Численное моделирование газодинамических процессов в топке котла ТП-170.
Объект исследования. Исследовались газодинамические процессы в топки парового котла ТП-170. Котел представляет собой полую конструкцию стенки которой состоят из набора труб, по которым проходит пароводяная смесь. Топливом является пылеугольная смесь, попадающая в топку через 6 горелок. Заказчик предполагал увеличить полноту сгорания путем изменения конструкции горелок.
 |
 |
Цель работы. Смоделировать режимы горения в топке котла для базового и модернизированного вариантов подачи топливной смеси, сравнить результаты и сделать вывод о целесообразности внедрения новой конструкции горелок.
Геометрическая модель.
На основании 3D модели котла была получена геометрическая модель его внутренней полости топки. В рассмотрение бралась только половина внутренней полости котла (отделенная вертикальной плоскостью симметрии). Далее на основании чертежей была построена 3D-модель внутренней полости топливного инжектора (тракты воздуха, пылеугольной смеси, природного газа). После этого осуществлялось импортирование модели инжектора в модель котла.
Все геометрические преобразования выполнялись в программном модуле DesignModeler, входящем в среду ANSYS Workbench.
 |
|
Геометрическая модель расчетной области топки котла (достроенная до полной). Ось Y указывает вертикальное направление. |
 |
| Расположение топливных инжекторов и сечений, через которые подаются компоненты топливной смеси |
Сеточная модель.
Геометрическая модель была передана в сеточный генератор ICEM CFD. Были определены именованные компоненты – поверхности, для которых впоследствии задавались граничные условия. Далее была создана блочная структура. Ребра и вершины блоков специальными связями ассоциировались с опорными кривыми и точками геометрической модели. Таким образом, блочная структура была «натянута» на исходную геометрию расчетной области. Затем была сгенерирована структурированная гексоэдральная сетка отдельно для компонентов топливного инжектора (горелки) и для основной области топки.
После этого был проведен анализ качества сетки по ряду критериев, а также сглаживание исходной сетки. В итоге модель была конвертирована в специальный формат GTM для последующей передачи в модуль вычислительной гидродинамики ANSYS CFX.
 |
| Сеточная модель расчетной области топки. |
 |
| Сеточная модель топливного инжектора. |
Физические модели.
Задача решалась в стационарной постановке. Течение рассматривалось как двухфазное. Твердая фаза (угольная пыль, частицы кокса и сажи) формулировалась в лагранжевой постановке, смесь газов (O2, N2, H2O, CH4, CO2) – в эйлеровой.
Эффекты турбулентности течения вводились с помощью модели RNG k-e.
В качестве модели горения была выбрана Модель разрушения вихря (EDM). Учитывались четыре типа одноступенчатых реакций: выделение летучих веществ из угля, окисление летучих, окисление коксового остатка, окисление вспомогательного горючего – природного газа.
Для учета переноса тепла излучением была использована Модель дискретного переноса излучения (Discrete Transfer model).
Граничные условия.
Скорость на входе топливных компонентов в топку задавались в виде профилей. Профили были переданы из файлов результатов, полученных для моделей компонентов инжектора.
На донном срезе топки было задано условие открытой границы (атмосферное давление и температура).
На верхней границе топки было задано условие выхода (давление, создаваемое дымососом).
На остальных границах расчетной области задавалось условие стенки (нулевые составляющие скорости потока, значение плотности теплового потока, отводимого паром).
Результаты.
 |
|
Контурный график температур в вертикальной плоскости симметрии. (крайний левый график для базового варианта инжектора, остальные – новый вариант инжектора с различным распределением расхода воздуха). |
 |
|
Контурный график массовой доли О2 в вертикальной плоскости симметрии. (крайний левый график для базового варианта инжектора, остальные – новый вариант инжектора с различным распределением расхода воздуха). |
Выводы.
Согласно результатам лучшую эффективность сгорания топливной смеси обеспечивает базововая конструкция горелок.
