CC BY
80
УДК 69.027.1
Ю. Г. Володин, О. П. Марфина, Р. Р. Ханнанов, М. С. Цветкович, А. П. Кирпичников
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ
В ГАЗОВОЗДУШНОМ ТРАКТЕ КОТЛА ТГМ-84
Ключевые слова: присосы воздуха, математическая модель, дроссельная заслонка, котел ТГМ-84, воздухоподогреватель
РВП-54, газовоздушный тракт.
В статье приведена математическая модель турбулентного течения дымовых газов в газовоздушном тракте котла ТГМ-84. Расчеты выполнены с использованием программного комплекса ANSYS. При математическом моделировании рабочего процесса в газовоздушном тракте реализована идея дросселирования потока дымовых газов в районе отводящего газового патрубка за РВП. Получены оптимальные размеры дроссельной заслонки. Выполненные измерения присосов воздуха на работающем котле до и после установки заслонки показали заметное снижение присосов воздуха в газовый тракт.
Keywords: the inflow air, the mathematical model, the throttling screen, the boiler TGM-84, the economizer of airRVP-54, the gas canal.
The article presents a mathematical model of the turbulent flow of the flue gases in the gas canal of the boiler TGM-84. The calculations realization at utilization of the program complex ANSYS. At mathematical modeling of the worker process in the gas canal be realize idea for the throttling flow of the smoke gases in the seat for the deferent gas piping over RVP. Receive the optimal size of the throttle screen. The measured of air suction on the working boiler before and after installing the throttle screen showed a marked reduction of the inflow air into the gas canal.
Научно-технический прогресс стимулирует развитие и совершенствование различных отраслей, в том числе и энергоемких, в промышленном комплексе. Освоение новых месторождений полезных ископаемых, расширение масштабов добычи на действующих площадках требует формирования соответствующей инфраструктуры для жизнедеятельности персонала, что в итоге приводит к строительству новых или расширению площадей уже существующих населенных пунктов. Все вместе взятое нуждается в немалых количествах электрической и тепловой энергии. Этим объясняется не только введение новых мощностей в энергетическом комплексе страны, но модернизация действующих агрегатов и совершенствование технологических процессов. Одним из актуальных направлений в теплоэнерго-производящей промышленности является энергоресурсосбережение при эксплуатации технологического оборудования.
Тепловую электрическую станцию (ТЭС) образует комплекс оборудования и устройств, основными из которых являются котельная установка, производящая пар высоких параметров, турбинная или паротурбинная установка, преобразующая теплоту пара в механическую энергию ротора турбоагрегата, и электрические устройства (электрогенератор, трансформатор и т. д.), обеспечивающие выработку электроэнергии (рис. 1). Основным элементом в котельной установке, производящей пар, является котел. Котел выглядит в виде П-образной конструкции с газоходами прямоугольного сечения. В левую часть, называемую топкой, подается смешанный с подогретым воздухом газ. Воздух подогревается путем рециркуляции дымовых газов, вышедших из котла. Подогревается воздух в регенеративном воздухоподогревателе (РВП) дымовыми газами. Частично охлажденные дымовые газы дымососом ДС подаются в дымовую трубу. Через дымовую трубу продукты сгорания (дымовые газы) выталкиваются
в верхние слои атмосферы и рассеиваются. Кроме того, дымовая труба необходима для создания разрежения в топке и газоходах котла.
к турбине
ММ
t f
топливо
Рис. 1 - Технологическая схема ТЭС (фрагмент). Основные элементы парового котла: 1 - газовые горелки; 2 - экраны труб, для подогрева питательной воды; 3, 4, 5 - потолочный, ширмовый, конвективный пароперегреватель; 6, 7 - экономайзер; 8 - линия рециркуляции; 9 - дутьевой вентилятор; 10 - дымосос; 11 - регенеративный воздухоподогреватель (РВП); 12 - дымовая труба
Одним из паровых котлов, которые в настоящее время эксплуатируются на ТЭС, является ТГМ-84 (ТГМ-84А, ТГМ-84Б), в газовоздушном тракте которого устанавливается регенеративный воздухоподогреватель РВВ-54 (или РВВ-68). Во время функционирования происходят присосы (перетоки) воздуха (рис. 2) из воздушного тракта в газовый, что снижает полезную работу вращающегося РВП. Эксплуатационный опыт показывает, что более 20% воздуха попадает в газовый тракт, не совершая работы. Соответственно ухудшается показатель по присосам воздуха. Данное обстоятельство приводит к увеличению нагрузки на дымососы и дутьевые вентиляторы, заметному ухудшению по величине такого показателя как удельный расход электроэнергии на тягу и дутье и в итоге к перерасходу топлива.
