Развитие информационных технологий в настоящее время позволяет создать компьютерную математическую модель и сравнить ее прогноз с экспериментальными данными производства.

Поэтому изучение возможности использования компьютерного моделирования процесса горения ТТ в теплоэнергетической установке для повышения эффективности, является актуальной задачей имеющей научный и практический интерес.

Методика и объект исследования

Целью данной работы является разработка методики создания компьютерной модели процесса сжигания ТТ в теплоэнергетической установке с помощью прикладного программного комплекса РИоетсБ. Объектом исследования является процесс горения ТТ (бурый уголь [7]) в котле.

Для компьютерного моделирования был выбран котел с фронтальным расположением прямоточных горелок. Они используют топки с молотковыми мельницами и промбункером. Зная, что они применяются ограниченно, выбор их обусловлен наличием достаточной

экспериментальной базы. Так к достоинствам топок с фронтальным расположением горелок можно отнести:

- однотипность пылепроводов, что обеспечивает равномерное распределение пылевоздушной смеси по отдельным горелкам;

- воздуховоды к горелкам просты в конструкции;

- доступность для ремонта и обслуживания, из-за удобного открытого расположения горелок, боковые и задняя стены не загромождены пылепроводами и воздухопроводами;

- общая упрощенность компоновки системы пылеприготовления.

К недостаткам:

- неудовлетворительная аэродинамическая организация топочного процесса;

- недостаточно устойчиво зажигание;

- менее интенсивное горение;

- плохое использование топочного объема;

- высокое шлакование.

В работе для исследования процесса горения ТТ в котле использовался прикладной программный комплекс вычислительной гидродинамики (CFD) Phoenics. Это универсальный программный пакет, предназначенный для комплексного расчета аэрогидродинамических течений при наличии тепломассообмена, излучения и химических реакций в однофазных и многофазных средах.

Первоначально, с использованием системы автоматизированного проектирования Solid Edge, разрабатывалась 3D модель котла. Далее в прикладном программном комплексе Phoenics было выполнено трехмерное построение расчетной области котла (рис. 1), размеры которой составили 0,93x0,38x0,77 м3 (ДхШхВ). При ее построении, конструкция горелки смоделирована кольцевым элементом, через которую в расчетную область (объем котла) поступает топливоовоздушная смесь. Следует также отметить, что на основе графического редактора (VR) в расчетной области котла задаются свойства материалов, из которых он изготовлен. При определении

термогазодинамических параметров котла кислородный баланс устанавливался

положительным (а=1,1), а параметры потока на входе в котел задавались на основе результатов компьютерного моделирования горелки [8].

Рис. 1 - Модель котла

При определении полей скорости, давления, температуры и концентраций в объеме котла использовалась численная процедура решения уравнений движения (Рейнольдса), неразрывности, энергии и концентраций для ТТ (горючего, окислителя и продуктов сгорания). Для замыкания уравнений турбулентного движения использовалась стандартная модель турбулентности.

Моделирование горения ТТ осуществлялось при помощи встроенного в прикладной программный комплекс модуля SCRS (модель горения ТТ включает стехиометрический баланс, когда реакция между горючим и кислородом идет до конца, и все компоненты превращаются в продукты сгорания).

Обсуждение результатов эксперимента

На основе компьютерной модели, с использованием разработанной методики, внутри топочной камеры с помощью прикладного программного комплекса Phoenics визуализирована аэрогазодинамическая обстановка (рис. 2), которая позволяет дать оценку структуре потоков и процессу в целом.

Рис. 2 - Структура потоков в топочной камере

Результаты моделирования хорошо согласуются с результатами натурного эксперимента [1]. Так, от форсунки газовый поток движется горизонтально, бьет по задней стенке и разделяется на два потока. Один из них уходит вниз, образуя вихрь в холодной воронке, и вновь поступает в газовую струю у основания форсунки. Второй поток поднимается вверх по задней стенке. У основания форсунки газовый поток захватывает газы из окружающего пространства, создавая некоторое разрежение. Под действием появляющегося перепада давления избыточное количество газа отделяется из потока и направляется к противоположной стенке, компенсируя расход газа из окружающего пространства. Так образуется второй вихрь в топке над форсункой. Основное количество газа из восходящего потока направляется на выход из топки.

