OptSim

Моделирование и оптимизация теплоэнергетических объектов

Boiler Designer

Gidra

Teplo Gid

Пользователи

Документация

Контакты

Boiler Designer

Программа Boiler Designer предназначена для конструирования и последующего статического и динамического расчетов теплоэнергетических объектов (котлов, энергоблоков и пр.). Это эффективная программа для инженеров-теплотехников, разрабатывающих и эксплуатирующих теплоэнергетическое оборудование.

Созданные с ее помощью математические модели позволяют проанализировать не только статические, но и динамические характеристики при любом сочетании возмущающих воздействий, включая пуски котла из различных тепловых состояний, изменения нагрузки в широком диапазоне с различной скоростью и т.п., т.е. создавать всережимные математические модели.

Удобный интерфейс дает возможность пользователю вносить изменения в математическую модель и тем самым в кратчайшие сроки рассмотреть широкий спектр возможных конструкций ТЭС с учетом переменных условий ее эксплуатации и выбрать оптимальный вариант.

В постановке технического задания на разработку программы и ее тестирования принимали участие ведущие сотрудники головных организаций, занимающихся расчетами котлов и энергоблоков: института “Теплоэлектропроект”, ЗиО, ТКЗ, ВТИ и др. Особо следует отметить большой вклад кафедры парогенераторостроения МЭИ, с которой в 2014 году был заключен договор о сотрудничестве.

Типы расчетов

Программа позволяет выполнить следующие расчеты, необходимые при проектировании, наладке и последующей эксплуатации:

Элементы

В программе предусмотрены средства, позволяющие пользователю с минимальными трудозатратами создавать математические модели энергетическх объектов. В модели можно вносить корректировки, связанные с изменениями условий эксплуатации и конструктивными усовершенствованиями, не обладая какими-либо навыками программирования. Для этого были разработаны более 100 унифицированных элементов:

С помощью этих элементов может быть собрана любая схема, для чего в удобном графическом режиме можно выбирать из заданного набора пиктограммы элементов, перемещать их по экрану, объединять соответствующими связями в схемы пароводяного и газовоздушного трактов, при необходимости удалять и т.д.

Иерархические группы

Некоторые из элементов являются иерархическими, т.е. содержат группы, в которые помещаются другие элементы. Такая иерархическая структура позволяет собирать схемы самых сложных объектов без ограничения количества элементов.

Фрагменты

Предусмотрена также возможность создания схем не только из отдельных элементов, но и из крупных фрагментов ранее созданных структур. Если элемент является иерархическим, то сохраняются элементы в его дочерних группах. В сохраненном фрагменте может быть как одна, так и несколько схем.

Регуляторы

Предусмотрена возможность изменения непосредственно в ходе расчетов степени открытия регулирующих клапанов с целью поддержания заданных параметров на требуемом уровне вручную или с помощью соответствующих автоматических регуляторов. Всего разработано 9 моделей таких регуляторов.

Эта возможность была разработана применительно к динамическим расчетам, однако оказалась чрезвычайно полезной также и при проведении статических расчетов. При этом автоматические регуляторы спроектированы таким образом, что пользователь освобождается от трудоемкой задачи выбора параметров их настроек. Все регуляторы устойчиво работают как в статических, так и в динамических режимах.

Применяемые методики расчета

Соответствие математической модели реальным процессам в энергетическом объекте обеспечивается путем применения:

Позонный расчет

Для повышения точности расчетов все обогреваемые и необогреваемые элементы разделяются на ряд последовательно включенных малых участков (зон).

В пределах каждой зоны значения удельных теплоемкостей и коэффициентов теплопередачи можно рассматривать в качестве постоянных величин, что сводит к минимуму погрешности расчета, связанные с тепловой мощностью теплообменника и температурным напором в нем.

На основании подробного сравнительного анализа выбрана формула для расчета теплообмена в каждой зоне при перекрестном токе. Разделение на зоны повышает также точность расчета гидравлического сопротивления поверхностей нагрева и трубопроводов.

Расчет радиационных камер

Для расчета радиационных камер (поворотных газоходов и т.п.) используется уточненная система зависимостей, полученных путем интегрирования дифференциального уравнения теплообмена, сформулированного в соответствии с физическими особенностями процесса.

Учитывается не только изменение температуры газов по длине радиационной камеры, но и конвективный теплообмен, пренебрежение которым, как показывают экспериментальные данные, может привести к погрешности 5-10%.

Расчет естественной циркуляции

Программа позволяет рассчитать естественную циркуляцию в барабанных котлах применительно к конкретным режимам его эксплуатации и определить минимально допустимую нагрузку по условиям надежности циркуляции.

Динамический расчет

Опыт проектирования современных, в особенности, мощных котельных агрегатов, показывает необходимость расчета динамических свойств объекта, поскольку они оказывают существенное влияние на многие технические решения. В то же время разработка динамических моделей котлов является чрезвычайно трудоемкой задачей, т.к. современный котельный агрегат включает в себя множество разнородных элементов (топочное устройство, поверхности нагрева различных типов, трубопроводы, барабан, сепаратор и т.п.).

Большинство элементов котла ввиду большой пространственной распределенности описываются дифференциальными уравнениями в частных производных, ряд элементов - трансцендентными уравнениями, наконец, система дополняется замыкающими соотношениями, полученными из эксперимента (теплоотдача, гидравлическое сопротивление и т.д.). Решение такой системы уравнений представляет значительные трудности.

