Использование компьютерного моделирования при малозатратной модернизации котла НИИСТУ-5
Используя пакет прикладных программ Phoenics v 3.6, проведено исследование по интеграции горелки ГБГМ-0,85НД в топочное пространство котла НИИСТУ-5. Результаты расчетов показали, что интеграция горелки в объем котла возможна только при условии защиты заднего экрана котла. Выполненная серия расчетов...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Дата: | 2007 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61289 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Использование компьютерного моделирования при малозатратной модернизации котла НИИСТУ-5 / А.А. Долинский, А.А. Халатов, С.Г. Кобзарь, О.А. Назаренко, А.А. Мещеряков // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 5. — С. 80-91. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61289 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Долинский, А.А. Халатов, А.А. Кобзарь, С.Г. Назаренко, О.А. Мещеряков, А.А. 2014-04-29T20:16:24Z 2014-04-29T20:16:24Z 2007 Использование компьютерного моделирования при малозатратной модернизации котла НИИСТУ-5 / А.А. Долинский, А.А. Халатов, С.Г. Кобзарь, О.А. Назаренко, А.А. Мещеряков // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 5. — С. 80-91. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61289 662.995:662.61 Используя пакет прикладных программ Phoenics v 3.6, проведено исследование по интеграции горелки ГБГМ-0,85НД в топочное пространство котла НИИСТУ-5. Результаты расчетов показали, что интеграция горелки в объем котла возможна только при условии защиты заднего экрана котла. Выполненная серия расчетов позволила найти техническое решение, которое было реализовано при малозатратной модернизации котла НИИСТУ-5. Використовуючи пакет прикладних програм Phoenics v 3.6, проведено дослідження інтеграції пальника ГБГМ0,85НД в топковий простір котла НІІСТУ-5. Результати розрахунків показали, що інтеграція пальника в об’єм котла можлива за умови захисту заднього екрану котла. Виконана серія розрахунків дозволила знайти технічне рішення, яке було реалізовано при маловитратній модернізації котла НІІСТУ-5. The investigation of the gas burner GBGM-0,85ND integration into the NIISTU-5 boiler combustion space based on commercial CFD Phoenics v 3.6 was carried out. The results have shown that burner integration is possible only with the heat protection of the rear baffle plate. The calculations made allowed to identify the engineering decision, of the low-cost reconstruction of NIISTU-5 municipal boiler. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Коммунальная и промышленная теплоэнергетика Использование компьютерного моделирования при малозатратной модернизации котла НИИСТУ-5 Application of the computer technology for the low-cost reconstruction of NIISTU-5 municipal boiler Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Использование компьютерного моделирования при малозатратной модернизации котла НИИСТУ-5 |
| spellingShingle |
Использование компьютерного моделирования при малозатратной модернизации котла НИИСТУ-5 Долинский, А.А. Халатов, А.А. Кобзарь, С.Г. Назаренко, О.А. Мещеряков, А.А. Коммунальная и промышленная теплоэнергетика |
| title_short |
Использование компьютерного моделирования при малозатратной модернизации котла НИИСТУ-5 |
| title_full |
Использование компьютерного моделирования при малозатратной модернизации котла НИИСТУ-5 |
| title_fullStr |
Использование компьютерного моделирования при малозатратной модернизации котла НИИСТУ-5 |
| title_full_unstemmed |
Использование компьютерного моделирования при малозатратной модернизации котла НИИСТУ-5 |
| title_sort |
использование компьютерного моделирования при малозатратной модернизации котла ниисту-5 |
| author |
Долинский, А.А. Халатов, А.А. Кобзарь, С.Г. Назаренко, О.А. Мещеряков, А.А. |
| author_facet |
Долинский, А.А. Халатов, А.А. Кобзарь, С.Г. Назаренко, О.А. Мещеряков, А.А. |
| topic |
Коммунальная и промышленная теплоэнергетика |
| topic_facet |
Коммунальная и промышленная теплоэнергетика |
| publishDate |
2007 |
| language |
Russian |
| container_title |
Промышленная теплотехника |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Application of the computer technology for the low-cost reconstruction of NIISTU-5 municipal boiler |
| description |
Используя пакет прикладных программ Phoenics v 3.6, проведено исследование по интеграции горелки ГБГМ-0,85НД в топочное пространство котла НИИСТУ-5. Результаты расчетов показали, что интеграция горелки в объем котла возможна только при условии защиты заднего экрана котла. Выполненная серия расчетов позволила найти техническое решение, которое было реализовано при малозатратной модернизации котла НИИСТУ-5.
