ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ ім. А.М. ПІДГОРНОГО

Ганжа Антон Миколайович

УДК 621.187.14 .045.1

РОЗРОБКА та РОЗВИТОК МЕТОДІВ І

ЗАСОБІВ СТВОРЕННЯ, АНАЛІЗУ Й УДОСКОНАЛЮВАННЯ пароводяних ТЕПЛООБМІННИКІВ ТЕПЛОВИХ та ЯДЕРНИХ ЕНЕРГОУСТАНОВОК

05.14.14 – Теплові та ядерні енергоустановки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків-2001

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Переверзєв Дмитро Андрійович, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Редько Олександр Федорович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, завідувач кафедрою теплогазопостачання, вентиляції та використання теплових вторинних енергоресурсів

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Нечуйвітер Марія Михайлівна, Українська інженерно-педагогічна академія, доцент кафедри теплоенергетичних установок

Провідна установа:

Національний технічний університет "ХПІ", кафедра парогенераторобудування, м. Харків

Захист відбудеться “24” січня 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .180.02 в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України в аудиторії № 1112 за адресою: 61046, м. Харків, вул. Пожарського, /10.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10

Автореферат розісланий “22” грудня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук Ковальський О.Е.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Основна частина електричної енергії в Україні виробляється на електричних станціях (ТЕС, ТЕЦ і АЕС) за допомогою енергоустановок з паротурбінними енергоблоками (паротурбінних енергоустановок, ПТУ). Побудовані 30_років тому енергоблоки практично виробили встановлений парковий ресурс. Як показує теорія і практика, собівартість виробництва електричної енергії на ПТУ істотно знижується за рахунок регенеративного підігріву живильної води від відборів пари, що здійснюється підігрівниками низького (ПНТ) і високого тиску (ПВТ) в основному поверхневого типу. Тому на сучасному етапі усе більш зростають вимоги до підвищення економічності та надійності роботи цих теплообмінних апаратів.

Актуальність теми. Теплообмінне обладнання дозволяє значною мірою корисно використовувати теплоту, що зазвичай відбирається і викидається холодним джерелом паротурбінних, газотурбінних (ГТУ), парогазових (ПГУ) та ін. енергоустановок, що вносить великий вклад у підвищення їх техніко-економічних та екологічних показників (підвищення теплової економічності, зниження теплового, хімічного і пилового забруднення атмосфери й ін.). Уже сьогодні внесок регенеративної системи ПТУ в ККД-нетто енергоблоків ТЕС і АЕС може бути доведений до 8-10й більш. Для підвищення надійності й економічності теплообмінних апаратів і їх груп необхідний комплексний аналіз їхньої роботи не тільки на етапі проектування, але й в умовах експлуатації. Тому розробка та розвиток методів і засобів створення, аналізу й удосконалювання пароводяних теплообмінників енергоустановок, чому і присвячена дана робота, є актуальними та практично важливими задачами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає основним напрямкам наукових досліджень відділу оптимізації процесів і конструкцій турбомашин ІПМаш НАН України. Вона виконана відповідно до розділів держбюджетних науково-дослідних робіт "Розробка, розвиток і узагальнення методів і засобів математичного моделювання і натурно-обчислювального експерименту для створення й удосконалювання традиційних та перспективних теплоенергоперетворюючих систем" (№ Д.Р. U012283) і "Розвиток теорії і розробка комплексних системних методів і засобів для створення і високоефективного функціонування теплоенергетичних установок" (№ Д.Р. U004808). Робота відповідає задачам, поставленим в Національній Енергетичній програмі України до 2010 року, затвердженої Постановою Верховної Ради України № /96_ВР.

Метою роботи є розробка уточнених математичних моделей, методик, алгоритмів і програмно-обчислювальних засобів для проведення комплексного аналізу процесів у поверхневих підігрівниках і їх групах, оцінки їхньої надійності та ресурсу роботи. Для досягнення поставленої мети намічено вирішити такі задачі наукового дослідження:

- проаналізувати, узагальнити і доповнити існуючі нормативні й інші методики, алгоритми розрахунків теплообмінних апаратів для досягнення більш повної відповідності математичних моделей реальним фізичним процесам та конструкції, і на їхній базі побудувати програмно-обчислювальний комплекс для аналізу процесів у поверхневих ПВТ і ПНТ та їх групах;

- проаналізувати процеси, ефективність, надійність і ресурс роботи реальних діючих підігрівників ПТУ потужністю  і  МВт в умовах експлуатації.

Об'єктом наукового дослідження є теплообмінне обладнання в системах регенерації теплових і ядерних енергоустановок і процеси, що відбуваються при їх експлуатації.

Предметом наукового дослідження є теплові і гідравлічні процеси в поверхневих ПВТ і ПНТ, системах регенерації низького і високого тиску ПТУ, ефективність, надійність і ресурс роботи апаратів в умовах експлуатації.

