харківський державний технічний університет будівництва та архітектури

Карагяур Андрій Степанович

УДК 532.526:621.175.3

прогнозування ефективності роботи глибоких малопроточних стратифікованих водосховищ-охолоджувачів ТЕС та аес

Спеціальність 05.23.16 – гідравліка і інженерна гідрологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | Доктор технічних наук, професор

Нетюхайло Анатолій Петрович,

професор кафедри водопостачання, каналізації і гідравліки Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури. | Офіційні опоненти: | Доктор технічних наук, професор

Савенко Вячеслав Якович, завідувач кафедри будівництва та експлуатації доріг Національного транспортного університету Міністерства освіти і науки України.

Кандидат технічних наук, професор

Количев Владислав Олександрович

професор кафедри "Гідравлічні машини" Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа: Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра гідравліки і водовідведення.

Захист відбудеться “_11_“ _червня__ 2003 р. об_11.00_годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий _7_ травня 2003 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради __________________ М.І. Колотило

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Теплові та атомні електростанції (ТЕС та АЕС) виробляють значну частину електроенергії не тільки в Україні, але й у більшості країн світу. В умовах скорочення світових запасів палива актуальною стає задача підвищення ефективності роботи електростанцій.

Одним з засобів підвищення коефіцієнту корисної дії (ККД) турбін на ТЕС та АЕС є застосування ефективної системи охолодження оборотної води. Для електростанцій з великою потужністю, для яких циркуляційна витрата води досягає 100-200 м3/с, найбільш ефективні охолоджувачі - це водосховища штучного чи природного походження.

При використанні водоймищ як водосховищ-охолоджувачів виникає комплекс інженерних, гідрологічних, економічних і екологічних проблем, для вирішення яких необхідні дані про їх гідротермічний режим. Гідротермічний режим водосховищ-охолоджувачів формується під впливом великого числа природних (конвективний теплообмін, вплив вітру і т.п.) і штучних факторів.

При використанні для охолодження оборотної води глибоких водосховищ-охолоджувачів, у яких під дією теплового скиду, сонячної радіації та інших факторів формується щільнісне розшарування (термічна стратифікація), зараз найбільш ефективною схемою експлуатації водоймища є об'ємна схема.

Вивчення термічного режиму існуючого водосховища-охолоджувача чи водосховища, яке проектується, здійснюється за допомогою фізичного або математичного моделювання. Використання фізичних моделей утруднено в зв'язку з високою вар-ті-с-тю і складністю експериментальних досліджень.

Розвиток комп'ютерної техніки і числових методів вирішення математичних задач дозволяє усе більш широко використовувати математичне моделювання. Але застосування складних багатомірних і багатопараметричних моделей не завжди виправдано з наступних причин: складність при описі граничних умов (потребуються моделі, що за складністю не уступають моделям гідротерміки водоймища, або ряд спрощень і допущень, які значно знижують ефективність застосування складних моделей); складність числової реалізації.

Тому на практиці застосовуються прості одномірні і нуль-мірні моделі. Але існуючі прості напівемпіричні моделі задовільно прогнозують роботу мілководних нестратифікованих водоймищ і не можуть застосовуватися для розрахунку стратифікованих водосховищ-охолоджувачів, які використовуються за об'ємною схемою. Необхідним є удосконалений метод розрахунку водосховища-охолоджувача, що поєднує в собі простоту і надійність прогнозування термічної структури стратифікованого водоймища, метод, що дозволяє розробити й обґрунтувати застосування більш раціональних схем використання стратифікованих водосховищ-охолоджувачів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Теоретичні дослідження, приведені в дисертаційній роботі, були використані при виконанні держбюджетної науково-дослідної роботи на тему: "Інтенсифікація методів водопідготовки підприємств теплоенергетики та процесів очищення води у водних об'єктах, які дозволяють скоротити терміни і витрати на будівництво " (держ. реєстр № 0101 U 001208).

Мета і задачі роботи

Мета дисертаційної роботи полягає в розробці математичної моделі вертикального переносу тепла в малопроточних стратифікованих водоймищах, а також методу прогнозування охолоджуючої здатності малопроточних водосховищ-охолоджувачів з термічною стратифікацією з урахуванням дії визначальних метеофакторів. На основі цієї моделі необхідно розробити більш раціональну в порівнянні з існуючими схему використання водоймища, що дала би можливість підвищити вироблення електроенергії за рахунок зменшення температури охолоджуючої води.

