Совершенствование конструктивных схем жаротрубных котлов на основе численного моделирования процессов горения и тепломассообмена

Согласно энергетической стратегии России до 2030 г. с целью оптимального
сочетания централизованного и децентрализованного теплоснабжения
планируется снижение доли тепла, централизованно производимого на ТЭЦ, с 43
(2005 год) до 35 процентов [1]. Кроме того, запланирована модернизация и
развитие систем децентрализованного теплоснабжения с применением
высокоэффективных котлов малой мощности и автоматизированных
индивидуальных теплогенераторов нового поколения для сжигания разных видов
топлива [1]. Эти меры направлены на повышение эффективности использования
природных энергетических ресурсов, и как следствие на устойчивый рост
экономики и улучшение качества жизни населения страны.
Децентрализованное теплоснабжение в России неотделимо от применения
автономных отопительных котельных, оборудованных преимущественно
водогрейными котельными агрегатами малой мощности (до 30 МВт).
Отличительной особенностью таких котельных являются сокращение сроков их
ввода в эксплуатацию, низкая себестоимость и экономически выгодное
содержание [2]. Оборудование в них работает в автоматическом режиме, отчего,
как правило, не требует постоянного контроля оператора. Эти преимущества
совместно с другими причинами экономического и организационного характера
привели к расширенному применению паровых и водогрейных котлов
относительно небольшой мощности.
В настоящее время котельная техника малой мощности представлена на
российском рынке двумя основными типами котлов: водотрубными и
жаротрубными.
Водотрубные котлы определенное время были основным типом котлов,
производимых в России и странах СНГ. Этот тип котлов применялся как на
крупных энергетических объектах, так и для нужд малой энергетики. Так,
например, для теплоснабжения промышленных и гражданских зданий
использовались водотрубные котлоагрегаты НР-18 (НР-17, НР-55), ТВГ, ТГ,
ПТВМ-30М, НИИСТУ-5, КВ-ГМ-1,1П, ЗИО-60 и др. Они относительно
малоинерционны и поэтому быстро запускаются в работу, обладают высокой
взрывобезопасностью, легко регулируются в соответствии с изменениями
нагрузки и допускают значительную перегрузку. Организованная гидродинамика
в трубных водяных контурах придает существенные преимущества водотрубным
котлам: позволяет обеспечить необходимый температурный режим теплоносителя
и уменьшить негативные процессы загрязнения теплопередающих поверхностей.
Однако для надежной работы всей трубной системы водотрубного котла
необходимо строгое соблюдение режима движения теплоносителя [3] во всех
промежуточных режимах работы с частичной или даже минимальной мощностью,
что обуславливает достаточно высокое гидравлическое сопротивление
водотрубного котла.
В последние десятилетия в России и странах постсоветского пространства
для установки в строящихся и реконструируемых котельных или взамен
водотрубных котлов широкое распространение получили жаротрубные котлы.
Конструктивно котлы такого типа значительно проще водотрубных аналогов,
состоящих из многих агрегатов и узлов, в соединениях которых должны быть
исключены какие-либо неплотности, особенно при высоком давлении и
температуре. Кроме того, к агрегатам водотрубных котлов, обычно работающих
под давлением, затруднен доступ при ремонте. Немаловажно и то, что в
большинстве случаев водотрубные котлоагрегаты поставляются в виде
нескольких укрупненных блоков, что требует дополнительных затрат при
доставке котла, его сборке и монтаже на месте установки.
Этих недостатков лишены жаротрубные котлы, полностью изготавливаемые
в заводских условиях и поставляемые в виде компактной моноблочной
конструкции, что, в свою очередь, существенно упрощает монтаж оборудования в
котельной [4, 5]. Использование цилиндрических дымогарных труб позволяет в
жаротрубных котлах получить большую поверхность нагрева на единицу объема
газового тракта в сравнении с водотрубными котлоагрегатами, и, следовательно,
получить большую мощность при тех же габаритах. Однако максимальная
мощность жаротрубного котла лимитирована в связи с ростом габаритов топки,
увеличением металлоёмкости котла и сложностью выполнения прочных днищ для
жаровых труб большого диаметра [6].
По перечисленным выше причинам подавляющее большинство мировых
производителей котлов малой мощности в диапазоне до 30 МВт как за рубежом
(Viessmann, Buderus, Riello, Ferroli, ARISTON, Siemens, BAXI и др.), так и в
России (ООО «Компания РЭМЭКС-Энерго», ОАО «Дорогобужкотломаш», ЗАО
ПО «Бийскэнергомаш», ЗАО «Уралкотломаш», ОАО «Белгородский завод
энергетического машиностроения», ЗАО СП «ЗИОСАБ») уже десятки лет
ориентируются на выпуск именно жаротрубных котлов.
