CC BY
122
УДК 536.46:532.517.4
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ 3D МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ДЕЙСТВУЮЩИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
А.С. Аскарова, С.А. Болегенова, В.Ю. Максимов, А. Бекмухамет
Казахский национальный университет им. аль Фараби, г. Алматы, Казахстан E-mail: aliya.askarova@kaznu.kz
Исследованы процессы тепломассопереноса при горении пылеугольного топлива на примере камеры сгорания БКЗ-75 Шахтин-ской ТЭЦ с применением технологии 3D моделирования на основе решения дифференциальных уравнений турбулентного реагирующего течения. Получены распределения составляющих вектора полной скорости в различных сечениях камеры сгорания, приведена зависимость вектора полной скорости по высоте топочной камеры, получены профили температуры и распределение ее по высоте камеры сгорания. Установлены минимальные и максимальные значения приведенных величин, показана динамика изменения указанных характеристик в объеме исследуемой топочной камеры.
Ключевые слова:
Численное моделирование, горение, камера сгорания, тепловые характеристики, аэродинамические характеристики, реагирующая смесь, пылеугольное топливо.
Key words:
Numerical modeling, combustion, combustion chamber, thermal performance, aerodynamic characteristics, reacting mixture, pulverized coal.
Исследование задач конвективного тепломассопереноса в турбулентных течениях при наличии химических реакций является актуальной задачей теплофизики и гидроаэродинамики, поскольку такие течения широко распространены в природе и играют важную роль во многих технических устройствах. Знание закономерностей таких течений является важным при построении теории физики горения, при создании новых физико-химических технологий, а также при решении проблем теплоэнергетики и экологии. В исследованиях сложный процесс горения необходимо анализировать в зависимости от влияния многочисленных физических и химических параметров реакции горения. Развитие теории тепломассообмена, разработка на этой базе технологических процессов и систем с рациональным использованием энергетических ресурсов является актуальной задачей. Строгая теория реагирующих турбулентных многофазных течений в настоящее время отсутствует из-за большого числа взаимосвязанных процессов, которые необходимо учитывать при создании математических моделей.
Основным инструментом теоретического исследования нелинейных процессов тепломассопе-реноса в движущихся средах с учетом разнообразных физических явлений (таких, как турбулентность, лучистый теплообмен, горение, многофаз-ность, внешние силы и др.) является математическое моделирование и вычислительный эксперимент. Они включают в себя не только разработку численных методов и проведение численных расчетов, но и глубокий анализ рассматриваемой модели, ее адекватности реальному процессу. Компьютерное моделирование в значительной степени заменяет дорогостоящие и трудоемкие экспериментальные исследования [1].
Применение технологии 3Б-моделирования наряду с новейшими компьютерными технология-
ми позволяет с высокой точностью провести теоретическое исследование нелинейных физических процессов тепломассопереноса и движения среды с учетом разнообразных физико-химических явлений, таких как лучистый теплообмен, горение, повышенный уровень турбулентности. При исследовании широкого круга современных задач науки и техники моделирование тепломассообменных процессов приобретает особое значение и имеет широкое практическое применение [2].
Среди методов моделирования горения пылеугольного топлива наибольшее распространение получил метод, в основе которого лежит Эйлеров подход для описания движения и тепломассообмена газовой фазы. Этот метод использует пространственные уравнения баланса массы, импульса, концентраций газовых компонентов и энергий для газовой смеси. Для описания движения и тепломассообмена одиночных частиц топлив вдоль их траекторий используется Лагранжев подход [3]. Турбулентная структура потока описывается двухпараметрической к-Е моделью турбулентности, где к - кинетическая энергия турбулентности, е - турбулентная энергия диссипации. Радиационный теплообмен представляется шестипоточной моделью переноса.
Математическое описание физических и химических процессов основано на решении уравнений баланса. В общем виде эти уравнения содержат четыре слагаемых, описывающих:
• изменение величины со временем;
• конвективный перенос;
• диффузионный перенос;
• источник или сток.
Для вывода балансных соотношений выбран стационарный контрольный элемент объема или контрольный элемент массы, рис. 1. Предполагается, что центр тяжести выбранного элемента движется со скоростью течения. Этот стационарный
контрольный объем соответствует обоснованному подходу Эйлера для течений. Изменение транспортной величины описывается в единичном жидком элементе. Значение этой величины определяется в каждой точке рассматриваемой области.
