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 |

Теплофизические аспекты работоспособности испарительных элементов двухбарабанных промышленных котлов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Тайлашева Татьяна Сергеевна

Теплофизические аспекты работоспособности испарительных элементов двухбарабанных промышленных котлов

Специальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск – 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский политехнический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Заворин Александр Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Пузырев Е.М.

доктор физико-математических наук, доцент Крайнов А.Ю.

Ведущая организация:

ОАО «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова» (ОАО «НПО ЦКТИ»), г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «22» декабря 2009 года в 1430 часов

на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

ДС 212.025.01 в Томском политехническом университете по адресу:

634050, г. Томск, пр. Ленина, 2, корпус 10, ауд. 228.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Томский политехнический университет»

Автореферат разослан « » ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Долматов О.Ю.

к.ф.-м.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации определяется ее направленностью на создание научных основ обеспечения безопасности, продления срока межремонтного обслуживания и повышение эффективности эксплуатации двухбарабанных промышленных котлов.

Наряду с крупными электро- и теплогенерирующими станциями, входящими в структуру так называемой «большой» энергетики, значительное место занимает промышленная энергетика, где вырабатываемая тепловая энергия в виде парового и водяного теплоносителей предназначена для теплоснабжения населения и технологического использования в производственных процессах. В этой сфере центральное место занимает проблематика повышения надежности эксплуатации котельного оборудования и связанной с этим эффективности топливоиспользования.

В сфере малой энергетики с отопительным и промышленным использованием пара широкое распространение получили двухбарабанные водотрубные паровые котлы типа ДКВР производства Бийского котельного завода. Всего выпущено и эксплуатируется по сегодняшний день несколько сотен тысяч котлов типа ДКВР различной производительности, что дает основание относить эти котлы к наиболее распространенным в мире. Многолетний опыт эксплуатации двубарабанных котлов выявляет систематические разрушения основных конструктивных элементов испарительных экранных систем. Неоднократно эти элементы подвергаются замене – как в период плановых ремонтов, так и во время аварийных остановов. Обеспечение эксплуатационной надежности испарительных элементов и возможности бесперебойной работы промышленных и отопительных котлов требует особого внимания. Практика многолетней эксплуатации котлов типа ДКВР показывает, что решение сформулированной проблемы возможно только при создании научных основ прогностического моделирования процессов, протекающих при работе испарительных экранных систем.



Актуальность темы диссертации определяется ее соответствием основным направлениям научной деятельности Томского политехнического университета (направление «Разработки методов и средств повышения надежности и эффективности эксплуатации энергетических объектов») и находится в сфере приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ («Энергетика и энергосбережение»).

Целью диссертационного исследования является разработка прогностических методов оценки влияния условий теплопередачи в топке котла на работу испарительных элементов в двухбарабанных системах естественной циркуляции и обоснование диапазона допустимых тепловых нагрузок с использованием численного моделирования на основе пакета прикладных программ FIRE 3D.

Основные задачи исследования:

  • выявление эксплуатационных параметров теплопереноса, обуславливающих причины разрушений испарительных элементов в двухбарабанных циркуляционных системах;
  • проведение вычислительных экспериментов с целью оценки влияния особенностей конструкции, способов компоновки горелок и режимов работы на тепломассообменные характеристики испарительных элементов в двухбарабанной гидродинамической схеме;
  • численные исследования условий работы солевого контура циркуляции двухбарабанных систем;
  • выявление наиболее опасных участков испарительных элементов с учетом основных эксплуатационных факторов.

Научная новизна полученных результатов:

  • впервые проведены численные исследования процессов в топке и условий циркуляции в настенных экранах для двухбарабанных систем при сжигании природного газа;
  • получены новые данные о распределении температур и аэродинамической структуры топочного объема, плотности теплового потока на ограждающие поверхности топки котла ДКВР, позволяющие анализировать условия работы не только экранных панелей, но и отдельных труб в их составе;
  • впервые разработаны методические положения по применению математического моделирования для оценки влияния условий теплопередачи на работу испарительных элементов в двухбарабанных циркуляционных системах.

Практическая значимость работы:

  • полученные результаты создают объективные предпосылки для прогнозирования наиболее опасных участков испарительных элементов контура циркуляции;
  • результаты исследования применимы для разработки мероприятий по предотвращению аварийных разрушений экранных поверхностей нагрева двухбарабанных котлов;
  • основные результаты и рекомендации используются в эксплуатационной практике и при конструировании котлов в ОАО «Бийский котельный завод» (г. Бийск, Алтайский край);
  • методика исследования используется в учебном процессе по специальности 140502 «Котло- и реакторостроение» в Томском политехническом университете (включена в лекционный курс и лабораторный практикум по дисциплине «Надежность, эксплуатационые режимы, исследование и наладка котельных установок», в тематику выпускных квалификационных работ и учебно-исследовательской работы студентов).

