Научный журнал

Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Аскарова А.С. 1 Болегенова С.А. 1, 1 Байдуллаева Г.Е. 2 Максимов В.Ю. 1 Боранбаева А.Е. 1 Бердихан К. 1 Максутханова А.М. 1 Шортанбаева Ж.К. 1

---

1 Казахский национальный университет им. аль-Фараби

2 Казахский национальный медицинский университет им. С.Д. Асфендиярова

В статье рассматривается, как сжигание пылеугольного топлива оказывает наибольшее экологическое воздействие на среду обитания: токсичные и парниковые газы, твердые частицы, сточные и фильтрационные воды, шлакоотвалы зола уноса, тепловые сбросы и многое другое. Кроме этого, развитие энергетического комплекса связано с масштабной трансформацией компонентов окружающей среды, негативные последствия которой могут проявляться длительное время. Угольные карьеры изменяют рельеф и формируют специфические почвенно-грунтовые условия отвалов, водохранилища ГЭС вызывают изменение сейсмичности, затапливают наиболее продуктивные долинные экосистемы, изменяют ландшафтную структуру регионов. В статье обсуждается математическая и физическая постановка задачи, этапы их решения и алгоритмы, применены современные методы численного моделирования для проведения компьютерных вычислений.

Статья в формате PDF

901 KB

топочная камера

котел

горелки

тэц

двухфазность

аэродинамика

топливо

компьютерное моделирование

3d численное моделирование

вычислительный эксперимент

1. Аскарова А.С. Конвективный тепломассоперенос в физико–химически реагирующих средах: дис. … д-ра физ.-мат. наук. – Алматы, 1998. – С. 315.

2. Аскарова А.С. Тепломассоперенос при сжигании твердого топлива в промышленных котлах на примере Павлодарской ТЭЦ // Теплофизика и аэромеханика. – Новосибирск, СО РАН, 2000. – T. 7, № 2. – C. 293–300.

3. Аскарова А.С., Болегенова С.А., Лаврищева Е.И., Локтионова И.В. Численное моделирование топочных процессов при горении высокозольного Экибастузского угля // Теплофизика и Аэромеханика. – 2002. – Т. 9, № 4. – С. 585–596.

4. Устименко Б.П., Алияров Б.К., Абубакиров Е.К. Огневое моделирование пылеугольных топок. – Алма-ата: Наука, 1982. – С. 212.

5. Askarova A.S., Lavrichsheva Ye., Leithner R., M?ller H., Magda A. Combustion of low-rank coals in furnaces of Kazakhstan Coal-firing Power Plants // VDIBerichte. – 2007. – № 1088. – P. 497–502.

6. M?ller H. Numerische simulation von Feuerungen. CFD. – Vorlesung, TU. – Braunschweig: IWBT, 1997. – Р. 8–12.

7. M?ller H. Numerische Berechnung dreidimensionaler turbulenter Str?mungen in Dampferzeugern mit W?rme?bergang und chemischen Reactionen am Beispiel des SNCR–Verfahrens und der Kohleverbrennung / Fortschritt // Berichte VDI. – Verlag. – 1992. Reiche 6, № 268. – Р. 158.

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

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.

Библиографическая ссылка