Тема: СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ ПАРОСТРУЙНЫХ ЭЖЕКТОРОВ КОНДЕНСАЦИОННЫХ УСТАНОВОК ПАРОВЫХ ТУРБИН
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание
Введение 6
Глава 1. Состояние вопроса. Постановка задач исследования 16
1.1 Типовые конструкции и характеристики многоступенчатых эжекторов
различных турбинных заводов 17
1.2 Направления совершенствования конструкций струйных аппаратов
эжекторов 21
1.3 Методики расчёта проточной части и промежуточных охладителей
эжекторов 31
1.4 Влияние условий эксплуатации на эффективность функционирования
эжекторов конденсационных установок ПТУ 41
1.5 Выводы. Постановка задачи исследования 46
Глава 2. Разработка уточнённой методики расчёта многоступенчатых пароструйных эжекторов конденсационных установок паровых турбин 48
2.1 Анализ и обобщение экспериментальных исследований серийных
эжекторов конденсационных установок ПТУ 48
2.2 Анализ и обобщение геометрических характеристик серийных эжекторов 60
2.3 Численное моделирование газодинамики в струйном аппарате эжектора ... 66
2.4 Уточнение методики расчёта 76
2.5 Выводы 81
Глава 3. Разработка, экспериментальные исследования и промышленная апробация современного высокоэффективного эжектора для конденсационных установок ПТУ 84
3.1 Обоснование целесообразности разработки нового эжектора 84
3.2 Расчёт эжектора по уточнённой методике 87
3.3 Новые технические решения, заложенные в конструкцию эжектора 89
3.4 Результаты испытаний разработанного эжектора в условиях эксплуатации. Совместное функционирование эжектора и конденсатора 95
3.5 ВЫВОДЫ 110
Глава 4. Исследование функционирования промежуточных охладителей эжектора 113
4.1 Результаты экспериментальных исследований промежуточных охладителей 113
4.2 Разработка модели повышения давления паровоздушной смеси в
промежуточном охладителе многоступенчатого эжектора 118
4.3 Выводы 132
Глава 5. Оценка технико-экономической эффективности функционирования
конденсационных установок с новым эжектором 133
4.1 Функционирование разработанного эжектора в составе
конденсационной турбины 133
4.2 Функционирование основных эжекторов в составе теплофикационных
турбин 136
4.3 Выводы 142
Заключение 143
Библиографический список 146
Приложения
📖 Введение
Результаты исследований режимов работы эжекторов и газодинамических процессов, происходящих в них, широко представлены в работах Абрамовича Г.Н., Миллионщикова М.Д., Васильева Ю.Н., Бермана Л.Д., Соколова Е.Я., Робожева А.В., Дейча М.Е., Зингера Н.М., Шкловера Г.Г., Ефимочкина Г.И., Путилова М.И., Лещинского А.М., Мильмана О.О., Белевича А.И., Цегельского В.Г., Соболева А.В., Александрова В.Ю. и других [12-33].
При этом в последние десятилетия в мире значительно возрос интерес к исследованию эжекторов для их использования в установках различного назначения: холодильных циклах, установках преобразования солнечной энергии, химической энергии топлива в электрическую энергию, нефтеперерабатывающей промышленности и др. [34-59]. Исследования, проводимые в России в области совершенствования эжекторов (струйных насосов), охватывают, в основном, вопросы конструктивного исполнения струйных аппаратов [30,31] или режимы функционирования эжекторов [29,32,33]. В иностранных публикациях исследуется газодинамика в струйных аппаратах современными экспериментальными методами и с помощью численных расчётов в специализированных программных комплексах [35-40 и др.].
В настоящей работе предложено рассматривать вопросы совершенствования многоступенчатых пароструйных эжекторов паровых турбин вопросы с позиций их повреждаемости, разработки более надёжных конструкций, обобщении опыта эксплуатации, испытаний, обобщении геометрических характеристик эжекторов, уточнении методики расчёта, особенностей взаимного влияния струйных аппаратов и промежуточных охладителей.
