Помощь студентам в учебе
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И РАБОЧЕГО РЕСУРСА ОСНОВНЫХ АГРЕГАТОВ И СИСТЕМ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ ЗА СЧЕТ БОЛЕЕ ТОЧНЫХ ОЦЕНОК РАБОЧИХ ТЕМПЕРАТУР
|
СОДЕРЖАНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СВЯЗЬ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ НАДЕЖНОСТИ ОСНОВНЫХ БЛОКОВ И СИСТЕМ ТЭС С ТОЧНОСТЬЮ ИЗМЕРЕНИЯ РАБОЧИХ ТЕМПЕРАТУР 19
1.1. Основные характеристики надежности и рабочего ресурса агрегатов,
узлов, блоков и систем ТЭС 19
1.2. Влияние рабочей температуры на показатели надежности агрегатов,
узлов и блоков ТЭС 20
1.3. Основные источники погрешностей измерения температуры
термоэлектрическими преобразователями в системах контроля, регулирования, защит и блокировок ТЭС 26
Выводы по главе 45
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В СИСТЕМЕ «КОНТАКТНЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ - НАГРЕТЫЙ МАТЕРИАЛ» В УСЛОВИЯХ
ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР И ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ 48
2.1. Схема измерения температуры металлов агрегатов ТЭС с малым
воздушным зазором между поверхностью оборудования и ТЭП 48
2.2. Математическая модель теплопроводности в термоэлектрическом
преобразователе с изолированным спаем в условиях измерения температуры металла коллекторов паровых котлов и клапанов паровых турбин ТЭС 54
2.3. Постановка задачи теплопереноса в термоэлектрическом
преобразователе с защитной гильзой при измерении температуры свежего пара на выходе паровых котлов ТЭС 57
2.4. Постановка задачи теплопроводности в условиях отвода тепла через
заполняющий гильзу материал в условиях измерения температуры питательной воды за группой подогревателей ТЭС 62
2.5. Особенности постановки задачи теплопроводности с целью анализа влияния условий контакта термоэлектрического преобразователя с контролируемыми средами (основной конденсат, дымовые газы, дренаж
греющего пара) ТЭС на характеристики процесса измерения 66
2.6. Методы решения задач диссертации 69
2.7. Алгоритм решения 70
2.8. Оценка достоверности результатов численных исследований 73
Выводы и результаты по главе 75
ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА НАДЕЖНОСТЬ И РАБОЧИЙ РЕСУРС БЛОКОВ, АГРЕГАТОВ И УЗЛОВ ТЭС 77
3.1. Влияние воздушного зазора между термоэлектрическим
преобразователем и поверхностью коллекторов пароперегревателей ТЭС на погрешности измерений температуры 77
3.2. Анализ влияния воздушного зазора между термоэлектрическим
преобразователем с изолированным спаем и подшипниками тягодутьевых машин паровых котлов ТЭС на погрешности измерений температуры 88
3.3. Исследование закономерностей влияния способа монтажа погружаемых термоэлектрических преобразователей на погрешности измерений температуры пара в цилиндрах турбины ТЭС и питательной
воды 96
3.3.1. Исследования влияния защитной гильзы на погрешность измерения температуры технологических сред ТЭС под давлением 101
3.3.2. Влияние теплофизических характеристик материалов, заполняющих защитную гильзу, на удовлетворительную длительность измерений температуры пара, питательной и сетевой воды ТЭС 111
3.3.3. Особенности влияния отвода тепла через заполняющий гильзу
материал на погрешности измерений температуры перегретого пара, питательной и сетевой воды ТЭС 116
3.3.4. Оценка влияния условий роста температуры спая термоэлектрического преобразователя на погрешность его измерений . 122
3.4. Влияния теплофизических характеристик материалов элементов термоэлектрического преобразователя на погрешность определения температуры поверхности технологических агрегатов и рабочих сред ТЭС 125
3.5. Влияния радиационного и конвективного видов теплообмена на
необходимую длительность измерения температуры термоэлектрическим преобразователем 128
3.5.1. Влияние радиационного теплообмена на погрешности измерения температуры дымовых газов в газоходах паровых котлов ТЭС 128
3.5.2 Влияние свободной конвекции на необходимую длительность
измерения температуры термоэлектрическим преобразователем 131
3.6. Экспериментальное определение температурных полей
термоэлектрическими преобразователями 132
Выводы по главе 136
ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ
РАБОТЫ НА ТЭС 139
4.1. Системы тепловых защит и блокировок ТЭС 139
4.2. Оптимизация технико-экономических показателей ТЭС 147
4.3. Рекомендации по использованию результатов диссертационной работы
на ТЭС 152
4.3. Акты об использовании результатов диссертационных исследований на
ТЭС 155
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 162
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ 165
ЛИТЕРАТУРА 166
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СВЯЗЬ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ НАДЕЖНОСТИ ОСНОВНЫХ БЛОКОВ И СИСТЕМ ТЭС С ТОЧНОСТЬЮ ИЗМЕРЕНИЯ РАБОЧИХ ТЕМПЕРАТУР 19
1.1. Основные характеристики надежности и рабочего ресурса агрегатов,
узлов, блоков и систем ТЭС 19
1.2. Влияние рабочей температуры на показатели надежности агрегатов,
