СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ КОНДЕНСАТОРА ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ НАОСНОВЕ УТОЧНЕНИЯ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КИСЛОРОДОСОДЕРЖАНИЯ КОНДЕНСАТА
Актуальность работы. Целью энергетической стратегии России является создание инновационного и эффективного энергетического сектора. Одной из задач для достижения этой цели является комплексная модернизация и развитие источников энергоснабжения. Это может быть достигнуто или путем строительства новых объектов с применением современных технологий, или путем модернизации и корректировки режимов работы действующего оборудования ТЭС (тепловых электростанций). Конденсационная установка (КУ) - это важная подсистема паротурбинной установки (ПТУ) ТЭС. При понижении давления и температуры отработавшего пара в конденсаторе снижается количество теплоты, передаваемое холодному источнику, повышается мощность, вырабатываемая турбиной, и возрастает экономичность цикла в целом.
Кроме того, КУ отводится роль деаэратора первой ступени, то есть в процессе ее эксплуатации должно быть обеспечено установленное нормами содержание коррозионно-активных газов в конденсате, поступающем в тракт регенеративного подогрева турбоустановки. Превышение этих норм ведет к повышенной активности коррозионных процессов в тракте от конденсатора до деаэратора и выносу продуктов коррозии на теплообменные поверхности котлов.
Степень разработанности темы исследования. Разработки методик расчета кислородосодержания конденсата отражены в работах таких авторов как: Шемпелев А.Г., Гришук И.К., Промыслов А.А., Кирш А.К. и др. В работах указанных авторов были предложны расчетные зависимости для определения содержания кислорода в конденсате, но в большинстве случаев с невысокой точностью. Также в этих работах не рассматривался вопрос применения методик расчета для анализа эксплуатационных данных с целью выявления причин повышенного кислородосодержания.
Объект исследования: конденсационная установка паротурбинной установки ТЭС.
Цель диссертационной работы - совершенствование системы эксплуатационного контроля конденсатора паротурбинной установки на основе уточнения методики расчета кислородосодержания конденсата.
Для достижения цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
1. Разработка уточненной физико-математической модели конденсатора, позволяющей получить его характеристики при конденсации паровоздушной смеси и чистого пара при переменных присосах воздуха в любом режиме работы турбоустановки.
2. Верификация уточненной физико-математической модели на базе экспериментальных данных, а также с помощью нормативных характеристик конденсаторов турбоустановок различных типов.
3. Разработка уточненной методики, позволяющей оценивать раздельное влияние на давление пара в конденсаторе величины присосов воздуха и загрязнения его трубной системы в любых реальных режимах работы ПТУ.
4. Разработка уточненной методики расчета для определения кислородо- содержания конденсата на выходе из конденсатора паротурбинной установки. И проведение ее проверки на базе эксплуатационных данных ГРЭС и ТЭЦ.
5. Разработка методики определения наличия присосов воздуха под уровень конденсата, поступающего в конденсатор с постоянно действующими дренажами.
6. Предложение перечня мероприятий по повышению деаэрирующей способности конденсаторов теплофикационных ПТУ, рассмотрение технико-экономической целесообразности использования этих мероприятий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложена уточненная методика поверочного расчета конденсатора, которая позволяет получить его характеристики при конденсации пара из паровоздушной смеси и при конденсации чистого пара для всех режимов его работы.
2. Разработана физико-математическая модель конденсатора на основе уточненной методики и проведена ее верификация с использованием экспериментальных данных, полученных на турбоустановках различных типов.
3. Выполнено сопоставление нормативных и расчетных характеристик конденсаторов различных типов. Предложен единый подход к построению нормативных характеристик с помощью разработанной физико-математической модели КУ ПТУ.
4. Предложена методика определения наличия присосов воздуха под уровень конденсата, основанная на сравнении фактического значения содержания кислорода в конденсате в напорной линии конденсатных насосов с расчетным значением этого содержания, полученного по фактическому переохлаждению конденсата на днище конденсатора.
5. Выявлено, что при нормативных присосах воздуха в вакуумную систему равновесное кислородосодержание конденсата на выходе из конденсатора, соответствующее нормам ПТЭ (20 мкг/кг), возможно только в режимах его работы при расходах пара в конденсатор больше граничных и температурах охлаждающей воды равной или большей расчетной для данного типа конденсатора.
