Модернізація топки котла на дерев'яних пелетах для когенераційних енергетичних установок малої потужності

Шпак, Володимир Володимирович
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7928
Title:	Модернізація топки котла на дерев'яних пелетах для когенераційних енергетичних установок малої потужності
Authors:	Беспалько, Сергій Анатолійович Шпак, Володимир Володимирович
Keywords:	топка котла;пелети
Issue Date:	30-Jan-2024
Abstract:	У даній роботі зроблений аналіз технологічних схем енергетичних установок малої потужності, способів спалювання твердого органічного палива, теплотехнічних рішень для створення енергетичних установок малої потужності для тепло- та електропостачання розподілених споживачів за рахунок спалювання місцевих видів твердих палив. У другому розділі описані експериментальні математичні моделі КЕУ, що базуються на ідеї використання повітряного робочого тіла, дозволяє розширити можливості використання пелетного палива і підвищити частку ТОП, що використовуються для енергопостачання індивідуальних споживачів. У третьому розділі пропонується методика моделювання двостадійного горіння палива передбачає послідовну передачу даних одновимірних розрахунків в якості граничних умов чисельного моделювання. Область газифікації досліджується з урахуванням перевірених моделей матеріального і теплового балансу. У четвертому розділі пропонується конструкція конфузорно-дифузорної форми топки з двома шарами підведення окислювача, що дозволяє досягти величин викидів токсичних речовин на рівні світових вимог до пелетних котлів. Запропоновані рішення по модернізації конструкції топки не спричиняють ускладнення експлуатації котла і його технічне обслуговування. У п'ятому розділі розглянуто основні вимоги по техніці безпеки перед початком роботи, під час роботи та при виникненні аварійних ситуацій при обслуговування котлів, що працюють на твердому паливі.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7928
Appears in Collections:	144 Теплоенергетика (Теплоенергетика)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
Шпак.pdf Restricted Access		2.09 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show full item record
Extracted text
3 
АНОТАЦІЯ 
На магістерську роботу на тему: «Модернізація топки котла на дерев'яних 
пелетах для когенераційних енергетичних установок малої потужності». 
Виконавець: ст.гр. мТЕ-88 Шпак Володимир Володимирович  
Керівник: к.т.н., доцент Беспалько 0Сергій Анатолійович 
Захищено: "__20__"___грудня_____2023р. 
__90__с.; __35_рис.; __3__таблиць; __85__літературних джерел. 
У даній роботі зроблений аналіз технологічних схем енергетичних установок 
малої потужності, способів спалювання твердого органічного палива,  
теплотехнічних рішень для створення енергетичних установок малої потужності для 
тепло- та електропостачання розподілених споживачів за  рахунок спалювання 
місцевих видів твердих палив. 
У другому розділі описані експериментальні математичні моделі  КЕУ, що 
базуються на ідеї використання повітряного робочого тіла, дозволяє розширити 
можливості використання пелетного палива і підвищити частку ТОП, що 
використовуються для енергопостачання індивідуальних споживачів. 
У третьому розділі пропонується методика моделювання двостадійного горіння 
палива передбачає послідовну передачу даних одновимірних розрахунків в якості 
граничних умов чисельного моделювання. Область газифікації досліджується з 
урахуванням перевірених моделей матеріального і теплового балансу. 
У четвертому розділі пропонується конструкція конфузорно-дифузорної форми 
топки з двома шарами підведення окислювача, що дозволяє досягти величин викидів 
токсичних речовин на рівні світових вимог до пелетних котлів. Запропоновані 
рішення по модернізації конструкції топки не спричиняють ускладнення експлуатації 
котла і його технічне обслуговування. 
У п'ятому розділі розглянуто основні вимоги по техніці безпеки перед початком 
роботи, під час роботи та при виникненні аварійних ситуацій при обслуговування 
котлів, що працюють на твердому паливі. 
  
4 
ЗМІСТ 
ВСТУП…………………………………………………………………………… 6 
РОЗДІЛ1. АНАЛІЗ АВТОНОМНИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК  
МАЛОЇ ПОТУЖНОСТІ НА ТВЕРДОМУ ОРГАНІЧНОМУ ПАЛИВІ… 7 
1.1 Оцінка перспектив використання твердого органічного палива для . 
автономної генерації …………………………….......................................... 8 
1.2 Аналіз технологічних схем енергетичних установок малої потужності  
на твердому органічному паливі…………………….……………………….. 10 
1.3. Аналіз способів спалювання твердого органічного палива на прикладі  
деревних пелет …………………….……………………………….. 14 
1.3.1 Способи спалювання твердого палива………………………………… 14 
1.3.2 Двостадійне спалювання твердого палива……………………………. 18 
1.3.3 Конструкції топок для двостадійного спалювання твердого палива… 21 
1.3.4 Газифікація палива в топці з двостадійним горінням………………… 23 
Висновок до першого розділу………………………………………………….. 25 
РОЗДІЛ2. РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ  
КОГЕНЕРАЦІЙНИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК НА  
ПЕЛЕТНОМУ ПАЛИВІ………………………………………………………. 27 
2.1. Енергетична установка із системою аварійного електроживлення  
власних потреб………………………………………..……………………… 28 
2.1.1 Обґрунтування вибору типу акумулятора, що використовується в  
енергетичній установці…………………………………………………….. 28 
2.1.2 Загальні положення математичної моделі енергетичної  
установки системою аварійного електроживлення власних потреб………. 30 
2.1.3 Визначення термодинамічних параметрів повітря перед  
детандером…………………………………………………………………….. 34 
2.1.4 Визначення способу підводу  повітря піддуву в котел 36 
  
МКР 23.144.13 ПЗ  
Змн. Арк . № докум. Підпис Дата 
Розроб. Шпак Зміст Літ. Арк. Акрушів 
  
Перевір. Беспалько магістерської   
   кваліфікаційної роботи  
 Н. Контр.   ЧДТУ, мТЕ-88 
Затверд.   
 
5 
2.2 Термодинамічний розрахунок енергетичної установки із системою  
аварійного електроживлення власних потреб………………………………….. 37 
2.3 Енергетична установка з автономною системою електроживлення  
власних потреб…………………………………………………………………. 40 
Висновок до другого розділу………………………………………………. 41 
РОЗДІЛ3. МОДЕЛЮВАННЯ ДВОХСТАДІЙНОГО СПАЛЮВАННЯ  
ТВЕРДОГО ПАЛИВА…………………...…………………………………… 
43 
3.1. Загальні відомості про дослідженнях горіння палива……….………… 
44 
3.2  Основні положення тривимірного моделювання процесів горіння….. 48 
Висновок до третього розділу………………………………………………. 51 
РОЗДІЛ 4. РОЗРОБКА МОДЕЛІ ТОПКИ ПЕЛЛЕТНОГО КОТЛА З  
СТАДІЙНИМ СПАЛЮВАННЯ ПАЛИВА…………………………….. 53 
4.1. Розробка та дослідження варіантів моделей топки зі ступінчастим  
підведенням окислювача ……………………………………………. 54 
4.2 Дослідження циркуляції води в водяному об’ємі котла……………..… 61 
4.3 Моделювання стенду для проведення експериментальних досліджень  
ступінчастого горіння палива…………………………………………… 62 
Висновок до четвертого розділу…………………………………………….. 64 
РОЗДІЛ 5 ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ  
СИТУАЦІЯХ ………………………………………………………………..… 66 
5.1. Загальні вимоги безпеки …………………………………….... 67 
5.2. Вимоги безпеки перед початком роботи ……………………………..… 69 
5.3. Вимоги безпеки під час роботи …………………………….… 71 
5.4. . Дії в аварійних ситуаціях.…………………………………….  79 
5.5. Вимоги безпеки після закінчення роботи.…………………………….. 81 
Висновок до п’ятого розділу……………………………………………….. 81 
ЗАГАЛЬНИЙ ВИСНОВОК…………………………………………………. 82 
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ……………………………… 83 
  
6 
ВСТУП 
Велика частина міського населення забезпечується тепловою та електричною 
енергією за рахунок централізованого енергопостачання від теплових електростанцій 
і міських котелень. Разом з тим все частіше виникає необхідність в використанні 
автономного електропостачання. 
Основна маса експлуатованих установок автономного енергопостачання - 
дизельні електростанції (ДЕС) і комбінації ДЕС та установки відновлюваних джерел 
енергії (ВДЕ). Основним недоліком ДЕС є висока собівартість і, як наслідок, ціна 
електричної енергії, яка в основному складається з ціни палива і його транспортування 
до місця споживання. 
Альтернативою ДЕС є енергетичні установки на базі теплових двигунів, 
споживаючі місцеві види твердих органічних палив. Найбільшого поширення набуло 
енергетичне використання відходів деревопереробки, що у тому числі використовуються 
для виробництва деревних пелет. Даний вигляд палива є типовим представником 
твердого органічного палива (ТОП) і був взятий в якості зразка для справжнього 
дослідження. Незважаючи на великий потенціал використання досі не створені 
когенераційні енергетичні установки малої потужності на твердому органічному паливі. 
Таким чином, дослідження, спрямовані на розробку теплотехнічних рішень в 
забезпеченні створення енергетичних установок малої потужності для тепло- та 
електропостачання розподілених споживачів за рахунок спалювання місцевих видів 
твердих палив є актуальним завданням. 
……… 
  
7 
 
 
 
РОЗДІЛ 1 
АНАЛІЗ АВТОНОМНИХ 
ЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК 
МАЛОЇ ПОТУЖНОСТІ  НА ТВЕРДОМУ 
ОРГАНІЧНОМУ ПАЛИВІ 
  
Змн. рк. докум. дпис Дата
оЗбм. н. Дата
АНАЛІЗ АВТОНОМНИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ . . шів 
евір. УСТАНОВОК МАЛОЇ ПОТУЖНОСТІ  НА 
Беспалько 
ТВЕРДОМУ ОРГАНІЧНОМУ ПАЛИВІ 
енз. РОЗДІЛ 1  
 
Контр.Н. мТЕ-88 
аКтонвтеррд.Н. .  
8 
1.1. Оцінка перспектив використання твердого органічного палива для 
автономної генерації 
Альтернативою використанню дизельної генерації є включення місцевих видів 
твердих палив (у тому числі і рослинного походження) в енергетичний баланс регіону 
Енергоустановки на твердому паливі є погодонезалежними і не вимагають наявності 
дублюючих генераторів на рідкому або газоподібному паливі. Серед великого 
різноманіття твердого палива можна виділити: вугілля (у тому числі низькокалорійні 
сорти), паливо, що виготовляється з відходів лісопильного виробництва, торфу, 
сільськогосподарських відходів. У таблиці 1.1 наведена порівняльна характеристика 
палив. 
Таблиця 1.1 
Порівняльна характеристика різних видів палив, що застосовуються для 
автономного енергопостачання 
Вид палива Теплота згоряння, Вологість,% Зольність,% Питома ціна 
МДж/кг,л,м3 (грн./МДж) 
Зріджений газ 46,00 0 0 0,6913 
Буре вугілля 16,30 до30 10-25 0,0429 
Кам'яне вугілля 22,00 до18 10-20 0,3182 
Антрацитне 29,30 до5 12-20 0,3925 
вугілля 
Дерев'яне вугілля 31,00 до6 до4 0,5484 
Березові дрова 10,90 15-25 до1 0,3466 
Дерев'яні пелети 17,20 до10 до1,5 0,4360 
Соснові дрова 7,50 15-25 до1 0,5556 
Ялинові дрова 7,11 15-25 до1 0,5711 
Пелети з торфу 16,20 до10 до6 0,405 
Дизель 44,80 0 0,01 0,8666 
Бензин 47,00 0 0 0,9989 
Широке застосування пелетного палива та зіставні теплофізичні 
характеристики з іншими видами твердого палива дає можливість використати його в 
якості імітатора для розробки автономного когенераційного енергетичного 
комплексу. 
У процесі повного циклу деревообробки утворюється велика кількість відходів, 
маса яких може досягати більше 50% від маси вихідних матеріалів. 
До 80% відходів тирси і стружки в справжній час використовується в 
виробництві паливних брикетів або гранульованих пелет. У країнах з високим рівнем 
9 
розвитку технології переробки деревини і відходів сільського господарства ступінь 
використання деревних і сільськогосподарських відходів в якості палива дуже висока, 
що добре видно на рисунку 1.1. 
 
Рис. 1.1. Частка застосування (%) відходів лісоводства та сільського господарства 
в енергетичних цілях 
У Європейському Союзі розподілена генерація становить у середньому 10% від 
загальної електрогенерації, причому в якості автономних джерел достатньо широко 
поширене застосування поновлюваних джерел енергії. Більше 50% виробництва 
електричної енергії в Данії доводиться на станції, що використовують відновлювані 
джерела енергії (вітроустановки, тверде органічне паливо (ТОП), гідроенергетика), 
27% всього обсягу споживаної енергії в Австрії виробляється при використанні 
біомаси в якості енергоносія. У Швеції та Фінляндії ТОП (в основному деревина) 
покриває п'яту частина (20%) споживаної енергії [34-37]. 
Використання хімічно пов'язаної енергії ТОП для забезпечення потреб в 
електроенергії пов'язано з деякими труднощами у разі необхідності переходу на новий 
вигляд палива широко поширених енергоустановок, призначених для роботи 
переважно на висококалорійному газоподібному або рідкому паливі. Існуючі 
паротурбінні установки (ПТУ), що включають до свого складу твердопаливні котли 
зазвичай призначені для енергозабезпечення великих споживачів, оскільки створення 
малих ПТУ виявляється економічно неефективним в силу великої металоємності 
парової турбіни та котла, яка тим вища, ніж менше встановлена потужність [38-40]. 
 
 
1.2 Аналіз технологічних схем енергетичних установок малої потужності 
10 
на твердому органічному паливі 
Роботи, спрямовані на вирішення проблеми автономного енергопостачання з 
використання ТОП на сьогоднішній день ведуться дуже активно. Розробляються 
рішення, які дозволяють отримувати генераторний газ з біомаси та використовувати 
його у традиційних енергоустановках малої потужності. 
Наприклад, мікротурбіни фірми Capstone, потужністю від 10 до 1000 кВт, 
успішно використовуються для автономних систем генерації електроенергії і тепла. 
за даними виробника мікротурбіни можуть працювати (крім природного газу) на 
біогазу: сміттєвому газі (24) мікротурбіни використовуються для утилізації 
звалищного газу в Медісон, штат Вісконсін, США), анаеробному газі, газі, виходить 
при очищення стічних вод (мікротурбіна Capstone C 200 на біогазі виробляє тепло і 
електроенергію на водоочисний станції Cossato Spolina в Італії), а також синтез газі. 
Істотним недоліком даного технічного рішення є те, що газотурбінні установки 
чутливі до якості палива, особливо до його калорійності (теплотворна здатність 
газового палива має бути не менше 10500 кДж/м3 ) [42]. Газотурбінні установки також 
чутливі до чистоти палива, тому в технологічній схемі обов'язкова наявність системи 
очищення генераторного газу. Системи очищення газу, що забезпечують глибоке 
очищення від домішок (як правило, це системи мокрого або напівсухого очищення) 
дороговартісні, мають високі значення споживання електроенергії на власні потреби, 
вимагають організації власного водяного контуру, значно знижують температуру 
генераторного газу (до 70-900 С) [43, 44]. 
Тим не менше наявність вузла газифікації значно ускладнює технологічну 
схему, робить її дорогий і незручний для побутового використання. за цією причини 
на сьогоднішній момент ведуться розробки КЕУ, репрезентують собою комбінацію 
пелетного котельного агрегату і двигуна Стірлінга, як показано на малюнку 1.2. 
11 
 
Рис 1.2 - Комбінація пелетного котла і двигуна Стірлінга [45] 
Це технічне Рішення безумовно може вирішити проблему автономного 
енергопостачання споживачів, однак, для його практичною реалізації необхідно 
вирішити ряд серйозних завдань: 
1. Двигуни Стірлінга мають достатньо низьку питому потужність на м3 
робочого об’єму. Більшість існуючих двигунів Стірлінга мають діапазон потужності 
1-3 кВт [46]. 
2. Необхідна детальна розробка системи регулювання подібного 
когенераційного енергетичного модуля, яка дозволить компенсувати коливання 
добових навантажень споживання енергії. 
3. Експлуатація обладнання, ремонт і заміна складових частин двигуна 
Стірлінга для побутових потреб можуть бути утруднені в зв'язку з відсутністю 
широкого поширення подібних установок. 
Таким чином, когенераційні установки автономного енергопостачання, що 
використовують в якості джерела енергії хімічно пов'язану енергію ТОП, зараз 
потребують серйозних конструктивних та технологічних доробок, досить дорогі і 
складні для побутової експлуатації. 
Перспективним рішенням є використання різних видів твердих палив, в том 
числі і місцевих видів твердих органічних палив (деревина та продукти обробки, 
торф). Котли, які використовують ТОП, достатньо різноманітні по своєю конструкції 
і можуть бути класифіковано по наступним параметрам [50, 51]: 
12 
• по виду спалюваного палива: дрова, брикети, вугілля, гранульоване 
паливо; 
• по принципу спалювання: котли тривалого горіння, піролізні котли, 
традиційні, комбіновані; 
• по матеріалам виготовлення: сталеві, чавунні; 
• по принципу передачі потужності, що генерується: повітряні, водяні 
(найбільш поширені), парові. 
Істотним недоліком традиційних твердопаливних систем опалення (наприклад, 
печі) є «ручна» подача палива та малий час роботи печі від заповненої топки, часта 
необхідність ручного чищення від золи, а також нерівномірний прогрів приміщення 
(рисунок 1.3 (а)). Подібні системи опалення вимагають постійного контролю процесу 
горіння і присутності поряд, що різко знижує зручність їх застосування у сучасному 
світі. Для рішення даної проблеми розробляються нові покоління твердопаливних 
котлів, в яких реалізовані технології тривалої роботи в автономному режимі, а саме: 
• котли тривалого горіння; 
• газогенераторні і піролізні котли; 
• пелетні котли. 
Принцип роботи котла тривалого горіння в цілому схожий з роботою 
традиційних твердопаливних котлів. ТОП спалюється в паливний камері, тепло від 
спалювання сприймається стінами топки і передається до теплоносія. 
Відмінністю є забезпечення можливості тривалого горіння від заповненої топки 
[26]. 
Котли тривалого горіння малої потужності фірми Stropuva потужністю 15 кВт 
мають ККД, що дорівнює 85% і забезпечують безперебійну роботу від однієї закладки 
під час використання дров до 31 години, під час використання пелет – до 72 годин 
[27]. 
Піролізні котли (рисунок 1.3 б) є різновидом твердопаливних котлів, в якому 
тверде паливо і виходячі з нього леткі речовини спалюються окремо за рахунок поділу 
топкового об'єму на дві частини. У першою частини при нехватці окислювача 
відбувається процес піролізу палива та вихід летючих горючих речовин. Летючі 
допалюються в другій частині топки, куди подається з надлишком вторинне повітря. 
До недоліків піролізних котлів відносять великі габарити агрегату і неприпустимість 
13 
використання сирих дров, що ставить багато питань по зберігання дров [52]. 
 
