В статье рассмотрено как при помощи симулятора химических процессов DWSIM создать модель водогрейного котла. В модели учтены процессы горения топлива, уравнения материального и теплового баланса.
Цель работы: Разработать компьютерную модель водогрейного котла GEOTHERM WGB (P) 15 в симуляторе DWSIM, рассчитать КПД и параметры работы.
Описание водогрейного котла
Котел имеет две поверхности нагрева:
- экранные трубы в топке – теплообмен осуществляется преимущественно за счет излучения
- конвективная часть – теплообмен осуществляется за счет конвекции
Вода на входе в котёл подается сначала через первую половину труб конвективной части. Затем подогретая вода проходит через экраны топки и перед подачей потребителю подогревается во второй половине конвективной части. Это обеспечивает быстрый выход на заданный режим работы и низкое гидравлическое сопротивление, что ведёт к уменьшению потребной мощности циркуляционных насосов.
Характеристики водогрейного котла GEOTHERM WGB (P) 15
Характеристики водогрейного котла GEOTHERM WGB (P) 15 представлены в таблице ниже
| Характеристики | Ед.изм. | Значение |
| Тип котла | 15 | |
| Теплопроизводительность | кВт | 15000 |
| Температура воды на выходе из котла | ◦С | 110 |
| Температура воды на входе в котел | ◦С | 70 |
| КПД котла | % | 94,3 |
| Расход топлива | Н·м³/ч | 1590,6 |
| Температура уходящих газов | ◦С | 145 |
| Аэродинамическое сопротивление котла (без горелки) | Па | 410 |
| Гидравлическое сопротивление | МПа | 0,06 |
| Расчетное давление воды на входе | МПа | 0,9 |
| Расход воды через котел | т/ч | 322,5 |
| Удельный выброс оксидов азота | г/м³ | 0,08 |
| Диапазон регулирования | % | 30-100 |
| Масса котла (без горелки, без воды) | кг | 18640 |
| Водяной объем котла | м³ | 4 |
| Площадь поверхности нагрева | м² | 560 |
Порядок моделирования
- Запустите DWSIM, выберите File->New Chemical Process Model;
- В окне конфигурации выберите компонент Water;
- Добавьте пакет расчета свойств веществ Steam Tables (IAPWS-IF97);
- Настройте систему измерений.
Как это сделать читайте в статье.
Моделирование водогрейного котла
Схематически водогрейный котел можно изобразить как горелку, теплообменник и циркуляционный насос.
Теплообменник и циркуляционный насос можно сразу добавить в рабочее пространство симулятора
Горелка моделируется компонентами «смеситель» и «реактор»
Компонуется схема котла и вводятся названия компонентов
Моделирование процесса горения
В качестве топлива в симуляции используется чистый метан CH4. Горение метана осуществляется в воздухе с содержанием кислорода O2 21% и азота N2 79%. Содержанием остальных компонентов в воздухе пренебречь.
Горение метана описывается химической формулой:
В настройках добавить следующие вещества: CH4, O2, CO2, N
Внести модель реакцию горения метана CH4
Добавить в решатель уравнение состояния Пенга-Робинсона
Это уравнение в дальнейшем нужно указывать в настройках моделирования по газовоздушному тракту котла.
Моделирование поверхности нагрева котла
Ввести в модель характеристики котла
Моделирование потоков воды, топлива, воздуха
Ввести исходные данные по потокам воды, топлива, воздуха. Задаются расход и параметры воды.
Задаются расход и параметры топлива. Нормальные условия:
- Температура 0°С
- Давление 101325 Па
Ввести мольную долю каждого компонента в соответствующие потоки
Расход воздуха в первом приближении задается ориентировочно.
Состав воздуха 21% О2 и 79% N2.
Расчет и анализ результатов
Выполнить пробный расчет схемы, проанализировать мощность горелки, теплопроизводительность котла, состав и температуру уходящих дымовых газов.
Как видно, содержание кислорода в уходящих дымовых газах составило 1,52%, что немного ниже оптимального значения 3%
Оптимальное значение концентрации кислорода О2 в уходящих дымовых газах 3% является ориентировочным и определяется индивидуально в результате режимно-наладочных испытаний
Коррекция доли кислорода в уходящих дымовых газах определяется расходом воздуха, поступающего на горение.
Добавить в схему блок-контроллер. Настроить согласно рисунку ниже и нажать кнопку Start.
На 7 итерации контролируемое значение кислорода в уходящих дымовых газах достигает заданного значения 3%.
Расчёт КПД котла
КПД водогрейного котла в DWSIM можно определить по прямому балансу теплоты – отношение количества теплоты, полученного водой, к теплоте сожженного топлива.
Количество теплоты, воспринятое водой, составило Q1 = 15059,3 КВт
Количество теплоты, полученное при сожжении топлива можно определить по уравнению:
Где Gгор – массовый расход горючей смести поступающей на горение, кг/с
h1 – удельная энтальпия смеси поступающей на горение, кДж/кг
h2 – удельная энтальпия продуктов сгорания после компонента «Горелка», кДж/кг.
КПД определяется по формуле
Заключение
Полученное значение КПД незначительно отличается от заявленного значения производителем 94,3%. Фактически значение КПД водогрейного будет зависеть от множества факторов:
- нагрузка,
- работа автоматики по поддержанию соотношения топливо-воздух,
- состояние поверхностей нагрева и т.д.
Указанные факторы практически невозможно спрогнозировать и учесть при моделировании.