Достоверность результатов обеспечивается применением апробированных математических моделей и методов вычислений, согласованием с экспериментальными данными других авторов, а также с результатами, полученными по нормативному методу тепловых расчетов, и результатами инструментальных измерений.

Полученные в диссертации экспериментальные результаты коррелируют с данными других авторов.

На защиту выносятся:

  • результаты численных экспериментов по определению характеристик топочного процесса для широкого диапазона нагрузки котлов ДКВР-20 при сжигании природного газа;
  • результаты теоретического и экспериментального анализа условий работы настенных испарительных элементов в двухбарабанной циркуляционной системе котлов типа ДКВР;
  • методические положения прогностической оценки работоспособности труб в испарительных элементах на основе применения математического моделирования топочного процесса;
  • рекомендации по организации топочного процесса при реконструкции и режимам эксплуатации реконструированных с переводом на сжигание природного газа котлов типа ДКВР-20.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на VII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, 2001 г.), VII, XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2002г., 2009 г.), Региональной научной конференции «Наука. Техника. Инновация» (Новосибирск, 2002 г.), VI Всероссийском совещании «Энергосбережение, энергоэффективность и энергетическая безопасность регионов России» (Томск, 2005 г.), V семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока «Проблемы теплофизики и теплоэнергетики» (г. Иркутск, 2007 г.), III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (г. Екатеринбург, 2007 г.), Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов «XXXVII неделя науки СПбГПУ» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), VI Всероссийском семинаре вузов по теплофизике и теплоэнергетике (г. Красноярск, 2009 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 15 печатных работах, среди которых 2 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения и списка литературы (109 наименований). Работа содержит 153 страницы, 8 таблиц и 48 рисунков.

Личное участие автора является определяющим на всех этапах работы: поставлена задача исследования, выполнены анализ и обобщение работ по основополагающим принципам методических основ прогностической оценки надежности испарительных элементов. Единолично выполнены экспериментальные исследования, проведен анализ и сформулированы выводы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе приведены основные сведения об эволюционном развитии современных двухбарабанных промышленных и отопительных котлов, представлено разнообразие конструктивных решений и основные особенности тепломассопереноса в существующих двухбарабанных водотрубных котлах.

Рассмотрены особенности циркуляционных систем, реализованных в двухбарабанных паровых водотрубных котлах, для которых характерно противодействие двух тенденций. С одной стороны, это – стремление к универсальности и экономичности котельных агрегатов в условиях низкого качества питательной воды, что достигается за счет применения ступенчатого испарения с установкой во вторую ступень испарения выносных циклонов. С другой стороны, очевидна направленность на упрощение изготовления и эксплуатации котлов за счет исключения сложных схем для последней ступени испарения. Циркуляционная система котлов ДКВР-20, имеющая довольно сложное устройство солевого отсека, наиболее значима для оценки влияния эксплуатационных факторов на условия надежной работы котельных агрегатов.

Выполнен анализ опыта освоения и эксплуатации, а также исследований современных двухбарабанных котлов малой мощности, большой вклад в которые внесли Н.С. Рассудов, В.В. Померанцев, А.А. Шершнев, В.Ф. Дэрк, Ю.С. Знаменский, В.П. Артемьев, А.А. Дорожков, Б.Е. Акопьянц, Г.А. Усольцев и др. Анализ публикаций показал, что обычно среди причин аварийных ситуаций и инцидентов выделяют такие, которые в большей мере определяются квалификацией обслуживающего персонала и уровнем организации эксплуатации, чем условиями работы самих котлов. Тем не менее, в статистике аварий с достаточной достоверностью установлено доминирующее положение, которое занимают повреждения труб боковых экранов, включенных в солевой отсек испарения. К определяющим факторам этих разрушений, происходящих вследствие интенсивного накипеобразования, относят солесодержание котловой воды и условия теплопереноса (расход циркулирующей среды при изменении паропроизводительности, тепловой поток на испарительную поверхность и др.). При этом отсутствуют результаты изучения условий низкой работоспособности экранных труб в зависимости от режимных параметров котлов и соответствующих им условий организации топочного процесса. На основе обобщающего анализа сформулированы задачи исследований, соответствующие поставленной цели работы.





