Моделирование процесса сжигания пылеугольного топлива в энергетическом котле БКЗ-500 с использованием программного комплекса ansys Fluent

Вывод

Таким образом, системный подход к проблеме и выполненные исследования показали, что возможности существующего математического аппарата расчета структурной надежности можно существенно расширить, если при проектировании новых технических систем предусмотреть эксплуатацию по ресурсу наиболее нагруженных изделий. Дополнением к существующему математическому аппарату расчета структурной надежности является выражение (8), позволяющее вычислить среднюю (установившуюся) интенсивность отказов при эксплуатации по ресурсу.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тихий И.И., Кашковский В.В., Смольников М.Ю. Состояние как основа концептуальной модели управления состоянием технических объектов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2015. Вып № 4(48) С. 134-139.

2. Системный анализ и структуры управления / под ред. В.Г. Шорина. М. : Знание, 1975. 224 с.

3. Надежность и эффективность в технике : справочник. Т. 2: Математические методы в теории надежности и эффективности. М. : Машиностроение, 1987. 280 с.

4. ГОСТ 27.410-87. Надежность в технике. Методы контроля показателей надежности и планы контрольных испытаний на надежность. М. : Госстандарт, 1989. 115 с.

5. Вопросы математической теории надежности / Е.Ю. Барзилович, Ю.К. Беляев, В.А. Каштанов и др. М. : Радио и связь, 1983. 376 с.

6. Кашковский В.В. Исследование законов функционирования систем технической эксплуатации. Системный подход к теории технической эксплуатации. Saarbrucken : LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co, 2012.303 p.

7. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М. : Госстандарт, 1990. 42 с.

8. Румянцев Е.А. Критерии оптимизации программ технической эксплуатации и их обоснование // Науч.-метод. материалы по эксплуатации и ремонту авиационной техники / Под ред. В. В. Филиппова. М. : ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского, 1982. С. 25-38.

УДК 681.3 Жильцов Юрий Вадимович,

инженер 1 категории ООО «ИЦ «Иркутскэнерго», тел. 89041450861, e-mail:yr25m@mail.ru Елшин Виктор Владимирович, д. т. н., профессор,

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет,

тел. 8(3952) 40-51-80

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЖИГАНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ КОТЛЕ БКЗ-500 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО

КОМПЛЕКСА ANSYS FLUENT

Y. V. Zhilcov, V. V. Elshin

MODELLING OF PROCESS OF BURNING PULVERIZED COAL OF FUEL IN POWER COPPER BKZ-500 USING THE ANSYS FLUENT PROGRAM COMPLEX

Аннотация. В статье рассматривается моделирование процессов горения пылеугольного топлива и представлена методика инженерных расчетов в энергетическом котле БКЗ-500 с использованием программного комплекса ANSYS Fluent. ANSYS Fluent позволяет моделировать процесс горения с учетом турбулентности, теплообмена и химических реакций. Для проектирования расчетной сетки в области камеры сгорания использовался пакет ICEM CFD, являющийся сеточным препроцессором для ANSYS Fluent. В области камеры сгорания энергетического котла была сформирована гексаэдральная сетка, состоящая из 2 000 000 элементов. Течение описывается системой стационарных уравнений Навье - Стокса, сохранения массы и энергии, осредненных по Рейнольдсу. Турбулентная вязкость рассчитывалась с помощью модели «k-е». Радиационный теплообмен в двухфазном потоке был учтен в рамках Р1 приближения метода сферических гармоник. Полученные результаты в статье демонстрируют возможность применения программного комплекса ANSYS Fluent для проведения эффективного расчета процесса горения пылеугольного топлива в энергетическом котле.

Ключевые слова: энергетический котел, топочная камера, теоретический объем воздуха.

Информатика, вычислительная техника и управление

Abstract. The article deals with modeling of pulverized coal combustion and the technique of engineering calculation in the power boiler BKZ-500 using ANSYS Fluent software. ANSYS Fluent allows you to simulate the burning process, taking into account the turbulence, heat transfer and chemical reactions. For the design of the computational grid in the area of the combustion chamber was used package ICEM CFD, which is a grid preprocessor for ANSYS Fluent. In the area ofpower boiler combustion chamber hexahedral mesh was formed, consisting of 2000000 elements. The flow is described by the stationary Navier-Stokes equations of conservation of mass and energy, Reynolds averaged. Turbulent viscosity is calculated using the «k-e» model. Radiation heat transfer in two-phase flow was taken into account as part of the P1 approximation of the method of spherical harmonics. The results in the paper demonstrate the possibility of using ANSYS Fluent software package for the calculation of the effective process of burning pulverized coal in the power boiler.

