Моделирование и оптимизация процессов в термических деаэраторах

На правах рукописи

МАГДИЕВ Евгений Валерьевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ

ПРОЦЕССОВ В ТЕРМИЧЕСКИХ ДЕАЭРАТОРАХ

Специальность: 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иваново 2009

Работа выполнена на кафедре прикладной математики государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

Н а у ч н ы й р у к о в о д и т е л ь –

доктор технических наук, профессор Жуков Владимир Павлович

О ф и ц и а л ь н ы е о п п о н е н т ы:

доктор технических наук, профессор Елин Николай Николаевич

кандидат технических наук, доцент Чагин Олег Вячеславович

В е д у щ а я о р г а н и з а ц и я – государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет».

Защита состоится «18» мая 2009 г. в часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.05 при ГОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр.Ф.Энгельса, д.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет».

Автореферат разослан « 13 » апреля 2009 г.

Ученый секретарь совета

д.ф.-м.н., профессор Г.А. Зуева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Одним из важных направлений создания ресурсо- и энергосберегающих технологий является совершенствование тепломассообменных процессов в химической, энергетической, нефтяной, пищевой и других отраслях промышленности.

С точки зрения экономии ресурсов деаэраторные установки вызывают особый интерес в силу сложности протекающих в них процессов, большой энергоемкости и часто переменной потребности промышленности в очищенной воде.

Сложность процессов деаэрации обуславливается совместным протеканием в многофазной среде (вода, пар, газ) процессов тепло- и массообмена при струйном или пленочном течении теплоносителей с изменяющейся геометрией и скоростью потока теплоносителей, то есть с изменяющимися площадью поверхности раздела фаз и коэффициентами тепло- и массопереноса. Существует достаточно много методов расчета процессов в тепло-массообменных аппаратах. Каждая частная зависимость разрабатывается для определенного типа аппаратов, схемы взаимного движения сред в нем, направленности процесса, диапазона физических и режимных параметров. Объясняется это не только сложностью процессов, отсутствием фиксированной поверхности контакта, но и недостаточной разработанностью теории тепломассообмена применительно к расчету процессов в контактных аппаратах. Кроме того, большинство методов позволяют рассчитать значения параметров только для стационарных режимов работы.

Большая потребность промышленности в очищенной воде приводит к необходимости создания для деаэрации воды энергоемких установок большой производительности. С учетом неравномерной суточной, недельной и годовой потребности в очищенной воде, деаэраторным установкам приходится часто изменять нагрузку и работать в переменных режимах. Такая работа часто приводит к перерасходу материальных и тепловых ресурсов и к выходу технологических параметров из допустимого диапазона значений. Оптимальное ведение переменных режимов, обеспечивающее минимальные потери пара и энергии при обеспечении заданного качества деаэрированной воды, наиболее эффективно может быть реализовано на основе адекватных методов расчета деаэраторных установок.

Таким образом, разработка математических моделей деаэрационных установок, позволяющих описывать и оптимизировать их работу в стационарных и нестационарных режимах, является актуальным направлением исследований.

Актуальность темы работы подтверждается также ее выполнением в рамках ФЦП «Интеграция» (2.1-А118 Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий) и международных договоров о научно-техническом сотрудничестве с Ченстоховским политехническим университетом (Польша) и Горным институтом г. Алби (Франция).

Основные цели и задачи исследования. Целью исследования является повышение эффективности работы деаэраторного оборудования на основе моделирования и оптимизации протекающих в нем процессов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать математические модели процессов для поверхностных и смешивающих подогревателей и термических деаэраторов струйного и барботажного типа;
• провести экспериментальные исследования процесса деаэрации в аппаратах струйно-барботажного типа, необходимые для идентификации полученных моделей;
• разработать метод расчета технологических процессов и аппаратов и систему его компьютерной поддержки;
• апробировать результаты работы на практике.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются поверхностные и смешивающие теплообменные аппараты и деаэраторы химической, энергетической и смежных отраслей промышленности. Предметом исследования являются математические модели процессов в тепломассообменных аппаратах, разработанные в рамках ячеечного подхода с использованием математического аппарата теории цепей Маркова.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработаны ячеечные модели стационарных и нестационарных процессов в поверхностных и смешивающих тепломассообменных аппаратах и деаэраторах, позволяющие согласовывать уровень декомпозиции системы с уровнем располагаемого эмпирического обеспечения модели.
2. Проведены промышленные экспериментальные исследования переходных режимов при ступенчатом изменении расхода пара в атмосферном деаэраторе струйно-барботажного типа, в ходе которых получены зависимости технологических параметров от времени, выполнена идентификация и верификация предложенной ячеечной модели.
3. Сформулирована и решена задача оптимального управления расходами теплоносителей, обеспечивающего минимальные тепловые потери при сохранении требуемой концентрации газов в деаэрированной воде при ведении переходных режимов.