Рис 1. Контрольный объем для обобщенного уравнения переноса [4], где риф! ¡+м - описывает конвективный перенос транспортной переменной через границы контрольного объема в декартовой системе координат
При преобразовании предельного значения из конечного в бесконечно малый контрольный элемент объема получается дифференциальное уравнение, описывающее сохранение транспортной переменной ф:
д(рф) _ д(ри1ф) д(ри2ф)
ді дх1 дх 2
д(рщф) д + — Г дФ +
дх3 дх1 ф дх1
д +— Г дФ д + — Г дФ +
дх2 _ Ф дх2 _ дх3 Ф дх3
(1)
где р - плотность среды; ы1 - скорость потока в направлении х, у, г; ф - транспортная переменная; Г - коэффициент диффузии.
Заменяя вур. (1) конвективный идиффузион-ный перенос плотностью потоков, через границы контрольного объема, получим плотности потоков:
Ф^ч . = ри. '
(к), ]
Ф(Я),7 Гф
дф
дх,.
конвективного;
- диффузионного.
Тогда с учетом данных соотношений ур. (1) запишется в виде:
д(рф) дФ (к), і дФ
(к ),і
ді
+ &
(2)
Запишем ур. (2) в векторной форме: д ( РФ)
ді
= діу((-риф) + Г ^гаёф) + &
а в тензорной форме уравнение (2) примет вид:
д (РФ) ді
д(ри.ф) д
------і— + —
дх,.
дх,.
дф
дх;
+ &.
(3)
В дальнейшем для расчета течений газ - твердое вещество с однофазным входом все транспортные величины в контрольном объеме определяются при помощи обобщенного уравнения (3). В этом уравнении 5ф - источниковый (стоковый) член для величины ф, остальные слагаемые характеризуют изменение величины ф: д(рф) _ дt д (риф дх;
от времени;
за счет конвективного переноса;
дх,.
дФ
дх,.
- за счет явлений молекулярного обмена.
В основе математической модели течения газов или жидкостей лежат уравнения сохранения массы и импульса. Для потоков, в которых происходят процессы теплопередачи, а также для сжимаемых сред необходимо дополнительно решать уравнение сохранения энергии. В течениях с процессами смешивания различных составляющих, с реакциями горения идр. необходимо добавить уравнение сохранения компонентов смеси или уравнения сохранения для фракций смеси и их изменений. Для турбулентных течений система уравнений дополняется транспортными уравнениями для турбулентных характеристик.
Таким образом, для решения поставленной задачи рассматриваются уравнения, характеризующие течение и которые выводятся из обобщенного уравнения (3). Эта система не имеет аналитического решения и может быть решена только численными методами.
В общем случае для численного решения вся расчетная область разделяется разностной сеткой на дискретные точки или объемы, непрерывное поле переменных заменяется дискретными значениями в узлах сетки, а производные, входящие в дифференциальные уравнения, заменяются их приближенными выражениями через разности значений функций в узлах сетки. В представленной работе для решения поставленной задачи применяется метод контрольного объема. Система алгебраических уравнений для разностного уравнения контрольного объема для каждой балансной величины имеет следующий вид:
Е афп + £ф •
Коэффициенты ап определяют вклад конвективного и диффузионного потока по всем направлениям в каждой точке контрольного объема. В результате аппроксимации системы уравнений (2) получено алгебраическое уравнение (3) для каждого контрольного объема и для каждой искомой переменной фп. Для каждой ячейки расчетной области используются физические законы сохранения и дифференциальные уравнения, описывающие эти законы (уравнения переноса), интегрируются по объему каждой ячейки.
Результаты вычислительного эксперимента
Для получения температурных и аэродинамических характеристик в камере сгорания БКЗ-75 Шахтинской ТЭЦ (Казахстан) проведено численное исследование процессов тепломассопереноса, происходящих при сжигании низкосортного пылеугольного топлива марки КР-200. В исследовании применены технологии 3Б моделирования на основе решения дифференциальных уравнений турбулентного реагирующего течения.
Получены профили в составляющих вектора полной скорости в сечении горелок и в продольном сечении камеры сгорания. Представлена зависимость вектора полной скорости по высоте камеры сгорания. Получены профили температуры в указанных сечениях и приведена зависимость температуры потока в зависимости от высоты камеры сгорания.
Котел БКЗ-75 Шахтинской ТЭЦ, рис. 2, оборудован четырьмя пылеугольными горелками, установленными по две горелки с фронта и с тыла в один ярус. В котле сжигается пыль Карагандинского рядового (КР-200) угля, зольностью 35,1 %, выходом летучих 22 %, влажностью 10,6 % и теплотой сгорания 18550 кДж/кг. Исходные данные для расчета приведены в таблице.
