Моделювання сепарації водяної пари в барабан-сепараторі котла ГМ-50-1

Abstract

The paper presents the results of a numerical study of the processes of water vapor separation in the drum-separator of the GM-50-1 boiler unit, performed using the ANSYS CFX CFD package. The computational model takes into account the real hydrodynamic conditions of the drum: the supply of a steam-water mixture the screen tubes, thermally insulated state of its metal casing, as well as organized ion of saturated steam the upper part and water the lower part. The Realizable k–ε model was used to describe turbulence. The dispersed moisture phase was modeled as a set of spherical particles within the DPM approach, with the calculation of trajectories in the Lagrangian formulation taking into account the inertia of particles, hydrodynamic resistance and gravitational action. The main steam flow was described by the Navier–Stokes equations for a continuous medium. The interaction of droplets with each other was not taken into account. Hydrodynamic and heat exchange processes were modeled according to the Shiler–Nauman and Ranz–Marshall models. The use of ANSYS CFX made it possible to determine the position of the phase transition zone and the spatial location of the evaporation mirror in the drum, which is of key importance for ensuring stable operation of the boiler unit. In the absence of experimental data regarding local vapor content, the assessment of the model correctness was carried out on the basis of technological requirements for the operation of drums of this type. The results obtained can be used to optimize design solutions, operating parameters and assess the performance of power boiler drums.

Подано результати числового дослідження процесів сепарації водяної пари в барабані-сепараторі котельного агрегату ГМ-50-1, виконаного із застосуванням CFD-пакета ANSYS CFX. Розрахункова модель враховує реальні гідродинамічні умови роботи барабана: подачу пароводяної суміші з екранних труб, теплоізольований стан його металевого корпусу, а також організований відбір насиченої пари з верхньої частини та води — з нижньої. Для опису турбулентності застосовано модель Realizable k–ε. Дисперсна фаза вологи моделювалася як сукупність сферичних частинок у рамках DPM-підходу, з розрахунком траєкторій у лагранжевій постановці з урахуванням інерції частинок, гідродинамічного опору та гравітаційної дії. Основний паровий потік описувався рівняннями Нав’є–Стокса для суцільного середовища. Взаємодія крапель між собою не враховувалась. Гідродинамічні та теплообмінні процеси моделювалися відповідно до моделей Shiler–Nauman та Ranz–Marshall. Застосування ANSYS CFX дало змогу визначити положення зони фазового переходу та просторове розташування дзеркала випаровування в барабані, що має ключове значення для забезпечення стійкої роботи котлоагрегату. За відсутності експериментальних даних щодо локального паровмісту оцінювання коректності моделі здійснювалося на основі технологічних вимог до експлуатації барабанів цього типу. Отримані результати можуть бути використані для оптимізації конструктивних рішень, режимних параметрів та оцінювання працездатності барабанів енергетичних котлів.