Використовуючи пакет прикладних програм Phoenics v 3.6, проведено дослідження інтеграції пальника ГБГМ0,85НД в топковий простір котла НІІСТУ-5. Результати розрахунків показали, що інтеграція пальника в об’єм котла можлива за умови захисту заднього екрану котла. Виконана серія розрахунків дозволила знайти технічне рішення, яке було реалізовано при маловитратній модернізації котла НІІСТУ-5.
The investigation of the gas burner GBGM-0,85ND integration into the NIISTU-5 boiler combustion space based on commercial CFD Phoenics v 3.6 was carried out. The results have shown that burner integration is possible only with the heat protection of the rear baffle plate. The calculations made allowed to identify the engineering decision, of the low-cost reconstruction of NIISTU-5 municipal boiler.
|
| issn |
0204-3602 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61289 |
| citation_txt |
Использование компьютерного моделирования при малозатратной модернизации котла НИИСТУ-5 / А.А. Долинский, А.А. Халатов, С.Г. Кобзарь, О.А. Назаренко, А.А. Мещеряков // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 5. — С. 80-91. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT dolinskiiaa ispolʹzovaniekompʹûternogomodelirovaniâprimalozatratnoimodernizaciikotlaniistu5 AT halatovaa ispolʹzovaniekompʹûternogomodelirovaniâprimalozatratnoimodernizaciikotlaniistu5 AT kobzarʹsg ispolʹzovaniekompʹûternogomodelirovaniâprimalozatratnoimodernizaciikotlaniistu5 AT nazarenkooa ispolʹzovaniekompʹûternogomodelirovaniâprimalozatratnoimodernizaciikotlaniistu5 AT meŝerâkovaa ispolʹzovaniekompʹûternogomodelirovaniâprimalozatratnoimodernizaciikotlaniistu5 AT dolinskiiaa applicationofthecomputertechnologyforthelowcostreconstructionofniistu5municipalboiler AT halatovaa applicationofthecomputertechnologyforthelowcostreconstructionofniistu5municipalboiler AT kobzarʹsg applicationofthecomputertechnologyforthelowcostreconstructionofniistu5municipalboiler AT nazarenkooa applicationofthecomputertechnologyforthelowcostreconstructionofniistu5municipalboiler AT meŝerâkovaa applicationofthecomputertechnologyforthelowcostreconstructionofniistu5municipalboiler |
| first_indexed |
2025-11-26T11:25:18Z |
| last_indexed |
2025-11-26T11:25:18Z |
| _version_ |
1850619424268091392 |
| fulltext |
Быстрое истощение запасов природного газа и
нефти в последние годы способствовало сущест;
венному подорожанию энергетических ресурсов
во всем мире. Такая отрицательная тенденция
привела к серьезным проблемам во всех отраслях
Украины, в том числе в жилищно;коммуналь;
ном хозяйстве (ЖКХ), которое потребляет до
70% органического топлива в стране, 80% кото;
рого – природный газ. Другие проблемы обус;
ловлены значительным износом котельного обо;
рудования. Сегодня в системе ЖКХ Украины
нуждаются в срочной замене около 14 тысяч кот;
лов мощностью до 1000 кВт, срок эксплуатации
57% котельных превышает 20 лет. Около 11000
котлов мощностью от 100 до 1000 кВт находятся
в эксплуатации более 20 лет, 40% котлов эксплу;
атируются с коэффициентом полезного действия
менее 82%.
Полная модернизация ЖКХ Украины требует
огромных средств – более десяти миллиардов
гривен. В связи с невозможностью привлечения
таких серьезных инвестиций в короткое время
концепция модернизации ЖКХ Украины, бази;
рующаяся сегодня на региональных программах,
направлена на демонтаж и полную замену уста;
ревших котлов – прежде всего большой мощнос;
80 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 5
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
Використовуючи пакет прикладних
програм Phoenics v 3.6, проведено
дослідження інтеграції пальника ГБГМ$
0,85НД в топковий простір котла НІІСТУ$5.
Результати розрахунків показали, що
інтеграція пальника в об’єм котла мож$
лива за умови захисту заднього екрану
котла. Виконана серія розрахунків доз$
волила знайти технічне рішення, яке бу$
ло реалізовано при маловитратній мо$
дернізації котла НІІСТУ$5. При витратах
на модернізацію близько 50 тис.грн.,
строк окупності становить менше одно$
го опалювального сезону.
Используя пакет прикладных про$
грамм Phoenics v 3.6, проведено ис$
следование по интеграции горелки
ГБГМ$0,85НД в топочное пространство
котла НИИСТУ$5. Результаты расчетов
показали, что интеграция горелки в объ$
ем котла возможна только при условии
защиты заднего экрана котла. Выпол$
ненная серия расчетов позволила найти
техническое решение, которое было ре$
ализовано при малозатратной модер$
низации котла НИИСТУ$5. При затратах
на модернизацию около 50 тыс.грн,
срок окупаемости составил менее одно$
го отопительного сезона.