Рис. 1.3 - Твердопаливні опалювальні установки: традиційна піч (а), піролізний 
котел (б). 
Системи індивідуального теплопостачання на гранульованому паливі достатньо 
давно успішно застосовуються в багатьох європейських країнах [53]. Переваги 
пелетного палива, описані вище роблять дані котли одними з найперспективніших 
систем теплопостачання на сьогоднішній день. Часто пелетні котли 
використовуються в комбінації з іншими джерелами енергії, наприклад, сонячні 
колектори або електричні системи теплопостачання. Серйозний проблемою для 
роботи автоматичних твердопаливних котлів можуть стати перебої з 
електропостачання, які досить часто зустрічаються останнім часом. Причинами 
перебоїв з електропостачанням частіше всього є: обриви проводів через налипання 
снігу, крижаних дощів, падіння дерев, а також висока ступінь зносу 
електротехнічного обладнання і його перевантаженості, що ставить завдання 
необхідності наявності резервного електроживлення, що забезпечують безперебійну 
роботу систем опалення. 
 
 
1.3 Аналіз способів спалювання твердого органічного палива на прикладі 
деревних пелет 
14 
1.3.1 Способи спалювання твердого палива 
Екологічні характеристики котлів малої потужності довгий час не представляли 
інтересу для дослідників з огляду малої частки викидів в порівнянні з 
великомасштабними об'єктами. Однак, зріст частки їх використання в системах 
опалення привів до необхідності детальнішого розгляду цього питання. Спалювання 
ТОП, як альтернативи викопним паливам часто розглядається як «зелена» енергія, 
проте спалювання ТОП відбувається не без негативного впливу на навколишнє 
середовище. Як і в котлах великої потужності утворюються викиди твердих частинок, 
монооксиду вуглецю і оксидів азоту. На сьогоднішній день сформовані екологічні 
вимоги до спалювання ТОП [54, 55]: 
1. Спалювання повинно бути повним: мінімальні концентрації монооксиду 
вуглецю (викиди CO не більше 500 ppm) і твердих частинок незгорілого вуглецю. 
2. Спалювання палива не повинно приводити до високих викидів токсичних 
речовин (зокрема оксидів азоту NOx не більше 320 мкг/м 3 ). 
3. Горіння повинно бути стабільним, без начерків смол на стіни. 
Такі способи скорочення викидів як некаталітичне відновлення (SNCR) або 
селективне каталітичне відновлення (SCR) зазвичай використовуються для 
великомасштабних котлів і занадто дороге для індивідуальних систем малої 
потужності [56, 57]. Отже, в побутових системах малої та середньої потужності 
життєздатні в основному первинні заходи по скорочення викидів (модифікація 
процесу згоряння), і вони реалізуються в багатьох різних формах і стратегіях процесу 
[58 - 60]. Прагнення перейти до екологічного, недорогого і зручного з точки зору 
подачі та організації процесу спалювання палива актуалізує питання, пов'язані з 
детальним дослідженням способів спалювання твердого палива, вивченню механізму 
протікання процесу займання і горіння. 
Механізм гетерогенного горіння включає чотири основні стадії розвитку 
процесу [61]: 
• на першою стадії відбувається процес нагріву, випаровування вологи і 
подальше нагрівання до початку інтенсивного виходу летких газів; 
• на другій стадії відбувається процес виходу летких компонентів палива 
(піроліз) та горіння летких в газовій фазі; 
• на третій стадії відбувається розігрів коксового залишку до його 
15 
займання; 
• на четвертій - згоряння коксового залишку. 
Продуктами піролізу є леткі газоподібні речовини: CO, H2, CH4 CO2 H2O, O2 
[62]. Склад продуктів піролізу та структура коксового залишку залежать від типу 
палива, початкової та кінцевої температури нагріву, розмірів частинок та інших 
факторів. 
Існують чотири основних способи спалювання твердого палива [63, 64]: 
• шаровий – у щільному шарі, що фільтрується; 
• в киплячому або псевдоскрапленому шарі; 
• смолоскипний (Камерний); 
• циклонний (Вихровий). 
Спалювання палива у щільному шарі – найпоширеніший для котлів малої 
потужності метод. Як правило, застосовується для спалювання шматкового палива на 
колосникових гратах, через які подається необхіднк для горіння повітря (рисунок 1.4). 
У верхній частині після завантаження знаходиться свіже паливо, нижче 
розташовується палаючий кокс, а безпосередньо на ґратах - шлак. По мірі руху при 
горінні паливо поступово проходить всі зони. 
Спосіб шарового спалювання в щільному фільтрованому шарі отримав 
найбільше поширення в енергетичних котлах малої та середньої потужності (нерухомі 
грати використовуються в котлах до 1 МВт, рухливі і колосникові решітки, що 
обертаються, застосовуються на котлах потужністю до 10 МВт) завдяки простоті 
використання і компактній конструкції топки. Цей спосіб забезпечує дуже широкий 
діапазон регулювання потужності (10-100%). Важливою перевагою є те, що 
спалювання в щільному шарі, що фільтрується, не вимагає подрібнення палива. 
Принцип спалювання у щільному шарі часто використовуються в побутових 
енергетичних котлах [35]. 
До суттєвим недоліків спалювання в щільному шарі можна віднести значний 
хімічний (до 1%) та механічний недопал (q4 може досягати 10%) внаслідок наявності 
винесення палива з поверхні шару.. 
16 
 
Рис. 1.4 – Схема спалювання палива в щільному шарі, що фільтрується 
Спалювання палива в киплячому шарі є більш сучасним і технологічним 
способом. У нижній частини грат розташовуються повітророзподільні грати з 
форсунками, до яких підводиться повітря під тиском, над форсунками знаходиться 
шар інертного матеріалу (шлак, пісок, вапняк), як показано на рисунку 1.5. 
Спливання повітря з форсунок викликає рух частинок в вигляді «кипіння», 
горіння відбувається у ванні розпеченого інертного матеріалу. Спалювання твердих 
палив в киплячому шарі має високі екологічні показниками, при температурах шару 
в межах 800-9000 С виключається утворення термічних оксидів азоту, інтенсивне 
перемішування сприяє зниженню хімічного недопалу. Топки з киплячим шаром 
зазвичай використовуються при номінальних потужностях котла від 10 до 30 МВт. До 
суттєвих недоліків спалювання в киплячому шарі можна віднести: складну 
конструкцію топки та витратну технологію виробництва обладнання, а також жорсткі 
вимоги до фракційного складу палива (параметри розраховуються на певний розмір 
частинок) [66] 
 
Рис.1.5 - - Схема спалювання палива в киплячому шарі [50]. 
Смолоскипне спалювання твердого палива реалізують в камері, в яку 
17 
спеціальними пиловими пальниками подається суміш повітря з попередньо 
подрібненим в пил паливом, як показано на рисунку 1.6 
 
Рис.1.6 - Схема смолоскипного спалювання [50]. 
Вихрове спалювання є одним з самих технологічних способів спалювання. 
Найчастіше цей спосіб застосовується для спалювання дрібнофракційного. та 
пилоподібного палива, при його реалізації більша частина палива не знаходиться на 
колосникових гратах, а обертається у вихровому потоці повітря піддуву, по суті, дана 
технологія – це спосіб спалювання палива в підвішеному стані (рис. 1.7) 
 
Рис.1.7 - Схема вихрового спалювання [65] 
Вихрова аеродинаміка потоку використовується для глибокого спалювання 
летких і пригнічує емісію шкідливих речовин завдяки активному перемішуванні 
компонентів горіння і збільшенні часу перебування горючих компонентів в зоні 
високих температур. При цьому максимальні температури в топці обмежуються 
значеннями, нижче рівня активного утворення оксидів азоту. 
Застосування вихрових методів для спалювання ТОП у котлах малої та 
середньої потужності пов'язано з рішенням певних завдань, наприклад, необхідністю 
зміни конструкції пальникового пристрою у відповідності з особливостями 
18 
використовуваного палива, розробка способів дозування, подрібнення та подачі 
палива в топкову камеру. 
Побутові опалювальні котли, що використовують як джерело енергії тверде 
паливо, частіше всього використовують принцип спалювання в щільному шарі, що 
фільтрується. Цей спосіб підходить для різних видів палив (у тому числі підходить 
для палив з різними розмірами фракцій) не вимагає попередньої підготовки палива, 
має невисоке значення золоутворення (не потрібно встановлення додаткових систем 
очищення димових газів), а також забезпечує простоту конструкцій топки. 
Враховуючи недоліки спалювання палива в щільному шарі, можна зробити 
висновок, що технологія опалення на паливних гранулах вимагає доробок з точки зору 
забезпечення організації ефективного горіння палива: забезпечення повноти горіння 
палива, сприяє зниження втрат теплоти з хімічним і механічним недопалом 
(складники q3, q4 при розрахунку теплового балансу); забезпечення зниження 
кількості викидів СО та NOx . Для цього вкрай важливо правильно організувати 
подачу палива та підведення окислювача, використовуючи методи, характерні для 
різних способів спалювання [51]. 
1.3.2 Двостадійне спалювання твердого палива 
Висока ступінь вигоряння палива і низькі викиди шкідливих речовин для 
твердопаливних котлів можуть бути забезпечені шляхом комбінування способів 
підводу окислювача, властивих для шарового і вихрового спалювання палива. По суті, 
ступінчаста подача повітря – це тип процесу горіння, що характеризується 
просторовим поділом подачі повітря для горіння на два чи більше потоків. При 
спалюванні твердого палива це виявляється у просторовому та тимчасовому поділі 
процесу видалення летких речовин, процесу хімічного окислення і окислення в 
газовій фазі [67]. 
Для реалізації описаного способу спалювання топкова камера розділяється на 
дві технологічні зони, як показано рисунку 1.8 б. У первинну зону подається повітря 
в кількості менше стехіометричного, і відбувається газифікація (сушіння, 
швелювання і перехід вуглецю в газову фазу). 
У вторинну зону подається вторинне повітря для прямого спалювання продуктів 
газифікації палива та (за їх присутності) частинок винесеного твердого палива. 
19 
 
Рис. 1.8 – Спалювання палива в щільному шарі: одностадійне (а) і двостадійне (б) 
Подібна організація топкового простору дозволяє: зменшити хімічний недопал, 
знизити кількість твердих частинок, що несуть з поверхні шару (зменшити 
механічний недопал) за рахунок невисокої швидкості повітря, зменшити 
концентрацію шкідливих викидів в атмосферу і знизити сумарну величину надлишку 
окислювача в топці (α∑ ). Це обумовлено наступними особливостями спалювання 
палива в напівгазовій топці: 
• горіння продуктів газифікації в надшаровому просторі краще піддається 
регулюванню: допалювання генераторного газу може бути виконане багатьма 
можливими способами інтенсифікації процесу горіння; 
• для спалювання генераторного газу може бути прийнято менше значення 
коефіцієнта надлишку окислювача (αзаг) по порівнянні з прямим спалюванням палива 
в шар; 
• знижена температура в первинної зоні горіння перешкоджає утворенню 
термічних оксидів азоту; 
• нестача кисню в первинній зоні горіння знижує утворення паливних 
оксидів азоту; 
• при подачі під колосникові грати меншої кількості повітря знижується 
швидкість повітря при проходженні через шар, що зменшує ризик зриву частинок з 
поверхні шару; 
• високий вміст баластних газів в продуктах газифікації дозволить знизити 
рівень температур, що знижує ризик утворення термічних оксидів азоту. 
Дослідження показують, що, варіюючи співвідношення первинного і 
вторинного повітря можна контролювати величину викидів монооксиду вуглецю, 
оксидів азоту та твердих частинок [68]. 
20 
Сукупний аналіз літератури показав, що при організації двоступінчастого 
горіння важливе значення мають: 
1. Розподіл повітря по щаблям. Крім очевидного зниження швидкості 
потоку газів в області шару, зниження величини надлишку окислювача дозволяє 
знизити температуру в області первинного горіння, що також впливає на механізм 
утворення лужних викидів, що призводять до шлакування поверхонь і корозії. 
Літературні дані показують, що помітне скорочення викидів твердих частинок і 
оксидів азоту спостерігаються при підтримці температури в первинної зоні нижче 
900°С [54]. 
2. Спосіб підведення вторинного окислювача, який багато в чому визначає 
аеродинаміку в топковій камері і дозволяє регулювати інтенсивність змішування 
окислювача з горючими газами, час перебування палива в зоні високих температур і 
кратність циркуляції. 
Можливі різні варіанти організації руху повітряних струменів та їх взаємодії з 
генераторним газом: 
• ортогональне підведення повітря (технологічно даний спосіб є самим 
простим); 
• закрутка повітряних струменів в горизонтальному вихорі; 
• закрутка повітряних струменів в вертикальному вихорі. 
Закрутка повітряного потоку сприяє збільшенню часу перебування газів в 
високотемпературній зоні і забезпечує рівномірне заповнення смолоскипного 
топкового простору, що в сукупності сприяє більш повному вигорянню генераторного 
газу. Аеродинаміка вихрової зони створюється за рахунок взаємодії двох 
організованих потоків повітря з топковими газами. Потоки спрямовані назустріч один 
одному та утворюють сили, що створюють вихровий рух у топці. Вирівнювання рівня 
температур забезпечується за рахунок залучення в зону активного горіння більшого 
обсягу топкового простору. Знижений рівень температур у зоні активного горіння за 
рахунок багаторазової циркуляції летких і паливних частинок забезпечують 
покращені показники за повнотою згоряння та шкідливими викидами, оскільки в 
цьому випадку буде забезпечена повнота вигоряння палива, а максимальні 
температури в топці будуть недостатніми для утворення великої кількості термічних 
оксидів азоту [70]. 
21 
1.3.3  Конструкції топок для двостадійного спалювання твердого 
палива 
Приклади конструкцій топок для стадійного горіння ТОП демонструють різні 
поєднання розподілу окислювача по щаблям. Використовують комбінації різних 
способів горіння, і застосування систем організації вторинних струмів і вихрових 
течій в топці (рисунки 1.9-1.11). Найменш ефективним рішенням з запропонованих є 
варіант на малюнку 1.9. Встановлення дефлектора високо над шаром не призводить 
до організації зворотних струмів, а лише прискорює потік в області звуженого 
проходу, експериментально певна величина викидів монооксиду вуглецю для 
наведеної конструкції складають більше 1500 ррм, відносне зниження викидів 
спостерігається при організації вихрової течії (рисунок 1.10). 
Рис 1.9 – Пелетний котел з двоступеневим горінням встановленим дефлектором у 
вторинній зоні [71]. 
 
Рис 1.10 – Конструкція топки пелетного котла із закруткою потоку вторинного 
повітря [71] 
Зниження температури в області горіння нівелюється розвиненим вихровою 
течією та тривалим часом перебування компонентів в обсязі топки, авторами 
22 
наводиться лише значення викидів, отримані чисельним моделюванням, величина яких 
складає всього 10 ppm, що швидше каже про невідповідності застосовуваної 
розрахункової методики реальній картині горіння. 
Рис 1.11 – Принципова схема та конструкція топки з триступінчастою 
системою спалювання пелет [72]  
Автори статті наводять значення викидів СО не більше 300 ppm та NOx не більше 
50 мг/нм3 для запропонованого варіанта конструкції топки, що працює на деревних 
пелетах. Забезпечуюча високі екологічні характеристики топка має досить складну 
конструкцію, що передбачає наявність передтопки і підводу вторинного повітря 
системою сопел, розташованих по колу циліндричної основної топки. 
 