узлов и блоков ТЭС 20
1.3. Основные источники погрешностей измерения температуры
термоэлектрическими преобразователями в системах контроля, регулирования, защит и блокировок ТЭС 26
Выводы по главе 45
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В СИСТЕМЕ «КОНТАКТНЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ - НАГРЕТЫЙ МАТЕРИАЛ» В УСЛОВИЯХ
ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР И ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ 48
2.1. Схема измерения температуры металлов агрегатов ТЭС с малым
воздушным зазором между поверхностью оборудования и ТЭП 48
2.2. Математическая модель теплопроводности в термоэлектрическом
преобразователе с изолированным спаем в условиях измерения температуры металла коллекторов паровых котлов и клапанов паровых турбин ТЭС 54
2.3. Постановка задачи теплопереноса в термоэлектрическом
преобразователе с защитной гильзой при измерении температуры свежего пара на выходе паровых котлов ТЭС 57
2.4. Постановка задачи теплопроводности в условиях отвода тепла через
заполняющий гильзу материал в условиях измерения температуры питательной воды за группой подогревателей ТЭС 62
2.5. Особенности постановки задачи теплопроводности с целью анализа влияния условий контакта термоэлектрического преобразователя с контролируемыми средами (основной конденсат, дымовые газы, дренаж
греющего пара) ТЭС на характеристики процесса измерения 66
2.6. Методы решения задач диссертации 69
2.7. Алгоритм решения 70
2.8. Оценка достоверности результатов численных исследований 73
Выводы и результаты по главе 75
ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА НАДЕЖНОСТЬ И РАБОЧИЙ РЕСУРС БЛОКОВ, АГРЕГАТОВ И УЗЛОВ ТЭС 77
3.1. Влияние воздушного зазора между термоэлектрическим
преобразователем и поверхностью коллекторов пароперегревателей ТЭС на погрешности измерений температуры 77
3.2. Анализ влияния воздушного зазора между термоэлектрическим
преобразователем с изолированным спаем и подшипниками тягодутьевых машин паровых котлов ТЭС на погрешности измерений температуры 88
3.3. Исследование закономерностей влияния способа монтажа погружаемых термоэлектрических преобразователей на погрешности измерений температуры пара в цилиндрах турбины ТЭС и питательной
воды 96
3.3.1. Исследования влияния защитной гильзы на погрешность измерения температуры технологических сред ТЭС под давлением 101
3.3.2. Влияние теплофизических характеристик материалов, заполняющих защитную гильзу, на удовлетворительную длительность измерений температуры пара, питательной и сетевой воды ТЭС 111
3.3.3. Особенности влияния отвода тепла через заполняющий гильзу
материал на погрешности измерений температуры перегретого пара, питательной и сетевой воды ТЭС 116
3.3.4. Оценка влияния условий роста температуры спая термоэлектрического преобразователя на погрешность его измерений . 122
3.4. Влияния теплофизических характеристик материалов элементов термоэлектрического преобразователя на погрешность определения температуры поверхности технологических агрегатов и рабочих сред ТЭС 125
3.5. Влияния радиационного и конвективного видов теплообмена на
необходимую длительность измерения температуры термоэлектрическим преобразователем 128
3.5.1. Влияние радиационного теплообмена на погрешности измерения температуры дымовых газов в газоходах паровых котлов ТЭС 128
3.5.2 Влияние свободной конвекции на необходимую длительность
измерения температуры термоэлектрическим преобразователем 131
3.6. Экспериментальное определение температурных полей
термоэлектрическими преобразователями 132
Выводы по главе 136
ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ
РАБОТЫ НА ТЭС 139
4.1. Системы тепловых защит и блокировок ТЭС 139
4.2. Оптимизация технико-экономических показателей ТЭС 147
4.3. Рекомендации по использованию результатов диссертационной работы
на ТЭС 152
4.3. Акты об использовании результатов диссертационных исследований на
ТЭС 155
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 162
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ 165
ЛИТЕРАТУРА 166
Несмотря на развитие атомной энергетики и альтернативных источников энергии, тепловые электрические станции (ТЭС) составляют основу электрогенерации. На ТЭС приходится практически 70 % всей
вырабатываемой энергии [1]. В настоящее время вопросы надежности и продления рабочего ресурса узлов, блоков и агрегатов тепловых электрических станций являются особенно актуальными, что обусловлено рядом причин. Многочисленные опросы и статистические исследования показали [1], что собственники генерирующих компаний практически не намерены инвестировать средства в реконструкцию и техническое перевооружение электростанций и придерживаются стратегии получения краткосрочной прибыли за счет роста цен на электроэнергию. Такой подход привел к тому, что вследствие значительного снижения инвестиций в обновление оборудования, выработка ресурса более половины основных агрегатов и узлов ТЭС сегодня составляет 30 лет и больше [1].