Об'єкт дослідження – процес охолодження оборотної води в глибокому малопроточному стратифікованому водосховищі-охолоджувачі ТЕС та АЕС.

Предмет дослідження – процес формування і динаміки вертикальної термічної структури в глибокому малопроточному стратифікованому водосховищі-охолоджувачі ТЕС та АЕС.

Методи дослідження: поставлена задача вирішена шляхом теоретичного дослідження процесів теплопереносу з урахуванням дії визначальних факторів, що впливають на вертикальну термічну структуру малопроточних стратифікованих водоймищ. Розроблена математична модель вертикального розподілу температури, отримане рішення системи рівнянь переносу тепла і кінетичної енергії турбулентності. Надійність результатів, які одержані при використанні математичної моделі, перевірена за допомогою методів математичної статистики шляхом зіставлення з даними натурних досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів:

· Розроблено одномірну однопараметричну математичну модель турбулентного нестаціонарного переносу тепла по глибині малопроточних стратифікованих водоймищ, яка враховує вплив основних метеорологічних і технологічних факторів: вітрове перемішування, температурну стратифікацію, скид і забір циркуляційної води з водосховища. Дана модель дозволяє розрахувати динаміку вертикальної термічної структури в зазначених водоймищах;

· Отримано аналітичне рішення рівняння переносу кінетичної енергії турбулентності, яке описує вертикальний розподіл коефіцієнта турбулентної в'язкості по глибині малопроточних водоймищ (у тому числі і тих, які використовуються за об'ємною схемою для охолодження оборотної води ТЕС та АЕС). Це дало можливість значно спростити запропоновану математичну модель;

· На основі математичної моделі розроблено метод розрахунку малопроточного стратифікованого водосховища-охолоджувача з об'ємною схемою використання, у якому враховується нерівномірний розподіл по глибині температури і коефіцієнта турбулентної в'язкості;

· Науково обґрунтована ефективність застосування комбінованої схеми використання водосховища-охолоджувача.

Практичне значення отриманих результатів:

· Розроблено інженерний метод прогнозування роботи малопроточного стратифікованого водосховища-охолоджувача, що дозволяє одержати результати з задовільним ступенем вірогідності, а при проектуванні водосховища - значно обмежити число дорогих експериментальних досліджень.

· Розроблено комбіновану схему використання глибокого водосховища-охолоджувача, що дає можливість збільшити вироблення електроенергії на ТЕС та АЕС у теплий період року.

Особистий внесок автора:

· Розроблено математичну модель процесу турбулентного переносу тепла по глибині малопроточних стратифікованих водоймищ, отримано числове рішення для розрахунку вертикальної термічної структури цих водоймищ.

· Розроблено метод розрахунку малопроточного стратифікованого водосховища-охолоджувача, у якому враховується динаміка його вертикальної термічної структури і дія основних метеорологічних і технологічних факторів.

· Розроблено комбіновану схему використання стратифікованого водосховища-охолоджувача та науково обґрунтовано ефективність її застосування.

Апробація роботи. Основні результати роботи і головні положення дисертації доповідалися автором на науково-технічних конференціях ХДТУБА в 2000   р.р.

Публікації. Основний зміст роботи надруковано в 5 статтях у наукових фахових виданнях України, у тому числі 2 без співавторів.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 114 використаних джерел, 8 додатків і вміщує 25 ілюстрацій і 5 таблиць по тексту, усього 136 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, її наукова новизна і практична цінність, сформульовані мета й основні задачі досліджень, показано зв'язок з науковими програмами і планами.

У першому розділі дано аналіз існуючих методик і моделей для прогнозування роботи водосховища-охолоджувача ТЕС та АЕС. Приділено особливу увагу моделям вертикальної термічної структури дальнього поля глибоких малопроточних водосховищ, які використовуються для охолодження оборотної води. Ряд задач, пов'язаних з моделюванням і удосконаленням методів розрахунку роботи водосховищ-охолоджувачів, розглядаються в роботах таких вчених, як Браславський А.П., Востржел Г.В., Рідких В.М., Квон В.І., Лятхер В.М., Нетюхайло А.П., Нікітін І.К., Омельченко М.П., Шеренков І.А., Харлеман Д.Р. та багатьох інших.