Методи наукового дослідження. Для побудови уточненої математичної моделі поверхневих ПВТ і ПНТ ПТУ використовувалися аналіз, узагальнення і доповнення існуючих теоретичних і експериментальних досліджень. Для виявлення ефективності та надійності роботи проведені розрахункові дослідження на базі розробленої математичної моделі в комбінації з даними промислових іспитів реальних об'єктів.

Наукова новизна роботи. Розроблена і розвинута система взаємодіючих математичних моделей, методик і алгоритмів для створення, аналізу й удосконалювання поверхневих теплообмінників у системах регенерації ПТУ. Тут, крім іншого, враховані особливості та фактори роботи апаратів, що до цього не враховувалися (чи мало враховувалися) і які, проте, впливають на їхню ефективність і надійність: гази, що не конденсуються (повітря), особливості взаємодії й теплообміну фазових середовищ при конденсації пари, що відбирається, ерозійно-корозійний знос вхідних ділянок труб й ін., що виявляють себе в різних зонах теплообмінників, а також взаємний вплив апаратів один на одного в системі регенерації. При створенні та реалізації цих методів і засобів отримані наступні нові наукові результати:

- створена методика розрахунку гідравлічних мереж колекторних систем ПВТ, що вперше представляються у вигляді графів;

- вперше розроблена методика побудови двовимірного розподілу теплових характеристик (температур теплоносіїв і стінок труб, щільності теплового потоку) у зонах (ділянках) теплообмінників з одно- та багатоходовим перехресним плином при заданих граничних умовах – вхідних, вихідних температурах теплоносіїв та умов III роду (тепловіддачі від стінок і до стінок труб);

- отримані аналітичні залежності поправочних коефіцієнтів до середньологарифмічного температурного напору в теплообмінниках з одно- та багатоходовим перехресним плином теплоносіїв;

- вперше створена методика оцінки ресурсу роботи поверхневих підігрівників, обумовленого ерозійно-корозійним зносом і пружно-пластичним станом вхідних ділянок змійовиків і труб.

В цілому розроблені методи та засоби дозволяють вирішувати широкий клас прямих (конструктивних) і зворотних (перевірочних) задач при створенні, аналізі й удосконалюванні пароводяних теплообмінників у системах регенерації ПТУ енергоблоків, що має важливе значення для економіки України.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені на базі уточнених методів розвиті узагальнені математичні моделі та програмно-обчислювальні засоби дозволяють одержати дані для:

- перевірки ефективності як окремих теплообмінників, так і систем регенерації енергоустановки в цілому на різних режимах роботи, одержання всіх теплових і гідравлічних параметрів усередині апаратів, що можуть дати представлення про процеси, що відбуваються в окремих ділянках (зонах), і шляхах удосконалювання їхньої конструкції;

- виявлення небезпечних вузлів і елементів, що найбільше інтенсивно піддаються ерозійно-корозійному, вібраційному й іншому видам зносу, та оцінки ресурсу роботи кожного вузла, елемента і залишкового ресурсу всього апарата;

- розробки рекомендацій з часу здійснення поточних, капітальних ремонтів, повної заміни апаратів і оптимальної послідовності дій персоналу під час ремонтів.

Створені методика побудови двовимірного розподілу теплових характеристик і аналітичні залежності поправочних коефіцієнтів до середньологарифмічного температурного напору в теплообмінниках з одно- та багатоходовим перехресним плином можуть застосовуватися в розрахунках будь-яких теплообмінних апаратів з аналогічним взаємним плином теплоносіїв і дозволяють:

- графічно представити двовимірний розподіл теплових характеристик, виявити найбільше теплонапружені ділянки, обчислити параметри по ходу руху теплоносіїв і в будь-якій локальній точці теплообмінної поверхні;

- розраховувати середній температурний напір при будь-якому коректно заданому сполученні вхідних і вихідних температур теплоносіїв.

За допомогою розробленої методики розрахунку гідравлічних мереж колекторних систем ПВТ, можна визначити витрати, швидкості та втрати тиску живильної води в окремих трубопроводах і ділянках, більш точно рахувати витрати через характерні зони: охолодження пари (ОП), конденсації пари (КП) та охолодження конденсату (ОК).

Рішення зворотних (перевірочних) задач пропонованими методами дозволяє при створенні нових (чи модернізації діючих) ПТУ широко використовувати вже добре освоєні у виробництві й експлуатації ПВТ і ПНТ, що особливо важливо для України, де дотепер основна частина такого теплообмінного обладнання не вироблялася. У цілому розроблені методи і засоби можуть бути рекомендовані як нормативні методи для проектування, модернізації й аналізу діючих апаратів у теплових схемах ПТУ.

