Исследование тепловых процессов на начальном этапе розжига топки низкотемпературного кипящего слоя

Аннотация

В статье рассматривается существующая и разрабатываемая математические модели для исследований в направлении изучения переходных режимов работы шахтной котельной установки с топкой низкотемпературного кипящего слоя. Выполнено моделирование и сравнения переходных процессов существующей и разрабатываемой математических моделей.

Основной текст статьи

Существующие исследования тепловых процессов, протекающих в топке низкотемпературного кипящего слоя, позволяют успешно прогнозировать температуру слоя и поведение частиц топлива [1]. В исследованиях рассматриваются зависимости температурного отклика материала слоя на изменения скорости подачи твердого топлива в пространство топки и расхода дутьевого воздуха. Для изучения переходных процессов (розжиг и горячий резерв) необходимо полностью исключать подачу основного и дополнительного топлив, а также дутьевого воздуха. Изменение структуры уравнения скорости температурного отклика топки на динамические возмущения, рассмотрены для трёх этапов розжига.

Первый этап:

1. c_v , c_sl — удельная теплоемкость воздуха и материала слоя (Дж/(кг*К));
2. ρ_v , ρ_sl — плотность воздуха и насыпная плотность материала слоя (кг/м³);
3. ρ_dT — плотность дополнительного топлива (кг/м³);
4. S — площадь зеркала горения (м²);
5. H — высота слоя (м);
6. T_v , T_sl — температура воздуха и материала слоя (К);
7. V_dT — объемный расход дополнительного топлива (м³/с);
8. Q_dT — теплота сгорания дополнительного топлива (Дж/кг);
9. V_v — объемный расход дутьевого воздуха (м³/с).

Второй этап:

1. A — массовая доля золы основного топлива;
2. ρ_oT — насыпная плотность материала основного топлива (кг/м³);
3. V_oT — теплота сгорания дополнительного топлива (Дж/кг);
4. c_oT — теплоемкость материала основного топлива (Дж/(кг*К));
5. T_b — температура бункера с основным топливом (К).

Третий этап:

Таким образом, для автоматизации управления в переходных режимах работы существующие математические модели кипящего слоя не применимы по причине постоянного изменения большого числа переменных в уравнениях и, следовательно, коэффициентов передаточных функций.

Для исследования переходных режимов работы топки кипящего слоя, на основании метода декомпозиции, предложена структура динамической модели, реализованная в пакете Simulink (рис. 1).

Исследуемая математическая модель состоит из четырёх основных блоков:

1. Блок объемного расхода дополнительного топлива — выполняет функции сжигания дополнительного топлива и передачи тепловой энергии блоку топочного пространства.
2. Блок объемного расхода дутьевого воздуха — выполняет функцию отбора тепла из кипящего слоя.
3. Блок объемного расхода основного топлива — выполняет функции сжигания основного топлива и передачи тепловой энергии блоку топочного пространства, частично отбирает её из слоя на нагрев новых порций топлива.
4. Блок топочного пространства — выполняет функции накопления тепловой энергии и её преобразования в температуру.

Отдельно от блоков учитываются расходы тепловой энергии тепловым излучением и с отводимой золой.

Далее предложенная математическая модель рассматривается для первого этапа розжига, в котором блок объемного расхода основного топлива не участвует. Для сравнения с существующим математическим описанием скорости отклика топки низкотемпературного кипящего слоя по температуре, в структуру включена передаточная функция существующей математической модели [1], адаптированная для первого этапа розжига:

1. K_sl — передаточный коэффициент слоя (С/м³);
2. T_sl — постоянная времени слоя (с).

При построении внутренней структуры блоков объемных расходов, на основании результатов исследований из [2], сделано допущение, что температура уходящих газов из слоя равна температуре самого слоя.