Актуальность совершенствования эжекторов паровых турбин определяется необходимостью поддержания глубокого вакуума в конденсаторах турбин при повышенных присосах воздуха. Эжекторы, разработанные в 50х-80х годах прошлого века, не соответствуют современным требованиям в части надёжности и эффективности конденсационной установки. Новые возможности совершенствования эжекторов связаны с появлением современных методов экспериментальных и расчётных исследований, накопившимся опытом расчёта, разработки, испытаний и эксплуатации эжекторов.
Объектом исследования и разработки являются многоступенчатые пароструйные эжекторы конденсационных установок паровых турбин.
При исследовании эжекторов конденсационных установок ПТУ проведены анализ надёжности, промышленные испытания в различных условиях эксплуатации, обобщение геометрических характеристик и анализ экономичности существующих серийных эжекторов различных заводов- изготовителей, а также численные исследования газодинамики в струйных аппаратах эжекторов. На основе полученных результатов уточнена методика расчёта многоступенчатых пароструйных эжекторов и разработан новый эжектор ЭПО-3-80. При испытаниях нового эжектора ЭПО-3-80 зафиксирован газодинамический эффект существенного изменения давления в промежуточных охладителях эжектора. Для описания полученного эффекта разработана физико-математическая модель.
Целью исследования является совершенствование многоступенчатых пароструйных эжекторов для повышения экономичности и надёжности конденсационных установок паровых турбин.
Задачи исследования сформулированы следующим образом:
• Проведение обследований и промышленных испытаний различных типоразмеров пароструйных эжекторов в различных условиях эксплуатации ТЭС для оценки показателей эффективности эжекторов и надёжности их функционирования в составе конденсационных установок.
• Обобщение и анализ геометрических характеристик серийных пароструйных эжекторов.
• Исследование газодинамических процессов в струйных аппаратах и промежуточных охладителях многоступенчатых пароструйных эжекторов.
• Разработка уточнённой методики расчёта многоступенчатых пароструйных эжекторов паровых турбин на основе обобщения результатов испытаний, анализа геометрических характеристик серийных эжекторов и численных исследований газодинамики в струйных аппаратах.
• Разработка нового многоступенчатого пароструйного эжектора повышенной производительности для конденсационных установок паровых турбин и проведение экспериментальных исследований эжектора в условиях эксплуатации на ТЭС.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• Выявлены и обобщены связи между геометрическими параметрами, рабочими характеристиками и назначением (для конденсационных или теплофикационных турбин) многоступенчатых пароструйных эжекторов. Обобщение проведено на основе исследования 24 серийных конструкций эжекторов в части анализа положения «эффективного сечения», в котором инжектируемая смесь достигает (или преодолевает) скорость звука; основного геометрического параметра эжектора (отношения площадей критических сечений камеры смешения и сопла); различных значений осевого положения сопла; распределения степеней сжатия в многоступенчатых эжекторах; изменения критических диаметров сопел по ступеням эжектора.
• Разработана уточнённая методика конструкторского и поверочного расчётов многоступенчатых пароструйных эжекторов на основе анализа и обобщения результатов проведённых промышленных испытаний, обобщения геометрических характеристик серийных эжекторов, а также численного моделирования. Методика конструкторского расчёта уточнена в части уменьшения расходов рабочего пара, определения положения «эффективного сечения», выбора основного геометрического параметра эжектора, распределения степеней сжатия по ступеням эжектора. Разработанная методика поверочного расчёта позволяет определять характеристики ступеней эжектора при заданных геометрических размерах струйных аппаратов и долях конденсирующегося в промежуточных охладителях пара.
• Выявлен газодинамический эффект существенного изменения давления паровоздушной смеси в промежуточных охладителях эжектора. Давление паровоздушной смеси на выходе из охладителей уменьшается по сравнению с давлением на входе на величину ДР=1,0-4,О кПа или увеличивается на величину ДР=1,0-8,6 кПа. Разработана физико-математическая модель, описывающая эффект повышения давления, как скачок давления в формируемой на входе в теплообменник двухфазной, двухкомпонентной среде.