Вірогідність і обґрунтованість результатів роботи підтверджується задовільним узгодженням даних, отриманих на математичних моделях різного класу з даними експлуатації та промислових іспитів апаратів.

Результати теоретичних і розрахункових досліджень даної роботи використовуються в Національному технічному університеті "ХПІ" та на Зміївській ТЕС ВАТ Державної енергогенеруючої компанії “Центренерго”.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і публікувалися в матеріалах Четвертого Конгресу двигунобудівників України з іноземною участю "Наука і практика", вересень р., с. Рибаче, Крим і Міжнародної конференції "Удосконалювання турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання", вересень 2000 р., м. Зміїв.

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 7 друкованих праць (5 наукових статей, 2 тези доповідей), з них – 5 у виданнях, затверджених ВАК України.

Особистий внесок дисертанта. Розроблено уточнені математичні моделі, методики й алгоритми для комплексного аналізу процесів у поверхневих ПВТ і ПНТ та інших теплообмінних апаратах, створені програмно-обчислювальні засоби, проведені чисельні експерименти [1, , –7]. Отримано аналітичні залежності поправочних коефіцієнтів до середньологарифмічного температурного напору в теплообмінниках з одно- та багатоходовим перехресним плином теплоносіїв і проведений їхній аналіз [3]. Розроблено методики гідравлічного розрахунку колекторних систем ПВТ, побудови двовимірного розподілу теплових характеристик і оцінки ресурсу підігрівників [5, 7].

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Робота містить вступ, шість розділів, де 63 ілюстрації, 10 таблиць і 148 стор. основного тексту, висновки, список використаних джерел з 136 найменувань, 11 додатків, усього – 327 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і поставлені задачі наукових досліджень, відзначені наукова новизна і практичне значення, а також приведені відомості про апробацію роботи та публікації.

В першому розділі описуються системи регенерації високого та низького тиску ПТУ (див. приклад на рис. ), порівнюються різні схеми включення підігрівників у них, приводяться конструктивні виконання, описуються етапи розробки й удосконалювання. Різні аспекти рішення задачі розглянуті в працях Уральського державного технічного університету (УПІ), УралВТІ, НПО ЦКТІ ім. І. І. Ползунова, ВТІ (Російська Федерація), НТУУКПІ" та ін., а також –вчених В.М. Марушкіна, Ю.М. Бродова, С.С. Иващенко, С.С. Бермана, Д.А. Переверзєва, Б.Ф. Вакуленко, Б.Н Шпунгіна, Г.Е. Каневця, В.С. Новопавловського, О.Т. Ильченко, К.Е. Аронсона, Г.Д. Бухмана, М.А. Ниренштейна, А.Ю. Рябчикова, В.Е. Петрова, В.И. Кунцова, П.Н. Плотнікова, О.С. Анісімової, А.Ф. Богачова, Е.А. Юдиної, Ю.М. Кострикіна та ін. Дається аналіз стану проблеми на сучасному етапі і намічені актуальні задачі досліджень.

Рис. . – Система регенерації високого тиску ПТУ К _ХТГЗ

В другому розділі приводиться уточнена розвита математична модель, методика й алгоритм розрахунку узагальнених поверхневих ПНТ і ПВТ та їх груп, побудовані на базі аналізу, узагальнення та доповнення існуючих залежностей і методик. Ядро математичної моделі складають рівняння теплового балансу теплоносіїв і теплопередачі через труби поверхні нагрівання як для окремих зон (ОП, КП, ОК) і їхніх ділянок, так і для всього апарата та їх групи в цілому. Для рішення системи рівнянь послідовними наближеннями використовується метод хорд. Вона включає в себе наступні основні залежності:

- термодинамічні та теплофізичні властивості теплоносіїв і матеріалів труб поверхонь нагрівання;

- коефіцієнти тепловіддачі теплоносіїв і теплопередачі;

- температурні характеристики (середній температурний напір, середні температури теплоносіїв і стінок труб);

- гідравлічні характеристики (коефіцієнти опорів теплоносіїв, утрати тисків і витратні рівняння);

- конструктивні характеристики;

- експлуатаційні характеристики (стан поверхні труб, наявність газів, що не конденсуються (повітря), втрати теплоти через ізоляцію корпуса).

В зоні конденсації пари, що гріє, рівняння теорії Нуссельта і теплопередачі через нескінченно малі ділянки труб вирішуються спільно. Тут враховується присутність газів, що не конденсуються (повітря), які суттєво впливають на ефективність теплообмінників (показано в розділі 5). В математичну модель включені залежності поправочних коефіцієнтів до середньологарифмічного температурного напору в теплообмінниках з перехресним плином теплоносіїв, отримані в розділі 3. Методика доповнена розрахунком гідравлічних мереж колекторних систем ПВТ (дається в розділі ).