Структура блока объемного расхода дополнительного топлива (рис. 2) основана на следующих уравнениях преобразования объемного расхода топлива в тепловую энергию:

1. Q_out — количество тепловой энергии передаваемой кипящему слою (Дж/с);
2. Qⁿ_dT — низшая теплота сгорания 1 м³ дополнительного топлива (Дж/м³);
3. V_dT — объемный расход дополнительного топлива (м³/с);
4. I_dg — энтальпия дымовых газов при сгорании 1 м³ дополнительного топлива при температурах дутьевого воздуха T.dV и кипящего слоя T.kS (Дж/м³).

1. K_sl — количество отобранного воздуха, необходимого для горения дополнительного топлива (м³/с);
2. T_sl — объемная доля воздуха, приходящегося на 1 м³ дополнительного топлива при его сжигании.

Таким образом, на основании разности энтальпий дымовых газов, учитывается количество тепловой энергии, вносимой в слой при сжигании дополнительного топлива. Уравнением (5) это выполняется в пересчете на заданный объемный расход и суммарно с тепловой энергией, полученной в результате реакции горения. Параллельно в уравнении (6) выполняется учет израсходованного дутьевого воздуха на горение дополнительного топлива.

Структура блока объемного расхода дутьевого воздуха (рис. 3) основана на следующем уравнении преобразования объемного расхода воздуха в тепловую энергию:

1. V_dV — объемный расход дутьевого воздуха (м³/с);
2. V_dVout — отобранный для горения дополнительного топлива воздух (м³/с);
3. I_dV — энтальпия 1 м³ воздуха при температурах T.dV и T.kS (Дж/м³).

Таким образом, на основании разности энтальпий для 1 м³ воздуха, в пересчете на заданный объемный расход с корректировкой отобранного воздуха для горения дополнительного топлива, учитывается количество тепловой энергии, вносимой в слой дутьевым воздухом.

В блоке топочного пространства (рис. 4) вся вносимая энергия, с учетом знака, аккумулируется в интеграторе, после чего преобразуется в значение температуры слоя на основании уравнения:

1. I_zol — энтальпия 1 кг золы при температурах T.kS и T.start (Дж/кг);
2. Q_Σ — накопленная в аккумуляторе тепловая энергия (Дж);
3. m_zol — масса золы в топочном пространстве (кг).

Далее, по табличным значениям энтальпии 1 кг золы, определяется текущая температура кипящего слоя.

При исследовании работы математической модели в динамике поочередно отключаются подача дополнительного топлива и дутьевого воздуха на 1200 секунде и 2400 секунде соответственно.

Анализируя результаты моделирования, представленные на рисунке 5, можно сделать следующие выводы:

• предложенная математическая модель до 1200 секунды ведет себя в соответствии с существующей, за исключением небольших неточностей, вызванных использованием в расчетах энтальпии, зависимость которой не линейная;
• после остановки блока объемного расхода дополнительного топлива переходной процесс существующей математической модели не соответствует переходному процессу разрабатываемой модели. Данное обстоятельство вызвано резкой сменой структуры дифференциального уравнения, использованного в существующей математической модели, что невозможно динамически учитывать в апериодическом звене первого порядка. Накопленная погрешность за 20 минут составила 35,8°С или 8% от изменения температуры в период с 1200 до 2400 секунд;
• после остановки блока объемного расхода воздуха топка переходит в горячий резерв, что не отрабатывает существующая математическая модель. Это наглядно видно на графике после 2400 секунды.

Дальнейшие исследования будут направлены на изучение влияния блока объемного расхода основного топлива, с последующим синтезом системы автоматизации шахтной котельной установки с топкой низкотемпературного кипящего слоя в переходных режимах работы.

Перечень ссылок

1. Неежмаков С. В. Исследование математической модели топки кипящего слоя шахтного автономного воздухоподогревателя / С. В. Неежмаков // Праці Таврійського державного агротехнологічного університету. — Вип. 8. Т. 10. Мелітополь: ТДАТУ, 2008. С. 173–180.
2. Забродский С. С. Гидродинамика и теплообмен в псевдоожиженном (кипящем) слое. М.–Л., Госэнергоиздат, 1963. 488 с.