При моделировании особое внимание уделялось статической точности воспроизведения параметров. Она определяется, прежде всего, степенью дискретизации по пространству. Установлено, что наибольшая степень дискретизации требуется при воспроизведении пусковых режимов, когда большинство поверхностей нагрева становятся избыточными, а на начальных этапах пуска пароперегреватели работают, как правило, в обеспаренном режиме.

Как показал опыт расчетов, для адекватного воспроизведения переходных процессов в таких объектах, их необходимо разделить по водопаровому тракту на отдельные зоны. Высокая статическая точность модели обеспечивается также путем использования точных балансовых соотношений, полученных на основании теплового, гидравлического и аэродинамического расчетов оборудования, а также точными зависимостями, описывающими коэффициенты теплопередачи в каждой нагреваемой зоне.

Точность

Современные компьютеры позволяют определить коэффициенты теплопередачи при динамических расчетах на каждом шаге счета 0,1с по тем же подпрограммам, что и при статических расчетах без каких-либо упрощений. Требуемая динамическая точность модели должна быть не хуже разброса экспериментальных кривых разгона при всех основных возмущениях, который обычно для пылеугольных котлов составляет 20-25%, а для газомазутных 10-15%.

Металл труб

Допущение о постоянстве температуры металла труб на шаге счета позволило создать отдельные алгоритмы расчета параметров водопарового и газового трактов. Как показали эксперименты и многочисленные расчеты, это допущение вполне приемлемо, так как постоянные времени металла значительно превышают шаг счета модели (0.1 сек). Следует отметить, что указанное допущение сказывается только на динамической точности модели.

Режимы расчета

Для расчета динамики поверхностей нагрева в программе используются 2 всережимные модели, охватывающие безрасходные режимы как по нагреваемой, так и по греющей среде. Эти модели условно называются Пар и Вода и каждая имеет свои особенности.

Модель Пар

Модель Пар предназначена в основном для расчета перегревательных поверхностей нагрева. При моделировании объект разделяется на ряд элементов. Аккумуляция массы пара в данной модели не считается, так как она учитывается в другой подсистеме (Пароводяной тракт).

Отдельно решаются дифференциальные уравнения, описывающие теплообмен между дымовыми газами и стенкой трубы, а также между стенкой и нагреваемой средой. Температура стенки каждого элемента пересчитывается на каждом шаге с учетом тепла, полученного от газов и тепла, отдаваемого пару. Характер тока (прямоток или противоток) учитывается порядком перебора
элементов по газовой стороне.

Модель Вода

В модели с условным названием Вода использована всережимная модель, охватывающая безрасходные режимы по газам и воде с выходом по нагреваемой среде в пароводяную смесь и, как крайний случай, на перегретый пар. Как и в предыдущем случае, объект разделяется при моделировании на ряд зон.

Метод расчета энтальпии, температуры и расхода среды на выходе из зоны зависит от состояния среды в ней: однофазная или двухфазная. При однофазной среде выходная энтальпия определяется с учетом аккумуляции тепла в металле труб и среде. При этом предполагается, что температуры стенки трубы и среды изменяются синхронно, так как коэффициент теплоотдачи от стенки к среде значительно выше, чем коэффициент теплоотдачи от газов.

Если зона заполнена пароводяной смесью, аккумуляция тепла происходит только при изменении давления, когда меняется температура насыщения, а вследствие этого и температура металла труб. Расход на выходе рассчитывается с учетом изменения массового заполнения зоны . При этом в участках с пароводяной смесью аккумуляция массы и тепла рассчитывается с использованием истинного (напорного) значения паросодержания.

Прогрев паропроводов

Для расчета прогрева толстостенных элементов (паропроводов, барабан и т.п.) в программе используется двумерная модель: каждый элемент делится по длине на зоны и по толщине на слои. При этом рассматривается возможность конденсации пара на холодных стенках трубопровода в начале прогрева.

Всережимная модель

Всережимная динамическая модель котла позволяет рассчитывать переходные процессы при любом сочетании возмущающих воздействий. Это дает возможность проанализировать переходные режимы работы котла (пуски из различных тепловых состояний, изменение нагрузки в широком диапазоне с различной скоростью и др.) с целью корректировки эксплуатационных инструкций, совершенствования конструкции котла и пусковых устройств. Результаты динамических расчетов фиксируются на графиках, создаваемых самим пользователем.

Разверка по газам

В программе предусмотрена возможность учета разверки по температуре и расходу газов по ширине газохода. Для этого разработан соответствующий элемент, который может быть расположен в любой точке газового тракта. Теплофизические свойства дымовых газов рассчитываются по точным формулам, учитывающим теплофизические свойства всех компонентов.

Потокораспределение

При задании соответствующего режима рассчитывается распределение расходов по параллельным ветвям, при котором их гидравлическое сопротивление одинаково. Перепады давления рассчитываются по точным формулам нормативного метода без учета линеаризации и других упрощений. Топология гидравлической сети может быть произвольной.

Альтернативные теплоносители

В качестве нагреваемой среды может применяться не только вода, но и альтернативные теплоносители:

По желанию пользователей список теплоносителей может пополнятся.

Конденсация пара из дымовых газов

В элементах, моделирующих гладкотрубные и оребренные поверхности нагрева, предусмотрена возможность использования теплоты парообразования водяных паров, содержащихся в дымовых газах, удаляемых в атмосферу.

В разработке и экспериментальной проверке методики расчета поверхностей нагрева при влаговыпадении принимала участие кафедра теплообменных аппаратов МЭИ. Применение данного способа экономии энергии позволяет существенно (до 5%) увеличить КПД котла.