CFD-моделювання процесів теплообміну в паливні котла ГМ-50

Abstract

Робота присвячена аналізу доцільності заміни штатних пальників котла ГМ-50 (Е-50-3,9-440ГМ) на пальники, що працюють за струменево-нішевою технологією (СНТ). Дослідження проводилось із використанням програмного комплексу ANSYS Student. Чисельне моделювання дало змогу детально проаналізувати процес спалювання палива в паровому котлі, оцінити його ефективність та вивчити вплив на екологічні показники. Об’єктом дослідження є процеси, які відбуваються при спалюванні газоподібного палива, та їхній вплив на показники роботи енергетичного котла ГМ-50. Предметом дослідження є CFD-модель паливного котла ГМ-50, штатні пальники якого здатні працювати як на рідкому, так і на газоподібному паливі. У моделі використано метан як паливо, а також порівнювались штатні осьові пальники із сучасними струменево-нішевими пальниками, які є більш екологічними. Верифікація CFD-моделі, яка проводилась з використанням результатів експериментального дослідження, отриманими службою енергоресурсів ПАТ «Київенерго», Україна [9] і розрахунків моделі не перевищує 10 %. Параметрами, по яким проводилось порівняння вибрані температура по центру паливні і осереднене по площі перерізу паливні перед фестоном значення NOx. Також виконано визначення середньої температури димових газів в «вікні фестона» за Нормативним методом, у цьому випадку похибка між розрахунками не перевищує 6,7 %. Встановлено, що штатні пальники котла ГМ-50 признано такими, що не відповідають нормам щодо викидів оксидів азоту та пропонуються їх заміна на струменево-нішеві. Розроблена CFD-модель свідчить про зниження на 20% середнього значення NOx на виході з паливні при заміні штатних пальників пальниками компанії СНТ. Отриманий результат можна пояснити тим, що для паливні котла, який оснащений пальниками компанії СНТ температура в області активного горіння досягає 1400 °С, а не до 1800 °С як у випадку використання стандартного пальника. This scientific paper delves into the analysis of the feasibility of replacing the standard burners of the GM-50 boiler (E-50-3.9-440GM) with jet-niche technology-based burners (JNT). The study was conducted using the ANSYS Student software package. Numerical modeling al-lowed us to analyze in detail the process of fuel combustion in a steam boiler, assess its efficiency and determine the impact on environmen-tal factors. The object of the study is the processes that occur during the combustion of gaseous fuel and their impact on the performance of the GM-50 power boiler. The subject of the study is the CFD-model of the GM-50 fuel boiler, the standard burners of which are capable of operating on both liquid and gaseous fuel. Methane was used as fuel for the given model, and standard axial burners were also compared with modern jet-niche burners that are more environmentally friendly. The verification of the CFD-model that was carried out using the data obtained by the Energy Resources Service of PJSC “Kyivenergo”, Ukraine [9] during their experimental studies and the model calculations showed that the discrepancy does not exceed 10 %. The parameters used for comparison were the temperature at the center of the fuel and the average NOx value over the cross-sectional area of the fuel in front of the festoon. The average temperature of flue gases in the “festoon window” was also determined using the Normative method, and in this case the discrepancy between the calculation data does not exceed 6.7 %. It was established that the standard burners of the GM-50 boiler fail to meet the standards for nitrogen oxide emissions and it was recom-mended to replace them with the burners of a jet-niche type. The developed CFD-model shows a 20% reduction in the average NOx value at the fuel outlet when replacing standard burners with JNT burners. The obtained result can be explained by the fact that the temperature in the active combustion area of a fuel boiler equipped with JNT burners reaches 1400 °C, and not up to 1800 °C as in the case of using standard burners.