Актуальность темы. Система маслоснабжения паротурбинной установки (ПТУ) является сложной системой, обеспечивающей нормальную работу подшипников турбины, уплотнений вала, системы регулирования. Одной из функций маслосистемы является отвод теплоты от подшипников паротурбинной установки. Функцию отвода теплоты от масла выполняют теплообменные аппараты системы маслоснабжения паротурбинной установки — маслоохладители.
Конструкции установленных на ТЭС в схемах ПТУ маслоохладителей, которые были спроектированы в середине двадцатого века, не соответствуют современным требованиям по надежности, экономичности и экологической безопасности. Поэтому именно в настоящее время, когда срок эксплуатации теплообменных аппаратов устаревших конструкций подходит к концу, их совершенствование и создание новых теплообменных аппаратов для систем маслоснабжения ПТУ является актуальным и перспективным.
При совершенствовании маслоохладителей современных ПТУ в последнее время применяются профильные витые трубки (ПВТ). На тепловых электростанциях Российской Федерации, в системах маслоснабжения ПТУ установлены и функционируют свыше 400 маслоохладителей с ПВТ. Применение ПВТ компенсирует потери тепловой эффективности теплообменного аппарата, связанные с переходом на более надежный материал теплообменных трубок — нержавеющую сталь (08Х18Н10Т) вместо ранее применявшейся латуни (Л68 или ЛО70).
Интенсификация теплообмена в маслоохладителях с профилированными трубками определяется, прежде всего, турбулизацией потока вязкого теплоносителя — турбинного масла. Помимо интенсификации применение профилированных трубок приводит к увеличению гидравлического сопротивления теплообменного аппарата по водяной стороне.
В развитие работ, связанных с повышением эффективности и надежности маслоохладителей турбоустановок за счет применения ПВТ и ряда современных технических решений, в данной работе рассматривается применение запатентованных автором трубок со встречной накаткой (ТВН), более эффективных, чем ПВТ, и, обладающих теми же преимуществами, что и ПВТ, в части конструктивного исполнения аппаратов и условий их эксплуатационного обслуживания.
В большинстве известных методик расчета маслоохладителей паротурбинных установок крайне сложно учесть наличие накатки (профилирования) на трубках. Среди методик, в которых такой учет реализован, можно выделить методику УрФУ. В данной методике учет эффекта применения профилированных трубок реализован с помощью мультипликативных поправок для критериальных зависимостей по расчёту коэффициентов теплоотдачи со стороны обоих теплоносителей и гидродинамического сопротивления аппарата.
Таким образом, актуальность применения профилированных трубок в маслоохладителях турбоустановок определяется возрастающими требованиями к повышению эффективности и надежности аппаратов при выполнении ими своих функций в любых условиях (например, при повышенной температуре охлаждающей воды). При этом особенностью функционирования маслоохладителей турбоустановок является то, что данные аппараты должны обеспечивать поддержание заданной температуры масла на выходе из маслоохладителя, как правило 12м = 45 °С, при допустимой величине гидравлического сопротивления по водяной стороне. В связи с этим, для конкретной схемы турбоустановки и конкретных условий эксплуатации оборудования (температуры охлаждающей циркуляционной воды) необходимо подбирать маслоохладители, обеспечивающие выполнение вышеуказанных противоречивых требований в части поддержания температуры масла на выходе из маслоохладителя на одном уровне при различных температурах охлаждающей воды на входе в аппарат и высокой его (аппарата) экологической безопасности.
В связи с необходимостью повышения эффективности и надежности маслоохладителей ПТУ и широким, вследствие этого, распространением маслоохладителей с профилированными трубками, представляют большой научный и практический интерес сравнительные исследования эффективности применения в маслоохладителях турбоустановок различно профилированных трубок, таких как ТВН и трубок с поперечной (кольцевой) накаткой (ПКТ). Данные исследования позволят обоснованно выбирать и применять в маслоохладителях ПТУ конкретный тип профилированных трубок.
Работа выполнена в соответствии с утвержденными на Федеральном уровне Приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники РФ (пункт 08 - Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика) и Перечнем критических технологий РФ (пункт 27 - Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе).
Цель работы: исследование, анализ и обобщение данных по гидродинамике и теплообмену вязких теплоносителей в пучках профилированных трубок для повышения эффективности и совершенствования маслоохладителей турбоустановок.
Для реализации цели исследования поставлены и решены следующие задачи.
1. Выполнить наладку стенда для проведения исследований процессов гидродинамики и теплообмена вязких теплоносителей при поперечном обтекании пучков гладких и различно профилированных трубок; разработать экспериментальный стенд, позволяющий моделировать процессы гидродинамики внутри гладких и раз-лично профилированных трубок при течении в них воды; разработать стенд для определения изгибной жёсткости трубок (вибрационных характеристик).
