Динамическая модель твердотопливного отопительного котла

Abstract

Актуальность работы обусловлена тем, что в настоящее время отсутствует достаточно работоспособный с инженерной точки зрения математический аппарат, позволяющий производить динамическое моделирование твердотопливного отопительного котла на временных интервалах большой длительности, например, для определения годовых расходов с учетом метеорологических и технологических особенностей расположения объекта проектирования. Кроме того, динамическая модель твердотопливного отопительного котла необходима для настройки автоматических систем регулирования и выявления опасных отклонений параметров на стадии проектирования. Цель исследования: разработать применимую на практике производительную модель твердотопливного отопительного котла с достаточным уровнем детализации. Методы. Записаны обыкновенные дифференциальные уравнения для динамических характеристик твердотопливного отопительного котла. Решение уравнений производилось методом Эйлера с последующей итерационной обработкой на базе специально разработанного программно-исследовательского комплекса. Результат. Представлена новая одномерная нестационарная физическая модель твердотопливного жаротрубного котла, которая не требует большого вычислительного времени для качественного моделирования его работы. Приведен алгоритм, используя который предложенная модель может быть легко реализована и применена в инженерной практике. Для апробации разработанной модели произведено численное исследование слоевого сжигания в котле КВр-0,8 твердого топлива двух марок: бурый уголь ирша-бородинский 2Б и каменный уголь Кузнецкого бассейна 1СС. По результатам численного эксперимента установлено, что среднеинтегральные значения производительности и КПД-брутто зависят от аэродинамической схемы в котле и времени между загрузками топлива. Размах вариации значений производительности составил 42 кВт для бурого угля и 75 кВт для каменного. Размах вариации КПД-брутто - 1,8 и 2,9 % для бурого и каменного углей соответственно.

The relevance of the research is caused by the fact, that there is no mathematical apparatus for simulating long-timeline dynamics of a solid fuel boiler. Simulation of its long-timeline dynamics is useful for determining annual costs, taking into account meteorological and technological features. In addition, the dynamic model of solid fuel boiler will help set up automatic control systems and detect dangerous deviations of parameters during the project. The main aim of the research is to develop a practically applicable productive model of a solid fuel boiler with sufficient level of detail. The methods. Ordinary differential equations for dynamic characteristics of a solid fuel boiler are formulated. The equations weresolved by the Euler method with subsequent iterative processing on the basis of the developed research software «TPU-Boiler». The results. The paper introduces a new one-dimensional nonstationary mathematical model of the fire-tube boiler. This model requires less computational time for qualitative simulation of boiler operation. The proposed model can be easily implemented and applied to solve engineering problems using the algorithm given. To test the developed model, the authors have simulated the operation of a «KVr-0,8» boiler using Irsha-Borodinsky lignite and Kuznetsk coal as fuel. The results of the numerical experiment show that the average integrated performance and gross efficiency are dependent on aerodynamics in the boiler and the time between fuel loads. The range of variation in the output values was 42 kW for the lignite and 75 kW for the coal. The range of variation in efficiency is 1,8 and 2,9 % for the lignite and the coal, respectively.