Специфика энергетического производства заключается в невозможности накопления готовой продукции: в любой произвольный момент времени объем производства должен соответствовать объему потребления. Поэтому обеспечение надежности работы ТЭС является важнейшим аспектом устойчивого энергоснабжения потребителей [2].
Проблема надежности и безопасности работы оборудования ТЭС носит системный характер и требует комплексного подхода к вопросам повышения надежности и продления рабочего ресурса блоков и агрегатов электростанций. В этом направлении важны [2]: оптимальные
конструктивные решения, качество монтажа, организация эксплуатации, характеризующаяся, в первую очередь, режимами и параметрами устойчивой (надежной) работы оборудования.
Температура является одним из основных параметров, характеризующих интенсивность физических процессов в блоках, агрегатах и узлах тепловых электрических станций [3-9]. При этом для большинства узлов, блоков и агрегатов ТЭС, как правило, измерения температуры играют определяющую роль [2-9] при контроле всех технологических процессов, анализе технико-экономических показателей производства тепла и электроэнергии на тепловых электрических станциях, прогнозировании надежности работы оборудования в реальных условиях эксплуатации.
В большинстве случаев температура (наряду с давлением) является важнейшим показателем безопасности технологических процессов и защиты оборудования ТЭС. Все основные энергетические узлы и агрегаты электрических станций оснащаются системами защиты от превышения температуры за допустимые пределы [10]. Важной задачей при этом является постоянный контроль текущих значений указанного параметра с высокой достоверностью. Это связано с тем, что эксплуатация основных блоков, узлов и агрегатов ТЭС связана с их работой в условиях высоких температур, что негативно сказывается на состоянии металла оборудования, приводит к постепенному разрушению его элементов и отказам агрегатов и блоков в целом [2, 11].
Температурные измерения в энергетике составляют до 50 % от общего объема измерений [12-15]. В соответствии с «Методическими указаниями по объему технологических измерений, сигнализации, автоматического регулирования на тепловых электростанциях» [10] на ТЭС регламентированы от 80 до 150 точек измерения температуры в узлах, блоках и агрегатах:
- в автоматизированной системе контроля и управления (АСКУ)
паровой турбиной до 56 точек (или 48,3 % от общего числа
измеряемых параметров);
- в АСКУ паровым котлом до 20 точек (или 39 %) от общего числа измеряемых параметров;
- в АСКУ общеблочной части ТЭС до 12 точек (или 30 %);
- в АСКУ электрической части ТЭС до 13 точек (или 16,9 %);
- в АСКУ топливного хозяйства ТЭС до 15 точек (в зависимости от вида используемого топлива) [10].
Особое значение имеют измерения температуры не только в составе систем контроля, но и автоматического (дистанционного) управления технологическими процессами (АСУ ТП). В частности, на тепловых электрических станциях регуляторы температуры технологических сред составляют до 35 % общего числа регулирующих устройств. Измерение температуры также проводится в системах защит и блокировок [2, 16-18]. Но высокая инерционность систем регулирования температуры приводит к тому, что системы, установки, блоки и агрегаты ТЭС могут работать в условиях повышенных температур в течение времени реакции автоматических систем регулирования. Это приводит к снижению надежности и рабочего ресурса агрегатов, систем и тепловых электрических станций в целом [2, 19].
Широкий круг задач измерения температуры обуславливает большое число разработанных к настоящему времени методов измерений [12, 20-27]. Измерения температуры на ТЭС выполняются, как правило, с помощью датчиков, принцип действия которых основан [12, 20-27] на: свойствах веществ изменять свой объем при росте или снижении температуры; термоэлектрическом эффекте; свойствах металлов изменять электрическое сопротивление при изменении температуры; измерении температуры теплового излучения нагретых тел и др. Большинство датчиков, используемых на тепловых электрических станциях, являются не только показывающими приборами, но и преобразователями, передающими сигналы на разные расстояния. Среди них широкое распространение получили термоэлектрические преобразователи (ТЭП) и преобразователи сопротивления (ТПС) [12, 20-22]. Их использование обусловлено
надежностью, простотой конструкции и обслуживания, а также относительно низкими погрешностями измерений. Среди перспективных направлений термометрии в энергетике можно выделить применение инфракрасных и волоконно-оптических контактных датчиков. Однако в настоящее время волоконно-оптические технологии не имеют существенного преимущества перед электронными, и в ближайшее время, скорее всего, не смогут полностью заменить используемые в теплоэнергетике ТЭП и ТПС [27-30].
