Газовый котел принцип работы и описание: Принцип работы газового котла отопления, типы, кпд, устройство, схема

Устройство и принцип работы двухконтурного газового котла

Здесь вы узнаете:

Двухконтурные отопительные котлы получили большое распространение за счет удобства и компактности. Они согревают дома и одновременно служат источниками горячего водоснабжения. То есть, необходимость покупать отдельный водонагреватель и отдельный отопительный прибор полностью отпадает. Каков принцип работы двухконтурного газового котла и из каких частей состоит это устройство? Об этом мы расскажем в нашем обзоре.

Устройство двухконтурного газового котла

Для того чтобы понять принцип работы газового двухконтурного котла, необходимо разобраться в его устройстве. Он состоит из множества отдельных модулей, которые нагревают теплоноситель в отопительном контуре и выполняют переключение на контур ГВС. Слаженная работа всех составляющих позволяет рассчитывать на беспроблемную эксплуатацию оборудования. Зная устройство двухконтурного котла, можно разобраться и в его принципе действия.

Мы не будем рассматривать устройство двухконтурных котлов с точностью до винтика, так как нам достаточно разобраться в назначении основных узлов. Внутри котла мы найдем:

Устройство моделей с двумя контурами: отопительным и контуром ГВС.

• Горелку, располагающуюся в открытой или закрытой камере сгорания – это сердце любого отопительного котла. Она нагревает теплоноситель и генерирует тепло для работы контура ГВС. Для обеспечения точной поддержки заданной температуры она наделяется системой электронной модуляции пламени;
• Камеру сгорания – в ней располагается вышеуказанная горелка. Она может быть открытой или закрытой. В закрытой камере сгорания (а точнее, над ней) мы найдем вентилятор, отвечающей за нагнетание воздуха и за удаление продуктов сгорания. Именно он и является источником тихого шума при включении котла;
• Циркуляционный насос – обеспечивает принудительную циркуляцию теплоносителя по отопительной системе и при работе контура ГВС. В отличие от вентилятора камеры сгорания, насос не является источником шума и работает максимально бесшумно;
• Трехходовой клапан – именно эта штука отвечает за переключение системы в режим генерации горячей воды;
• Основной теплообменник – в устройстве двухконтурного настенного газового котла он располагается над горелкой, в камере сгорания. Здесь происходит нагрев теплоносителя, используемого в контуре отопления или в контуре ГВС для нагрева воды;
• Вторичный теплообменник – именно в нем происходит подготовка горячей воды;
• Автоматику – она контролирует параметры работы техники, проверяет температуру теплоносителя и горячей воды, управляет модуляцией, включает и отключает различные узлы, контролирует наличие пламени, фиксирует ошибки и выполняет прочие полезные функции.

В нижней части корпусов располагаются патрубки для подключения отопительной системы, труб с холодной водой, труб с горячей водой и с газом.

Можно заметить, что устройство газовой колонки отличается только отсутствием контура отопления.

Мы выяснили устройство двухконтурного настенного газового котла – оно кажется немного сложным, но если разобраться в назначении тех или иных узлов, то сложности исчезнут. Здесь мы можем отметить схожесть с газовым проточным водонагревателем, от которого здесь осталась горелка с теплообменником. Все остальное взято от настенных одноконтурных котлов. Несомненным плюсом является наличие встроенной обвязки – это расширительный бачок, циркуляционный насос и группа безопасности.

Разбирая принцип работы и устройство газового двухконтурного котла, следует отметить тот факт, что вода из контура ГВС никогда не смешивается с теплоносителем. В отопительную систему теплоноситель заливается через отдельную трубу, подключенную к отоплению. Горячая вода подготавливается за счет части теплоносителя, циркулирующего через вторичный теплообменник. Впрочем, об этом мы расскажем чуточку позже.

Принцип работы двухконтурного газового котла

Теперь мы приступим к разбору принципа работа газового двухконтурного котла. Назначение отдельных узлов и модулей мы выяснили, теперь эти знания помогут нам понять, как работает все это оборудование. Рассматривать принцип работы будем в двух режимах:

• В режиме обогрева;
• В режиме генерации горячей воды.

В режиме обогрева котел обеспечивает ваш дом теплом.

Сразу отметим тот факт, что работа в двух режимах сразу невозможна – для этого в двухконтурных котлах предусмотрен трехходовой клапан, направляющий часть теплоносителя в контур ГВС. Давайте рассмотрим принцип работы при обогреве, а потом узнаем, как работает техника в режиме горячего водоснабжения.

В режиме обогрева двухконтурный котел работает так же, как и самый обычный проточный нагреватель. При первом включении горелка работает довольно долго, поднимая температуру в контуре отопления до заданной отметки. Как только будет достигнут необходимый температурный режим, подача газа отключится. Если в доме установлен датчик температуры воздуха, то автоматика будет учитывать его показания.

На работу газовой горелки в двухконтурных котлах может влиять и погодозависимая автоматика, контролирующая температуру уличного воздуха.

Тепло от работающей горелки нагревает теплоноситель, который гоняется по отопительной системе в принудительном режиме. Трехходовой клапан находится в таком положении, чтобы обеспечить нормальное прохождение воды через основной теплообменник. Продукты сгорания удаляются двумя способами – самостоятельно или с помощью специального вентилятора, располагающегося в верхней части двухконтурного котла. Система ГВС при этом находится в отключенном состоянии.

Работа в режиме подачи горячей воды

Что касается контура горячего водоснабжения, то он запускается в тот момент, когда мы поворачиваем ручку водопроводного крана. Появившийся ток воды приводит к срабатыванию трехходового клапана, который отключает отопительную систему. Одновременно с этим происходит розжиг газовой горелки (если на тот момент она была отключена). Спустя несколько секунд из крана начинает течь горячая вода.