дымовые газы I
Г
Рис. 2 - Иллюстрация движения дымовых газов, воздуха и присосов воздуха в РВП
Для снижения присосов воздуха в газовый тракт котла имеется большое количество разнообразных конструкторских решений: установка промежуточных радиальных полос, войлочных пластин на прижимные планки, максимальное уплотнение щелей и зазоров в конструкции РВП и т. п. Реализация таких решений является эффективной и приводит к снижению присосов воздуха в РВП до 10 %, вместо 15 - 20%. Однако, все они обладают одним недостатком - механическим износом.
таете®
Ш)ВЕ=596!
□ 1.351 2.702 4.054 5.405
.675602 2.027 3.378 4.729
Рис. 3 - Дросселирование газового потока
Вопрос снижения присосов воздуха в газовый тракт котла можно решить путем дросселирования дымовых газов (рис. 3) в хвостовой части газохода РВП. Для этого необходимо установить дросселирующее устройство. Известно [1, 2], что при прохождении потока через дросселирующее устройство происходит местное сжатие потока. Согласно закону сохранения энергии суммарная энергия движущейся среды может уменьшиться только на величину потерь, следовательно, часть потенциальной энергии потока преобразуется в кинетическую энергию. Давление потока на стенки трубопровода несколько возрастает за счет подпора перед сужающим устройством и далее понижается до некоторого минимума за дросселем. Таким образом, разогнав поток и снизив давление на стенки газовоздушного тракта, можно достичь снижения присосов воздуха.
Течение неизотермического газового потока, в том числе, и при его ускорении исследовалось в работах [3 - 7]. Общеизвестно, что при сужении кана-
ла формируется отрицательный продольный градиент давления, под воздействием которого профиль скоростей становится более заполненным, относительный коэффициент трения по величине увеличивается, увеличивается и скорость течения газового потока. Неизотермичность при тепловом потоке, направленном от более нагретых дымовых газов к стенкам газовоздушного тракта, также способствует большей заполненности профиля скоростей, увеличению относительного коэффициента трения и скорости течения дымовых газов.
При турбулентном режиме течения рабочего тела поля актуальных значений скоростей, давлений и температур в потоке представляют собой сложную структуру. Причиной такой структуры является нерегулярность или случайность характера изменений названных параметров в пространстве и во времени. Поэтому при математическом описании турбулентных течений все подходы, включая прямое моделирование турбулентности, прямое моделирование крупномасштабных структур и так называемый мо-ментный подход Рейнольдса, основаны на нестационарных трехмерных уравнениях динамики вязкого газа - система уравнений Навье-Стокса, а также на выполнении операций статистического осреднения, которое реализуется на одном из этапов при формировании постановки задачи либо при ее решении. Когда выполняют прямое моделирование турбулентности на основе трехмерных нестационарных уравнений Навье-Стокса, то статистическое осреднение делают после интегрирования этих уравнений. Осреднение преследует основную цель, заключающуюся в удобстве традиционной формы практического анализа.
Когда используется моментный подход Рей-нольдса, то на начальном этапе постановки задачи выполняется операция статистического осреднения. При таком подходе сначала осредняются статистически уравнения динамики вязкого газа, затем проводится интегрирование после предварительного полуэмпирического замыкания. Операция осреднения выполняется по всем масштабам одновременно. Поэтому здесь утрачивается универсальность и эти методы остаются востребованными при анализе узкого диапазона гидродинамических процессов.
Когда проводится прямое моделирование, то статистическое осреднение уравнений выполняется на этапе постановки задачи. При этом охватываются не все масштабы, так как полуэмпирическое моделирование турбулентности необходимо проводить только на подсеточных масштабах, т. е. на масштабах явлений, которые меньше чем размеры статистической ячейки. Таким образом, во всех случаях получается система уравнений Навье-Стокса, осреднен-ная по Рейнольдсу. Это означает, что любая газодинамическая величина в турбулентном потоке представляется в виде суммы осредненных и пульсаци-онных составляющих. Причем, при определении средних значений осреднение выполняется по некоторому интервалу времени, т. е. временное осреднение. Кроме такого осреднения существуют и другие способы - статистического осреднения по объему
(пространственное осреднение), статистическое осреднение по ансамблю.