The investigation of the gas burner
GBGM$0,85ND integration into the NIIS$
TU$5 boiler combustion space based on
commercial CFD Phoenics v 3.6 was car$
ried out. The results have shown that burn$
er integration is possible only with the heat
protection of the rear baffle plate. The cal$
culations made allowed to identify the
engineering decision, of the low$cost
reconstruction of NIISTU$5 municipal boil$
er. The reconstruction costs are about
50000 UAH and pay back period is less
than one heating season.
УДК 662.995:662.61
ДОЛИНСКИЙ А.А., ХАЛАТОВ А.А.,
КОБЗАРЬ С.Г., НАЗАРЕНКО О.А., МЕЩЕРЯКОВ А.А.
Институт технической теплофизики НАН Украины
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ МАЛОЗАТРАТНОЙ
МОДЕРНИЗАЦИИ КОТЛА НИИСТУ$5
k – кинетическая энергия турбулентности;
s – стехиометрическое отношение реакции
топливо – окислитель;
T – температура;
v – скорость;
– массовая концентрация;
ε – диссипация кинетической энергии;
ρ – плотность;
В – высота;
Д – длина;
ЖКХ – жилищно;коммунальное хозяйство;
Ш – ширина.
Индексы:
fuel – топливо;
ox – окислитель.
Y
ти и малозатратную модернизацию котлов малой
и средней мощности, находящихся в удовлетво;
рительном состоянии и способных функциони;
ровать еще несколько лет. При этом модерниза;
ция котлов направлена на более качественное
сжигание топлива, повышение эффективности
поверхностей теплообмена, адаптацию котлов к
работе на альтернативных, низкокалорийных и
местных видах топлива.
Примером широко распространенных котлов
малой мощности, которых в Украине эксплуати;
руется более 35000, является котел НИИСТУ;5,
созданный более 40 лет назад, но до сих пор ши;
роко использующийся в качестве водогрейного
котла для систем отопления промышленных и
жилых зданий. Котел НИИСТУ;5 с принуди;
тельной циркуляцией воды, его теплопроизводи;
тельность составляет 0,6 Гкал/час, температура
нагрева воды до 115 оC. Хотя паспортное значе;
ние КПД котлов составляет 85%, но в действи;
тельности большинство из них в настоящее вре;
мя имеют КПД от 50 до 70%.
В середине 70;х годов прошлого века боль;
шинство котлов НИИСТУ;5, которые работали
на угле, были переоборудованы для работы на
природном газе. Модернизация заключалась в
удалении колосников и установки на их место
подовых горелок. Однако недостаток стандарт;
ных подовых горелок состоит в отсутствии плав;
ного регулирования мощности, они работают
при высоких коэффициентах избытка воздуха
(1,3...1,5). К достоинствам котла НИИСТУ;5
следует отнести его хорошую ремонтопригод;
ность, замена обмуровки котла и вышедших из
строя труб может быть осуществлена на месте си;
лами предприятия.
В Институте технической теплофизики НАН
Украины развивается технология малозатратной
модернизации котлов НИИСТУ;5, основанная
на их оснащении фронтальными блочными го;
релками ГБГМ;0,85НД производства КМП
“Промел” (г.Киев). Выбор блочных горелок
ГБГМ;0,85НД для модернизации котлов НИИС;
ТУ;5 не случаен, так как данные горелки имеют
ряд преимуществ и отличительных особенностей
перед горелками которые выпускаются как в Ук;
раине, так и за рубежом. К таким отличительным
особенностям можно отнести:
1. Применение электронной системы регули;
рования соотношения “газ – воздух” с автомати;
ческой настройкой частоты вращения двигателя
вентилятора в зависимости от подачи природно;
го газа позволяет увеличить точность регулирова;
ния соотношения “газ – воздух” при этом произ;
водить малотоксичное сжигание природного газа
с незначительным выбросом оксидов азота.
2. Применение цифрового измерителя – регу;
лятора тепловой мощности горелки, который ис;
пользует пропорциональный интегрально – диф;
ференциальный закон (ПИД) автоматического
регулирования тепловой мощностью, позволяет
с высокой точностью поддерживать выходной
параметр теплового агрегата (температуру воды).
3. Настройка горелки при помощи микропро;
цессорного блока автоматики позволяет быстро
скорректировать параметры работы, а также при
необходимости изменить алгоритм работы.
4. Запрограммированная последовательность
работы блока автоматики на базе микропроцес;
сора обеспечивает чрезвычайно стабильное со;
гласование по времени, независимое от измене;
ний напряжения, температуры окружающей
среды и/или циклов включения.
