Энергетика является одной из ведущих отраслей промышленности многих индустриально развитых стран, в которых принят переход на путь ее инновационного развития, заключающийся в радикальном изменении системы взглядов на ее роль и место в современном и будущем обществе. Новая система взглядов нашла свое отражение в концепции Smart Gird-умная энергосистема, которая должна являться основной национальной политики энергетического и инновационного развития любой страны и должна учитываться при развитии отечественной энергетики.
В последние годы при проектировании и модернизации котлов, промышленных печей и камер сгорания, широкое распространение получили 3D компьютерные технологии, основанные на математическом моделировании термогазодинамики внутри топочного пространства (горение, тепло- и массообмен) с использованием фундаментальных законов физики, дополненными определенными моделями (модели турбулентности, химической кинетики и др.) и современной быстродействующей компьютерной техники. Разработка системы кинетических уравнений двухстадийного горения топлива, методы определения констант скоростей химических реакций, общие требования к математической модели процессов горения топлива, значения энергии активации, уточненные на основе ее связи с тепловым эффектом химических реакций и кинетические уравнения, описывающие процессы образования оксидов азота, представлены в работе [1].
Математическая модель тепломассообмена и горения пылеугольного топлива на основе движения неизотермического несжимаемого многокомпонентного газа в топочной камере разработана в работе [2]. Течение в данной математической модели считается установившимся, а уравнения стационарными, что позволило авторам работы рассчитать задачи о стационарном и нестационарном, ламинарном и турбулентном течении с химическими реакциями и сложным теплообменом. Математические модели процессов теплообмена и горения в паровых котлах предложены в работе [6].
Тепломассоперенос при наличии физико-химических превращений это взаимодействие турбулентных движений и химических процессов. Для исследования этих сложных течений необходимо использовать результаты современных теоретических исследований из таких областей науки как гидродинамика, термодинамика, аэротермохимия, вычислительная гидродинамика, компьютерное и численное моделирование.
В качестве исходных уравнений для моделирования турбулентного переноса в газах и жидкостях с химическими реакциями используются уравнения Навье-Стокса, дополненные соответствующими уравнениями химической кинетики, уравнениями сохранения компонентов смеси с учетом влияния переменных свойств среды. Закон сохранения транспортной величины φ в общем случае имеет вид [3]:
(1)
где 
– изменение φ за счет конвективного переноса; 
– изменение φ за счет явлений молекулярного обмена.
Таким образом, для решения поставленной задачи рассматриваются уравнения, характеризующие течение и которые выводятся из обобщенного уравнения (1):
– закон сохранения массы (уравнение неразрывности);
– закон сохранения импульса (уравнение Навье-Стокса);
– закон сохранения энергии (первый закон термодинамики);
– частный случай закона сохранения компонентов смеси.
Закон сохранения массы:
(2)
Закон сохранения импульса:
(3)
В стандартной k-ε модели записывается два основных уравнения переноса турбулентных характеристик k и ε:
(4)
(5)
В табл. 1 указаны основные характеристики топочной камеры котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ: расход топлива, характеристики угля, диаметр угольных частиц, коэффициенты избытка воздуха в горелке и в топочной камере, температура аэросмеси и воздуха, количество горелок их расположение, размеры топочной камеры, скорости подачи топлива и окислителя и др. [4].
Все это отражено в построенных физической и геометрической моделях топочной камеры котла БКЗ-160, общий вид которой и разбивка ее на контрольные объемы для проведения вычислительных экспериментов представлены на рис. 1.
Для проведения вычислительных экспериментов по 3D моделированию процессов тепломассопереноса в топочной камере котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ использовался в качестве основы компьютерный пакет программ FLOREAN ,который базируется на решении консервативных уравнений для газотопливной смеси методом контрольного объема. Ниже представлены результаты 3-D моделирования процессов горения твердого топлива (экибастузский уголь) и аэродинамики топочной камеры построенной модели (котел БКЗ-160).
