Содержание к диссертации
ВВВДЕНЙЕ 3
1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ В ТЕШЇЇЧЕСІШХ ДЕАЭРАТОРАХ, СОСТОЯНИЕ ИХ ИССЛЕДОВАНИИ И ПРОМЕЛА УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ДЕАЭРАТОРОВ В ЭНЕРГЕТИКЕ ІІ
1.1. Условия протекания процессов, преимущества и недостатки промышленных деаэраторов
1.2. Анализ возможных путей усовершенствования деаэраторов и поиск их рациональной схемы 2І
1.3. Обзор состояния исследования характеристик и процессов барботакных деаэраторов 27
1.3.1. Тепломассообмен в деаэраторах 27
1.3.2. Гидродинамика процессов в деаэраторах ЗІ
1.4. Предварительный анализ условий устойчивой работы элементов барботажной ступени 38
1.5. Выводы и задачи исследования W
2., Методика гидродинамических исследований УЗ
2.1.1. Общая характеристика стендовой установки УЗ
2.1.2. Характеристика условий и методов исследования процессов 46
2.1.3. Общая методика обработки результатов экспериментов
и анализа погрешностей 36
2.2. Результаты гидродинамичезких исследований сухих элементов 38
2.2.1. Характеристики сухих
2.2.2. Характеристики сухих
2.3. Нижняя граница гидродинамически устойчивой работы БС 78
2.4. Верхняя граница гидродинамически устойчивой работы БС. - З
2.5. Характеристики водосливного устройства, определяющие допустимый перепад давления на БС
2.6. Определяющие параметры барботаиного слоя
2.6.1. Сопротивление двухфазного слоя на БУ и в зоне ШЖ 9В
2.6.2. Давление газожидкостноы смеси в зоне водослива БС 1І7
2.6.3. Градиент давления газожидкостной смеси на БУ i
2.7. Выводы І&
ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК И ПРОЦЕССОВ ДЕАЭРАТОРОВ 135
3.1. Характеристики средств и методов исследования процессов теплоотдачи
3.2. Характеристики средств и методов исследования массо-отдачи
3.3. Результаты экспериментальных исследований теплоотдачи.
3.3.1. Характеристики нагрева воды на ВР и в
3.3.2. Теплоотдача при массовом барботане пар
3.4. Результаты экспериментальных исследований массообмена.
3.4.1. Вклад основных элементов в общий процесс массообмена 163
3.4.2. Нижний предел работоспособности опытно-промышленных деаэраторов
3.4.3. Влияние режимных факторов на характеристики процессов
3.4.4. Особенности удаления свободной углекислоты
3.4.5. Верхний предел работоспособности деаэраторов
3.5. В ы в о д ы 191
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, МЕТОДЖА РАСЧЕТА И ПРИНЦИПЫ РАЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЗіЩИИ ПРОЦЕССОВ В ДЕАЭРАТОРЕ
4.1. Принципы формирования математической модели процессов. 192
4.2. Рациональная организация теплообмена
4 4.3. Рациональная организация массообмена
4.4. Рациональная организация гидродинамики 219
4.5. Результаты использования новых принципов расчета и организация процессов на базе модернизации действующих и создания новых деаэраторов для современной энергетики • " 4.6. Общие выводы 235
Список использованной литературы 2Ь2
ПРИЖЮЭДЯ:
Принятые сокращения и условные обозначения 262
Основные геометрические характеристики элементов исследованных барботажных колонок 5
Алгоритмы, гидравлического и десорбционного рас четов деаэраторов барботалшого типа дополнительные сведения о характеристиках барботашшх деаэраторов 15
Информация о внедрении и эффективности модернизированных установок 62
Основные решения по работе, защищенные авторскими свидетельствами ІЗЗ
Введение к работе
Директивами ХХУТ съезда КПСС предусмотрено увеличение выработки электроэнергии к 1985 году до 1550-1600 млрд.кВт.ч, повышение мощности оборудования, уменьшение его габаритов, металлоемкости, стоимости, повышение надежности и экономичности.
Усовершенствование и укрупнение отдельных видов его в энергетике представляет сложную проблему, требующую специального изучения. Это непосредственно относится к термическим деаэраторам как к наиболее распространенным аппаратам, предназначенным для снижения скорости коррозии теплообменников и пароводяных трактов. Число действующих в стране деаэраторов превышает 10 тысяч. Это аппараты, в которых протекают процессы нагрева воды и конденсации пара, вскипания дренажей, выделения и эжекции коррозионно-агрессивпых газов в условиях прямого контакта фаз и сложной гидродинамики.
