Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ исследований абразивного износатрубопроводов установок пневмотранспортамелкодисперсных сыпучих материалов 9
1.1. Краткая характеристика абразивного износа трубопроводов 9
1.2. Обзор и анализ зависимостей для расчета абразивного износа трубопроводов установок пневмотранспорта мелкодисперсных сыпучих материалов 15
1.3. Абразивный износ конвективных поверхностей нагрева котла - 24
2. Оценка влияния основных независимых факторовна абразивный износ трубопроводов установокпневмотранспорта мелкодисперсных сыпучихматериалов 36
3. Разработка и анализ зависимости для расчетаудельного абразивного износа трубопроводов припневмотранспорте мелкодисперсных сыпучихматериалов - 52
3.1. Аналитические исследования сходимости экспериментальных данных с результатами расчетов удельного абразивного износа по су- -ществующим зависимостям 52
3.2. Разработка плана факторного эксперимента по исследованию механизма абразивного износа трубопроводов 59
3.3. Разработка зависимости для расчета удельного абразивного износа 61
3.3.2. Исследование влияния содержания коемния на Si, 66
3.3.3. Исследование влияния крупности, формы и массы частиц на 5h 70
3.3.5. Оценка погрешности зависимости для расчета удельного линейногоабразивного износа трубопроводов - 76
4. Рекомендации по снижению абразивного износатрубопроводов при пневмотранспортемелкодисперсных сыпучих материалов 85
4.1. Режимные мероприятия - 85
4.1.1. Проворот прямолинейных горизонтальных и наклонных трубопроводов вокруг их оси 85
4.1.2. Транспортирование пылевоздушного потока с оптимальными параметрами 86
4.2. Конструктивные мероприятия - 88
4.2.1. Оптимизация формы фасонных участков трубопроводов 88
4.2.2. Выполнение участков аэродинамической стабилизации потоков навходе и выходе из поворотов - 97
4.2.3. Применение антиабразивных вставок в колена поворотов трубопроводов - 98
4.2.4. Применение камнелитых изделий -98
4.2.5. Использование труб с алюмотермическим покрытием 99
Заключение - 102
Список" использованных источников 104
- Обзор и анализ зависимостей для расчета абразивного износа трубопроводов установок пневмотранспорта мелкодисперсных сыпучих материалов
- Абразивный износ конвективных поверхностей нагрева котла
- Разработка плана факторного эксперимента по исследованию механизма абразивного износа трубопроводов
- Оптимизация формы фасонных участков трубопроводов
Введение к работе
Утилизация отходов энергетического производства - одна из основных проблем современных ТЭС. Особенно остро эта проблема стоит перед твердотопливными электростанциями, сжигающими уголь, торф и сланцы, так как наряду с оксидами азота и серы, как и у газовых ТЭС, на них ежегодно образуется около 25 млн. т золошлаков [4]. В отчетах РАО «ЕЭС России» за 2001 и 2002 гг. отсутствуют сведения об объемах образования и полезного использования золошлаков ТЭС электроэнергетики. По оценочным данным [4] относительный объем полезного использования золошлаков ТЭС РАО «ЕЭС России» 2001 г. составлял 18,2, а в 2002 г. - 19,1 % годового выхода, и с каждым годом этот показатель растет. Следует отметить, что в целом по странам Европейского сообщества без новых членов уровень полезного использования золошлаков составляет около 90 % от объемов их образования [5].
В целом по отрасли около 85 % золошлаков транспортируется в виде пульпы низкой концентрации для размещения на гидрозолоотвалах, которые являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды при производстве энергии. Основными недостатками систем гидрозолоудаления являются: большие удельные расходы воды на перекачку золовои пульпы; отрицательное воздействие на воздушный бассейн (пыление золоотвалов), водный бассейн (загрязнение подземных и поверхностных вод оборотными и фильтрационными водами золоотвалов), изменение химико-минералогического состава почв, аварии золоотвалов; изъятие из рационального землепользования площадей под золоотвалы; ухудшение потребительских свойств золы; зарастание золопроводов при транспортировании высококальциевых зол [6].
