Структура течения природного газа в системах охлаждения стабилизаторных горелочных устройств при различных нагрузках котлоагрегата

5. Мшенш, А.А. Щдхад до шдтримки прийняття ршень операторами складних технолопчних процеив / А.А. Мшенш // Вюник Сумського державного университету : зб. наук. праць. - Сер.: Техн1чн1 науки. - 2005. - № 9(81). - С. 107-123.

6. Чигур I.I. Оперативний контроль спрацювання доли при буршш свердловин на нафту i газ / I.I. Чигур // Вимiрювальна та обчислювальна технiка в технологiчних процесах : зб. наук. праць. - 1998. - № 3. - С. 116-118.

7. Чигур I.I. Автоматизований контроль показника працездатност шарошкових долгг при бурiннi свердловин / I.I. Чигур // Вимiрювальна та обчислювальна технжа в технологiчних процесах : зб. наук. праць. - 1998. - № 4. - С. 165-169.

Чигур Л.Я. Совершенствование структуры системы поддержки принятия решений для контроля технического состояния породоразрушающе-го инструмента

Для идентификации текущего состояния износа долота в условиях информационной неопределенности предложено использовать вместе с разработанными подходами нейросетевой классификатор на основе гибридной нейросети. Он состоит из сети Кохо-нена и нейросети прямого распространения. Полученные результаты моделирования работы нейросетевого алгоритма позволили разработать структуру системы поддержки принятия решений для контроля технического состояния породоразрушающего инструмента в процессе бурения скважины, которая технически может быть реализована на базе системы контроля и управления процессом бурения типа СКУБ-1М или ее зарубежных аналогов.

Chygur L. Ya. Improving the Structure of Decision Support Systems for Condition Monitoring of Rock Cutting Tool

A neural network classifier that is based on the hybrid neural network is suggested using along with developed approaches in order to identify the current state of the rock bit wear under the conditions of information uncertainty. It consists of Kohonen network and feed-forward neural networks. The results of modeling neural network algorithm made it possible to develop a framework of decision support systems for condition monitoring of rock cutting tool during drilling which technically can be realized in a system for monitoring and control of drilling of SKUB-1M type or its foreign counterparts.

Keywords: rock bit, wear, neural network, rock cutting tool, monitoring.

УДК 662.61:621 Вед. науч. сотр. Ю.В. Шеренковский, канд. техн. наук -

Институт технической теплофизики НАН Украины

СТРУКТУРА ТЕЧЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В СИСТЕМАХ ОХЛАЖДЕНИЯ СТАБИЛИЗАТОРНЫХ ГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ НАГРУЗКАХ КОТЛОАГРЕГАТА

Приведены результаты математического моделирования течения природного газа в системах охлаждения горелочных устройств стабилизаторного типа. Соответствующие данные представлены для двух вариантов систем охлаждения - с плоской импак-тной струей и с круглыми импактными струями. Рассмотрены результаты сравнительного анализа структуры потока при разных значениях ширины стабилизатора пламени. Особое внимание уделено анализу закономерностей влияния нагрузки котлоагрегата на характеристики течения хладагента. Приведены результаты исследований, отвечающие диапазону изменения относительной нагрузки котла 20-100 %.

Ключевые слова: стабилизаторное горелочное устройство, система охлаждения, импактные струи, структура течения.

Введение. Одним из перспективных направлений развития систем охлаждения стабилизаторных горелочных устройств является применение т. наз.

самоохлаждения, когда не используется специальный хладагент, а его роль выполняет природный газ, подлежащий сжиганию [1, 2]. При анализе эффективности таких систем следует принимать во внимание, что условия самоохлаждения горелочных устройств существенно меняются с изменением нагрузки котла ввиду соответствующего изменения расхода охлаждающего агента (природного газа). При этом указанные условия оказываются наименее благоприятными при пониженных нагрузках котлоагрегата. Данное обстоятельство обуславливает актуальность исследования рассматриваемых систем охлаждения в широком диапазоне изменения нагрузки котла.

Эффективность систем охлаждения, как известно, в большой мере определяется характеристиками течения хладагентов. Ввиду этого важным является углубленное исследование особенностей их течения в ситуациях, отвечающих конкретным условиям эксплуатации соответствующих устройств. Принимая во внимание изложенное, цель настоящей работы состояла в установлении закономерностей течения охлаждающего агента (природного газа) в системах охлаждения горелочных устройств стабилизаторного типа при варьировании в широких пределах нагрузки котлоагрегата.

