Mathematical modelling of transient processes in convective heated surfaces of boilers

Abstract

The paper presents a one-dimensional mathematical model for simulating the transient processes which occur in convective heated surfaces of boilers, namely superheaters and economizers. The proposed model is based on solving equation describing the energy conservation and is simplified because the mass and momentum balance equations are omitted. The suggested method considers the superheater or economizer model as one with distributed parameters. The temperature of the separating wall is determined from the equation of transient heat conduction. In order to obtain a grater accuracy of the results, the wall was divided into two control volumes making it possible to compute the temperatures on its both surfaces. All thermo-physical properties of the operating media and the material of the separating walls are computed in real time. The space-time heat transfer coefficients are also computed on-line considering the actual tube pitches and assuming cross-flow of the combustion gases. In the proposed model the boundary conditions can be time-dependent. In order to experimentally verify the proposed method for modelling the processes occurring in convective surfaces of power boilers, a series of measurements of the platen superheater and economizer in an OP-210 boiler (with steam capacity of 210×10³ kg/h) were carried out. Comparing the results of measurements of the steam and feed water temperature with computation results, satisfactory convergence is found.

Zusammenfassung

In diesem Artikel ist ein mathematisches Modell vorgestellt, das die Simulierung von an konvektiven Heizflächen von Kesseln (in Dampfüberhitzern und Speisewasservorwärmern) ablaufenden transienten Prozessen ermöglicht. Es ist ein eindimensionales Modell mit verteilten Parametern, gestützt allein auf der Energiebilanzgleichung. Unbetrachtet blieben die den Energieerhaltungssatz und den Impulssatz beschreibenden Gleichungen. An der Wandseite wurde die Gleichung der instationären Wärmeleitung aufgelöst. Zwecks größerer Berechnungsgenauigkeit wurde diese Wand in zwei Kontrollvolumina geteilt, was die Berechnung der Temperatur an deren beiden Oberflächen ermöglicht. Alle thermophysikalischen Eigenschaften der Flüssigkeiten und des Wandmaterials waren laufend berechnet. Laufend waren auch die zeitlich-räumlichen Verteilungen der Wärmeübergangszahlen berechnet, mit Berücksichtigung der tatsächlichen Rohrteilungen und Querströmungsannahme des Verbrennungsgases. Das vorgeschlagene Modell zeichnet sich außerdem dadurch aus, dass die Randbedingungen zeitabhängig sein können. Zur experimentellen Verifizierung der vorgeschlagenen Methode von an den konvektiven Heizflächen von Kraftwerkskesseln verlaufenden Wärme- und Durchflussprozessen wurden mehrere Messungen an einem Schottenüberhitzer und einem Speisewasservorwärmer des Kessels OP-210 (mit einer Dampfleistung von 210×10³ kg/h) durchgeführt. Aus einem Vergleichen der gemessenen und berechneten Verläufe der Dampf- und der Speisewassertemperatur folgt eine vollkommen zufriedenstellende Genauigkeit der mittels der vorgeschlagenen Methode erzielten Ergebnisse.