С появлением первых теплотехнических устройств возникла необходимость исследования теплофизических свойств применяемых рабочих тел. Естественное стремление к интенсификации теплотехнических процессов обусловило повышение требований к уровню наших знаний о свойствах жидкостей в процессах с мощным тепловыделением. Предметом данного исследования является теплообмен в системе “нагреватель-зонд, погруженный в изучаемое вещество”, в условиях заданного импульсного тепловыделения применительно к задаче быстрой оценки кратковременной термоустойчивости многокомпонентных сред в зависимости от состава среды, температуры и длительности воздействия. Объектами исследования служили технические образцы масел, применяемых в оборудовании Среднеуральской ГРЭС (СУГРЭС), насыщенные водяным паром или паром двуокиси углерода. Постановка задачи и ее решение осуществлены при взаимодействии со специалистами службы наладки теплотехнического оборудования филиала ОАО “ТГК-9” “Инженерно-технический центр Свердловской области” и лаборатории физико-химического контроля качества масел ОАО “Свердловэлектроремонт” Задача предусматривала создание методики тестирования технических масел на устойчивость к заданному термическому воздействию и метода мониторинга летучих примесей, чувствительного к содержанию влаги в интервале 10-50 г/т (граммов влаги в тонне масла) для трансформаторного масла и 10-150 г/т для турбинного масла.
Работа выполнена в рамках проекта РФФИ-Урал «Исследование теплофизических свойств многокомпонентных жидкостей применительно к рабочим телам энергетического оборудования Свердловской области» (№ 07-08-96048).
Актуальность темы. Свойства масла при повышенных температурах существенно определяют надежность теплоэнергетического оборудования. Практически не изучен вопрос о взаимосвязи изменения состава масла с его кратковременной термоустойчивостью в условиях локальных тепловыделений, характерных для ключевых точек маслосистемы агрегата (подшипники, изоляция, магнитопроводы). Известная проблема связана с изменением состава (следовательно, и свойств) масла, как в теплотехнических процессах, так и в процессах транспортировки, хранения и регенерации масла. Укажем, для примера, на аэрацию и обводнение масла при работе турбоагрегатов и компрессоров тепловых электростанций, образование агрессивных кислот в обводненном масле, терморазрушение углеводородных компонентов в термически напряженных циклах. Загрязнение масла летучими примесями, наиболее опасной из которых считается влага, вызывает непропорционально сильное снижение качества масла, в том числе, его термоустойчивости. Несвоевременность принятия мер в таких условиях может приводить к отказу техники.
Данные обстоятельства послужили мотивацией для разработки нового подхода к обнаружению летучих примесей в маслах, основанного на анализе отклика на кратковременное (/ ~ 10-3 с) мощное тепловое воздействие со строго задаваемыми параметрами на малый объем (менее 0,1 мм3) образца. Идея подхода опирается на результаты исследования явления достижимого перегрева систем с ограниченной взаимной растворимостью компонентов - растворов, эмульсий и многокомпонентных жидкостей - в процессах импульсного нагрева и основана на выявленной взаимосвязи термоустойчивости импульсно нагретого микрообъема образца масла с содержанием в нем летучих примесей.
Цель работы состояла в исследовании термоустойчивости технических масел в зависимости от их состава, температуры и длительности воздействия и в разработке основы импульсного метода сопоставления термоустойчивости масел применительно к задаче быстрого обнаружения летучих примесей в маслах теплоэнергетического оборудования. Требования к методу включают быстродействие, чувствительность к малому содержанию летучих примесей вне зависимости от природы примеси (~ 0,001 % по воде), незначительность методически вносимого возмущения; требования к устройству включают технологическую совместимость, автономность и удобство его применения.
Научная новизна:
1. Выяснены температурно-временные условия нарушения термоустойчивости масел, импульсно нагреваемых до заданного значения температуры.
2. В опытах по импульсному нагреву масел в различных условиях тепловыделения найден режим нагрева, обеспечивающий сильный и воспроизводимый сигнал-отклик на появление в исходно чистой системе летучей примеси, в том числе, следов влаги (на уровне 10-3 % для воды). Большой масштаб полезного сигнала, превышающий уровень шумов на порядок величины, создал предпосылки надежной работы разработанного устройства непосредственно в условиях производства.
3. Получена новая информация о влиянии малых добавок влаги, имплантируемых в масло из паровой фазы, на термоустойчивость масел в актуальной для энергетики области концентраций.
4. Разработан метод обнаружения летучих примесей в маслах с характерным временем измерения 10-3 с, основанный на соотнесении измеряемых данных по интенсивности теплообмена и термоустойчивости масел с массивом калибровочных значений.