При переходе в режим подачи горячей воды, контур отопления полностью отключается.

Давайте разберем принцип работы контура ГВС. Как мы уже говорили, его включение приводит к отключению работы отопления – здесь может работать только что-то одно, или ГВС или отопительная система. Управляет всем этим трехходовой клапан. Он направляет часть горячего теплоносителя во вторичный теплообменник – обратите внимание, что никакого пламени на вторичке нет. Под действием теплоносителя теплообменник начинает греть протекающую через него воду.

Схема несколько сложноватая, так как здесь задействуется малый круг циркуляции теплоносителя. Подобный принцип работы нельзя назвать самым оптимальным, зато двухконтурные газовые котлы с раздельными теплообменниками могут похвастаться нормальной ремонтопригодностью. Каковы особенности котлов с комбинированными теплообменниками?

• Более простая конструкция;
• Высока вероятность образования накипи;
• Более высокий КПД у ГВС.

Как мы видим, недостатки плотно переплетаются с достоинствами, но раздельные теплообменники ценятся больше. Конструкция несколько усложняется, зато здесь отсутствует накипь. Обратите внимание, что в момент работы ГВС протекание теплоносителя по отопительному контуру останавливается. То есть, его длительная работа способна нарушить тепловой баланс в помещениях.

Как только мы закрываем кран, происходит срабатывание трехходового клапана, и двухконтурный котел переходит в режим ожидания (или сразу же включается подогрев чуть остывшего теплоносителя). В таком режиме оборудование будет находиться до тех пор, пока мы снова не откроем кран. Производительность некоторых моделей достигает до 15-17 л/мин, что зависит от мощности используемых котлов.

Разобравшись с принципом работы газового двухконтурного котла, вы сможете понять назначение отдельных узлов и даже сможете самостоятельно разобраться в вопросах ремонта. На первый взгляд, устройство кажется очень сложным, а плотная внутренняя компоновка вызывает уважение – все-таки разработчикам удалось создать почти идеальное отопительное оборудование. Двухконтурные котлы, таких фирм как Vaillant, активно используются для обогрева зданий различного назначения и для генерации горячей воды, заменяя собой сразу два прибора. А их компактность позволяет сэкономить место и избавиться от необходимости приобретения напольного котла.

Можете ли вы выбросить газовый котел и отапливать дом от земли в саду?

Wonderfuel gas, напевал рекламу British Gas 1980-х. Как меняются времена. По мере приближения к 2020-м годам британские домохозяйства сталкиваются с усилиями правительства переключить их с «чудо-топлива» на что-то более экологичное.

В значительном заявлении в среду канцлер Филип Хаммонд заявил, что хочет прекратить установку газовых котлов для воды и центрального отопления в новых домах с 2025 года, чтобы сократить выбросы парниковых газов и углерода.

Хотя Хаммонд ничего не сказал о существующих домах, он намекнул на другие предложения, которые могут означать начало конца газового центрального отопления.

Зеленые варианты: The Mail on Sunday оценивает альтернативы, которые вы можете обратиться к

Некоторые муниципальные советы, такие как Ислингтон в Лондоне, уже разрабатывают централизованные системы, в которых для многих объектов тепло, а не газ отправляется по трубам с высокой изоляцией.

Но большинству людей придется заменить свой существующий котел на новый «зеленый» дизайн, если они хотят отказаться от газа.

Неясно, могут ли какие-либо альтернативы, такие как тепловые насосы и печи на биомассе, конкурировать с утверждением, сделанным в старой рекламе, о том, что газ продается «по непревзойденной цене».

Хотя многие экологически чистые виды топлива обещают более низкие ежегодные счета за электроэнергию, финансовая экономия может исчезнуть за счет затрат на установку и обслуживание. И хотя есть стимулы в виде субсидий, они, наоборот, сокращаются — точно так же, как правительство хочет, чтобы мы все делали больше для спасения планеты.

The Mail on Sunday оценивает альтернативы, к которым вы можете обратиться:

Вариант 1: ЗАКРЫТЬ ГЛУБОКО ДЛЯ ТЕПЛА

Земля за пределами вашего дома может показаться не теплой, но она может заменить ваш газовый котел в качестве источника энергии для обогрева. твой дом.

Чтобы использовать тепло земли, вам понадобится так называемый земной тепловой насос.

Это означает рытье траншей глубиной 4 фута и укладку труб, содержащих жидкость. Масштаб трубопроводной сети будет зависеть от размера вашего дома и сада.

Жидкость в трубах нагревается за счет подземного грунта, где температура обычно составляет от 6 до 12 градусов по Цельсию в течение всего года, даже когда температура воздуха ниже нуля.

Насосы для здоровья: Масштаб сети трубопроводов будет зависеть от размера вашего дома и сада.

Эта жидкость поступает в тепловой насос, который использует умную технологию для нагрева воды для дома. Что особенно важно, устройство выжимает энергию из очень большого количества прохладной жидкости и использует ее для нагрева гораздо меньшего количества воды.

Это делается с помощью процесса, называемого сжатием. Затем горячая вода подается в бак и вокруг труб и радиаторов дома.

Установка геотермального теплового насоса требует серьезных земляных работ и является дорогостоящим проектом, стоимость которого составляет от 10 000 до 20 000 фунтов стерлингов. Домовладельцы могут сэкономить 300 фунтов стерлингов в год на счетах за отопление.

Существует также субсидия для стимулирования использования возобновляемых источников тепла в размере в среднем 2500 фунтов стерлингов в год в течение первых семи лет. Сумма рассчитывается исходя из того, сколько энергии производится.Нет никаких гарантий, что схема не будет закрыта или сокращена.

Meredith Annex из энергетической исследовательской компании BloombergNEF говорит, что геотермальный тепловой насос эффективен, но большинство домовладельцев не смогут позволить себе установку.

