Проектирование котлоагрегатов в режиме графического диалога

Э

11ГРГОМАШИ11ОСТРОГ11

И

УДК 621.181.001.24

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОТЛОАГРЕГАТОВ В РЕЖИМЕ ГРАФИЧЕСКОГО ДИАЛОГА

В. С. БЕДНАРЖЕВСКИЙ

Дан обзор разработки различными организациями основного этапа конструирования паровых котлов - теплового расчета. Разработана собственная версия программы теплового расчета на ЭВМ энергетических котлоагрегатов в режиме графического диалога.

Целью работы явилось создание алгоритма и программы теплового расчета котлоагрегатов в режиме графического диалога. Достижение поставленной цели потребовало решения следующей задачи: проанализировать программы

теплового расчета котлоагрегатов различных организаций для рационального построения своего алгоритма программы.

В настоящее время все большее распространение находят персональные ЭВМ. Они применяются в различных областях, например, при автоматизированном обучении и проектировании. Методика проектирования современных котлоагрегатов предполагает выполнение многовариантных расчетов для получения оптимальных характеристик.

Существует много версий теплового расчета [1-10]. Во многих вузах на теплоэнергетических специальностях созданы свои версии теплового расчета: в Алтайском государственном техническом университете (АГТУ) [1], МЭИ [2], Вологодском политехническом институте (ВПИ) [3].

Учебные программы формируют у будущего инженера навык общения с ЭВМ, предлагая студенту выступать в роли пользователя и автора программ расчета. Персональные ЭВМ дают возможность осуществлять проектирование, когда студент работает в режиме непосредственного диалога с ЭВМ. Особое значение разработанные методики имеют для учебного процесса, так как они выявляют взаимосвязь конструктивных, режимных параметров и их влияние на интенсивность теплообмена и величину поверхностей нагрева. Созданные программы имеют различное функциональное применение: конструктивноповерочный [1], конструктивный [2], поверочный тепловой расчет котлоагрегата

[3].

На котлостроительных заводах, в научно-исследовательских и проектных организациях накоплен большой опыт создания теплового расчета для ЭВМ [410]. Таганрогский завод "Красный котельщик” разработал собственную версию

[4]. Алгоритм позволяет рассчитывать котлы практически любого типа с различной компоновкой поверхностей нагрева. Учитываются все виды энергетического топлива. Увязка поверхностей нагрева производится по энтальпиям рабочей среды. Осуществляется автоматическая проверка исходной информации.

© В. С. Беднаржевский Проблемы энергетики, 2003, № 7-8

На ЗиО создан свой алгоритм [5]. Программа позволяет рассчитывать барабанные и прямоточные котлы. Автоматически подбирается значение регулирующего параметра. Обе версии в основе алгоритма имеют прямое решение уравнения 2т = Qб (соответственно тепло по условиям теплопередачи и по тепловому балансу) итерационным путем. При этом температурный напор ^ участвует в явном виде, а коэффициент теплопередачи рассчитывается по фактическим температурам дымовых газов и рабочей среды.

Разработанный в ЦНИИКА алгоритм [6] имеет трехуровневую структуру с горизонтальными и вертикальными связями. Задачей нижнего уровня является расчет отдельно взятых теплообменников и топки. На следующем уровне осуществляется увязка параметров рабочих сред на стыке смежных теплообменников по всем трактам. На верхнем уровне обеспечивается стабилизация значений параметров рабочих сред на выходе из котла или в заданных реперных точках трактов путем подбора воздействий в управляющих контурах.

Дальнейшее развитие алгоритм [6] получил в НПО ЦКТИ [7]. Новая версия позволяет выполнять расчеты котлов нетрадиционных конструкций - с вихревой топкой и ширмо-конвективными поверхностями нагрева в конвективной шахте, а также высоконапорных котлов с форсированной топкой и конвективными пакетами. Последние версии пакета обеспечивают выполнение одновременно до 10 вариантов расчетов, отличающихся друг от друга нагрузкой и конструктивными характеристиками. При этом программно формируется значительное число параметров, которые в ранних версиях пакета нужно было задавать в исходных данных. В результате на 1/3 сокращен объем исходной информации.