Для успешного решения проблемы утилизации золошлаков и нанесения минимального экологического ущерба окружающей среде необходимо применять системы пневматического транспортирования золы и угольной пыли ТЭС [7]. На ТЭС существуют различные схемы пневмозолоудаления: напорная, вакуумная, вакуумно-напорная и схема самотечной отгрузки золы в транспорт потребителя из-под бункеров электрофильтров. На ТЭС преимущественно применяют напорные системы пневмозолоудаления, имеющие дальность транспортирования до 1000 м. Основным недостатком систем пневмозолоудаления является повышенный абразивный износ горизонтальных и, особенно, фасонных участков пнев-мотранспортных трубопроводов.
Надежность и экономичность систем ЗШУ в значительной мере зависит от абразивного износа основного оборудования: насосов, трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры. Вопрос абразивного износа трубопроводов систем ЗШУ и пылеприготовления до настоящего времени являлся недостаточно проработанным, вследствие чего по заданию РАО "ЕЭС России" на кафедре КУиЭЭ МЭИ разработан отраслевой нормативный документ "Методические указания по расчету и рекомендации по снижению абразивного износа пневмотранспортных трубопроводов систем пылеприготовления и золошлакоудаления ТЭС" [1].
Целью настоящей работы является исследование абразивного износа трубопроводов при пневмотранспорте мелкодисперсных сыпучих материалов с учетом влияния основных независимых факторов с целью разработки зависимости для расчета величины абразивного износа трубопроводов пневмотранспортных установок систем ЗШУ и пылеприготовления ТЭС. Разработка оптимальной формы колен поворотов трубопроводов.
В первой главе выполнен обзор и анализ научно-технических источников по вопросу абразивного износа трубопроводов пневмотранспорта угольной пыли, золы ТЭС, а также других мелкодисперсных сыпучих материалов.
Во второй главе произведена оценка влияния основных независимых факторов на абразивный износ трубопроводов установок пневмотранспорта мелкодисперсных сыпучих материалов.
В третьей главе приведены теоретические предпосылки для расчета удельного абразивного износа пневмотранспортных трубопроводов систем ЗШУ и пылеприготовления ТЭС. На основании проведенного анализа экспериментальных данных разработана зависимость для расчета показателей абразивного износа.
В четвертой главе рассмотрены режимные и конструктивные мероприятия по снижению абразивного износа фасонных участков трубопроводов систем ЗШУ и пылеприготовления ТЭС.
Основные результаты исследования механизма абразивного износа различных мелкодисперсных сыпучих материалов были использованы:
• при разработке руководящего документа РАО «ЕЭС России» «Методические указания по расчету и рекомендации по снижению абразивного износа пнев-мотранспортных трубопроводов систем пылеприготовления и золошлакоуда-ления ТЭС» РД 153-34.1-27.512-2001, Москва;
• слушателями центра подготовки и переподготовки специалистов ЦППЭЭ МЭИ при расчете системы золошлакоудаления Каширской ГРЭС-4.
Обзор и анализ зависимостей для расчета абразивного износа трубопроводов установок пневмотранспорта мелкодисперсных сыпучих материалов
Биттер [11] указывает на наличие двух видов износа трубопроводов: износ, вызванный многократной деформацией кристаллической решетки поверхностного слоя металла трубопроводов, за счет бомбардирования частицами материала; износ за счет истирания свободно движущимися частицами.
Деформационный износ он определяет в единицах объема, мм3: _0,5M(Uusma-K)2 где К - константа, которую определяют, исходя из механических свойств материала трубопровода, и которая равна скорости частиц при возникновении абразивного износа, м/с. е- энергия, необходимая для удаления единичного объема материала, Дж/м3. Эта величина описывает упруго-пластичное поведение материала, прямо пропорциональна квадрату предела упругости и обратно пропорциональна модулю Юнга, слабо зависит от температуры. М- масса транспортируемого материала, т. Величина К определяется из выражения: 2-5/1 / \.5 к=шу чирм) где у - предел упругости, г/см2; рм — плотность изнашиваемого тела, г-сек /см ; q - коэффициент Пуассона; Я-модуль Юнга г/см2; индекс «1» относится к сфере, «2» - к плоскому телу.
