4.2.1. Tiền xử lí (Pre-processing)
Bước 1: Mô hình hình học 3D – Lò hơi SG-130-40-450
Mô hình lò hơi SG-130-40-450 được vẽ bởi Design Modeler tích hợp trong gói phần mềm ANSYS và các kích thước của lò như sau:
Hình 4. Mô hình 3D lò hơi SG-130-40-450
47
Hình 4.6. Kích thước của lò hơi và cụm vòi đốt
Đối với bài toán mô phỏng này, ta chỉ xét quá trình cháy từ buồng đốt lên vùng khói ra trước bộ quá nhiệt cấp 1, nên trong mô hình được rút gọn các chi tiết như bộ quá nhiệt, các bộ hâm nước, bộ sấy không khí và phần thải xỉ. Lò hơi có kích thước các chiều a x b x c là 6.9 x 6.6 x 26 m. Lò có bốn cụm vòi đốt đặt bốn góc buồng đốt với phương thức đốt tiếp tuyến như đã trình bày ở trên.
Để đơn giản cho quá trình tính toán cũng như hạn chế về tài nguyên của máy tính, riêng đối với cụm vòi đốt, ta tính toán các kích thước sao cho các tiết diện ra có giá trị như trong mô hình thực (Hình 4.1).Kích thước và tiết diện của từng vòi được cho dưới bảng dưới đây:
48
Bảng 4.4. Kích thước và tiết diện của từng miệng vòi
STT Tên Kích thước (m x m) Diện tích tiết diện (m2) Đường kính thủy lực (m)
1 Vòi phun than đậm - 0.043 0.2340
2 Vòi phun than loãng - 0.035 0.2111
3 Vòi gió cấp II trên và dưới 0.35 x 0.2 0.06 0.2545
4 Vòi gió cấp II giữa 0.35 x 0.3 0.105 0.3231
5 Vòi gió cấp III 0.35 x 0.26 0.091 0.2984
Bước 2: Chia lưới (Meshing)
Sau khi xây dựng được mô hình hình học, ta tiến hành chia lưới cho mô hình này thành nhiều phần tử nhỏ. Các phần tử nhở này được trình giải CFD tạo ra các thể tích điều khiển (Control volume). Ứng với mỗi bài toán khác nhau mà ta lựa chọn lưới thích hợp. Có nhiều loại lưới khác nhau như lưới tứ diện (Tetrahedron), lưới lục diện (Quadrilateral)… Bài toán mô phỏng có hình dạng phức tạp, trong luận văn này ta dùng mô hình chia lưới kiểu tứ diện.
Hình 4.7. Mô hình chia lưới
49
Bảng 4.5. Thông số chất lượng cơ bản của lưới
STT Tên Giá trị 1 Dạng phần tử tetra 2 Số phần tử 341613 3 Số nút 63319 4 Skewness 1.8786e-4 ~ 0.792 5 Orthogonal Quality 0.29496 ~ 0.99578
Để đánh giá chất lượng của lưới là tốt hay xấu, ta đánh giá qua hai yếu tố sau: Skewness (độ méo, độ lệch) và Orthogonal Quality (Tính vuông góc). Để có kết quả tương đối chính xác thì giá trị Skewness chấp nhận được là không được lớn hơn 0.85, Skewness càng gần 0 (càng bé) thì chất lượng lưới càng tốt. Ngược lại với Orthogonal Quality, giá trị càng gần 0 thì chất lượng càng xấu, và giá trị có thể chấp nhận được là không được bé hơn 0.2. Với yêu cầu chất lượng lưới như trên, thì mô hình lưới trên là có thể chấp nhận được. Sau khi chia lưới xong, ta tiến hành đặt tên cho các biên của mô hình gồm: vòi phun đậm, vòi phun loãng, vòi gió cấp 2, vòi gió cấp 3, tường, và đầu ra.