Все основные научные результаты подтверждены экспериментально.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается использованием апробированных методик измерений и метрологически поверенных приборов при проведении экспериментальных исследований; хорошим согласованием результатов испытаний эжекторов с данными других авторов, а также с результатами расчетов по уточненной автором методике; успешным функционированием разработанного эжектора ЭПО-3- 80 в составе конденсационной установки турбины К-200-130 ЛМЗ Сургутской ГРЭС-1 на протяжении более полутора лет.
Теоретическая и практическая значимость работы:
• Разработана уточнённая методика для расчёта многоступенчатых пароструйных эжекторов в широком диапазоне параметров их функционирования.
• Разработана расширенная схема измерений многоступенчатых эжекторов, позволяющая подробно исследовать параметры функционирования эжектора, в том числе газодинамическое сопротивление промежуточных охладителей.
• Зафиксирован газодинамический эффект существенного изменения давления в промежуточных охладителях многоступенчатого эжектора.
• Разработаны и обоснованы мероприятия по совершенствованию конструкций многоступенчатых пароструйных эжекторов.
• Разработаны технические решения, позволяющие повысить эффективность и надёжность многоступенчатых пароструйных эжекторов.
• Обобщены и проанализированы результаты промышленных испытаний 34 серийных эжекторов различных заводов-изготовителей.
Реализация результатов работы. Результаты работы используются при модернизации серийных эжекторов, расчёте и проектировании новых высокоэффективных эжекторов для конденсационных установок турбин ТЭС. Модернизировано и установлено на ТЭС более 50 многоступенчатых пароструйных эжекторов конденсационных установок турбин мощностью от 50 до 500 МВт. Уточнённая методика расчёта многоступенчатых пароструйных эжекторов уже использована для разработки ряда высокоэффективных эжекторов, повышающих экономичность конденсационных установок паровых турбин. Разработанный эжектор ЭПО- 3-80 апробирован и успешно функционирует в составе турбины К-200-130 ЛМЗ, в конденсаторе которой поддерживается давление близкое к нормативному, несмотря на присосы воздуха в ЧНД около 120-130 кг/ч при нормативном значении 21 кг/ч. Успешная реализация нового эжектора подтверждена Актом внедрения от Сургутской ГРЭС-1. Разработки в части повышения эффективности и надёжности многоступенчатых пароструйных эжекторов используются ЗАО «Нестандартмаш», ООО «Энерготех-Эжектор» - подтверждено Актами внедрения (Приложение 1).
Ряд полученных результатов используются в ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» в учебных курсах «Теплообменные аппараты турбоустановок» и «Тепловые и атомные электростанции». Материалы диссертационной работы включены в учебные пособия [61-63].
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования; сборе, обработке и анализе данных о конструктивных и геометрических характеристиках оборудования; выполнении статистических и расчётных исследований; непосредственном участии в апробации результатов исследований; разработке уточнённой методики расчёта эжектора; разработке схемы измерений, планировании и выполнении экспериментальных исследований нового эжектора; обработке и интерпретации экспериментальных данных; разработке модели для объяснения эффекта повышения давления в промежуточных охладителях эжектора; подготовке публикаций по выполненной работе.
Работа выполнена на кафедре «Турбины и двигатели» Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н.Ельцина и соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ (производственные и энергосберегающие технологии), а также критическим технологиям РФ (производство электроэнергии и тепла на органическом топливе) из перечня, утвержденного президентом РФ 30.03.2002.
Исследования выполнялись на основе госбюджетных и договорных НИР, а также договоров о научном сотрудничестве с АО «Уральский турбинный завод». Часть исследований выполнена в рамках грантов РФФИ по научным проектам, выполняемые молодыми учеными под руководством кандидатов и докторов наук в научных организациях Российской Федерации.