Методика исследований. Рассмотрению подлежали процессы переноса для физической ситуации, отвечающей условиям сжигания газа в горелочных устройствах с плоскими стабилизаторами пламени при подаче топлива в сносящий поток окислителя в условиях наличия специальных систем самоохлаждения таких устройств.

В исследуемых горелочных устройствах при отсутствии их специального охлаждения наиболее высокие уровни температур стенок стабилизатора обычно наблюдаются на их торцевых поверхностях. В данной работе в качестве способа локального охлаждения таких высокотемпературных зон рассматривается их струйный обдув, являющийся, как известно, одним из эффективных методов интенсификации теплообмена.

На рис. 1 представлены принципиальные схемы рассматриваемого горе-лочного устройства и одного из вариантов его системы охлаждения с обдувом торцевой поверхности стабилизатора плоской импактной струей. При математическом моделировании исследуемой физической ситуации для каждого стабилизатора пламени учитывалась взаимосвязанность процессов переноса, происходящих во внутренней полости стабилизатора, с его внешней стороны и в разделяющих эти зоны стенках стабилизатора.

Математическая модель исследуемых процессов переноса для стабили-заторного горелочного устройства имеет вид: • уравнение движения

Ц- = _ЭР + ЭЫ , . ^ 2, 3;

д X- д Хг д X-

уравнение неразрывности

д

э

X,-

Рис. 1. Схемы микрофакельного горелочного устройства стабилизаторного типа (а) и его системы охлаждения с обдувом торцевой поверхности стабилизатора плоской импактной струей (б): 1 - плоский канал; 2 - стабилизаторы пламени; 3 - газоподающие отверстия; 4 - газоподающий коллектор; 5 - канал для охлаждающего газа; 6 - нишевая полость

• уравнение энергии для реагирующих турбулентных потоков в форме уравнения переноса энтальпии

{ А + т 1 _ЭН

, Рг Ргх ) дxJ

Эx

+ чн;

уравнение сохранения массы компонент реагирующей смеси

эри-) э

Э

'

Эх

V

- +

пт ^ Эрк

к 8ек 8ет ) Э х-• уравнение состояния для многокомпонентной смеси

Р

+ Як, к=1, 2, ..., Ы*-1;

Р = -

я • тх-

Т М к

• уравнение теплопроводности для стенок стабилизатора

_э_

Эх-

X

ж

= 0,

где: X'- декартовая координата,' = 1, 2, 3; Ц - компонента вектора скорости в направлении оси х-; Р - статическое давление; т,- - компоненты тензора напряжения; р, 1, а, т V- плотность, коэффициенты теплопроводности, температуропроводности, динамической и кинематической вязкости; Н - энтальпия; и^,

Л

vT - коэффициенты турбулентной динамической и кинематической вязкости; Pr, Ргт - молекулярное и турбулентное число Прандтля, Pr = v/а; qh - источниковый член, учитывающий теплоту химических реакций и перенос теплоты излучением; рк - парциальная массовая плотность к-й компоненты, рк = р-Жк; WK, Мк, DK, ScK - массовая концентрация, молекулярная масса, коэффициент диффузии и число Шмидта к-ой компоненты, ScK = v/DK; ScT - турбулентное число Шмидта; RK - источниковый член, учитывающий скорость образования к-ой компоненты; N - количество компонент смеси; Т - абсолютная температура; R - универсальная газовая постоянная; t - температура.

В приведенной модели (1)-(6) суммирование происходит по повторяющемуся индексу j.

Поставленная задача решалась с использованием программного комплекса FLUENT. Для замыкания системы уравнений (1)-(6) применялась RNG k-s модель турбулентности.

Результаты исследований. Характерные данные проведенных вычислительных экспериментов для рассматриваемых систем охлаждения стабилиза-торных горелочных устройств представлены на рис. 2-4. Эти результаты отвечают следующим исходным параметрам: LCT = 0,25 м; L1 = 0,03 м; L = 0,024 м; Lo = 0,016 м; Н = 0,006 м; ¿0 = 0,008 м; 81 = 0,003 м; Ai = 0,002 м; Л2 = 0,001 м; Д3 = 0,002 м; ф = 45 расход природного газа G = 200 м3/ч; коэффициент избытка воздуха a =1,1; температура газа на входе в систему охлаждения trBX=15 °С; температура воздуха на входе в горелочное устройство t|x =20 °С; материал стенки стабилизатора - сталь 12Х18Н9Т; коэффициент загромождения проходного сечения канала kf =0,3; диаметр газоподающих отверстий dr = 4• 10-3 м; относительный шаг расположения отверстий S/ dr =3,33.