Рис 1.12 – Конструкція топки пелетного котла з охолодженням паливного 
шару [73] 
Охолодження паливного шару реалізує ідею зниження температури первинного 
горіння, що, згідно наведеним даними, дозволяє знизити величини викидів твердих 
частинок та монооксиду вуглецю. Однак, питання зашлаковування і, як слідство, 
прогорання труб охолодження ставлять під сумнів надійність роботи запропонованої 
конструкції. 
23 
Аналіз літератури по конструкцій топок котлів на твердому органічному паливі 
показав, що реалізація східчастого горіння на сьогодні актуальне та перспективне 
завдання, що дозволяє збільшити екологічні характеристики твердопаливних котлів 
малої і середньої потужності. При цьому слід зазначити, що наведені у літературі 
дослідження часто наведені для певного типу твердого палива (дані для іншого типу 
можуть сильно відрізнятись). У ряді досліджень наведені дані лише результати 
чисельного моделювання, які мають сильну варіативність у залежності від 
використовуваних інструментів та налаштувань досліджувача. Таким чином, 
використовуючи лише літературні дані неможливо зробити однозначні висновки по 
вибору конструкції топки для твердопаливного котла, вхідного в склад 
когенераційного енергетичного комплексу 
1.3.4 Газифікація палива в топці з двостадійним горінням 
Важливим завданням для організації ефективного двостадійного спалювання є 
створення умов для повної газифікації палива, що має на увазі повну конверсію 
вуглецю палива в газоподібну фазу та відсутність винесення твердих горючих частинок 
з шару поверхні. З метою розробки конструкції топкової камери, забезпечує високі 
показники екологічної і енергетичної ефективності, потрібно забезпечити умови для 
стабільною газифікації палива в обємі, відповідному витраті палива при номінальній 
тепловій потужності. 
Для ефективної і стабільної газифікації необхідно: 
• рівномірний розподіл палива  по шару (для забезпечення рівномірного 
доступу повітря); 
• підтримка необхідної висоти паливного шару; 
• вибір оптимального коефіцієнта надлишку окислювача для підтримки 
автотермічності процесу; 
• підтримка подачі окислювача на заданому рівні. 
Визначення умов ефективного термічного розкладання палива в первинній зоні 
обумовлено необхідністю дослідження фізичних процесів, що протікають при 
газифікації пелетного палива, що необхідно для створення нової конструкції топкової 
камери, що дозволяє забезпечити високе значення ККД за рахунок низьких значень 
хімічного (q3) та механічного (q4) недопалу. 
24 
У основі газифікації лежить неповне горіння палива в недоліку окислювача. При 
газифікації відбувається перетворення органічної частини твердого палива в горючий 
газ. При цьому весь вуглець і інші горючі елементи повністю переходять в газоподібне 
паливо [61]. У процесі газифікації шар палива умовно поділяється на три зони: зона 
сушіння палива, зона швелювання (термічного розкладання) і зона безпосередньо 
газифікації, де процеси протікають з продуктом швелювання деревини – вугіллям. 
Різноманітність ТОП зумовлює широкий діапазон його властивостей і 
характеристик перебігу процесів газифікації Вологість непідготовленої біомаси може 
досягати 50%, для підготовлених палив (брикети, пелети) значення вологості невисоко 
і приймає значення в діапазоні 5-10%. Зміст летких компонентів, перерахованих на 
суху беззольну масу, становить від 65 до 85%, що вище, ніж у багатьох видів вугілля. 
При спалюванні ТОП необхідно приділити підвищену увагу питанням ефективного 
спалювання летких. Пов'язаного вуглецю (пального вуглецевого залишку) менше 7%. 
Особливістю біопалив є високий вміст кисню (32-45%). Нижча теплота згоряння 
становить від 15 до 22 МДж/кг. Велика різноманітність теплотехнічних характеристик 
біомаси наводять до необхідності вивчення впливу даних характеристик на процеси 
горіння палива [75]. Випробування процесів спалювання різних видів палив показують 
пряму залежність протікання процесу горіння від різних факторів: типу палив, розмірів 
частинок, величини надлишку окислювача, швидкості нагріву палива. В силу того, що 
склад та характеристики різних біопалив можуть значно відрізнятися друг від друга, 
при розробці теплотехнічного обладнання, яке працює на біопаливі необхідно 
враховувати кожен із зазначених факторів. 
Залежність параметрів процесу горіння від теплотехнічних характеристик палива 
та організації процесу горіння відображені у результатах фізичних випробувань для 
різних палив: деревини, очеретяних пелет і деревини сосни. Дослідження процесу 
горіння деревини і очеретяних пелет проводились при трьох різних значеннях 
надлишку окислювача (від 1,8 до 4,1). З деревини сосни були взяті 4 типорозміри 
паливних частинок, щоб наочно переконатися в впливі розмірів паливних частинок на 
процеси горіння. 
Вихід і склад продуктів газифікації залежать від наступних властивостей вихідної 
сировини: 
• порода деревини, з якої виготовлені пелети (хімічний склад палива), 
25 
наприклад, найбільший вихід генераторного газу спостерігається при газифікації 
деревини ялинових порід в зв'язку з тим, що ця деревина містить найбільше кількість 
вуглецю (є найбільш важливим фактором); 
• розмір газифікованого палива; 
• вологість палива; 
• вологість повітря піддуву; 
• висота шару палива (оптимальна висота шару залежить від коефіцієнта 
надлишку повітря, що подається під ґрати); 
• насипна густина палива. 
Різні склади палив забезпечують помітно різний рівень викидів. Гранули з торфу 
та соломи найвищий рівень викидів CO, що може бути пов'язано з недостатнім рівнем 
окислювача в топці та невисоким рівнем температур (що вище вологість палива, тим 
більше тепла необхідно для підсушування палива). При цьому пелети з деревини 
показують найменший рівень викидів. 
Рівень температур продуктів піролізу вологого палива помітно нижче рівня 
температур при використанні палива з меншою вологістю. При збільшенні коефіцієнта 
надлишку окислювача рівень температур підвищується здебільшого внаслідок 
збільшення часткового окислення вугілля та летких речовин. Кількість водяних парів і 
золи зменшується при збільшенні кількості подачі первинного повітря, це пов'язано з 
більш інтенсивними процесами реакцій з водяним паром за високих температур. 
Висновок до першого розділу 
Установки автономного енергопостачання поділяються на дві категорії, а саме: 
погодозалежні, до яких належать енергоустановки на базі поновлюваних джерел 
енергії і погодонезалежні джерела на базі органічного палива: вугілля, газу, дизеля, 
місцевих видів твердих органічних палив. 
Робота КЕУ малої потужності, використовують ТОП (зокрема, дерев'яні 
пелети), в більшості випадків, базується на використанні традиційних 
енергоустановок малої потужності (ГТУ, ДВС) із попереднім отриманням 
газоподібного або рідкого палива. Наявність додаткових агрегатів суттєво ускладнює 
схему, що робить нераціональним її використання для вироблення малої потужності, 
наприклад, як аварійне джерела живлення або автономного джерела для 
автоматичної системи теплопостачання. Розробка систем без додаткових агрегатів 
26 
для перетворення твердого палива на газоподібне є актуальним завданням, яке 
дозволить розширити діапазон використання місцевих видів твердих органічних 
палив. 
Для систем автономного теплопостачання необхідна розробка систем 
аварійного електропостачання для випадку аварійних відключень електроенергії. 
Зростання масштабів використання ТОП в енергетичних цілях ставить 
завдання підвищення екологічної ефективності процесів горіння та розробки 
ефективних конструкцій топкових камер.  
27 
 
 
   
 
 
 
РОЗДІЛ 2 
 
РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНИХ 
МОДЕЛЕЙ КОГЕНЕРАЦІЙНИХ 
ЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК НА 
ПЕЛЕТНОМУ ПАЛИВІ 
  
МКР 23.144.13 ПЗМКР 23.144.13 ПЗ 
Змн. Арк.А № докум№ ПідписПі Дата
Розроб.Розр ШпакШпак  Літ..Літ Арк..Арк АкрушівАкру
Перевір.Пер РОЗДІЛ 2 
Беспалько 
РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ   
Реценз...Рец  КОГЕНЕРАЦІЙНИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ 
Н. Контр  ЧДТУ, мТЕ-88ЧДТУ, 
УСТАНОВОК НА ПЕЛЛЕТНОМУ ОЗДІЛ 1. 
Затверд...З  
28 
2.1. Енергетична установка із системою аварійного електроживлення 
власних потреб 
Вироблення електричної енергії з використанням як первинного джерела енергії 
ТОП (зокрема, деревних пелет) без його перетворення на рідке або газоподібне має на 
увазі використання непрямого нагріву робочого тіла для недопущення влучення 
золових і незгорілих частинок палива у проточну частину турбіни. Як робоче тіло в 
роботі обрано атмосферне повітря, що не вимагатиме реалізації замкненої системи 
циркуляції і забезпечить можливість його накопичення. Принципова схема установки 
показана на рисунку 2.1 
 
Рис. 2.1 - Принципова схема енергетичної установки із системою аварійного 
електроживлення власних потреб, ТС – теплова система; ЕД – електричний двигун; 
РТ – регулятор тиску; К - Компресор; Т - повітряна турбіна 
2.1.1 Обґрунтування вибору типу акумулятора, що використовується в 
енергетичній установці 
Наявність пневматичного акумулятора в тепловій схемі є нетиповим рішенням 
для споживачів малої потужності. Традиційно для забезпечення автономного 
електропостачання застосовуються електрохімічні акумулятори електричної енергії. 
Це пов'язано насамперед із прямим перетворенням електричної енергії, високим ККД 
(біля 86%) і компактністю обладнання. Найбільш широко поширені свинцево- 
кислотні та літій-іонні акумулятори. Усі типи акумуляторів мають ряд суттєвих 
недоліків. Так, під час перерв в експлуатації відбувається саморозряд (Поступова 
втрата ємності при тривалій бездіяльності) акумуляторної батареї. На добу 
саморозряд може становити 0,5-0,8%. В кінці терміну служби добовий саморозряд 
29 
батареї може зрости до 4%. Проблемою також є поступова деградація характеристик 
акумуляторів зі часом навіть якщо вони не використовуються. При нагріванні в 
процесі роботи ефект старіння може посилюватись до двох разів. Крім того, 
акумуляторні батареї вимагають особливого порядку утилізації через те, що вони 
містять важкі метали і кислоти. Також до недоліків електрохімічних акумуляторів 
можна віднести їх високу вартість. Вартість одного кВт‧год суттєво залежить від 
якості матеріалів, що використовуються при створенні акумулятора максимальної 
питомої ємності і може досягати 4000 $/кВт‧год, а термін роботи близько 8 років [76, 
77]. 
У зв'язку з недоліками традиційного варіанта, доцільно розглянути 
альтернативні засоби забезпечення автономного електропостачання. В якості 
альтернативи можуть розглядатися механічні акумулятори енергії, які за принципом 
роботи можна поділити на кінетичні та потенційні. Кінетичні акумулятори, 
наприклад, маховики, відрізняються складністю конструкції, низькою надійністю, 
наявністю вузлів, що знаходяться під динамічними і вібраційними навантаженнями, 
мають низьку енергоємність а також, для досягнення високого ККД, вимагають 
забезпечення особливих умов роботи (вакуумна камера, магнітна подушка і т.д.), що 
робить практично неможливим їх ефективне використання в побутових цілях. 
До потенційних акумуляторів відносяться пружинні, гравітаційні та 
пневматичні пристрої накопичення енергії [77]. Пружинні акумулятори знайшли 
широке застосування в механічних годинниках. Термін зберігання енергії в 
пружинних накопичувачах енергії може складати роки. Однак, для забезпечення 
плавної зарядки і розрядки потрібна наявність складних механічних частин, часто 
зубчастих передач. При збільшенні ємності і розмірів пружинного акумулятора, 
габарити необхідних редукторів також багаторазово зростають. 
Гравітаційні накопичувачі енергії бувають двох видів: твердотільні та рідинні. 
Для їх створення потрібно зведення складних, капіталомістких конструкцій, 
відповідальних підвищеним вимогам надійності і безпеки: для твердотільних 
накопичувачів – потрібне створення вертикальної або похилій шахти, а для рідинних 
- будівництво герметичних резервуарів і систем сполучних каналів. Обидва варіанти 
практично нереалізовані в побутових умовах. 
Усе більше поширення на сьогоднішній день набувають пневматичні 
30 
акумулятори, які частіше всього працюють в складі комбінованих електростанцій з 
вітрогенераторами, однак також використовуються і в енергоустановках палива [78, 
79]. В якості накопичувачів енергії малої потужності на сьогоднішній день знайшли 
широке поширення балонні пневматичні акумулятори. Вони широко застосовуються 
при створенні гібридних силових установок автомобілів. Найбільше поширення 
мають схеми, що включають двигун внутрішнього згоряння, один або кілька тягових 
електродвигунів і акумуляторну батарею [80]. Однією з проблем зберігання енергії в 
пневматичних акумуляторах є втрати при стисканні, але для побутового використання 
вони є найбільш перспективним рішенням [81]. в порівнянні з традиційними 
електрохімічними, пневматичні акумулятори мають ряд важливих переваг, а саме: 
простота конструкції, що забезпечує високу надійність та довговічність роботи, 
невибагливість в обслуговуванні, невисока питома собівартість зберігання кВт‧год 
електроенергії, відсутність шкоди екології. 
Перелічені переваги є одними з самих важливих параметрів при виборі способу 
накопичення електроенергії для створення систем резервного електроживлення 
приватного вдома. З метою підвищення обсягу і тиску робочого середовища зі 
збереженням надійності їх роботи, пневматичні акумулятори можна об'єднувати у 
систему з невеликими ємностями. 
2.1.2 Загальні положення математичної моделі енергетичної установки 
системою аварійного електроживлення власних потреб 
У випадку реалізації аварійного електроживлення робота компресора і 
детандера в складі енергетичного комплексу рознесені в часі. Час автономної роботи 
визначається двома критеріями: 
• кількістю і параметрами запасеного повітря в акумуляторі; 
• параметрами повітря в початковій точці циклу (перед детандером). 
Основним завданням у даному випадку є визначення запасеної в акумуляторі 
енергії, і, відповідно, часу автономної роботи системи в випадку аварійного 
відключення зовнішнього джерела електроенергії. 
Розрахунок стиснення повітря в компресорі 
Місткість (величина запасеної енергії) акумулятора як функція, визначається по 
формулі 2.1: 
31 
         (2.1) 
де ��0 - тиск в акумуляторі, бар; 
�� ′′ - температура повітря в баку-акумуляторі, °С. 
Під час визначення ємності акумулятора необхідно визначити, чи впливає 
вигляд процесу стиснення на кількість запасеної енергії. Відомо, що найбільша робота 
витрачається компресором при адіабатичному стиску, найменша при ізотермічному 
стиску. У реальних компресорах стиск відбувається у вигляді політропного процесу 
(через відведення теплоти від шарів у навколишнє середов). 
Крім процесу стиснення необхідно також враховувати температуру повітря в 
акумуляторі, що відповідає його «зарядженому» стану, т.к. можливі два варіанти [81]: 
1) акумулятор не має теплообміну з навколишнім середовищем, або повітря в 
акумуляторі не встигає охолонути між циклами заряду/розряду – кількість запасеної 
енергії дорівнює роботі стиснення компресора, то є різниці ентальпій h 2 – h0; 
2) у акумулятора є теплообмін з навколишнього середовищем, при умови 
наявності великого часу між циклами розряду/заряду - кількість запасеної енергії буде 
рівне роботі ізотермічного стиснення, оскільки з часом в акумуляторі ��′′к стане рівне 
�� ос, то є різниця ентальпій h3 - h0. Після адіабатного стиснення у акумулятора є 
теплообмін з навколишнього середовищем, то повітря, що знаходиться в акумуляторі 
з часом ізобарно охолоне до температури ��ос . При цьому його тиск впаде до 
величини ��0′. Щоб відновити тиск в акумуляторі необхідно «дотиснути» повітря в 
акумуляторі зі стану точки 4 до ізобари ����. Після кількох циклів «дотискання» стану 
повітря в акумуляторі прийде в точку 3, що буде відповідати ізотермічного стиску. 
Для випадку адіабатного стиснення (1) теоретичне (k = 1,4) значення питомих 
витрат енергії ��уд.к, яка витрачається на стиск повітря в компресор, визначається 
згідно формулі 2.2 [82]: 
  (2.2) 
Для випадку ізотермічного стиснення (2) теоретичне значення питомої енергії 
��уд.к, яка може бути витрачена в процесі стиснення в компресорі, визначається по 
формулі 2.3, Дж/кг: 
32 
     (2.3) 
У свою чергу, значення маси повітря �� залежно від параметрів стиснення 
можна визначити, знаючи його густину, яка може визначатися згідно наступним 
формул (2.4-2.6): 
• по формулі Менделєєва-Клайперона для ідеального газу: 
          (2.4) 
• по узагальненій залежності від температури і тиску, кг/м 3 : 
     (2.5) 
З обліком щільності маса запасеного повітря: 
          (2.6) 
З формул 2.2-2.6 теоретична залежність ��а = �� (��0, ��′′) на одиницю маси повітря 
в акумуляторі в залежності від типу стиснення приймає вигляд: 
 