За результатами розгляду сучасного стану питання робиться висновок про те, що методи, які рекомендуються до використання для інженерного розрахунку стратифікованих водосховищ-охолоджувачів, у недостатній мірі враховують дію визначальних метеорологічних і технологічних факторів, що впливають на процеси теплопереносу в розглянутих водоймищах. Відзначається, що застосування складних багатопараметричних і багатомірних моделей для розрахунку водосховищ-охолоджувачів малоефективне через складність, яка пов'язана з числовою реалізацією, неможливістю точного формулювання граничних і початкових умов з огляду їх ймовірного характеру.

Зроблено висновок про необхідність розробки досить простого і надійного для практичного застосування методу прогнозування роботи малопроточних стратифікованих водосховищ-охолоджувачів ТЕС та АЕС, що міг би бути застосований для розробки і наукового обґрунтування раціональних схем використання водоймищ. Даний метод повинний враховувати дію основних параметрів на формування і динаміку термічної структури водоймищ, які досліджуються.

Проведений огляд дозволив сформулювати основну мету і задачі дисертаційної роботи.

В другому розділі сформульовані робочі гіпотези, на основі яких розроблено математичну модель динаміки вертикальної термічної структури в малопроточних стратифікованих водоймищах.

Вихідними рівняннями є осереднені рівняння переносу імпульсу, тепла і кінетичної енергії турбулентності, тобто в основу покладена однопараметрична модель турбулентності:

;

;

де Ui(j) - проекція осередненої швидкості на вісь i (j), м/c; Т - осереднена температура, 0C; Е – осереднена кінетична енергія турбулентності, м2/c2; Xi - осереднена масова сила, м/c2; Pi - осереднений тиск, Па; t - час, с; - кінематична молекулярна в'язкість, м2/c; - молекулярна температуропровідність, м2/c; QT - джерельні (стокові) члени, 0С/c; - осереднений турбулентний потік імпульсу в напрямку j, віднесений до щільності , м2/c2; - осереднений турбулентний потік тепла в напрямку j, віднесений до ср (ср - коефіцієнт теплоємкості при постійному тиску), 0С·м/c; - оператор математичного чекання; - коефіцієнт теплового розширення, 0С-1.

Розглядаючи малопроточні водоймища, приймаємо наступні допущення:

1) горизонтальні градієнти малі в порівнянні з вертикальними ;

2) генерація турбулентності відбувається на поверхні водоймища під дією обвалення вітрових хвиль. Роботи Кітайгородського, Xino, Miles та ін. дозволяють зробити висновок про те, що для малопроточних водоймищ турбулентністю, яка генерується стоковими і дрейфовими течіями, можна знехтувати;

3) використовуючи гіпотези, прийняті в напівемпіричній теорії турбулентності, турбулентну дифузію кінетичної енергії турбулентності і турбулентну дифузію тепла описуємо наступними залежностями:

,

,

дисипацію кінетичної енергії турбулентності – залежністю:

,

де - коефіцієнт турбулентної дифузії кінетичної енергії турбулентності, м2/с; - коефіцієнт турбулентної температуропроводності, м2/с; - відношення коефіцієнта турбулентної температуропроводності до коефіцієнта турбулентної в'язкості; К - коефіцієнт турбулентної в'язкості, м2/с; L - масштаб турбулентності, м; Е, Т, с – сталі;

4) дія сил плавучості враховується за допомогою формули Манка-Ендерсона:

, (1)

де К0 – коефіцієнт турбулентної в'язкості при нейтральній стратифікації (знаходиться з рівняння переносу кінетичної енергії турбулентності), м2/с; - модифіковане число Ричардсона, , n – сталі (приведена залежність для Ri та значення = 0,1, n = 1 прийняті за Сандеремом і Ремом); Н - глибина водоймища, м; - динамічна швидкість, м/c;

5) QT = 0 (приймається, що стоки формуються на границях);

6) масштаб турбулентності приймається величиною сталою L = const;

Апріорно (числовий аналіз даного допущення приведений у розділі 3) приймається, що:

1) відбувається інтенсивне встановлення вертикального розподілу коефіцієнта турбулентної в'язкості;

2) для значень середніх вертикальних швидкостей, характерних для малопроточних водосховищ-охолоджувачів, які використовуються за об'ємною схемою, значення коефіцієнта турбулентної в'язкості, який встановився, отримані без урахування вертикального конвективного переносу, мало відрізняються від значень К0, отриманих з урахуванням вертикальної конвекції.