Она добавляет: «Такой насос также требует много места, поэтому он, вероятно, подходит только для людей, живущих в сельской местности.

«Но люди, покупающие новую застройку, могут извлечь выгоду из того, что строитель уже установил ее».

Вариант 2: ВТЯНИЕ НА ВНЕШНЕМ ВОЗДУХЕ

В тепловых насосах с воздушным источником тепло из внешнего воздуха забирается через специальный вентилятор сбоку от дома.Работает как холодильник наоборот. В то время как холодильник рассеивает тепло из системы труб в задней части для охлаждения, тепловой насос с воздушным источником поглощает тепло извне для его обогрева.

Тепловую энергию из воздуха можно получать даже при температурах до минус 15 ° C. Используя те же методы, что и при использовании теплового насоса с грунтовым источником, если можно использовать достаточно этой энергии, его можно использовать для нагрева воды для дома.

Тепло огромного количества воздуха поглощается жидкостью при низкой температуре.Это передается через компрессор, работающий от электричества, и полученное тепло передается в систему горячего водоснабжения в доме.

Вентилятор напоминает кондиционер, и его установка занимает день. Но вам также потребуются специальные радиаторы или трубы подземного отопления, которые могут довести общий счет до 8000 фунтов стерлингов. Лучше всего он работает в хорошо изолированных домах. Домовладельцы должны экономить 200 фунтов стерлингов в год на счетах за отопление.

Вы также можете иметь право на получение субсидии для стимулирования использования возобновляемых источников тепла на сумму около 1200 фунтов стерлингов в год в течение первых семи лет.Опять же, это основано на использовании энергии, и на него не следует полагаться как на безотказный способ вернуть ваши деньги.

Используйте онлайн-калькулятор Министерства бизнеса, энергетики и промышленной стратегии, чтобы рассчитать размер возможного гранта. Перейдите на www.gov.uk/renewable-heat-incentive-calculator.

Вариант 3: ТЕПЛО ИЗ ИСТОЧНИКОВ ВОДЫ

Тепловой насос с водяным источником работает по тому же принципу, что и наземный и воздушный тепловой насос. Он забирает большое количество тепла низкого уровня из любого источника воды рядом с домом и преобразует его в гораздо меньшие количества горячей воды.

С помощью компрессора, работающего от электричества, температура повышается и передается в воду, достаточно горячую для труб вокруг радиаторов, в полы с подогревом и даже иногда в систему горячей воды для кранов.

Тепловые насосы, использующие воду: цена и удобство зависят от того, есть ли у вас поблизости источник воды, например река или озеро.

Цена и удобство зависят от того, есть ли у вас поблизости источник воды, например, река или озеро.Ориентировочная стоимость установки составляет 6000 фунтов стерлингов. Те, у кого есть доступ к близлежащему озеру, обнаружат, что могут сэкономить 500 фунтов стерлингов в год на счетах за отопление.

Хотя это один из самых эффективных тепловых насосов-источников по такой цене, он не подходит для большинства домов из-за нехватки доступной воды.

Как и в случае с другими насосами, домовладельцы могут воспользоваться субсидией для стимулирования использования возобновляемых источников тепла, составляющей в среднем 1000 фунтов стерлингов в год в течение первых семи лет.

Вариант 4: СОЛНЕЧНОЕ Сияние В ЛЮБУЮ ПОГОДУ

На вашей крыше установлены панели, содержащие фотоэлектрические элементы, преобразующие дневной свет в электричество.Солнечные панели не требуют солнечного света для работы и могут работать в пасмурные дни. Чтобы получить значительную экономию, вам может потребоваться 300 квадратных футов пространства для панелей, установленных на крыше. В идеале он должен быть обращен на юг для захвата лучей.

Получить команду инженеров для установки панелей — несложная задача. Но для установки восьми потребуется около 8000 фунтов стерлингов. Преимущество в том, что нет необходимости адаптировать систему отопления вашего дома.

Некогда щедрые субсидии для домов на установку солнечных панелей были прекращены в последние годы — «зеленый тариф» в размере около 300 фунтов стерлингов в год на производство электроэнергии, возвращаемой в Национальную энергосистему, отменяется в конце этот месяц.Тем не менее, даже без гранта комиссии по-прежнему могут сэкономить 400 фунтов стерлингов в год.

Вариант 5: БИОМАССА ПОДДЕРЖИВАЕТ ПОЖАРЫ В ДОМЕ

Биомасса позволяет домовладельцам использовать все виды органических материалов для выработки тепла. Древесину, траву, зерновые культуры или даже навоз можно превратить в гранулы, которые сжигают для создания тепла в доме.

Бытовой котел на пеллетах с автоматическим питанием стоит от 8000 до 15000 фунтов, включая установку, дымоход (или облицовку существующего дымохода), который должен соответствовать строгим нормам, и склад пеллет.Версия журнала, загружаемая вручную, немного дешевле.

Для домов с большим количеством складских помещений можно купить пеллеты оптом по цене около 255 фунтов стерлингов за тонну. Небольшому дому может потребоваться всего три тонны в год. Бревна могут быть дешевле, но крупнее. Потребуется место и в помещении, поскольку котлы на биомассе больше, чем обычные устройства.

Этот комплект имеет право на получение государственных субсидий, если топливо закупается у официального поставщика.

По данным Energy Saving Trust, переход на биомассу от газового котла без конденсации может сэкономить 90 фунтов стерлингов в год на счетах.Дома со старым электрическим отоплением могут сэкономить до 855 фунтов стерлингов в год. Но те, у кого есть современный газовый или масляный котел, вероятно, в конечном итоге заплатят больше.

