Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В КОТЛОАГРЕГАТЕ ПУТЕМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Сабитов М.А. 1 Ведерникова Ю.А. 1 Спасибов В.М. 1
1 ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет»
Интеллектуальные системы управления производством становятся одним из основных средств повышения эффективности функционирования технологических комплексов. Возрастающая наукоемкость производства диктует требования к разработке и построению таких систем, что выражается в создании моделей сложных технологических объектов, на базе которых проводятся все испытания и проверки. В данной статье рассматриваются тепловые процессы, протекающие в пределах котельного агрегата. Эти процессы находят свое отражение в уравнениях теплового баланса по отношению к топочной камере, барабану котла, пароперегревателю. Для описания теплообмена в топке используется модель перемешанного потока. Для связи с тепловым балансом пароперегревателя учитывается несовершенное перемешивание газов на выходе из топочной камеры, для связи с тепловым балансом барабана котла вводится инерционность последнего. Полученная модель позволяет проводить имитационное моделирование для исследования как самих объектов, так и систем управления. В рассмотренном примере в качестве возмущающего воздействия рассматривается линейный рост расхода топлива – природного газа – на 10 % за 5 секунд. Графики переходных процессов, происходящих в системе, демонстрируют различную степень зависимости таких выходных величин, как температура перегретого пара на выходе из пароперегревателя, температура в топочной камере и коэффициент полезного действия котлоагрегата, от изменения расхода топлива. Возможности модели не ограничиваются теми, что были показаны в ходе моделирования процесса; в частности могут быть спрогнозированы аварийные ситуации, что повысит безопасность и устойчивость производства.
имитационное моделирование
теплоэнергетика
энергоэффективность
котельный агрегат
тепловые процессы
модель перемешанного потока
переходная характеристика
1. Хорошев Н.И. Интеллектуализация процесса поддержки принятия решений при эксплуатации энергетических котельных установок // Системы. Методы. Технологии. 2017. № 2. С. 66–73.
2. Кудинов А.А. Горение органического топлива: учеб. пособие. М.: ИНФРА-М, 2015. 390 с.
3. Хзмалян Д.М. Теория горения и топочные устройства: учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений. М.: «Энергия», 1976. 488 с.
4. Бобровская Е.И., Двоеглазова М.О., Семенова Н.В. Методы теплового расчета газотрубных котлов // Динамика систем, механизмов и машин. 2012. № 2. С. 65–68.
5. Мартыненко О.Г. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т. 2. М.: Энергоатомиздат, 1987. 352 с.
6. Кривандин В.А. Теория, конструкция и расчеты металлургических печей: учебник для техникумов. Т. 1. М.: Металлургия, 1986. 479 с.
7. Бухмиров В.В. Тепломассообмен: учеб. пособие. Иваново: ФГБОУ ВПО «Ивановский гос. энерг. ун-т имени В.И. Ленина», 2014. 360 с.
8. Ерофеев В.Л. Теплотехника. В 2 т. Том 1. Термодинамика и теория теплообмена: учебник для бакалавриата и магистратуры. М.: Издательство Юрайт, 2016. 308 с.
9. Семенов Б.А. Инженерный эксперимент в промышленной теплотехнике, теплоэнергетике и теплотехнологиях: учеб. пособие. СПб.: Издательство «Лань», 2013. 400 с.
10. Айнштейн В.Г. Процессы и аппараты химической технологии. Общий курс. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. 1758 с.

Вопросы эффективного производства тепловой энергии котельными установками принимают особое значение в условиях роста тарифов на топливо и ужесточения экологических требований. При этом эффективность работы котельных установок во многом определяется не только их техническим состоянием, но и применением интеллектуальных систем управления производством, использующих развитые методы и алгоритмы анализа данных [1]. В данной работе предлагается математическая модель, которая представляет собой необходимый шаг для построения интеллектуальных алгоритмов анализа работы котельного агрегата, причем вид модели и детальность описания объекта определяются ее целевым назначением.