Середню вертикальну швидкість для водосховищ-охолоджувачів, які використовуються за об'ємною схемою можна оцінити за формулою:

,

де - середня за глибиною площа водосховища-охолоджувача, м2; Q – циркуляційна витрата, м3/c.

Вищевикладені допущення дозволяють в рівнянні переносу кінетичної енергії турбулентності знехтувати локальним і конвективним членами.

З урахуванням цих допущень одержуємо систему рівнянь, що описують турбулентний перенос кінетичної енергії турбулентності та тепла по глибині малопроточного стратифікованого водоймища:

(2)

Залучення гіпотези Колмогорова і наступних перетворень:

дозволяє рівняння переносу кінетичної енергії турбулентності переписати у вигляді:

(3)

Це звичайне лінійне однорідне диференціальне рівняння 2-го порядку. Для його рішення задамося наступними граничними умовами:

1) на поверхні потік кінетичної енергії турбулентності дорівнює потоку енергії турбулентності, переданому від вітру хвилям Nw z ,

2) при .

Для коефіцієнта турбулентної в'язкості К з рівняння (3) з урахуванням граничних умов і формули (1) одержуємо залежність:

, (4)

де , м6/c2; , м-1.

Масштаб турбулентності знаходиться по залежності:

,

де - період хвилі, с; а – коефіцієнт, що визначається при ідентифікації математичної моделі.

Рівняння переносу тепла із системи рівнянь (2) апроксимуємо за допомогою неявної схеми на прямокутній сітці, що складається з цілих (за часом t і по глибині z) і напівцілих (по z) вузлів:

(5)

де – крок по глибині, м; – крок за часом, с;

Рівняння (5) розв'язуємо методом прогонки.

Для кожного вузла по i (по глибині) перевіряємо виконання умови , яке означає, що при зниженні поверхневої температури під дією сил плавучості відбувається перемішування води в шарі, у точках якого температура води вище поточного значення поверхневої температури . У цьому шарі встановлюється температура, рівна . Якщо дана умова не виконується, то в точці, що розраховується, приймаємо значення .

Так як коефіцієнт А2 і, відповідно, коефіцієнт турбулентної в'язкості К, у рівнянні (1) залежать від градієнта температури , для розрахунку температури застосовуємо ітерації.

На першій ітерації при одержанні прогоночних коефіцієнтів у прямій прогонці значення коефіцієнта турбулентної в'язкості покладаємо рівним значенню на попередньому кроці за часом . Далі знаходиться значення температури, її похідної по z , обчислюється коефіцієнт турбулентної в'язкості.

Ітераційний процес закінчується, коли максимальне значення відносної різниці температур на поточній і попередній ітерації менше = 0,00001.

Гранична умова на вільній поверхні виду z = 0 Т = Тпов (умова Дирихле) апроксимується виразом .

Гранична умова на вільній поверхні виду

при (умова Роббіна),

де - сумарний коефіцієнт теплообміну (Вт/(м20С)), ТР – рівноважна температура, апроксимується залежністю.

Початкові умови для температури Т и коефіцієнта турбулентної в'язкості К мають вид відповідно.

При розрахунку термічної структури дальнього поля малопроточного стратифікованого водосховища-охолоджувача необхідно знати розподіл поверхневої температури Тпов по площі водоймища. Зміну Тпов по площі водоймища опишемо рівнянням:

, (6)

де – коефіцієнт розбавлення.

Рівняння (6) при граничній умові =0 (відлік йде від границі між ближнім і дальнім полем) має рішення:

, (7)

де ; а – площа активної зони водосховища-охолоджувача, м2; - поверхнева температура води на виході з ближнього поля, 0С, що з урахуванням приєднання витрати з нижнього шару водоймища знаходиться по залежності:

,

де Т1 - температура води, що надходить у водосховище на охолодження, 0С; ТН – температура води в нижньому шарі водосховища, 0С.