Данное уравнение справедливо, если UM-sina К. При условии UMsina К соударения носят чисто упругий характер, деформационного износа нет. Также вполне закономерно, что максимум данного вида износа наблюдается при угле атаки о=90. Для данного режущего износа Биттер предлагает 2 формулы, мм3: 4й » _2MC(Uusma-K)2 sin or „ eg/,, sing-/Q2 U ucosa p (4) _ 0,5M[UJ COS2 a - K(UM sin a - Kf5 j Qoi 2 \- ) P С-Щ (6) У \У
В формулы входят две константы: С и р. С определяется твердостью эродируемого материала, а р учитывает упруго-пластичное поведение материала — коэффициент режущего износа. Скорость частицы имеет две составляющие: гори зонтальную UM\ и вертикальную UMy. Режущий износ возникает при UMy К, т.е. выражение UM-sina К является фаницей применимости.
Если а ао, то применима формула (4), если а an, то применима формула (5), где а0 - угол столкновения, при котором горизонтальная составляющая скорости на выходе из материала после столкновения равна 0.
Зависимости эрозии от угла столкновения для мягкого, пластичного и твердого, хрупкого материалов приведены на рис. 4, где Qoz- суммарный износ, мм3.
Как только значение UM ina достигает значения К, начинается процесс истирания. Твердое вещество имеет более высокие значения величины К, поэтому угол столкновения, при котором начинается износ, для них больше. Вследствие большей хрупкости, величина є для такого вещества ниже. В результате кривая деформационного износа идет более круто. Режущий износ также начинается, когда UMsina=K.
Для мягких материалов значение а0 меньше, поэтому процесс режущего износа до угла столкновения равного 15 описывается уравнением (4). В этой облас-ти величина С, которая обратно пропорциональна величине jy сравнительно высока.
При углах столкновения выше 15 степень режущего износа ограничена кинетической энергией частицы, поэтому необходимо применить уравнение (5).
На основе анализа уравнений эрозионного износа Биттер [11] пришел к выводу, что в системах, где углы столкновения малы, преобладает режущий износ и, следовательно, согласно зависимости (4) достаточно использовать твердый материал. В случае системы пневмозолоудаления это относится к прямолинейным горизонтальным и вертикальным участкам, на определенном расстоянии от изгибов, мест перехода диаметров, мест повышенной турбулизации потока. Степень хрупкости материала почти не влияет на режущий износ. Эрозию изгибов транспортных трубопроводов можно снизить, применяя большие радиусы кривизны так, чтобы величина UMsinane превышала величины К.
При больших углах столкновения преобладает деформационный износ, защита от которого не так проста. При малых скоростях можно использовать твердые материалы, для которых величина К не намного выше, чем 1 м/с.
При повышенных температурах Биттер предлагает использовать материалы с низкой температурой рекристаллизации, т.к. величина износа увеличивается вследствие деформации кристаллической решетки при отжиге материала. Однако, при небольших углах столкновения в этих материалах очень велик режущий износ.
Для случая твердых абразивных частиц с острыми краями и а an Финни [14] вывел формулу (7): _ MUJ cos2 а бу/у где у/- отношение длины образовавшейся царапины к ее глубине; у - постоянное горизонтальное давление, действующее между частицей и телом. Если а а0, то . _ 6 . 2 sin2or sin or к _ MU2.и Уоі 2 кц/у где к- отношение вертикальной и горизонтальной составляющей сил. у/и лгзависят от угла атаки, у/уменьшается с увеличением or, т.к. уменьшается отношение горизонтальной составляющей и вертикальной. По этой же причине величина л:увеличивается с ростом угла столкновения.
Абразивный износ конвективных поверхностей нагрева котла
В соответствии с [22] сущность абразивного износа поверхностей нагрева котла состоит в том, что крупные частицы золы и частицы несгоревшего топлива, обладающие достаточной твердостью и остротой граней, при ударах о стенку трубы непрерывно срезают с поверхности микроскопически малые слои оксида металла, постепенно уменьшая толщину стенки трубы (рис.8). Рис.8. Места и характер абразивного износа труб: а - места абразивного износа трубы поперечным набегающим потоком газов; б -упрощенная схема срезания частицами золы металла с поверхности трубы; 1 - место износа металла трубы.