Классический подход статистического осреднения по некоторому интервалу времени (по Рей-нольдсу) в основном применяют при решении уравнений, которые описывают течение рабочего тела с постоянной плотностью - несжимаемые жидкости. Когда речь идет об описании турбулентных течений сжимаемого газа, то чаще пользуются комбинированным способом осреднения. Здесь давление и плотность газа осредняют по времени (по Рейнольдсу), а другие параметры потока вводят по так называемым средневзвешенным значениям. Этот способом осреднения называют методом средневзвешенных параметров или осреднением по Фавру. Его главным преимуществом является то, что система уравнений турбулентного движения оказывается более компактной по сравнению другими подходами.
При описании турбулентного течения газового потока, в том числе, и в дымовых трубах ТЭС, система уравнений включает в себя уравнения количества движения, уравнение неразрывности, уравнение энергии и уравнения k-e модели турбулентности, т. е. при трехмерной постановке в декартовой системе координат имеем: уравнение неразрывности
дры др dpw
- + —— + dx dy dz
= 0.
Уравнение количества движения в проекции на ось X
dpu + d(puu) + d(puv) + d(puw) d ( du dt dx dy dz dx l dx
_d_ dy
du | d ( du Л dp
И— I--1 и— |+ — = 0.
dy) dz ^ dz) dx
Уравнение количества движения в проекции на ось Y
dpv + d(puv) + d(pvv) + d(pvw) d ( dv dt dx dy dz dx ^ dx
_d_ dy
dv | d I dv Л dp
И— |—I И—|+ = о.
dy) dz { dz) dy
Уравнение количества движения в проекции на ось Z
dpw + d(puw) + d(pvw) + d(pww)
dt
d(
— I И—
dx l dx
dx dw Л d
dy
M
dy
dw
dy
dz d I dw
--1 И—
dz l dz
+ dP = 0.
dz
где х, у, 2 - декартовы координаты, t - время, и, V, ^ - проекции вектора скорости на оси х, у, 2 соответственно, р - давление, ц - коэффициент эффективной вязкости, р - плотность рабочего тела. Уравнение энергии
д^) + д(рМ) + д(р^) + д(phw) _ 91 дх ду дх
dx I
И+И
Pr PrT
dh+_d_ dx dy
И+И
Pr PrT
dh+_d_ dy dz
И+И
Pr PrT
dh dz ''
где Pr - число Прандтля, PrT - турбулентное число Прандтля, h - энтальпия
h = £ Ya(^fa + £ Cpa (T)dT
где Уа - массовая доля компонента а , а Т - температура.
Уравнения переноса кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации
д(рк) д(рки) ^ д(рку) ^ д(ркм>) д/ дх ду д2
d_ dx
Ит
~ не
d
— +—
dx dy
I Ит л
И... +—
~ не
a )
d
— +—
dy dz
I Ит л и... +—
~ не
—+pG-p,
dps) + d{pue) + d[pve) + dpws) dt dx dy dz
d ( +Ит I dk + d | +Ит Л dk + d |
dx ^ °е as J dx dy ( °е a s ) dy dz ^ "'
Ит | dk --| —
a, ) dz
р(Й^ -Йе2е)-.
к
Для замыкания системы осредненных уравнений используется к - е модель, генерация турбулентности за счет сдвиговых напряжений
G = И Р
„ du dv (du Л „ du dw (duЛ2
2--+ I — | + 2--+ I — | +
dy dx ^dy) dz dx {dz)
2 dv dw + ( dv V + ( dv Y + ( dw Y + ( dw ' dz dy l dz) ^йг) ^йг) l dy)
2 ( du dv dw — \ —+ — + —
31 dx dy dz
Ит I du dv dw k + — \ — + — + —
Л
p ydx dy dz
Турбулентная вязкость определялась по формуле Ко лмо горова-Прандтля
C k2 Vt = CP —,
S
а эффективная вязкость по формуле М = Мо >
где ¿иш - молекулярная вязкость. Значения констант принимались равными См = 0.09, Cs1 = 1.30, Cs2 = 1.92, Cs1 = 1.30, at = 1.0, = 1.3, PIt = 0.7, ScT = 0.7.
Плотность p определялась из уравнения состояния pRT
P
М
где R0 - универсальная газовая постоянная, а давление Р полагали равным атмосферному.