Bước 3: Thiết lập các mô hình vật lí cháy than hòn gai của nhà máy
Trong phần này, ta lựa chọn các mô hình vật lí dựa trên mô hình bên cho mô hình bên trên và sử dụng các phương pháp giải:
No. Spatial discretization Method
1 Gradient Least squares cell base
2 Pressure PRESTO
3 Momentum Second order upwind
4 Turbulent kinectic energy Second order upwind
50
No. Spatial discretization Method
6 Species Second order upwind
7 Energy Second order upwind
8 Discrete Second order upwind
1. Kích hoạt phương trình năng lượng
Models→ Energy→Edit...
2. Mô hình rối
Models→ Viscous→Edit...
- Chọn k-epsilon (2eqn) trong Model - Chọn Realizable trong k-epsilon Model
3. Mô hình bức xạ
Models→ Radiation→Edit...
- Chọn Discrete ordinates (DO) trong mô hình Radiation - Nhập giá trị 1 cho Energy Iterations per Radiation Iteration - Nhập giá trị 2 cho Theta Divisions và Phi Divisions
- Nhập giá trị 3 cho Theta Pixels và Phi Pixel
4. Mô hình vận chuyển chất (Species Transport)
Models→ Species→Edit...
- Chọn Species Transport trong Models - Kích hoạt Volumetric
- Chọn Eddy Dissipation
- Click vào Coal Calculator…
Coal Caculator là một công cụ để chuyển đổi các số liệu đầu vào sẵn có như các phân tích PrÔxymate và Ultimate, và nhiệt trị của nhiên liệu thành các số liệu đầu vào mô phỏng như các hệ số cân bằng phản ứng hóa học, entanpy của chất bốc,
51
tỷ lệ chất bốc và chất có thể cháy được trong than… Sự biến đổi này diễn ra nhanh và chính xác, vì vậy có thể tránh được các lỗi tính toán thông thường.
Thành phần than và nhiệt trị của than được cho trong bảng 4.3.
- Kích hoạt Two-step reaction và chọn Include SO2
- Nhập 50 cho Volatile Molecular weight
- Nhập 0.775 cho CO/CO2
- Nhập 1.1 cho High Temperature Volatile Yield
- Nhập 1500 cho Coal dry density.
5. Mô hình pha phân tán
Models→ Discrete phase →Edit...
- Nhập 40000 cho Max.Number of Steps
- Nhập 0.0025 cho Length Scale
Bước 4: Phun hạt (Injections)
Ở bước này, ta tiến hành đặt các thông số phun than cho từng vòi phun nhiên liệu.
Cài đặt Injection cho các vòi đậm (inlet_d1, inlet_d2,… inlet_d8). (bên dưới trình bày nhập thông số cho inlet_d1)
- Chọn inlet_d1 (Vòi đậm 1)
- Chọn Combusting cho Particle Type - Đặt 9e-5 cho Diameter (m)
- Đặt 245 cho Temperature (oC) - Đặt 18 cho Velocity Magnitude (m/s)
- Trong thẻ Turbulent Dispersion kích hoạt Discrete Random Walk Model
và nhập 10 cho Number of tries.
- Đặt 0.5492 cho Total Flow Rate (kg/s) - Đặt h20 cho Evaporating Species
Cài đặt Injection cho các vòi loãng (inlet_l1, inlet_l2,… inlet_l8). (bên dưới trình bày nhập thông số cho inlet_l1)
52
- Chọn Combusting cho Particle Type - Đặt 1e-4 cho Diameter (m)
- Đặt 245 cho Temperature (oC) - Đặt 20 cho Velocity Magnitude (m/s) - Đặt 0.061 cho Total Flow Rate (kg/s)
- Trong thẻ Turbulent Dispersion kích hoạt Discrete Random Walk Model và nhập 10 cho Number of tries.
- Đặt h20 cho Evaporating Species
Cài đặt Injection cho vòi cấp III (c31, c32, c33, c34) (bên dưới trình bày nhập thông số cho c31)
- Chọn c31 (Vòi cấp III)
- Chọn Combusting cho Particle Type - Đặt 1e-5 cho Diameter (m)
- Đặt 90 cho Temperature (oC)
- Đặt 40 cho Velocity Magnitude (m/s) - Đặt 0.1356 cho Total Flow Rate (kg/s)
- Trong thẻ Turbulent Dispersion kích hoạt Discrete Random Walk Model và nhập 10 cho Number of tries.