5. Применение регулятора частоты вращения
двигателя позволяет:
; снизить количество потребляемой электро;
энергии,
; снизить уровень шума при работе горелки,
; исключить наличие люфтов в механических
конструкциях и соединениях, которые передают
момент с одной тяги на другую, благодаря этому
при изменении тепловой мощности горелки уда;
ется избежать механического гистерезиса (запаз;
дывания) и неточностей регулирования, которые
возникают со временем.
6. Блок автоматики горелки обеспечивает вы;
сокий уровень безопасности и автоматизации
работы всего теплового агрегата и позволяет экс;
плуатировать горелку без постоянного обслужи;
вающего персонала, обеспечивая при этом беза;
варийный останов.
7. Полная заводская готовность горелки к экс;
плуатации с полной комплектацией КИП и А.
8. Оригинальная компактная конструкция.
Модернизация котла заменой горелки имеет
две положительные стороны: во;первых, замена
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 5 81
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
устарелых горелок на новые позволяет решить
проблему модернизации без разрушения сущест;
вующей инфраструктуры котельной; во;вторых,
в будущем, при замене котла на новый аналогич;
ной мощности, возможно повторное использова;
ние горелки. Параллельно с заменой горелки
предлагается оснастить котельные современны;
ми приборами учета и автоматизации, что позволя;
ет экономить электроэнергию при эксплуатации
основного и вспомогательного оборудования.
Печальный опыт модернизации котла ДЕ;6,5
Бийского завода (Россия) свидетельствует о том,
что замена горелок без серьезного инженерного
обоснования весьма опасна. При установке стан;
дартной горелки фирмы Weishaupt (Германия) в
объем котла ДЕ;6,5 факел оказался слишком
длинным, задняя стенка котла быстро прогорала
и котел выходил из строя. Фирме Weishaupt при;
шлось в срочном порядке модернизировать свои
горелки и разработать новое смесительное уст;
ройство для уменьшения длины факела. Модер;
низированные горелки, получившие индекс SF,
уже лучше интегрировались в топочное прост;
ранство котла ДЕ;6,5 и работали удовлетвори;
тельно [1], но на это решение было потрачено
слишком много времени. Печальный опыт ис;
пользования иностранных горелок в котлах без
предварительного анализа и инженерного обос;
нования имеется и в регионах Украины.
Предложения ИТТФ НАНУ по рациональному
использованию горелки ГБГМ;0,85НД в котле
НИИСТУ;5 основаны на использовании методов
современной компьютерной технологии [2].
Расчеты проводились с использованием ком;
мерческого пакета прикладных программ
PНОЕNICS;v.3.6, который разработан в Велико;
британии и широко используется за рубежом при
модернизации и проектировании различного
энергетического оборудования [3]. Численное
моделирование системы уравнений, характери;
зующих горение природного газа, позволило с
высокой точностью определить поля скоростей,
температур, концентраций, а также эмиссию
окислов азота в окружающее пространство и на
этой основе сформулировать обоснованные тех;
нические предложения по установке горелки и
режимам эксплуатации котла.
Газовая горелка ГБГМ – 0,85НД
Блочная газовая горелка ГБГМ–0,85НД со
струйной стабилизацией пламени и плавным ре;
гулированием мощности предназначена для сжи;
гания природного газа в топках тепловых агрега;
тов (рис. 1). Она состоит из огневого,
газоподающего и воздушного трактов, механиз;
ма регулирования мощности и электрооборудо;
вания (системы автоматики).
82 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 5
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
Рис. 1. Схематическое изображение горелки ГБГМ – 0,85НД.
Огневой узел содержит основную (1) и дежур;
но;запальную (2) горелки. Основная горелка
своим фланцем крепится к патрубку теплового
агрегата. Дежурно;запальная горелка смонтиро;
вана на поворотной консоли (3). Газоподающий
узел состоит из газопроводящих патрубков, от;
сечного клапана подачи газа на основную горел;
ку (11), отсечного клапана (10), отсечного клапа;
на подачи газа на дежурно;запальную горелку
(9), регулирующей газовой заслонки (8), напо;
ромеров давления газа (12, 14). Воздушный узел
смонтирован на поворотной консоли (3) и со;
стоит из электродвигателя (4), вентиляторного
агрегата (5), напоромера давления воздуха (13),
воздухозаборного короба (27). В корпусе венти;
ляторного агрегата встроены датчики контроля
пламени (21) и окно (20) для визуального наблю;
дения за факелом.