Наведена тут уточнена математична модель далі була суттєво розвинута і доповнена закономірностями визначення показників ерозійно-корозійного зносу (ЕКЗ) та оцінки напружено-деформованого стану ушкоджених змійовиків і труб, що дозволили на заключному етапі роботи створити методику оцінки ресурсу теплообмінників (дається в розділі ).

В третьому розділі розроблена методика побудови двовимірних теплових характеристик і аналітичні залежності поправочних коефіцієнтів до середньологарифмічного температурного напору в одно- та багатоходовим перехресним плином теплоносіїв. В таких апаратах середній температурний напір звичайно визначається як добуток середньологарифмічного температурного напору при протитечії на поправочний коефіцієнт чи t, що враховує особливості взаємного плину теплоносіїв. Аналітичні функції у відомій літературі зазвичай не приводяться (крім окремих випадків), а даються у вигляді графіків від безрозмірних температурних комплексів P і R [3], що утрудняє розрахунки за допомогою ЕОМ і приводить до різних погрішностей, що можуть складати десятки відсотків. Узагальнені аналітичні залежності були отримані для схем апаратів з кінцевим числом n паралельно включених труб (рядів чи секцій труб, змійовиків) в одному ході з загального числа ходів z за умови, що один з теплоносіїв цілком перемішується. В основі рішення стоїть система рівнянь теплового балансу, теплопередачі для всього теплообмінника, кожної труби і ходу, нескінченно малих ділянок теплообмінної поверхні, а також умов сполучення ходів і труб. Отримані рішення для різних схем плину даються в табл. . Для деяких окремих випадків проведено розрахунки по створених залежностях та відомим неявним рівнянням, які показали задовільний збіг результатів.

Розроблено методику побудови двовимірного розподілу теплових характеристик усередині теплообмінників з одно- та багатоходовим перехресним плином теплоносіїв. Тут використовувалися залежності ступенів підігріву в ходах і трубах, що отримані при виводі поправочних коефіцієнтів та розподілу температури теплоносія, що не перемішується (тече усередині) по довжині труби. За допомогою цієї методики можна обчислити теплові характеристики в будь-якій точці теплообмінної поверхні (див. приклад на рис. ) при заданих граничних умовах – температурах теплоносіїв на вході, виході й умов III роду (тепловіддачі від стінок і до стінок труб).

Локальні теплові характеристики поряд з гідравлічними використовуються для аналізу ерозійно-корозійного зносу і пружно-пластичного стану в найбільш небезпечних ділянках чи – для виявлення цих ділянок (методика дається в розділі 6).

Таблиця 1 – Формули поправочних коефіцієнтів

Включення ходів перехресного плину | Перемішується | Формула | 1.по протитечії | а) теплоносій, що гріє ,

та б) теплоносій, що нагрівається, та один з теплоносіїв та

2. по прямотечії | а) теплоносій, що гріє ,

та | б) теплоносій, що нагрівається, та | один з теплоносіїв та |

Рис. 2 – Розподіл теплових характеристик у першому ході по парі (третьому по живильній воді) в ОП ПВТ_ПТУ К __ХТГЗ на номіналі. Тут: а) – температура пари, б) – температура живильної води, в) – температура внутрішньої стінки труб і г) – щільність теплового потоку

В четвертому розділі для більш точного визначення витрат, швидкостей і втрат тиску в окремих змійовиках і трубопроводах спірально-колекторних ПВТ його гідравлічна мережа була представлена у вигляді графа, де як вітки виступають спіральні змійовики, ділянки колекторів, що роздають і збирають потоки живильної води, між сусідніми змійовиками, трубопроводи, що підводять і відводять воду, дросельні шайби. Як вузли (вузлові точки) виступають місця з'єднання (сполучення) віток. Розподіл витрат по вітках і тисків по вузлах у такому графі описується законами Кірхгофа. Замикають систему рівнянь тут залежності гідравлічних, місцевих опорів, перепадів тисків у кожній вітці та витратні рівняння. Для рішення складної нелінійної системи рівнянь використаний ітераційний метод поправочних контурних витрат з обчисленням виправлень по методу Ньютона. У результаті розрахунку можна точно обчислити витрати в зонах ОП, КП і ОК ПВТ, що регулюються дросельними шайбами і перепускними трубопроводами, та визначити гідравлічні нерівномірності роботи змійовиків у зонах ОП, КП і ОК (див. приклад на рис.3). Як показує практика експлуатації ПВТ енергоблоків, такі нерівномірності впливають на теплову ефективність і, особливо, – на надійність і ресурс їх роботи.

Результати цього розділу використовуються як для дослідження теплогідравлічних процесів у ПВТ, так і для аналізу ерозійно-корозійного зносу та пружно-пластичного стану в місцях найбільш ймовірних ушкоджень чи – для виявлення таких місць (методика дається в розділі 6).