Теоретическая значимость работы заключается в расширении знаний о механизме деаэрации конденсата в КУ и уточнении методики расчета кислородосодержания конденсата во всем диапазоне изменения рабочих параметров КУ.
Практическая значимость заключается в том, что результаты выполненной работы позволяют решать практические задачи, направленные на повышение эффективности и надежности работы КУ. Разработанные методики расчетов и физико-математические модели позволяют уменьшить объем испытаний на натурном оборудовании ТЭЦ при разработке новых технических решений и могут использоваться при разработке мониторинговых систем как вновь разрабатываемых КУ, так и существующих установок.
Результаты исследований используются на Кировской ТЭЦ-4. Разработанные с участием автора физико-математические модели и программы для ЭВМ используются в учебном процессе ВятГУ.
Предложенные мероприятия по повышению деаэрирующей способности конденсаторов теплофикационных ПТУ при внедрении на ТЭС будут способствовать повышению эффективности и надежности работы оборудования.
Положения, выносимые на защиту:
1. Физико-математическая модель конденсатора на основе уточненной методики поверочного расчета конденсатора, позволяющей получить его характеристики при конденсации чистого пара и при конденсации пара из паровоздушной смеси при переменных присосах воздуха в любом режиме работы турбоустановки.
2. Результаты сопоставления нормативных и расчетных характеристик конденсаторов различных типов, на основе которых предложен единый подход к построению нормативных характеристик с помощью разработанной физико-математической модели.
3. Уточненная методика определения равновесных содержаний кислорода в конденсате на выходе из конденсатора паротурбинной установки.
4. Уточненная методика, позволяющая оценивать раздельное влияние загрязнений трубной системы и величины присосов воздуха на давление в конденсаторе в любых реальных режимах работы ПТУ
5. Результаты расчетных исследований деаэрирующей способности конденсаторов конденсационной и теплофикационной турбоустановок в переменных режимах, проведенных с помощью предложенной физико-математической модели и уточненной методики определения равновесных содержаний кислорода в конденсате на выходе из конденсатора ПТУ
6. Результаты анализа причин повышенных содержаний кислорода в конденсате на базе эксплуатационных данных по турбоустановкам Т-110/120-130.
7. Методика определения присосов воздуха под уровень конденсата, основанная на сравнении фактического значения содержания кислорода в конденсате в напорной линии конденсатных насосов и расчетного значения этого содержания, полученного по фактическому переохлаждению конденсата на днище конденсатора.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов, ученых «Энерго- и ресурсосбережение в тепло-энергетике и социальной сфере» (Челябинск, 2013 г.), Всероссийской ежегодной научно-практической конференции «Общество, Наука, Инновации» (Киров, 2012-2016 гг.),УП Международной научной конференции молодых ученых «Электротехника, Электротехнология, Энергетика» (Новосибирск, 2015 г.), заседаниях кафедры «Теплотехника и гидравлика» Вятского государственного университета. Методики и разработанные физико-математические модели используются в научно-исследовательских работах и учебном процессе на кафедре теплотехники и гидравлики ВятГУ.
Достоверность и обоснованность обеспечивались применением современных методов теоретических исследований; использованием известных методик для статистической обработки экспериментальных данных; хорошим совпадением результатов расчетов по методикам автора с экспериментальными данными автора и других исследователей. Установлена корректность разработанных физико-математических моделей, их адекватность, что обусловлено качественным и количественным совпадением авторских результатов с результатами эксплуатации оборудования ТЭЦ.
Личный вклад автора определяется постановкой цели и задач исследования; разработкой уточненной методики расчета КУ; разработкой уточненной методики расчета равновесных содержаний кислорода в конденсате; проведением численных расчетов, анализе и обобщении полученных результатов по кислородосодержанию основного конденсата на выходе из конденсаторов турбоустановок различных типов, сопоставлении расчетных данных с экспериментальными; подготовке основных публикаций по выполненной работе.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в десяти печатных работах, включая три статьи в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК Минобрнауки России и семь тезисов докладов научно-технических конференций. Получены также два свидетельства на регистрацию программы ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературных источников из 94 наименований. Работа представлена на 172 с., содержит 102 рисунка, 7 приложений
В рамках диссертационной работы решены следующие задачи:
1. Предложена уточненная методика поверочного расчета конденсатора, позволяющая получить его характеристики при конденсации пара из паровоз-душной смеси с учетом влияния величины присосов воздуха в конденсатор в любом режиме работы турбоустановки.