- Đặt h20 cho Evaporating Species
Bước 5: Cài đặt các thông số cho vật liệu (Materials)
Xác định các thông số vật lí cho hỗn hợp Coal-Volatiles-air và Coal-Particle
Bảng 4.6. Thông số vật lí cho hỗn hợp Coal-Volatiles-air
STT Thông số Giá trị
1 Thermal Conductivity Chọn Polinomial
Các hệ số nhiệt độ thứ nhất và thứ hai tương ứng là 0.01006 và 5.413e-5
2 Viscosity Chọn Polinomial
Đặt 9.18e-6 và 3.161e-8 cho các hệ số nhiệt độ tương ứng
53
STT Thông số Giá trị
4 Scattering Cofficient Chọn constant với giá trị 0.5
Bảng 4.7. Thống số vật lí Coal-particle
STT Thông số Giá trị
1 Cp 1680
2 Vaporization (oC) 126
3 Binary Diffusivity 2e-5
4 Swelling Coefficient 2
5 React. Heat Fraction Absorbed by Solid
0
6 Devolatilization model 50
7 Combustion Model Chọn Kinetics/diffusion-limited Mass Diffusion limited rate =5e-12 Kinetics limited rate pre-Exponential factor=6.7
Kinetics limited rate Activation Energy =1.138e8
Thông số cho Water-liquid
- Chọn piecewise-linear trong Cp(Specific Heat) và giữ các giá trị mặc định - Nhập 87 cho Vaporization Temperature
- Chọn convection/diffusion controlled cho Vaporization Model
Bước 6: Đặt các điều kiện biên
Đặt điều kiện biên cho mỗi inlet vòi đậm
Bảng 4.8. Điều kiện biên vòi đậm
STT Thông số Giá trị
1 Mass Flow rate 0.7273 kg/s
2 Specification Chọn Intensity and Hygraulic
Diameter
54
STT Thông số Giá trị
4 Hydraulic Diameter 0.2340 m
5 Temperature 245oC
6 Species Mass Fractions O2=0.23209 7 Discrete Phase BC Type escape
Đặt điều kiện biên cho mỗi inlet vòi loãng
Bảng 4.9. Điền kiện biên vòi loãng
STT Thông số Giá trị
1 Mass Flow rate 0.7273 kg/s
2 Specification Chọn Intensity and Hygraulic
Diameter
3 Turbulent intensity 5%
4 Hydraulic Diameter 0.2111 m
5 Temperature 245oC
6 Species Mass Fractions O2=0.23209 7 Discrete Phase BC Type escape
Đặt điều kiện biên cho inlet mỗi vòi gió cấp II
Bảng 4.10. Điều kiện biên vòi gió cấp II trên và cấp II dưới
STT Thông số Giá trị
1 Mass Flow rate 1.5959 kg/s
2 Specification Chọn Intensity and Hygraulic
Diameter
3 Turbulent intensity 5%
4 Hydraulic Diameter 0.2545 m
5 Temperature 390oC
6 Species Mass Fractions O2=0.23209 7 Discrete Phase BC Type escape
55
Bảng 4.11. Điều kiện biên vòi gió cấp II giữa
STT Thông số Giá trị
1 Mass Flow rate 2.3939 kg/s
2 Specification Chọn Intensity and Hygraulic
Diameter
3 Turbulent intensity 5%
4 Hydraulic Diameter 0.3231 m
5 Temperature 390oC
6 Species Mass Fractions O2=0.23209 7 Discrete Phase BC Type escape
Đặt điều kiện biên cho inlet vòi gió cấp III
Bảng 4.12. Điều kiện biên vòi gió cấp III
STT Thông số Giá trị
1 Mass Flow rate 3.1420 kg/s
2 Specification Chọn Intensity and Hygraulic
Diameter
3 Turbulent intensity 5%
4 Hydraulic Diameter 0.2984 m
5 Temperature 90oC
6 Species Mass Fractions O2=0.23209 7 Discrete Phase BC Type escape
Đặt điều kiện biên cho outlet
Bảng 4.13. Điều kiện biên cho outlet
STT Thông số Giá trị
1 Gauge Pressure 0 pa
2 Blackflow Total temperature 1000oC
3 Species Mass Fractions O2=0.23209
56
Trong Thẻ thermal chọn Mixed
Tên Giá trị
Heat tramsfer coefficient 50
External emissivity 0.6
Internal emissivity 0.8
4.2.2. Xử lí (Processing)
Ở bước này, ta thiết lập bộ giải cho các bài giải sau: - Dòng không phản ứng - Khởi tạo dòng phản ứng - Dòng phản ứng - Dòng phản ứng bao gồm bức xạ - Dòng phản ứng bao gồm sự tương tác hạt – bức xạ Dòng không phản ứng Tắt Volumetric reactions
Đặt 0 cho Number of Continuous Phase Iterations per DPM Iteration để tránh sự phun hạt trong bước này
Monitors (Residuals) > Chọn none từ Convergence Criterion. Solution Methods
- Chọn Coupled
- Chọn PRESTO!