В диссертационной работе кроме результатов, полученных лично автором, использованы данные полученные совместно с коллегами по работе: д.т.н. Аронсоном К.Э., д.т.н. Бродовым Ю.М., д.т.н. Рябчиковым A. Ю., к.т.н. Брезгиным Д.В., к.т.н. Желонкиным Н.В., инженером Купцовым B. К., сотрудником АО «УТЗ» Степановым М.Ю сотрудниками Университета Флоренции Adriano Milazzo, Andrea Roccetti, Federico Mazzelli, Jafar Mahmoudian, Francesco Giacomelli. При реализации результатов работы большую помощь также оказали сотрудники Сургутской ГРЭС-1, ООО «Энерготех-Эжектор» и ЗАО «Нестандартмаш».
Всем выше названным коллегам, а также сотрудникам кафедры «Турбины и двигатели» автор выражает глубокую признательность за внимание и участие в обсуждении результатов работы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием (г. Екатеринбург, 2014, 2015, 2016), XX и XXI школах-семинарах молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (г. Звенигород, 2015; г. Санкт-Петербург, 2017); Пятой международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (г. Казань, 2015); Международной конференции «IX Семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике» (г. Казань, 2015); Научно-практической конференции «Энергетика. Экология. Энергосбережения» к 25-летию образования 1111В11 «Турбокон» (г. Калуга 2016); Первой и Второй научно-технических конференциях молодых ученых Уральского энергетического института (г. Екатеринбург, 2016, 2017); международной конференции ICMF 2016 - 9th International conference of multiphase flow, (Италия, г. Флоренция, 2016); XV Минском международном форуме по тепло- и массообмену» (Белоруссия, г. Минск, 2016); международной конференции Wessex Energy Quest 2016 (г. Анкона, Италия, 2016); юбилейной конференции Национального комитета РАН по тепло- и массообмену «Фундаментальные и прикладные проблемы газодинамики и тепломассообмена»; международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии» (XIX Бенардосовские чтения) (г. Иваново, 2017); Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (г. Москва, 2017).
Публикации. Основные положения и выводы изложены в 33 печатных работах, в том числе в 6 статьях, опубликованных в научных журналах, включенных в перечень рецензируемых научных изданий, определенный ВАК (5 Scopus, 2 WoS), свидетельстве о регистрации программного комплекса, патенте на полезную модель, патенте на изобретение, 2 учебных пособиях для студентов. Полный список печатных трудов автора состоит из 47 работ (Приложение 2).
Основные положения, выносимые на защиту:
• Результаты статистического анализа надёжности оборудования конденсационных установок ПТУ.
• Результаты сравнительных экспериментальных исследований серийных эжекторов конденсационных установок в различных условиях эксплуатации.
• Результаты обобщения геометрических и конструктивных параметров эжекторов.
• Разработанная уточнённая методика конструкторского и поверочного расчётов многоступенчатых пароструйных эжекторов паровых турбин.
• Результаты экспериментальных исследований разработанного по уточнённой методике эжектора ЭПО-3-80 с изменяющимся осевым положением сопла, в том числе, зафиксированный газодинамический эффект существенного изменения давления в промежуточных охладителях эжектора.
• Физико-математическая модель, описывающая газодинамический эффект повышения давления в промежуточных охладителях многоступенчатых эжекторов.
Структура и объем диссертации. Квалификационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 141 наименований и приложения. Весь материал изложен на 176 страницах машинописного текста, включая приложения, содержит 50 рисунков, 12 таблиц.
✅ Заключение
2. На основе обобщения результатов промышленных испытаний 34 серийных многоступенчатых пароструйных эжекторов в различных условиях эксплуатации установлено, что рабочие характеристики эжекторов не всегда соответствуют паспортным характеристикам. Это связано как с состянием самих эжекторов, так и с конкретными условиями, в которых получаются рабочие и паспортные характеристики.
