CC BY
0УДК 697
Поляков Н.Д.
магистрант кафедры теплогазоснабжения и вентиляции Санкт-Петербургский го сударственный архитектурно-строительный университет (г. Санкт-Петербург, Россия)
ОБЗОР МЕТОДИК И ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ АНАЛИЗА ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАРОВОЙ КОТЕЛЬНОЙ С КОТЛОАГРЕГАТАМИ ДКВР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ MS EXCEL И ANSYS
Аннотация: в данной статье исследуются методы анализа тепловой эффективности паровых котлоагрегатов серии ДКВр с использованием инструментов MS Excel и ANSYS. Рассматривается методики анализа и оптимизации работы котлов для повышения их тепловой эффективности, снижения затрат на топливо и уменьшения выбросов вредных веществ. Описываются принципы разработки автоматизированной программы для аналитических расчетов в MS Excel и использование ANSYS для детального моделирования физических процессов.
Ключевые слова: тепловая эффективность, паровые котельные, котлоагрегаты ДКВр, MS Excel, ANSYS, оптимизация, моделирование, КПД, экономия топлива, выбросы вредных веществ.
Вводная часть.
Исследование тепловой эффективности паровых котельных важно для улучшения их работы. Паровые котельные играют ключевую роль в энергетических системах, и их эффективность влияет на экономику предприятий и состояние окружающей среды. Оптимизация работы котельных помогает снизить затраты на топливо и уменьшить выбросы вредных веществ. Это важно для соблюдения экологических стандартов и продления срока службы оборудования. Котлоагрегаты серии ДКВр могут работать на различных
1868
видах топлива, и исследование их эффективности позволяет лучше использовать эти возможности. Применение таких инструментов, как MS Excel для аналитических расчетов и ANSYS для моделирования, помогает глубже понять и улучшить процессы. Таким образом, исследование тепловой эффективности котельных способствует экономии ресурсов и защите окружающей среды. Данная статья представляет собой краткий обзор методик и инструментов для анализа тепловой эффективности с акцентом на использование MS Excel и ANSYS.
Обоснование выбора типа котлоагрегатов для исследования.
Котлы серии ДКВр (Двухбарабанный Котёл Вертикально-водотрубный разборный) - это модели паровых котлов, разработанные в середине прошлого века и широко использовавшиеся в различных отраслях промышленности. Несмотря на их возраст, эти котлы остаются актуальными для научных исследований благодаря своей проверенной надежности и множеству реализованных технических решений. Котлы ДКВр хорошо изучены, что обеспечивает доступ к обширной базе данных и позволяет глубже анализировать их работу. Разнообразие компоновок и модификаций этих котлов делает их отличным объектом для исследований по тепловой эффективности. Их применение позволяет лучше понять процессы, влияющие на эффективность котлоагрегатов в целом, и разработать методы для оптимизации их работы в современных условиях.
Разработка расчетной автоматизированной программы в MS Excel.
Целью разработки программы является создание инструмента для детального анализа тепловой эффективности паровой котельной с котлоагрегатами серии ДКВр. Данная программа будет использоваться для выявления ключевых параметров, влияющих на КПД котлоагрегатов, и оптимизации их работы.
Основные задачи разработки программы включают:
1. Анализ исходных данных и параметров: Программа должна позволять изменять исходные данные и параметры расчетов, такие как
1869
характеристики топлива и геометрические параметры котлоагрегатов, чтобы оценить их влияние на тепловую эффективность.
2. Выявление критических параметров: на основе аналитических методов программа будет выявлять параметры, которые наиболее существенно влияют на КПД котлоагрегатов серии ДКВр. Это позволит сфокусировать дальнейшие исследования на наиболее значимых аспектах.
3. Автоматизация расчетов: разработка автоматизированной расчетной программы в MS Excel позволит проводить обширные расчеты и анализировать результаты в кратчайшие сроки. Программа должна обеспечивать возможность быстрого изменения исходных данных и получения новых результатов без необходимости ручного ввода и расчетов.
