авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Исследование и математическое моделирование химико-технологических процессов водообработки на тэс

-- [ Страница 1 ] --

_____________________________________________________________

На правах рукописи

БУШУЕВ Евгений Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВОДООБРАБОТКИ НА ТЭС

Специальность: 05.14.14 – Тепловые электрические станции,
их энергетические системы и агрегаты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Иваново

2010

Работа выполнена на кафедре «Химия и химические технологии
в энергетике» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановский государственный
энергетический университет имени В.И. Ленина»

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Ларин Борис Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Очков Валерий Федорович

доктор технических наук, профессор Шувалов Сергей Ильич

доктор технических наук, профессор Шищенко Валерий Витальевич

Ведущая организация:

ОАО «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт», г. Москва

Защита состоится « » 2010 года в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 212.064.01 при Ивановском государственном энергетическом университете по адресу: 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34, корпус «Б», аудитория 237.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим присылать по адресу: 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34, Ученый совет ИГЭУ. Тел.: (4932) 38-57-12, факс: (4932) 38-57-01. Е-mail: uch_sovet@ispu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного энергетического университета.

Автореферат разослан « ___ » ___________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.064.01

доктор технических наук, профессор А.В. Мошкарин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Надёжность, экономичность и безопасность работы энергоблоков ТЭС в значительной степени зависят от состояния водно-химического режима (ВХР), регулируемого Правилами технической эксплуатации и другими нормативными документами. Повышенные присосы охлаждающей воды в конденсаторах паровых турбин или сетевой воды в сетевых подогревателях, ухудшение качества добавочной воды или нарушение режима дозирования реагентов (например, аммиака или фосфатов) способны привести к нарушениям ВХР, что должно непрерывно отслеживаться приборами автоматического химического контроля (АХК) по всему водопаровому тракту энергоблока.

Уверенно реагировать на эти нарушения на ранней стадии их развития способны кондуктометры и отчасти рН-метры. При этом различные нарушения ВХР могут вызывать одинаковую реакцию этих приборов, например увеличение удельной электропроводности питательной воды. Различить отдельные виды нарушений ВХР по показателям основных приборов АХК: кондуктометров и рН-метров, – можно, используя алгоритм расчета концентраций ионных компонентов в питательной, котловой водах и составляющих их потоках. Такой алгоритм основан на анализе математических моделей ионных равновесий в обессоленной, питательной и котловой водах энергетических котлов и представлен в данной работе.





Математические модели (ММ) ионных равновесий в разных технологических потоках водного теплоносителя, изменения этих равновесий в процессах обработки природных вод и коррекционных дозировок реагентов, например аммиака и фосфатов натрия, позволяют контролировать качество теплоносителя, проектировать установки водоподготовки, управлять водно-химическим режимом. Построение математических моделей такого рода требует знания химико-технологических и теплотехнических процессов, особенностей конструкции аппаратов, возможностей приборных методов химического контроля. При этом надежных методов АХК, характеризующихся высокой точностью и достоверностью измерений в условиях пароводяного цикла ТЭС, очень немного.

Во второй половине прошлого века большое внимание уделялось разработке расчетных методов косвенного определения химического состава примесей водного теплоносителя на ТЭС. Это нашло свое отражение в работах МЭИ, ИГЭУ, ВТИ, ВНИИ «ВОДГЕО» и др. Однако ограниченность приборного парка и вычислительных систем отодвинула решение задачи разработки математических моделей и систем химико-технологического мониторинга высокого уровня на начало XXI века.

Обоснование соответствия диссертации паспорту специальности. В соответствии с формулой специальности 05.14.14 – «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты», охватывающей вопросы физико-химических процессов, водоиспользования и водных режимов, проблемы обеспечения надежности, безопасности и требуемого рабочего ресурса оборудования ТЭС и т.д., в диссертационном исследовании разработаны математические модели ионных равновесий водного теплоносителя энергоблока и методы их решения, позволяющие по минимальному количеству надежных измерений определять содержание нормируемых примесей (аммиака, ионов натрия, хлоридов, форм диссоциации угольной кислоты) в питательной воде, фосфатов в котловой воде. Такие модели могут быть частью математического обеспечения систем химико-технологического мониторинга энергоблоков ТЭС и позволяют диагностировать нарушения ВХР на ранней стадии их развития.