Достоверность результатов обеспечивается: опорой методики на строго доказанные выводы теории перегретого состояния вещества, положения которой нашли применение в работе; проверкой методики на различных объектах; сопоставлением результатов контрольных опытов, проведенных соискателем, с результатами стандартных лабораторных испытаний на сертифицированном оборудовании, рекомендованных к применению в диагностических лабораториях предприятий энергетики; использованием для оценки погрешностей измерения электрических величин устройств, внесенных в Государственный реестр средств измерений; сопоставлением результатов контрольных измерений с результатами других авторов; обсуждением результатов диссертации на конференциях, получением рецензий от ведущих специалистов, использованием методики в практике с оценкой надежности результатов.
Практическая значимость нашей разработки обусловлена ее применимостью для мониторинга состояния масла в маслосистеме агрегата. Подобные устройства востребованы как на стадиях производства, хранения, транспортировки продукции, так и на стадиях заправки агрегата (входной контроль) и его эксплуатации (текущий контроль). Результаты измерений термоустойчивости масла формально соотносятся с концентрацией выбранной летучей примеси, но свидетельствуют не только о содержания примеси (например, вода в масле может существовать в различных формах с собственным уровнем опасности), а дают прямую оценку опасности “термического пробоя” масла, то есть, внезапного нарушения сплошности. Испытания показали, что созданное на основе защищаемого метода устройство, в соответствии с системой практических рекомендаций, может служить элементом системы контроля масел теплоэнергетического оборудования.
Автор защищает:
• методику импульсного теплового тестирования термоустойчивости масел;
• результаты исследования кратковременной термоустойчивости масел в условиях импульсного тепловыделения;
• метод обнаружения летучих примесей, растворенных в маслах, основанный на соотнесении измеряемых данных по интенсивности теплообмена и термоустойчивости масел с массивом калибровочных значений;
• рекомендации по практическому применению разработанного метода и устройства на примере теплотехнического оборудования СУГРЭС.
Личный вклад автора. Все представленные в работе результаты, от разработки методики измерений, создания испытательного стенда, проведения калибровочных измерений и измерений на действующем оборудовании, обработки результатов опытов, модернизации устройства и разработки методики его применения, подготовки основных публикаций до адаптации устройства к работе в условиях электростанции, получены лично автором, либо при его непосредственном участии.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на III международной конференции (Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2007 г.) «Актуальные проблемы энергетики», 6-й и 7-й международной теплофизической школе (Тамбов, ТГТУ, 2007 и 2010 гг.), «Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством», международной конференции «Связь-Пром 2008» (Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2008 г.), II, III и IV Всероссийских конференциях (Екатеринбург, УрО РАН, 2008, 2009 и 2011 гг.) «Безопасность критичных инфраструктур и территорий», I и II конференциях (Улан-Удэ, БГУ) «Наноматериалы и технологии», международных конференциях (Санкт-Петербург, СПбГУНиПТ, 2010 и 2012 г.) «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ», XIII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (РКТС-13, Новосибирск, 2011 г.), 18th Symposium on thermophysical
properties (Boulder, CO, USA, 2012), VIII Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (Екатеринбург, УрФУ, 2013 г.).
Публикации. Материалы диссертации изложены в 17 работах, включая 5 работ в рекомендованных ВАК изданиях и 12 статей и тезисов докладов в сборниках научных трудов и материалов конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и списка литературы; содержит 154 страниц текста, включая 72 рисунка. Список литературы содержит 87 работ.
1. На основе результатов опытов по исследованию термоустойчивости масел при их импульсном нагреве на поверхности проволочного зонда разработана основа методики импульсного теплового тестирования, чувствительная к присутствию летучих примесей в масле.
2. На основе методики импульсного теплового тестирования разработан метод косвенного контроля летучих примесей в маслах вне зависимости от природы примеси. Метод дает прямую оценку опасности «термического пробоя» масла в заданных условиях тепловыделения. Он состоит в определении на характерном отрезке времени значения температуры потери термоустойчивости масла, связанного с содержанием летучих примесей.
3. На основе метода создано автономное устройство быстрого обнаружения летучих примесей в маслах. Устройство состоит из выносного датчика и блока измерений, содержащего микроконтроллер с набором периферийных модулей. Интерпретация результатов осуществляется путем формального соотнесения измеренных значений с массивом калибровочных данных, полученных для набора образцов с различным влагосодержанием.
4. Проведены испытания устройства в условиях лаборатории (в режиме отбора проб) и на действующем оборудовании котлотурбинного цеха КТЦ-1 (в автономном режиме работы). Испытания показали, что защищаемый метод позволяет обнаруживать летучие примеси в маслах в реальном масштабе времени, а защищаемое устройство может служить автономным элементом системы мониторинга качества масел теплоэнергетического оборудования.
В приложениях рассмотрены типичные источники загрязнения масел летучими примесями, влияние примесей на технические условия работающего оборудования на примере трансформаторных и турбинных масел. Приведен обзор наиболее значимых методов контроля качества масла. Изложена методика стабилизации температуры импульсно нагреваемого зонда, на базе которой построено изучение термической устойчивости масел.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