A Оптимизация процесса сжигания и численный анализ для низкоэмиссионной работы пылеугольного котла

Оптимизация производительности крупномасштабных пылевидных угольных котлов становится все более актуальной в последние годы для коммунальной отрасли. Моделирование CFD широко применялось для получения информации о сложных явлениях в печах с тангенциальным пламенем [21–27] и печах с передним расположением пламени [27–29], включая поток газа и твердого тела, горение и теплопередачу.

В [21] численно исследованы две печи с тангенциальной топкой (ОП-380 и ОП-430) аналогичной конструкции и тепловой мощности. OP-380 был модернизирован путем замены традиционных струйных горелок на вихревые горелки RI – JET2 (Rapid Ignition JET-burner). Сравнение характеристик горения котлов проводилось на основе моделирования CFD. В [22] различные режимы работы пылеугольной печи были исследованы с помощью программы 3-D CFD. Выбранные параметры были сопоставлены с измерениями, показав хорошее соответствие.Аналогичная цель была достигнута в [23]. Кроме того, было проведено исследование по уточнению сетки. Поведение пылевидного угля в котле с тангенциальной топкой мощностью 40 МВт было предсказано в [24]. Изображение зажигания было получено с камеры, устойчивой к высоким температурам, и сопоставлено с результатами моделирования. Правильность общего подхода к моделированию подтверждена имеющимися эксплуатационными и проектными данными. Инь и др. [25] исследовали топку и часть заднего прохода в котле с тангенциальной топкой. Моделирование было подтверждено с использованием общих проектных параметров, включая O ₂ на выходе из печи, теплопередачу в печи и температуру на выходе из печи.Данные о работе участка были использованы для проверки прогнозов NO _x . В [26] подход Эйлера-Лагранжа был включен для исследования числовых характеристик потока в печи с тангенциальной топкой. Было проанализировано отклонение температуры. Пример использования коммерческого кода Fluent для исследования энергетического котла мощностью 500 МВт, работающего на средне летучем угле, был продемонстрирован в [27]. Температурные профили были рассчитаны для различных нагрузок котла. Расчеты сопоставлены с данными измерений.Minghou et al. [28] обращается к CFD-моделированию котла с передним пламенем для различных условий эксплуатации. Модель была подтверждена путем сравнения измеренных значений несгоревшего углерода в летучей золе, NOx и общей теплопередачи к стенам с измеренными значениями. Тепловой поток горения и стенки котла мощностью 100 МВт в условиях горения воздух и кислородное топливо анализировался с помощью компьютерного моделирования в [29]. Никакого подтверждения численного подхода на экспериментальных данных не проводилось.

Для сведения сложной физической проблемы к серии моделей, которые можно решить численно, необходимо сделать ряд допущений.В частности, для инженерных задач необходимо моделировать уравнения переноса импульса и частиц. Моделирование выполняется с использованием кода CFD, который решает усредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса с использованием формулировки конечного объема низкого порядка. В данной работе стационарное решение вычисляется с использованием дискретизации второго порядка для всех уравнений.

В печи происходит моделирование следующих процессов: турбулентный поток, горение угля, газофазное горение, перенос частиц и перенос излучения.Газовая фаза моделируется с использованием эйлерова подхода, а для твердой фазы применяется как лагранжев, так и подход Эйлера-Эйлера.

Реализуемая k — ε модель [34] использовалась в качестве замыкания турбулентных уравнений Рейнольдса. Реализуемая модель k — ε относительно широко используется в инженерных приложениях и обеспечивает лучшую производительность во многих промышленных турбулентных потоках, чем стандартная модель k — ε . На течение у стенки влияет молекулярная вязкость, а не турбулентность.В методе функции стены из [35] используются алгебраические формулировки, чтобы связать величины у стены с величинами, находящимися дальше. Значения и + остались выше 20.

3.1. Удаление летучих веществ из угля

Процесс сжигания пылевидного угля можно разделить на две части: удаление летучих веществ и сжигание полукокса. Наиболее часто используемая традиционная модель удаления летучих веществ основана на единственной кинетической скорости [36], которая предполагает, что скорость удаления летучих веществ зависит от количества летучих, оставшихся в частице в результате реакции первого порядка:

, где k , f _{v , 0} и m _{p , 0} обозначают скорость реакции (по скорости Аррениуса), летучую фракцию и начальную массу частиц.Эти модели могут быть расширены за счет использования в качестве препроцессора моделей обезвреживания сети, таких как FG-DVC и FLASHCHAIN ​​[37, 38]. Ниже показан пример использования модели FG-DVC с предполагаемой скоростью нагрева частиц, равной 10 ⁵ K / с. Он предсказывает скорость производства и выход при высоких температурах для полукокса, гудрона, летучих веществ и состав ключевых видов во время удаления летучих веществ из любого угля. Результаты, а также приблизительный и окончательный анализ использованного угля приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты анализа угля и результаты FG-DVC (* анализы выполнены в соответствии с польскими стандартами N-EN ISO / IEC 17025: 2005).

Рис. 12.

Сравнение скорости удаления летучих веществ и выхода смол (CxHyOz) и легких углеводородов (CmHn).

Во время первичной дегазации летучие вещества выделяются с разной скоростью, а смола подвергается вторичному пиролизу [39]. В CFD-моделировании турбулентного потока при горении предполагалось, что летучие вещества образуются как единое соединение, которое подвергается мгновенной реакции разложения на гудрон, легкие углеводороды, CO, CO ₂ и H ₂ O.FG-DVC рассчитывает степень удаления летучих смол и указанных видов. Наиболее значительное падение массы топливных частиц происходит при выделении смолы, которая образуется в первую очередь (Рисунок 12). По этой причине в модели удаления летучих веществ используется скорость выделения смол.

Зная летучую фракцию сухого беззольного угля ( f _{летучий} ) и предполагая, что остаточный полукокс представляет собой чистый углерод, мы можем рассчитать более низкую теплотворную способность летучих компонентов.