2. Разработана физико-математическая модель конденсатора на основе уточненной методики и проведена ее верификация с использованием экспериментальных данных, полученных на турбоустановках различных типов.
3. Предложена уточненная методика, позволяющая оценивать раздельное влияние на давление пара в конденсаторе величины присосов воздуха и загряз-нения его трубной системы в любых реальных режимах работы ПТУ.
4. Выполнено сопоставление нормативных и расчетных характеристик конденсаторов различных типов. Предложен единый подход к построению нормативных характеристик, заключающийся в их построении с помощью разработанной физико-математической модели КУ ПТУ при нормативных для данной турбоустановки присосах воздуха во всем диапазоне изменения расходов пара в конденсатор.
5. Уточнена расчетная методика определения равновесных кислородосодержаний конденсата на выходе из конденсатора ПТУ во всем возможном диапазоне его паровых нагрузок, расходов и температур охлаждающей воды, присосов воздуха и коэффициентов чистоты поверхностей теплообмена.
6. Проведены расчетные исследования деаэрирующей способности конденсаторов конденсационной и теплофикационной турбоустановок в переменных режимах работы с помощью предложенной физико-математической модели. В ходе расчетных исследований установлено что:
- при нормативных присосах воздуха в вакуумную систему равновесное кислородосодержание конденсата на выходе из конденсатора, соответствующее нормам, установленным ПТЭ (20 мкг/кг), возможно только при расходах пара в конденсатор больше граничных (более 50% от номинального расхода) и температурах охлаждающей воды равной или большей расчетной для данного типа конденсатора. В остальных случаях равновесное содержание кислорода в конденсате превышает нормативные значения;
- повышенные присосы воздуха в вакуумную систему в режимах работы, неограниченных эжектором (при расходах пара выше граничного), в пределах, не приводящих к перегрузке эжектора, слабо влияют на равновесное содержание кислорода в конденсате;
- увеличение присосов воздуха в вакуумную систему расширяет область режимов, ограниченных эжектором (левая часть характеристики), и приводит к интенсивному возрастанию кислорода в конденсате. В этом случае превышение кислородосодержания конденсата над нормативным наблюдается в гораздо более широком диапазоне температур и давлений, чем при нормативных присосах воздуха;
- уменьшение расхода охлаждающей воды приводит к увеличению зоны интенсивной конденсации пара и, соответственно, к уменьшению зоны с пони-женным значением коэффициента теплопередачи из-за наличия воздуха, что в конечном итоге приводит к некоторому улучшению деаэрирующей способности конденсатора.
7. Выполнена экспериментальная проверка методик расчета равновесных кислородосодержаний конденсата на выходе из паротурбинных установок на базе эксплуатационных данных ГРЭС и ТЭЦ. В ходе проверки показано что:
- наблюдается достаточно хорошая сходимость эксплуатационных данных с расчетными характеристиками, выполненными в диапазоне максимальных и минимальных расходов пара в конденсатор, что подтверждает целесообразность использования принятой методики;
- результаты расчетных исследований по выявлению влияния различных эксплуатационных факторов хорошо согласуются с эксплуатационными данными;
- экспериментальные данные подтверждают существование режимов работы конденсатора, ограниченных эжектором, во всем эксплуатационном диапазоне подачи пара в конденсатор.
8. Показана пригодность предложенной методики для анализа причин повышенных содержаний кислорода в конденсате на базе эксплуатационных данных по турбоустановкам Т-110/120-130.
9. Предложена методика определения наличия присосов воздуха под уровень конденсата, основанная на сравнении фактического значения содержания кислорода в конденсате в напорной линии конденсатных насосов и расчетным значением этого содержания, полученного по фактическому переохлаждению конденсата на днище конденсатора.
10. Предложен перечень мероприятий по повышению деаэрирующей способности конденсаторов теплофикационных ПТУ, показана технико-экономическая целесообразность использования этих мероприятий.
Предложенные в данной работе методики и разработанные на их основе физико-математические модели могут быть использованы как при проектировании конденсационных устройств и основных эжекторов паротурбинных установок, так ив условиях эксплуатации при проведении модернизации оборудования, для анализа эффективности его работы и с целью выявления дефектов.
Дальнейшие исследования будут проводится в направлении разработки программной и аппаратной части диагностической системы деаэрирующей способности КУ, основанной на предложенных моделях. Планируется разработка новых мероприятий по повышению деаэрирующей способности конденсатора.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