У даної системі рівнянь залежність від температури �� ′′ закладена в вигляді 
показників k і n , згідно наступним рівностям (формули 2.7-2.10): 
Теоретична температура повітря на виході з щабля стиснення, К 
         (2.7) 
Внутрішній ККД  компресора 
          (2.8) 
Тоді з обліком ККД шари: 
33 
       (2.9) 
Якщо стиск відбувається в кілька шарів, то 
        (2.10) 
Потужність, що споживається компресором, визначається згідно формулам 
2.11-2.14 [83]: 
Робота стиснення ступеня компресора, Дж/кг: 
       (2.11) 
Ступінь стиснення повітря в компресорі:     (2.12) 
Оптимальна ступінь стиснення однієї ступені компресора може бути 
розрахована як:          (2.13) 
Ця залежність справедлива тільки при однаковому проміжному охолодженні 
між ступенями, крім того, на практиці зазвичай відступають від принципу 
рівномірного розподілу витрат енергії по ступенях та відносять на ступені високого 
тиску кілька менші ступеня підвищення тиску, однак для оцінного розрахунку 
використовуємо цю залежність.  
Потужність, споживана компресором, кВт: 
          (2.14) 
Розрахунок розширення в детандері 
Загалом існує два класи повітряних турбін: 
• газодинамічні (або потокові); 
• об'ємні. 
У газодинамічних машинах перетворення енергії стисненого газу в роботу 
переходить через стадію перетворення енергії стисненого газу в кінетичну енергію 
потоку. Газодинамічні детандери отримали поширення під назвою турбодетандерів. 
34 
В об'ємних машинах енергія стисненого газу перетворюється в роботу безпосередньо 
за рахунок газових сил тиску. Найбільш поширеним типом об'ємних детандерів, які 
знайшли широке застосування в низькотемпературних установках, є поршневі 
детандери [84]. 
Для цілей установок невеликий продуктивності застосовуються в здебільшого 
турбодетандери. На практиці ККД існуючих повітряних детандерів знаходиться в 
діапазоні 0,65-0,85. Для розрахунку виберемо середнє значення ККД, що дорівнює 
0,75.  
Основні розрахункові залежності для визначення ефективності турбодетандера 
при конструюванні його на певні параметри представляють з себе наступну систему 
рівнянь [86]: 
Теоретичний теплоперепад кДж/кг, визначається по формулі 2.15: 
         (2.15) 
Справжній  теплоперепад визначається з урахуванням ККД процесу 
розширення та визначається за формулою 2.16: 
        (2.16) 
Відомо, що детандери застосовуються в холодильній промисловості. глибокого 
охолодження газів внаслідок того, що в процесі розширення серйозно знижується 
температура газу. Тому потрібно враховувати, що в ряді випадків можливе 
охолодження повітря на виході з детандера до температури, при якій відбувається 
зледеніння деталей детандер. Відповідно, при розробці схемних рішень, для кожного 
значення тиску повітря перед детандером, необхідно визначити мінімальну 
температуру повітря перед детандером, що забезпечує значення температури на 
виході з детандера вищий за мінімальний. Тепловий розрахунок пелетного котла, 
котрий лежить в основі визначення витрати палива, повітря на горіння і відхідних 
газів наведено наступній главі справжньої роботи. 
2.1.3 Визначення термодинамічних параметрів повітря перед детандером 
Параметри робочого тіла (повітря) у початковій точці циклу ( P0 і t0) детандером 
визначаються наступними критеріями: 
1. Величина вироблення електричної енергії турбіною. Для твердопаливного 
35 
котла малої потужності потрібна потужність для забезпечення власних потреб ( N сн 
) складає 150 Вт. 
2. Час автономної роботи системи має становити не менше трьох годин (були 
розглянуті варіанти з часом автономної роботи 3, 6 та 12 годин). 
3. Точка 2 відповідає стану повітря на виході з детандеру. Температура в точці 
2 повинна бути не нижче -5 про С, оскільки це може бути привести до зледеніння 
щаблів детандера [86]. 
Розглянемо роботу детандера при наступних параметрах: 
– детандер складається з однієї ступені; 
– ККД детандера 0,75; 
– тиск повітря за детандером �� 2 = 1,05 ∙ 10 5 Па 
– тиск повітря перед детандером �� 0 = 2. .12 бар; 
– температура повітря перед детандером �� 0 = 100. .400 ℃ . 
Збільшення температури та тиску повітря перед детандером супроводжує 
зростання перепаду ентальпій на детандері, що згідно формулі 2.15 веде до зниження 
необхідного витрати повітря через детандер при збереження потужності, рівною 150 
Вт. на рисунку 2.4 показано залежності необхідного витрати повітря через детандер 
від параметрів повітря ��0 та ��0 за умови, що потужність, що виробляється детандером 
(формула 2.17), повинна дорівнювати 150 Вт. 
        (2.17) 
Нахил кривої знижується по мірі зростання початкового тиску. максимальна 
зниження витрати спостерігається в діапазоні від 2 до 4 бар і складає в середньому 
45%, в діапазоні від 4 до 6 бар падіння складає 20% і при тиску понад 8 бар – менше 
10%. Криві для значень t 0 рівних 200, 300 та 400 0 С мають характер, близький до 
еквідистантного та зниження витрати повітря однаково в всьому діапазоні тисків. 
Очевидно, що час аварійного електропостачання власних потреб безпосередньо 
залежить від розмірів бака-акумулятора та кількості запасеного в ньому повітря (що є 
функцією тиску). У той же час, для побутових потреб необхідні пневмо-акумулятори 
компактних розмірів. Використовуючи отримані дані було проведено розрахунки, 
результати яких представлені малюнку 2.5 де показані величини необхідних об'ємів 
36 
повітряних акумуляторів для забезпечення можливості автономною роботи 3, 6 і 12 
годин. Температура повітря перед детандером при цьому прийнято рівною 400 0C . 
Аналіз графіків показує, що при тиску повітря в повітряному акумуляторі 
менше 3 бар необхідний об `єм бака-акумулятора знаходиться в діапазон від 3 до 30 
м3 , що неприйнятно для використання індивідуальними споживачами. Можна 
помітити, що при досягненні певного значення тиску (порядку 9-10 бар) подальше 
його зростання не призводить до значного зниження необхідного обсягу резервуарів, 
що пояснюється нелінійністю зміни щільності повітря при збільшенні тиску. Тиск 
стиснення, рівний 10 бар - межа, при якому повітря може бути стиснутий в 
двоступінчастою компресор, середня вартість яких не перевищує 15 000 гривень. за 
сукупності наведених даних, тиск, рівне 10 бар обрано в якості тиску початкової точки 
циклу комплексу з  аварійною системою електропостачання власних потреб. 
 
Рис. 2.2 – Визначення необхідного об'єму повітряного акумулятора заданому 
часу автономної роботи в залежності від тиску 
2.1.4 Визначення способу підводу  повітря піддуву в котел 
Наявність в схемою компресора і накопичувача повітря припускають 
можливість відмови від окремого піддуву вентилятора для котла і подачі повітря із 
компресора з метою зменшення одиниць обладнання комплексу. Для того, щоб 
визначити, чи доцільно таке рішення, був проведено розрахунок витрат на реалізацію 
кожного з можливих рішень. 
Послідовність розрахунку: 
• визначення необхідною потужності компресора для подачі номінальної 
витрати повітря на котел залежно від тиску на нагнітанні для варіантів адіабатного та 
37 
ізотермічного стиску (процес стиснення в реальному компресорі - політропний і буде 
перебувати між двома цими варіантами); 
• визначення потужності вентилятора піддуву; 
• оцінка витрат електроенергії за опалювальний період для обох випадків; 
• оцінка річних витрат на електроенергію на роботу компресора для схеми з 
встановленням вентилятора піддуву і без (тариф обраний 8,2 грн. / кВт · год); 
• оцінка сукупних витрат, пов'язаних із реалізацією розглянутих варіантів 
схеми, що включають в себе, як капітальні витрати, так і оперативні витрати. Причому 
оцінка витрат базувалася на оцінки приросту витрат одного варіанта порівняно з 
іншим. 
2.2 Термодинамічний розрахунок енергетичної установки із системою 
аварійного електроживлення власних потреб 
На підставі наведених раніше методик, обраного складу обладнання та 
термодинамічних параметрів повітря перед детандером, була розроблена математична 
модель і виконаний термодинамічний розрахунок енергоустановки при наступних 
вихідних даних: 
• температура та тиск повітря перед детандером становлять: t 0 = 400 0С і P0 = 
10 бар. 
• як зразок ТОП були використані деревні пелети класу А0 з нижчою теплотою 
згоряння Q н р = 17170 кДж/кг; 
• як граничні умови використовувалися дані, отримані при конструкторському 
розрахунку пелетного котла. Зокрема, витрата палива, повітря піддуву, температура 
гарячих газів у точці відбору на обігрів повітря при номінальної потужності 15 кВт; 
• температура зовнішнього повітря прийнято рівною середньої в 
опалювальному періоді та складає -5 °С; 
• енергоустановка працює з тривалими циклами зарядки/розрядки, 
температура повітря в детандері дорівнює температурі навколишнього середовища; 
• розрахунок стиснення в компресорі і розширення в детандері згідно 
методикам в п 2.1.1. Тепловий баланс теплообмінника гарячі гази/повітря визначається 
формулою 2.20, температура повітря при підмішуванні повітря з вихлопу турбіни за 
формулою 2.21: 
38 
   (2.20) 
     (2.21) 
Потужність компресора становить 2,2 кВт, час його роботи визначається 
продуктивністю компресора, що дорівнює 420 л/хв (30 кг/год) і необхідним кількістю 
повітря для 6 годин автономною роботи, рівним 13,3 кг. Час закачування повного бака 
складає 0,5 години і 0,1 година для закачування додаткового повітря через падіння 
тиску при охолодженні. 
Принципова схема енергоустановки з матеріальними і тепловими потоками 
наведено рисунку 2.3. 
 
Рис. 2.3 - Принципова схема КЕУ для теплопостачання малих споживачів із 
системою автономного електроживлення власних потреб 
Матеріальні потоки пелетного котла і теплообмінника установки наведено в 
таблиці 2.1. Величина вироблення електроенергії в період аварійного відключення 
електроживлення складає 150 Вт, гази після розширення в детандері направляються як 
повітря піддуву в пелетний котел, тим самим підвищуючи температуру дуття до 130С 
[87]. 
Таблиця 2.1  
Результати термодинамічного розрахунку енергоустановки з системою 
аварійного електроживлення власних потреб 
39 
Пелетний котел 
Прихід Витрата 
Потік Масова Температура, Потік Масова Температ
витрата,  витрата, кг/с ура, 
кг/с  
Пелети 0,00093 15 Ті, що йдуть 0,0069 105 
 Повітря піддуву 0,006 var гази 
Гази після 0,0069 438 Гарячі гази в 0,0069 475 
теплообмінника теплообмінни
к 
Холодна вода 0,12 35 Гаряча вода 0,12 75 
Теплообмінник гарячі гази/повітря 
Повітря з бака- 0,00065 -5 Повітря в 0,00065 400 
акумулятора детандер 
Гарячі гази з 0,0069 475 Відпрацьова 0,0069 438 
поворотної ні гази в 
шахти котла котел 
40 
2.3 Енергетична установка з автономною системою електроживлення 
власних потреб 
Математична модель установки із системою електроживлення власних 
потреб по структурі аналогічна моделі газотурбінної установки, що працює за 
циклу Брайтона, головною відмінністю є непряме нагрівання робочого газу. 
Принципова схема представлена на рисунку 2.4 
 
Рис.2.4 Принципова схема КЕУ теплопостачання малих споживачів з 
системою автономного електроживлення власних потреб (Варіант № 2). 
При розробці математичної моделі енергоустановки, здатної працювати 
автономно від зовнішнього електропостачання, основним завданням було 
визначення початкових параметрів повітря перед детандером ( ��0, ��0 ) для 
реалізації автономного циклу, що забезпечують максимальне значення ∆�� між 
вироблюваної детандером і споживаної компресором потужністю. 
Об`єм виробленої електроенергії повинен перевищувати споживання 
електроенергії допоміжними системами котла та компресором за умови 
рівності витрат повітря через компресор і повітря піддуву, що подається в котел. 
Так як компресор працює безперервно в часі, доцільно використовувати повітря 
з турбіни як піддув без установки вентилятора. Наявність бака-акумулятора в 
системі необхідно для пуску системи. 
Проведення варіантних термодинамічних розрахунків дозволило зробити 
41 
наступні висновки: для кожною температури перед детандером існує 
оптимальне значення тиску, при якому забезпечується максимальна корисна 
потужність 
Таблиця 2.2  
Результати термодинамічного розрахунку схеми з автономною 
системою електроживлення власних потреб 
Температура перед детандером �� 0 = 
300℃ 
Тиск, бар 2 3 4 5 
��, Вт 60 75 50 - 
Температура перед детандером �� 0 = 400℃ 
Тиск, бар 2 3 4 5 
��, Вт 157 210 223 215 
Проведені розрахунки тепловий схеми дозволяють зробити наступні 
висновки: 
• при підігріві до 300 ℃ величина корисної потужності недостатня для 
забезпечення власних потреб енергоустановки; 
• при підігріві до 400 °С величина корисної потужності достатня для 
забезпечення власних потреб енергоустановки. Оптимальне значення тиск для 
цього випадку складає 4,0 бар. 
Висновок до другого розділу 
Спільне вироблення теплової і електричної енергії при використанні в 
якості первинного джерела енергії ТОП без перетворення в рідке або 
газоподібне можлива рахунок непрямого нагріву робочого тіла. Вибір 
атмосферного повітря як робочого тіла, подається в турбіну (повітряний 
детандер), дозволяє відмовитися від організації замкнутого контуру, повітря 
після розширення в детандері може бути використаний як піддув в котлі та 
пелетному пальнику з теплообмінником.  
Розробка трьох математичних моделей КЕУ, базуються на ідеї 
використання повітряного робочого тіла, дозволяє розширити можливості 
використання пелетного палива і підвищити частку ТОП, що 
використовуються для енергопостачання індивідуальних споживачів.  
42 
Нагрів повітря перед турбіною передбачається гарячими газами 
пелетного котла в газо- повітряному теплообміннику. Для кожного з варіантів 
теплових схем когенераційного комплексу визначено параметри повітря перед 
турбіною, що забезпечують максимальний ККД з вироблення електричної 
енергії 
43 
 
 
 
 
 
 
 
 
РОЗДІЛ 3 
 
МОДЕЛЮВАННЯ ДВОХСТАДІЙНОГО 
СПАЛЮВАННЯ ТВЕРДОГО ПАЛИВА 
  
МКР 23.144.13 ПЗ 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
Розроб. Шпак РОЗДІЛ 3 Літ. Арк. Акрушів 
Перевір.  
Беспалько  
МОДЕЛЮВАННЯ ДВОХСТАДІЙНОГО  
Реценз.  СПАЛЮВАННЯ ТВЕРДОГО ПАЛИВА 
Н. Контр.  ЧДТУ, мТЕ-88 
Затверд.  
 
44 
3.1. Загальні відомості про дослідженнях горіння палива 
В даний час близько 90% всієї енергії, що споживається людством, забезпечується 
процесами горіння. Зростання сумарної встановленої потужності систем 
індивідуального енергопостачання на твердому паливі ставить питання підвищення 
їхньої екологічної та економічної ефективності. Підвищення ККД і зниження витрати 
палива, дозволять споживачам довше отримувати енергію від запасеного палива, що 
конче важливо. Заходи підвищення ефективності і зниження викидів можна розділити 
на первинні та вторинні. 
Вторинні заходи представляють собою системи глибокої утилізації теплоти 
(наприклад, ORC цикл) і очищення їдучих газів (каталітичні і некаталітичні системи 
відновлення оксидів азоту). Вони традиційно застосовуються в енергоустановках 
середньої та великої потужності, через високу питому вартості на кВт встановленої 
потужності [55, 70]. 
Для індивідуальних систем малої потужності упор роблять на первинні заходи, 
які ґрунтуються на запобігання освіти токсичних речовин, винесення твердих частинок 
палива і хімічного недопалу на етапі організації процесу горіння. Засновані первинні 
заходи на контролі температури, швидкості та аеродинаміки в топці, що регулюється 
розподілом потоків і способами подачі окислювача. Запитання оцінки екологічних 
характеристик топок на етапі попереднього проектування наводять до необхідності 
вивчення підходів до моделювання горіння палив в енергоустановках малої потужності. 
На початкових етапах тепловиділення описується за допомогою моделей, 
заснованих на досягненні хімічного рівноваги, передбачуваною нескінченно швидкі 
хімічні реакції. Для одновимірних розрахунків стаціонарних процесів даний підхід є 
продуктивним, він дозволяє визначити габаритні розміри топки та конвективних 
поверхонь нагріву. Але, він не застосовується для опису таких процесів, як займання, 
згасання полум'я, стійкість полум'я, не може використовуватися для оцінки повноти 
горіння палива і емісії забруднюючих речовин. Оцінити ефективність конструкції та 
запропонованого принципу горіння палива можна за допомогою CFD кодів, які 
дозволяють проводити процеси аеродинаміки, масопереносу, теплообміну та горіння 
[89 - 91]. 
Комп'ютерне моделювання – важливий елемент дослідження процесів горіння і 
 
45 
проектування пристроїв, він представляє собою об'єднання  механіки суцільної шкоди і 
процесів окислення палива. Виконання чисельного моделювання дозволяє оптимізувати 
конструкцію відповідальних деталей і вузлів зменшивши число необхідних фізичних 
випробувань. Зазначимо, що оптимізація конструкції можлива тільки при застосуванні 
верифікованих та відпрацьованих механізмів та налаштувань вирішувача. Тому процес 
розширення застосування чисельного моделювання при моделюванні горіння вимагає 
проведення експериментів з метою верифікації отриманих результатів. Для цього є 
кілька важливих причин: 
1. Для отримання необхідних рішень за обмежений час необхідно 
побудувати систему спрощень та винятків. Досвід, який набуває при порівнянні 
результатів чисельного моделювання і експериментів, дозволяє сформувати подання 
застосованості моделей горіння по окремим класам задач. 
2. Порівняння з експериментом на простих моделях дає уявлення про 
підходи до моделювання більш складних конструкцій і завдань на основі виявлення 
загальних класифікаційних ознак. 
Якщо розглядати хімічно реагуючий потік, то така система в кожній точці 
простору та в кожний момент часу повністю описується, якщо відомі такі параметри 
[79,74]: 
• тиск; 
• густина; 
• температура; 
• швидкість потоку; 
• концентрація кожного компонента. 
Методи, використовувані при моделюванні камер згоряння, дуже різноманітні. 
Вони відрізняються один від одного ступенем деталізації газоповітряного тракту 
камери, явищ робочого процесу, елементів конструкції, а також областю використання 
[92]. 
• Інтегральний метод. Топка розглядається як єдине ціле. Її математична 
модель представлена сукупністю моделей основних геометричних характеристик і 
параметрів: коефіцієнт повноти згоряння, відновлення повного тиску, температура на 
виході, вміст токсичних  речовин в продуктах згоряння. Метод використовується на 
 
46 
етапі формування конструктивного вигляду камери згоряння. 
• Послідовно-одномірний метод. Топкова камера представляє собою 
систему послідовно розташованих елементарних ділянок, на кожному з яких процеси 
описуються одновимірними співвідношеннями. 
• Зональний метод. Робочий об'єм топки розбивається на кілька 
характерних областей, і кожна з них розглядається як область того чи іншого типу: 
ідеального змішування, неповного змішування, ідеального витіснення і так далі. 
Просторова неоднорідність полів концентрацій, температур та інших величин відсутні 
або вирішуються у одновимірній постановці. Зональний метод дозволяє моделювати 
процеси горіння, тепло- і масообміну з використанням деталізованих механізмів 
окислення палива. 
• Чисельні методи. Моделювання турбулентних течій з горінням. 
Рівняння перенесення компонентів має додатковий член, об'єднує коливання швидкості, 
компонентів і середнє джерело від хімічні реакції. Дозволяє моделювати процес 
змішування компонентів горіння, руху горючих газів в об’ємі топки. У випадку 
вихрового горіння отримати дані кратності циркуляції продуктів горіння, об’єм зони 
зворотних струмів, наявності локальних застійних областей. 
• Випробування на фізичній моделі. Залежно від поставлених завдань 
поділяються на: дослідні, визначальні, довідкові і контрольні [59]. У рамках виконання 
справжньою роботи були виконані дослідні випробування для перевірки нового типу 
конструкції і організації топкового процесу. 
При чисельному дослідженні горіння твердого палива можлива комбінація всіх 
вищевикладених методів на кожному з етапів розрахунку. Для двоступінчастого горіння 
важливий перехід від послідовно-одномірного розрахунку для опису процесів, що 
протікають у зоні газифікації до чисельного моделювання горіння продуктів 
газифікації. 
Чисельне моделювання добре описує процеси горіння, що протікають в газовій 
фазі. Моделювання шарового горіння вимагає використання одновимірних підмоделей, 
заснованих на емпіричних кореляціях. Тривимірний розрахунок горіння шарового 
палива завжди складається з двох пластів - підмоделі горіння в шарі, горіння газової 
фази в надшаровому просторі. 
 