Предполагая, что нижняя теплотворная способность легких углеводородов примерно равна теплотворной способности метана ( LHV _gas = 50 МДж / кг), мы можем легко вычислить более низкую теплотворную способность смол из мгновенного реакция разложения летучих:

, где y _gas , y _tar и y _CO обозначают массовую долю летучих веществ.

Новый подход к моделированию удаления летучих веществ был описан как табличная модель процесса удаления летучих веществ (TDP) [40]. Авторы указали, что в ранее упомянутом подходе к моделированию все параметры удаления летучих веществ, используемые в коде CFD, были рассчитаны с учетом постоянной скорости нагрева для всех частиц (с обычно используемым значением 10 ⁵ К / с). В подходе TDP на основе модели FLASHCHAIN ​​создается справочная таблица скоростей удаления летучих веществ и выходов для набора скоростей нагрева.В ходе моделирования CFD используется определенный набор параметров удаления летучих веществ, основанный на рассчитанной истории нагрева частиц.

В реакционных потоках без предварительного смешивания локальное зависящее от времени перемешивание и химическая реакция компонентов, а также передача тепла от зоны реакции определяют процесс горения. Ключевой проблемой моделирования горения газовой фазы является необходимость расчетов источников в уравнениях переноса химически активных веществ, которые представляют собой средние значения сильно нелинейных скоростей реакций.Ранние модели горения были получены на основе предположения о химическом равновесии. Учет детальной кинетики реакций обычно приводит к гораздо более высоким вычислительным затратам.

3.1.1. Концепция вихревой диссипации (EDC)

Концепция вихревой диссипации [41] использовалась как общая концепция для рассмотрения взаимодействия между турбулентностью и химией в пламени. В этой модели все пространство разделено на мелкие структуры и окружающую жидкость. Предполагается, что все реакции реакционноспособных компонентов протекают только в этих пространствах, которые локально рассматриваются как реакторы с идеальным перемешиванием (PSR) со временем пребывания:

, где ν — кинематическая вязкость, а ε — скорость диссипации турбулентной кинетической энергии. ,Эти параметры рассчитываются по модели турбулентности ( k — ε ). Массовая доля, занимаемая тонкими структурами, моделируется следующим образом:

Скорости реакции всех частиц рассчитываются на основе баланса масс для реактора тонкой структуры. Обозначая величины звездочкой, можно определить уравнение сохранения видов и :

, где mi¯ — средняя массовая доля вида . i , M _i — молекулярная масса компонентов i , а ω _i * обозначает скорость химической реакции, рассчитанную по уравнению Аррениуса.

Средняя чистая скорость массопереноса и между тонкими структурами и окружающей жидкостью может быть выражена как:

Реализация Модель EDC в код CFD реализуется путем решения нелинейной системы уравнений для реактора с тонкой структурой в каждом контрольном объеме и нахождения R _i , который является исходным членом в уравнении переноса частиц и .

В большинстве инженерных случаев реализация детального механизма реакции в 3D-кодах невозможна из-за больших вычислительных затрат.Для многих целей требуемую информацию часто можно получить с менее полным описанием химии. При моделировании CFD чаще всего используется упрощенный механизм глобальной реакции. Использовался четырехступенчатый глобальный механизм, в основном основанный на продемонстрированном в [42]. Он содержит четыре глобальные реакции: реакции разложения углеводородов и смол, окисление монооксида углерода и водорода:

Следуя описанному выше механизму с известной теплотой реакций, мы можем продолжить рассчитать энтальпии образования летучих, легких углеводородов и смол.Энтальпию образования смол рассчитывали, принимая нулевую теплоту мгновенной реакции разложения летучих веществ. Теплота пиролиза в анализ не включалась.

3.1.2. Метод фракции смеси / функции плотности вероятности (PDF)

Процесс сжигания пылевидного угля является одним из примеров турбулентных систем сгорания без предварительной смеси и может быть смоделирован с использованием модели фракции смеси / PDF. Доля смеси f может быть выражена как местная массовая доля топлива [43], где Y _F и Y _P — массовая доля топлива и продуктов соответственно:

Рисунок 13 ,

Массовая доля Y топлива, окислителя и продуктов в зависимости от доли смеси f.

Основной подход диффузионных моделей заключается в том, что горение ограничивается только смешиванием топлива и окислителя. Выделение продуктов реакции происходит при локальном смешивании топлива и окислителя и не зависит от скорости реакции. В модели фракции смеси / PDF уравнения переноса для отдельных частиц не решаются. Массовая доля окислителя, топлива и продуктов рассчитывается исходя из значения доли смеси f .На рисунке 13 представлена ​​графическая интерпретация подхода фракции смеси.

Если 0 ≤ f ≤ f _S топливо недостаточно, и смесь называется обедненной. Массовая доля окислителя и продуктов представлена ​​в следующем виде:

С другой стороны, если f _S < f ≤ 1, смесь называется богатой топливом, и можно использовать следующее уравнение для расчета массовой доли продуктов и топлива:

, где f — доля смеси, f _S — стехиометрическая доля смеси, Y _S — массовая доля продуктов стехиометрической реакции при f = f _S , Y _i — линейные функции массовой доли ( Y _O , Y _F , Y _P ), Y _O — местная массовая доля окислителя, Y _F — местная массовая доля топлива, Y _P — местная массовая доля продуктов, Y _Ox — массовая доля окислителя при f = 0 и Y _Fuel — массовая доля топлива при f = 1.