Механизм регулирования мощности включает
в себя регулятор (24), осуществляющий управле;
ние электроприводом МЭП (19) газовой заслон;
ки (8) и регулятор соотношения частотный РСЧ
(23). При работе на природном газе мощность го;
релки определяет расход газа, т.е. открытие газо;
вой заслонки. Необходимый для качественного
сжигания газа расход воздуха во всём диапазоне
от минимальной нагрузки до максимальной
обеспечивается соответствующей частотой вра;
щения электродвигателя вентилятора. Частоту
вращения электродвигателя вентилятора при оп;
ределенном положении газовой заслонки уста;
навливает регулятор соотношения частотный
РСЧ (23) по запрограммированной зависимости
в виде кусочно;линейной кривой (кривая соот;
ношения “газ;воздух”). Зависимость расхода
воздуха (частота вращения) от положения регу;
лирующей газовой заслонки (расход газа) уста;
навливается при наладке.
Система автоматики горелки состоит из блока
защиты и розжига БЗР (22), автоматического
выключателя (25), разъемов для внешних под;
ключений (26), датчиков аварийной защиты го;
релки (15,16,17,18,21) и исполнительных уст;
ройств.
Принцип работы газовой горелки основан на
образовании частично подготовленной газовоз;
душной смеси и стабилизации пламени за счёт
поджигания от постоянно работающей дежурно;
запальной горелки. Воздух от вентилятора, по;
ступая в огневой узел горелки, разделяется на два
потока. Основная часть воздуха проходит в коль;
цевую щель между корпусом и центральным ста;
каном, куда через отверстия поступает основной
поток природного газа. Другая часть воздуха по;
ступает на дежурно;запальную горелку внутрь
стакана, вытекает через отверстия перфорации
диска и отверстия на боковой поверхности стака;
на, образуя поперечные воздушные струи в пото;
ке основного воздуха или газовоздушной смеси.
Газ на дежурно;запальную горелку подаётся по
центральной трубе через отверстия, расположен;
ные между рядами перфорации диска в одной ра;
диальной плоскости с боковыми отверстиями
стакана. При поджигании от искры свечи зажи;
гания дежурно;запальная горелка образует устойчи;
вый веерообразный факел с развитой поверхнос;
тью, который поджигает основную газовоздушную
смесь, проходящую между центральным стаканом и
внутренней обечайкой корпуса.
Характеристики потока на срезе горелки. До
расчета термогазодинамики котла НИИСТУ;5
было выполнено математическое моделирование
движения потока внутри горелки. Результаты мо;
делирования позволили установить характерис;
тики потока на срезе горелки и использовать их в
качестве граничных условий при моделировании
термогазодинамических процессов в топке кот;
ла. Моделирование движения струи природного
газа в открытом пространстве за горелкой ГБГМ –
0,85НД показало, что при 100% нагрузке полное
смешение газа и воздуха достигается на расстоя;
нии 0,5 м от ее среза. Таким образом, при моде;
лировании горения природного газа в котле
НИИСТУ;5 может быть принято допущение о
горении предварительно перемешанной смеси
топлива и окислителя.
Компьютерная модель
котла НИИСТУ&5
Рассмотрим результаты модернизации котла
НИИСТУ;5, расположенного в отопительной
котельной № 5 с. Тарасовка Киево;Святошин;
ского района Киевской области. Котельная
оборудована шестью котлами НИИСТУ;5 мощ;
ностью 0,56 Гкал/час. Котлы стандартной компо;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 5 83
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
новки с поверхностью нагрева 47,5 м2, одна по;
ловина котлов оборудована подовыми горелка;
ми, расположенными в углублении ниже нижних
коллекторов котла, а другая – горелками Л1–Н.
До выполнения расчетов были проведены изме;
рения геметрических размеров котла, трубного пуч;
ка и других элементов. Размеры расчетной области
топки составили 2,709 х 1,32 х 1,8 м3 (Д х Ш х В). По
результатам этих измерений с использованием
препроцессора PHOENICS;v.3.6 была построена
компьютерная модель котла (рис. 2), при ее пост;
роении сечение горелки было заменено кольце;
вой областью, через которую в расчетную область
(объем котла) поступает топливо;воздушная
смесь.
Термогазодинамика котла НИИСТУ&5
При расчетах термогазодинамических параме;
тров котла НИИСТУ;5 коэффициент избытка
воздуха брался близким к оптимальному (1,05), а
параметры потока на входе в котел задавались на
основе результатов компьютерного моделирова;
ния горелки. При определении полей скорости,
давления, температуры и концентраций в объеме
котла использовалась численная процедура ре;
шения уравнений движения (Рейнольдса), не;
разрывности, энергии и концентраций для топ;
лива, окислителя и продуктов сгорания. Для за;
мыкания уравнений турбулентного движения
использовалась стандартная k;ε модель турбу;
лентности. Радиационный теплообмен модели;
ровался при помощи встроенной в пакет
PHOENICS;v.5 модели Immersol [3], степень чер;
ноты труб котла принималась равной 0,80, а их
температура – 90 оС. Моделирование горения
природного газа осуществлялось при помощи
встроенной в пакет модели горения SCRS, со;
гласно которой горение природного топлива за;
писывается на основе стехиометрического ба;
ланса масс:
1 кг топлива + r кг окислителя ⇒ (1 + r) кг
продуктов сгорания
При таком подходе принимается, что реакция
между топливом и кислородом идет до конца и
все компоненты превращаются в продукты сго;
рания.