Выбор датчиков при проектировании систем контроля и управления на ТЭС обуславливается влиянием многих факторов, в числе которых требования к максимальным допустимым погрешностям измерений, тепловой инерционности датчика, диапазону измеряемых температур, необходимости дистанционной передачи данных и другим параметрам [2022]. Наиболее применяемыми датчиками в системах контроля и управления технологическими процессами на ТЭС являются термоэлектрические преобразователи с номинальными статическими характеристиками (НСХ) типа K (ХА), L (ХК), E (ХКн) [20, 23-25]. Эти типы датчиков охватывают требуемый диапазон измеряемых температур (300-1400 К) в основных блоках, агрегатах и узлах ТЭС. Для измерений повышенной точности, как правило, выбирают платинородий-платиновые ТЭП типов S' и R (ИИ) [20, 2325]. Учет инерционности первичного преобразователя при проектировании систем управления выполняется путем использования при расчете параметров настройки регуляторов передаточных функций средств измерения [26], которые, как правило, не учитывают реальных условий эксплуатации датчиков температуры установок и агрегатов тепловых электрических станций.
Для измерения температур нагреваемых сред (воздуха, питательной воды, основного конденсата, насыщенного и перегретого пара) и поверхностей технологического оборудования (металла поверхностей нагрева, коллекторов, трубопроводов, барабанов котельных установок) [10] используются, соответственно, погружаемые и поверхностные датчики. Достоверность измерений температуры на ТЭС, как отмечалось выше, является не только условием обеспечения эффективности технологического процесса и рационального расходования топлива и воды [14, 16, 18], но и основой обеспечения надежности и безопасности процессов производства тепла и электроэнергии на тепловых электростанциях.
Одной из основных причин погрешностей при измерениях температур термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) на ТЭС является неидеальный контакт спая термопары с материалом или средой (поверхность агрегатов, блоков, узлов, жидкость, газ, пар, двухфазные смеси), в которых измеряется температура [27-30]. «Плохой» контакт может быть следствием влияния многих факторов. Наиболее вероятные [27-30]: несоответствие размеров спая термопары и углубления, в котором она размещается; необходимость ввода в пространство между спаем и материалом специальных паст, герметиков, клеев с целью заполнения зазора; термические напряжения и деформации материалов, возникновение трещин в зоне контакта; усталостные напряжения и деформации, приводящие к аналогичным выше перечисленным последствиям; необходимость использования защитных покрытий или гильз для предотвращения образования оксидных пленок на поверхности спая .
Попытки исследования влияния выше перечисленных факторов предпринимались ранее [27-30]. Но нет пока оснований утверждать, что задачи анализа влияния неидеальности контакта спая термопары с материалом на погрешности измерений температуры в условиях, соответствующих работе основных узлов, блоков и агрегатов ТЭС, решены в полной мере.
Целью работы является разработка нового подхода к повышению надежности, безопасности и рабочего ресурса систем, установок и агрегатов ТЭС за счет увеличения точности измерения температур и снижения инерционности реакции систем управления и тепловых защит.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Анализ возможных диапазонов изменения рабочих температур, характерных для систем и агрегатов, связанных единым технологическим
циклом производства тепла и электроэнергии на тепловых
электростанциях.
2. Разработка нового подхода к оценке основных погрешностей измерений температуры в блоках, агрегатах и узлах ТЭС с использованием группы моделей теплопереноса и методов численного моделирования.
3. Создание физических и математических моделей процессов теплопереноса в системах «чувствительный элемент ТЭП - объект измерения» и «чувствительный элемент ТЭП - защитная гильза».
4. Численное исследование влияния группы факторов (теплофизические характеристики материалов основных элементов ТЭП, условия теплового контакта с внешней средой, размещение термоэлектрических преобразователей в защитной гильзе, заполнение последней материалами с разными характеристиками, геометрическое соотношение зазоров между ТЭП и гильзой) на погрешности измерения температуры на ТЭС.
5. Установление влияния отклонения рабочих температур вследствие погрешностей и высокой инерционности работы термоэлектрических преобразователей в процессе эксплуатации оборудования на надежность и безопасность работы систем, блоков и агрегатов ТЭС.
6. Разработка рекомендаций, направленных на повышение точности измерения температуры термоэлектрическими преобразователями в основных узлах, агрегатах и блоках ТЭС с целью обеспечения условий надежного, безопасного и эффективного функционирования последних .
Научная новизна работы. Разработан новый подход к повышению надежности работы и паркового ресурса систем, блоков и агрегатов ТЭС посредством оптимизации работы систем регулирования за счет учета реальных условий их эксплуатации на тепловых электрических станциях. Поставлена и решена группа задач теплопереноса в системах с типичными термоэлектрическими преобразователями, соответствующими условиям эксплуатации основных узлов, агрегатов и блоков ТЭС. Учтены особенности конструкций ТЭП, отличия теплофизических свойств материалов основных элементов термопар, неидеальные условия контакта спая со средой или поверхностью, температура которой измеряется. Разработанные модели являются универсальными с точки зрения возможности использования для оценки погрешностей определения температур в различных узлах, блоках и агрегатах ТЭС с применением ТЭП. Они не имеют аналогов по постановке задач, алгоритмам решения и полученным результатам численного моделирования.