При розрахунку вертикальної термічної структури водосховища-охолоджувача, яке використовується за об'ємною схемою, необхідно знати товщину шару hП (глибина постачання водозабору), з якого в глибинний водозабір надходить вода. hП оцінюється по формулі, що запропонована Омельченко М.П.:

,

де - питома витрата, що надходить у водозабірні отвори, м2/с.

Такі фактори, як вітрове перемішування і спрацьовування нижнього шару, обумовлюють те, що у водозабір потрапляє тепла вода з верхнього шару.

На основі вищевикладених міркувань рекомендовано наступний метод розрахунку малопроточного стратифікованого водосховища-охолоджувача:

1)

2)

3)

4)

5)

6)

7)

8)

9)

У третьому розділі виконана ідентифікація запропонованої математичної моделі динаміки вертикальної термічної структури малопроточних стратифікованих водоймищ. У результаті ідентифікації за допомогою методу найменших квадратів було визначено коефіцієнт а з залежності для знаходження масштабу турбулентності L. Коефіцієнт а при мінімальному значенні функціонала дорівнює 2,35. - значення температури, отримані в результаті натурних вимірів на Валдайському озері, - теоретичні значення температури.

Також у третьому розділі за допомогою числового рішення рівняння вертикального переносу кінетичної енергії турбулентності, що в одномірній постановці з урахуванням прийнятих у розділі 2 гіпотез при нейтральній стратифікації має вид:

, (8)

перевірені гіпотези про можливість нехтування для малопроточних стратифікованих водоймищ конвективним і локальним членами цього рівняння. Так як величина (за даними з літературних джерел), то в рівняннях третього розділу її опускаємо.

Рівняння (8) апроксимуємо за допомогою неявної схеми на прямокутній сітці, що складається з цілих (за часом t і по глибині z) і напівцілих (по z) вузлів у виді рівняння:

яке розв'язується методом прогонки при таких граничних і початкових умовах:

- на дні z = H, i = n, ;

- на поверхні задаємо умову Дирихле z = 0, Е = Епов формула (4) без коефіцієнта А2, ;

- t = 0, .

При різних швидкостях вітру U10, було виконано розрахунки динаміки вертикального розподілу коефіцієнта турбулентної в'язкості з кроком за часом при швидкостях вертикального руху води, які дорівнюють W=0 м/с (а, б, в (рис. 1)) та W=0,00002 м/с (г, д, е (рис.1)) ), з урахуванням (8) і без урахування (формула (4) без коефіцієнта А2) конвективного і локального членів рівняння переносу кінетичної енергії турбулентності. Також розраховано динаміку температури (з кроком за часом = 12 годин) при тих же умовах (рис. 2). На основі даного числового аналізу сформульовані наступні висновки:

1) відбувається швидке встановлення вертикального розподілу К0. Час встановлення в залежності від швидкості вітру коливається в межах 0,1 -6,0 годин, що значно менше прийнятого кроку за часом при розрахунку температури;

2) при величинах W, що відповідають швидкостям вертикального руху води у водосховищах-охолоджувачах при об'ємній схемі використання конвективним переносом кінетичної енергії турбулентності можна знехтувати;

3) значення динаміки вертикальної термічної структури, розраховані з урахуванням і без урахування конвективного і локального членів рівняння (8) практично не відрізняються один від одного. Різниця між значеннями лежить у межах погрішності числового рішення рівняння (8).

Рис. 1. Розподіл К0+ з урахуванням (суцільні лінії) і без урахування (пунктирна лінія) конвективного і локального

членів у рівнянні (8).

Рис. 2. Динаміка температурного профілю з урахуванням (суцільні лінії) і без урахування (пунктирна лінія)

конвективного і локального членів у рівнянні (8).

У четвертому розділі достовірність теоретичних значень температури, розрахованих відповідно з рекомендованим вище методом, перевірено шляхом зіставлення з натурними даними, що узяті з літературних джерел. Натурні дані були отримані в результаті виміру вертикальних температурних профілів на водосховищах-охолоджувачах Углегорської ДРЕС, Південно-Української АЕС, а також на Валдайському озері.