4. Многофункциональность и адаптивность: программа должна быть способна вести расчеты для различных видов топлива, поскольку котлоагрегаты ДКВр могут работать на широком спектре топлив. Это позволит оценивать тепловую эффективность при использовании различных энергетических ресурсов и выбирать оптимальные варианты.
5. Подготовка данных для моделирования: программа должна собирать и обрабатывать данные, которые затем будут использоваться для математического моделирования в программе ANSYS. Это обеспечит комплексный подход к исследованию тепловой эффективности и позволит более точно смоделировать приоритетный физический процесс.
Эти задачи направлены на создание мощного аналитического инструмента, который будет способствовать глубокому пониманию процессов, влияющих на тепловую эффективность паровых котельных.
Интерфейс программы.
Интерфейс программы должен быть максимально удобным для пользователя, позволяя легко вводить исходные данные и просматривать результаты расчетов. В MS Excel можно создать несколько листов, каждый из которых будет соответствовать определенному расчетному разделу.
1870
Первый лист, названный «Исходные данные», будет содержать таблицы с характеристиками работы котлоагрегата, составом топлива, конструктивными характеристиками топки и конвективных пакетов. Второй лист, «Материальный баланс горения топлива», будет содержать таблицу расчетных значений физических величин, полученных из исходных данных и методики составления материального баланса горения топлива для различных видов топлива.
Третий лист, «Тепловой баланс котлоагрегата», будет содержать расчетные значения физических величин, определяемых по методике составления теплового баланса котлоагрегата. Аналогичным образом, создаются дополнительные листы для других расчетных разделов, связывая их по передаваемым физическим величинам.
После создания программы, можно исследовать работу котлоагрегата на различных нагрузках, изменяя значения тепловой мощности или коэффициента нагрузки в исходных данных. Полученные расчетные физические величины можно выписать в сводные таблицы и построить графические зависимости от режимов работы котлоагрегата.
Математическое моделирование в ANSYS.
Выбор параметра для моделирования в ANSYS основывается на его критическом влиянии на тепловую эффективность котлоагрегатов серии ДКВр. В процессе анализа работы паровых котельных необходимо учитывать множество факторов, таких как температура, давление, скорость потока и состав топлива. Однако не все из них одинаково влияют на конечный КПД системы. Для эффективного моделирования следует сосредоточиться на параметрах, которые оказывают наибольшее влияние на тепловую эффективность и могут быть изменены или оптимизированы для улучшения работы котлоагрегатов.
Основные критерии выбора параметра включают:
1. Влияние на КПД: Параметр должен оказывать значительное влияние на КПД котлоагрегата. Например, температура газов на выходе из котла или теплопередача в конвективных пакетах.
1871
2. Изменяемость параметра: Параметр должен быть таким, который можно изменить в рамках текущей эксплуатационной практики. Это может быть, например, регулировка подачи воздуха или изменение состава топлива.
3. Доступность данных: Должны быть доступны точные данные для выбранного параметра. Это важно для корректного ввода данных в программу ANSYS и получения достоверных результатов моделирования.
4. Практическое значение: Изменения в выбранном параметре должны приводить к улучшениям, которые можно реализовать на практике, снижая затраты или улучшая экологические показатели.
Пример выбора параметра: рассмотрим температуру уходящих газов. Этот параметр имеет значительное влияние на тепловые потери котлоагрегата и, соответственно, на его КПД. Уменьшение температуры уходящих газов обычно ведет к повышению тепловой эффективности. Кроме того, этот параметр можно регулировать через изменения в системе подачи воздуха и путем оптимизации горелочных устройств.
Таким образом, выбор параметра для моделирования в ANSYS базируется на его критическом воздействии на тепловую эффективность, возможностях для регулирования и доступности данных. Это позволяет обеспечить точное и практично значимое моделирование, результаты которого могут быть использованы для оптимизации работы котлоагрегатов серии ДКВр.