47 
У літературі наведено різні підходи до формуванню 1D підмоделей шарового 
горіння. Автори [58] наводять Модель, засновану на часткове окислення горючих 
компонентів твердого палива до СО і СО2, де мольні фракції СО та СО2 пов'язані 
співвідношенням, згідно з формулою 3.1: 
         (3.1) 
де коефіцієнт має експоненційну залежність від температури, 
яка в свою чергу розраховується за сукупністю теплових потоків в шарі палива, а саме 
теплота часткового окислення вуглецю палива, фізична теплота продуктів горіння 
палива, теплота вологи палива, фізичної теплоти паливного шару, з урахуванням 
сприйняття променистого тепла топки і тепла газів рециркуляції. Сукупність рівнянь, 
наведених авторами необхідно вирішувати в n точках шару, для 3D моделювання дані 
одновимірного розрахунку використовуються як вихідні. Авторами публікації [69] 
запропонований подібний метод, але не враховує вплив тепла рециркуляції та 
випромінювання між горючими газами та шаром палива. У літературі також зазначено, 
що при тепловій потужності паливної установки до 20 кВт характер процесів може бути 
описаний одновимірними моделями горіння одиночною частинки [69]. 
Область газифікації в шарі і зона надшарового простору не пов'язувалися у єдиний 
розрахунковий обсяг. Дані одновимірного розрахунку горіння/газифікації в шарі в 
якості граничних умов для CFD розрахунку горіння генераторного газу  
Одновимірна модель, яка використовувалася для розрахунку, дозволяє 
прогнозувати склад і властивості одержуваного синтез-газу по запропонованому С.К. 
Поповим способом моделювання процесу газифікації твердого палива. 
Чисельне моделювання горіння генераторного газу в надшаровим просторі 
проводилося у 2 етапи. На першому етапі проводиться 3D моделювання з редукованим 
кінетичним механізмом і моделлю горіння для попередньо не змішаних компонентів, 
що використовує функцію щільності ймовірності для розрахунку температури, 
щільності і концентрацій компонентів горіння. Далі результати моделювання 
передаються в модуль Chemkin-Pro для моделювання з детальним кінетичним 
механізмом і моделлю горіння розраховує швидкості хімічних реакцій. 
Перехід від розрахунку в модулі Ansys Fluent з редукованим механізмом до 
 
48 
розрахунку в Chemkin показаний на малюнку 3.1. 
 
Рис. 3.1 - – Перенесення результатів моделювання з модуля Fluent модуль 
Chemkin: поділ топкового обсягу на зони (а); побудова зональної 
моделі в Chemkin-Pro (б), побудова зональної моделі в Chemkin (в) 
Результати розрахунку у Chemkin-Pro дозволяють отримати дані про емісію 
монооксиду вуглецю, оксидів азоту, оксидів сірки (за її наявності у паливі). Далі 
розглянемо докладніше кожен з блоків алгоритму. 
3. 2 Основні положення тривимірного моделювання процесів горіння 
Основні труднощі при моделюванні турбулентних потоків з горінням складається 
в необхідності описи трьох взаємно що впливають явища: турбулентність, хімія 
процесів горіння, відхилення температури, компонентного складу та щільності [89, 92, 
93]. 
При моделюванні горіння постановка додаткових внутрішніх умов включає в себе 
кілька етапів: 
• вибір типу реакцій: гомогенна, реакції з дисперсний фазою, гетерогенної 
горіння; 
• вибір моделі горіння: нескінченно швидка хімія (ED), кінцева швидкість 
хімічних реакцій (FRC), попередньо змішані компоненти (PC), частково змішані 
компоненти (PPC), не змішані компоненти (NPC), мікроламінарні полум'я (flamelet). 
• вибір кінетичного механізму реакцій; 
• вибір механізму утворення забруднюючих речовин (NO x ); 
 
49 
• вибір моделі радіаційного теплообміну. 
Горіння генераторного газу моделюється, очевидно, як гомогенне горіння. Варто 
звернути окрему увагу на моделі горіння та механізми окислення палива, доступні для 
використання 
Моделі горіння, реалізовані в CFD, діляться на два типу [92]: 
1. Моделі з нескінченно швидкою швидкістю хімічних реакцій (infinitely fast 
chemistry). Дані моделі засновані на концепції, згідно якої хімічна реакція відбувається 
швидше, чим процеси масопереносу в потік. 
2. Моделі із кінцевою швидкістю хімічних реакцій (finite rate chemistry). 
Моделі дозволяє обчислювати швидкості реакцій, описувані молекулярним взаємодією 
між компонентами реагує суміші по теорії зіткнення молекул. Константи швидкості 
визначаються рівнянням Арреніус. 
Моделі хімії з нескінченно швидкої швидкістю ґрунтуються на припущенні, що 
за час процесів перенесення та змішування, процеси горіння досягнуто рівноваги (Усе, 
що змішалося - згоріло). Розглянемо Детальніше кожну з них. 
Горіння попередньо не змішаних компонентів (non-premix combustion). 
Модель використовує підхід змінної змішання для визначення температури, 
щільності та складу продуктів горіння в кожному осередку розрахункової сітки. Модель 
використовує такі припущення: 
• поділ потоків палива і окислювача (дифузійне горіння); 
• рівність коефіцієнтів дифузії окислювача і палива (підходить для 
турбулентного горіння); 
• число Льюїса Le = 1; 
• низькі числа Маха 
Грунтуючись на розрахунку рівноважного складу, модель розраховує функцію 
щільності ймовірності (PDF), де по осі х відзначається змінна змішування, по осі у – 
значення температури, щільності, компонентів горіння. Максимальне значення 
продуктів горіння і мінімальне значення компонентів палива та окислювача 
відповідають стехіометричному значенням змінної змішування. 
 
 
 
 
50 
Горіння попередньо змішаних компонентів (premix combustion). 
Полум'я моделюється змінної хода реакції, поширюється зі швидкістю SL . 
Модель визначає положення фронту полум'я. Область прогріву свіжої суміші та фронту 
горіння замикається в лінію.  
Горіння частково змішаних компонентів (partially premix combustion). 
Використовує поєднання змінної змішання і змінної хода реакції. 
Описані вище моделі горіння працюють за принципом відділення горіння від 
турбулентності та масообміну. 
Також є група моделей (Species Transport), для яких середнє рівняння перенесення 
компонентів у турбулентному перебігу має додатковий член, об'єднує коливання 
швидкості і компонентів і середнє джерело від хімічних реакцій. 
Модель розсіювання вихорів (Eddy Dissipation model). 
Модель вихрової дисипації заснована на концепції, згідно якої хімічна реакція 
відбувається швидше в порівнянні з процесами перенесення в потік. Коли реагенти 
поєднуються на молекулярному рівні, вони миттєво утворюють продукти. Модель 
припускає, що швидкість реакції може бути безпосередньо пов'язана з часом, 
необхідним для змішування реагентів на молекулярний рівень. У турбулентних потоках 
цього часу перемішування переважають вихрові властивості і, отже, швидкість 
пропорційна часу перемішування, що визначається турбулентною кінетичною енергією 
k і дисипацією ε. Швидкість утворення I - го компонента в r - ой реакції визначається як 
мінімальна швидкість витрати вихідних речовин або утворення продуктів. 
Модель горіння з кінцевою швидкістю (Finite-Rate Chemistry Model). 
Дозволяє обчислювати  швидкості реакцій, що описуються молекулярним 
взаємодією між компонентами реагуючої суміші з теорії зіткнення молекул. Константи 
швидкості визначаються рівнянням Арреніуса, яке пов'язує швидкість реакції з 
температурою і концентрацією компонентів. Припускає, що швидкість проходження 
елементарної реакції k може бути оборотною, тільки якщо визначено зворотну реакцію 
 
 
 
 
Комбінована Модель (Eddy Dissipation and Finite-Rate Chemistry). 
 
51 
Модель хімії з кінцевою швидкістю може бути поєднана з моделлю вихровий 
дисипації для полум'я, де швидкості хімічної реакції можуть протікати повільніше по 
порівнянні зі швидкостями змішування реагенту. У даному випадку швидкість хімічної 
реакції обчислюється по теорії розпаду вихорів і з використанням рівняння Арреніуса, 
в якості визначального застосовується мінімальне значення 
Модель мікроламінарного полум'я (Flamelet model). 
Процес горіння моделюється у тонкому шарі на межі змішування палива і 
окислювача, турбулентне полум'я розглядається як сукупність ламінарних розтягнутих 
полум'я, об'єднаних одним потоком. Взаємодія хімії і турбулентність описується 
статистично. Може надати інформацію про другорядних елементах і радикалах, таких 
як СО та ВІН, які є продуктами проміжних реакцій 
Для детального опису процесів горіння палива, наприклад, водню, потрібен 
механізм, що включає близько 40 елементарних реакцій. Для опису горіння метану 
кількість реакцій понад 100. У деяких випадках сумарний процес включає в себе кілька 
тисяч реакцій (наприклад, механізм горіння дизельного палива) [79]. Основною 
проблемою є необхідність рішення рівняння збереження для кожного компонента, що 
значно знижує стійкість розв'язання. У більшості випадків використовують спрощені 
механізми, які описують систему за допомогою кількох компонентів, наприклад, 
одноступінчастий механізм горіння метану містить одну реакцію та 5 компонентів. 
Спрощені механізми мають хорошу збіжність при необхідності визначення 
інтегральної температури на виході їх паливоспалюючого пристрою, теплового потоку 
на стіни топки, але не застосовні для отримання даних по величині емісії забруднюючих 
речовин. Стоїть враховувати, що поєднання механізмів і моделі горіння працюють 
тільки в певних умовах (забезпечують надійні результати для певних інтервалів 
температури та складу суміші) через наявність зв'язку між хімічною кінетикою і 
фізичними процесами, такими як дифузія і турбулентне перенесення. 
Для моделювання горіння генераторного газу в надшаровому просторі добре 
підходить механізм USC II, застосовний до широкого спектру сценаріїв горіння, 
включає дані термодинаміки та перенесення речовин, що відносяться до 
високотемпературному окислення водню, монооксиду вуглецю, і вуглеводнів C 1 -C 4 
[98]. 
 
52 
Передача даних, отриманих з допомогою для подальшого розрахунку з детальним 
механізмом, дозволяє з найменшими витратами часу та кращою збіжністю завдання 
отримати дані про емісійних характеристиках що розробляється конструкцій топки. 
Висновок до третього розділу 
Пропонована автором в роботі методика моделювання двостадійного горіння 
палива передбачає послідовну передачу даних одновимірних розрахунків в якості 
граничних умов чисельного моделювання. Область газифікації досліджується з 
урахуванням перевірених моделей матеріального і теплового балансу. У результаті 
визначаються: склад, температура, теплота згоряння та масовий вихід продуктів 
газифікації, а також необхідна з погляду підтримки автотермічності процесу висота 
шару палива. 
на другий стадії здійснюється CFD моделювання зі наступним порядком дій: 
• вибір детального кінетичного механізму горіння генераторного газу (USC 
II, що включає реакції окислення Н2 і СО), формування редукованого механізму; 
• вибір моделі горіння (non-premix combustion), моделі турбулентності (k-
epsilon), моделі радіаційного теплообміну дискретних ординат з кутовий 
дискретизацією 3х3 та налаштування граничних умов; 
• виконання чисельного моделювання горіння генераторного газу при умови 
охолоджуваної стінки в програмному пакеті Ansys Fluent; 
• формування пакету даних з результатами, містить просторові епюри 
температур, швидкостей і концентрацій продуктів згоряння по обсягом топки. 
• передача даних в програмний пакет Chemkin і формування зональної 
моделі, завантаження деталізованого механізму окислення палива;. 
  
 
53 
 
 
 
 
 
РОЗДІЛ 4  
 
РОЗРОБКА МОДЕЛІ ТОПКИ 
ПЕЛЛЕТНОГО КОТЛА З СТАДІЙНИМ 
СПАЛЮВАННЯ ПАЛИВА 
 
МКР 23.144.13 ПЗ 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
Розроб. Шпак  Літ. Арк. Акрушів 
Перевір. РОЗДІЛ 4  
Беспалько 
РОЗРОБКА МОДЕЛІ ТОПКИ ПЕЛЛЕТНОГО   
Реценз.  КОТЛА З СТАДІЙНИМ СПАЛЮВАННЯ 
ПАЛИВА 
Н. Контр.  ЧДТУ, мТЕ-88 
Затверд.  
 
54 
4.1 Розробка та дослідження варіантів моделей топки зі ступінчастим 
підведенням окислювача 
Раніше були розглянуті основні напрямки розвитку конструкцій топок 
твердопаливних котлів: 
1. Стадійність горіння. Розподіл повітря на два або більше ступенів дозволяє 
контролювати рівень максимальних температур у топці та знизити швидкості 
повітряного потоку. 
2. Встановлення дефлекторів. Дефлектори дозволяють організувати в 
робочому об’ємі камери згоряння розвинену зону зворотних течій. Перевагою такого 
рішення є збільшення часу перебування незгорілого палива в високотемпературній зони 
топки. 
3. Встановлення лопаткових завихрювачів або подання окислювача в 
тангенсіально спрямовані сопла, рівномірно розподілені по стінах топки. Вихрова 
аеродинаміка дозволяє збільшити час перебування частинок в високотемпературній 
зоні, рівномірно заповнити об'єм топки гарячими газами, виключивши виникнення 
застійних областей. 
4. Збільшення кількості колосникових грат. Одне з технологічних рішень 
розподілу повітря шарами. Застосовується в котлах, потужністю понад 200 кВт. 
5. Поворотні реторти. Необхідні в тих випадках, коли є ризик виникнення 
шару розплавленої золи, який перешкоджатиме доступу кисню до свіжого палива. 
6. Розміщення теплообмінних поверхонь в паливному шарі. Зниження 
температури в шарі спрямовано на нівелювання ризиків виникнення лужних сполук, 
нерідко пелети або брикетоване паливо з відходів лісопильного і 
сільськогосподарського виробництва містить луги. 
З всіх вище перелічених первинних заходів підвищення ефективності горіння 
палива саме стадійне горіння найбільш застосовується до індивідуальних систем малої 
потужності. Таке рішення не вимагає попередньою підготовки палива, додаткового 
технічного обслуговування котла і знижує ризики виникнення аварійних ситуацій, 
пов'язаних з заростанням золою і паливом дефлекторів і теплообмінних поверхонь, 
розташованих в безпосередньою близькості до паливного шару. 
При розробці варіантів конструкції топки враховувалася її орієнтованість на 
індивідуального споживача. У топки повинна бути надійна, проста в обслуговування 
 
55 
конструкція з низькими викидами монооксиду вуглецю, оксидів азоту і твердих 
частинок при інтегральному коефіцієнті витрати окислювача попри всі щаблі трохи 
більше 1,4. Величина витрати окислювача, що подається під шар, склала 0,32. 
Встановлення дефлекторів і захолодження паливного шару шляхом розташування в 
ньому теплообмінних поверхонь недоцільно у зв'язку з ризиками налипання золи і 
незгорілих частинок палива, а значить необхідності порушення теплообміну і ризику 
аварійних ситуацій. 
Згідно запропонованої в раніше методиці, було проведено чисельне моделювання 
горіння продуктів газифікації в надшаровому просторі, результати яких лягли в основу 
вдосконалення конструкції топки. 
Рис 4.1 - Складальне креслення пелетного котла: 1 - колосникові грати; 2 - 
реторту; 3 - пристрій подачі пелет, 4 - топка, 5 - бункер; 6 – конвективні поверхні (6 
труб); 7 – водяна сорочка; 8 – подача вторинного повітря 
Базова конструкція топки (рисунок 4.1) має два щаблі підводу окислювача: під 
шар і надшаровий простір реторти. Для розрахунків 3 ряду отворів вторинного повітря 
були спрощені до 1 ряду з збереженням масової швидкості потоку, що дотримується 
рівністю сумарною площі отворів (рисунок 4.2). 
Область подачі генераторного газу імітує поверхню паливного шару, подання 
вторинного повітря здійснюється через 18 отворів, розташованих на циліндричної стіні 
реторти. Діаметр реторти менше діаметра топки (150 і 260 мм), що дозволяє створити 
умови для рівномірного розподілу палива по поверхні шару (підтримання висоти на 
заданому рівні) і забезпечує при заданій тепловий потужності котла величину 
 
56 
теплонапруженості колосникових грат, що дорівнює 0,9 МВт та відповідає 
рекомендаціям для котлів потужністю до 1 МВт. 
 