Расчетная область для проведения вычислительных экспериментов и создание базы данных для моделирования проводится в несколько этапов с использованием программных комплексов [4, 5]. Эти компьютерные пакеты программ позволяют проводить сложные вычислительные эксперименты по моделированию реагирующих многофазных течений в областях реальной геометрии. При создании геометрической модели каждая стенка топочной камеры описывается отдельно в виде численных кодов. Сначала вводятся стенки с их угловыми точками. Входы и выход задаются, прежде всего, в виде типа отверстий и затем устанавлива-
Таблица. Исходные данные для расчета аэродинамических и температурных характеристик камеры сгорания котла БКЗ-75
Наименование Обоз- наче- ние Единица измере- ния Численное значение
Тип угля КР-200 - -
Зольность на сухую массу Ас % 35,1
Выход летучих на горючую массу V % 22
Влажность рабочая % 10,6
Теплота сгорания 0Н ккал/кг 4433
Количество горелок на котле N шт. 4
Производительность одной горелки по топливу Вг т/ч 3,2
Расход первичного воздуха на котел ^.в. кг/ч 28233
Расход вторичного воздуха на котел ^т.в кг/ч 78163
Температура горячего воздуха ¡гв °С 290
Гидродинамическое сопротивление канала аэросмеси горелки АН - 67,1
Присосы в топку Аа - 30,4
Коэффициент избытка воздуха за топкой ат - 2,019
Механический недожог топлива О4 % 13,37
КПД котла-брутто Пк % 80,88
Расход топлива на котёл В т/ч 12,49
Плотность угля р кг/м3 1300
Состав угля
С Н2 02 $2 N2 Н20 Зола
43,21 3,60 5,24 1,04 1,21 10,60 35,10
ются координаты пространственного положения горелочных устройств на определенных стенках. Отверстие горелки (вход) описывается в виде концентрических окружностей (для круглых горелок), выход - в виде прямоугольника с соответствующими координатами. В соответствии с заданной геометрией создается решетка для численного моделирования, рис. 3. В процессе создания окончательного варианта расчетной области решетка нео-
Рис. 3. Конечно-разностная сетка камеры сгорания БКЗ-75 Шахтинской ТЭЦ
днократно редактируется для выбора оптимального варианта при проведении дальнейших расчетов физических процессов в топочном объеме. В итоге исследуемая камера сгорания была разбита на 1500000 элементарных ячеек.
Расчеты по численной модели выполнены для условий, принятых при организациях реального процесса на ТЭС.
Проведенные в данной работе исследования позволили определить основные закономерности распределения аэродинамических (рис. 4-7) и температурных (рис. 8, 9) характеристик во всем объеме топочной камеры.
Приведенные рисунки иллюстрируют картину распределения скоростей в топочном пространстве, при помощи, которой можно охарактеризовать поведение пылеугольного потока внутри камеры сгорания. Отчетливо видны области подачи топливной смеси через горелки.
Глубокое взаимное проникновение встречных струй и наличие поперечных градиентов скорости турбулизирует поток. Значительная турбулизация потока имеет место при хорошем заполнении топочного пространства, а, следовательно, при увеличенном времени пребывания горючей смеси в топочном пространстве. Вследствие немного разреженного заполнения области камеры над горелками у передней и задней стен развиваются вихри. Часть восходящего потока направляется на выход из топки. Избыточный расход рециркулирует, образуя у стен в области над горелками вихревые области. Наличие вращения потоков в пристеноч-
с**
0 2 0 4 I о 0 8 0 10 ,0 12 ,0 14 ,0 16 ?0 18
■ и
Среднее значение —Минимальное значение а Максимальное Значение
Ж Максимум 6,321 Среднее -0,174 Минимум -5,826
Рис. 4. Распределение составляющей скорости U в сечении горелки по высоте камеры сгорания
щ
\Г' -Л
0 2 ,,,
0 4 0 6 0 S о о ,0 12 ,0 L ,0 16 ,0 1S
Z, м
-Среднее значение —«—Минимальное значение Максимальное значение
Минимум - 3,409
Рис. 5. Распределение составляющей скорости V в продольном сечении и по высоте камеры сгорания
7.0
6.5 ^ 6,0 N 5,5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5 1,0 0,5 0,0
ч Г
,1 I.
—I--1---1---1---1-1--1---1-1---1--1--1--1--1—ь-
0,0 0,51,01,5 2,0 2,5 3,03,54,04,55,0 5,56,06,57,0
W 1 м/с J X ,м
-9.122 -4.509 0.104 4.717 9.330
Ж Максимальное 9,512 с ^553
X Минимальное-9,133
Рис. 6. Распределение составляющей скорости W в сечении горелок и по высоте камеры сгорания
ной зоне способствует равномерному обогреву поверхностей и снижению шлакования экранов, что позволяет уменьшить коррозию и тепловой перегрев [6, 7]. По мере удаления от плоскости расположения горелок поле скоростей выравнивается, восходящий поток расширяется, и вихревой характер течения ослабевает. К выходу из топочной камеры восходящий поток интенсивно расширяется
и на выходе равномерно распределяется по всему сечению.