Моделирование течения дымовых газов в хвостовой части газохода РВП выполнено с использованием программного комплекса АЫБУБ. Все размеры газохода соответствуют технической документации на конструкцию РВП, а именно: высота шахты 5,0 м, глубина 5,076 м, ширина 2,493 м. Сужающее устройство представляет собой дроссельную заслонку [8]. В результате математического моделирования течения дымовых газов в хвостовой части газохода определены оптимальные параметры - высота выступа (рис. 4) дроссельной заслонки (0,1 -0,17)-й?экв (эквивалентный диаметр отводящего газового патрубка) и место ее расположения в газовом
+
2
тракте. Увеличение давления на 10 - 20 Па приводит к выравниванию давлений за РВП потока дымо-
Рис. 4 - Вращающийся регенеративный воздухоподогреватель
Давление на воздушной стороне перед Р (В),кПа
Давление на газовой стороне з: РВП Р (Г),кПа
До
6,86
6,84
-0,37
После
0,54
0,373
Разность давлений ДР ,кПа
Объём присосов V, м куб
До
7,23
7,24
После
До
6,32
6,467
0,0726763
0,0727265
После
0,06795
0,06873
Процент сн присосов,%
6,504783741
5,489045915
0,074
0,073
0,072
0,071
f 0,07
2
5 0,069 О 0,068 0,067 0,066
□ До П После
234 Присосы
Рис. 5 - Изменение объема присосов
Дроссельная заслонка была установлена на РВП-54 котлоагрегата ТГМ-84Б. В процессе эксплуатации были проведены измерения присосов воздуха. Сравнительные результаты приведены на рис. 5.
Вывод
Путем математического моделирования спрогнозирован рабочий процесс в газовоздушном тракте за РВП-54. Дросселирование дымовых газов за счет перераспределения потенциальной и кинетической энергии потока позволяет получить эффект снижения присосов воздуха. Реализация данного подхода в производственных условиях позволила реально снизить объем присосов воздуха в газовый тракт.
Литература
1. Володин Ю.Г., Богданов А.Н. Технические измерения и приборы. Расчет сужающих устройств. Учебное пособие. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2007. - 63 с.
2. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л.: Машиностроение, 1989. - 701 с.
3. Володин Ю.Г., Марфина О.П. Математическое моделирование пусковых режимов энергетических установок. -СПб.: «Инфо-да», 2007. - 128 с.
4. Володин Ю.Г., Марфина О.П. Расчет коэффициентов трения и теплоотдачи при нестационарном неизотермическом течении несжимаемого газа в осесимметричных каналах // Известия ВУЗов «Машиностроение». - 2007.
- № 3. - С. 21 - 26.
5. Володин Ю.Г., Марфина О.П. Расчет нестационарного неизотермического течения несжимаемого газа в осе-симметричных каналах энергетических установок // Известия ВУЗов «Машиностроение». - 2007. - № 5. - С. 39
- 42.
6. Володин Ю.Г., Марфина О.П., Цветкович М.С. Газодинамические характеристики отводящих стволов дымовых труб // Известия КГАСУ, 2015, № 4. - С. 236 - 242.
7. Володин Ю.Г., Марфина О.П., Цветкович М.С., Кирпичников А.П. Влияние технического состояния и режимов работы дымовых труб на экологию // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2015. - Т 18. - № 24. - С.
8. Ханнанов Р.Р. Вращающийся регенеративный воздухоподогреватель. - Патент на изобретение № 2324114.
© Ю. Г. Володин - к.т.н., доцент кафедры физики, электротехники и автоматики КГАСУ, yu.g.volodin@mail.ru; О. П. Марфина - к.т.н., доцент той же кафедры; Р. Р. Ханнанов - аспирант той же кафедры; М. С. Цветкович - аспирант той же кафедры; А. П. Кирпичников - д.ф.-м.н., проф., зав. каф. интеллектуальных систем и управления информационными ресурсами КНИТУ, kirpichnikov@kstu.ru.
© Yu. G. Volodin - PhD, Associate Professor of the Department of physics, electrical engineering and automation, KSUAE, e-mail: yu.g.volodin@mail.ru; O. P. Marfina - PhD, Associate Professor of the same Department; R. R. Hannanov - Graduate Student of the same Department; M. S. Cvetkovich - Graduate Student of the same Department; A. P. Kirpichnikov - Dr. Sci, Head of the Department of Intelligent Systems & Information Systems Control, KNRTU, kirpichnikov@kstu.ru.
7
7,333362939
6,569374572
n ПДЯ
0 064
я