Практическая значимость. Разработанные модели нестационарного теплопереноса и алгоритмы оценки погрешностей измерений температуры ТЭП в основных блоках, узлах, агрегатах и технологических средах ТЭС могут использоваться для повышения скорости реакции систем регулирования температуры, работающих на тепловых электрических станциях. Это позволит снизить продолжительность работы установок, систем и агрегатов ТЭС в условиях нерегламентированных (особенно, наиболее опасных - предельных или максимальных) температур, увеличить длительность их безаварийной работы и повысить рабочий ресурс. Кроме того, полученные результаты могут применяться для анализа влияния негативных факторов и их совокупности на погрешность измерения температуры и последующей коррекции условий измерения (длительности работы ТЭП, тип номинальной статической характеристики (НСХ), условия монтажа датчика и др.). Сформулированные в диссертации рекомендации позволяют обосновать причины и минимизировать погрешности измерения температуры в узлах, агрегатах и блоках тепловых электрических станций (поверхностях турбоагрегата, металла труб коллекторов пароперегревателей парогенераторов, водяного пара, дымовых газов, воды, конденсата, смазки, топлива и т.д.).
Степень достоверности результатов численных исследований. Оценка достоверности полученных результатов исследований выполнена при проверке консервативности используемых разностных схем. В лабораторных условиях также проведены экспериментальные оценки. Сопоставлены
вырабатываемой энергии [1]. В настоящее время вопросы надежности и продления рабочего ресурса узлов, блоков и агрегатов тепловых электрических станций являются особенно актуальными, что обусловлено рядом причин. Многочисленные опросы и статистические исследования показали [1], что собственники генерирующих компаний практически не намерены инвестировать средства в реконструкцию и техническое перевооружение электростанций и придерживаются стратегии получения краткосрочной прибыли за счет роста цен на электроэнергию. Такой подход привел к тому, что вследствие значительного снижения инвестиций в обновление оборудования, выработка ресурса более половины основных агрегатов и узлов ТЭС сегодня составляет 30 лет и больше [1].
Специфика энергетического производства заключается в невозможности накопления готовой продукции: в любой произвольный момент времени объем производства должен соответствовать объему потребления. Поэтому обеспечение надежности работы ТЭС является важнейшим аспектом устойчивого энергоснабжения потребителей [2].
Проблема надежности и безопасности работы оборудования ТЭС носит системный характер и требует комплексного подхода к вопросам повышения надежности и продления рабочего ресурса блоков и агрегатов электростанций. В этом направлении важны [2]: оптимальные
конструктивные решения, качество монтажа, организация эксплуатации, характеризующаяся, в первую очередь, режимами и параметрами устойчивой (надежной) работы оборудования.
Температура является одним из основных параметров, характеризующих интенсивность физических процессов в блоках, агрегатах и узлах тепловых электрических станций [3-9]. При этом для большинства узлов, блоков и агрегатов ТЭС, как правило, измерения температуры играют определяющую роль [2-9] при контроле всех технологических процессов, анализе технико-экономических показателей производства тепла и электроэнергии на тепловых электрических станциях, прогнозировании надежности работы оборудования в реальных условиях эксплуатации.
В большинстве случаев температура (наряду с давлением) является важнейшим показателем безопасности технологических процессов и защиты оборудования ТЭС. Все основные энергетические узлы и агрегаты электрических станций оснащаются системами защиты от превышения температуры за допустимые пределы [10]. Важной задачей при этом является постоянный контроль текущих значений указанного параметра с высокой достоверностью. Это связано с тем, что эксплуатация основных блоков, узлов и агрегатов ТЭС связана с их работой в условиях высоких температур, что негативно сказывается на состоянии металла оборудования, приводит к постепенному разрушению его элементов и отказам агрегатов и блоков в целом [2, 11].
Температурные измерения в энергетике составляют до 50 % от общего объема измерений [12-15]. В соответствии с «Методическими указаниями по объему технологических измерений, сигнализации, автоматического регулирования на тепловых электростанциях» [10] на ТЭС регламентированы от 80 до 150 точек измерения температуры в узлах, блоках и агрегатах:
- в автоматизированной системе контроля и управления (АСКУ)
паровой турбиной до 56 точек (или 48,3 % от общего числа
измеряемых параметров);
- в АСКУ паровым котлом до 20 точек (или 39 %) от общего числа измеряемых параметров;
- в АСКУ общеблочной части ТЭС до 12 точек (или 30 %);
- в АСКУ электрической части ТЭС до 13 точек (или 16,9 %);
- в АСКУ топливного хозяйства ТЭС до 15 точек (в зависимости от вида используемого топлива) [10].
Особое значение имеют измерения температуры не только в составе систем контроля, но и автоматического (дистанционного) управления технологическими процессами (АСУ ТП). В частности, на тепловых электрических станциях регуляторы температуры технологических сред составляют до 35 % общего числа регулирующих устройств. Измерение температуры также проводится в системах защит и блокировок [2, 16-18]. Но высокая инерционность систем регулирования температуры приводит к тому, что системы, установки, блоки и агрегаты ТЭС могут работать в условиях повышенных температур в течение времени реакции автоматических систем регулирования. Это приводит к снижению надежности и рабочего ресурса агрегатов, систем и тепловых электрических станций в целом [2, 19].
