Описание топочной камеры для построения геометрических моделей и проведения математических опытов

В полном соответствии с рабочими характеристиками котла БКЗ-75 и топлива нами создана геометрическая компьютерная модель топочной камеры для проведения вычислительных экспериментов. При ее создании были использованы необходимые технические данные и геометрические параметры (размеры камеры и используемых горелочных устройств, производительность, коэффициент избытка воздуха, количество горелок и дополнительных сопел и высота их расположения, способ, объем и скорость подачи аэросмеси и воздуха, состав топлива и окислителя и мн. др.), которые соответствуют реальным технологическим процессам сжигания высокозольного карагандинского угля в топочной камере котла БКЗ-75 ТЭЦ. На рисунке 1 представлена геометрия топочной камеры и компоновка горелок.

В диссертационной работе для проведения вычислительных экспериментов по исследованию процессов тепломассопереноса в топочной камере котла ТЭС в качестве стартовой использовалась немецкая компьютерная программная система FLOREAN [10, p. 148; 11, p. 565; 1–4]. Эта программная система позволяет проводить сложные вычислительные эксперименты по моделированию реагирующих многофазных течений в областях реальной геометрии и широко используется в Германии для исследований процессов тепломассопереноса в камерах сгорания многих теплоэнергетических объектов. Немецкие коллеги провели многочисленные вычислительные эксперименты по сжиганию пылеугольного топлива в топочных камерах ТЭС в различных странах (Германия, Англия, Хорватия, Греция, Румыния и др.). Полученные результаты были успешно верифицированы с помощью результатов натурных экспериментов, проведенных непосредственно на действующих ТЭС.

Рис. 1. Геометрия а) и компоновка горелками б) топочной камеры котла БКЗ-75 Шахтинской ТЭЦ

При выполнении диссертационной работы нами была разработана методика использования программной системы FLOREAN. Дело в том, что казахстанский уголь (зольность до 50 %) значительно отличается от немецкого (зольность около 8 %), а геометрия отечественных топочных камер, способ подачи топлива и окислителя в нее также абсолютно разные. Для этого нам пришлось дополнить, расширить, протестировать стартовую программную систему FLOREAN, чтобы можно было его использовать для проведения вычислительных экспериментов по сжиганию высокозольного казахстанского угля на ТЭС Республики Казахстан.

Как было сказано выше, в данной диссертационной работе был использован метод контрольных объемов, который применяется для численного решения дифференциальных уравнений, описывающих тепломассоперенос в топочной камере, и подробно описан в следующих работах [10, p.141; 5–9]. Метод контрольного объема основан на разбиении топочной камеры исследуемого котла на малые объемы, по которым интегрируются дифференциальные уравнения математической модели. Количество контрольных объемов зависит от геометрии топочной камеры, ее размеров, расположения горелочных устройств. Создание конечно-разностной сетки — один из наиболее трудоемких этапов подготовки CFD-задачи. В процессе создания окончательного варианта расчетной области конечно-разностная сетка для проведения численного моделирования неоднократно тестируется и редактируется. Это в свою очередь позволило улучшить геометрическую модель, численные расчеты и графическую интерпретацию результатов. В соответствии с заданной геометрией котла БКЗ-75 была создана конечно-разностная сетка для численного моделирования, которая для исследуемой камеры сгорания БКЗ-75 имеет шаги по осям X, Y, Z: 59×32×67, что составляет 138 355 контрольных объемов (рисунок 2). Расчеты по численной модели выполнены для условий, принятых при организации реального технологического процесса сжигания топлива на ТЭС.

Рис. 2. Конечно-разностная сетка для проведения численного моделирования процессов сжигания твердого топлива в топочной камере котла БКЗ-75 Шахтинской ТЭЦ

1. Askarova A., Leithner R., Muller H., Heierle Ye. CFD code Florean for industrial boilers simulations // WSEAS transactions on heat and mass transfer. — 2009. — Vol. 4, № 4. — P. 98–107.
2. Askarova A. S., Leithner R., Bolegenova S.A, Maximov V.Yu., Aitbayeva A. Using CFD code FLOREAN for simulations of industrial boiler // International Journal of mathematics and physics. — 2014. — Vol. 5, № 1. — P. 60–69.
3. Аскарова А. С., Нагибин A. O. Горение пылеугольного факела в топке с плазменно-топливной системой // Теплофизика и Аэромеханика. — 2010. — Т. 17, № 3. — C. 467–476.
4. Pauker W. Creating data sets for FLOREAN using the tool PREPROZ, TU // Braunschweig: IWBT. — 1997. — P. 3–24.
5. Leithner R. Energy conversion processes with CO2-separation not reducing efficiency. — Wiley VCH Verlag GmbH & Co, 2010. — 142 p.
6. Epple B., Leithner R., Linzer W., Walter H. Simulation von Kraftwerken und wärmetechnischen Anlagen. — Springer-Verlag: Vienna, 2009. — 702 p.
7. Patankar S. V. Numerical heat transfer and fluid flow. — Hemisphere Publishing Corporation, 1980. — 197 p.
8. Leschziner M. A. Practical evaluation of three finite difference schemes for the computation of steady state recirculation flows // Computer Methods and Applied Mechanics an Engineering. — 1980. — Vol. 23. — P. 293–312.
9. Muller H., Schiller A. Prediction of Combustion and Pollutant Formation in Coal Fired Furnaces // Proceeding of 6th International Conference on Combustion and Heat Technics. — Ungarn, 1994. — P. 45–52.
10. Muller H. Numerische Berechnung dreidimensionaler turbulenter Strömungen in Dampferzeugern mit Wärmeübergang und chemischen Reaktionen am Beispiel des SNCR-Verfahrens und der Kohleverbrennung // Fortschritt-Berichte VDI- Verlag. — 1992. — Vol. 6, № 268. — P. 158. (in German).
11. Vockrodt S., Muller H., Hoppe A., Leithner R. Einsatz von CFD- Simulationen zur Optimierung von Braunkohlefeuerungen // Proceedings of 9th conference on boiler technology. — German, 2002. — P. 565–569.