Численное моделирование процессов тепломассобмена в топке котла ТПГЕ-215 Комсомольской ТЭЦ-3

Уважаемая комиссия! Вашему вниманию представляется работа на тему Численное моделирование процессов тепломассобмена в топке котла ТПГЕ-215 Комсомольской ТЭЦ-3.

Целью данной работы являлась оценка возможности использования численных методов для исследования процессов тепломассообмена в топочной камере котла ТПГЕ-215 Комсомольской ТЭЦ-3 и анализ с помощью математической модели различных вариантов модернизации для устранения эксплуатационных проблем.

Существующие аналитические методы расчета процессов тепломассообмена в топке котла, втом числе и нормативные, основаны на серьезных упрощающих допущениях и дают только качественную картину. Численные методы решения этих задач, которые начали распространяться в последние годы, позволяют практически без каких-либо упрощений с достаточной точностью получить решение задачи. Из всего многообразия существующих численных методов задача тепломассообмена в топке котла по нашему мнению лучше всего может быть решена методом конечных элементов.

Решение задачи с применением МКЭ состоит из следующих основных этапов: создание геометрии модели; разбиение на сетку конечных элементов; приложение к модели граничных условий; численное решение системы уравнений.

Суть метода конечных элементов заключается в подразделении модели сложной геометрической формы на мелкие части (конечные элементы) сравнительно простой формы. В рамках одного элемента задается изменение функции, например, линейно. Она (функция) определяется своими значениями u(xi) в узлах на концах элемента. Исходя из условия неразрывности функции, значения ее в каждом узле для соседних элементов равны. На основе этого составляется система алгебраических уравнений, решение которой позволит найти значение функций в узлах.

В настоящее время на основе метода конечных элементов разработаны несколько пакетов программ, позволяющие решать задачи тепломассообмена. Среди них: Fluent, Flow Vision, Nastran, Ansys [STAR-CD, Flow, Gas Dynamics Tool].

Анализ возможности этих программных пакетов позволил сделать выбор в пользу Ansys.

AnsysCFX - Программный комплекс, сочетающий уникальные возможности анализа гидрогазодинамических процессов, многофазных потоков, химической кинетики, горения, радиационного теплообмена и многих других. Преимущество ANSYS CFX особенно проявляется при решении больших моделей с многокомпонентными течениями и сложной структурой.

В ходе выполнения работы была сформирована [разработана] модель топки котла ТПЕ-215 продольный разрез которого представлен на плакате. Расчетная область представляет собой топочную камеру с 16-ю горелками, установленными в два яруса и системой рециркуляции нижнего ввода. В области топки сгенерирована тетраэдральная сетка. На плакате представлена геометрия котла и фрагмент трехмерной конечно-элементной модели топки. Основным топливом является природный газ, который подается равномерно по 12 горелкам. В качестве окислителя во все 16 горелок подается обычный воздух со скоростью 40 м/с и температурой 400 °С.

Адекватность математической модели и точность результатов может быть оценена путем сравнения полученных расчётом значений температуры в различных точках топки с замеренными значениями температуры факела в топке котла, но отсутствие данных по распределению температур в топке котла Комсомольской ТЭЦ-3 не дало возможности сделать этого. Поэтому адекватность математической модели доказывалась путем сравнения с замеренными значениями температуры факела в топке котла ТПЕ-215, полученными с Хабаровской ТЭЦ-3 [работающей на угле]. Точки, в которых производились замеры температуры в топке, показаны на рисунке.

На плакате 4 представлены значения расчетных и экспериментальных данных на разных отметках котла.

Анализ представленных в таблице данных  показал  соответствие экспериментальных и расчетных значений, погрешность при этом не превышает 10%, что, с учетом погрешности измерения температуры, является хорошим результатом.