Целью работы является совершенствование методов и разработка новых средств и систем химико-технологического мониторинга на базе математических моделей водного теплоносителя для обеспечения эксплуатационной надежности водно-химического режима и экологической безопасности теплоэнергетического оборудования ТЭС.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи:

1. Разработать ММ электропроводности водных растворов электролитов, используемых на ТЭС.

2. Разработать обобщенную математическую модель ионных равновесий водных потоков, составляющих питательную воду энергетических котлов.

3. Разработать и исследовать частные математические модели поведения минеральных и органических примесей водного теплоносителя, адаптированные к условиям автоматического химического контроля с измерением удельной электропроводности и рН для природной, обессоленной, питательной, котловой вод и турбинного конденсата, обеспечивающие количественное определение основных (нормируемых) показателей качества потоков теплоносителя на ТЭС.

4. Составить инженерные методики и алгоритмы косвенного определения хлорида и гидрокарбоната натрия в обессоленной воде, конденсате и паре, аммиака – в питательной воде, фосфата натрия – в котловой воде.

5. Создать опытно-промышленный образец измерительной системы нового поколения с использованием разработанных математических моделей.

6. Разработать методики и алгоритмы расчета технологических показателей ионитных фильтров в условиях проектирования и эксплуатации водоподготовительных установок ТЭС.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана и исследована математическая модель электропроводности, структурированная по типам технологических водных потоков на ТЭС.

2. Создана не имеющая аналогов обобщенная математическая модель ионных равновесий водных потоков, составляющих питательную воду энергетических котлов.

3. Разработаны и исследованы частные математические модели поведения минеральных и органических примесей водного теплоносителя, адаптированные к условиям автоматического химического контроля с измерением удельной электропроводности и рН для природной, обессоленной, питательной, котловой вод и турбинного конденсата, обеспечивающие количественное определение основных (нормируемых) показателей качества потоков теплоносителя на ТЭС.

4. Составлены расчетные методики и алгоритмы косвенного определения хлорида и гидрокарбоната натрия в обессоленной воде, конденсате и паре, аммиака – в питательной воде, фосфата натрия – в котловой воде на основе измерений удельной электропроводности и рН.

5. Разработана методика и алгоритмы расчета технологических показателей ионитных фильтров в условиях эксплуатации и проектирования с использованием математических моделей.

6. Составлены и использованы математические модели ионных равновесий для косвенных измерений концентраций нормируемых примесей по измерениям удельной электропроводности и рН, в рамках анализатора примесей конденсата, а также для калибровки кондуктометра и рН-метра, подтвержденные патентами на изобретение.

7. Разработана и проверена методика оперативного определения содержания в питательной воде прямоточных котлов потенциально кислых веществ по измерениям удельной электропроводности
Н-катионированной пробы.

Практическая значимость работы. Разработанные автором математические модели и алгоритмы могут широко использоваться для автоматического химического контроля качества водного теплоносителя на ТЭС и АЭС в целях определения химического состава ионогенных примесей (в том числе органических потенциально кислых веществ) по измерению удельной электропроводности и рН. Так, с участием автора разработан автоматический прибор химического контроля нового поколения – анализатор примесей конденсата АПК-051, отмеченный золотыми медалями Всемирных инновационных салонов в Брюсселе (Бельгия) в 2007 г. и Женеве (Швейцария) в 2009 г., Румынской академии наук в 2007 г.

Основные теоретические положения и практические результаты работы легли в основу книги «Основы математического моделирования химико-технологических процессов обработки теплоносителя на ТЭС и АЭС» – победителя Общероссийского конкурса рукописей учебной, научно-технической и справочной литературы по энергетике 2007 г., организованного РАО «ЕЭС России» и Московским энергетическим институтом (техническим университетом). В 2009 году книга была издана в издательстве «Издательский дом МЭИ».