Таким образом, можно заключить, что запланированные энергетической
стратегией России [1] модернизация и развитие систем децентрализованного
теплоснабжения невозможны без применения высокоэффективных котлов именно
жаротрубного типа. Однако до конца ХХ века использование жаротрубных
котлов на территории СНГ было ограничено, в частности, в связи с рядом аварий,
причиной которых можно считать ошибки при проектировании и
конструировании. Вследствие этого на текущий момент российские жаротрубные
котлы, как правило, не имеют наработанных конструкций, обладают невысоким
ресурсом и часто сопровождаются не подтверждающимися на практике
паспортными данными. Это обусловлено недостаточной научной проработкой
вопроса конструирования жаротрубных котлов и, как следствие, отсутствием
четкой нормативно-расчетной базы. Фактические недоработки расчетных методик
конструирования жаротрубных котлов вместе с тем косвенно указывают на
сложность реальных теплофизических процессов, происходящих в их
газовоздушном и водяном трактах.
В числе основных задач энергетической стратегии РФ в производстве
тепловой энергии также значатся повышение коэффициента полезного действия
котлоагрегатов, теплофикационных и других установок на основе современных
технологий сжигания топлива, повышение технического уровня, автоматизации и
механизации объектов малой теплоэнергетики [1]. Все названные вопросы
напрямую касаются конструирования жаротрубных котлов.
В российской практике одна из конструкторских задач, не имеющих четкой
методологии решения, – задача правильной конфигурации камеры горения. При
конструировании котлов основным средством прогнозирования интегральных
теплофизических характеристик топок в РФ по-прежнему являются формулы
теории подобия, представленные в нормативном методе теплового расчета
котлов [7]. Однако применительно к жаротрубным котлам строгое
геометрическое подобие топочной камеры не выдерживается, и предложенные в
[7] эмпирические коэффициенты и формулы должны быть скорректированы.
Повысить качество принимаемых инженерных решений, усовершенствовать
методологию конструирования возможно средствами математического
моделирования с использованием современных компьютерных технологий.
Оптимизация конструктивных схем камер горения с применением
математического моделирования позволит снизить энергопотребление
вентилятора горелки и добиться значительного повышения эффективности
работы котельной установки в целом. К тому же камеры сгорания есть не только у
котлов, они являются важной частью других объектов малой энергетики
(газотурбинных двигателей, двигателей внутреннего сгорания, паровых машин и
пр.). Таким образом, их исследование и совершенствование, возможное
средствами математического моделирования, представляется важной задачей на
пути к повышению ресурсоэффективности (эффективности использования
топлива).
Эффективная камера горения должна соответствовать целому ряду
критериев, таких как: полнота сгорания топлива, минимальная концентрация
токсических веществ в уходящих газах, надежность и максимальный срок
службы, минимальные потери полного давления для уменьшения энергозатрат на
тягу или наддув, малые габариты топки для снижения металлоемкости,
обеспечение широкого диапазона изменения режимных параметров, обеспечение
заданной эпюры распределения температуры в продольном сечении камеры
горения при минимальной неравномерности этой температуры в окружном
направлении. Многофакторная компьютерная оптимизация позволяет учесть все
эти критерии и делает возможным конструирование высокоэффективных,
экономичных и экологичных камер горения, в связи с чем становится актуальной
разработка соответствующего программно-аппаратного обеспечения.
Исходя из вышеизложенного, целью диссертационной работы является
совершенствование конструктивных схем жаротрубных котлов на основе
многофакторной компьютерной оптимизации газодинамики, направленное на
повышение их ресурсоэффективности.
Цель исследования согласуется с целями программ развития энергетической
отрасли Российской Федерации («Энергетическая стратегия России до 2030
года»), а также находится в сфере приоритетных направлений науки, технологий
и техники РФ («Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика») и
критических технологий РФ («Технологии энергоэффективного производства и
преобразования энергии на органическом топливе»).
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка
использованных источников и приложений.
В первой главе представлены и проанализированы существующие
конструктивные схемы жаротрубных котлов и состояние практики их
проектирования. Произведен аналитический обзор литературных источников,
посвященных теории топочных процессов, аэродинамике факела и закрученных
струй, конструированию котлов и камер сгорания. На основе проведенной
систематизации и анализа сведений в различных областях промышленности о
состоянии вопроса поставлены задачи настоящего исследования.
Во второй главе произведена физико-математическая постановка задачи, в
ходе которой на основе обзора математических моделей приведены уравнения,
которые адекватно воспроизводят газодинамику, перемешивание, горение и
теплообмен. Выполнена дискретизация выбранных уравнений и предложен
алгоритм их численного решения. В результате анализа современных пакетов
прикладных программ выбран и верифицирован инструмент исследования,
реализующий численное решение принятых математических моделей.
Третья глава посвящена исследованию газодинамической структуры
реверсивного факела и выявлению ее особенностей. С применением
математического моделирования получена подробная картина процессов,
протекающих в реверсивном факеле. Произведена оценка зависимости
температурного режима, дальнобойности факела и положения ядра горения от