Практическая значимость. Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. На основе предложенной математической модели разработан алгоритм и компьютерный метод расчета стационарных и нестационарных процессов в поверхностных и смешивающих теплообменных аппаратах и термических деаэраторах.
2. С использованием разработанной модели проведены численные эксперименты по исследованию влияния импульсных и ступенчатых возмущений технологических параметров на характер переходных процессов в тепломассообменных аппаратах для различных профилей каналов теплоносителей. Кроме того, показано влияние уровня декомпозиции системы на характер изменения расчетных параметров теплоносителей при переходных процессах в струйном отсеке термических деаэраторов.
4. Предложенный метод расчета струйных деаэраторов использовался при разработке систем управления переходными и стационарными процессами, позволяющих обеспечить ведение технологических процессов в допустимых диапазонах изменения параметров при обеспечении минимальных потерь тепловой энергии и пара.
5. Внедрение результатов работы на линии химводоочистки теплосилового цеха ОАО «Северсталь» позволило обеспечить уменьшение тепловых потерь на 13 тыс. Гкал/год и затрат пара на водоприготовление на 1500 т/год.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на трех конференциях, в том числе: XIII Международной научно-технической конференции Бенардосовские чтения «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Иваново, 2006 г.); Международной научной конференции «Теоретические основы создания оптимизации и управления энерго- ресурсосберегающими процессами и оборудованием» (Иваново, 2007 г.); XX международной конференции «Математические методы в технике и технологии ММТТ-20» (Ярославль, 2007 г).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 7 печатных работах, в том числе в 3-х изданиях, предусмотренных перечнем ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы из 124 наименований. Общий объем диссертации составляет 126 страниц машинописного текста,
50 рисунков, 9 таблиц, 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи, указан метод исследования, представлена научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведен анализ существующих типов теплообменных аппаратов и методов их расчета. Основное внимание при анализе уделено деаэрационным установкам, наиболее часто используемым в промышленных системах водоподготовки. В деаэрационной установке струйно-барботажного типа, схема потоков в которой приведена на рис.1, одновременно протекают совмещенные процессы переноса тепла и энергии между водой, паром и газом, растворенным в воде и паре.

Проведенный анализ показал, что создание и оптимизация энерго - ресурсосберегающих технологий в тепломассообменных системах обуславливается дальнейшим совершенствованием адекватных методов их расчета.

Исследованию тепломассообменных процессов в деаэрационных установках посвящены работы С.С. Кутателадзе, В.И. Шарапова, Е.В. Барочкина и др., в которых, однако, основное внимание уделяется стационарным режимам работы установки. При переходных режимах работы, связанных с пуском, остановом и изменением нагрузки оборудования, нарушение технологических режимов является наиболее вероятным.

а) б)

Рис. 1. Схема потоков в деаэрационной установке струйно-барботажного типа (а) и в ее струйной ступени (б)

Для моделирования переходных процессов измельчения и смешения сыпучих материалов В.Е. Мизоновым и Анри Бертье была успешно применена ячеечная модель с использованием математического аппарата теории цепей Маркова.

Проведенный анализ показывает, что разработка универсальной расчетной методики, которая изначально ориентируется на анализ стационарных и нестационарных режимов при возможном варьировании уровня декомпозиции деаэрационной установки для обеспечения наибольшего соответствия размера ячейки характерному размеру аппарата, для которого получено эмпирическое обеспечение, является перспективным направлением научных исследований. Использование ячеечных моделей при этом обладает рядом преимуществ:

• Ячеечные модели предлагают пространственную дискретизацию рабочего объема на ячейки, на уровне которых потоки материала могут быть описаны известными моделями, главным образом, идеальным смешением или идеальным вытеснением. Комбинации этих ячеек могут моделировать потоки всей структуры, включая застойные и циркуляционные зоны.
• В рамках ячеечных моделей могут использоваться существующие эмпирические критериальные зависимости для коэффициентов тепломассопереноса. Ячеечная модель позволяет автоматизировать процесс расчета сложных систем, что, в свою очередь, делает возможным решение задач их структурно-режимной оптимизации.
• Использование для описания ячеечной модели матричного аппарата и соответствующего готового программного обеспечения существенным образом упрощает технологию программирования и технологию инженерных расчетов.
• Ячеечный подход наряду с построением модели стационарных процессов позволяет рассчитывать переходные режимы работы оборудования.

