Разработка нелинейной математической модели процесса сжигания твёрдого топлива

Основы математического моделирования топочных процессов котельных агрегатов, рассчитанных на сжигание твёрдого топлива и газа. Основные уравнения и допущения, применяемые при моделировании. Разработана математическая модель процесса сжигания топлива.

Рубрика Производство и технологии
Вид доклад
Язык русский
Дата добавления 30.09.2012
Размер файла 145,6 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка нелинейной математической модели процесса сжигания твёрдого топлива

Косенко Максим Вячеславович,

аспирант Московского энергетического института,

Кромов Иван Сергеевич,

соискатель Ивановского государственного энергетического университета,

инженер по наладке и испытаниям оборудования

ОАО «Ивэлектроналадка».

математического моделирования сжигание топлива

В статье рассматриваются основы математического моделирования топочных процессов котельных агрегатов, рассчитанных на сжигание твёрдого топлива и газа. Приведены основные уравнения и допущения, применяемые при моделировании. Разработана математическая модель процесса сжигания твёрдого топлива, описанная системой нелинейных дифференциальных уравнений, включающей уравнения неравновесной термодинамики, которая может быть положена в основу автоматических систем регулирования тепловой нагрузки в котлах.

Задачей представленной работы являлась разработка динамической нелинейной математической модели процесса сжигания твёрдого топлива, отражающей реальные физико-химические процессы, протекающие при горении. В настоящее время на решение проблемы создания высокоточных математических моделей энергоблоков направлены усилия многих специалистов. Однако процессы сжигания топлива в топочных камерах котлов на протяжении длительного времени остаются слабым звеном при построении моделей энергоблоков. Поэтому поставленная в работе задача представляется своевременной и актуальной.

За основу процесса моделирования первоначально были положены известные математические описания физико-химических процессов горения твёрдого топлива в топочных камерах котлов в статическом режиме, наиболее полно представленные в работах профессора В.В.Померанцева и его учеников [1]. За основу динамических особенностей процессов горения топлива были взяты результаты работы В.В. Крашенинникова, П. Профоса и В.И. Бабия [2]. Инновационным же в рассмотренном подходе является использование метода феноменологической термодинамики, разработанного профессором Н.Н. Семёновым [3].

Обобщёно, процесс горения твёрдого топлива протекает при наличии следующих физико-химических процессов:

- движение в топочной камере подаваемых в неё компонентов горючей смеси;

- наличие турбулентной и молекулярной диффузии исходных веществ и продуктов реакции;

- теплообмен в газовых потоках продуктов сгорания и исходной смеси;

- конвективный и радиационный теплообмен горящих частиц с газовой средой;

- процессы нагрева частиц, возгонки летучих, переноса и горения их в газовом объёме.

В связи со сложностью протекающих аэродинамических и физико-химических процессов, и их значительной зависимости от трёх пространственных координат, при создании математической модели был принят ряд допущений, а именно предполагается, что:

- реагирование протекает на поверхности углеродных частиц сферической формы одинаковых размеров;

- горение выделяющихся летучих веществ и догорание продуктов неполного сгорания происходит в объёме газовой среды;

- конвективным переносом теплоты из системы и диффузионной теплопроводностью можно пренебречь.

При принятых допущениях метод феноменологического описания в данной работе заключается в том, что для описания топочных процессов горения твёрдого топлива были составлены законы сохранения массы, энергии и количества движения, являющиеся следствиями первого и второго законов термодинамики. При этом при протекании в топочной камере химических реакций и фазовых переходов в правые части уравнений законов сохранения массы для компонентов реагирующей смеси были включены удельные мощности изменения масс компонентов.

В результате общая система уравнений законов сохранения, описывающая топочные процессы, имеет вид:

(1)

где сi - плотность потока переносимой массы i-го компонента в элементарном объёме;

нi - скорость центра масс элементарного объёма, м/c;

e - полная энергия на единицу массы i-го компонента, Дж/кг;

Je - полный удельно-массовый поток энергии, Вт/м2;

P - тензор давлений на элементарный объём, Па;

mj - удельная мощность изменения массы j-го компонента, (кг/с)/м3.

Решение этой системы уравнений в общем виде не представляется возможным, поэтому был осуществлён переход к одномерной модели, а затем к модели с сосредоточенными параметрами.

При этом система уравнений (1) принимает следующий вид:

(2)

где Dj' и Dj''- расход j-го компонента смеси на входе и на выходе моделируемой системы;

Mj - масса j-го компонента в объёме системы;

dV - объём моделируемой элементарной области;

ij' и ij''- энтальпия j-го компонента смеси на входе и на выходе моделируемой системы;

Qjp - теплота сгорания j-го компонента.