Таблица 1
Характеристика топочной камеры котла БКЗ-160
|
Наименование, характеристики, размерность |
Обозначение |
Величина |
|
Расход топлива на котел, т/ч |
В |
30 |
|
Расход топлива на горелку, т/ч |
BГ = B/N |
3,787 |
|
Теплота сгорания, МДЖ/кг |
|
12,2 |
|
Выход летучих, % |
VF |
32 |
|
Диаметр угольных частиц, м?10–6 |
dpar |
60 |
|
Коэффициент избытка воздуха на выходе из топки |
aт |
1,27 |
|
Коэффициент избытка воздуха в горелках |
αг |
0,68 |
|
Присосы воздуха в топку |
?a |
40 |
|
Температура аэросмеси, °С |
Ta |
250 |
|
Температура вторичного воздуха, °С |
T2 |
380 |
|
Температура третичного воздуха, °С |
T3 |
380 |
|
Тип используемых горелок |
Щелевые |
|
|
Количество горелок, шт |
nB |
8 |
|
Количество ярусов, n |
N |
2 |
|
Высота топки, м |
z(H) |
21,000 |
|
Ширина топки, м |
Y |
6,565 |
|
Глубина топки, м |
X |
7,168 |
|
Скорость первичного воздуха, (аэросмеси), м/c |
W1 |
25 |
|
Скорость вторичного воздуха, м/с |
W2 |
40 |
|
Расход вторичного воздуха, нм3/ч |
6000 |
|
|
Коэффициент избытка вторичного воздуха |
0,38 |
|
|
Расход первичного воздуха, нм3/ч |
4850 |
|
|
Коэффициент избытка первичного воздуха |
0,3 |
Рис. 1. Общий вид топочной камеры котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ и разбивка ее на контрольные объемы
На рис. 2–5 представлены поля вектора полной скорости 
по всему объему камеры сгорания: рис. 2 – в сечении, которое приходится на нижний ярус горелок (k = 32, h = 4,81 м), рис. 3 – в сечении верхнего яруса горелок (k = 50, h = 5,79 м), рис. 4 – в области между поясами горелок (k = 41, h = 5,3 м), рисунок 5 – на выходе из топочной камеры (k = 102, h = 20,96 м).
Поля на рисунках показаны в виде стрелок-векторов, длина которых дает величину полной скорости, их направление связано с направлением полной скорости в выбранной точке камеры сгорания. Указанная на рис. 9–12 аэродинамика течения в топочной камере, построенная на расчетных данных скоростей, полностью совпадает с описанием характера течения в тангенциальных топках, имеющаяся в литературе [5]. Объемная картина расположения векторов отчетливо показывает картину течения: места тангенциальной подачей топлива (уголь) и окислителя (воздух) с разными скоростями через горелочные устройства, расположенные на передней и задней стенках камеры сгорания, образование условной окружности в центре топочной камеры и симметрию течения (рис. 2–5).
Рис. 2. Поле вектора полной скорости V в поперечном сечении камеры сгорания в области нижнего яруса горелок (h = 4,81 м)
Рис. 3. Поле вектора полной скорости в поперечном сечении камеры сгорания в области верхнего яруса горелок (h = 5,79 м)
Потоки пылеугольного топлива, вторичного и третичного воздуха, поступая в топочное пространство, создают объемное завихренное течение в центре камеры сгорания (рис. 2–4), что несомненно улучает процесс смесеобразования и повышает интенсивность тепломассообмена.
Рис. 4. Поле вектора полной скорости V в поперечном сечений камеры сгорания в области между ярусами горелок (h = 5,30 м)
Рис. 5. Поле вектора полной скорости V на выходе из камеры сгорания (h = 20,96 м)
Встречные пылегазовые потоки из противоположно расположенных горелок ударяясь о стенки топочной камеры создают возвратное течение, а часть потока направляется вниз к воронке, образуя ниже горелок два симметричных вихря. Центральное завихренное движение пылеугольного потока приводит к равномерному обогреву стенок камеры сгорания, к снижению зашлакованности тепловых экранов и тепловых потерь. Уже на выходе из камеры сгорания (k = 102, h = 20,96 м) поле скоростей выравнивается, не наблюдается больших градиентов скоростей, вихревой характер течения ослабевает, наблюдается равномерное симметричное относительно центра камеры течение (рис. 5). Указанный характер течения приводит к тому, что наиболее интенсивно горение происходит в центральной зоне камеры сгорания, в области пояса горелок. Именно здесь все теплофизические и концентрационные характеристики процесса, происходящего в топочной камере, достигают своих экстремальных значений, на что указывает анализ представленных ниже температурных и концентрационных полей [7].
С использованием методов 3-D компьютерного моделирования были проведены исследования сложных процессов тепломассообмена, происходящие в областях реальной геометрии (топочные камеры ТЭЦ) при сжигании в них энергетического твердого топлива. В физическую и математическую модели горения пылеугольного факелов внесены следующие изменения: скорректирован учет теплового излучения, кинетики химических реакций горения твердого топлива, размеров угольных частиц. Проведена адаптация параметров моделей к реальным условиям, разработан алгоритм решения и внесены изменения в программы численного расчета, проведена их отладка. Проведено 3-D численное моделирование процессов тепломассообмена в турбулентном реагирующем потоке, содержащем угольные частицы. С помощью разработанных математической, химической, физической и геометрической моделей численно решена задача о сжигании пылеугольного факела в топочной камере котла БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ и проведены вычислительные эксперименты.