Широкий круг задач измерения температуры обуславливает большое число разработанных к настоящему времени методов измерений [12, 20-27]. Измерения температуры на ТЭС выполняются, как правило, с помощью датчиков, принцип действия которых основан [12, 20-27] на: свойствах веществ изменять свой объем при росте или снижении температуры; термоэлектрическом эффекте; свойствах металлов изменять электрическое сопротивление при изменении температуры; измерении температуры теплового излучения нагретых тел и др. Большинство датчиков, используемых на тепловых электрических станциях, являются не только показывающими приборами, но и преобразователями, передающими сигналы на разные расстояния. Среди них широкое распространение получили термоэлектрические преобразователи (ТЭП) и преобразователи сопротивления (ТПС) [12, 20-22]. Их использование обусловлено
надежностью, простотой конструкции и обслуживания, а также относительно низкими погрешностями измерений. Среди перспективных направлений термометрии в энергетике можно выделить применение инфракрасных и волоконно-оптических контактных датчиков. Однако в настоящее время волоконно-оптические технологии не имеют существенного преимущества перед электронными, и в ближайшее время, скорее всего, не смогут полностью заменить используемые в теплоэнергетике ТЭП и ТПС [27-30].
Выбор датчиков при проектировании систем контроля и управления на ТЭС обуславливается влиянием многих факторов, в числе которых требования к максимальным допустимым погрешностям измерений, тепловой инерционности датчика, диапазону измеряемых температур, необходимости дистанционной передачи данных и другим параметрам [2022]. Наиболее применяемыми датчиками в системах контроля и управления технологическими процессами на ТЭС являются термоэлектрические преобразователи с номинальными статическими характеристиками (НСХ) типа K (ХА), L (ХК), E (ХКн) [20, 23-25]. Эти типы датчиков охватывают требуемый диапазон измеряемых температур (300-1400 К) в основных блоках, агрегатах и узлах ТЭС. Для измерений повышенной точности, как правило, выбирают платинородий-платиновые ТЭП типов S' и R (ИИ) [20, 2325]. Учет инерционности первичного преобразователя при проектировании систем управления выполняется путем использования при расчете параметров настройки регуляторов передаточных функций средств измерения [26], которые, как правило, не учитывают реальных условий эксплуатации датчиков температуры установок и агрегатов тепловых электрических станций.
Для измерения температур нагреваемых сред (воздуха, питательной воды, основного конденсата, насыщенного и перегретого пара) и поверхностей технологического оборудования (металла поверхностей нагрева, коллекторов, трубопроводов, барабанов котельных установок) [10] используются, соответственно, погружаемые и поверхностные датчики. Достоверность измерений температуры на ТЭС, как отмечалось выше, является не только условием обеспечения эффективности технологического процесса и рационального расходования топлива и воды [14, 16, 18], но и основой обеспечения надежности и безопасности процессов производства тепла и электроэнергии на тепловых электростанциях.
Одной из основных причин погрешностей при измерениях температур термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) на ТЭС является неидеальный контакт спая термопары с материалом или средой (поверхность агрегатов, блоков, узлов, жидкость, газ, пар, двухфазные смеси), в которых измеряется температура [27-30]. «Плохой» контакт может быть следствием влияния многих факторов. Наиболее вероятные [27-30]: несоответствие размеров спая термопары и углубления, в котором она размещается; необходимость ввода в пространство между спаем и материалом специальных паст, герметиков, клеев с целью заполнения зазора; термические напряжения и деформации материалов, возникновение трещин в зоне контакта; усталостные напряжения и деформации, приводящие к аналогичным выше перечисленным последствиям; необходимость использования защитных покрытий или гильз для предотвращения образования оксидных пленок на поверхности спая .
Попытки исследования влияния выше перечисленных факторов предпринимались ранее [27-30]. Но нет пока оснований утверждать, что задачи анализа влияния неидеальности контакта спая термопары с материалом на погрешности измерений температуры в условиях, соответствующих работе основных узлов, блоков и агрегатов ТЭС, решены в полной мере.
Целью работы является разработка нового подхода к повышению надежности, безопасности и рабочего ресурса систем, установок и агрегатов ТЭС за счет увеличения точности измерения температур и снижения инерционности реакции систем управления и тепловых защит.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Анализ возможных диапазонов изменения рабочих температур, характерных для систем и агрегатов, связанных единым технологическим
циклом производства тепла и электроэнергии на тепловых
электростанциях.
2. Разработка нового подхода к оценке основных погрешностей измерений температуры в блоках, агрегатах и узлах ТЭС с использованием группы моделей теплопереноса и методов численного моделирования.
3. Создание физических и математических моделей процессов теплопереноса в системах «чувствительный элемент ТЭП - объект измерения» и «чувствительный элемент ТЭП - защитная гильза».
4. Численное исследование влияния группы факторов (теплофизические характеристики материалов основных элементов ТЭП, условия теплового контакта с внешней средой, размещение термоэлектрических преобразователей в защитной гильзе, заполнение последней материалами с разными характеристиками, геометрическое соотношение зазоров между ТЭП и гильзой) на погрешности измерения температуры на ТЭС.