Полученные данные свидетельствуют о том, что с понижением нагрузки котлоагрегата общая структура течения охлаждающего агента в полости стабилизатора несколько изменяется. На рис. 2 представлена картина линий тока охлаждающего агента при разных нагрузках котлоагрегата для системы охлаждения с плоской импактной струей при Вст = 0,03 и 0,05 м.

Рис. 2. Картина линий тока охлаждающего агента в продольном сечении стабилизатора, проходящем через ось газоподающего отверстия, для системы охлаждения с обдувом торца стабилизатора плоской импактной струей при Вст = 0,03 м (а, б, в,) и Вст = 0,05 (г, д, е) для различной нагрузки котлоагрегата N2

а), г) 100 %; б), д) 60 %; в), е) 20 %

Как видно, в рассматриваемых условиях при снижении нагрузки N наблюдается уменьшение размеров крупного вихря в приторцевой зоне стабилизатора и соответственно увеличение площади поперечного сечения потока, обтекающего данный вихрь.

В условиях течения охлаждающего агента при относительно больших значениях Вст (Вст = 0,05 м) наряду с указанными имеет место также следующая особенность. Вихрь, генерируемый вблизи дна ниши, уменьшается в размерах по мере понижения нагрузки котлоагрегата.

Что касается системы охлаждения с круглыми импактными струями, то здесь обращает на себя внимание существенная трехмерность потока в приторцевой зоне стабилизатора при разных величинах нагрузки котлоагрегата. Данное обстоятельство, как очевидно, обусловлено характером обдува внутренней торцевой поверхности стабилизатора. С ростом нагрузки N имеет место тенденция к смещению крупного приторцевого вихря по направлению к стенке газо-подводящего канала и уменьшению размеров данного вихря. При этом площадь поперечного сечения основного пристенного потока возрастает.

Остановимся несколько подробнее на рассмотрении закономерностей изменения скорости пристенного потока охладителя при варьировании нагрузки котлоагрегата. Как уже отмечалось, уменьшение данной нагрузки связано с соответствующим понижением расхода охладителя, а следовательно, и скорости его течения в полости стабилизатора. На рис. 3 в качестве характерного примера представлена зависимость от нагрузки котлоагрегата максимальной скорости итах охлаждающего агента вблизи торцевой поверхности стабилизатора для двух рассматриваемых систем охлаждения и разных значений В

ст

(иmax = Umax , где umax - максимальная скорость охлаждающего агента; U-

U В

скорость воздуха на входе в горелочное устройство).

max

Рис. 3. Зависимость максимальной скорости U в приторцевой области стабилизатора от нагрузки котлоагрегата N для систем охлаждения с обдувом торца стабилизатора плоской (1), (3) и круглыми (2), (4) струями при различной ширине стабилизатора Вст: 1, 2 - Вст = 0,03 м; 3, 4 - Вст = 0,05 м

Согласно приведенным данным для всех рассматриваемых ситуаций величина Umax уменьшается с понижением нагрузки n. Причем эта зависимость

оказывается существенно более ярко выраженной в случае системы охлаждения с круглыми импактными струями. Следует также отметить, что большим значениям Вст отвечают, при прочих равных условиях, большие величины

итах для обеих исследуемых систем охлаждения. Однако это отличие в случае системы охлаждения с плоской струей является весьма незначительным при всех величинах нагрузки n. В ситуации же, отвечающей системе охлаждения с круглыми струями, данное отличие оказывается более существенным и возрастает по мере увеличения n.

Представляет также интерес рассмотрение зависимости от нагрузки кот-лоагрегата потерь давления АР по тракту охладителя и рассчитанного по величине этих потерь числа Ей для рассматриваемых систем охлаждения Ар

(Ей =--, где рГх, иТ - плотность и скорость газа на входе в систему ох-

р1Х(и вгХУ

лаждения). Согласно полученным данным (рис. 4) указанные потери и комплекс Эйлера существенно уменьшаются со снижением нагрузки котлоагрегата n. Так, в случае систем охлаждения с плоской и круглыми струями число Эйлера, отвечающее потерям давления по тракту охладителя, падает соответственно в 18,9 и 21,9 раза при понижении нагрузки от 100 % до 20 % в ситуации, отвечающей Вст = 0,03 м.