Моделирование в ANSYS начинается с создания точной геометрической модели котлоагрегата ДКВр на основе чертежей. Затем генерируется расчетная сетка, задаются физические свойства материалов и граничные условия. Далее выбираются физические модели для описания процессов теплопередачи, горения и потока. Настраиваются параметры расчета, и проводится численное моделирование, результаты которого включают распределение температур, тепловых потоков и концентраций газов. Эти данные помогают выявить области с наибольшими тепловыми потерями и пути повышения эффективности.
1872
Использование ANSYS обеспечивает высокую точность и детализацию расчетов, гибкость для моделирования различных условий, наглядную визуализацию результатов и возможность оптимизации работы котлоагрегатов. Это позволяет глубже понять физические процессы, выявить и устранить недостатки в конструкции и эксплуатации, что в итоге приводит к значительному повышению эффективности и надежности котельных установок.
Перспективы использования описанных методик и инструментов.
Использование комплексного подхода к анализу тепловой эффективности паровых котельных, включающего аналитические расчеты в MS Excel и моделирование в ANSYS, предоставляет значительные преимущества. Этот подход позволяет более детально исследовать процессы, влияющие на КПД котлоагрегатов, что способствует получению более точных и обоснованных результатов. Потенциальные результаты таких исследований включают улучшение тепловой эффективности, снижение затрат на топливо и уменьшение выбросов вредных веществ. Эти данные имеют большое значение для дальнейших научных исследований и практических применений, поскольку они предоставляют возможности для оптимизации работы котлоагрегатов ДКВр. Полученная информация позволяет разработать конкретные рекомендации по улучшению конструкции и эксплуатации котлов, что приведет к продлению срока службы оборудования и соблюдению экологических стандартов.
Заключение.
В статье рассмотрены методы анализа тепловой эффективности котлоагрегатов серии ДКВр с использованием MS Excel и ANSYS. Комплексный подход, объединяющий аналитические расчеты и детальное моделирование, позволит глубже понять и оптимизировать процессы, влияющие на тепловую эффективность котлоагрегата. Полученные данные могут способствовать улучшению конструкций и эксплуатационных условий котлоагрегатов, что ведет к экономии ресурсов, снижению затрат и уменьшению выбросов вредных веществ в атмосферу. Эти результаты подчеркивают
1873
значимость дальнейших исследований и применения описанных методик для повышения эффективности и надежности паровых котельных.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Яковлев В.А., Бирюзова Е.А., Тепловой расчет паровых и водогрейных котлов с камерными топками. Теплогенерирующие установки: учебное пособие // Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. - Санкт-Петербург: СПбГАСУ, 2020. - 246 с;
2. Фокин В.М., Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения// М.: «Издательство машиностроение-1», 2006. 240 с;
3. Бойко Е.А., Охорзина Т.И., Котельные установки и парогенераторы (конструкционные характеристики энергетических котельных агрегатов): Справочное пособие для курсового и дипломного проектирования студентов специальностей 1005 - "Тепловые электрические станции"", 1007 -"Промышленная теплоэнергетика" // КГТУ. Красноярск, 2003. 223 с
1874
Polyakov N.D.
St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering
(St. Petersburg, Russia)
REVIEW OF METHODS AND TOOLS FOR ANALYZING THERMAL EFFICIENCY OF A STEAM BOILER PLANT WITH BOILER UNITS USING MS EXCEL AND ANSYS
Abstract: this article explores methods for analyzing the thermal efficiency of steam boiler plants with DKVR boiler units using MS Excel and ANSYS tools. The paper discusses methodologies for analyzing and optimizing boiler operations to increase their thermal efficiency, reduce fuel costs, and decrease emissions of harmful substances. It describes the principles of developing an automated program for analytical calculations in MS Excel and the use of ANSYS for detailed modeling ofphysical processes.
Keywords: thermal efficiency, steam boiler plants, boiler units, MS Excel, ANSYS, optimization, modeling, efficiency, fuel savings, emissions of harmful substances.
1875