Рис. 4.2 - Змінена конструкція реторти для чисельного моделювання: з трьома 
рядами отворів для вторинного повітря (а), з одним поряд отворів для вторинного 
повітря (б) 
Тривимірні моделі були побудовані в масштабі 1:1 і відповідають габаритним 
розмірам. Основний обєм сітки складають тетраедри, на поверхні - призми. 
Розрахункова сітка була побудована у програмі ICEM та містить 1,5 млн елементів. У 
роботі [90] на основі аналізу результатів моделювання показано, що вирішальне 
значення для отримання якісних розрахунків має збільшення кількості осередків в 
області розташування пальникових пристроїв, формування факела, прогріву і займання 
палива. У топці твердопаливного котла малої потужності представлені процеси 
займають велику частина топкового обєму, максимальний розмір осередок становив 
трохи більше 8 мм. 
В області подачі вторинного повітря було виконано подрібнення сітки до 1 мм. 
Основне завдання подрібнення – виключити вплив великих осередків на фізичні ефекти, 
що відбуваються всередині розрахункової області. 
Налаштування вирішувача модуля Ansys Fluent: 
• Модель турбулентності: k-ε Realizable зі стандартною пристінною 
функцією, для різних варіантів конструкцій вони показували найкращу стабільність 
розрахунку. 
• Модель горіння Non-premix combustion. 
• Модель радіаційного теплообміну Discrete Ordinates з кутовий 
дискретизацією 3х3. 
 
57 
• Реакційний механізм USC II, що включає реакції окислення Н2 та СО. 
• Масова витрата, компонентний склад, температура продуктів газифікації в 
шарі. 
• Масова витрата, температура вторинного повітря. 
• Граничні умови третього роду на стінах топки (з теплового розрахунку). 
• Тиск, умови рівності потоків на входах і на виході з моделі, температура та 
ступінь чорноти поверхні. 
Результати моделювання (епюра розподілу температури, вектора швидкості та 
епюру розподілу концентрацій монооксиду вуглецю та оксидів азоту представлені на 
рисунках 4.3 а, 4.3 б та 4.3 в. 
Результати моделювання показують, що у конструкції топки з різким 
розширенням потоку на виході з реторти вигоряння палива відбувається майже по всій 
висоті («слід») масових фракцій CO спостерігається більш ніж на 2/3 висоти топки). 
Процеси активного горіння палива близько до виходу з топки наводять до високих 
значень температур на виході з топки. 
 
Рис. 4.3 - Результати моделювання горіння генераторного газу: (а) – контур 
розподілу температур у перерізі, (б) – вектора швидкості, (в) – масові фракції СО в 
вихідний конструкції топки пелетного казана (варіант 1). 
Вихід суміші генераторного газу та вторинного повітря з реторти по суті є різким 
розширенням потоку, що супроводжується утворенням відривних течій. Відрив і 
 
58 
пульсація потоку при різкому розширенні відбувається по черзі від кожної зі стін, що 
призводить до виникнення ризику накиду смолоскип на стіну топки. максимальна 
температура в об’ємі топки становить не більше 1200, що значно нижче адіабатичної 
температури полум'я (1805 С), що говорить про низьку інтенсивність змішування 
генераторного газу та окислювача. Струмені повітря менше чим на третина глибини 
проникають в потік генераторного газу, вихід потоку в об'єм області горіння 
генераторного газу без факторів, стимулюючих дифузію окислювача в потік газу 
наводить до високих значень хімічного недопалу. 
Організація подачі вторинного повітря у першому варіанті розробленої 
конструкції топки, призводить до неефективного змішування палива та окислювача і 
поширення полум'я на великій протяжності топки та ризику накидів смоли на стіну. 
Для отримання більш стійкої картини горіння було запропоновано виконати 
звуження у вигляді конфузора на виході з реторти, що дозволить прискорити потік, 
надати полум'ю більшої жорсткості та стійкість. До того ж звуження потоку збільшить 
інтенсивність змішання палива і окислювача. Для зниження ризику прогорання металу 
реторти розташування отворів подачі вторинного повітря було прийнято розташувати 
максимально близько до звуження. У такому випадку в звуженні буде тільки починатися 
процес інтенсивного змішання палива з окислювачем, а займання буде відбуватися в 
об’ємі області горіння генераторного газу. 
Результати моделювання (епюра розподілу температури, вектора швидкості та 
епюру розподілу концентрацій монооксиду вуглецю та оксидів азоту представлені на 
малюнках 4.4 а, 4.4 б та 4.4 в. 
 
59 
 
Рис. 4.4 - – Епюри температури (а), швидкості (б) та масових фракцій СО (в) в 
перерізі топки з двоступінчастим підведенням окислювача і конфузору 
Організація звуження потоку на виході з реторти дозволяє отримати стійке 
полум'я з симетричним розташуванням ядра смолоскипу щодо стін топки. Формується 
ще більш розвинена галузь вихрових течій. Вихрова зона обмежена струменем свіжої 
паливоповітряної суміші, з однієї сторони, та поверхнею топки, з іншої. Частина 
горючої суміші виявляється замкнена в області цих вихрових течій, що порушує процес 
змішання палива з окислювачем, знижує інтенсивність радіаційного теплообміну на 
третині висоти топки. 
Зріст температури газів на виході з топки наводить до зростання температури 
газів, що йдуть у розглянутому прототипі пелетного котла, а значить, тягне за собою 
падіння величини ККД. 
Наявність конфузора, безумовно, визначає позитивну тенденцію, однак величини 
хімічного недопалу та температури на виході з топки по- колишньому великі і не 
відповідають екологічним вимогам для котлів малої потужності. При отриманих 
величинах недопалу і температури газів ККД котла складає 81,5 і 86%. 
Було зроблено припущення, що поділ підводу вторинного повітря на два щаблі і 
зміна конструкції топки на конфузорно- дифузорну, дозволять нівелювати недоліки 
попередньої конструкції. Для забезпечення рівномірної витрати окислювача, що 
подається в щаблі. Діаметр отворів в реторті був скорочений з 18 до 12 мм.  
 
60 
 
Рис. 4.5 – Схема підведення третинного повітря: принципова схема підводу 
окислювача (а), направляючі (б) 
Варто виділити рішення про підведення окислювача по равликовому каналі з 
напрямними лопатками (рисунок 4.5). Область підведення третинного повітря 
знаходиться в об’ємі водяної сорочки котла, для рівномірного підводу третинного 
повітря по колу топки необхідна наявність кількох тангенсіально розташованих сопіл  
або підводу окислювача по равлику. Були розглянуті кілька варіантів розташування 
підводу третинного повітря по висоті дифузора, найкращі результати за критерієм 
інтенсивності змішування третинного повітря з пальним потоком показало 
розташування підведення третинного повітря у нижній половині дифузорного 
розширення. 
Результати моделювання (епюра розподілу температури, вектора швидкості та 
епюру розподілу концентрацій монооксиду вуглецю та оксидів азоту представлені на 
малюнках 4.6 а, 4.6 б та 4.6 в. 
 
 
61 
Рис. 4.6 – Епюри температури (а), швидкості (б) та масових фракцій СО (В) в 
перерізі топки з двоступінчастим підведенням окислювача 
При реалізації триступеневого спалювання знижуються локальні швидкості в 
області кореня факела, що дозволяє третинному повітрю ефективніше проникати в 
область догоряння генераторного газу. Довжина смолоскипу складає менше половини 
висоти топки при цьому сам смолоскип стабільний, немає «начерків» на стінки топки, 
відсутні області локального перегріву металу, температура на виході з топки значно 
нижче і відповідає значенням, прийнятим в проектуванні пелетних котлів, викиди СО 
менше 500 ppm. Температура їдучих газів, згідно розрахунку, складає 110 С , величина 
хімічного недопал 0,2%, ККД котла 92%. Значення температури на виході з топки вище 
на 18 та 12% при реакторному моделюванні обумовлено з урахуванням швидкостей 
хімічних реакцій та наявності температурної залежності, що наводить до розтягування 
фронту смолоскипу по висоті топки. Відмінності значень викидів монооксиду вуглецю 
для двох- і триступінчастого підводів складають 2 та 37% відповідно. 
Перехід від розрахунку з використанням функції густини ймовірності (за 
значенням змінної змішання визначаються температура, густина і масові фракції 
компонентів) до розрахунку швидкостей хімічний реакцій з використанням рівняння 
Арреніуса та обліку реакцій дисоціації вуглекислого газу, наводить до зростання СО в 
випадку триступінчастого підводу окислювача на 37%. 
Високі значення викидів СО при двоступінчастому підведенні компонентів в 
випадку 3D моделювання кажуть про недосягнення хімічної рівноваги. Зріст викидів 
оксиду азоту при переході до триступеневому підводу окислювача обумовлений 
лімітуванням реакції O + N2 = NO + N, яка має високу енергію активації (318 кДж/моль 
RT ) і протікає тільки при температурах вище 1500 С. С. 
4.2 Дослідження циркуляції води в водяному об’ємі котла 
Безумовно, конструкція теплообмінника не має прямого впливу на процес горіння 
палива, однак, досягнення високих значень ККД неможливо без надійної циркуляції в 
об’ємі топки, вона забезпечує безпеку роботи топки (відсутність областей локального 
перегріву). До того ж, результати розрахунку циркуляції води дозволять підтвердити 
справедливість заданих граничних умов на стінах топки, а також будуть використані 
для створення моделі топки для проведення випробувань. 
 
62 
 
Рис. 4.7 – Результати чисельного моделювання нагріву води у водяному об'ємі 
котла: лінії струму теплоносія (а), розподіл температури в об'ємі (б) 
Для економії часу і обчислювальних ресурсів, модель теплообмінника прототипу 
пелетного котла була побудована в масштабі 1:10. З огляду невисоких швидкостей 
теплоносія була використано модель турбулентності k-omega, обов'язкова умова 
розрахунку – облік гравітації. 
Температура води на виході з водяного об’єму - 75°С. Середня температура води 
становить 66°С. Звертаючи увагу на лінії струму та розподіл температур в об’ємі можна, 
помітити, що при збільшенні відстані від входу теплоносія до стін топки в верхніх 
областях присутня циркуляція теплоносія, максимальна температура у водяному об’ємі 
складає 76°С, температури по водяному об’ємі розподіляються досить рівномірно. 
Розрахунки підтверджують, що попри невисокі швидкості води в водяній сорочці 
котла, тепловіддача з боку газів лімітує теплообмін в загалом, тому граничні умови 
третього роду з припущенням, що температура стінки в топці дорівнює температурі 
води з поправкою на забруднення поверхні є справедливою. 
4.3 Моделювання стенду для проведення експериментальних досліджень 
ступінчастого горіння палива 
На рисунку 4.8 наведено запропоновану схему дослідної установки, що складається 
з топки, що охолоджується, поворотної камери, циклону для охолодження продуктів 
горіння, установки водяного барботажу, підключеного до двох вентиляторів. Точка А – 
точка вимірювань температури газів на виході з топки, точка Б - відбору проб 
газоаналізатором. Відсутність водяної сорочки було передбачено для можливості зміни 
конструкції топки без демонтажу водяної сорочки. 
 
63 
 
Рис. 4.8 – Схема експериментальної установки для верифікації розрахункових 
даних.1 - топка, що охолоджується; 2 – подача повітря під шар та в реторту; 3 – 
подача повітря в область горіння продуктів газифікації; 4 - поворотна камера; 5 -
циклон; 6 – встановлення водяного барботажу; 7 - заслінка; 8,9 – вентилятори 
Конструкція топки в розрізі наведена рисунку 4.9. Топка діаметром 260 мм 
виконана циліндричної форми та має товщину 4 мм. Для зміни її конфігурації були 
виготовлені додаткові вставки, показані на рисунку 4.10: реторту з внутрішнім 
діаметром 138 мм, заввишки 130 мм, конфузорно-дифузорні вставки, 6 сопел для подачі 
повітря в область дифузорного розширення, розташовані тангенціально під кутом 45 
градусів. 
 
Рис. 4.9 – Топка в розрізі 
 
Рис. 4.10. - Додаткові вставки для зміни конфігурації топки: реторту (а), 
конфузор (б), дифузор (В) 
 
64 
 
Рис. 4.11 - Пристрій подачі пелет в розрізі 
За камерою топки розташований циклонний теплообмінник і водяний барботаж 
для уловлювання твердих частинок палива. Габаритні розміри теплообмінника були 
визначені з огляду на необхідність охолодження температури газів, що розходяться, за 
розрахункову була прийнята температура 105 С. В теплообміннику розташовано 20 
трубок з циркулюючою охолоджувальною водою діаметром 20 мм і довжиною 650 мм, 
гарячі гази рухаються по U – подібній траєкторії. 
За циклонним теплообмінником розташований водяний барботаж, необхідний для 
уловлювання твердих частинок. 
Стенд підключений до двох вентиляторів WPA M+M 117. Загальна витрата 
окислювача регулювалася зміною потужності встановлених вентиляторів. 
Для n режимів роботи вентиляторів з допомогою вимірника швидкості повітря, 
були визначено швидкості повітря в перерізі сполучних фланців. 
У номінальному режимі роботи, при сумарному коефіцієнті витрати окислювача 
по всім шарам, потрібна швидкість повітря склала 13,5 м/с. 
Висновок до четвертого розділу 
Розвиток конструкцій топок котлів на твердому органічному паливі спрямовано 
на реалізацію східчастого спалювання. Подання під шар мінімальної величини витрати 
окислювача, що забезпечує автотермічність процесу, дозволяє фактично організувати 
газифікацію палива та допалювання генераторного газу в одному об’ємі. Допалювання 
генераторного газу можливо організувати декількома способами. 
Конструкція конфузорно-дифузорної форми топки з двома шарами підведення 
окислювача дозволяє досягти величин викидів токсичних речовин на рівні світових 
вимог до пелетних котлів. Запропоновані рішення по модернізації конструкції топки не 
спричиняють ускладнення експлуатації котла і його технічне обслуговування. 
Використовуючи методи чисельного моделювання, були отримані величини 
 
65 
викидів монооксиду вуглецю та водню на виході з топки, що відповідають величині 
хімічного недопалу 0,2 %. Отримана при моделюванні температура газів, що йдуть, на 
виході з топки становить 578 С, дозволяє знизити температуру димових газів у 
конвективних поверхнях до 110° С і досягти розрахункового ККД котла, рівного 92%. 
Проведення випробувань двостадійного горіння ТОП підтвердили дані 
чисельного моделювання, отримані з використанням запропонованої в рамках роботи 
методики Отримані експериментально значення викидів СО складають 447 ppm, 
викидів NOx 267 мкг/м3. Відхилення концентрацій монооксиду вуглецю від 
експериментальних значень 3D моделювання становить 30,6% та 6,7% для зонального 
моделювання. Відхилення менше 10% свідчить про достатньо високу точність 
визначення викидів монооксиду вуглецю і застосовності алгоритму для оцінки повноти 
горіння при двостадійний спалюванні ТОП. Для оксиду азоту середньоквадратичне 
відхилення результатів розрахунку і випробувань складає 16%, що також дозволяє дати 
якісну оцінку рівнів викидів при дослідженні способів організації топкового процесу. 
Конструкція топкової камери відповідає пред'явленим екологічним вимогам і 
забезпечує екологічну безпеку роботи котла.  
 
66 
 
 
 
 
 
 
 
РОЗДІЛ 5 
 
ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В 
НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ   
МКР 23.144.13 ПЗ 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
Розроб. Шпак  Літ. Арк. Акрушів 
Перевір. Цікановський РОЗДІЛ 5   
Реценз.  ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА 
Н. Контр.  В НАДЗВИЧАЙНИХ ЧДТУ, мТЕ-88 
Затверд. СИТУАЦІЯХ 
 
 
67 
5.1. Загальні вимоги безпеки. 
5.1.1. Обслуговування котлів може бути доручено особам не молодшим 18 років, 
які пройшли медичний огляд, навчені за відповідною програмою і склали екзамени 
кваліфікаційній комісії, мають посвідчення на право обслуговування котлів та одержали 
відповідні інструктажі із безпеки праці на робочому місці. 
Чергова (повторна) перевірка знань машиніста здійснюється комісією не рідше 1 
раз у 12 місяців, а інструктажі з охорони праці 1 раз в 3 місяці. 
5.1.2. Під час роботи машиніст повинен дотримуватися вимог внутрішнього 
розпорядку. Виконувати тільки необхідну роботу, яка передбачена виробничою 
інструкцією та нормативними документами. Сторонні особи допускаються у котельні 
тільки з дозволу адміністрації і у супроводі її представника. Курити дозволяється  в 
спеціально відведених  для цього місцях, обладнаних засобами пожежогасіння. 
Забороняється під час роботи вживати алкогольні напої. Не дозволяється спати під час 
чергування, зберігати постійні  речі у приміщенні котельні. 
5.1.3. Під час обслуговування котлів необхідно застосовувати відповідні засоби 
захисту, що запобігають дії на машиніста небезпечних або шкідливих факторів, до яких 
відносяться: 
• обслуговування обладнання, що транспортує речовини підвищеної 
температури і тиску; 
• обслуговування та огляд обладнання і приладів на висоті; 
• підвищений рівень температури повітря, шуму та вібрації в приміщені 
котельні. 
5.1.4. Для запобігання пожежі в приміщенні котельні необхідно: 
• стежити за справністю електрообладнання, не допускати його перегрівання, 
своєчасно усувати несправності за допомогою відповідних фахівців; 
• періодично контролювати очищення газоходів від сажі; 
• промасленні ганчірки прибирати в спеціальні металеві ящики і регулярно 
віддаляти їх з приміщення. 
5.1.5. В приміщенні котельні повинні бути засоби пожежогасіння (пісок, 
вогнегасник та ін.) Кочегар повинен знати місце їх знаходження і вміти користуватися 
будь-якими засобами пожежогасіння. 
 