- Chọn Least Squares cell based cho Gradient trong Spatial Discretization
- Chọn Second order upwind cho tất cả thành phần còn lại trong Spatial Discretization
- Kích hoạt Pseudo Transient
- Kích hoạt High order term relaxation
- Kích hoạt Set All Species Discretization Together. Solution Controls
57
- Bỏ chọn Discrete Ordinates trong danh mục các phương trình Khởi tạo bộ giải
- Chọn Hybrid initialization
- More settings > 20 cho Number of interations - Bấm Initialize
Chạy bộ tính toán với 300 vòng lặp
Khởi tạo dòng phản ứng
Thay đổi cài đặt trong Discrete Phase Model
- Đặt 1 cho Number of Continous Phase Iterations per DPM Iteration
- Kích hoạt Pressure Dependent Boiling
- Trong Physical Models trong thanh Numerics
o Kích hoạt Enable Node Based Averaging
o Nhập 6 cho Gaussian factor
Kích hoạt Volumetric reactions
Tạo vùng phản ứng trong Adapt/ Region (có dạng hình trụ ở tâm lò vùng vòi phun)
- Chọn vùng phản ứng từ Min (4; 3.45; 3.3) – Max (7.388; 3.45; 3.3)
- Bán kính vùng phản ứng là 1.5 m
Patch nhiệt độ cao và tỷ lệ các chất cho vùng phản ứng (Solution initialization > Patch)
Giá trị nhiệt độ và tỷ lệ các chất được cho dưới bảng sau:
Thông số Giá trị
Nhiệt độ 1500 oC
H20 0.01
CO2 0.01
Thay đổi giá trị trong Solution Controls - Đặt 1 cho Discrete Phase Sources
Tính toán với 1 vòng lặp
58
Thay đổi Number of Continous Phase Iteration per DPM Interation
thành 25
Thay đổi Vaporization Temperature thành 500oC cho Coal-particles Đặt 0.5 cho Discrete Phase Sources
Chạy 500 vòng lặp
Dòng phản ứng bao gồm bức xạ
Chọn Discrete Ordinates trong Equations (Trong Solution controls). Chạy 500 vòng lặp.
Dòng phản ứng bao gồm sự tương tác Hạt-bức xạ
Kích hoạt Particle Radiation Interation từ Physical Models trong Models >Discrete Phase
Thay đổi 0.25 cho Discrete Phase Source
59
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ BÌNH LUẬN
Kết quả của các trường hợp mô phỏng. Với các thông số đầu vào của nhà máy Nhiêt điện Ninh Bình và mô hình vật lí của nhà máy, luận văn mô phỏng lại quá trình cháy than phun trong lò hơi số 2 của nhà máy.