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается комплексным, системным подходом к описанию ионных равновесий водного теплоносителя разных технологических потоков, использованием классической теории электропроводности, большим объемом опытных лабораторных данных и промышленных испытаний, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, совпадением отдельных результатов с данными других авторов.

Автор защищает:

1. Математическую модель электропроводности и результаты ее измерений в различных технологических потоках водного теплоносителя на ТЭС.

2. Обобщенную математическую модель, алгоритм и методику количественного определения концентраций ионогенных примесей водного теплоносителя энергоблоков по измерению удельной электропроводности и рН.

3. Частные математические модели, методики и результаты косвенного определения концентраций минеральных, включая аммиак и фосфаты, и органических примесей в питательной, котловой водах и паре энергетических котлов.

4. Методику и результаты расчетов технологических показателей ионитных фильтров для условий их эксплуатации и проектирования.

5. Расчетный алгоритм и результаты использования опытно-промышленного автоматического анализатора примесей конденсата.

6. Динамические модели оценки состояния водно-химического режима, положенные в основу автоматизированных обучающих систем.

Личный вклад автора заключается:

  • в разработке структурной математической модели электропроводности водных потоков на ТЭС и алгоритма поиска решения уравнения электропроводности для растворов смеси электролитов от вод типа конденсата до регенерационных растворов ионитных фильтров;
  • разработке обобщенной математической модели ионных равновесий водного теплоносителя энергоблоков и частных математических моделей отдельных технологических потоков на базе измерений удельной электропроводности и рН;
  • разработке математических моделей и технологических алгоритмов ионитных фильтров и схем химического обессоливания воды, позволяющих производить также экологическую оценку эффективности решений;
  • участии в проведении лабораторных исследований и промышленных испытаний по проверке адекватности математических моделей;
  • разработке вычислительного алгоритма автоматического прибора нового поколения АПК-051;
  • разработке ряда алгоритмов и расчетных программ с использованием математических моделей химико-технологических процессов на ТЭС;
  • внедрении в учебный процесс новых разработок и математических моделей в дисциплинах «Оптимизация и математическое моделирование химико-технологических процессов на ТЭС и АЭС» и «АСУ и САПР энергоустановок».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись на следующих конференциях: VIII, IХ, X, XI, XII, XIV, XV международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития электротехнологии» («Бенардосовские чтения») (г. Иваново, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007, 2009 гг.), II, III Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования» (г. Иваново, 2000, 2002 гг.), международной конференции «Instrumentation for power plant chemistry» (г. Цюрих, Швейцария, 2006 г.), международной конференции «Properties of Water and Steam» (г. Берлин, Германия, 2008 г.), международной научно-технической конференции «Экология энергетики 2000» (г. Москва, 2000 г.), IV российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (г. Ульяновск, 2003 г.), международном совещании «Водно-химический режим АЭС» (г. Десногорск, Смоленская АЭС, 2003 г.), 7-м международном научно-техническом совещании «Водно-химический режим АЭС» (г. Москва, ВНИИАЭС, 2006 г.), международной научно-технической конференции «Энергетика-2008: инновация, решения, перспективы» (г. Казань, 2008 г.), Всемирных инновационных салонах в Брюсселе (Бельгия) в 2007 г. и Женеве (Швейцария) в 2009 г.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 73 публикациях, в том числе в 3 монографиях (в соавторстве), 30 научных статьях, 4 патентах на изобретение, 3 свидетельствах на интеллектуальный продукт, 2 свидетельствах на программные продукты для ЭВМ, 31 тезисе докладов.

Содержание и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы, включающего 236 наименований и приложений. Работа изложена на 334 страницах, содержит 82 рисунка и 67 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены ее цель и задачи, указана научная новизна и практическая значимость.