Для нахождения средней скорости горения ис;
пользовалась Модель Разрушения Вихрей [4, 5],
которая предполагает, что горение лимитируется
84 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 5
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
Рис. 2. Компьютерная модель котла НИИСТУ#5.
смешением, а средняя скорость реакции опреде;
ляется выражением:
,
где СEBU – константа модели.
Предварительные расчеты интеграции горел;
ки в огневое пространство котла показали, что
наиболее целесообразно установить горелку на
вертикальной оси котла в сечении, находящемся
в середине между подом котла и низом передне;
го экрана. При этом полость для установки подо;
вых горелок необходимо заложить для образова;
ния непрерывного ровного пода.
Полная мощность горелки 850 кВт (100%). На
данном режиме расход газа составлял 0,0174 кг/с, а
расход воздуха – 0,315 кг/с. Распределение скоро;
сти и температуры продуктов сгорания вдоль оси
горелки в вертикальной плоскости показано на
рис. 3 и 4. Из этих данных следует, что факел горе;
ния достаточно узкий, а его форма несимметрична
по угловой координате. При этих условиях поток
горячих продуктов с высокой скоростью ударяется
о задний экран котла и частично разворачивается в
обратном направлении. Основная масса горячих
продуктов сгорания поднимается вверх вдоль зад;
него экрана, а затем, частично огибая боковые эк;
раны, попадает в боковые дымоходы. Распределе;
ние концентрации природного газа в горизонталь;
ной плоскости приводится на рис. 5. Как следует
из рис. 5, выгорание топлива происходит достаточ;
но быстро, причем длина факела составляет около
1, 7 м при горизонтальной длине котла 2,709 м.
Данные компьютерного моделирования сви;
детельствуют о том, что задний экран котла НИ;
ИСТУ;5 находится в термически “тяжелых” ус;
ловиях, температура продуктов сгорания здесь
максимальна и значительно превышает темпера;
туру плавления материала трубного пучка. Таким
образом, работа горелки на режиме полной мощ;
ности (100%) может привести к быстрому прога;
ру заднего экрана и выходу котла из строя.
Частичная мощность горелки (50%). Сниже;
ние мощности горелки моделировалось умень;
шением расходов природного газа и воздуха че;
рез горелку. При данном режиме расход газа
составлял 0,0087 кг/с, а расход воздуха – 0,1575 кг/с.
Коэффициент избытка воздуха сохранялся таким
же и равнялся 1,05. Результаты выполненных
расчетов представлены на рис. 6–8.
Результаты расчета показывают, что длина фа;
кела уменьшилась примерно до 1,0 м. За счет
снижения скорости на выходе из горелки горя;
min ,
ox
fuelk EBU
Y
m C Y
k s
⎧ ⎫ε ⎪ ⎪= ρ ⎨ ⎬
⎪ ⎪⎩ ⎭
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 5 85
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
Рис. 3. Распределение скорости продуктов сгорания вдоль оси горелки в вертикальной плоскости (100%).
чий поток под действием гравитационных сил на
расстоянии 1,4 м от среза горелки начинает
“всплывать”, двигаясь в верхнюю часть заднего
экрана. Основная термическая нагрузка горячих
продуктов сгорания (Т = 1250 К) приходится на
верхнюю центральную часть заднего экрана в
промежутке от 0,5 м до 1,0 м по высоте экрана от
пода котла. Таким образом, данный сегмент эк;
рана будет работать в условиях повышенной теп;
ловой нагрузки, что приведет к локальному вски;
панию котловой воды, накоплению отложений и
выходу из строя части заднего экрана.
86 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 5
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
Рис. 4. Распределение температуры потока вдоль оси горелки в вертикальной плоскости (100%).
Рис. 5. Концентрация топлива в горизонтальной плоскости (100%), длина факела по маркеру 1,7 м.
Таким образом, режим работы котла на 50%
максимальной мощности горелки также не удов;
летворяет условиям надежной эксплуатации котла.
Частичная мощность горелки (20%). На дан;
ном режиме расход газа составлял 0,00348 кг/с, а
расход воздуха – 0,063 кг/с (коэффициент избыт;
ка воздуха 1,05). Результаты выполненных расче;
тов представлены на рис. 9 и 10.