2. Провести сравнительные экспериментальные исследования теплоотдачи и гидродинамического сопротивления при поперечном обтекании пучков гладких трубок, трубок с кольцевой (ПКТ) и встречной (ТВН) накаткой с близкими параметрами профилирования (характерными для реальных маслоохладителей в системах маслоснабжения ПТУ) при поперечном обтекании их турбинным маслом.
3. Провести сравнительные экспериментальные исследования гидравлического сопротивления гладких трубок и ТВН при течении внутри них воды.
4. Уточнить методику расчета маслоохладителей ПТУ с пучками ТВН для расчета эффективности маслоохладителей при разработке новых, более совершенных конструкций.
5. Провести сравнительные промышленные испытания маслоохладителей с трубными пучками из ПВТ и ТВН.
Научная новизна проведенного исследования определяется тем, что для получения обобщенных критериальных зависимостей эффективно использован комплекс существующих методов исследования, в т.ч. экспериментальные методики исследования гидродинамики и теплообмена вязкого теплоносителя в пучках трубок и численные методы расчета протечек теплоносителя в технологических зазорах маслоохладителей ПТУ. Основные новые научные положения заключаются в нижеследующем.
1. Экспериментально изучены теплообмен и гидродинамическое сопротивление в пучках различно профилированных трубок при поперечном обтекании их турбинным маслом. Установлено, что интенсивность теплоотдачи от турбинного масла в пучке ТВН в диапазоне чисел Яем = 100...700 до 33 % выше, чем в гладкотрубном пучке и зависит от режима течения турбинного масла в пучке трубок. С увеличением значения числа Яем интенсивность теплоотдачи в пучках возрастает.
2. Показано, что в диапазоне чисел Яем = 100.700 относительный (в сравнении с гладкой трубкой) коэффициент гидродинамического сопротивления пучков профилированных трубок при поперечном обтекании турбинным маслом зависит от числа Яем. Относительное гидродинамическое сопротивление пучка ТВН до величин чисел Яем< 350 ниже, чем пучка с гладкими трубками на величину до 15 %, что объясняется лучшей обтекаемостью профилированных трубок; при возрастании значений числа Яем относительное гидродинамическое сопротивление пучка ТВН до 8 % выше — влияние образования вихрей от элементов искусственной шероховатости ТВН на сопротивление движению турбинного масла в пучке возрастает.
3. Показано, что коэффициент гидравлического сопротивления при течении воды в профилированных трубках по сравнению с гладкой трубкой выше для ТВН2 в 1,9...2,2 раза, для ТВН1 в 2,4...3,2 раза в зависимости от параметров профилирования и числа Яев.
4. Изучены особенности течения вязкого теплоносителя в технологических зазорах узла «ТВН - перегородка». Установлено, что величина протечек турбинного масла для ТВН выше, чем для гладких трубок и ПВТ.
5. С целью определения возможности изготовления опытно-промышленного маслоохладителя с ТВН экспериментально определена изгибная жесткость профилированных трубок с близкими параметрами профилирования; показано, что значения изгибной жесткости ТВН и ПВТ близки и они меньше значения для гладкой трубки на 20 %. Изгибная жесткость ПКТ на 32 % меньше значения для гладкой трубки.
Достоверность и обоснованность результатов определяется тем, что экспериментальные результаты получены с помощью стандартных, протарированных датчиков; методика проведения эксперимента соответствует классическим представлениям; обеспечивается хорошей точностью применяемых схем измерений и удовлетворительной воспроизводимостью экспериментальных результатов; проведением тарировочных опытов на пучках с гладкими трубками и хорошим совпадением этих результатов с известными зависимостями.
Практическая значимость заключается в том, что предложена и реализована новая теплообменная поверхность (ТВН) для маслоохладителей турбоустановок, определены параметры профилирования трубок со встречной накаткой, рекомендуемые к реализации в маслоохладителях турбоустановок с учетом диапазонов характерных параметров технологических процессов в них; представлены рекомендации для инженерной практики в части уточнения позонной методики расчета маслоохладителя. Обобщенные зависимости уже использованы для расчета теплогидравлических характеристик промышленного образца маслоохладителя МБ-50М-75 с трубным пучком из ТВН турбоустановки К-160-130 ХТЗ.
Реализация результатов работы. Результаты, представленные в работе, использованы при разработке серии новых маслоохладителей турбоустановок. Опытный образец маслоохладителя МБ-50М-75 изготовлен на заводе «Нестандартмаш» и успешно эксплуатируется на блоке ст.№9 Невинномысской ГРЭС в составе системы маслоснабжения турбины К-160-130 ХТЗ. Ряд полученных результатов используются в ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» на лекциях по дисциплинам «Теплообменные аппараты турбоустановок» и «ТЭС и АЭС». Материалы диссертационной работы включены в монографию и в учебное пособие.