5. Установление влияния отклонения рабочих температур вследствие погрешностей и высокой инерционности работы термоэлектрических преобразователей в процессе эксплуатации оборудования на надежность и безопасность работы систем, блоков и агрегатов ТЭС.
6. Разработка рекомендаций, направленных на повышение точности измерения температуры термоэлектрическими преобразователями в основных узлах, агрегатах и блоках ТЭС с целью обеспечения условий надежного, безопасного и эффективного функционирования последних .
Научная новизна работы. Разработан новый подход к повышению надежности работы и паркового ресурса систем, блоков и агрегатов ТЭС посредством оптимизации работы систем регулирования за счет учета реальных условий их эксплуатации на тепловых электрических станциях. Поставлена и решена группа задач теплопереноса в системах с типичными термоэлектрическими преобразователями, соответствующими условиям эксплуатации основных узлов, агрегатов и блоков ТЭС. Учтены особенности конструкций ТЭП, отличия теплофизических свойств материалов основных элементов термопар, неидеальные условия контакта спая со средой или поверхностью, температура которой измеряется. Разработанные модели являются универсальными с точки зрения возможности использования для оценки погрешностей определения температур в различных узлах, блоках и агрегатах ТЭС с применением ТЭП. Они не имеют аналогов по постановке задач, алгоритмам решения и полученным результатам численного моделирования.
Практическая значимость. Разработанные модели нестационарного теплопереноса и алгоритмы оценки погрешностей измерений температуры ТЭП в основных блоках, узлах, агрегатах и технологических средах ТЭС могут использоваться для повышения скорости реакции систем регулирования температуры, работающих на тепловых электрических станциях. Это позволит снизить продолжительность работы установок, систем и агрегатов ТЭС в условиях нерегламентированных (особенно, наиболее опасных - предельных или максимальных) температур, увеличить длительность их безаварийной работы и повысить рабочий ресурс. Кроме того, полученные результаты могут применяться для анализа влияния негативных факторов и их совокупности на погрешность измерения температуры и последующей коррекции условий измерения (длительности работы ТЭП, тип номинальной статической характеристики (НСХ), условия монтажа датчика и др.). Сформулированные в диссертации рекомендации позволяют обосновать причины и минимизировать погрешности измерения температуры в узлах, агрегатах и блоках тепловых электрических станций (поверхностях турбоагрегата, металла труб коллекторов пароперегревателей парогенераторов, водяного пара, дымовых газов, воды, конденсата, смазки, топлива и т.д.).
Степень достоверности результатов численных исследований. Оценка достоверности полученных результатов исследований выполнена при проверке консервативности используемых разностных схем. В лабораторных условиях также проведены экспериментальные оценки. Сопоставлены
Основные результаты и выводы диссертационной работы:
1. Разработан новый подход к решению проблемы повышения надежности и рабочего ресурса узлов, установок и агрегатов ТЭС за счет повышения точности измерения температуры контактными датчиками.
2. Разработаны физические и математические модели теплопереноса в чувствительном элементе ТЭП с учетом конструкции датчика, позволяющие моделировать условия теплового контакта на ТЭС между поверхностью датчика и объектом измерения (поверхности турбоагрегата, коллекторов пароперегревателей парогенераторов, других агрегатов и блоков ТЭС).
3. Установлено влияние отклонения эксплуатационных температур рабочих сред в основных узлах и агрегатах ТЭС на показатели надежности и безопасности их работы. Показано, что относительное увеличение интенсивности отказов оборудования ТЭС при наработке до 1000 часов в условиях повышенных (нерегламентных) температур составляет, например:
- для пароперегревателей ТЭС: до 0,49 % при температуре свежего пара, превышающей номинальную AT=10 К; до 0,37 % при AT=7,5 К; до 0,25 % при AT=5 К; до 0,12 % при AT=2,5 К.
- для тягодутьевого оборудования ТЭС: до 0,58 % при AT=20 К; до 0,44 % при AT=15 К; до 0,3 % при AT=10 К; до 0,16 % при AT=5 К.
При статистическом анализе обоснована масштабность отклонений показателей надежности основных блоков ТЭС даже в пределах 1 %. Для случаев длительной эксплуатации (более 200 часов в год) оборудования ТЭС в условиях повышенных температур увеличение интенсивности отказов может достигать 1-3 %. Эти изменения представляют для
энергоблоков ТЭС чрезвычайно опасные индикаторы, осложняющиеся старением металла.
4. Увеличение воздушного зазора между чувствительным элементом ТЭП и поверхностью объекта измерения более чем на 3 мм вызывает рост необходимой длительности работы ТЭП в 7-8 раз (на 40-70 % превышает время безаварийной работы узлов, блоков и агрегатов ТЭС при соответствующих температурах и является причиной несрабатывания или несвоевременного срабатывания соответствующих тепловых защит).