В первой главе дан анализ состояния проблемы разработки и использования математических моделей химических равновесий и их физических представлений в форме удельной электропроводности и рН для различных технологических потоков водного теплоносителя на ТЭС, начиная от природной и обессоленной вод и заканчивая котловой водой и регенерационными растворами ионитных растворов.

Показатель «удельная электропроводность» широко применяется для контроля качества теплоносителя, однако в основном он используется как косвенный показатель, характеризующий солесодержание технологических вод. В литературе (работы Н.И. Воробьева, А.А. Мостофина и др.) просматривается стремление, получить количественную информацию о содержании ионогенных примесей по результатам измерений электропроводности и рН.

Большой вклад в развитие приборных методов химического контроля внесли сотрудники ВТИ (Л.М. Живилова, В.А. Коровин и др.). На базе этих методов разработан ряд способов контроля истощения ионитных фильтров, внедрен ряд технологических схем автоматизированных ХВО. В одной из работ А.А. Мостофиным предлагаются номограммы, определяющие взаимосвязь удельной электропроводности и рН конденсата с содержанием углекислоты и аммиака. Имея данные о концентрации аммиака и рН в питательной воде или конденсате, по этим номограммам можно оценивать концентрацию углекислоты и удельную электропроводность раствора.

Дан анализ состояния технологических процессов и схем обработки воды, рассмотрены предпосылки создания математических моделей и проблемы их реализации.

Значительный вклад в развитие математического моделирования химико-технологических процессов на ТЭС внес профессор кафедры «Технология воды и топлива» (ТВТ) МЭИ (ТУ) В.Ф. Очков. В его работах представлено значительное количество ММ поведения теплоносителя энергоблоков в основной и вспомогательных теплоэнергетических системах, приводится также описание созданных на их основе компьютерных тренажеров и имитационных моделей, направленных на обучение студентов и эксплуатационного персонала ТЭС.

Изложены структура и содержание современных систем химико-технологического мониторинга (СХТМ) водно-химического режима на ТЭС. Большой вклад в разработку концепции СХТМ внесли ученые кафедры ТВТ МЭИ (ТУ) (В.Н. Воронов, Т.И. Петрова, П.Н. Назаренко, Д.С. Сметанин).

В отдельный раздел вынесены разработки расчетных методов ионных равновесий водных растворов электролитов и электропроводности представителей научной школы ИГЭУ, взятые за основу в данной работы.

Особенностью расчетных методов, разработанных профессором Б.М. Лариным и его сотрудниками (Н.А. Голубкова, А.Н. Коротков, М.Ю. Опарин), была ориентация на использование измерений удельной электропроводности и рН для количественных определений концентраций ионных примесей технологических вод ТЭС. Было предложено использовать уравнение электропроводности в его простом виде, для водных растворов отдельных электролитов и их смесей в широком диапазоне концентраций (вплоть до 1 моль/л) и температур (от 10 до 50 °С) для всех основных ионов, присутствующих в природных водах

, (1)

где – удельная электропроводность раствора, См/см; i – эквивалентная электропроводность i-го иона, Смсм2/г-экв; Сэк,i – эквивалентная концентрация i-го иона, г-экв/л; n – общее число видов ионов, присутствующих в растворе.

Ранее уравнение (1) применялось, как правило, для сильно разбавленных монорастворов электролитов и имело характер расчетного выражения.

Заслугой Б.М. Ларина является то, что, следуя по пути классической теории растворов электролитов (Р. Фуосс, Л. Онзагер, Р. Стокс, Р. Робинсон, Г. Харнед, Б. Оуэн и др.) и учитывая не только электростатическое влияние ионов, но и такие свойства водных растворов электролитов, как вязкость и способность к образованию ионных пар, ему удалось получить аналитическое выражение для расчета эквивалентной электропроводности отдельного иона (i) в растворе смеси электролитов во всем диапазоне концентраций, применимых в энергетической химии (вплоть до 1 моль/л).



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.