CFD-модель теплового і термонапруженого стану барабану котла ДКВР-10-13

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2025.02.036
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 28, № 2, 2025 (червень)
Сторінки 36–43

 

Автори

О. Ю. Черноусенко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» (03056, Україна, м. Київ, пр. Берестейський, 37), e-mail: chernousenko20a@gmail.com, ORCID: 0000-0002-1427-8068

А. Ю. Рачинський, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» (03056, Україна, м. Київ, пр. Берестейський, 37), e-mail: arturrachinskiy@gmail.com, ORCID: 0000-0001-6622-1517

О. В. Баранюк, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» (03056, Україна, м. Київ, пр. Берестейський, 37), Інститут теплоенергетичних технологій НАН України (04070, Україна, м. Київ, вул. Андріївська, 19), e-mail: olexandr.baranyuk@gmail.com, ORCID: 0000-0001-6008-6465

 

Анотація

Актуальність роботи підтверджується наявністю проблем, які виникають при експлуатації барабанів енергетичних котлів. Внаслідок впливу високого тиску, підвищеної температури, циклічних навантажень і корозійно-активного середовища можуть виникати різні дефекти і пошкодження, такі, як тріщини, втомні руйнування, корозія та інші. Це у змозі спричинити аварії та навіть призвести до катастрофічних руйнувань, які загрожують безпеці й ефективності роботи котельних агрегатів. З огляду на це для забезпечення безпеки й надійності роботи обладнання важливо проводити регулярні інспекції, технічне обслуговування й ремонт. Роботи з продовження терміну безпечної експлуатації котла, який відпрацював призначений строк служби, здійснюються відповідно до затверджених в Україні положень СОУ 40.1-21677681-02:2009 які рекомендують проводити розрахунки на міцність елементів котельних агрегатів і які можна виконати засобами сучасних CFD-методів обчислювальної гідродинаміки (Computation Fluid Dynamics). Представлена робота присвячена CFD-моделюванню терамонапруженго стану барабан-сепаратора, встановленого над паливнею котла типу ДКВР-10-13, яка оснащена пальниками, що працюють за допомогою струменево-нішевої технології. Пальники відрізнялися типом подачі палива. До одного з пальників паливо подається крізь прямокутні щілини, до іншого – через розташовані в ряд круглі отвори. Повітря в обидва пальники подається через прямокутні щілини. Дослідження виконувалося для двох режимів роботи котельного агрегату – номінального і на 60% потужності за допомогою чисельних методів при використанні пакета прикладних програм ANSYS-Fluent. Об’єктом дослідження є барабан котла типу ДКВР-10-13 з усіма ослаблюючими отворами. Предметом дослідження є процеси термічної міцності оболонкової конструкції, яка притаманна барабану котла, внаслідок впливу тиску, температури і теплового потоку від розжарених газів, що рухаються в паливні котла, оснащеної струменево-нішевими пальниками при номінальному й 60 %-му тепловому навантаженні. Визначено, що паспортної товщини стінки 10 мм для барабана котла ДКВР-10-13 як при номінальному, так і при 60% тепловому навантаженнях цілком достатньо, щоб забезпечити міцність барабану, оскільки різниця між найбільшою і найменшою температурою на поверхні барабана знаходиться в межах 30 °С. Причому при газороздачі крізь круглі отвори температурне поле стінки барабана є більш рівномірним, ніж у випадку подачі палива крізь прямокутні щілини. Максимальне еквівалентне напруження по Мізесу, що виникає між рядами отворів на барабані, досягає 75 МПа. Також визначено, що максимальна деформація стінок барабана становила 1,1 мм, що не зможе призвести до руйнації і розриву барабана під внутрішнім тиском.

 

Ключові слова: газороздача, струменево-нішева технологія, ANSYS-Fluent, термічні напруження, газоподібне паливо, горіння, метан, паливня котла.

 

Повний текст: завантажити PDF

 

Література

  1. СОУ 40.1-21677681-02:2009 Порядок продовження терміну експлуатації барабанів котлів високого тиску. Інструкція: нормативний документ Мінпаливенерго України. Київ: Міністерство палива та енергетики України, Об’єднання енергетичних підприємств «Галузевий резервно-інвестиційний фонд розвитку енергетики», 2009. 10 с.
  2. Tawfeic S. R. Boiler drum-level modeling. Journal of Engineering Sciences. 2013. Vol. 41. No. 5. P. 1812–1829. https://doi.org/10.21608/jesaun.2013.114911.
  3. Sumalatha A., Sudha Rani К., Jayalakshmi Ch. Dynamic modeling of boiler drum using nonlinear system identification approach. Measurement: Sensors. 2023. Vol. 28 (9). Article 100845. https://doi.org/10.1016/j.measen.2023.100845.
  4. Deghal Cheridi A. L., Dadda A., Bouam A., Dahia A. Transient simulation of an industrial steam boiler. Algerian Journal of Signals and Systems. 2022. Vol. 7. No. 2. P. 77–83. https://doi.org/10.51485/ajss.v7i2.164.
  5. Zheng X. W., Li Z., Chen X. H., Sun Y., Wang H., Wen X. Y. Stress problems at the steam drum fatigue checking point of a supercharged boiler. Advanced Materials Research. 2011. Vol. 383–390. P. 7682–7690. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.383-390.7682.
  6. Дробенко Б., Будз С., Кузьо І., Шоловій Ю., Будз І. Вплив накопичуваної пошкоджуваності на експлуатаційний ресурс барабана котлоагрегата теплоелектростанції. ISTCIPA. 2022. Вип. 56. C. 19–26. https://doi.org/10.23939/istcipa2022.56.019.
  7. Будз С., Будз І. Оцінка експлуатаційного ресурсу барабана котлоагрегату енергоблоку ТЕС, пошкодженого при його експлуатації. Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології. 2023. Вип. 38. C. 5–10. https://doi.org/10.15407/fmmit2023.38.005.
  8. Okhlopkov A. V., Popov N. V., Moiseev D. O., Bitney V. D. Technical solutions for selecting an option for replacing overaged boiler steam drums. iPolytech Journal. 2023. Vol. 27 (1). P. 147–160. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2023-1-147-160.
  9. Chernousenko O. Yu., Rachynskyi A. Yu., Baraniuk O. V., Siryi O. A. CFD simulation of the influence of the type of gas distribution in the burners on thermal aerodynamic processes in the DKVR 10-13 boiler. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2024. Vol. 27. No. 3. P. 16–24. https://doi.org/10.15407/pmach2024.03.016.
  10. ANSYS FLUENT 14.5 Theory Guide. ANSYS Help. ANSYS Inc., 2012. https://ansyshelp.ansys.com.
  11. Тепловий і термонапружений стан барабану котла ТП-100 на різних режимах роботи: звіт про НДР (заключний) / кер. В. М. Голощапов. Київ: ВД «Академперіодика» НАН України, 2014. 29 с.

 

Надійшла до редакції 01.03.2024

Прийнята 26.12.2024