Keywords: power-generating boiler, combustion chamber, theoretical volume of air.

Введение

Развитие вычислительной техники позволило вывести на качественно новый уровень выполнение инженерных расчетов. При решении расчетных задач инженер рассматривает различные методики и подходы, которые позволяют получить качественный результат в оптимально короткий срок. Современная практика доказывает, что использование программных комплексов, основанных на методе конечных элементов (МКЭ), позволяет добиться поставленных целей.

В статье рассматривается методика расчета сжигания пылеугольного топлива в энергетическом котле БКЗ-500 с использованием программного комплекса ANSYS Fluent. Возможности дан-

ного программного комплекса позволяют: - получить полноценные картины физических процессов в топочной камере; выполнить расчеты движения траекторий частиц во всем объеме топочной камеры; получить цветовые карты температурных полей, тепловых потоков и изменения скоростей движения частиц на уровне всех ярусов горения пылеугольного топлива.

Постановка задачи. Описание расчетной геометрии Задачи:

1. Провести расчетное исследование процесса горения пылеугольного топлива в энергетическом котле.

X \г Сопла нижнего дутья 8x2 шт

Рис. 1. Общий вид котла

2. Сократить натурные экспериментальные исследования при проектировании и доводки котлов типа БКЗ-500.

3. Получить результаты расчетов в цифровом формате.

Начальный этап решения поставленной задачи сводится к созданию в САПР расчетной геометрии, которая является основой для сеточной математической модели. Современные САПРы, такие как SolidWorks, Autodesk Inventor и т. п., позволяют производить обмен расчетной геометрии с программным комплексом ANSYS на параметрическом уровне. Общий вид и вид расчетной геометрии с компоновкой горелок 1-3 ярусов энергетического котла БКЗ-500 приведены на рис. 1, 2.

Построение математической модели и расчёт характеристик подсушенного топлива

Исходные данные для выполнения расчета. Расход топлива, подаваемого в топку котла, составляет 22,42 кг/с. Элементный состав угля в % (на рабочую массу по данным лабораторной оценки) приведен в табл. 1.

Данные, вводимые в программный комплекс ANSYS FLUENT для выполнения расчета. В расчете принято считать, что сера и азот не участвуют в реакциях горения. Доля этих компонентов отнесена к зольной фракции топлива так, чтобы теоретический объем воздуха был равен V0 = 4,581 нм3/кг (данные лабораторной оценки).

тшт

Т а б л и ц а 1

Рис. 2. Общий вид расчетной геометрии

Измененный состав топлива при таком подходе приведен в табл. 2.

Углерод, % СР 45,94

Водород, % № 3,33

Кислород, % ОР 11,55

Вода, % W 25,63

Азот, % Np 0,73

Сера, % SP 0,60

Зола, % AP 12,22

Контроль % 100

Выход летучих на горючую массу, % Vr 47,57

Калорийность топлива (низшая) с учетом теплоты испарения влаги, (ккал/кг) Qp 4011,00

Т а б л и ц а Измененный состав топлива, % 2

Углерод, % Ср 45,94

Водород,% НР 3,33

Кислород, % ОР 11,55

Вода, % WP 25,63

Зола, % AP 13,55

Контроль, % 100

После сушки топлива удаляется 40 процентов влаги (^суш), с учетом данного обстоятельства масса одного килограмма топлива (Z) после сушки составляет 0,897480 кг (Z = 1 - W* ^суш) [1, 3].

В программе FLUENT задается высшая теплота сгорания. Высшая теплота сгорания - это теплота сгорания горючей части топлива.

Высшая калорийность топлива после сушки (Qpv) составляет 1,9* 107 Дж/кг.

Состав топлива (с учетом удаления влаги ^суш), используемый в качестве исходных данных в программе Fluent, приведен в табл. 3.

Т а б л и ц а 3

Углерод, % Cp/Z 51,29

Водород,% НР/Z 3,71

Кислород, % OP/Z 12,86

Вода, % Wp/Z 17,13

Зола, % AP/Z 15,01

Контроль, % 100

В программе Fluent состав топлива вводится как элементарный и гранулометрический с ис-

Информатика, вычислительная техника и управление

пользованием угольного калькулятора (coal calculator).

Элементарный и гранулометрический состав топлива (табл. 4 и 5) получены на основе данных из табл. 3, при этом учитывалось, что выход летучих на горючую массу составляет 47,57 %.