В п'ятому розділі за допомогою розроблених математичних моделей, методів і засобів проаналізована ефективність роботи реальних підігрівників систем регенерації ПТУ потужністю 300 МВт Зміївської ТЕС і 500 МВт Троїцької ДРЕС на гарантійних режимах. Отримані результати зіставлені з контрольними даними промислових іспитів ПТУ К __ ХТГЗ Троїцької ДРЕС і виявлено їх гарний збіг. Проведені дослідження роботи підігрівників (у тому числі з різними матеріалами труб поверхні нагрівання в ПНТ) показують, що ефективність їхньої роботи значно впливає на необхідну витрату палива для забезпечення заданої потужності. Показано, що присоси повітря в корпуси вакуумних ПНТ суттєво збільшують теплові втрати і перевитрати умовного палива, зв'язані з неповною конденсацією пари і скиданням пароповітряної суміші в конденсатор: присоси 10-4% – у 2 рази, 10-3% – у 6, а 10-2% – у 20 разів у порівнянні з чистою парою.

Для визначення найбільш ефективної схеми витрат живильної води через ОП двониткової системи ПВТ ПТУ К _ ХТГЗ, з'єднаних після модернізації за схемою Рікара-Некольного, проведена оптимізація цих витрат, де обмеженням були припустимі швидкості живильної води в змійовиках по ерозійно-корозійному зносу (до 2 м/с). Знайдено оптимальний варіант, де теплові втрати, зв'язані з виходом незконденсованої пари з ПВТ_у систему ПНТ на всіх гарантійних режимах близькі до мінімальних, а швидкості живильної води задовольняють обмеженням по ерозійно-корозійному зносу.

У шостому розділі розроблені та реалізовані на ЕОМ математична модель і методика оцінки ресурсу роботи теплообмінників, обумовленого ерозійно-корозійним зносом (ЕКЗ) вхідних ділянок труб, де використані спрощені залежності для визначення пружно-пластичного стану ушкоджених ділянок труб. Було прийнято, що безпечний ресурс роботи визначається часом проходження фронтом пластичних деформацій (при напруженні, рівному границі текучості матеріалу) усієї товщини стінки, підданої ЕКЗ, найбільш вагомому і важкопереборному фактору зниження надійності поверхневих підігрівників. Подальше нагромадження пластичних деформацій приводить, зрештою, до утворення тріщин-свищів у

Рис. – Розподіл швидкостей живильної води по змійовикам в системі ПВТ ПТУ К _ХТГЗ (нумерація змійовиків по ходу руху пари (конденсату) на гарантійних режимах: 1 – 100%, 2 – 85,2%, 3 – 64,7%, 4 – 52,1%, 5 – 49%, 6 – 42,7% встановленої потужності

трубах і виходу теплообмінника з ладу. Наскільки буде тривалим цей додатковий відрізок часу, визначити поки важко. Але саме в ньому закладене продовження ресурсу. Однак, робота в цій зоні ненадійна і чревата раптовими відмовленнями.

З використанням результатів, отриманих у розділах 2_дисертаційної роботи, аналізу факторів, що визначають надійність роботи теплообмінників, експериментальних залежностей швидкостей ерозії-корозії труб, водно-хімічних режимів і графіків завантаження енергоблоків виконано розрахунки по визначенню швидкостей ЕКЗ (див. приклад на рис. ) та оцінці ресурсу роботи змійовиків і труб теплообмінників енергоустановок потужністю 300 і 500 МВт (див. приклад на рис. ).

Аналіз результатів досліджень показує, що фронт пластичних деформацій проходить стінки змійовиків ПВТ, найбільш підданих ЕКЗ, за 70-130 тис. год. (8–15 років), а латунних труб ПНТ – за 55_105 тис. год. (6–12 років). Це, власне, і визначає безпечний ресурс роботи підігрівників: тут близько 8 років – ресурс ПВТ-1, 15 років – ПВТ-3, 6 років – ПНТ із латунних труб (Л-68) і 12 років – ПНТ із латунних труб (ЛО70_). Відповідні товщини стінок труб ПВТ зменшуються з 5-6 мм в основному до 1,8-2,2 мм, а ПНТ із 1-1,2 мм до 0,09-0,15 мм. Отримані розрахункові дані задовільно погодяться з даними по відмовленнях (виходам з ладу) 114 ПВТ 30 енергоблоків потужністю 300 МВт, систематизованими ВТІ, і ПНТ із латунними трубами, систематизованими Уральським державним технічним університетом (УПІ). Зіставлення цих даних показує, що відмовлення тут наступили у вищезгаданому додатковому відрізку часу, коли нагромадження пластичних деформацій, значно перевищивши припустиму межу (визначений безпечним ресурсом) привело до утворення тріщин-свищів. Розрахункові дослідження виявили також нижню межу (безпечний ресурс) роботи ПВТ_і 2 (70_90 тис. год., 8–10 років), після якого, нерідко починається лавинний вихід апаратів з ладу. Тут також викладена методика визначення резервів безпечного ресурсу (залишкового ресурсу) по вимірах товщин стінок ушкоджених труб під час зупинок обладнання.