Цель исследования: построение математической модели котлоагрегата и проведение имитационного моделирования, демонстрирующего ее возможности для анализа тепловых процессов.

Материалы и методы исследования

В качестве фундаментальных уравнений при построении данной модели принимаются уравнения теплового баланса для топочной камеры, барабана котла и пароперегревателя.

Тепловой баланс в камере сгорания котла описывается выражением

sab01.wmf (1)

где ссм – средняя объемная теплоемкость газовоздушной смеси в камере сгорания, Дж/(м3·К); ст – объемная теплоемкость топлива, Дж/(м3·К); Vсм – объем газовоздушной смеси, м3; k1 – коэффициент теплопередачи от дымовых газов, Вт/(м2·К); F – площадь поверхности теплопередачи, м2; θk – температура в камере сгорания, К; θб – температура в барабане котла, К; θв.г. – температура воспламенения топлива, К; θт – температура подаваемого в камеру сгорания топлива, К; Gт – объемный расход топлива в камере сгорания, м3/с; sab02.wmf – высшая теплота сгорания топлива, Дж; Qух.г. – потери теплоты с дымовыми газами, покидающими котлоагрегат, Дж.

Уравнение теплового баланса в барабане котла:

sab03.wmf (2)

где св – удельная теплоемкость воды в барабане, Дж/(кг·К); Мв – масса воды в барабане котла, кг; Gпит.в – массовый расход питательной воды в барабан, кг/с; спит.в – теплоемкость питательной воды, Дж/(кг·К); θпит.в – температура питательной воды, К; θ – удельная теплота парообразования, Дж/кг; D – массовый расход воды на парообразование (паропроизводительность), кг/с.

В адиабатных условиях выделяющееся количество теплоты идет на увеличение степени нагрева дымовых газов [2]. Теоретическую температуру горения топлива в топке θк вычисляют по формуле

sab04.wmf (3)

где sab05.wmf sab06.wmf sab07.wmf – теоретические объемы продуктов сгорания топлива, м3/кг; sab08.wmf sab09.wmf sab10.wmf схв – средние объемные теплоемкости углекислоты, азота, водяных паров и воздуха, кДж/(м3К); αТ – коэффициент избытка воздуха в топочной камере.

Аэродинамическое несовершенство топочных устройств проявляется в том, что температура газов по мере движения по газовоздушному тракту понижается, поэтому энтальпию дымовых газов перед пароперегревателем рассчитывают по действительной температуре дымовых газов на выходе из топки:

sab11.wmf (4)

где М – расчетный коэффициент, значение которого определяется относительным местоположением максимума температуры в топке; ζ – условный коэффициент загрязнения лучевоспринимающих поверхностей; γ – степень черноты топки; Hл – лучевоспринимающая поверхность нагрева, м2; φ – коэффициент сохранения теплоты; с – средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 м3 топлива в интервале температур, кДж/(м3/К).

Энергия пара в пароперегревателе увеличивается за счет теплопередачи от дымовых газов посредством специально предназначенных для этого конструктивных элементов:

sab12.wmf (5)

где sab13.wmf и sab14.wmf – энтальпия продуктов сгорания перед пароперегревателем и после него, кДж/м3; Δαпп – присос воздуха в газоходе пароперегревателя; V0 – теоретически необходимый объем воздуха для сгорания 1 м3 природного газа, м3; θхв – температура воздуха в котельной, К; iнп и iнп – энтальпии перегретого пара на выходе из пароперегревателя и насыщенного пара на входе в пароперегреватель, кДж/кг.

В описание теплового баланса топочной камеры котельного агрегата входит высшая теплота сгорания топлива, которая может быть описана следующим образом на 1 м3 газового топлива:

sab15.wmf (6)

где sab16.wmf – низшая теплота сгорания газообразного топлива, кДж; Qф.т. – физическая теплота топлива, кДж; Qф.в. – физическая теплота воздуха при его предварительном подогреве вне котельного агрегата, кДж [3].