Оцінка ступеня вірогідності даних, отриманих теоретичним шляхом, виконана шляхом зіставлення їх у безрозмірних координатах , (Ттеор – теоретичні значення температури, ТН – теоретичні значення температури на дні водоймища) з результатами натурних досліджень.

За допомогою методів математичної статистики в цілому і по кожному водосховищу окремо були визначені середньоарифметичні значення різниці між теоретичними і натурними даними , а також довірчий інтервал, що враховує випадкові погрішності вимірів. Усі значення різниць між теоретичними і натурними даними знаходяться в межах довірчих інтервалів, середнє квадратичне відхилення дорівнює = 0,151.

Задовільна збіжність теоретичних і натурних даних дозволяє рекомендувати запропонований метод для інженерного розрахунку малопроточних стратифікованих водосховищ-охолоджувачів ТЕС та АЕС.

У п'ятому розділі розроблена комбінована схема використання малопроточних стратифікованих водосховищ-охолоджувачів, при якій, на відміну від об'ємної схеми, з нижнього шару відбувається забір тільки частини циркуляційної витрати, частина, що залишилася, забирається з верхнього шару, і змішана вода подається на охолодження конденсаторів. Ця схема заснована на нелінійній залежності ККД турбіни від температури охолоджуючої води (Т2).

При такій схемі, у порівнянні з об'ємною, температура охолоджуючої води буде збільшуватися на початку теплого періоду року і зменшуватися в середині. Так як залежність (Т2) нелінійна, то збільшення падіння ККД на початку теплого періоду незначне, тому що зміна температури охолоджуючої води Т2 відбувається в області невисоких температур ( 15-250С), а зменшення падіння ККД у середині теплого (несприятливого) періоду значне, тому що зміна Т2 відбувається в області вже високих температур ( 30-350С). Таким чином, середнє значення ККД турбін протягом теплого періоду року при комбінованій схемі більше, ніж при об'ємній.

Оптимальне значення величини витрати, що забирається з нижнього шару, визначається з умови за допомогою розробленої математичної моделі динаміки вертикальної термічної структури малопроточних стратифікованих водоймищ.

Оцінено економічну ефективність комбінованої схеми використання стратифікованого водосховища-охолоджувача в порівнянні з об'ємною схемою на прикладі водосховища-охолоджувача Углегорскої ДРЕС. Економічний ефект від використання даної схеми складе 768 тис. грн./рік.

ВИСНОВКИ

1. Розроблена математична модель процесу нестаціонарного вертикального переносу тепла в малопроточних стратифікованих водоймищах дозволяє розрахувати динаміку вертикального розподілу температури. Ця модель заснована на системі рівнянь переносу тепла і кінетичної енергії турбулентності, а також робочих гіпотезах, суть яких полягає в тому, що основними факторами, що впливають на вертикальну термічну структуру, вважаються генерація турбулентності на поверхні водоймища в результаті обвалення вітрових хвиль, дисипація турбулентності і її дифузія в нижні шари, а також дія сил плавучості.

2. Аналіз динаміки вертикального розподілу коефіцієнта турбулентної в'язкості в малопроточному водоймищі при нейтральній стратифікації, який виконаний на основі числового рішення рівняння переносу кінетичної енергії турбулентності, показав, що цей процес можна розглядати як квазістаціонарний. Оцінено величини швидкостей вертикального струму води в малопроточному водоймищі, що виникає в результаті застосування об'ємної схеми. За допомогою чисельного аналізу показано, що конвективним переносом кінетичної енергії турбулентності при даних швидкостях можна знехтувати. Отримана аналітична залежність, що дозволяє розрахувати вертикальний розподіл коефіцієнта турбулентної в'язкості по глибині малопроточного водоймища. Ця залежність значно спрощує запропоновану математичну модель.

3. Розроблений метод розрахунку малопроточного стратифікованого водосховища-охолоджувача дозволяє врахувати нерівномірний розподіл по глибині температури і коефіцієнта турбулентної в'язкості, щільнісну (температурну) стратифікацію, а також схему використання водосховища-охолоджувача, конструкцію водоспускних і водозабірних споруд.

