Dynamic Core-Annulus Model of Circulating Fluidized Bed Boilers
Hiidenkari, Heimo (2018)
Diplomityö
2018
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2018102638821
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2018102638821
Tiivistelmä
This Master’s Thesis presents a dynamic core-annulus model of circulating fluidized bed (CFB) boilers which is implemented in Apros simulation software. In describing and verifying the model, the focus is on the solids balance and heat transfer inside the furnace. The model is to be used as a training simulator and engineering tool for CFB boilers.
The first objective of the work was to gather a comprehensive theory basis on CFBs, focusing on the main physical phenomena inside the furnace. The second objective was to document the modelling solutions of the new CFB model that were implemented in the Apros environment. The third objective was to develop and verify the CFB model so that the desired scope of operation is met.
The first and second objectives were met, but the third was not. The CFB model was further developed by using the theory basis gathered in this work. In addition, the theory basis acted as a foundation in determining the correctness of the model and the future development needs found with the simulation cases. The mass and heat balances of the model were verified and found correct. The functionality of the model was verified with six simulation cases. The model did well in the cases, but in some of them, single variables had to be controlled to get realistic results. The simulation cases showed that the model can be made to work realistically, but it demands experience and understanding of the functionality of the model. Therefore, the functionality of the model is not yet on a desired stage. The simulation cases were however successful in revealing important subjects of development for the model. Further development of the model is continued in the future. Tässä diplomityössä esitellään dynaaminen core-annulus-malli kiertoleijupedeille (CFB), joka on toteutettu Apros-simulointiohjelmistolle. Mallin kuvauksessa ja verifioinnissa keskitytään kiintoainetaseeseen sekä lämmönsiirtoon kattilan sisällä. Mallin käyttötarkoitus on toimia koulutussimulaattorina ja insinöörityökaluna CFB-kattiloille.
Työn ensimmäisenä tavoitteena oli kerätä kattava teoriakatsaus kiertoleijupedeistä, keskittyen merkittävimpiin ilmiöihin kattilan sisällä. Toisena tavoitteena oli dokumentoida Apros-ympäristöön tehdyn uuden CFB-mallin mallinnusratkaisut. Kolmantena tavoitteena oli kehittää ja verifioida CFB-mallia, jotta mallin toiminta saadaan halutulle tasolle.
Ensimmäinen ja toinen tavoite saavutettiin, kolmatta tavoitetta ei. CFB-mallia jatkokehitettiin työssä kerätyn teoriakatsauksen avulla. Lisäksi teoriakatsaus toimi perustana mallin oikeellisuuden arvioinnille sekä tulevaisuuden jatkokehitys -tarpeille, jotka löydettiin simulointikokeiden yhteydessä. Työssä verifioitiin mallin massa- ja energiataseet, jotka todettiin paikkansapitäviksi. Mallin toimintaa verifioitiin kuudella simulointikokeella. Malli suoriutui kokeista, mutta osassa tapauksista yksittäisiä parametreja oli säädettävä realististen tulosten saamiseksi. Simulointitapaukset osoittivat, että mallin saa toimimaan realistisesti, mutta se vaatii kokemusta ja ymmärrystä mallin toiminnasta. Täten mallin toiminta ei ole vielä halutulla tasolla. Simulointitapauksilla onnistuttiin kuitenkin selvittämään tärkeitä kehityskohteita mallille. Mallin kehitys jatkuu tulevaisuudessa.
The first objective of the work was to gather a comprehensive theory basis on CFBs, focusing on the main physical phenomena inside the furnace. The second objective was to document the modelling solutions of the new CFB model that were implemented in the Apros environment. The third objective was to develop and verify the CFB model so that the desired scope of operation is met.
The first and second objectives were met, but the third was not. The CFB model was further developed by using the theory basis gathered in this work. In addition, the theory basis acted as a foundation in determining the correctness of the model and the future development needs found with the simulation cases. The mass and heat balances of the model were verified and found correct. The functionality of the model was verified with six simulation cases. The model did well in the cases, but in some of them, single variables had to be controlled to get realistic results. The simulation cases showed that the model can be made to work realistically, but it demands experience and understanding of the functionality of the model. Therefore, the functionality of the model is not yet on a desired stage. The simulation cases were however successful in revealing important subjects of development for the model. Further development of the model is continued in the future.
Työn ensimmäisenä tavoitteena oli kerätä kattava teoriakatsaus kiertoleijupedeistä, keskittyen merkittävimpiin ilmiöihin kattilan sisällä. Toisena tavoitteena oli dokumentoida Apros-ympäristöön tehdyn uuden CFB-mallin mallinnusratkaisut. Kolmantena tavoitteena oli kehittää ja verifioida CFB-mallia, jotta mallin toiminta saadaan halutulle tasolle.
Ensimmäinen ja toinen tavoite saavutettiin, kolmatta tavoitetta ei. CFB-mallia jatkokehitettiin työssä kerätyn teoriakatsauksen avulla. Lisäksi teoriakatsaus toimi perustana mallin oikeellisuuden arvioinnille sekä tulevaisuuden jatkokehitys -tarpeille, jotka löydettiin simulointikokeiden yhteydessä. Työssä verifioitiin mallin massa- ja energiataseet, jotka todettiin paikkansapitäviksi. Mallin toimintaa verifioitiin kuudella simulointikokeella. Malli suoriutui kokeista, mutta osassa tapauksista yksittäisiä parametreja oli säädettävä realististen tulosten saamiseksi. Simulointitapaukset osoittivat, että mallin saa toimimaan realistisesti, mutta se vaatii kokemusta ja ymmärrystä mallin toiminnasta. Täten mallin toiminta ei ole vielä halutulla tasolla. Simulointitapauksilla onnistuttiin kuitenkin selvittämään tärkeitä kehityskohteita mallille. Mallin kehitys jatkuu tulevaisuudessa.