Реакция завершается, если вся масса топлива и окислителя исчезает ( Y _F = 0, Y _Ox = 0) и это состояние описывается величиной стехиометрической доли смеси f _S . Подход фракции смеси позволяет рассчитывать массовые доли в каждом контрольном объеме на основе одного значения, а моделирование процесса горения упрощается до задачи смешивания. Основное уравнение переноса фракции смеси определяется выражением:

, где D — коэффициент молекулярной диффузии (m ² / с), u _i — скорость в направлении i (м / с), x _i — направление i в декартовой системе координат (м), а ρ — плотность (кг / м ³ ).

Уравнение (14) может применяться с учетом предположения об одинаковой диффузионной способности топлива, окислителя и продуктов. В турбулентных потоках преобладает турбулентная конвекция по сравнению с молекулярной диффузией и допустимо предположение о равенстве коэффициентов молекулярной диффузии.

Когда местное значение доли смеси известно, становится возможным вычислить локальную энтальпию ч продуктов сгорания. Энтальпия сгоревшей смеси является кусочно-линейной функцией f и представлена ​​на рисунке 14.Таким образом, становится возможным расчет температуры газа и количества выделяемого тепла (тепловых потерь) в процессе сгорания.

Рис. 14.

Энтальпия h свежей и сгоревшей смеси как функция доли смеси f.

Для обедненной топливной смеси и 0 ≤ f ≤ f _S :

и для богатой топливом смеси и f _S < f ≤ 1:

где h _L — энтальпия на обедненной стороне f _S (кДж / кг), h _R — энтальпия на богатой стороне f _S (кДж / кг), h _Ox — энтальпия окислителя при f = 0 (кДж / кг), ч _{Топливо} — энтальпия топлива при f = 1 (кДж / кг), ч _S — энтальпия продуктов при стехиометрической доле смеси f _S ( кДж / кг).

Для определения термодинамических свойств в турбулентном потоке необходима функция плотности вероятности доли смеси. Среднюю энтальпию можно вычислить из следующего уравнения:

Уравнение сохранения для средней доли смеси f̃ и ее дисперсии f′′2̃ (без исходного члена) необходимо решить, чтобы подогнать параметры функции PDF с уже предполагаемой формой. Самая популярная функция PDF β [43–45], используемая при моделировании сжигания угля, имеет предполагаемую форму и зависит только от средней доли смеси и ее дисперсии.:

, где коэффициент нормализации B ( a , b ) и определяется как:

и параметры PDF a и b могут быть определены с помощью и:

Функции β также имеют ограничения и не могут описывать распределения, соединяющиеся с экстремальным пиком ( f = 0 или f = 1) с максимальным промежуточным пиком в диапазоне 0 < f <1.Можно предложить разные подходы в виде пика Дирака на границе, чтобы устранить это неудобство.

Несмотря на упрощения, метод фракции смеси / PDF позволяет определять основные параметры процесса горения, в том числе и при сжигании угля. Подход фракции смеси / PDF обычно используется в вычислительной гидродинамике и, в частности, при моделировании турбулентных реактивных потоков, которые являются наиболее популярными случаями, встречающимися в промышленной практике.

3.3. Лучистая теплопередача

В случае горения в печи проблема излучения является не только доминирующим механизмом переноса энергии, но и одной из самых сложных проблем. Уравнение переноса излучения (УПИ) [48] регулирует перенос тепла излучением в участвующих средах. Он описывает изменение интенсивности излучения ( I ) по мере его прохождения по определенному пути ( s, ) в среде в направлении ( s, ω ). Рассматривая поглощение, излучение и рассеяние отдельно и в направлении s , УПИ можно описать следующим образом:

, где k и σ, обозначают коэффициенты поглощения и рассеяния, Φ — фазовая функция.Пространственное интегрирование УПИ проводилось методом дискретных ординат (ДО) [49]. Количество RTE зависит от общего количества серых газов и учитывает рассеяние частиц. Метод DO решает RTE для набора направлений на основе концепции схемы угловой дискретизации. Каждый октант углового пространства 4π дискретизируется на полярный и азимутальный телесный угол. Непрерывный интеграл по телесному углу аппроксимируется числовой квадратурной схемой, в которой уравнения решаются для ряда направлений.

В типичной камере сгорания H ₂ O и CO ₂ являются основными газовыми поглотителями и излучателями лучистой энергии. Полная излучательная способность газа рассчитывается по ряду серых газов с использованием полиномиальных корреляций для весовых коэффициентов и коэффициента поглощения в соответствии с методом взвешенной суммы серых газов (WSGGM) [50]. В этой работе использовались широко используемые коэффициенты излучательной способности [51], полученные из эталонной экспоненциальной широкополосной модели. WSGGM представляет собой весь спектр с тремя серыми газами, имеющими одинаковые коэффициенты поглощения.Общий коэффициент поглощения газовой фазы рассчитывается из полной излучательной способности со средней длиной пробега, рассчитанной из характерного размера ячейки.

Коэффициент поглощения газовой фазы был скорректирован в соответствии с моделью Тейлора-Фостера [52], предполагая равномерную и постоянную концентрацию сажи (10 ^-3 кг / м ³ ) в печи. Как отмечено в [46], основным источником переноса излучения в двухфазной смеси является облако частиц. Следовательно, обработка излучательной способности частиц угля ( ε _p ) имеет решающее значение при моделировании горения угля.В этой работе излучательная способность частицы была предположена как функция несгоревшего углерода в частице ( U _c ) в соответствии с соотношением [53]:

Эффекты отражения и рассеяния частиц также включены в расчет тепла. перевод.

Термические граничные условия на стенах выражаются через температуру поверхности и коэффициент излучения. Предполагалось, что температура поверхности испарителя примерно на 60 ° выше температуры насыщения, соответствующей давлению в барабане котла 16 МПа.Расчеты проводились для трех значений коэффициента излучения, равных 0,5, 0,7 и 0,9 при фиксированной температуре стенки. Все представленные цифры соответствуют коэффициенту излучения 0,7, что является типичным значением, встречающимся в литературе [54]. Мы должны подчеркнуть, что во время реальной работы котла температура и коэффициент излучения меняются во времени и в пространстве из-за шлакования водяных стенок и работы сажеобдувок. Это явление может быть включено в моделирование путем реализации модели осаждения с подмоделью тепловых свойств [55].