Абразивный износ более сильно проявляется в зоне температур газов ниже 600С, когда частицы теряют поверхностную пластичность и становятся твердыми, т.е. в верхней части конвективной шахты. Интенсивность износа неравномерна как по сечению газохода, так и по периметру трубы. При входе в конвективную шахту из горизонтального газохода газы имеют разворот на 90, в результате чего наиболее грубые фракции золы отбрасываются к задней стенке шахты и имеют там повышенную концентрацию.
При поперечном обтекании трубы наибольшему износу подвергаются боковые ее стенки под углом 30 4- 50, где обтекающий трубу поток проходит по касательной к поверхности (рис.8). Коридорные пучки подвергаются существенно меньшему износу, так как по ходу газов трубы находятся в аэродинамической тени первой трубы, на которую к тому же поток газов набегает с более низкой скоростью, чем скорость газов в межтрубном пространстве пучка.
Интенсивность износа определяется: 1. кинетической энергией частиц золы; 2. количеством частиц, проходящих у поверхности в единицу времени, которое зависит от концентрации частиц в потоке газов и является возрастающей функцией от скорости газов; 3. неравномерностью концентраций золы в потоке и скоростей газов по сечению; 4. плотностью расположения труб в поперечноомываемом пучке; 5. большинство исследователей считает, что интенсивность износа зависит от скорости газов в третьей степени.
Кузнецов и Кащеев [23, 24] при проектировании котельных агрегатов рассчитывают абразивный износ поверхностей нагрева, также используя энергетическую модель. Они считают, что сущность абразивного износа заключается в том, что частицы золы, ударяясь о стенки труб, сбивают с поверхности микроскопические частицы металла. Поскольку на преодоление ими сцепления между молекулами металла необходимо затратить энергию, величина которой пропорциональна весу разрушенного металла, золовой износ должен определяться потоком энергии, приносимым частицами золы на стенку.
Согласно [23] кинетическая энергия, которую несет с собой зола, определяется по формуле: 2 Массу золы, отнесенную к единице времени и единице площади поперечно го сечения потока, кг/(м -с), можно определить по формуле: где: к - концентрация золы в объеме газа, кг/м3.
Тогда удельный поток кинетической энергии золы, Дж/(м2-с): Следовательно, интенсивность золового износа должна быть пропорциональна концентрации золы в объеме газа и кубу скорости.
Золовой износ за время / на основе этих соображений можно записать выражением: С,Ш„3/, г/м2. С/ — коэффициент, зависящий от абразивных свойств золы и геометрических характеристик пучка труб.
Однако, опыты показали, что С\ не является постоянной величиной, а зависит от скорости, в результате чего интенсивность износа оказывается пропорциональна скорости в степени более высокой, чем третья.
Помимо этого, формула не учитывает свойства абразивной среды. Было предложено принять C\-Cri, где Т] - коэффициент, учитывающий вероятность удара частицы о поверхность и зависит от безразмерного критерия К. Величина экспериментального коэффициента С составляет 9,37-10" с /(м -ч). Таким образом, qMf.=C-ij-kUM t, г/м .
Тогда, приведя последнее выражение к единицам массового износа, т, получим: _C?.fcUjt.Fh Р.и Критерий К определяется по формуле: Динамическая вязкость вычисляется по формуле: M = PH-V где кинематическая вязкость и берется по данным нормативного метода теплового расчета котельных агрегатов. Зависимость вероятности rj от критерия К представлена на рис. 9. Зависимость вероятности ударов частиц о поверхность трубы TJ от критерия К.
Пользуясь кривой, можно для любых условий (при заданном удельном весе золы, скорости потока, диаметре труб, вязкости газа) определить вероятность //, для каждой фракции, вычислить предварительно по формуле фракционные значения К/ по среднему размеру частиц золы данной фракции dt. После этого, зная фракционный состав золы, можно вычислить среднее для всего состава золы значение вероятности г]. Если фракционный состав золы задан полными остатками на ситах /?,, %, то расчетная формула для определения средней вероятности имеет вид: 7 100
Если попытаться применить данные формулы для другой геометрии процесса износа, например, для пневмотранспортирования золы по трубопроводам, то можно заметить, что часть зависимостей, входящих в них, носит универсальный характер, поправки будут вноситься в коэффициенты, определяющие геометрию процесса, такие как С и К. Форма зависимости г] от К будет также иметь дру гой вид.