Горение угольной пыли в топочной камере протекает в неизотермической запыленной газовой струе, распространяющейся в среде горячих топочных газов. Запыленная струя (поток аэросмеси) в топочном пространстве распространяется вместе с окружающим ее потоком вторичного воздуха.
Рис. 7. Распределение вектора полной скорости по высоте камеры сгорания
Рис. 8. Профиль температуры в области горелок и в продольном сечении камеры сгорания
Температурные условия, в которых протекает горение угольной пыли в топочной камере, создаются в турбулентных струях и определяются интенсивностью тепломассообмена в них и характером распространения их в топочных газах. Поэтому физические условия горения в турбулентных струях определяются закономерностями распределения температуры и полями скоростей [7].
Таким образом, максимальный конвективный перенос в рассматриваемой физической модели наблюдается в области подачи пылеугольной смеси. Следовательно, наиболее интенсивное горение наблюдается в центральной части топки, о чем свидетельствуют максимумы на рис. 8, 9 в распре-
делении температуры в различных сечениях камеры сгорания.
Аэродинамические условия, создаваемые в топочном пространстве при движении пылеугольных потоков, приводят к тому, что в плоскости подачи топливной смеси и в плоскости симметрии топочной камеры наблюдается максимальный конвективный перенос. Реакции горения здесь идут наиболее интенсивно, с чем связаны значительные изменения температуры в этой области. Вблизи зоны реакции в пламени обнаруживаются пики в распределении температуры и ее градиента. По мере продвижения к выходу топочной камеры температура равномерно падает.
Выводы
1. Показано, что при равенстве начальных количеств движения встречные потоки соударяются в центре топки при практически одинаковых скоростях в них. Закрученные струи, подающие топливо через встречные горелки, создают объемное завихренное течение в центральной области топочной камеры. В области горелок поток движется горизонтально, а по мере движении вверх угол подъема увеличивается. В углах топки вследствие прямого удара о стенки камеры поток растекается, и угол подъема его увеличивается. Часть потока под небольшим углом направляется вниз, развиваясь в два вихря. Благодаря интенсивному вихревому движению пылегазовых потоков внутри топочной камеры существенно возрастает время пребыва-
ния частиц топлива в топке, что позволяет добиться более полного выгорания, а в техническом плане возможно применение угольной пыли более крупных фракций.
2. Наиболее интенсивное горение наблюдается в центральной части топки, где температура потока достигает порядка 1700 °С Вследствие того, что угольные частицы в этой области обладают более интенсивным излучением и имеют более высокую концентрацию и суммарную поверхность, видно, что температура достигает максимума в сечениях расположения горелок. Именно в этой области реакция горения происходит наиболее интенсивно. По мере приближения к выходу из топочного пространства температурный профиль стабилизируется, и расхождения между минимальными и максимальными значениями уменьшается.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Полежаев В.И., Бунэ А.В., Верезуб Н.А. и др. Математическое моделирование конвективного тепломассообмена на основе уравнений Навье-Стокса. - М.: Наука, 1987. - 256 с.
2. Оран Э., Борис Дж. Численное моделирование реагирующих потоков. - М.: Мир, 1990. - 660 с.
3. Pauker W. Creating data sets for FLOREAN using the tool PRE-PROZ, TU. - Braunschweig: IWBT, 1997. - 3-24 S.
4. Müller H. Numerische Berechnung dreidimensionaler turbulenter Strömungen in Dampferzeugern mit Wärmeübergang und chemischen Reactionen am Beispiel des SNCR-Verfahrens und der Kohleverbrennung. - Braunschweig: Fortschritt-Berichte VDI-Verlag, 1992. - 158 S.
5. Askarova A.S., Messerle V.E., Ustimenko A.B., Nagibin A.O. Горение пылеугольного факела в топке с плазменно-топливной си-
стемой // Теплофизика и аэромеханика. - 2010. - Т. 17. -№ 3. - C. 467-476.
6. Аскарова А.С., Мессерле В.Е., Нагибин А.О., Устименко А.Б., Лаврищев О.А. Modelling of plasmasupported coal combustion in fullscale boiler // Термотехника. - 2009. - T 35. - № 2. -С. 149-162.
7. Askarova A., Karpenko E., Lavrishcheva Y., Messerle V., Ustimenko A. Plasma-supported coal combustion in boiler furnace // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2007. - V. 35. - № 6. -P. 1607-1616.
8. Askarova A.S., Messerle V.E., Nagibin A.O., Ustimenko A.B. Modeling of plasma-assisted coal dust ignition and combustion // Acta Technica. - 2011. - V. 56. - P. 338-355.
Поступила 05.07.2011 г.