Т а б л и ц а 4

Элемент Массовая доля

Углерод 0,76

Водород 0,06

Т а б л и ц а 5

Результаты численного моделирования

Распределения температуры, полей скоростей, массовой концентрации атомарного кислорода показаны на контурных графиках для второго яруса энергетического котла БКЗ-500 (рис. 3-5).

Компонент Массовая доля

Связанный углерод 0,26

Зола (для угольного концентрата) 0,15

Летучие вещества 0,56

Вода (для угольного концентрата) 0,17

При заполнении табл. 5 было учтено, что при быстром нагревании в печи выход летучих веществ несколько выше, чем при медленном нагревании (при котором проводится лабораторная оценка состава топлива). Чтобы учесть это обстоятельство, в модель топливной смеси введен коэффициент увеличения выхода летучих веществ. Его значение принято равным 1,25 [2] (среднее значение для подобного вида топочных устройств).

Кинетические константы процесса горения, используемые программой Fluent, приведены в табл. 6.

Т а б л и ц а 6

Энергия активации, кДж/моль Ea 79

Поправка на несферичность частицы, K форм 1,4

Характерная температура горения, °C Tx 1200,00

Скорость горения для FLUENT Co 0,010438

Коэффициент диффузии, D0 7,000000E-12

Рис. 3. Распределения температуры по второму ярусу

Velocity Vector 2

I—г 3.385е+001

—L О.ОООе+ООО [m s»-1]

Рис. 4. Распределения полей скоростей по второму ярусу

Рис. 5. Распределения массовой концентрации кислорода по второму ярусу

Основные результаты при 100 % нагрузке котла представлены на общем графике № 1 (рис. 6).

Как видно из графика № 1, на основных ярусах горелок средняя температура факела составляет 1130-1253 °С. Температура дымовых газов на выходе составляет 1094 °С. Данная температура является завышенной, так как в расчете не был учтен такой фактор, как наличие ширм. Выгорание

Расчет БКЗ-500

q4,% О2,% Т, °С

Температура

20- , 12- ,1300^

18- 11- 1200-

16- 10- 1100 —

14- 9- 1000—

12- 8- 900-

10- 7- 800-

8- 6- 700-

6- 5- 600-

4- 4- 500-

2- 3- 400-

0- 2- 300-

Т„ых=1094 С

Мех. недожог _ Концентрация О2

1—1  1 '11 "|—I—Н—г-н—I—г

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Высота отметки, м

Рис. 6. Общий график № 1. Изменения температур по среднему сечению, концентрации кислорода и выгорания

топлива в зависимости от высоты отметки

топлива на выходе из расчетной области составляет 98,71 %.

Заключение

Полученные результаты демонстрируют возможность применения программного комплекса ANSYS Fluent для проведения эффективного расчета процесса горения пылеугольного топлива в энергетическом котле.

Численное моделирование позволяет исследовать процессы, которые трудно наблюдать во время испытаний, но необходимо знать при проектировании. Разработанная методика в дальнейшем может быть использована при разработке комбинированного котла, работающего на угле и электроэнергии.

В рамках реализации проекта № 02.G25. 31.0075 рассматривается возможность создания комбинированного котла.

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта № 02.G25.31.0075 в рамках Постановления Правительства Российской Федерации № 218 от 09.04.2010 г.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1.

2.

Коняшкин В.Ф. Трехмерное моделирование физических процессов и котельного оборудования с помощью программы Ansys Fluent // Горение твёрдого топлива : материалы VII Всеросс. конф. Новосибирск : ИТ СО РАН, 2006. Ч. 1. С. 170-177.

Пат. № 2222620. Российская Федерация. Способ извлечения благородных металлов /

A.Ф. Ращенко, С.С. Гудков, Ю.Е. Емельянов,

B.В. Елшин, Е.Д. Мусин, Е.В. Галюков. Опубл. 27.01.2004.

3. Руководство пользователя ANSYS Fluent. Издательство ANSYS, Inc., Southpointe, 2011. 2498 с.

4. Badzioch, S., and Hawksley, P.G.W. Kinetics of thermal decomposition of pulverised coal particles, Industrial Engineering Chemistry Process Design and Development, 9 1997. P. 521.

5. Field M., Hawksley P. Combustion of pulverized coal, BCURA, 1967.

6. Warnatz, J., Mass, U. and Dibble, R. W. Combustion. Springer, Varlag, 1996. pp. 219-221.