5. Необоснованно короткое (уменьшение даже на несколько секунд) время
выполнения измерения температуры в условиях воздушного зазора может привести к большим (до 15-25 %) погрешностям (превышают
допустимые в системах тепловых защит и блокировок ТЭС - 3-5 %).
6. Использование защитных гильз приводит к увеличению необходимой длительности измерений в 8-10 раз (в отдельных случаях и выше). Необходимое время определяется свойствами материалов, заполняющих гильзу, и геометрическими размерами системы «гильза - ТЭП». Применение сыпучих материалов для заполнения защитных гильз может привести к снижению необходимой длительности выполнения измерения более чем в 3 раза (при такой оперативной информации система блокировок и тепловых защит с опережением получает информацию и может в следящем режиме предотвращать дальнейший рост/падение температуры).
7. Уровень заполнения гильз «буферным» материалом оказывает существенное влияние на необходимую длительность измерения. Излишнее заполнение (превышение рекомендованного уровня, например, на 12 мм) может привести к увеличению необходимой длительности измерений на 6-8 % (для паровых турбин эти отклонения не приемлемы при контроле температуры перегретого пара - парковый ресурс соответствующих блоков снижается на 9-12 %).
8. Сформулированы рекомендации для повышения надежности и рабочего ресурса узлов, установок и агрегатов ТЭС за счет повышения точности измерения температуры контактными датчиками в условиях неполного контакта с контролируемым объектом, при использовании защитных гильз и разных заполняющих последние материалов.
1. Разработан новый подход к решению проблемы повышения надежности и рабочего ресурса узлов, установок и агрегатов ТЭС за счет повышения точности измерения температуры контактными датчиками.
2. Разработаны физические и математические модели теплопереноса в чувствительном элементе ТЭП с учетом конструкции датчика, позволяющие моделировать условия теплового контакта на ТЭС между поверхностью датчика и объектом измерения (поверхности турбоагрегата, коллекторов пароперегревателей парогенераторов, других агрегатов и блоков ТЭС).
3. Установлено влияние отклонения эксплуатационных температур рабочих сред в основных узлах и агрегатах ТЭС на показатели надежности и безопасности их работы. Показано, что относительное увеличение интенсивности отказов оборудования ТЭС при наработке до 1000 часов в условиях повышенных (нерегламентных) температур составляет, например:
- для пароперегревателей ТЭС: до 0,49 % при температуре свежего пара, превышающей номинальную AT=10 К; до 0,37 % при AT=7,5 К; до 0,25 % при AT=5 К; до 0,12 % при AT=2,5 К.
- для тягодутьевого оборудования ТЭС: до 0,58 % при AT=20 К; до 0,44 % при AT=15 К; до 0,3 % при AT=10 К; до 0,16 % при AT=5 К.
При статистическом анализе обоснована масштабность отклонений показателей надежности основных блоков ТЭС даже в пределах 1 %. Для случаев длительной эксплуатации (более 200 часов в год) оборудования ТЭС в условиях повышенных температур увеличение интенсивности отказов может достигать 1-3 %. Эти изменения представляют для
энергоблоков ТЭС чрезвычайно опасные индикаторы, осложняющиеся старением металла.
4. Увеличение воздушного зазора между чувствительным элементом ТЭП и поверхностью объекта измерения более чем на 3 мм вызывает рост необходимой длительности работы ТЭП в 7-8 раз (на 40-70 % превышает время безаварийной работы узлов, блоков и агрегатов ТЭС при соответствующих температурах и является причиной несрабатывания или несвоевременного срабатывания соответствующих тепловых защит).
5. Необоснованно короткое (уменьшение даже на несколько секунд) время
выполнения измерения температуры в условиях воздушного зазора может привести к большим (до 15-25 %) погрешностям (превышают
допустимые в системах тепловых защит и блокировок ТЭС - 3-5 %).
6. Использование защитных гильз приводит к увеличению необходимой длительности измерений в 8-10 раз (в отдельных случаях и выше). Необходимое время определяется свойствами материалов, заполняющих гильзу, и геометрическими размерами системы «гильза - ТЭП». Применение сыпучих материалов для заполнения защитных гильз может привести к снижению необходимой длительности выполнения измерения более чем в 3 раза (при такой оперативной информации система блокировок и тепловых защит с опережением получает информацию и может в следящем режиме предотвращать дальнейший рост/падение температуры).
7. Уровень заполнения гильз «буферным» материалом оказывает существенное влияние на необходимую длительность измерения. Излишнее заполнение (превышение рекомендованного уровня, например, на 12 мм) может привести к увеличению необходимой длительности измерений на 6-8 % (для паровых турбин эти отклонения не приемлемы при контроле температуры перегретого пара - парковый ресурс соответствующих блоков снижается на 9-12 %).
8. Сформулированы рекомендации для повышения надежности и рабочего ресурса узлов, установок и агрегатов ТЭС за счет повышения точности измерения температуры контактными датчиками в условиях неполного контакта с контролируемым объектом, при использовании защитных гильз и разных заполняющих последние материалов.