Обоснование структуры математической модели тепловых процессов в топке низкотемпературного кипящего слоя

Аннотация

В данной статье рассмотрен процесс розжига топки низкотемпературного кипящего слоя и предложена структура математической модели последней, для исследований тепловых процессов при розжиге и режиме горячего резерва.

Основной текст статьи

В настоящее время востребована технология сжигания твердого топлива в топке низкотемпературного кипящего слоя (НТКС). Это связано с тем, что значительная часть добываемой горной массы имеет высокую зольность. Непосредственное её использование на традиционных слоевых котельных затруднено без дополнительных мероприятий. В то же время топка НТКС способна работать с твердым топливом зольностью до 75–80 % [1]. Одним из препятствий к использованию данной технологии является сложность управления процессом горения с точки зрения автоматизации. Существующие научные исследования позволяют спроектировать систему автоматического управления работой котельной установки с топкой НТКС в стационарном режиме работы. Однако переходные характеристики процесса розжига топки НТКС исследованы не в полной мере, что препятствует комплексной автоматизации объекта. Это приводит к тому, что розжиг выполняется в ручном режиме с увеличенным расходом дополнительного топлива и повышенной вероятностью возникновения аварийных ситуаций, например, таких как шлакование НТКС при нагреве слоя свыше температуры размягчения золы. Таким образом, целесообразно проведение исследований, направленных на изучение процесса розжига, в частности синтеза математической модели, позволяющей изучать переходные характеристики тепловых процессов в топке.

Для выполнения поставленной задачи проанализирована теория горения газообразного, жидкого и твердого топлив, участвующих в процессе розжига и переводе в стационарный режим работы топки НТКС; произведена оценка динамических свойств котельной установки с топкой НТКС, реакции процесса горения на возмущающие воздействия и зависимости этих реакций.

Процесс от розжига до рабочего режима топки НТКС делится на 3 этапа:

1. Прогрев материала слоя до температуры розжига основного топлива. Используется только дополнительное топливо (газообразное или жидкое).
2. Прогрев материала слоя до температуры рабочего режима. Используется дополнительное и основное топливо (твердое). Выполняется плавное изменение их пропорций. По завершении этапа использование дополнительного топлива сводится к минимуму.
3. Завершение переходных процессов поддержанием установленной температуры рабочего режима. Используется только основное топливо.

Согласно [2], скорость отклика топки НТКС по температуре на динамические возмущения оценивается уравнением теплового баланса:

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. S — площадь зеркала горения (м²);
4. H — высота слоя (м);
5. T_v , T_sl — температура воздуха и материала слоя (К);
6. Q_oT — теплота сгорания основного топлива (Дж/кг);
7. j_oT — расход основного топлива на 1 м² площади зеркала горения (кг/(м2*с));
8. U_v — скорость воздуха через слой (м/с);
9. q₃ , q₄ — доля химического и механического недожога;
10. I_з , I_л — потери теплоты с отводимой золой и излучением (Дж/с).

Уравнение (1) описывает скорость отклика топки НТКС с использованием исключительно основного топлива, т. е. в рабочем режиме, и для обоснования структуры математической модели розжига имеет следующие недостатки:

• в процессе розжига участвуют абсолютно разные по свойствам горения основное и дополнительное топливо. Основное вступает в реакцию не сразу, а только после прогрева до его минимальной температуры розжига;
• не учитывается расход теплоты на прогрев твердого топлива до температуры кипящего слоя;
• в реальных условиях эксплуатации возможно только объемное дозирование твердого, жидкого или газообразного топлива.

Учитывая вышеперечисленные недостатки, для обоснования структуры математической модели розжига топки НТКС в трёх этапах, выполнена модификация уравнения (1) и введены дополнительные переменные в его структуру для каждой из трех стадий розжига. Для упрощения математической модели сделано допущение: количество дутьевого воздуха поддерживается системой автоматического управления для полного выгорания летучих и коксового остатка, что полностью оправдано технологией сжигания в кипящем слое.

Для первого этапа:

1. ρ_dT — плотность дополнительного топлива (кг/м³);
2. V_dT — объемный расход дополнительного топлива (м³/с);
3. Q_dT — теплота сгорания дополнительного топлива (Дж/кг);
4. V_v — объемный расход дутьевого воздуха (м³/с).

Для второго этапа:

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).