68 
5.1.6.У випадку травмування,  виявлення зіпсованості обладнання, пристосувань, 
інструментів - негайно повідомити про це відповідальному за безпеку експлуатації 
котельні. 
5.1.7. Кочегарові необхідно вміти надати першу медичну допомогу потерпілому 
внаслідок аварійного стану чи при нещасному випадку, вміти користуватися аптечкою. 
5.1.8. Приміщення котельні, котли, усе устаткування та робоче місце слід тримати 
у справному стані та чистоті, дотримуватись правил особистої гігієни. 
 
Рис.5.1 – робоче місце оператора котельні 
5.1.10. Забороняється: 
- зберігати в приміщенні котельні легкозаймисті речовини або матеріали, 
 - балони з газами, газогенератори; 
-  необережно поводитись з вогнем; 
- захаращувати чи закривати проходи, включаючи проходи до пожежного 
інвентарю. Ширина проходів між устаткуваннями повинна бути не менше 1м. 
5.1.11.Особи, які порушили вимоги цієї інструкції, протягуються до 
відповідальності в адміністративному або кримінальному порядку згідно з діючим 
законодавством. 
5.1.12. При роботі в котлі, на його площадках і в газоходах для місцевого 
освітлення повинні застосовуватися переносні акумуляторні світильники у 
вибухозахищеному виконанні напругою не понад 12 В, включення і вимикання яких 
повинно здійснюватися поза вибухонебезпечною зоною. 
 
69 
5.1.13. Не допускається розміщення баків з легкозаймистим рідким паливом, а 
також запасів горюче мастильних матеріалів у приміщенні, де встановлений котел. 
5.2. Вимоги безпеки перед початком роботи. 
5.2.1. Заступаючи на чергування, кочегар котельні зобов’язаний ознайомитися із 
записами у змінному журналі і перевірити справність котлів та їхнього устаткування, а 
також справність аварійного освітлення та сигналізації 
Прийом і здача чергування оформляється черговим по зміні відповідним записом 
у змінному журналі про результати перевірки котлів та їх устаткування, водовказівних 
приладів, сигналізаторів граничних рівнів води, манометрів, запобіжних клапанів, 
живильних приладів та засобів автоматики. 
5.2.2.Не дозволяється приймати та здавати чергування під час ліквідації аварій у 
котельні. 
5.2.3.Машиніст (кочегари) під час чергування не повинні відриватись від 
виконання обов’язків, покладених на них інструкцією. 
5.2.4.Забороняється залишати котли без нагляду до нового припинення горіння у 
топці, видалення з неї залишків палива і зниження тиску до нуля. 
5.2.5.До початку будь-яких робіт в середині котла, з’єднаного з іншими 
працюючими котлами загальними трубопроводами (паропровід, живильний, 
відпускний і т. д.), а також перед оглядом або ремонтом елементів, що працюють під 
тиском, при наявності небезпеки опіку людей парою або водою, котел треба відділити 
від усіх трубопроводів заглушками. 
5.2.6. Відкривати люки і лючки, а також ремонтувати елементи котла дозволяється 
тільки при повній відсутності тиску. Перед відкриттям люків і лючків у межах водяного 
простору, воду з елементів котлів необхідно повністю видалити. 
5.2.7. Виконання робіт всередині топок і газоходів котла допускаються тільки при 
температурі, що не перевищує 50 º С, при наявності письмового дозволу (наряду-
допуску) завідуючого котельнею, написаного після відповідної перевірки місця роботи. 
Перебування однієї й тієї ж особи всередині котла чи газоходу за цих температурних 
умов не повинно перевищувати 20 хвилин. 
5.2.8. Перед початком робіт топку та димоходи треба старанно провентилювати, 
забезпечити добре освітлення і надійний захист від можливого проникнення в 
приміщення диму та пилу з димоходів працюючих котлів. 
 
70 
5.2.9. На вентиляторах, засувках і заслінках при відключенні ділянок 
трубопроводів і димоходів, а також на пускових пристроях димососів, дуттьових 
вентиляторів та живильників палива необхідно вивішувати плакати “Не включати, 
працюють люди”. Одночасно на пускових пристроях димососів, дуттьових вентиляторів 
і живильників палива необхідно зняти плавкі вставки. Установку та зняття заглушок 
виконують згідно з нарядом-допуском. 
5.2.10. Під час роботи у котлі, на його площадках та в димоходах для 
електроосвітлення застосовується напруга, що не перевищує 12В. 
5.2.11. Перед закриттям люків і лазів необхідно перевірити, чи не залишились 
всередині котла люди або сторонні речі, а також перевірити наявність і справність 
пристроїв, які встановлюються всередині котла. 
5.2.12. Електрообладнання та  щити електропостачання повинні мати надійне 
заземлення. 
5.2.13. Для котла, працюючого на газоподібному паливі, після виконання вимог 
попередніх пунктів: 
а) перевірити справність газопроводу і встановлених на ньому кранів і засувок 
(вся запірна арматура на газопроводах повинна бути закрита, а крани на продувальних 
газопроводах - відкриті); 
б) продути газопровід через продувальну свічку, поступово відкриваючи засувок 
на відгалуженні газопроводу до котла. Якщо після перевірки газоаналізатором (або 
іншим надійним засобом) виявиться, що в газопроводі відсутня вибухонебезпечна 
газоповітряна суміш, свічку треба закрити; 
в) переконатися у відсутності витікання газу з газопроводів, газового обладнання 
й арматури шляхом обмилювання нарізних і фланцевих з'єднань. Користування 
відкритим вогнем при виконанні цієї роботи категорично забороняється; 
г) перевірити за манометром відповідність тиску газу, а при двопровідних 
пальниках, крім того, - відповідність тиску повітря перед засувками пальників при 
працюючому дуттьовому вентиляторі, встановленому тиску; 
д) відрегулювати тягу котла, що розпалюється, встановивши розрідження в топці 
2 - 3 мм водяного стовпчика. 
5.2.14. Для котла, працюючого на рідкому паливі, температуру палива довести до 
величини, встановленої в інструкції, прогріти парову лінію до форсунок. 
 
71 
5.3. Вимоги безпеки під час роботи. 
5.3.1. Перед розпалюванням котла слід старанно перевірити: 
а) справність топки і димоходів, запірних та регулювальних пристроїв; 
б) справність контрольно-вимірювальних  приладів,  арматури,  гарнітури, 
живильних пристроїв, димососів та вентиляторів, а також наявність природної тяги; 
в) заповнення котла водою до відмітки нижчого рівня; 
г) чи утримується рівень води у котлі, чи немає пропуску її через лючки, фланці 
чи арматуру; 
д) чи немає заглушок на живильній , спускній та продувній лініях; 
е) відсутність у топці і димоходах людей або сторонніх предметів. 
5.3.2.Безпосередньо перед розпалюванням котла необхідно провентилювати 
топку і димоходи 10-15 хвилин ( залежно від конструкції котла) відкриванням дверей 
топки, піддувала, шиберів для регулювання подачі повітря, заслінок  природної тяги, а 
при наявності димососів і вентиляторів – їх вмиканням. 
5.3.3 Вмикання димососів у вибухонебезпечному виконанні допускається лише 
після провітрювання котлів природною тягою та перевірки справності димососів. 
Розпалювання котлів. 
5.3.4 Котли розпалюють тільки при наявності розпорядження 
райдержадміністрації, записаного в змінному журналі. Персонал котельні має бути 
заздалегідь попередженим про час розпалювання котла. 
5.3.5. Котли розпалюються протягом часу, встановленого адміністрацією, при 
слабкому вогні, зменшеній тязі, закритому паровому вентилі і відкритому запобіжному 
клапані або вентилі (крані) для випуску повітря. Під час розпалювання котла необхідно 
забезпечити рівномірне прогрівання його частин і заздалегідь включити пристрій для 
підігрівання води у нижньому барабані котла. 
5.3.6. Застосування під час розпалювання котла, що працює на твердому паливі, 
легкозаймистих матеріалів (бензин, газ та ін.) не допускається. 
5.3.7. Якщо пароперегрівач котла має пристрій для запобігання перегріву його 
елементів, під час розпалювання котла треба вмикати цей пристрій. 
5.3.8. Якщо з відкритого запобіжного клапана або повітряного вентиля почне 
виходити пара, необхідно закрити запобіжний клапан або повітряний вентиль і відкрити 
продувний вентиль - за пароперегрівачем. 
 
72 
5.3.9. Підтягування болтів, лазів, люків під час розпалювання котла треба 
виконувати з великою обережністю, тільки нормальним ключем, без застосування 
важелів, і у присутності осіб, відповідальних за котельню. 
Підтягування болтів, лазів, і люків під тиском не допускається. 
5.3.10. Під час розпалювання необхідно вести контроль за переміщенням 
елементів котла при тепловому розширенні за покажчиками переміщення (реперами) 
5.3.11 При наявності у пароперегрівача котла приладу для запобігання перегріву 
його елементів при розпалюванні котла ввімкнути цей прилад. 
5.3.12 При наявності у водяного економайзера обвідного газоходу гарячі гази з 
котла необхідно спрямувати через цей газохід, закривши заслінку для пропускання газів 
через економайзер. Переводити гарячі гази на газохід економайзера належить після 
того, як установиться регулярне живлення котла. 
За відсутності обвідного газоходу для попередження нагріву води в економайзері 
вище допустимої температури здійснювати прокачування через економайзери води, що 
направляється по згінній лінії в бак або дренаж. 
Якщо котли мають водяні економайзери киплячого типу і рециркуляційні лінії, 
що з'єднують водяний простір барабана з нижніми колекторами економайзера, то перед 
розпалюванням котла відкрити вентилі на цих лініях. 
5.3.14 Пальник котла, працюючого на газоподібному паливі, запалювати 
наступним чином: внести в топку до гирла пальника, що включають, запальник, подати 
газ, поволі відкриваючи засувку перед пальником і стежити за тим, щоб він загорівся 
одразу, тут же почати подачу повітря, потім збільшити подачу газу і повітря, одночасно 
регулюючи розрідження в топці і полум'я у пальнику. Вилучити запальник з топки після 
одержання стійкого полум'я. 
Якщо до запалювання пальника полум'я запальника згасло, негайно припинити 
подачу газу в пальник, вилучити запальник з топки і провентилювати топку та газоходи 
протягом 10 - 15 хвилин. Тільки після цього можна приступати до розпалювання 
пальника. 
При наявності у котла кількох пальників їх запалювання виконується послідовно. 
Якщо при розпаленні погаснуть всі або частина запалених пальників, негайно 
припинити подачу газу до них, вилучити з топки запальник і провентилювати топку та 
газоходи протягом 10 - 15 хвилин. Тільки після цього повторно запалити пальники. 
 
73 
Запалюючи пальники, не слід стояти проти отворів (розпалювальних люків), щоб 
не постраждати від випадкового викиду з топки полум'я. Оператор має бути 
забезпечений засобами індивідуального захисту (захисні окуляри та ін.). 
Операторові забороняється: 
а) запалювати в топці погаслий газ без закриття подачі газу на пальники котла 
попередньої вентиляції топки і газоходів; 
б) запалювати газовий факел від сусіднього пальника. 
Запалювання топок котлів, обладнаних автоматикою, виконувати з обов'язковим 
додержанням вимог Інструкції заводу-виготівника котлів або спеціалізованих 
пусконалагоджувальних організацій з обслуговування автоматики. 
5.3.15 При паровому розпиленні рідкого палива для розпалювання форсунки в 
топку ввести палаючий розпалювальний факел, подати пар до форсунки, а після цього - 
паливо шляхом поступового відкриття вентиля. 
Після запалення мазуту, змінюючи подачу мазуту, пари і повітря, відрегулювати 
горіння. 
5.3.16 При механічному розпиленні мазуту після внесення в топку палаючого 
розпалювального факела або включення автоматики розпалювання, причинити 
повітряний шибер і, поволі відкриваючи вентиль, подати мазут в топку. Після того, як 
мазут займеться, відрегулювати горіння. 
5.3.17 Розпалювальний факел видалити з топки лише тоді, коли горіння стане 
тривалим. Якщо мазут не загорівся, негайно припинити подачу його в форсунки, 
забрати з топки розпалювальний факел і провентилювати топку, газоходи і 
повітряпроводи протягом 10 - 15 хвилин, установити причину незагорання палива та 
усунути її. Тільки після цього знову приступити до розпалювання форсунки. 
При наявності у котлах кількох форсунок розпалювання їх виконувати 
послідовно. 
Якщо при разпалюванні погаснуть всі працюючі форсунки, негайно припинити 
подачу в них палива, видалити з топки ручні розпалювальні факели і провентилювати 
топку, димоходи і воздухопроводи протягом 10 - 15 хвилин при працюючому димососі 
і вентиляторі. Після цього можна знову розпалювати форсунки. 
 
74 
Якщо погасне частина працюючих форсунок, слід негайно припинити подачу 
палива в ці форсунки, а потім запалити їх з допомогою палаючого ручного 
розпалювального факела. 
Розпалюючи форсунки, не можна стояти проти отворів (розпалювальних люків), 
щоб не постраждати від випадкового викиду полум'я. 
Операторові забороняється запалювати факел форсунки від сусідньої розжареної 
кладки топки (без розтоплювального факела). 
5.3.18 Коли з відкритого запобіжного клапана або повітряного вентиля почне 
виходити пара, закрити запобіжний клапан або повітряний вентиль і відкрити 
продувальний вентиль за пароперегрівачем. 
 
Рис.5.2 – Приміщення для установки котла 
Включення котла в роботу. 
Перед включенням котла в роботу необхідно виконати: 
а) перевірку справності дії запобіжних клапанів, водовказівних приладів, 
манометра і живильних пристроїв; 
б) перевірку показів рівня води за покажчиками рівня води прямої дії; 
в) перевірку і включення автоматики безпеки, сигналізаторів, апаратури 
автоматичного керування котлом; 
г) продувку котла. 
Забороняється включати в роботу котли з несправною арматурою, живильними 
пристроями, автоматикою безпеки і засобами проти аварійного захисту та сигналізації. 
5.3.19. Включення котла у паропровід повинен здійснюватись повільно, після 
старанного прогріву і продуву паропроводу. Під час прогрівання необхідно уважно 
 
75 
стежити за справністю трубопроводу, конденсаторів, опору і підвісок, а також за 
рівномірним розширенням паропроводу. При виникненні вібрації або різких ударів 
необхідно припинити прогрівання до усунення виявлених дефектів. 
5.3.12. При виключенні котла тиск у котлі повинен дорівнювати або бути дещо 
меншим від тиску в проводі (не більше 0,5 кг/см2), при цьому горіння у топці слід 
зменшити. Якщо в паропроводі виникатимуть поштовхи або гідравлічні удари, 
необхідно негайно припинити включення котла і збільшити продування паропроводу. 
5.3.13. По мірі збільшення навантаження котла продування пароперегрівача 
зменшуються, а після досягнення приблизно половини навантаження - припиняється. 
5.3.14. Час початку розпалювання і включення котла в роботу записується у 
змінний журнал.  
Робота котла. 
5.3.15. Під час чергування персонал котельні повинен стежити за справністю 
котла і всього устаткування котельні та суворо дотримуватись встановленого режиму 
роботи котла. 
Виявлені в процесі роботи несправності устаткування необхідно записати у 
змінний журнал. Персонал повинен негайно вживати заходів щодо усунення 
несправностей, які загрожують безпечній та безаварійній роботі устаткування. Якщо 
усунути несправності своїми силами неможливо, необхідно повідомити про керівника 
організації (чи особи, що виконує, його обов'язки) відповідальну за безпечну 
експлуатацію котлів. 
Особливу увагу під час роботи потрібно звертати на: 
а) підтримання нормального рівня води у котлі та рівномірне живлення його 
водою. При цьому не можна допускати, щоб рівень води знижувався нижче граничного 
рівня або підіймався вище допустимого вищого рівня; 
б) підтримання нормального тиску пари (підвищення тиску в котлі вище 
дозволеного не допускається); 
в) підтримання температури перегрітої пари, а також температури живильної води 
після економайзера. 
5.3.16. Перевірка справності дії манометра за допомогою трьохходових кранів або 
запірних вентилів, що їх замінюють, повинна здійснюватися не менше одного разу 
протягом зміни; результати  перевірки записувати в змінний журнал. 
 