Mô hình mô phỏng chạy trong 3500 bước cho mỗi trường hợp sử dụng từ 22 – 24 giờ cho mỗi trường hợp mô phỏng. Cụ thể Chương 5 là kết quả của:
1, Kết quả và đánh giá quá trình cháy than Hòn gai trong mô hình lò hơi, mô phỏng lại quá trình cháy thực tế ở nhà máy nhiệt điện Ninh Bình.
2, Đánh giá sự phân bố nhiệt độ và hiệu suất cháy với các trường hợp trộn than hòn gai với than nhập khẩu.
3, Đánh giá sự ảnh hưởng của tỉ lệ gió cấp 1 và gió cấp 2 đến sự phân bố nhiệt độ và hiệu suất cháy cho trường hợp trộn than 80% than Hòn gai và 20% than nhập khẩu.
5.1. Phân tích, đánh giá kết quả cháy than Hòn Gai 5.1.1. Trường tốc độ 5.1.1. Trường tốc độ
60
a, Vị trí mặt cắt b, mặt cắt z=0 (mặt cắt dọc)
c, chi tiết các mặt cắt ngang
61
Kết quả mô phỏng khi xem trực tiếp trên máy tính sẽ trực quan hơn, kết quả cho ta thấy các vector vận tốc xoáy ngược chiều kim đồng hồ và hướng vector chuyển động hường lên phía trên đỉnh lò và thoát ra khỏi mặt ra outlet.
Quan sát kết quả mô phỏng trên hình 5.1 ta thấy ở các đầu vòi phun tốc độ không khí đạt giá trị lớn nhất, sau đó giảm dần do khuếch tán và ma sát bên trong lò hơi, có một số hiện tượng xoáy cục bộ một vài vị trí.
Không khí phần đáy lò chuyển động chậm do ở đây chỉ có hiện tượng đối lưu và không có đường khói thoát.
Ở phần trên cao của lò phân bố tốc độ đồng đều vì lúc này động lực của quá trình chuyển động chỉ là lực nâng do chênh lệch nhiệt độ.
Trong kết quả mô phỏng ta cũng thấy hiện tượng vòng xoáy tâm lò, được giải thích là do hướng phun của các vòi đốt sao cho nó tiếp tuyến với một đường tròn tưởng tượng tại tâm lò.
Kết quả này phù hợp với kết quả thực nghiệm mà Viện năng lượng đã xác định cho tốc độ phân bố bên trong lò ở chế độ vận hành: vận tốc có giá trị gần 0 khi tiến về sát tường lò và tăng dần khi tiến vào tâm, vận tốc có giá trị max tại trung điểm nối tâm lò và tường lò.
62
5.1.2. Trường nhiệt độ
a, vị trí mặt cắt b, z=0 (mặt cắt dọc)
c, trường nhiệt độ tại các mặt cắt ngang
63
Bảng 5.1: Số liệu nhiệt độ trên bề mặt cắt ngang
Mặt cắt Nhiệt độ (oC)
Trung bình Max Min ∆T
Mặt A 1372.26 1540.99 220.00 1320.99 Mặt B 1445.55 1569.91 610.01 959.90 Mặt C 1395.70 1605.21 88.00 1517.21 Mặt D 1393.23 1495.37 908.07 587.30 Mặt E 1314.92 1397.14 618.51 778.63 Outlet 1054.73 1200.19 471.63 728.56
Quan sát kết quả mô phỏng về trường nhiệt độ bên trên ta thấy theo chiều cao của lò hơi nhiệt độ có sự phân tầng khá rõ rệt. Nhiệt độ giữa mặt A và D có nhiệt độ cao và giảm dẫn về 2 phía đỉnh lò và đáy lò.
Số liệu nhiệt độ từ kết quả mô phỏng trong bảng 5.1 cho ta thấy giá trị Mặt A, B, C, D có nhiệt độ cao nhất, điều này được giải thích là do đây là vùng không gian vòi phun nhiên liệu vào và phun không khí nóng vào và phản ứng cháy diễn ra tại đây kết hợp với sự hình thành dòng khí xoáy do các vòi phan tạo ra nên khả năng hòa trộn bột than và không khí tăng sự trao đổi nhiệt diễn ra tốt hơn từ đó duy trì nhiệt độ cao