4. Виконано ідентифікацію запропонованої математичної моделі, що дозволяє застосовувати її для розрахунку динаміки вертикальної термічної структури малопроточних стратифікованих водоймищ.

5. Значення розбіжностей між теоретичними і натурними даними знаходяться в межах довірчих інтервалів, які враховують випадкові погрішності вимірів, що дозволяє зробити висновок про обґрунтованість прийнятих гіпотез і надійності результатів, отриманих при використанні математичної моделі вертикальної термічної структури малопроточних стратифікованих водоймищ.

6. За допомогою теоретичного дослідження динаміки вертикальної термічної структури дальнього поля малопроточних стратифікованих водосховищ-охолоджувачів протягом теплого періоду року оцінена ефективність різних схем використання (об'ємна схема і поверхнева схема). Показано, що застосування комбінованої схеми, при якій забір води здійснюється одночасно з верхнього і нижнього шару, дозволяє підвищити середнє значення ККД турбін протягом теплого періоду року.

7. Розроблений метод розрахунку вертикальної термічної структури в малопроточному стратифікованому водосховищі можна застосовувати і до природних водоймищ при рішенні ряду біологічних, хімічних і екологічних задач, для яких необхідні дані про розподіл температури по глибині водоймища.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ праць

1. Карагяур А.С. Моделирование вертикального распределения температуры в малопроточных водоемах // Коммунальное хозяйство. - Научн. техн. сб. - ХГАГХ. - К.: "Техніка", 2002. – Вып. 38. - С.147-152.

2. Карагяур А.С. Особенности расчета вертикальной термической структуры водохранилища-охладителя ТЭС и АЭС, используемого по объемной схеме. // Науковий вістник будівництва. - Харків.: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2002. - Вип.19. - С. 110-113.

3. Нетюхайло А.П., Карагяур А.С. Расчет температурного профиля в водоемах. // Науковий вістник будівництва. - Харків.: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2001. - Вип.12. - С. 52-56.

4. Нетюхайло А.П., Эпоян С.М., Карагяур А.С. Перенос импульса и тепла в стратифицированных течениях. // Науковий вістник будівництва. - Харків.: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - 2001. - Вип.14. - С. 220-223.

5. Нетюхайло А.П., Карагяур А.С. Рациональная схема использования глубокого водохранилища ТЭС и АЭС // Коммунальное хозяйство городов. - Научн. техн. сб. - ХГАГХ. - К.: "Техніка", 2002. – Вып. 45. - С.191-194.

АНОТАЦІЯ

Карагяур А.С. Прогнозування ефективності роботи глибоких малопроточних стратифікованих водосховищ-охолоджувачів ТЕС та АЕС. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.16 – гідравліка і інженерна гідрологія. – Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2003.

Дисертація присвячена прогнозуванню ефективності роботи малопроточних стратифікованих водосховищ-охолоджувачів ТЕС та АЕС.

Розроблено однопараметричну одномірну математичну модель турбулентного переносу тепла по глибині малопроточних стратифікованих водоймищ, у якій враховується вплив сукупності основних метеорологічних і технологічних факторів: вітрове перемішування, температурну стратифікацію, скид і забір циркуляційної води з водосховища. Запропонована математична модель дозволяє прогнозувати динаміку вертикальної термічної структури малопроточних стратифікованих водосховищ-охолоджувачів і, відповідно, їхню охолоджуючу здатність.

Розроблено метод інженерного розрахунку роботи стратифікованого малопроточного водосховища-охолоджувача. Цей метод, заснований на розробленій матмоделі, враховує процеси, що протікають у ближнім полі та в околицях водозабору.

На основі теоретичного дослідження динаміки вертикальної термічної структури дальнього поля оцінена ефективність різних схем використання малопроточних стратифікованих водосховищ-охолоджувачів. Розроблено більш ефективну, у порівнянні з існуючими, комбіновану схему використання зазначених водоймищ. Ця схема дозволяє підвищити середнє значення ККД турбін ТЕС та АЕС протягом теплого періоду року.

Достовірність теоретичних досліджень перевірена шляхом зіставлення їх з натурними даними.

Ключові слова: малопроточне стратифіковане водосховище-охолоджувач, ближнє і дальне поле, вертикальна термічна структура, рівняння переносу.