Во второй главе представлены основные методические положения проведенных исследований. Приведено описание объекта исследований – котла ДКВР-20, его конструктивных особенностей.

Описаны основные методы технического обследования эксплуатационного состояния топочных экранов двухбарабанных циркуляционных систем. Представлена основная методика проведения визуально-измерительного контроля экранных поверхностей, в том числе ультразвуковой толщинометрии и измерения твердости металла. Изложена методика провидения металлографического анализа структуры металла испарительных элементов. Для определения химического состава внутритрубных отложений испарительных элементов использовался метод валового химического анализа, а для фазового состава – метод рентгено-фазового анализа.

Специфика условий эксплуатации котлов типа ДКВР (с чередующимися резкими наборами и сбросами нагрузки) влияет не только на состояние материала труб экранных поверхностей солевого контура, но и на условия его охлаждения. Для оценки условий работы гидравлической системы в области технического минимума проведены тепло-гидравлические расчеты солевого контура циркуляции. Для расчетов контуров циркуляции использована нормативная методика1.

Средством вариативных исследований внутритопочных процессов в названых условиях теплопередачи определено численное моделирование. Использовавшаяся математическая модель учитывала условия течения, горения и теплопереноса в гомогенной среде.

Для описания аэродинамики процесса, учитывая дозвуковой характер турбулентных течений в топках, использованы стандартные полуэмпирические модели турбулентности («k-» модель турбулентности Лаундера и Сполдинга).

При постановке задачи для малогабаритной камеры котла предполагалось, что процесс стационарный, теплофизические свойства газовой фазы зависят от концентрации компонентов (N2, O2, СО2, Н2О, СН4) и температуры. Горение газообразного топлива описывается следующей брутто-реакцией:

СН4+2О2=СО2+2Н2О.

В этом случае математическая модель включает уравнения, записанные для краткости только для одной координаты:

  • неразрывности

; (1)

  • баланса массы газовых компонентов

; (2)

; (3)

; (4)

; (5)

  • движения

; (6)

  • энергии

; (7)

  • состояния

. (8)

где – компоненты вектора скорости; – соответственно плотность, давление, температура, удельная теплоемкость, молекулярная вязкость смеси; , – турбулентная вязкость газа и турбулентное число Шмидта (); – концентрации компонентов; , - молекулярное и турбулентное () числа Прандтля; – молекулярный вес компонентов смеси; – универсальная газовая постоянная; – стехиометрический коэффициент и скорость горения газообразного топлива, которая согласно закону Магнуссена лимитируется химической скоростью реакции и скоростью турбулентной диффузии реагентов:

, , (9)

м3/кгс,

, (10)

кДж/моль.

Для описания турбулентных характеристик газа используется двухпараметрическая «k-» модель турбулентности Лаундера и Сполдинга:

(11)

(12)

. (13)

где – кинетическая энергия турбулентности и скорость ее диссипации; – символ Кронекера; – компоненты вектора радиационного теплового потока.

Радиационный теплообмен моделировался в рамках P1- приближения метода сферических гармоник. Выбор такого подхода для моделирования термического излучения в топочной камере на газообразном топливе обусловлен его хорошей совместимостью с конечно-разностными методами.

; (14)

, (15)

где H – пространственная плотность падающего излучения, Вт/м2; ke=а – коэффициент ослабления среды, 1/м; а – коэффициент поглощения, 1/м; – постоянная Стефана-Больцмана.

Для входных границ использовались однородные распределения для всех характеристик. В качестве граничных условий на стенках канала использовались условия прилипания для скорости, граничные условия первого рода для температуры газа, равенство нулю производной по нормали для концентраций компонентов газа.

Численная реализация математической модели, описывающей процессы аэродинамики, теплообмена и горения в объеме топки, осуществлялась с использованием специализированного пакета прикладных программ FIRE 3D, разработанного на кафедре парогенераторостроения и парогенераторных установок теплоэнергетического факультета ТПУ, который в данной работе адаптирован к малогабаритной топке объекта исследования.

В третьей главе представлены результаты исследования состояния испарительных поверхностей нагрева.

Обследование, проведенное на типичном котле, свидетельствует, что экранные трубы работают в сложных эксплуатационных условиях. По результатам диагностики большинства экранных труб можно констатировать удовлетворительное их состояние. Однако наряду с этим обнаружены зоны разрушений труб солевого отсека испарения.

а б
в г
Рис. 1. Структура образцов при металлографическом анализе а) Образец №1 (х300); б) Образец № 5 (х500); в) Образец № 3 (х500); г) Образец № 4 (х500)


Pages:   || 2 | 3 |
 

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.