Обзор электростанции с комбинированным циклом

Газовая турбина с комбинированным циклом

Электростанция комбинированного цикла или газовая турбина комбинированного цикла , газотурбинный генератор вырабатывает электроэнергию, а отходящее тепло используется для производства пара для выработки дополнительной электроэнергии с помощью паровой турбины.

Газовая турбина — одна из самых эффективных для преобразования газового топлива в механическую энергию или электричество.Дистиллятное жидкое топливо, обычно дизельное, также широко распространено в качестве альтернативного топлива.

В последнее время, когда эффективность простого цикла повысилась и цены на природный газ упали, газовые турбины стали более широко использоваться для выработки электроэнергии при базовой нагрузке, особенно в режиме комбинированного цикла, когда отработанное тепло утилизируется в котлах-утилизаторах, а пар используется для производства дополнительной электроэнергии.

Эта система известна как комбинированный цикл . Основной принцип комбинированного цикла прост: сжигание газа в газовой турбине (ГТ) производит не только энергию, которая может быть преобразована в электроэнергию с помощью подключенного генератора, но также и довольно горячие выхлопные газы.

Направляя эти газы через теплообменник с водяным охлаждением, вырабатывается пар, который можно превратить в электроэнергию с помощью соединенных паровой турбины и генератора.

Электростанции этого типа все чаще устанавливаются по всему миру, где есть доступ к значительным объемам природного газа.

Используя электростанцию ​​комбинированного цикла, мы получаем 68% электроэнергии .

Также можно использовать пар из котла для отопления. , поэтому такие электростанции могут работать для выработки электроэнергии отдельно или в режиме комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ).

Механизм

Электростанция с комбинированным циклом, как следует из названия, она объединяет существующие газовые и паровые технологии в один блок, обеспечивая значительное повышение теплового КПД по сравнению с традиционной паровой установкой.На парогазовой установке тепловой КПД увеличивается примерно до 50-60 процентов за счет подачи отработанного газа из газовой турбины в парогенератор-утилизатор.

Однако тепла, рекуперированного в этом процессе, достаточно для приведения в действие паровой турбины с электрической мощностью примерно 50% от мощности газотурбинного генератора.

Газовая турбина и паровая турбина связаны с одним генератором. Для запуска или работы « с открытым циклом » только газовой турбины паровая турбина может быть отключена с помощью гидравлической муфты.С точки зрения общих вложений, одновальная система обычно примерно на 5% ниже по стоимости, а ее простота в эксплуатации обычно приводит к более высокой надежности.

Трехмерное моделирование электростанции комбинированного цикла

Принцип работы ПГУ

Первый этап такой же, как у газотурбинной установки простого цикла. Газовая турбина открытого цикла имеет компрессор, камеру сгорания и турбину. Для этого типа цикла температура на входе в турбину очень высока.Температура дымовых газов на выходе также очень высока.

Таким образом, этого достаточно, чтобы обеспечить тепло для второго цикла, в котором в качестве рабочего тела используется пар, то есть тепловой электростанции.

Воздухозаборник

Этот воздух всасывается через большую секцию впуска воздуха, где он очищается, охлаждается и регулируется. Сверхмощные газовые турбины могут успешно работать в самых разных климатических условиях и средах благодаря системам фильтрации входящего воздуха, специально разработанным с учетом местоположения завода.

В нормальных условиях впускная система способна обрабатывать воздух, удаляя загрязняющие вещества до уровней ниже тех, которые вредны для компрессора и турбины.

Обычно поступающий воздух содержит различные загрязнители. Их:

В газообразном состоянии загрязняющие вещества:

• Аммиак
• Хлор
• Углеводородные газы
• Сера в форме h3S, SO2
• Выпуск из вентиляционных отверстий маслоохладителя

В жидком состоянии загрязняющие вещества:

• Хлоридные соли, растворенные в воде (натрий, калий)
• Нитраты
• Сульфаты
• Углеводороды

В твердом состоянии загрязнители:

• Песок, глинозем и диоксид кремния
• Ржавчина
• Дорожная пыль, глинозем и кремнезем
• Сульфат кальция
• Соединения аммиака от производства удобрений и кормов для животных
• Растительность, переносимые по воздуху семена

Коррозионные агенты:
Хлориды, нитраты и сульфаты могут откладываться на лопатках компрессора и могут вызвать коррозию под напряжением и / или вызвать коррозию.Натрий и калий — это щелочные металлы, которые могут соединяться с серой с образованием высококоррозионного агента, который будет воздействовать на участки пути горячего газа. Загрязнения удаляются путем прохождения через фильтры различных типов, которые присутствуют в пути.

Загрязнения газовой фазы, такие как аммиак или сера, нельзя удалить фильтрацией. Для этого используются специальные методы.

Цикл турбины

Воздух, который очищается, сжимается, смешивается с природным газом и воспламеняется, что приводит к его расширению.Давление, создаваемое расширением, вращает лопатки турбины, прикрепленные к валу и генератору, создавая электричество.

На втором этапе тепло выхлопа газовой турбины используется для выработки пара, пропуская его через парогенератор-утилизатор (HRSG) с температурой свежего пара между 420 и 580 ° C .

Парогенератор с рекуперацией тепла

В парогенераторе с рекуперацией тепла вода высокой степени очистки течет по трубам, а горячие газы проходят вокруг них, образуя пар.Затем пар вращает паровую турбину и связанный с ней генератор для производства электроэнергии. Горячие газы покидают HRSG при температуре около 140 градусов по Цельсию и выбрасываются в атмосферу.