Анализ этих результатов показывает, что факел
уже не является дальнобойным, а вблизи задней
стенки его скорость близка к нулевому значе;
нию. Длина факела составляет только 0,9 м , а об;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 5 87
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
Рис. 6. Распределение скорости продуктов сгорания вдоль оси горелки в вертикальной плоскости (50%).
Рис. 7. Распределение температуры продуктов сгорания вдоль оси горелки в вертикальной плоскости (50%).
ласть высоких температур локализуется в узкой
области длиной 1,9 м. Факел под действием гра;
витационных сил “всплывает” к верхней стенке
котла, в этой же области происходит полное вы;
горание топлива. Хотя в этом случае поверхности
нагрева работают в термически приемлемых усло;
виях, мощность котла будет явно недостаточной.
Приведенный выше анализ работы горелки
ГБГМ–0,85НД, интегрированной в котел НИ;
ИСТУ;5, позволяет сделать следующие основ;
ные выводы:
Удовлетворительная работа горелки в кот;
ле без проведения дополнительных мероприятий
по защите заднего экрана котла возможна только
для случая работы горелки на нагрузке не более
20 % от номинальной мощности.
Для работы горелки на максимальной на;
грузке (100%) необходимо защитить задний эк;
ран котла примерно на высоту 1,0 м от пода или
снабдить горелку закручивающим устройством,
что позволит уменьшить длину факела и предот;
вратить удар горячих газов о задний экран котла.
Однако последнее мероприятие требует серьез;
ных изменений в конструкции горелки и ее ис;
пытаний.
Предложения по защите заднего экрана котла.
Для эксплуатации котла НИИСТУ;5 при номи;
нальной мощности горелки ГБГМ–0,85НД наи;
более предпочительным мероприятием является
термическая защита заднего экрана кирпичной
кладкой на высоте до 1,0 м от пода топки. Для за;
щиты боковых экранов целесообразно выпол;
нить продолжение кладки вдоль боковых экра;
нов, начиная с высоты 1,0 м около заднего
экрана с постепенным уменьшением ее высоты
до нулевого значения по мере приближения к пе;
реднему экрану. Зазор между кладкой и экранами
должен составлять не менее 50 мм.
Это предложение было проанализировано на
компьютерной модели котла с кирпичной клад;
кой, которая показана на рис. 11. Мощность го;
релки составляла 719 кВт, что при 90% КПД кот;
ла соответствует его номинальной мощности.
Результаты расчета показали, что предложенное
мероприятие по защите заднего экрана обеспе;
чивает надежные эксплуатационные результаты.
Кирпичная кладка улучшает ситуацию в огневом
пространстве, хорошо защищает задний экран от
теплового удара и предохраняет его от возможно;
го разрушения. По мере прогрева кирпичная
кладка будет работать как переизлучатель и на;
гревать задний экран за счет радиационного теп;
лообмена между задней стенкой и поверхностью
экранов.
88 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 5
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
Рис. 8. Концентрация топлива в вертикальной плоскости (50%), длина факела – 1,0 м.
Модернизация котла НИИСТУ&5
Подготовительные мероприятия. Предложен;
ные мероприятия по защите задних экранов бы;
ли реализованы на одном из котлов НИИСТУ;5
в отопительной котельной № 5 с. Тарасовка Кие;
во;Святошинского района Киевской области.
В феврале 2007 г. были выполнены проектные
и монтажные работы по реконструкции первого
котла НИИСТУ;5. В соответствии с результата;
ми компьютерного моделирования при реконст;
рукции топочного пространства котла его ниж;
няя часть (под) была заложена огнеупорным
кирпичом. На передней стенке котла была пере;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 5 89
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
Рис. 9. Распределение скорости продуктов сгорания вдоль оси горелки в вертикальной плоскости (20%).
Рис. 10. Распределение температуры продуктов сгорания вдоль оси горелки в вертикальной плоскости (20%).
делана плита для крепления газовой горелки
ГБГМ–0,85НД с установкой дополнительной
теплоизоляции. Внутри топки задний топочный
экран на половину его высоты был футерован ог;
неупорным кирпичом. Также частично (по нис;
падающей кривой по направлению к переднему
топочному экрану) были футерованы огнеупор;
ным кирпичом боковые экраны котла.
Был проведен технический осмотр контроль;
но–измерительных приборов установленных на
котле, при этом неисправные контрольно–изме;
рительные приборы были заменены. Для прове;
дения сравнительных характеристик работы кот;
ла до и после модернизации была произведена
установка микропроцессорного корректора для
счетчика расхода газа и счетчика теплоты
Multical UF Dy 150.
