Компьютерные технологии в модернизации котлов
Опубликовано: 09 августа 2010 г.
97
А. Халатов, С. Кобзарь
Модернизация котлов малой и средней мощности, обеспечивающая более рациональное сжигание топлива, повышение эффективности поверхности теплосъема, приспособление котлов к работе на низкокалорийных и местных видах топлива, экономически более выгодна, чем их полная замена.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Сегодня модернизация большинства котлов и камер сгорания технологических установок осуществляется на основе инженерных рекомендаций, разработанных более 20 лет тому назад и основанных на экспериментальных данных для отдельных типов котлов. При этом во многих случаях не удается получить оптимальные решения как по повышению КПД котла, так и по снижению уровня вредных выбросов в атмосферу. Проведение экспериментальных исследований по каждому типу котла с целью разработки более обоснованных рекомендаций по их модернизации весьма затруднительно вследствие значительных финансовых затрат, особенно если модернизация связана с использованием новых горелочных устройств, изменением их количества и места установки.
В последние годы за рубежом при проектировании и модернизации котлов, промышленных печей и камер сгорания широкое распространение получили компьютерные технологии, основанные на математическом моделировании термогазодинамики внутрикотлового пространства (горение, тепло- и массообмен) с помощью быстродействующей компьютерной техники. Для этой цели разработаны и применяются коммерческие пакеты универсальных программ, использующие последние достижения вычислительной техники, математики, гидродинамики, горения, тепло- и массообмена. Наиболее известны коммерческие пакеты Fluent, Star-CD, Flow-3D (США), Phoenics (Великобритания) и некоторые другие.
Главные преимущества и возможности компьютерного моделирования:
• широкий спектр решаемых задач без предварительного программирования;
• возможность изменения геометрической формы камеры сгорания, разнообразие граничных условий;
• возможность введения новых элементов в конструкцию котла и исключение имеющихся;
• определение оптимальной конструкции камеры сгорания с целью эффективного сжигания топлива и снижения вредных выбросов в атмосферу;
• варьирование режимов работы и расположения горелки, анализ нерасчетных режимов эксплуатации котла;
• обнаружение особенностей, труднофиксируемых в эксперименте, – локальных зон аномально высокой температуры, повышенной генерации окислов азота и углерода;
• визуальное отображение информации и её анализ, быстрота получения надежных проектных решений, относительно небольшие финансовые затраты.
Применение компьютерных технологий особенно эффективно на начальном этапе конструирования, когда одновременно прорабатываются несколько конструкторских решений и определяется стратегия модернизации котла или камеры сгорания. Сочетание компьютерной технологии и экспериментальных исследований позволяет создавать обоснованную стратегию малозатратной модернизации отдельных типов котлов и «сдвигать» дорогостоящие экспериментальные исследования на заключительный этап для окончательной проверки решений.
Применение компьютерных технологий связано с определенными трудностями. Стоимость лицензионных пакетов составляет несколько тыс. долл., а работа с программами требует высокой квалификации инженерного персонала как в области вычислительной техники, так и в области фундаментальных наук (вычислительная математика, теория горения, гидрогазодинамика, основы тепло- и массообмена). Необходим опыт разработки исходных данных для проведения моделирования, а также постоянные консультации со специалистами, ведущими модернизацию. К недостаткам компьютерных технологий следует отнести и использование в ряде случаев упрощенных математических моделей, что объясняется необходимостью сокращения расчетной процедуры. Однако это компенсируется существенным снижением затрат на дорогостоящие экспериментальные исследования.
В качестве примера рассмотрим результаты компьютерного моделирования процессов в топке стального водогрейного котла, выполненного с применением пакета программ Phoenics. Котел мощностью 100 кВт имеет жаротрубную конструкцию – с реверсивной топкой и пучком дымогарных трубок, расположенных над жаровой трубой. Горелка расположена по центру сечения топки. Расход метана составляет –12,6 м3/ч; коэффициент избытка воздуха – 1,2. Компьютерная модель камеры сгорания котла показана на рис. 1. Выход продуктов сгорания осуществляется через щелевой сегмент над горелочным устройством.
При моделировании использовался двухстадийный механизм горения «чистого» метана. Полученные результаты показали, что распределение скорости в объеме камеры сгорания носит несимметричный характер с максимальными значениями скорости в приосевой области (рис. 2,а). Наибольшие значения температуры продуктов сгорания также находятся в приосевой области (рис. 2,б), при этом вычисленные значения средней и максимальной температуры в котле составляют 1060 и 1493 °С соответственно.
Образование оксидов азота происходит по термическому и «быстрому» механизмам, которые обусловлены особенностями распределения температуры и циркуляцией продуктов сгорания в объеме камеры сгорания. Формирование NOx также имеет пространственный характер с максимальными значениями концентрации около правого торца камеры сгорания (рис. 3). На выходе из камеры сгорания расчетное значение концентрации оксидов азота составляет 19,6, а измеренное – 24 мг/м3.
Из приведенных выше результатов следует, что компьютерное моделирование позволяет не только получить детальное распределение термогазодинамических параметров, характеризующих горение природного газа, но и оценить надежность и правильность принятых ранее конструкторских решений, наметить пути совершенствования конструкции.
Важное свойство компьютерных технологий состоит в том, что они позволяют определить распределение термогазодинамических параметров при нерасчетных условиях эксплуатации котла, связанных с наличием в газе природных и технических примесей (влага, сероводород, масло), а также при отклонении режима работы от проектного (в том числе – при снижении давления газа в питающей сети).
На рис. 4 представлены результаты моделирования температурного поля и определения концентрации SO2 при сжигании природного газа с 7-процентной примесью сероводорода (H2S). Сравнение температурного поля с данными базового варианта (100-процентный метан), которые приведены на рис. 2,а, показывает, что вследствие уменьшения низшей теплотворной способности смеси метана с сероводородом происходит снижение температуры продуктов сгорания в объеме камеры сгорания, при этом форма температурного поля в целом сохраняется. Максимальная температура уменьшается до 1334, а средняя – до 966 °С, приводя к снижению мощности котла.
Расчеты показывают, что наличие сероводорода в природном газе приводит к генерации SO2 практически во всем в объеме камеры сгорания и составляет 3,3 г/м3. Такая концентрация является потенциально опасной, поскольку может привести к генерации сернистой кислоты в количестве 80 мг/с в конвективной части котла, как только температура уходящих газов становится менее 150 °C.
В данном случае компьютерное моделирование позволяет не только оценить влияние природной примеси сероводорода на термогазодинамику камеры сгорания, но и прогнозировать опасные режимы эксплуатации, связанные с возможным выходом из строя котельного оборудования.
Таким образом, использование пакетов прикладных программ, основанных на последних достижениях теории горения, гидрогазодинамики, теории тепло- и массообмена, позволяет решать широкий круг инженерных задач, осуществлять поиск оптимальной геометрической формы камеры сгорания, совершенствовать эффективность сжигания топлив и намечать стратегию модернизации котлов различной конструкции.
Статья напечатана в журнале «Аква-Терм» #3(37) 2007