К моменту начала работы автора распространение получили деаэраторы со струйными, пленочными и насадочными колонками; комбинированные схемы с барботажной ступенью (БС) преимущественно в баке-аккумуляторе. Существовавший к тому времени опыт их эксплуатации, данные исследований, а также анализ проектов серийных деаэраторов показали, что они по глубине и стабильности деаэрации, ширине рабочего диапазона, производительности и надежности работы, габаритным, весовым и другим характеристикам не удовлетворяют современным требованиям. Предпринимаемые попытки улучшения их характеристик путем создания многоступенчатых аппаратов, в частности с барботажными и распиливающими устройствами в большинстве случаев не достигли положительных результатов, поскольку углублеіше деаэрации достигалось в относительно узком диапазоне нагрузок, усложнялись конструкции аппаратов, а главное,не гарантировалось устранение гидроударов в колонках и надлежащее увеличение максимальной нагрузки.
Таким образом, на заводах-изготовителях возможности традиционных способов усовершенствования и укрупнения деаэраторов оказались исчерпаны, что привело к необходимости комплектации энергоблоков 300 МВт ТЭС двумя колонками (ДЇІ-500). Число их затем возросло до 4-6 и даже 8 штук (на АЭС). В условиях энергоблоков такие аппараты работали с гидроударами в пусковые и переходные периоды, а также в режимах больших тепловых нагрузок и скользящего давления. К числу причин такого положения следует отнести отсутствие в научно-техническом арсенале данных, достаточных для перехода к более прогрессивным решениям и некоторую переоценку возможностей традиционных способов деаэрации (в струях, пленках).
В поисках путей решения проблемы под руководством и при непосредственном участии автора в УралВТИ выполнен комплекс гидродинамических и тепломассообменных исследований, позволивший определить рациональные пути усовершенствования деаэраторов, разработать и реализовать ряд проектов аппаратов нового типа, использующих принцип развитого барботажа в беспровальном слое. Нами предпринята попытка максимального использования тепломассообменных возможностей барботажных процессов во всем рабочем диапазоне, что до постановки настоящей работы считалось недостижимым из-за трудности одновременного обеспечения широкого диапазона изменения расходов воды и пара на БС, эффективной (в тепломассообменном и гидравлическом отношениях) работы барботажной ступени (КО и узкого (располагаемого) диапазона изменения сопротивления БС..
При этом взят курс на использование барботажных устройств не в качестве дополнительных, как в комбинированных схемах, а в качестве главных деаэрирующих и нагревательных ступеней. В основе работы использован новый способ термической деаэрации в расширенном диапазоне нагрузок, предложенный автором с сотрудниками, а так - 7 же конкретная схема новых струйно-барботажных колонок (УралВТИ), в которой этот способ реализуется в пароперепускном клапане (ШЖ), ограничивающем сопротивление (по пару) барботажного участка (БУ) и интенсивность барботажа.
Новизна схемы потребовала специального анализа степени изученности всех основных процессов. Отсутствие достаточно близких на начальном этапе аналогов не позволило определить параметры, характеризующие прежде всего диапазон гидродинамически устойчивой работы аппарата и его элементов, тепломассообменные их возможности. Значит, по существу отсутствовали данные, необходимые для разработки принципов проектирования аппаратов нового типа, методики их расчета и база для оптимальной организации процессов, обеспечивающих надежный массообмен при максимальної/" расширении рабочего диапазона нагрузок, уменьшении удельных показателей металлоемкости и компактности. В связи с этим были определены, как основные, следующие задачи :
а) исследование гидродинамических характеристик элементов и двухфазного слоя, определяющих пропускную способность БС по пару и воде, а также пределы устойчивой работы системы "БУ-ІШК" в специфических условиях деаэраторов (характеристик водосливного устройства, сопротивления БУ, ШЖ, градиента уровня в слое, параметров слоя на входе и выходе БУ);
б) изучение влияния основных факторов на конечную глубину газоудаления, ширину рабочего диапазона, а также возможности долевого участия элементов в процессах тепло- и массообмена;
в) определение условий рациональной организации гидродинамики, нагрева и деаэрации жидкости; разработка принципов проектирования и расчета аппаратов нового типа.
Для решения этих задач была разработана методика исследова - 8 ний, создан водо-воздушный стенд с колонкой промышленных размеров, разработаны и внедрены в производство опытные образцы деаэраторов нового типа, исследован комплекс гидродинамических и тепломассооб-менных их характеристик в стендовых и натурных условиях.