Тепловые потери, приходящиеся на единицу объема сжигаемого топлива, связаны с недостаточным охлаждением продуктов сгорания за пароперегревателем:

sab17.wmf (7)

где Vух – объем уходящих газов на выходе из последнего газохода котлоагрегата на 1 м3 природного газа, м3; срух – средняя объемная теплоемкость газов при постоянном давлении, определяемая по θух, кДж/(м3?/К); θух – температура уходящих газов на выходе из последнего газохода, К; θух – коэффициент избытка воздуха за котлоагрегатом; q4 – потеря теплоты от механической неполноты сгорания, %; sab18.wmf – энтальпия холодного воздуха, кДж/кг.

Можно предположить, что поверхность теплоприемника мгновенно передает теплоту водному объему. Тогда определяющим пунктом теплообмена становится граница «стенка – вода», которая описывается через коэффициент теплоотдачи α1, и выгодно использовать модель перемешанного потока [4]. Количество теплоты, передаваемое от дымовых газов к теплоприемнику за счет излучения и конвекции, рассчитывается следующим образом:

sab19.wmf (8)

где σ – постоянная Стефана – Больцмана, Вт/(м-2*К-4); αк – коэффициент теплоотдачи топочных газов конвекцией, Вт/(м2*К); A1 – поверхность теплоприемника, которая получает теплоту конвекцией, м2; g1 – общее сопротивление передачи теплоты излучением от газа к теплоприемнику, учитывающее многократное отражение от всех поверхностей, и излучение, отраженное от экранов [5]. Если отражающая и поглощающая поверхности разделены, причем последняя представляет собой плоскость, общее сопротивление излучению равно

sab20.wmf (9)

где εг – средний коэффициент излучения газа; ε1 – коэффициент излучения поверхности поглотителя; C1 – доля общей поверхности, перекрываемой поверхностью поглотителя теплоты. Расчет степени черноты газов εг смеси H2O и CO2 можно провести по упрощенной методике:

sab22.wmf, (10)

где k – коэффициент ослабления лучей в смеси, определяемый эмпирической формулой

sab23.wmf (11)

где sab24.wmf – суммарное парциальное давление водяного пара и углекислого газа, МПа; SЭФ – эффективная длина луча, м [6].

Выражение (9) учитывает лишь часть термического сопротивления, относящуюся к границе «дымовые газы – стенка». Полное сопротивление вычисляется по формуле

sab25.wmf (12)

где αт1 – эквивалентный коэффициент теплоотдачи от топочных газов стенке, Вт/(м2*К); αт2 – коэффициент теплоотдачи от стенки к воде, Вт/(м2*К); δ – толщина стенки, м; λ – теплопроводность стенки, Вт/м•К [7]. В результате работы теплообменника на поверхности теплопередачи образуются осаждения, которые могут заметно увеличить сопротивление теплопередаче.

На величину коэффициента αт2 влияет давление рн и плотность теплового потока q:

sab27.wmf (13)

Характер изменения αт2 не является монотонным и проходит через два кризиса кипения. Расчет первой и второй критических тепловых нагрузок выполняют с использованием гидродинамической модели кризисов кипения С.С. Кутателадзе.

Пароперегреватели в зависимости от ключевого способа теплопередачи подразделяют на конвективные, радиационные и полурадиационные. Вне зависимости от типа пароперегревателя при сжигании и газообразного топлива, и мазута коэффициент теплопередачи k2 определяется по формуле

sab28.wmf (14)

где α1 – коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к поверхности пароперегревателя, Вт/(м2*К); α2 – коэффициент теплоотдачи от стенки пароперегревателя насыщенному пару, Вт/(м2*К) [8]. При моделировании технических объектов и систем теплоэнергетики расчет ключевых величин может быть выполнен с опорой на условия подобия [9]. Коэффициент теплоотдачи от стенки к пару при продольном омывании нагретым паром рассчитывается следующим образом:

α2 = αн*Сd , (15)

где αн – коэффициент теплоотдачи, значение которого определяется по номограмме в зависимости от технологических параметров пара; Сd – поправка на диаметр, определяется по дополнительному полю вышеупомянутой номограммы в зависимости от внутреннего диаметра пароперегревателя.