Автор защищает:
• результаты сравнительных экспериментальных исследований теплоотдачи и гидродинамического сопротивления пучков ТВН, ПКТ, ПВТ и гладких трубок при поперечном обтекании их маслом;
• результаты сравнительных экспериментальных исследований гидравлического сопротивления при течении воды внутри различно профилированных трубок;
• результаты сравнительных экспериментальных исследований изгибной жест-кости ТВН, ПКТ с ПВТ и с гладкими трубками;
• уточненную позонную методику теплогидравлического расчета маслоохладителей ПТУ с трубными пучками из ТВН с учетом протечек масла;
• результаты испытаний нового маслоохладителя с ТВН на блоке ст.№9 Невинномысской ГРЭС в составе системы маслоснабжения турбины К-160-130 ХТЗ.
Апробация работы
Результаты исследований обсуждались на XV отчетной научной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург 2008 г.), шестой международной научно-практической конференции Российская энергетика — 2009 (Екатеринбург 2009 г.), Российской национальной конференции по теплообмену «РНКТ- 5» (Москва 2010 г.), VI Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011» (Казань 2011 г.), XIV Минском международном форуме по тепло- и массообмену» (Минск 2012 г.), XIV Международной научно-технической конференции «Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования» (Харьков 2012 г.), XXXXII Всероссийском симпозиуме по механике и процессам управления (Миасс 2012 г.), 14-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов (Магнитогорск 2013 г.), VIII Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (Екатеринбург 2013 г.), научно-практической конференции с международным участием и выставке работ студентов, аспирантов и молодых ученых (Екатеринбург 2013 г.).
Публикации. Основные положения и выводы изложены в 22 печатных работах, в том числе в пяти публикациях в научных журналах, включенных в перечень рецензируемых научных изданий, определенного ВАК, в четырех патентах на полезную модель, в монографии и в учебном пособии для студентов.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, разработке ряда экспериментальных стендов, планировании и выполнении экспериментальных исследований, получении исходных данных, обработке и интерпретации экспериментальных данных, непосредственном участии в апробации результатов исследований и испытании головного образца маслоохладителя, разработке рекомендаций для инженерной практики по совершенствованию маслоохладителей с профилированными трубками, подготовке публикаций по выполненной работе.
Структура и объем диссертации. Квалификационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 111 наименований и приложения. Весь материал изложен на 132 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 20 таблиц.
1. Представлены результаты сравнительных исследований эффективности применения гладких трубок, ПКТ, ПВТ и ТВН в маслоохладителях турбоустановок. Диапазон исследования соответствует диапазону функционирования маслоохладителей турбоустановок.
2. Для сравнительных исследований проведена разработка и наладка ряда экспериментальных стендов для исследования:
• теплообмена и гидродинамического сопротивления при поперечном обтекании пучка трубок;
• гидравлического сопротивления при течении воды внутри трубок;
• изгибной жесткости трубок.
3. Сравнительное исследование теплообмена в пучках ТВН и ПКТ при поперечном обтекании турбинным маслом показало, что коэффициенты теплоотдачи при поперечном обтекании маслом пучка ПКТ до 7 % ниже, чем пучка гладких трубок, пучка ПВТ до 15 % выше, пучка ТВН1 до 33 % выше, пучка ТВН2 до 27 % выше, чем пучка гладких трубок.
4. Показано, что относительное гидродинамическое сопротивление пучка ПВТ при поперечном обтекании маслом в пределах погрешности эксперимента не отличается от пучка гладких трубок. Относительное гидродинамическое сопротивление пучка ТВН до величин чисел Яем< 350 ниже до 15 %; при возрастании значений числа Яем до 8 % выше; пучка ПКТ до 7 % ниже, чем гладкотрубного пучка.
5. Показано, что коэффициент гидравлического сопротивления при течении воды в профилированных трубках по сравнению с гладкой трубкой выше для ТВН2 в 1,9.2,2 раза, для ТВН1 в 2,4.3,2 раза в зависимости от параметров профилирования и числа Яев, при этом известно, что для ПКТ он выше в 5,1.6,0 раза, а для ПВТ в 2,2 раза.
6. Исследование изгибной жесткости различно профилированных трубок показало, что величина изгибной жесткости ПКТ на 32 %, а для ТВН на 20% меньше изгибной жесткости гладких трубок. Установлено, что величины изгибной жесткости ПВТ и ТВН близки по значению.
7. Проведены сравнительные испытания маслоохладителей в условиях эксплуатации на турбине, тепловая эффективность маслоохладителя с ТВН выше до 15 %, а температура масла на выходе на 2.3 °С ниже, чем у маслоохладителя с гладкими трубками.
8. По результатам проведенных экспериментальных исследований уточнена методика теплогидравлического расчета маслоохладителей ПТУ, позволяющая обоснованно применять в этих аппаратах предложенные автором ТВН. Эта методика использована для проектирования маслоохладителя, установленного на Невинно-мысской ГРЭС, а также для обработки и анализа сравнительных испытаний масло-охладителей с гладкими и различно профилированными трубками в условиях ТЭС.
9. Представлены рекомендации для инженерной практики, направленные на повышение эффективности, надежности и экологической безопасности системы маслоснабжения турбоустановок.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