Учитывая сложности изучения влияния масштабных факторов на стенде, а также с целью максимального приближения условий исследования к реальнім и упрощения практического использования полученных результатов, основные исследования тепломассообмена выполнены на натурных объектах, созданных путем реконструкции действующих деаэраторов. С этой целью, а также с учетом трудностей варьирования конструктивных параметров на элементах действующего оборудования, необходимости охвата широкого диапазона рабочих условий исследовано 12 вариантов опытных образцов в условиях ТЭЦ, блочных ТЭС, теплосетей и промпредприятий разных министерств.
Полученные гидродинамические характеристики на стенде и натурных объектах сравнивались между собой и с результатам! других авторов, исследовавших близкие вопроси на аппаратах химических производств, отдельных ступенях подогревателей, деаэраторов, испарителей, моделей. Тепломассообменные характеристики сопоставлялись с данными в частности МЭИ, СО АН СССР, ВТИ, ЦКТИ (по тепломассообмену в струях, барботажном слое) и данными Астраханского института рыбной промышленности.
Научную новизну выполненных исследований по мнению автора составили следующие основные результаты:
I. Впервые полученные систематические экспериментальные данные по гидродинамике элементов в условиях работы барботажной ступени нового типа (барботажного участка, пароперепускного клапана и водосливного устройства), необходимые для создания методики расчета опытно-промышленных образцов.
2. Результаты стендовых и натурных исследований, уточняющие механизм формирования границ работоспособности рассматриваемой схемы и определяющие новые принципы расчёта элементов (БУ,ШЖ,ВСУ, ОМК).
3. Построенная на базе экспериментов приближённая математическая модель тепломассообмена и разработанные методики гидравлического, теплового и десорбционного расчёта барботажных деаэраторов. Достаточная надёжность методик подтверждается удовлетворительной сходимостью расчётных характеристик с опытными, а также тем, что выполненные с их помощью реконструкции деаэраторов крупных блоков (200, 500 МВт) гарантируют обеспечение номинальных показателей.
4. Впервые предложенная схема рациональной организации функций элементов и процессов тепломассообмена в деаэраторах.
Результаты исследований позволили сформулировать следующие основные научные положения диссертационной работы:
1. Закономерности предельно-допустимых режимов работы деаэраторов по нижней грающе рабочей области определяются не столько скоростным напором газа в отверстиях барботажного участка, сколько провалом недогретой воды, главным образом на входе БУ (из-за возникающих больших градиентов уровня и температуры жидкости в слое); по верхней границе - переполнением водосливного устройства из-за чрезмерного сопротивления барботажной ступени, либо малой плотности сливающейся пены, или - наступлением режима стеснённого водослива вследствие большой нагрузки БУ по пару и воде, а таже недостаточного отвода газа из водосливного устройства.
2. Основные принципы рациональной организации гидродинамики и тепломассообмена (расчёта)новых барботажных деаэраторов должны предусматривать: а) основной нагрев воды и её деаэрацию на изолированных друг от друга по пару соответственно нагревательных и деаэрирующих участках барботажного типа; б) подачу на последние оптимального для деаэрации количества пара и непрерывное байпаси-рование его избытка через барботажные нагревательные участки бес-провального типа; в) ограничение роли струйной ступени функциями конденсации избытка пара (по сравнению с допустимым расходом выпа-ра), прошедшего транзитом барботажную ступень.
Все это повышает интенсивность процессов и способствует увеличению компактности аппарата.
Указанные научные положения и результаты комплексных исследований гидродинамики и тепломассообмена отражают основной материал предлагаемой работы, направленной на усбвершенствование действующих, а также создание новых высокоэффективных деаэраторов, и выносятся на защиту.
Выполненные этапы создали основу для реконструкции действующих деаэраторов практически всех типоразмеров атмосферного и повышенного давления; позволили решить задачу дальнейшего укрупнения деаэраторов мощных энергоблоков, улучшения деаэрации, исключения гидроударов, расширения рабочего диапазона; успешно завершить модернизацию более 300 установок ТЗЦ, ГРЭС, промпредприятий и получить экономический эффект более 12 млн.руб. (за счет уменьшения скорости коррозии оборудования, ремонтных затрат, потерь тепла и конденсата с выпаром). Приоритет основных выводов, предложений, конструкций и способов организации процессов, вытекающих из работы защищен 26 авторскими свидетельствами и 20 публикациями.
Основные положения работы совместно с решениями НПО ЦКТИ в последние годы принимаются для серийного использования на заводах ПО "Сибэнергомаш" и "Красный котельщик", а также открывают принципиальную возможность перехода на качественно новый уровень выполнения деаэраторов (бесколонковых).
Похожие диссертации на Гидродинамика, тепломассообмен и рациональная организация процессов в термических деаэраторах с барботажными колонками
