АНАЛИЗ ПОДХОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ В МОДУЛЬНЫХ КОТЕЛЬНЫХ

ANALYSIS OF MODELING APPROACHES TO THE HOT WATER PRODUCTION PROCESS IN MODULAR BOILER ROOMS

Andryushchenko Aleksey Valerievich

Master`s student, Department of Information Processes and Management, Tambov State University,

Russia, Tambov

Dronov Sergey Vladimirovich

Master`s student, Department of Information Processes and Management, Tambov State University,

Russia, Tambov

АННОТАЦИЯ

В работе показано, что существующие математические модели нагрева воды в котлоагрегатах применимы только для стационарных режимов и непригодны для моделирования переходных процессов при переменной нагрузке.

ABSTRACT

The paper shows that existing mathematical models of water heating in boiler units are applicable only for stationary modes and are unsuitable for modeling transient processes under variable load.

Ключевые слова: математическое моделирование; горячая вода;

Keywords: Mathematical modeling; hot water.

При решении задач моделирования и управления технологическим процессом производства горячей воды важное значение имеют данные о влиянии внешних факторов на динамику нагрева теплоносителя и формирование температурного поля в объеме котлоагрегата, поскольку температура воды на выходе и стабильность ее поддержания являются одними из основных качественных показателей процесса.

Производственный опыт и результаты специальных исследований свидетельствуют о том, что эффективность процесса нагрева горячей воды в котлоагрегатах зависит от множества факторов, большинство из которых влияют на удельный расход топлива и точность поддержания температуры теплоносителя на выходе. В настоящее время создание математической модели процесса производства горячей воды с учетом всех факторов не представляется возможным. В связи с этим в практике исследований сложился путь объединения всех факторов в отдельные группы, характеризующиеся общими признаками, и изучение влияния этих групп на энергоэффективность процесса независимо от других факторов.

Изучение теплообменных процессов в топке котла в зависимости от геометрии поверхности нагрева началось в середине прошлого века в связи с быстрым ростом производства водогрейного оборудования. Как показано в работе [1], расход топлива котлоагрегатом определяется двумя составляющими: переменной частью, прямо пропорциональной производительности, и постоянной, отражающей тепловые потери через обмуровку. Аналогичный подход к построению балансовых уравнений для топочного пространства был развит в статье Варгановой А.В., Храмшина В.Р. и Радионова А.А., посвященной оптимизации режимов работы котельных установок промышленных паровых станций [2].

При сжигании органического топлива в топке котла образуются газообразные продукты сгорания, передающие тепло через радиационные и конвективные поверхности нагрева циркулирующему теплоносителю. Часть тепла неизбежно теряется с уходящими газами, через обмуровку котла и от химической неполноты сгорания топлива. Экспериментальное исследование, выполненное на базе Таллиннского технического университета [3], показало, что при сбросе нагрузки до 50% максимальной мощности средний расход топлива снижается на 10%, а при последующем наборе до 100% возрастает на 14%; суммарное увеличение расхода топлива за полный цикл изменения нагрузки составляет около 4%.

Физико-химические процессы, протекающие во время горения топлива и передачи тепла теплоносителю, являются очень сложными из-за многофазности продуктов сгорания, образования промежуточных соединений и меняющегося состава дымовых газов. Эти процессы до конца не изучены, и в настоящее время модели динамики нагрева воды представлены в основном в виде эмпирических зависимостей или в виде номограмм. Эмпирические формулы, в которых в качестве аргументов входит тепловая мощность горелки и расход воды через котел, применимы для стационарных режимов и абсолютно не пригодны для моделирования переходных процессов при теплоснабжении.

Например, в ряде работ математическая модель нагрева воды в модульных котельных представляется в виде регрессионных уравнений. В этих уравнениях в качестве некоторых входных переменных выступают технологические параметры режима работы горелочного устройства. Так, для базового режима такими параметрами являются: мощность горелки, расход и температура холодной воды на входе, температура уходящих газов. Очевидно, основным недостатком регрессионных уравнений является то, что коэффициенты этих уравнений справедливы только при строго определенных условиях тепловой обработки, конструкции установки, вида используемого топлива.

Другим недостатком перечисленных выше работ является то, что в них не рассматривается вопрос о количестве энергии, израсходованной на нагрев воды при переходных процессах, хотя определение значения этого показателя необходимо при решении задач оптимизации управления процессом.

Из анализа работ по моделированию динамических режимов нагрева горячей воды следует, что отсутствуют математические модели процесса производства горячей воды в модульных котельных, пригодные для решения задач имитационного моделирования и оптимального управления процессом теплоснабжения с учетом резкопеременной нагрузки потребителей.

Список литературы:

1. Теплофизика и основы металлургической теплотехники: учебное пособие. – Нижний Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – С. 146–148.
2. Varganova, A.V. Operating Modes Optimization for the Boiler Units of Industrial Steam Plants / A.V. Varganova, V.R. Khramshin, A.A. Radionov // Energies. – 2023. – Vol. 16, № 6. – P. 2596.
3. Power plant fuel consumption rate during load cycling / Tallinn University of Technology, Department of Energy Technology // Applied Energy. – 2018. – Vol. 224. – P. 124–135.