Разработка плана факторного эксперимента по исследованию механизма абразивного износа трубопроводов
В результате проведенных расчетов установлено следующее: учет поправки на скорость воздуха при пневмотранспорте сыпучего материала ки позволил существенно снизить погрешность расчета величины абразивного износа трубопроводов и среднеквадратичное отклонение погрешности расчета. Однако, качество зависимости (18) является неудовлетворительным, поэтому необходимо проведение дополнительных исследований по оценке параметров абразивного износа; выражение (19) и данные из табл.11 для определения коэффициента относительной износостойкости материала трубопровода к1Ш имеют узкий диапазон применения; авторами из [25] не приводятся сведения о примененной методике определения коэффициента полидисперсности частиц транспортируемого материала kd\ эксплуатационные и экспериментальные данные по износу трубопроводов пневмотранспортных установок золы и угольной пыли ТЭС и результаты расчета абразивного износа пневмотранспортных трубопроводов по выражениям (16) и (18) имеют недопустимо высокую погрешность для практического использования.
Для разработки зависимости для расчета величины абразивного износа пы-лепроводов, имеющей удовлетворительную сходимость с результатами экспериментальных данных, в настоящей работе разработан и реализован план факторного эксперимента исследований.
В табл. 10 представлено 7 основных независимых факторов, оказывающих существенное влияние на абразивный износ трубопроводов пневмотранспортных установок. Для разработки зависимости для определения абразивного износа трубопроводов необходимо оценить влияние всего ряда факторов, приведенных в табл.10. Влияние 5 из них: скорости транспортирующего материала, массовой концентрации, диаметра частиц материала, внутреннего диаметра и угла атаки достаточно подробно рассмотрено во 2 главе диссертации. Следовательно, необходимо оценить вклад оставшихся 2 факторов: прочностных свойств материалов трубопроводов и абразивности транспортируемых материалов.
Одной из основных прочностных характеристик материала трубопроводов является твердость по Виккерсу HV, которая существенно влияет на коэффициент относительной износостойкости ктн [46]. В табл. 11 приведены величины кгП11 для медных и стальных трубопроводов. Однако пользоваться данными величинами не представляется возможным по следующим причинам: коэффициент относительной износостойкости согласно [25] представлен для весьма ограниченного типа материалов трубопроводов и поэтому имеет узкий диапазон применения; проверка величин kuv„ представленных в табл. 11, не представляется возможной из-за отсутствия полного набора исходных данных для расчета абразивного износа пневмотранспортных трубопроводов. Следовательно, для расширения диапазона применения кшн необходимо проведение дополнительных исследований.
В литературе отсутствует формула для расчета коэффициента относительной абразивности км. Имеются лишь экспериментальные данные по кл, для некоторых мелкодисперсных сыпучих материалов. Поэтому необходимо разработать формулу для расчета км. В диссертации рассмотрены природные (песок, угольная пыль) и техногенные (цемент, зола) мелкодисперсные сыпучие материалы, отличающиеся по своему химико-минералогическому составу. Однако основным компонентом, вызывающим абразивный износ трубопроводов, является Si02. Содержание других твердых соединений, приводящих к истиранию стенки трубы, пренебрежимо мало. Наибольшими абразивными свойствами обладает кварцевый песок. Коэффициент относительной абразивности песка примем равным 1.
В научно-технических источниках по вопросам оценки абразивного износа трубопроводов, как правило, присутствует скорость пылевоздушных потоков U. Однако, в связи с тем, что на стенку трубы воздействуют частицы транспортируемого материала, то и абразивный износ трубопроводов пневмотранспортных установок определяется скоростью движения частиц транспортируемого материа ла UM. Следовательно, необходимо разработать и исследовать зависимости определения UM через U, т.к. рассчитать строго математически скорость движения частиц полидисперсного материала в пылевоздушном потоке не представляется возможным.
Итак, с учетом изложенного выше исследуем влияние кизн. Для расширения диапазона применения кизи были проведены исследования относительной износостойкости трубопроводов, выполненных из различных наиболее часто применяемых в энергетике материалов [47].