76 
5.3.17. Перевірку водовказівних приладів продування треба здійснювати для 
котлів з робочим тиском до 24 кг/см2  не менше одного разу за зміну. Звіряти покази 
знижених показників рівня води з водовказівними приладами прямої дії треба не менше 
одного разу протягом зміни із записом результатів у змінний журнал. 
5.3.18. Перевірку справності запобіжних клапанів продуванням необхідно 
здійснювати для котлів з тиском до 0,7 кг/см   не менше як раз за зміну (кожного 
клапана). Робота котлів з несправними або не відрегульованими запобіжними 
клапанами забороняється. Забороняється також заклинювати запобіжні клапани або 
додатково навантажувати їх. 
5.3.19. Справність всіх живильних насосів треба перевіряти короткочасними 
пусками кожного з них у роботу; для котлів з робочим тиском до 24 кгс/см2  -  не менше 
одного разу протягом зміни. 
Закидати тверде паливо на колосникову решітку ручної топки треба невеликими 
порціями, швидко, при послабленому чи виключеному дутті. При наявності кількох 
завантажувальних дверцях закидають паливо у кожну з них по черзі, після того, як 
раніше вкинуте паливо в сусідні дверцята добре розгориться. 
Товщину шару палива на колосниковій решітці треба підтримувати залежно від 
сорту і якості палива відповідно до вказівок адміністрації. При збільшенні 
навантаження котла необхідно з початку збільшити тягу, а потім дуття, при зниженні 
навантаження - спочатку зменшити дуття, а потім - тягу. Дверці топок повинні бути 
зачинені і замкнуті на клямки. 
5.3.20.Періодичне продування котла треба здійснювати у терміни, встановлені 
адміністрацією у присутності відповідальної за зміну особи. До продування необхідно 
впевнитись у справності водовказівних приладів, живильних пристроїв і в наявності 
води в живильних баках та в тому, що котли, які ремонтуються, або проходять чистку, 
від’єднані від продувальних ліній. 
Рівень води у котлі перед продуванням повинен бути дещо вищим від 
нормального. 
Продувальну арматуру треба відкривати обережно і поволі. При наявності двох 
запірних пристроїв спочатку відкривають від котла, а після припинення продування 
спочатку закривають перший від котла пристрій. 
 
77 
Під час продування котла необхідно стежити за рівнем води у котлі. У випадку 
виникнення в продувальних лініях гідравлічних ударів, вібрації трубопроводу або 
інших ненормальних явищ, продування слід негайно припинити. Після закінчення 
продування потрібно переконатися в тому, що запірні органи на продувальній лінії 
надійно закриті і не пропускають воду. 
Забороняється виконувати продування, якщо несправна продувна арматура, 
відкривати і закривати арматуру за допомогою молотка чи іншого предмета, а також із 
застосуванням подовжених важелів. Час початку і закінчення продування котла 
записується у змінному журналі. 
5.3.21. Забороняється під час роботи котла виконувати підчеканення заклепних 
швів, зварювання елементів котла та ін. 
Чистку ручної топки слід здійснювати при зниженому навантаженні, 
послабленому або виключеному дутті  та зменшеній тязі. 
При ручному золовидаленні шлак та золу видаляють з топки в бункер і заливають 
водою. При видаленні шлаку і золи із топки безпосередньо на робочу площадку, над 
місцем їх заливання необхідно включати витяжну вентиляцію. 
 
Рис.5.3 – Безпечне облаштування котелень 
5.3.22. Видалення з поверхні нагріву котлів шлаку, золи і нагару обдування 
здійснюється в строки, встановлені адміністрацією. Перед обдуванням необхідно 
збільшити тягу. Якщо тягу не можна збільшити, то треба ослабити горіння у топці, 
зменшивши дуття. Обдування треба проводити за ходом газів, починаючи з поверхонь 
нагріву, розміщених у камері топки у першому газоході. 
Про проведення обдування котла треба попереджати весь обслуговуючий 
персонал. 
 
78 
Обдування слід негайно припинити, якщо під час його проведення виходить дим 
крізь люки, а також якщо буде виявлено несправність у котлі або обдувальному 
пристрої. 
Щоб запобігти опікам, обдувач повинен знаходитись збоку від дверцят. Все 
устаткування і прилади автоматичного керування та безпеки котла необхідно 
підтримувати у справному стані і регулярно перевіряти. Порядок і строки перевірки 
встановлюються адміністрацією. 
Зупинка котла. 
5.3.23.Зупинка котла у всіх випадках, крім аварійної зупинки, дозволяється  тільки 
при наявності письмового розпорядження адміністрації. 
Під час зупинки котла необхідно: 
а) підтримувати рівень води у котлі вище середнього робочого положення; 
б) припинити подачу палива в топку ; 
 в) від’єднати котел від паропроводів після повного припинення горіння у топці і 
припинення відбору пари, а при наявності пароперегрівника - відкрити продувку. 
Якщо після від’єднання котла від паропроводу тиск у котлі підвищується, слід 
підсилити продування перегрівника. Дозволяється також зробити невелику продувку 
котла і поповнення його водою: 
г) розхолодити котел і відпустити воду з нього у порядку, встановленому 
адміністрацією. 
5.3.24.При зупинці котла, що працює на твердому паливі, слід 
а) допалити при зменшених дутті і тязі залишки палива, що знаходились у топці. 
Забороняється гасити паливо, яке горить, засипанням його свіжим паливом або 
заливанням водою; 
б) припинити дуття і зменшити тягу; 
в) очистити топку та бункери; 
г) припинити тягу, закривши заслінку, топкові та піддувальні дверцята (у 
механічній топці припинити тягу після охолодження решітки). 
5.3.25. Порядок консервації зупинених котлів повинен відповідати вказівкам 
Інструкції заводу – виготівника по монтажу і експлуатації котлів. 
5.4. Дії в аварійних ситуаціях. 
 
79 
5.4.1. Кочегар зобов’язаний у аварійних випадках негайно зупинити котел і 
повідомити про це керівника (чи особу, яка його заміняє), зокрема у випадках, коли: 
а) перестало діяти понад 50% запобіжних клапанів або інших замінюючих їх 
запобіжних приладів; 
б) піднявся тиск вище більш як на 10% і продовжує зростати, незважаючи на 
припинення подачі палива, зменшення тяги і дуття на підсилене живлення котла з 
водою; 
в) відбувся упуск з котла (нижче нижнього краю водопокажчика). Підживлення 
котла водою у цій ситуації категорично забороняється; 
г) рівень води швидко зменшується, незважаючи на посилене живлення котла 
водою; 
д) рівень води піднявся вище від верхнього краю показника і продування котла не 
вдається його знизити; 
е) припинилася дія усього устаткування живлення; 
ж) у основних елементах котла (барабані, колекторах, камерах, жаровій трубі, 
вогнетривкій коробці; кожусі топки, трубній решітці, зовнішньому сепараторі, 
паропроводі і т. д.) виявлено тріщини, опуклості, пропуски у зварних швах, обриви двох 
і більше зв`язок, які знаходяться поруч; 
з) зупинилася подача електроенергії при штучній тязі, а також пошкодженій 
елементи котла та його обмурівки, що створило загрозу для безпеки обслуговуючого 
персоналу або загрозу зруйнування котла; 
і) виникла пожежа у котельній або загорілась сажа чи частинки палива у 
газоходах, що створило загрозу обслуговуючому персоналу і котлу. 
5.4.2. Причини аварійної зупинки котла треба написати у змінний журнал. 
5.4.3. При появі течі у заклепувальних швах або у місцях вальцювання труб, 
свищів в трубах поверхні нагріву котла, а також інших пошкоджень та несправностей 
котла, арматури, манометрів, приладів безпеки і допоміжного устаткування, що не 
потребують негайної зупинки котла, обслуговуючий персонал зобов`язаний терміново 
повідомити про це адміністрацію. 
5.4.4. Під час аварійної зупинки котла необхідно: 
а) припинити подачу палива і повітря, різко ослабити тягу; 
 
80 
б) негайно видалити з топки паливо, що горить; у виключних випадках, якщо це 
неможливо зробити, паливо, що горить, залити водою, спостерігаючи, щоб струмінь 
води не попав на стінку котла та обмурівку; 
в) після того як горіння палива у топці припинено, відкрити на деякий час димові, 
а в ручних топках - топкові дверцята; 
г) відключити котел від головного паропроводу; 
д) пару випускати через трохи підняті запобіжні клапани або аварійний вихлопний 
вентиль, крім випадків, про які сказано у пункті 5.4.1. 
5.4.5. У випадку зупинки котла внаслідок загоряння сажі слід негайно припинити 
подачу палива і повітря у топку, припинити тягу, зупинивши димососи та вентилятори, 
і повністю припинити димохід парою, і після припинення горіння провентилювати 
топку. 
5.4.6. У випадку виникнення у котельні пожежі, персонал повинен негайно 
викликати пожежну охорону і вжити всіх заходів щодо гасіння пожежі, не припиняючи 
нагляду за котлами. 
Якщо пожежа загрожує котлам і швидко погасити її не можливо, необхідно 
зупинити котли в аварійному порядку, посилено живлячи їх водою і випускаючи пару в 
повітря (поза приміщенням котельні). 
 
Рис.5.4 –Котельні на підприємстві 
5.5. Вимоги безпеки після закінчення роботи. 
5.5.1. Навести порядок на робочому місці. 
5.5.2. Здати чергування відповідальному по зміні з записом у змінному журналі 
про всі замічені недоліки, несправності, указівках, розпорядженнях керівництва. 
 
81 
5.5.3. Зупинка котла (за винятком аварійної) провадиться за письмовим наказом 
особи, відповідальної за безпечну експлуатацію котла, про що робиться запис у 
змінному журналі. 
5.5.4. У випадку зупинки котла працівники котельні не мають права залишати своє 
робоче місце до повного припинення горіння в топці котла, видалення з нього залишків 
палива і зниження тиску до нуля, за винятком котлів, що не мають цегельної кладки. У 
таких котлах зниження тиску до нуля після видалення палива з топки не обов'язково, 
якщо котельня буде закрита на замок. 
Висновок до п’ятого розділу 
В розділі охорони праці розглянули основні вимоги по техніці безпеки перед 
початком роботи, під час роботи та при виникненні аварійних ситуацій при 
обслуговування котлів, що працюють на твердому паливі   
 
82 
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ 
1. Аналіз областей централізованого і децентралізованого енергопостачання 
дозволив виділити групи споживачів, для яких розробка КЕУ малої потужності на 
деревних пелетах є актуальним питанням, що дозволяє підвищити надійність 
енергопостачання і знизити собівартість електричної та теплової енергії. 
2. Визначено термодинамічні параметри повітря перед детандером, що 
забезпечують максимальну енергетичну ефективність:  
- 400°С та 10 бар для аварійного електропостачання, що забезпечує високий 
ККД установки при об'ємі балона не більше 2 м3 для автономної роботи 
протягом 12 годин;  
- 400 °С і 4 бар для автономного електропостачання власних потреб котла, що 
забезпечує максимальну величину корисної потужності при одночасної роботі 
турбіни та компресора;  
- 700 °С та 7 бар для автономного енергопостачання індивідуальних споживачів 
з електричною потужністю 10,2 кВт. 
3. Розроблена фізична модель топки досліджена з застосуванням запропонованої 
в роботі методики чисельного дослідження горіння твердого палива. 
4. Отримані експериментально значення викидів СО становлять 447 ppm, 
викидів NOx 267 мкг/м3. Відхилення по викидам СО і NOx склали 6,7% і 16% 
відповідно. 
5. Запропонований спосіб ступінчастого спалювання палива був змодельований 
в прототипі пелетного котла, фактичний (визначений за вимірюванням) ККД якого 
складає 92,2%. 
6. Розглянуто основні вимоги по техніці безпеки оператора котельні, що працює 
на твердому паливі. 
 
83 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 
1. Борисов М. А. Реабілітація ТЕС. Забезпечення сталої роботи об’єднаної 
енергосистеми України // Енергетика та електрифікація. – 2004. – № 3. – С. 2–3. 
2. Теплотехніка / Б. Х. Драганов, А. А. Долінський, А. В. Міщенко, Є. М. 
Письменний; За ред. Б. Х. Драганова. – К.: ТОВ «Астра Пол», 2005. – 503 с. 
3. Петров В. С., Гончаренко В. Г., Погарова Л. С. Проблеми та перспективи розвитку 
теплової енергетики України // Енергетика та електрифікація. – 2001. – С. 42–44. 
4. Енергетичні установки та навколишнє середовище / В. А. Маляренко, Г. Б. 
Варламов, Г. Н. Любчик та ін.; За ред. В. А. Маляренка. – Харків: ХГФГХ, 2002. – 
397 с. 
5. Аналіз стану котельного господарства України з метою модернізації, 
продовження ресурсу чи заміни котлів малої і середньої потужності / І. Я. Сігал, 
Е. П. Домбровська, А. В. Смухіна та ін. // Екотехнології та ресурсозбереження. – 
2003. – № 6. – С. 76–79. 
6. Використання технологій циркулюючого киплячого шару для спалювання 
відходів вуглезбагачення / Ю. П. Корчевой, М. А. Борисов, О. Ю. Майстренко та 
ін. // Енергетика та електрифікація. – 2002. – № 1. – С. 8–11. 
7. Жовтюк Г. В., Золотко А. А., Коткін А. М. Прогресивна техніка та технологія 
вуглезбагачення. – Київ: Техніка, 1988. – 128 с. 
8. Корчевой Ю. П., Майстренко А. Ю., Вольчин І. А. Шляхи модернізації та 
реконструкції пиловугільних котлоагрегатів теплових електростанцій // Новини 
енергетики. – 2000. – № 4. – С. 38–40. 
9. Майстренко А. Ю., Дудник А. М., Топал А. І. Порівняльний аналіз техніко-
економічних показників роботи ТЕС, що використовують чисті вугільні 
технології // Енергетика та електрифікація. – 1997. – № 6. – С. 1–3. 
10. Майстренко А. Ю., Чернявський М. В. Питання підвищення ефективності 
використання твердого палива на ТЕС // Енергетика та електрифікація. – 2004. – 
С. 17–27. 
11. Саранчук В. І., Ошовський В. В., Власов Г. А. Фізико-хімічні основи переробки 
горючих копалин. – Донецьк: ДонДТУ; Східний видавничий дім, 2001. – 304 с. 
12. Тарасюк В. М. Експлуатація котлів. – Київ: Основа, 1999. – 282 с. 
13. Газодинамічне вдосконалення проточних частин парових турбін для ТЕС та АЕС 
 
84 
ВАТ «Турбоатом» / Є. В. Левченко та ін. // Зб. наук. праць ІПМаш НАН України. 
– Харків, 2003. – 682 с. 
14. Головащенко А. Ф., Трошин В. П., Станюк А. Н. Газотурбінні двигуни та 
установки ДП НВКГ «Зоря–Машпроект» для електростанцій. – Миколаїв, 2002. – 
С. 31–36. 
15. Домашев Є. А. Передумови та можливі шляхи розвитку атомної енергетики в 
Україні // Енергетика: економіка, технології, екологія. – 2001. – № 3. – С. 10–14. 
16. Мацевитий Ю. М., Голощапов В. Н. Про розвиток енергомашинобудівного 
комплексу України до 2030 року // Харків: ІПМаш НАН України, 2003. – 682 с. 
17. Христич В. А., Варламов Г. Б. Газотурбінні установки: історія та перспективи. – 
К.: НТУУ «КПІ», 2006. – 384 с. 
18. Буляндра О. Ф. Технічна термодинаміка. – К.: Вища школа, 2001. – 320 с. 
19. Варламов Г. Б., Любчик Г. М., Маляренко В. А. Теплоенергетичні установки та 
екологічні аспекти виробництва енергії. – К.: Політехніка, 2003. – 228 с. 
20. Здановський В. Г., Півень В. В., Зубанюк В. Р. Раціональне застосування 
парогазових установок та їх роль в енергетичній безпеці України // Енергоінформ. 
– 1999. – № 12. – С. 1–2. 
21. Енергетична стратегія України. Погляд громадськості. – К.: ЦТІ «Енергетика та 
електрифікація», 2003. – 260 с. 
22. Маляренко В. А., Немировський І. А. Енергозбереження та енергетичний аудит: 
навч. посібник. – Харків: НТУ «ХПІ», 2011. – 341 с. 
23. Дерзкий В. Г. Реформування ринку в електроенергетиці України та ціноутворення 
// Енергозбереження. Енергетика. Енергоаудит. – 2012. – № 11. – С. 13–29. 
24. Тульчинська С. О., Чорній Б. П. Виробництво та споживання електроенергії в 
Україні // Сучасні проблеми економіки і підприємництво. – 2016. – № 18. – С. 56–
62. 
25. Маркевич К., Омельченко В. Енергетична галузь України: підсумки 2015 року. – 
Київ: Центр Разумкова, 2016. – 71 с. 
26. Єрьоменко А., Куюн С., Кобаль Г. Про нафту, про газ, зачатки ринку та про нас // 
Дзеркало тижня. – 2016. – № 50. 
27. Розміщення продуктивних сил України / С. І. Дорогунцов та ін. – Київ: КНЕУ, 
2000. – 364 с. 
 
85 
28. Неклюдов І. М. Стан та проблеми атомної енергетики в Україні // Вопросы 
атомной науки и техники. – 2007. – № 2. – С. 3–9. 
29. Маляренко В. А., Немировський І. А. Енергоефективність та енергоаудит. – 
Харків: «Видавництво САГА», 2006. – 336 с. 
30. Бакулін Є., Чупрун В. Нафтогазовий комплекс України: на шляху до енергетичної 
незалежності. – К., 2012. – 10 с. 
31. International Energy Agency. Energy Technology at the Cutting Edge. – IEA, 2005. 
32. Cogen Europe. Micro-CHP Fact Sheet Netherlands. – 2004. 
33. Helsinki Energy. Annual report 2001. – Helsinki, 2002. – 32 p.
ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