В НПО ЦКТИ создана версия для расчета котлов-утилизаторов, энерготехнологических котлов, водогрейных и промышленных котлов [8]. Все версии [1-8] соответствуют нормам теплового расчета [9], совершенствуются, переведены или переводятся на персональные ЭВМ.

В АО "Сибэнергомаш" совместно с Алтайским государственным университетом созданы алгоритмы теплового расчета в "пакетном" режиме, в режиме "диалога" [10] и в режиме "графического диалога". Значительное улучшение связи "конструктор-ЭВМ" может быть достигнуто за счет представления результатов на ЭВМ в виде различных изображений или диаграмм, так как работа с изображениями для конструктора наиболее наглядна [11]. Одним из перспективных способов связи, соответствующих современному развитию техники, является графический диалог. При графическом диалоге обеспечивается удобное и эффективное взаимодействие конструктора с ЭВМ, причем, благодаря быстрой реакции ЭВМ, ошибки ввода распознаются и устраняются немедленно.

На рисунке приведена укрупненная схема функционирования программы теплового расчета в режиме "графического диалога" во взаимодействии с базой данных "Котлоагрегат". Работа начинается с формирования расчетной схемы котла. Предварительно создается база данных, состоящая из следующих сегментов: "топливо", "тепловой баланс", "топка", "ширмовый

пароперегреватель", "водяной экономайзер", "воздухоподогреватель". База

данных позволяет по известному значению ключевого признака, например "топливо", определить адреса всех записей, которые его содержат. Для примера приведем структуру сегмента "топливо": логическая информация (твердое, жидкое, газообразное топливо); количество рассчитываемых поверхностей

нагрева, включая топку (количество присосов воздуха); содержание (в процентах) углерода, серы, водорода, кислорода, влаги, азота, золы; коэффициент избытка воздуха за первой (по ходу газов) ступенью пароперегревателя; присос воздуха за г-й ступенью (по ходу газов) нагрева; двуокись углерода карбонатов. База данных предполагает последовательное хранение данных и их вызов на обработку по запросам программы "Тепловой расчет в режиме диалога”. В результате теплового расчета на дисплей выводятся пароводяная и газовоздушная схемы с результатами расчета. На пароводяной схеме до и после каждого участка на экран выводится температура рабочей среды. На газовоздушной схеме на выходе из топки до и после каждой поверхности нагрева выводится температура топочных газов. Далее конструктор анализирует результаты. Если они не удовлетворяют, то корректирует базу данных "Котлоагрегат" и переходит к формированию расчетной схемы. Если результаты удовлетворяют, то происходит выдача рассчитанных значений на графопостроитель и печать.

Собственно программа теплового расчета в режиме "графического диалога" состоит из следующих подпрограмм: "Расчет объемов продуктов сгорания", "Расчет энтальпий", "Расчет теплового баланса", "Расчет топки", "Расчет ширмового пароперегревателя", "Расчет конвективного

пароперегревателя", "Расчет водяного экономайзера", "Расчет

воздухоподогревателя".

Алгоритм подпрограмм "Расчет объемов продуктов сгорания", "Расчет энтальпий", "Расчет теплового баланса" заключается в следующем:

определяются средние значения коэффициента избытка воздуха в газоходах; объемы водяных паров и дымовых газов; объемные доли трехатомных газов и водяных паров; суммарная доля трехатомных газов; масса дымовых газов в зависимости от вида топлива (твердого, жидкого и газообразного); безразмерная концентрация золы в дымовых газах.

В программе предусмотрено 20 последовательно включенных поверхностей нагрева. Рассчитывается таблица энтальпий теоретического расхода воздуха и газообразных продуктов сгорания. Предварительно находятся энтальпии золы и газов при коэффициенте избытка воздуха, равном 1. Значения теплоемкости компонентов дымовых газов и золы определяются по интерполяционным полиномам пятой степени, коэффициенты которых введены в программу. Вычисляется теплота, внесенная воздухом, при подогреве его вне котлоагрегата; физическая теплота топлива и теплота, внесенная паром при паровом распылении мазута; теплота, затраченная на разложение карбонатов при сжигании и располагаемая теплота на 1 кг топлива. Рассчитываются потери теплоты с уходящими газами и с физической теплотой шлаков, а также суммарная потеря теплоты в котельном агрегате и КПД парогенератора; коэффициент сохранения теплоты и теплота, полезно отданная в котлоагрегате; полный и расчетный расходы топлива. На печать выдаются следующие три таблицы: "Объемы газов, объемные доли трехатомных газов, концентрация золы" - теоретические объемы воздуха, азота, трехатомных газов, водяных паров, номера поверхностей, коэффициенты избытка воздуха по поверхностям, средний объем водяных паров и дымовых газов, объемные доли трехатомных газов и водяных паров, а также суммарное значение, концентрация золы в газоходе; "Энтальпия продуктов сгорания" - избыток воздуха по поверхностям нагрева, температура через каждые 100 °С, теплосодержание газов и воздуха по поверхностям нагрева; "Расчет теплового баланса" - коэффициент сохранения