Результаты испытаний
В марте 2007 г. были проведены режимно;на;
ладочные испытания модернизированного котла
НИИСТУ;5 с участием специалистов Института
технической теплофизики НАН Украины, КМП
“Промел” (г. Киев) и Государственного Центра
по испытанию и внедрению топливоиспользую;
щего оборудования (г. Киев).
Результаты последующих испытаний показа;
ли, что применение горелки ГБГМ;0,85НД при
100% нагрузке в совокупности с предложенными
мероприятиями по теплоизоляции задней стенки
котла кирпичной кладкой позволили не только
получить приемлемые результаты по тепловому
состоянию задних экранов, но и увеличить КПД
котла с 65 до 90%. При этом по данным испыта;
ний и выполненным расчетам экономия природ;
ного газа за счет повышения КПД котла составила
27,7 м3/час на одну гигакалорию произведенной
теплоты. Экономия электрической энергии со;
ставила 9,5 кВт/ч за счет отключения дымососа и
меньшего потребления электроэнергии горел;
кой. Последующее оснащение всех котлов ко;
тельной № 5 горелками данного типа и доработ;
ка общего дымохода позволит отказаться от
применения дымососа, что дополнительно сни;
зит потребление электроэнергии. Общая эконо;
мия при производстве 1 Гкал теплоты по резуль;
татам испытаний составила :
по газу при стоимости 686 грн за 1000 м3 –
30,3 грн;
по электроэнергии при стоимости 0,39 грн
за 1 квт·ч – 6,06 грн.
90 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 5
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
Рис. 11. Компьютерная модель котла НИИСТУ#5 с защитой заднего экрана кирпичной кладкой.
Таким образом, общая стоимость 1 Гкал про;
изведенной теплоты уменьшилась на 36,36 грн,
общая экономия за одни сутки эксплуатации
котла НИИСТУ;5 составила 540 грн, а за весь
отопительный сезон – 97200 грн.
Покольку стоимость оборудования для модер;
низации одного отопительного котла НИИСТУ;5
с учетом монтажа и пуско;наладочных работ со;
ставила 49000 грн, то срок окупаемости предло;
женных мероприятий по модернизации котла со;
ставляет менее одного отопительного сезона.
Выводы
1. Компьютерное моделирование термогазо;
динамики внутрикотлового пространства обла;
дает высокой точностью, надежностью и инфор;
мативностью. Оно позволяет достаточно быстро
разработать надежные инженерные мероприятия
по интеграции конкретной горелки в объем кот;
ла и обосновать режимы ее эксплуатации.
2. По данным выполненного компьютерного
анализа разработаны рекомендации по интегра;
ции горелки ГБГМ;0,85НД в объем котла НИ;
ИСТУ;5, расположенного в котельной № 5 с. Та;
расовка Киево;Святошинского района Киевской
области.
3. Выполненные экспериментальные изме;
рения подтвердили надежность предложенных
рекомендаций. Установка кирпичной кладки
около задних экранов котла позволила эксплуа;
тировать горелку ГБГМ–0,85НД при 100% мощ;
ности, при этом коэффициент полезного дейст;
вия котла увеличился с 65% до 90%.
4. При производстве 1 Гкал теплоты суммар;
ная экономия по газу и электроэнергии состави;
ла 36,36 грн, а суточная экономия – 540 грн.
Срок окупаемости предложенных мероприятий
по модернизации котла НИИСТУ;5 составляет
менее одного отопительного сезона. При стои;
мости оборудования для модернизации котла
около 49000 грн расчетная экономия за отопи;
тельный сезон составляет 97200 грн.
5. По результатам выполненной работы
предполагается создание стандартного проекта
малозатратной модернизации котла НИИСТУ;5
с использованием горелки ГБГМ –0,85НД. В
дальнейшем полученный опыт может быть рас;
пространен и на другие коммунальные предпри;
ятия Украины.
ЛИТЕРАТУРА
1. Новые решения. Модернизация водотруб;
ных котлов htpp://www.weishaupt.kiev.ua
2. Халатов А.А., Кобзарь С.Г. // Компьютер;
ные технологии в модернизации котлов и камер
сгорания. – Аква;Терм. – 2007. – №1. – С.12;15.
3. PHOENICS Reference Guide Version 3.6.
CHAM, London. – 2004.
4. Spalding D.B. Mixing and chemical reaction
in study of confined turbulent flames. In 13th
Symp. (Int.) on Combustion. Pittsburgh. – 1971.
The Combustion Institute, Pittsburgh, USA. –
P. 649–657.
5. Кобзарь С.Г., Халатов А.А. Апробация уп;
рощенной модели расчета горения и формирова;
ния оксидов азота при сжигании жидкого топли;
ва // Промышленная теплотехника. – 2006. –
Т.25, №4. – С. 391;392.
Получено 03.08.2007 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 5 91
КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
|