На основании проведенного анализа сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе рассматриваются математические модели процессов тепломассопереноса в поверхностных и смешивающих подогревателях и деаэраторах, позволяющие рассчитывать параметры теплоносителей в переходных режимах работы.

При разработке ячеечной модели расчетная область тепломассообмена разбивается на некоторое число элементов (ячеек). Для описания состояния системы вводится вектор состояния, составленный из энергий и масс горячего и холодного теплоносителей в ячейках и массы газа в них:

, (1)

где G – масса теплоносителя, Cg – концентрация газа в теплоносителе,
r – удельная теплота парообразования, c – удельная теплоемкость, t – температура. Первый индекс соответствует теплоносителю (1 – горячий, 2 - холодный), а второй – номеру ячейки, индекс «н» показывает состояние насыщения. Модель строится на основе балансов энергии и массы для каждой ячейки. Расчетная схема потоков массы и энергии для горячего и холодного теплоносителей приведена на рис. 2.

Вероятность перехода теплоносителя из одной ячейки в другую для горячего (р1) и для холодного (р2) теплоносителей определяется характером их движения в аппарате.

Из шести балансовых соотношений: баланса массы для пара, баланса массы для воды, баланса тепловой энергии для пара, баланса тепловой энергии для воды, баланса массы газа в паровой фазе, баланса массы газа в воде, записанных для одной ячейки, получается система из шести уравнений в виде:

. (2)

Верхний индекс показывает номер шага по времени, величина которого обозначена через . Данные уравнения, записанные для всех ячеек, представляются в матричном виде:

. (3)

Вектор питания PGQ показывает все внешние потоки масс и энергий, которые поступают в рассматриваемую систему. Блочная переходная матрица P для ячеек составляется из матриц- блоков в виде

; (4)

; (5) ; (6)

, (7)

где ; .

Вектор свободных членов записывается следующим образом

, (8)

где

; (9) . (10)

Матрица Pgh представляется в виде (5) в том случае, если направления движения теплоносителей из ячейки в ячейку совпадают. В противном случае вероятность перехода горячего теплоносителя представляется матрицей Pg, а холодного Ph.

; (11) . (12)

Изменение входных параметров (возмущение) может быть как кратковременным (импульсным), так и длительным (ступенчатым). Созданная модель позволяет рассчитывать параметры теплоносителей с учетом любого из данных возмущений. Результаты расчета переходных процессов, полученные согласно модели (2)-(12), приведены на рис.3, 4.

Рис. 3. Распределение по ячейкам в разные моменты времени при ступенчатом увеличении расхода холодного теплоносителя с 10 кг/с до 50 кг/с массы горячего (G1), холодного (G2) теплоносителей и содержание газа в воде (Cg2)	Рис. 4. Изменение выходных параметров теплоносителей во времени при импульсном увеличении расхода воды на входе в деаэратор с 10 кг/с до 40 кг/с

Приведенная модель деаэратора может использоваться также и для расчета смешивающих теплообменных аппаратов. При этом удаление газа из воды (дегазация) не учитывается, а из модели (2) исключаются последние два уравнения, описывающие процесс деаэрации. Система уравнений для одной ячейки приобретает следующий вид:

. (13)

При этом в выражениях (4)-(8), (11)-(12) элементы пятой и шестой строк матриц будут отсутствовать. Матрица Bi, описывающая переход массы и тепловой энергии, принимает вид:

. (14)

Вектор свободных членов находится из выражения

,

где коэффициенты k определяются согласно (9), (10).

Результаты расчета смешивающего теплообменного аппарата представлены на рис. 5 в виде зависимости выходных параметров от времени при ступенчатом уменьшении расхода воды на входе в установку.

Рис. 5. Изменение параметров теплоносителей при ступенчатом уменьшении расхода воды на входе в теплообменный аппарат с 40 кг/с до 20 кг/с	Рис. 6. Изменение температуры холодного теплоносителя на выходе из теплообменного аппарата при ступенчатом увеличении температуры холодного теплоносителя на входе с 20 С до 40 С