Таким чином, оцінка ресурсу теплообмінників–підігрівників за пропонованою методикою, незважаючи на спрощені залежності для визначення напружень у трубах, дає, проте, прийнятні результати.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

Зроблено аналіз, узагальнення і доповнення існуючих математичних моделей, методик, алгоритмів розрахунків поверхневих ПНТ і ПВТ, а також систем регенерації ПТУ в цілому. Тут враховані особливості та фактори роботи апаратів, що до цього не враховувалися, і які, проте, впливають на їхню ефективність і надійність. У процесі розробки, розвитку і реалізації взаємодіючої системи цих методів і засобів отримані нижченаведені основні результати:

1. Створено методику побудови двовимірного розподілу теплових характеристик у зонах (ділянках) теплообмінників з одно- та багатоходовим перехресним плином при заданих граничних умовах – температурах теплоносіїв на вході, виході і тепловіддачі від стінок і до стінок труб. В результаті будується двовимірний

Рис. – Результуючі річні корозійно-ерозійні втрати товщини стінок вхідних ділянок змійовиків ПВТ_ПТУ К__ХТГЗ (номера змійовиків по ходу руху пари, що гріє (конденсату). У рамці наведені змійовики, що ушкоджуються краплеуданою ерозією

Рис.  – Результуючий розподіл оцінного ресурсу змійовиків системи ПВТ енергоустановки К __ХТГЗ (нумерація змійовиків по ходу руху пари (конденсату), нижня лінія – початок утворення пластичної зони, верхня лінія – заповнення всієї товщини пластичною зоною). У рамці наведені змійовики, що ушкоджуються краплеуданою ерозією

розподіл теплових характеристик у графічному чи іншому виді, рахуються параметри в будь-якій локальній точці теплообмінної поверхні, що використовуються для розрахунку ерозійно-корозійного й ін. видів зносу і пружно-пластичного стану труб у найбільш небезпечних ділянках чи – для виявлення таких ділянок.

2. Отримано аналітичні залежності поправочних коефіцієнтів до середньологарифмічного температурного напору в теплообмінниках з одно- та багатоходовим перехресним плином, за допомогою яких більш точно рахується теплопередача при будь-якому коректно заданому сполученні вхідних і вихідних температур теплоносіїв не тільки в поверхневих підігрівниках, але й інших аналогічних теплообмінних апаратах.

3. Розроблено методику розрахунку гідравлічних мереж колекторних систем ПВТ, що дозволяє рахувати витрати, швидкості і втрати тиску живильної води в окремих трубопроводах і зонах ПВТ. Результати використовуються для дослідження теплогідравлічних процесів у ПВТ, аналізу ерозійно-корозійного й ін. видів зносу і пружно-пластичного стану труб у місцях найбільш ймовірних ушкоджень чи – для виявлення таких місць.

4. На базі уточненої розвинутої математичної моделі побудовані ефективний алгоритм і методика розрахунку на ЕОМ як окремих апаратів, так і їх груп, що реалізовані у виді програмно-обчислювальних комплексів. Вони дозволяють здійснювати аналіз діючих підігрівників і їх груп з урахуванням умов експлуатації, а також апаратів, що проектуються чи модернізуються. Крім того, їх можна використовувати як складені частини розрахунку теплових схем ПТУ.

5. Рішення зворотних (перевірочних) задач пропонованими методами і засобами дозволяє при створенні нових (чи модернізації діючих) ПТУ використовувати вже добре освоєні у виробництві й експлуатації теплообмінні апарати.

6. Проведено аналіз ефективності роботи конкретних апаратів енергоблоків потужністю 300 МВт Зміївської ТЕС і 500 МВт Троїцької ДРЕС. Тут показано, що неповна конденсація пари як за рахунок конструктивних і режимних особливостей, так і за рахунок присутності повітря в парі, що гріє, істотно знижує ефективність роботи всієї енергоустановки в цілому. Тут також проведений пошук оптимальних рішень по організації витрати живильної води через ОП модернізованої системи регенерації високого тиску паротурбінної енергоустановки К _ ХТГЗ Зміївської ТЕС з метою зниження ерозійно-корозійного зносу змійовиків і підвищення теплової ефективності. Адекватність математичної моделі перевірена і підтверджена шляхом порівняння розрахункових даних з даними промислових іспитів апаратів енергоустановки К __ ХТГЗ Троїцької ДРЕС.