В результате исследований [1] было разработано выражение (23) для определения кизн: кіа,Г" = 6,42xlO-5xtfF2 - 0,0157хЯГ+ 1,97 (23)
При проведении дальнейших исследований с учетом дополнительных экспериментальных данных была предложена уточненная зависимость для определения коэффициента относительной износостойкости металла труб, представленная на рис.24, которую можно аппроксимировать выражением (24): кизн = 5,0х1(Г5хЯ К2 - 0,0088хЯК+ 1,32 (24)
По результатам расчета абразивного износа трубопроводов предлагается использовать лучшую из зависимостей - (23) или (24) для проведения дальнейших исследований взамен выражения (19).
Оптимизация формы фасонных участков трубопроводов
Обычно горизонтальные и наклонные участки трубопроводов, подверженные интенсивному абразивному износу, проворачивают вокруг их оси 3 раза, что позволяет продлить срок их эксплуатации в четыре раза по сравнению с расчетным. На вертикально расположенных участках трубопроводов абразивный износ происходит равномерно по всей поверхности. Таким образом, осуществляя про ворот горизонтальных трубопроводов вокруг их оси в процессе эксплуатации, можно увеличить объем транспортируемого материала не менее, чем в 4 раза до возникновения необходимости их замены. В соответствии с [1] обычно угол про-ворота рпров составляет 90, однако, может быть достаточным проворот трубопровода на 72 или меньше. Для определения достаточного угла проворота необходимо определить толщину стенки в наиболее изнашиваемом месте (как правило, это на конце участка трубопровода одного диаметра при ступенчатом его выполнении) и определить градусную меру дуги зоны максимального износа (Зтн, которая и будет численно равна углу проворота. В общем виде число проворотов ппроа определяется по выражению из [1]: ппров=360/ризн-1 и округляется до целого числа в меньшую сторону. Тогда угол проворота pnp0B определяется по выражению:
Рпров=360/(ппров+1) Например, на шахтах фирм "Шайрбрук" и "Фрайстон" (Великобритания) в результате такой операции был увеличен объем транспортируемого материала с 400 тыс. т. до 1,6 млн. т.
Если при выполнении трубопровода не были учтены оптимальные скорости и массовые концентрации пылевоздушных потоков, то абразивный износ отдельных его участков может быть существенным. Для исправления создавшегося положения необходимо рассчитать оптимальные параметры всего трубопровода в соответствии с [ 1, 42] и установить трубы расчетного диаметра на наиболее изнашиваемых его участках.
С целью снижения величины абразивного износа трубопроводов эффективным является оптимизация параметров работы пневмотранспортных установок согласно [42], т.к. по результатам обследования действующих систем ЗШУ было установлено, что: скорость воздуха в пылевоздушных потоках в подавляющем большинстве слу чаев превышает оптимальную в 1,5-=-3,0 раза и находится в диапазоне 30-ь50 м/с; трубопроводы сложной конфигурации и большой протяженности выполнены, как правило, по аналогии с водопроводными или воздушными трубопроводами без учета специфики пылевоздушных потоков; величины массовой концентрации пылевоздушных потоков редко поддерживаются оптимальными и составляют, как правило, единицы, а не десятки кг материала на кг воздуха; отсутствуют или не соблюдаются режимные карты эксплуатации пневмотранспортных установок.
В соответствии с [53] для обеспечения оптимальных параметров работы пневмотранспортных установок необходимо выполнение следующих основных условий: проектирование новых и модернизация действующих пневмотранспортных установок должно осуществляться в соответствии с [42], а оценка их технико-экономических показателей - в соответствии с [54]; при составлении инструкций по эксплуатации должны быть разработаны режимные карты эксплуатации пневмотранспортных установок, которые должны быть проверены и уточнены при выполнении пуско-наладочных работ и испытаний; наладка пневмотранспортных установок должна выполняться специалистами в области пневмотранспорта мелкодисперсных сыпучих материалов (золы, угольной пыли и др.); эксплуатация пневмотранспортных установок должна осуществляться в точном соответствии с режимными картами; эксплуатация пневмотранспортных установок может осуществляться только специально обученным персоналом. В случае выполнения трубопроводов без учета оптимальных параметров пылевоздушных потоков величина абразивного износа может существенно отличаться на отдельных его участках. Для исправления создавшегося положения необходимо выполнить расчет оптимальных параметров всего трубопровода и уста новить трубы расчетного диаметра на наиболее изнашиваемом участке трубопровода.