теплоты, КПД котлоагрегата, потеря теплоты с физической теплотой шлаков и с уходящими газами, располагаемая теплота, тепловосприятие в котлоагрегате, полный и расчетный расходы топлива, теплота, внесенная воздухом.

Рис. Схема функционирования теплового расчета в режиме диалога с базой данных

Краткий алгоритм подпрограмм "Расчет топки”, "Расчет ширмового пароперегревателя”, "Расчет конвективного пароперегревателя", "Расчет

водяного экономайзера", "Расчет воздухоподогревателя" описан в работе [10].

Из опыта проектирования в ОАО «Сибэнергомаш» тепловой расчет

© Проблемы энергетики, 2003, № 7-8

осуществляется до 50 раз с последующим уточнением конструктивных решений.

Стоит заметить, что процессы подачи топливно-воздушной смеси, кинетика протекания химических реакций не рассматриваются. Расчетные формулы ограничены рамками нормативного метода [9].

Выводы

Разработан и реализован на персональной ЭВМ алгоритм теплового расчета в режиме диалога парового котла как основной составляющей теплоэнергетического оборудования электростанций.

Summary

Given review of development by different organizations of main stage of designing steam boilers - program of heat calculation. Designed own version of program of heat calculation on PC energy steam boilers in the mode of graphic dialogue.

Литература

1. Кравчук Т.Н., Беднаржевский B.C. Разработка учебных программ теплового расчета для машины ЕС-1020 // Известия вузов. Энергетика. - 1978. - № 9. -С. 142.

2. Виленский Т.В. Тепловые конструкторские расчеты поверхностей нагрева парогенератора на ЭВМ // Известия вузов. Энергетика. - 1985. - № 8. - С. 99103.

3. Глухов Б.Ф. Тепловой расчет котла с применением микроЭВМ // Электрические станции. - 1991. - № 2. С. - 30 - 33.

4. Литвак Д.Б., Иванов Я.И., Известков В.И. Алгоритмизация теплового расчета котлоагрегатов на ЭЦВМ "Минск-22" // Энергомашиностроение. -1971. - № 5. С. - 10-12.

5. Слободян И.П. Программа теплового расчета котельных агрегатов на ЭЦВМ "Минск-22" // Теплоэнергетика. - 1974. - № 9. - С. 88-89.

6. Хорьков Н.С., Михейкина И.Д., Сизова Т.Б. Пакет программ для моделирования парового котла на ЭВМ третьего поколения // Теплоэнергетика. - 1981. - № 9. - С. 45-48.

7. Реализация теплового расчета энергетических котлоагрегатов на ЕС ЭВМ / В.И. Золотухин, Г.М. Каган, Н.Л. Баркан // Тр. ЦКТИ. 1984. - Вып. 210. - С. 75-78.

8. ППП для теплового расчета котлов-утилизаторов и энерготехнологических котлов / В.Д. Терентьев, Ю.Н. Кузнецов, Б.Я. Певзнер, А.А. Костюченко // Тр. ЦКТИ. 1984. - Вып. 210. - С. 72-74.

9. Тепловой расчет котлов: Нормативный метод. СПб: НПО ЦКТИ, 1998. - 257 с.

10. Беднаржевский В.С. Разработка прикладных компьютерных программ для автоматизации расчета (проектирования) энергетических котлоагрегатов // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2003. - № 1-2. - С. 10-15.

11. Беднаржевский В.С. Графический вывод результатов теплового расчета котлоагрегата на автоматизированном рабочем месте // Экспресс-информация, М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1991. - Сер. 13-1. - Вып. 3. - С.13-15.