7. Розроблено методику оцінки ресурсу роботи підігрівників, обумовленого ерозійно-корозійним зносом і пружно-пластичним станом вхідних ділянок змійовиків і труб. З її допомогою виконано багато розрахункових досліджень з оцінки ресурсу роботи ПВТ і ПНТ енергоблоків потужністю 300 і 500 МВт. Виявлено задовільне узгодження з експлуатаційними даними. Результати цих досліджень дозволяють розробити рекомендації з часу здійснення поточних і капітальних ремонтів підігрівників чи їх повної заміни, оптимальну послідовність дій персоналу під час ремонтів, а також дати рекомендації з удосконалення конструкції апаратів.

8. У цілому розроблені методи і засоби дозволяють вирішувати широкий клас прямих (конструктивних) і зворотних (перевірочних) задач при створенні й удосконалюванні теплообмінного обладнання в системах регенерації ПТУ. Вони можуть бути використані також при рішенні аналогічних задач і для інших об'єктів теплообмінного обладнання паротурбінних, газотурбінних і парогазових енергоблоків ТЕС і АЕС.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Переверзев Д.А., Лебедев А.Г., Ганжа А.Н. Моделирование, алгоритмизация и программирование решения поверочных (обратных) задач пароводяных теплообменников//Проблемы машиностроения.– 1999.–№2. Т.2.– С.21_.

2. Ганжа А.Н. Проектно-исследовательское моделирование подогревателей паротурбинных установок и анализ их совместной работы на различных режимах//Механика и машиностроение.–1999.– № . – С.200_.

3. Переверзев Д.А., Ганжа А.Н. Математическое моделирование поправочных коэффициентов к среднелогарифмическому температурному напору для теплообменников с перекрестным током//Авиционно-космическая техника и технология: Сб. науч. тр.– Харьков: ХАИ, 1999.– Вып. 9.– С 99_.

4. Переверзев Д.А., Ганжа А.Н., Лебедев А.Г. Моделирование, алгоритмизация и программирование проектно-исследовательских работ, обоснование применения и оптимизация теплообменников турбоустановок//Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования: Сб. науч. тр.– Харьков: ИПМаш НАН Украины, 2000.– С._.

5. Переверзев Д.А., Ганжа А.Н., Лебедев А.Г. Исследование работы подогревателей высокого и низкого давления на различных режимах и анализ их надежности с учетом условий эксплуатации паротурбинных установок//Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования: Сб. науч. тр.– Харьков: ИПМаш НАН Украины, 2000.– С._.

6. Переверзев Д.А., Ганжа А.Н., Лебедев А.Г. Моделирование, алгоритмизация и программирование проектно-исследовательских работ, обоснование применения и оптимизация теплообменников турбоустановок//Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. "Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования". – Харьков, 18 – 22 сент. 2000.– С. 13.

7. Переверзев Д.А., Ганжа А.Н., Лебедев А.Г. Исследование работы подогревателей высокого и низкого давления на различных режимах и анализ их надежности с учетом условий эксплуатации паротурбинных установок//Тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. "Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования". – Харьков, 18 – 22 сент. 2000.– С. 14.

АНОТАЦІЯ

Ганжа А.М. Розробка та розвиток методів і засобів створення, аналізу й удосконалювання пароводяних теплообмінників теплових та ядерних енергоустановок. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.14.14 – теплові та ядерні енергоустановки. – Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України. – Харків, 2001.

Зроблено аналіз, узагальнення і доповнення існуючих математичних моделей, методик та алгоритмів розрахунків поверхневих підігрівників живильної води низького (ПНТ) та високого тиску (ПВТ) та їх груп. Проведено аналіз ефективності роботи конкретних апаратів енергоблоків потужністю 300 і 500 МВт, створено методику оцінки ресурсу роботи підігрівників та зроблена така оцінка.

Розроблені методи та засоби дозволяють вирішувати широкий клас прямих (конструктивних) і зворотних (перевірочних) задач при створенні й удосконалюванні ПНТ та ПВТ, а також аналогічних задач і для інших об'єктів теплообмінного обладнання паротурбінних, газотурбінних та парогазових енергоблоків електростанцій.

Ключові слова: математичне моделювання, ефективність, ресурс, теплообмінник, підігрівник живильної води, система регенерації, енергоустановка, енергоблок, електростанція.

АННОТАЦИЯ

Ганжа А.Н. Разработка и развитие методов и средств создания, анализа и совершенствования пароводяних теплообменников тепловых и ядерных энергоустановок. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.14 – тепловые и ядерные энергоустановки. – Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины. – Харьков, 2001.

Сделан анализ, обобщение и дополнение существующих математических моделей, методик, алгоритмов расчетов поверхностных подогревателей питательной воды низкого (ПНД) и высокого давления (ПВД) и их групп.