АННОТАЦИЯ

Карагяур А.С. Прогнозирование эффективности работы глубоких малопроточных стратифицированных водохранилищ-охладителей ТЭС и АЭС. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.16 – гидравлика и инженерная гидрология. – Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2003.

Эффективное моделирование работы малопроточных стратифицированных водохранилищ-охладителей позволяет разрабатывать рациональные, с точки зрения экономии топливных ресурсов, схемы их использования. Рекомендуемые для практического применения простые модели не учитывают всей совокупности основных факторов, влияющих на процессы теплопереноса в указанных водоемах. Применение сложных многомерных и многопараметрических моделей малооправдано в силу вероятностного характера гидротермических процессов, протекающих в водохранилище, сложности численной реализации, неточности исходной информации.

Диссертация посвящена прогнозированию эффективности работы малопроточных стратифицированных водохранилищ-охладителяей ТЭС и АЭС.

Разработана однопараметрическая одномерная математическая модель турбулентного переноса тепла по глубине указанных водоемов, в которой учитывается влияние совокупности основных метеорологических и технологических факторов: ветровое перемешивание, температурная стратификация, сброс и забор циркуляционной воды из водохранилища. Предложенная математическая модель позволяет прогнозировать динамику вертикальной термической структуры малопроточных стратифицированных водохранилищ-охладителей и, соответственно, их охлаждающую способность.

Рекомендован метод инженерного расчета работы стратифицированного малопроточного водохранилища-охладителя. Этот метод основан на разработанной матмодели, учитывает вертикальную неоднородность распределения температуры, действие ветра, влияние стратификации, а также процессы, протекающие в ближнем поле и в окрестностях водозабора.

На основе теоретического исследования динамики вертикальной термической структуры дальнего поля оценена эффективность различных схем использования малопроточных стратифицированных водохранилищ-охладителей. Разработана более эффективная, в сравнении с существующими, комбинированная схема использования указанных водохранилищ. Эта схема позволяет повысить среднее значение КПД турбин ТЭС и АЭС в течение теплого периода года за счет рационального использования холодной воды, аккумулированной в нижнем слое стратифицированных водохранилищ.

Достоверность теоретических исследований проверена путем сопоставления их с данными натурных измерений, выполненных на водохранилищах-охладителях Углегорской ГРЭС и Южно-Украинской АЭС, а также Валдайском озере.

Для водохранилища-охладителя оценена экономическая эффективность применения комбинированной схемы использования. Экономический эффект от использования данной схемы для Углегорской ГРЭС составит 768 тыс грн./год.

Ключевые слова: малопроточное стратифицированное водохранилище-охладитель, ближнее и дальнее поле, вертикальная термическая структура, уравнение переноса.

SUMMARY

Karagiaour A.S. Forecasting the efficiency of deep low-flow stratificated cooler reservoirs of heat and nuclear power plants. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree of technical sciences on specialty 05.23.16 – Hydraulics and Engineering Hydrology - Kharkiv State Technical University for Construction and Architecture, Kharkiv, 2003.

The thesis is devoted to heat transmission process modeling in low-flow stratificated cooler reservoirs of heat and nuclear power plants.

One-parametric one-dimensional mathematical model of turbulent heat transmission along the depth of low-flow stratificated reservoirs has been developed subject to the influence of primary meteorological and technological factors: wind-induced turbulence, temperature stratification, circulation water drawoff and dicharge from the reservoir. Suggested mathematical model allows forecasting the dynamics of vertical thermal structure of low-flow stratificated cooler reservoirs, and so forcasting their cooling capacity.

Engineering calculation method has been developed to calculate operation of low-flow stratificated cooler reservoir. The method is based on developed mathematical model and considers the processes in the close field and around the drawoff.

Based on the theoretical study of vertical thermal structure dynamics in the far field, the efficiency of various ways of using the low-flow stratificated cooler reservoirs has been evaluated. More efficient, as compared to others, and combined scheme of using the specified reservoirs has been developed. This scheme allows increasing the average value of turbines’ degree of efficiency in heat and nuclear power plants during the warm season.

The validity of theoretical studies has been verified by juxtaposing them with natural data.

Keywords: low-flow stratificated cooler reservoir, close and far field, vertical thermal structure, transmission equetion.