Рис. 4. Зависимость числа Эйлера, отвечающего потерям давления по тракту охладителя, от нагрузки котлоагрегата N для систем охлаждения с обдувом торца стабилизатора плоской (1), (3) и круглыми (2), (4) струями при различной ширине стабилизатора Вст: 1, 2 - Вст = 0,03 м; 3, 4 - Вст = 0,05 м

Важно также подчеркнуть, что во всем диапазоне изменения нагрузки N число Эйлера оказывается существенно выше для системы с круглыми струями в сравнении с условиями охлаждения плоской струей. Причем это различие оказывается тем значительнее, чем больше нагрузка котлоагрегата. Например, для Вст = 0,03 м при N = 20 % и 100 % указанное различие составляет 1,9 и 43,1 соответственно.

Выводы. На основе проведенных исследований установлены закономерности влияния нагрузки котлоагрегата на характеристики течения хладагента (природного газа) в системах охлаждения стабилизаторных горелочных устройств с плоской импактной струей и круглыми импактными струями. Показано, что при снижении нагрузки котлоагрегата от номинальной до минимально

допустимой имеют место определенные изменения общей структуры течения хладагента. Получены данные, свидетельствующие о том, что снижение максимальной скорости хладагента при уменьшении нагрузки котлоагрегата является более существенным для системы охлаждения с круглыми импактными струями. Установлено также, что различия потерь давления в горелочном устройстве для сопоставляемых систем охлаждения значительно возрастают с повышением нагрузки котла.

Благодарность. Автор выражает благодарность канд. техн. наук С. А. Алешко за помощь в проведении компьютерного моделирования.

Литература

1. Фиалко Н.М. Эффективность систем охлаждения горелочных устройств струйно-стабилизаторного типа / Н.М. Фиалко, В.Г. Прокопов, С. А. Алешко, Ю.В. Шеренковский, Н.О. Меранова, А.Б. Тимощенко, М.З. Абдулин, Л.С. Бутовский // Технологические системы : сб. науч. тр. - 2012. - № 1. - С. 52-57.

2. Прокопов В.Г. Математичне моделювання аеродинамши та теплообмшу в системах охолодження стабшзаторних пальникових пристрош / В.Г. Прокопов, Н.М. Ф1алко, Ю.В. Шеренковський, С.О. Альошко та ш. // Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики : матер. ХХ1-ой Междунар. конф., 7-11 июня, г. Ялта 2011. - К. : Вид-во "Либвдь", 2011. - С. 177-180.

Шеренковський Ю.В. Структура течи природного газу в cmieMi охолодження стабШзаторних пальникових пристроГв за рiзних навантажень котлоагрегата

Наведено результати математичного моделювання течи природного газу в системах охолодження пальникових пристрош стабшзаторного типу. Вщповщш даш представлено для двох вар1ант1в систем охолодження - з плоским ¡мпактним струменем i з круглими iмпактними струменями. Розглянуто також результати поршняльного аналiзу структури потоку за рiзних значень ширини стабiлiзатора полум'я. Особливу увагу при-дiлено аналiзу закономiрностей впливу навантаження котлоагрегату на характеристики течи природного газу. Наведено результати дослщжень, що вщповщають дiапазону змь ни вiдносного навантаження котла 20-100 %.

Ключовi слова: стабшзаторний пальниковий пристрш, система охолодження, ]м-пактнi струменi, структура течи.

Sherenkovsky Yu. V. Natural Gas Flow Structure in the Cooling System of the Stabilizer Burners at Different Loads of the Boiler Unit

The results of mathematical modeling of the natural gas flow in the cooling systems of the stabilizer type burners are given. The data are presented for two variants of cooling systems - with a flat impact jet and a circular impact jet. The results of a comparative analysis of the flow structure for different values of the width of the flame stabilizer are considered. Particular attention is paid to the analysis of the regularity of influence of the boiler load on the characteristics of the natural gas flow. The results of studies for a range of changes of the relative boiler load of 20-100 % are presented.

Keywords: the stabilizer burner unit, cooling system, impact jets, flow structure.