Создана методика построения двумерного распределения тепловых характеристик в зонах (участках) теплообменников с одно- и многоходовым перекрестным током при заданных граничных условиях – температурах теплоносителей на входе, выходе и теплоотдачи от стенок и к стенкам труб. В результате строится двумерное распределение тепловых характеристик в графическом или другом виде, считаются параметры в любой локальной точке теплообменной поверхности.

Получены аналитические зависимости поправочных коэффициентов к среднелогарифмическому температурному напору в теплообменниках с одно- и многоходовым перекрестным током. С их помощью более точно считается теплопередача при любом корректно заданном сочетании входных и выходных температур теплоносителей не только в поверхностных подогревателях, но и других аналогичных теплообменных аппаратах.

Разработана методика расчета гидравлических сетей коллекторных систем ПВД, которые представляются в виде графов. Методика позволяет считать расходы, скорости и потери давления питательной воды в отдельных трубопроводах и зонах ПВД.

Тепловые и гидравлические характеристики в локальных точках используются для исследования теплогидравлических процессов в ПВД и ПНД, анализа эрозионно-коррозионного и др. видов износа и упруго-пластического состояния труб в местах наиболее вероятных повреждений или – для выявления таких мест.

На базе уточненной развитой математической модели построен эффективный алгоритм и методика расчета на ЭВМ как отдельных подогревателей, так и их групп, которые реализованы в виде программно-вычислительных комплексов.

Проведен анализ эффективности работы ПВД и ПНД энергоблоков мощностью 300 и 500 МВт. Показано, что неполная конденсация пара как за счет конструктивных и режимных особенностей, так и за счет присутствия воздуха в греющем паре существенно снижает эффективность работы всей энергоустановки в целом. Проведена оптимизация расходов питательной воды через охладители пара группы ПВД модернизированной системы регенерации высокого давления энергоблока мощностью 300 МВт. Адекватность математической модели подтверждена путем сравнения расчетных значений с данными промышленных испытаний.

С помощью разработанной методики оценки ресурса подогревателей, обусловленного эрозионно-коррозионным износом и упруго-пластическим состоянием входных участков змеевиков и труб, выполнены обширные расчетные исследования по оценке ресурса работы ПВД и ПНД энергоблоков мощностью 300 и 500 МВт. Выявлено удовлетворительное согласование с эксплуатационными данными. Результаты этих исследований позволяют разработать рекомендации по времени осуществления текущих и капитальных ремонтов подогревателей или их полной замены, оптимальную последовательность действий персонала во время ремонтов, а также дать рекомендации по совершенствованию конструкции аппаратов.

Решение обратных (поверочных) задач предлагаемыми методами и средствами позволяет при создании новых (или модернизации действующих) энергоблоков использовать уже хорошо освоенные в производстве и эксплуатации теплообменники. Разработанные методы и средства позволяют решать широкий класс прямых (конструктивных) и обратных (поверочных) задач при создании и совершенствовании ПВД и ПНД и их групп. Они могут быть использованы также при решении аналогичных задач и для других объектов теплообменного оборудования паротурбинных, газотурбинных и парогазовых энергоблоков электростанций.

Ключевые слова: математическое моделирование, эффективность, ресурс, теплообменник, подогреватель питательной воды, система регенерации, энергоустановка, энергоблок, электростанция.

ABSTRACT

Ganzha A.N. Construction and evolution of methods and means of creation, the analysis and perfection vapor-water heat exchangers of thermal and nuclear power installations. – Manuscript.

The thesis on competition of a scientific degree of Candidate of Technical Science on a specialty 05.14.14 – thermal and nuclear power installations. - Institute for problems of in Machinery Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine. - Kharkov, 2001.

The analysis, generalization and addition of existing mathematical models, techniques and algorithms of calculations of superficial feedwater heaters low (HLP) both high pressure (HHP) and their groups. The analysis of an overall performance of concrete devices of power units by capacity 300 and 500 megawatt, the technique of an estimation of a resource of work of feedwater heaters is created and such estimation is made.

The developed methods and means allow to solve a wide class of direct (constructive) and return (testing) problems at creation and perfection HLP and HHP, and also similar problems and for other objects the heat-exchange equipment steam-turbine, gas-turbine and steam-gas power units of power stations.

Key words: mathematical modeling, efficiency, resource, heat exchanger, feedwater heater, system of regeneration, power installation, power unit, power station.

Відповідальний за випуск к.т.н., с.н.с. Лебедєв А.Г.

Підп. до друку 20.12.2001 р. Формат видання 145x215.

Формат паперу 60x90/16. Папір Могра. Друк – ризографія.

Обсяг 0,9 авт. арк. Тираж 100 прим. Зам. № .

Видавничий центр НТУ "ХПІ". Свідоцтво ДК № 116 від 10.07.2000 р.

Друкарня НТУ "ХПІ", 61002, Харків, вул. Фрунзе, 21