На примере рассмотрения горения угольной частицы комплекс (mj·dV) для углерода частицы был выражен через скорость выгорания углерода, которая в свою очередь была найдена при допущении, что изменение констант скоростей реакций от температуры подчиняется закону Аррениуса:

(3)

(4)

где Gc - скорость горения углерода, кмоль/(м2·с);

MмолС = 12 - молекулярная масса углерода;

Fпов. - площадь поверхности реагирующих частиц;

kc - константа скорости горения углерода.

Имеется обширнейший экспериментальный материал по определению кинетических констант реакции горения углерода, но следует отметить, что эти данные, полученные с применением различных экспериментальных методик на разных видах углеродного материала, отличаются большим разнообразием. В данной работе для уравнения (4) константа скорости химической реакции горения углерода (С + О2 - СО2) была выражена через энергию активации реакции Ес при предположении о наличии некоторой условной точки - полюса, в которой сходятся линии констант скорости реакций:

(5)

где {k*; T*} = {10 м/c; 2500 К} - координаты полюса согласно [3].

Аналогичным образом, согласно (3)-(5), были выражены скорости расхода кислорода, скорости образования СО2 и при необходимости (наличие восстановительной среды) угарного газа СО.

Для применения выражения (3) традиционно сложным и до конца не исследованным вопросом является определение площади поверхности реагирующих частиц. Данный вопрос наиболее полно рассматривался в работах Г.Т.Левита и С.Н.Миронова [4]. При разработке математической модели в рассматриваемой работе площадь пыли определялась из зерновой характеристики топлива по методике Г.Т.Левита, основанной на использовании формулы Розина - Рамлера - Беннета (РРБ). Дополнительно была введена поправка на реальную форму частиц угольной пыли, отличающуюся от сферической.

Дополнительно был выполнен расчёт концентраций оксидов азота (NOx) в уходящих дымовых газах. Расчёт концентраций NOxпроизведён на основе теории Семёнова-Зельдовича-Франк-Каменецкого при рассмотрении совокупности цепных реакций с участием атомарного кислорода и азота:

О + N2 NO + N (6)

N + O2 NO + O (7)

где k1-k4 - скорости протекания прямых и обратных реакций (6) и (7).

Кинетика реакций (6-7) определяется уравнениями [5]:

(8)

(9)

В расчете принималось допущение, что скорость изменения концентрации атомарного кислорода и азота намного меньше, чем скорость изменения концентрации оксида азота, т.е. , в результате:

(10)

В свою очередь выражение (8) после ряда преобразований было сведено к виду:

(11)

где С(NO) - равновесная концентрация оксида азота;

K2 - константа равновесия реакций образования оксида азота (6) и (7);

K0 - константа равновесия реакции диссоциации молекулы кислорода.

Константа равновесия цепных реакций образования NO:

(12)

Согласно [ 5] для комплекса (K0·k1) принимается:

(13)

где фпреб - время пребывания частиц в рассчитываемой зоне топочной камеры.

Аналогичным образом был произведён учёт частичного восстановления оксидов азота в зонах с недостатком окислителя, которыми являются зона горения коксового остатка (б ? 0,95-1,0). Динамика процесса восстановления NOx в указанной зоне обусловлена динамикой протекания реакции:

2NО + 2CON2 + 2CO2 (14)

Пренебрегая скоростью протекания обратной реакции, для реакции восстановления (14) справедливо:

(15)

Путём сопоставления уравнений (11) и (15) была определена доля оксида азота, восстанавливаемого до молекулярного азота N2 в зонах с недостатком окислителя. При этом константы скоростей реакций k1 и k5 были выражены через энергии активации приведённых реакций E1 и E5 согласно введению полюса В.В.Померанцева. Энергия активации цепной реакции образования оксидов азота (E1 = 180 кДж/моль) была рассчитана и в дальнейшем многократно уточнена академиком Я.Б.Зельдовичем [5]. В свою очередь, энергия активации реакции восстановления оксида азота (Е5) была рассчитана по приближённой методике Н.Н.Семёнова [3] для случая экзотермической реакции:

Е5 = Е0 ? 11,5 - 0,25Q (16)

где Е0 - высота потенциального активационного барьера реакции восстановления;

Q - теплота реакции восстановления NO.