Для третьего этапа:

При обосновании структуры математической модели на основе этих уравнений необходимо учитывать, что, в большинстве случаев, основное топливо проходит предварительную подготовку для измельчения крупных кусков. Это позволяет сделать допущение о равномерном заполнении пространства топки заведомо известной фракцией твёрдого топлива

Синтез математической модели тепловых процессов в топке низкотемпературного кипящего слоя предполагается осуществлять в программном пакете MATLAB, а, следовательно, структура математической модели розжига топки НТКС представлена в динамическом виде (рис. 1). Структура разработана на основе метода декомпозиции. Все входные и выходные величины изменяются во времени

В структуре математической модели розжига топки НТКС предполагается разделение процессов, протекающих в топочной камере, на отдельные, влияющие друг на друга, блоки преобразования величин. Блоком преобразования объемного расхода V_dT выполняется условное сжигание дополнительного топлива и передача тепловой энергии материалу кипящего слоя, занимаемого объем SH. Он состоит из модуля Q`<sub>dT</sub>, преобразующего объемный расход в тепловую энергию. Его работа зависит от параметров дополнительного топлива ρ<sub>dT</sub> и Q<sub>dT</sub>. В свою очередь модуль Q`_sl предназначен для аккумулирования тепловой энергии слоя.

Блоком преобразования объемного расхода V_oT выполняется условное сжигание основного топлива и передача тепловой энергии материалу кипящего слоя. Работа данного блока зависит от двух модулей: первый Q`<sub>oT</sub> и второй T`_oT. Первый модуль преобразует уже разогревшееся до температуры розжига топливо в тепловую энергию на основании параметров зольности A, плотности ρ_oT, теплоты сгорания одного килограмма топлива Q_oT и принятых команд от второго модуля. Каждая частица основного топлива, попадая в топочную камеру, не начинает гореть до тех пор, пока не прогреется до собственной температуры розжига. Для выполнения этих условий модуль T`_oT поглощает некоторое количество теплоты из материала слоя с учетом разности температур T_sl и T_b. Поглощение тепла продолжается до тех пор, пока T_b не сравняется с T_sl. При этом необходимо учитывать гранулометрический состав основного топлива, который существенно влияет на скорость прогрева частиц [3], не учтенный в формуле (3), т.к. данные зависимости не вносят изменений в общую структуру математической модели розжига топки НТКС и являются сложными математическими зависимостями.

В процессе работы второй модуль формирует задание первому модулю по выполнению преобразования топлива в энергию. Таким образом, первый модуль Q`<sub>oT</sub> представляет собой безразмерный массив данных, в котором сохраняются значения объема, загруженного в топку основного топлива во времени. По мере поступления команд от второго модуля T`_oT соответствующий объем топлива преобразуется в тепловую энергию. Суммарная энергия, принятая от обоих топлив в модуль Q`<sub>sl</sub>, передается модулю T`_sl, где преобразуется в температуру материала слоя. Блок преобразования V_v, учитывая ρ_v и Q_v, поглощает у Q`_sl некоторое количество теплоты пропорционально объемному расходу дутьевого воздуха и разности температур T_sl и T_v. Помимо расхода тепла на блоки V_oT и V_v, так же учитывается его потеря с отводимой золой I_зол и излучением I_изл.

Таким образом, обоснованная математическая модель розжига топки НТКС обладает следующими качествами:

• возможность вводить и выводить из работы блоки объемных расходов, что необходимо для смены этапов розжига;
• участие основного топлива в процессе розжига начинается с определенной температуры слоя;
• температура розжига твердого топлива и скорость его прогрева не являются статичными и могут изменяться хаотично в заданных пределах, основанных на качестве используемого топлива и его предварительной подготовке;
• дозирование топлив выражается в объемных единицах с возможностью задания пределов минимального и максимального объемного расхода;
• помимо основной цели моделирования трех этапов розжига, данная математическая модель пригодна для изучения переходных процессов ввода топки НТКС в горячий резерв и вывода из этого состояния.

В реальных условиях на оборудование объекта действует ряд внешних воздействий, определяющих точность его работы. Например, налипание угля на стенки механического забрасывателя ротационного типа. Такие погрешности не вносят существенное влияния на адекватность математической модели, но должны учитываться при её синтезе и последующих расчетах в виде погрешностей исходных величин.

Таким образом, данная структура математической модели тепловых процессов в топке низкотемпературного кипящего слоя принята за основу для исследований в направлении разработки системы автоматического контроля переходных процессов в котельной установке с топкой НТКС.

Библиографический список

1. Вискин Ж. В. и др. Сжигание угля в кипящем слое и утилизация его отходов. — Донецк: Новый мир, 1997. — 121 с.
2. Махорин К. Е., Хинкис П. А. Сжигание топлива в псевдоожиженном слое. — К.: Наукова думка, 1989. — 204 с. — 196 с.
3. 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.