На рис. 3 и 4 представлено распределение давления и скоростей внутри топочной камеры.

Рис. 3 - Распределение давления внутри топочной камеры

Рис. 4 - Распределение скоростей внутри топочной камеры

Следует также отметить, что предложенная компьютерная модель горения ТТ в теплоэнергетической установке, позволяет учитывать основные происходящие в топочной камере процессы: процесс турбулентного движения газов, радиационный, конвективный и кондуктивный теплообмен.

Полученные в результате расчета данные по изменению температуры по объему топочной камеры (рис. 5) были сопоставлены с экспериментальными данными. Установлено, что при горении бурого угля температура топочных газов находится в пределах 1340...13700С. Получено удовлетворительное их соответствие, максимальная относительная ошибка не превысила 8%.

Рис. 5 - Распределение температуры по объему топочной камеры

Выводы

1. Показана перспективность использования компьютерного моделирования, которое при проектировании нового теплоэнергетического оборудования позволит повысить эффективность работы энергетических установок и использование топлива.

2. Показано, что разработанная компьютерная математическая модель процесса горения ТТ в теплоэнергетической установке получена на основе анализа экспериментальных

данных и использования модели горения 8СЯ8. В работе представлена новая математическая постановка данной задачи и методика ее численного решения с помощью прикладного программного комплекса Р^етс8.

3. Апробирована разработанная методика компьютерного моделирования процесса сжигания твердого топлива в топочном устройстве. Показано, что результаты компьютерного моделирования хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований.

Литература

1. Хзмалян Д. М. Теория горения и топочные устройства / Д.М. Хзмалян, Я.А. Каган / Учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений. - М.: Энергия, 1976. - 488 с.

2. Щеголев М.М. Топливо, топки и котельные установки / М.М. Щеголев / М.: Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, 1953. -544 с.

3. Петашвили О.М. Измерение температуры продуктов сгорания / О.М. Петашвили, О.Г. Цибиногин / М.:Энергоатомиздат, 1984. - 112 с.

4. Мухутдинов А.Р. Нейросетевая оптимизация процесса сжигания твердого топлива в энергетических установках для минимизации вредных выбросов / А.Р. Мухутдинов, З.Р. Вахидова, Г.М. Мухутдинова / Вестник Казан. технол. ун-та. - 2013 - Т.16, № 2. - С. 76-78.

5. Мухутдинов А.Р. Повышение эффективности работы котла ТП-230 за счет нейросетевых технологий / А.Р. Мухутдинов, З.Р. Вахидова, П.Е. Любимов / Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011 - Т.14, № 21. - С. 91-94.

6. Мухутдинов А.Р. Нейросетевое моделирование и оптимизация сложных процессов и наукоемкого теплоэнергетического оборудования / А.Р. Мухутдинов, Г.Н. Марченко, З.Р. Вахидова / Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2011. - 296 с.

7. Энергетическое топливо СССР / Справочник под ред. Т.А. Зикеева / М.: Энергия, 1968. - 112 с.

8. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. /Г.Н.Абрамович/ М.: Наука, 1976. - 344с.

© А. Р. Мухутдинов - д-р техн. наук, проф. КНИТУ, muhutdinov@rambler.ru; З. Р. Вахидова - канд. техн. наук, доц. КФУ, MRZulphiya@rambler.ru; М. Г. Ефимов - магистрант КНИТУ, jero07@bk.ru.

© A. R. Mukhutdinov - Doctor of Science, prof. KNRTU, muhutdinov@rambler.ru; Z. R. Vahidova - Ph.D. in Science KFU, MRZulphiya@rambler.ru; M. G. Efimov - Graduate Student KNRTU, jero07@bk.ru.