В результате общая система уравнений, описывающая топочные процессы сжигания твёрдого топлива, приведена к виду:

(17)

Полученная система отличается тем, что:

1) в правые части уравнений законов сохранения массы для компонентов реагирующей смеси были включены удельные мощности изменения масс компонентов mj;

2) система уравнений дополнена уравнением скорости горения компонентов исходной смеси Gj, необходимым для расчета мощности изменения массы;

3) дополнительно включено уравнение для расчёта концентраций оксидов азота в продуктах сгорания рассчитываемой зоны.

На основе полученной системы дифференциальных уравнений, описывающих нелинейную математическую модель процесса сжигания топлива, была реализована имитационная модель топочной камеры котла в системе имитационного моделирования VisSim. Полученные результаты являются основой для синтеза автоматических систем регулирования в составе полномасштабных АСУТП энергоблоков тепловых электростанций, сжигающих твёрдое и газовое топливо.

Литература

1. Основы практической теории горения: учеб. пособие для вузов / под ред. В. В. Померанцева. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. - 312 с.: ил.

2. Бабий, В. И. Горение угольной пыли и расчёт пылеугольного факела / В. И. Бабий, Ю. Ф. Куваев. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 208 с.

3. Семёнов, Н. Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности / Н. Н. Семёнов. - М.: Изд-во АН СССР, 1958. - 686 с.

4. Левит, Г. Т. Пылеприготовление на тепловых электростанциях / Г. Т. Левит. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 384 с.

5. Зельдович, Я. Б. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений / Я. Б. Зельдович, Ю. П. Райзер. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1976. - 686 с.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Конструкция методических печей, их классификация. Преимущества камерных печей, особенности работы горелок. Общие принципы выбора рациональных методов сжигания топлива в печах. Работа устройств для сжигания газа (горелок) и жидкого топлива (форсунок).

    курсовая работа [60,1 K], добавлен 05.10.2012

  • Классификация печей по принципу теплогенерации, по технологическому назначению и режиму работы. Основная характеристика и конструкция стационарной отражательной печи для рафинирования меди. Состав твердого топлива, различные условия процесса его горения.

    курсовая работа [1,2 M], добавлен 09.10.2014

  • Конструирование ограждений печи. Расчет процесса сжигания топлива при заданных температурных условиях печи, использование органического топлива. Основные параметры копильника. Расчет сжигательного устройства. Разработка чертежей элементов печи.

    курсовая работа [272,7 K], добавлен 19.12.2012

  • Классификация металлургических печей по принципу теплогенерации, технологическому назначению и по режиму работы. Тепловая работа барабанно-вращающих печей. Виды, состав твердого топлива и их особенности. Характеристика различных условий процесса горения.

    курсовая работа [711,4 K], добавлен 12.04.2015

  • Особенности и принципы организации процессов сжигания топлива в воздушном потоке. Классификация газогорелочных устройств и характерные способы смешения газа с первичным воздухом. Разновидности газовых горелок, их основные технические характеристики.

    контрольная работа [41,6 K], добавлен 19.12.2011

  • Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимии; приборы для сжигания топлива. Назначение трубчатых печей, конструкция, теплотехнические показатели. Расчет процесса горения: КПД печи, тепловая нагрузка, расход топлива; расчет камер радиации и конвекции.

    курсовая работа [122,1 K], добавлен 06.06.2012

  • Расчетное исследование влияния основных параметров топочного процесса на полноту сгорания топлива в котле. Математическое моделирование горения движущейся коксовой частицы. Расчет движения частицы в заданном поле скоростей и горения коксового остатка.

    курсовая работа [2,1 M], добавлен 27.08.2012

  • Описание процесса подготовки твердого топлива для камерного сжигания. Создание технологической схемы производства энергии и тепла. Проведение расчетов материального и теплового баланса котлоагрегата. Методы очистки дымовых газов от оксидов серы и азота.

    курсовая работа [871,2 K], добавлен 16.04.2014

  • Состав, зольность и влажность твердого, жидкого и газообразного топлива. Объемы и энтальпии воздуха и продуктов сгорания. Расход топлива котельного агрегата. Основные характеристики топочных устройств. Определение теплового баланса котельного устройства.

    курсовая работа [108,9 K], добавлен 16.01.2015

  • Назначение, область применения и классификация дизельного топлива. Основные этапы промышленного производства ДТ. Выбор номенклатуры показателей качества дизельного топлива. Зависимость вязкости топлива от температуры, степень чистоты, температура вспышки.

    курсовая работа [760,9 K], добавлен 12.10.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.