3. На основе анализа результатов испытаний (сравнения экспериментальных рабочих и расчетных характеристик), геометрических характеристик 24 типоразмеров серийных многоступенчатых эжекторов установлены ряд закономерностей и связей между геометрическими параметрами эжекторов. Установлено, что для эжекторов с малым значением основного геометрического параметра Б* первой ступени (23.31) «эффективное сечение», где скорость инжектируемого потока достигает скорости звука, расположено в средней части конфузора камеры смешения (параметр ц = 1,35.1,50). При этом степени сжатия уменьшаются от первой ступени к последней. У эжекторов с большим значением Б* первой ступени (66.71) - «эффективное сечение» расположено в цилиндрической части камеры смешения или близко к ней (параметр ц = 1,0.1,1), а степени сжатия увеличиваются от первой ступени к последней. Показано, что разные заводы изготовители турбин придерживаются различного подхода к разработке эжекторов. Для конденсационных турбин выбирается подход с большим значением основного геометрического параметра эжектора первой ступени, а для теплофикационных - с малым.
4. По результатам численного моделирования газодинамики струйного аппарата эжектора предложено определять зону перехода от первого участка скачков давлений ко второму участку как «звуковая труба», в которой скачки давления в рабочем потоке гасятся инжектируемым потоком. Длина «звуковой трубы» связана с осевым положением сопла. Предложено для уточнения методики расчета эжектора принимать постоянство диаметра струи рабочего потока от выходного сечения сопла до цилиндрической части камеры смешения, а также постоянство статических давлений рабочего и инжектируемого потока в критическом «эффективном сечении».
5. С использованием выбранной базовой методики и результатов проведённых исследований разработана уточнённая методика конструкторского и поверочного расчётов многоступенчатого пароструйного эжектора.
6. На основе уточненной методики расчета и анализа конструктивных особенностей и недостатков серийных эжекторов, рассчитан, разработан, изготовлен и установлен на ТЭС новый эжектор ЭПО- 3-80 для турбины К-200-130 ЛМЗ с высокими присосами воздуха Пвозд=120- 130 кг/ч в ЧНД. Разработана расширенная схема измерений, позволяющая определять, в том числе, газодинамическое сопротивление промежуточных охладителей. Рабочая характеристика эжектора сопоставлена с расчётной характеристикой и характеристиками других эжекторов. Показана высокая эффективность нового эжектора.
7. В результате проведённых исследований выявлен газодинамический эффект существенного изменения давления паровоздушной смеси в промежуточных охладителях эжектора. Давление паровоздушной смеси на выходе из охладителей уменьшалось по сравнению с давлением на входе в охладитель на величину ДР = 1,0-4,0 кПа или увеличивалось на величину ДР = 1,0-8,6 кПа. Предложена физико-математическая модель, описывающая эффект повышения давления, как скачок давления в формируемой на входе в теплообменник, двухфазной двухкомпонентной смеси.
8. Применение нового эжектора позволяет получить существенный технико-экономический эффект как при использовании его в составе конденсационных, так и теплофикационных турбин с повышенными присосами воздуха в вакуумную систему турбин. Максимальный экономический эффект для турбины К-200-130 составил более 5 млн. руб./год. Максимальный расчетный эффект для теплофикационной турбины, Т-250/300-240, работающей в режиме с полностью закрытой диафрагмой, составит до 630 тыс. руб. за отопительный период.
9. Перспективы дальнейшей разработки темы диссертационного исследования заключаются в следующем:
9.1. Исследование газодинамических процессов в струйных аппаратах эжекторов, направленное на совершенствование параметров функционирования эжекторов.
9.2. Уточнение методики расчёта многоступенчатых пароструйных эжекторов в части влияния газодинамических процессов в промежуточных охладителях на давление в следующих за ними ступенях.
9.3. Совершенствование конструкций многоступенчатых эжекторов применительно к различным требованиям к надёжности оборудования, типам турбоустановок, условиям эксплуатации.