Механизм теплопроводности при кипении описывается моделью пограничного слоя; с этой позиции правомерно оперировать коэффициентом теплоотдачи αкип, который позволяет судить о характере кипения, тем самым сократив риск выхода из строя тепловых элементов энергетических установок [10].

Полученная система уравнений (1–15) является моделью с сосредоточенными параметрами, которая при введении инерционности пароводяного тракта позволяет оценить реакцию системы на возмущающее воздействие по расходу топлива.

Результаты исследования и их обсуждение

Возможности модели иллюстрируются на примере модельного эксперимента, в качестве исходных данных использовались технические характеристики котлоагрегата БКЗ-210-140. Это котельный агрегат однобарабанный, вертикально-водотрубный, с естественной циркуляцией П-образной компоновки (табл. 1).

Таблица 1

Характеристики БКЗ-210-140

Наименование

Величина

Паропроизводительность, т/ч

210

Температура перегретого пара, °С

545

Температура питательной воды, °С

230

Лучевоспринимающая поверхность нагрева экранов топки, м2

716

Поверхность нагрева пароперегревателя, м2

2561

Давление в барабане котлоагрегата, кгс/см2

155

Водяной объем котла, м3

58,5

Паровой объем котла, м3

30,7

Объем топочной камеры, м3

1093

Для получения динамических характеристик объекта используется возмущающее воздействие по расходу топлива, которым является природный газ. Состав топлива приведен в табл. 2.

Таблица 2

Состав топлива

 

СН4

С2Н2

С2H4

С2Н6

С3Н8

С4Н10

С5Н12

N2

СО2

H2

%

97,84

0

0

0,1

0,03

0,02

0,01

1,7

0,3

0

На пятой секунде наносится возмущающее воздействие по расходу топлива Gт, который на седьмой секунде превышает начальное значение на 10 %. С помощью уравнений (1–15) получены графики изменения температуры в топочной камере θk, температуры перегретого пара θпп и коэффициента полезного действия котельного агрегата η (рисунок).

sabit1.tif

Результаты модельного эксперимента

Результаты имитационного моделирования иллюстрируют, что процессы в топочной камере протекают с достаточно высокой скоростью, что согласуется с кинетикой горения при перемешанном потоке.

Заключение

Возможности модели не ограничиваются результатами приведенного эксперимента. Построенная модель котлоагрегата позволяет оценивать в то же время инерционность барабана котла, которая обусловливает большую задержку в динамике нагрузки, что важно для прогнозирования аварийных режимов, вытекающих из выхода технологческих параметров на новые установившиеся значения. Таким образом, учет в модели разнотемповости тепловых процессов в котельном агрегате является основанием для предотвращения возможных аварийных ситуаций (например, пережога экранных труб).

Модель обладает и другими полезными свойствами: предполагая безотказную работу системы управления технологическим процессом, она оставляет тем не менее пространство для испытания различных алгоритмов управления и устройств, отрабатывающих простейшие законы регулирования или их комбинацию.

Дальнейшее развитие работы авторам видится в направлении доработки модели, позволяющей рассматривать работу котлоагрегата под нагрузкой, например, в составе энергоблока. Это расширит возможности анализа, повысив в то же время практическую ценность исследования.


Библиографическая ссылка

Сабитов М.А., Ведерникова Ю.А., Спасибов В.М. АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В КОТЛОАГРЕГАТЕ ПУТЕМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 10. – С. 109-112;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37204 (дата обращения: 20.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074