РАЗДЕЛ 2
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ИССЛЕДОВАНИЕ
ДИНАМИКИ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ
2.1. Основные уравнения материального и энергетического баланса
установки с ЦКС по переработке углей в пиролизный газ
Основываясь на процессах массового и теплового обмена, перемещения вещества и конструктивных особенностях УПУПГ, весь технологический процесс переработки углей в пиролизный газ разбит на пять технологических участков (рис. 1.3). На рисунке 2.1 представлены основные массо- и теплообменные процессы (твердых и газообразных компонентов) между отдельными технологическими участками, с учетом теплового и массового баланса.
Массовый баланс участка 1, кг/c:
GУ1 + GПК2 + GВ1 + GВ2 = GКЗП1 + GДЗ , (2.1)
где GУ1 - подача угля в кипящий слой (КС); GПК2 - подача полукокса из тракта возврата КЗО; GВ1 - подача первичного воздуха в КС; GВ2 - подача вторичного воздуха в КС; GКЗП1 - расход материального потока в зону пневмотранспорта; GДЗ - выход донной золы.
Тепловой баланс участка 1, кДж:
GУ1(QФ.Т + QН) + QПК2 + QВ = QКЗП + QДЗ +QПОТ1, (2.2)
где QФ.Т - удельное физическое тепло топлива, кДж/кг; QН - низшая теплота сгорания угля, кДж/кг; QПК2 - количество тепла, вносимое в КС полукоксом из тракта возврата КЗО; QВ - количество тепла, вносимое в КС воздухом; QКЗП1 - количество тепла, уносимое материальным потоком в зону пневмотранспорта; QДЗ - количество тепла, уносимое донной золой; QПОТ1 - тепловые потери в топке.
Рис. 2.1. Массовые и тепловые потоки между участками
технологического процесса переработки углей в пиролизный газ
Массовый баланс участка 2, кг:
GКЗП1 = GКЗП2 , (2.3)
где GКЗП2 - расход материального потока на выходе пневмотранспорта.
Тепловой баланс участка 2, кДж:
QКЗП1 = QКЗП2 + QПОТ2 , (2.4)
где QКЗП2 - количество тепла, уносимое материальным потоком из участка пневмотранспорта; QПОТ2 - тепловые потери на участке пневмотранспорта.
Массовый баланс участка 3, кг/c:
GКЗП2 = GПС + GЛЗ + GКЗО , (2.5)
где GПС - расход продуктов сгорания в циклоне тонкой очистки; GЛЗ - расход летучей золы в циклоне тонкой очистки; GКЗО - расход КЗО в циклоне грубой очистки.
Тепловой баланс участка 3, кДж:
QКЗП2 = QПС + QЛ3 + QКЗО + QПОТ3 , (2.6)
где QПС - унос тепла с продуктами сгорания; QЛЗ - унос тепла с летучей золой; QКЗО - количество тепла, уносимое КЗО на выходе участка сепарации; QПОТ3 - тепловые потери в циклонах.
Массовый баланс участка 4, кг/c:
GУ2 + GКЗО = GПГ + GПК , (2.7)
где GУ2 - подача угля в пиролизер; GПГ - выход пиролизного газа; GКП - расход полукокса на выходе пиролизера.
Тепловой баланс участка 4, кДж:
GУ2(QФ.Т + QН) + QКЗО = QПГ + QПК + QПОТ4 , (2.8)
где QПГ - унос тепла с пиролизным газом; QКП - количество тепла, уносимое полукоксом на выходе пиролизера; QПОТ4 - тепловые потери в пиролизере.
Массовый баланс участка 5, кг/c:
GПК = GПК1 + GПК2 , (2.9)
где GПК1 - отвод полукокса на энергетические нужды; GПК2 - расход полукокса на выходе тракта возврата КЗО.
Тепловой баланс участка 5, кДж:
QПК = QПК1 + QПК2 + QПОТ5, (2.10)
где QКП1 - количество тепла, уносимое отводом полукокса; QКП2 -количество тепла, уносимое полукоксом на выходе тракта возврата КЗО; QПОТ5 - тепловые потери в пиролизере.
2.2. Принципы моделирования ТП переработки углей в пиролизный газ
как химико-теплового объекта
В качестве объекта моделирования принята типовая схема УПУПГ, приведенная на рис. 1.3.
Предлагаемая математическая модель строится экспериментально-аналитическим методом.
Аналитический метод позволяет создать расчетно-теоретическую модель, записывая в соответствии с физическими законами уравнения, описывающие процессы в том или ином исследуемом элементе [28]. Коэффициенты этих уравнений представляют собой получаемые при теоретическом описании комплексы, включающие реальные физические параметры, характеризующие объект и рабочие процессы в нем: конструктивные элементы объекта, параметры рабочего тела, коэффициенты теплоотдачи и т. п. Данные модели наиболее полно раскрывают физическую сущность исследуемых процессов и позволяет просто анализировать изменение тех или иных параметров объекта и рабочего процесса. Однако в ряде случаев из-за отсутствия достоверных данных о тex или иных характеристиках процесса вычисленные значения коэффициентов уравнении могут отличаться от истинных, вследствие чего модельные процессы могут в большей или меньшей мере отличаться от натурных.
Вывод уравнений статики и динамики производится на основе теоретического анализа физических и химических процессов, происходящих в исследуемом объекте, а также на основе известных конструктивных параметров аппаратов и характеристик перерабатываемых веществ.
При составлении математического описания объекта моделирования использованы следующие группы уравнений:
1. Уравнения сохранения массы и энергии, записанные с учетом гидродинамической структуры движения потоков. Данная группа уравнений характеризует распределение в потоках температуры, концентраций и связанных с ними свойств.
2. Уравнения элементарных процессов для локальных элементов потоков. К этой группе относятся описания процессов массо- и теплообмена, химических реакций и др.
3. Теоретические, эмпирические и экспериментальные соотношения между различными параметрами процесса.
4. Соотношения, учитывающие ограничения на параметры процесса.
При составлении математического описания технологического процесса переработки углей в пиролизный газ методом полукоксования на установках с ЦКС используется при