Система конденсации пара и воды такая же, как на паровой электростанции.

Типичный размер и конфигурация ПГУ

Система комбинированного цикла включает одновальных и многовальных конфигураций . Одновальная система состоит из одной газовой турбины, одной паровой турбины, одного генератора и одного парогенератора-утилизатора (HRSG), при этом газовая турбина и паровая турбина соединены с одним генератором на одном валу.

Многовальные системы имеют один или несколько газовых турбин-генераторов и HRSG, которые подают пар через общий коллектор в отдельный одиночный паровой турбогенератор. С точки зрения общих вложений стоимость многовальной системы выше примерно на 5%.

Основной недостаток многоступенчатой ​​электростанции с комбинированным циклом заключается в том, что количество паровых турбин, конденсаторов и конденсатных систем, а также, возможно, градирен и систем циркуляции воды увеличивается, чтобы соответствовать количеству газовых турбин.

КПД ПГУ

Примерно паровой турбинный цикл дает одну треть мощности , а газотурбинный цикл дает две трети выходной мощности ПГУ. Комбинируя газовый и паровой циклы, можно достичь высоких температур на входе и низких температур на выходе. Эффективность циклов увеличивается, поскольку они питаются от одного и того же источника топлива.

Для повышения эффективности энергосистемы необходимо оптимизировать ПГРТ, который служит важным звеном между циклом газовой турбины и циклом паровой турбины с целью увеличения мощности паровой турбины.Производительность HRSG оказывает большое влияние на общую производительность электростанции с комбинированным циклом.

Электрический КПД электростанции с комбинированным циклом может достигать 58 процентов при работе новой и постоянной мощности, что является идеальными условиями. Как и одноцикловые тепловые установки, комбинированные установки могут также поставлять низкотемпературную тепловую энергию для промышленных процессов, централизованного теплоснабжения и других целей. Это называется когенерацией, и такие электростанции часто называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Эффективность CCPT увеличивается за счет дополнительного обжига и охлаждения лезвий. Дожигание осуществляется на ПГРТ и в газовой турбине, часть потока сжатого воздуха обходит и используется для охлаждения лопаток турбины. Необходимо использовать часть энергии выхлопных газов за счет рекуперации газа. Рекуперация может еще больше повысить эффективность установки, особенно когда газовая турбина работает с частичной нагрузкой.

Топливо для установок CCPT

Турбины, используемые в установках комбинированного цикла, обычно работают на природном газе, и он более универсален, чем уголь или нефть, и может использоваться в 90% энергетических приложений.Установки с комбинированным циклом обычно работают на природном газе, хотя можно использовать мазут, синтез-газ или другие виды топлива.

Контроль выбросов

Селективное каталитическое восстановление (SCR):

• Чтобы контролировать выбросы в выхлопных газах, чтобы они оставались в пределах допустимых уровней при попадании в атмосферу, выхлопные газы проходят через два катализатора, расположенные в HRSG.
• Один катализатор контролирует выбросы окиси углерода (CO), а другой катализатор контролирует выбросы оксидов азота (NOx).Водный аммиак — в дополнение к СКВ в систему вводится водный аммиак (смесь 22% аммиака и 78% воды), чтобы еще больше снизить уровни NOx.

Достоинства

Топливная эффективность

На обычных электростанциях турбины имеют коэффициент преобразования топлива 33% , что означает две трети топлива, сжигаемое для выключения турбины. Турбины в электростанции с комбинированным циклом имеют эффективность преобразования топлива 50% или более , что означает, что они сжигают примерно половину количества топлива, как обычная установка, для выработки того же количества электроэнергии.

Низкие капитальные затраты

Капитальные затраты на строительство блока комбинированного цикла составляют две трети капитальных затрат сопоставимой угольной электростанции.

Коммерческая доступность

можно приобрести у поставщиков в любой точке мира. Их легко изготовить, отгрузить и транспортировать.

Обильные источники топлива

Турбины, используемые в установках с комбинированным циклом, работают на природном газе, который более универсален, чем уголь или нефть, и может использоваться в 90% публикаций по энергетике.В настоящее время для удовлетворения спроса на энергию повседневные предприятия используют не только природный газ, но и другие альтернативы, такие как биогаз, полученный из сельского хозяйства.

Пониженные выбросы и расход топлива

Установки с комбинированным циклом потребляют меньше топлива на кВтч и производят меньше выбросов, чем традиционные тепловые электростанции, тем самым снижая экологический ущерб, наносимый производством электроэнергии. По сравнению с угольной электростанцией, сжигание природного газа в ПГУ намного чище.

Возможное применение в развивающихся странах

Потенциал для электростанций с комбинированным циклом есть в отраслях, требующих электричества и тепла или ствола.Например, подача электричества и пара на сахарный завод.

Недостатки

1. В газовой турбине можно использовать только природный газ или высококачественные масла, например, дизельное топливо.
2. Из-за этого комбинированный цикл может работать только в местах, где это топливо доступно и экономически выгодно.

Выводы

Электростанции с комбинированным циклом удовлетворяют растущий спрос на электроэнергию, поэтому особое внимание следует уделять оптимизации всей системы .Разработки для газификации угля и использования в газовых турбинах находятся на завершающей стадии.

Как только это будет доказано, уголь в качестве основного топлива может также удовлетворить растущий спрос на энергию на электростанциях с комбинированным циклом.

Достижения в когенерации — процессе одновременного производства полезного тепла и электроэнергии из одного и того же источника топлива — который увеличивает эффективность сжигания топлива с 30% до 90%, тем самым уменьшая ущерб окружающей среде, одновременно увеличивая экономическую отдачу за счет более эффективного использования Ресурсы.