Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние исследований тепломассообмена в барботажных устройствах технологических систем ТЭС 12
1.1. Место и роль термических деаэраторов в технологии подготовки воды на тепловых электрических станциях 13
1.2 Роль и место барботажных устройств в тепломассообменных системах ТЭС 16
1.3. Модели и методы расчета тепломассообменных процессов в системах подогрева воды и деаэрации ТЭС 23
1.3.1. Дифференциальный подход к расчету тепломассообменных аппаратов 25
1.3.2. Интегральный подход к расчету
тепломассообменных аппаратов 27
1.3.3. Ячеечный подход к расчету тепломассообменных аппаратов 35
1.3.4. Метод матричной формализации расчета сложных многоступенчатых систем 37
1.3.5. Методы стохастического программирования и моделирование совмещенных процессов 39
1.3.6. Моделирование и расчет теплообменных систем
на основе построения их энергетических характеристик 42
1.4. Показатели эффективности работы тепломассообменных энергетических систем 45
1.5. Анализ методов решения гидродинамических задач и их реализация в вычислительных комплексах 46
1.6. Постановка задач исследования 50
2. Постановка и решение задач тепломассообмена в барботажной ступени атмосферного деаэратора 51
2.1. Задача формирования межфазной поверхности для пузырьков газа
в слое жидкости с учетом теплообмена 51
2.2. Задача формирования межфазной поверхности с учетом теплообмена и массообмена при конденсации пара в пузырьках 55
2.3. Ячеечная модель тепломассообмена с учетом десорбции кислорода в барботажном слое 58
2.4. Задача оптимального управления формированием межфазной поверхности 65
2.5. Ячеечная модель тепломассообмена в барботажной ступени с учетом циркуляции воды в поперечном сечении деаэраторного бака 67
2.6. Метод использования результатов решения
гидродинамической задачи в ячеечной модели 75
2.7. Выводы по главе 81
3. Экспериментальные исследования деаэрации воды в барботажной ступени 82
3.1. Описание деаэрационной установки, программа проведения и метрологическое обеспечение теплохимических испытаний 82
3.1.1. Характеристика объекта экспериментальных исследований 83
3.1.2. Отбор проб теплоносителей и метрологическое обеспечение 87
3.1.3. Методика проведения экспериментальных исследований
3.2. Обработка экспериментальных данных 96
3.3. Идентификация ячеечной модели по результатам экспериментальных исследований и разработка её эмпирического обеспечения 103
3.4. Выводы по главе 107
4. Практическая реализация результатов работы 108
4.1. Компьютерный модуль расчета барботажной ступени атмосферного деаэратора с затопленным в баке перфорированным коллектором 108
4.2. Компьютерный инженерный метод расчета атмосферного деаэратора с заданной конфигурацией потоков 111
4.3. Реализация результатов работы при реконструкции деаэрационной установки питательной воды участка вторичных энергоресурсов коксохимического производства ОАО «Северсталь» 113
4.3.1. Общие сведения об объекте, цель реконструкции 113
4.3.2. Техническое состояние установки до реконструкции 115
4.3.3. Предложенный вариант реконструкции 117
4.3.4. Вариантные расчеты по деаэратору после реконструкции 122
4.4. Использование разработанного программного модуля при установлении требуемых режимов работы деаэраторов в рамках их режимно-наладочных испытаний 134
4.5. Выводы по главе 135
Основные выводы и результаты 137
Список литературы 139
- Дифференциальный подход к расчету тепломассообменных аппаратов
- Задача формирования межфазной поверхности с учетом теплообмена и массообмена при конденсации пара в пузырьках
- Характеристика объекта экспериментальных исследований
- Техническое состояние установки до реконструкции
Введение к работе
Актуальность работы. Барботажные устройства имеют ряд преимуществ и особенностей эксплуатации в технологических условиях. К преимуществам этих устройств относятся возможность формирования и регулирования в широком диапазоне межфазной поверхности, которая во многом определяет кинетику процессов переноса энергии и массы. Ограничения, связанные с эксплуатацией барботажных устройств, обусловлены их неустойчивой работой при частичных нагрузках и возможностью появления гидравлических ударов при определенных сочетаниях режимных параметров. В энергетике барботажные устройства часто используются в термических деаэраторах, в частности, атмосферного давления. При этом существует большое число вариантов конструктивного исполнения и размещения барботажных устройств: в виде перфорированного коллектора, провального или непровального листа, центробежной ступени или конфузора, которые размещаются в деаэрационной колонке или в де-аэраторном баке. На практике распространение получили барботажные устройства в виде затопленного в деаэраторном баке парового коллектора, хорошо зарекомендовавшие себя по характеристикам надежности и эффективности.
Одной из причин, ограничивающих распространение затопленных барботажных устройств деаэраторных баков, является их потребность в более высокопотенциальном паре по сравнению с основным паром деаэратора. Барботажный пар должен иметь давление, большее, чем давление основного пара, минимум на величину, равную сумме давления столба жидкости над барботажным устройством и минимального подпора давления перед его отверстиями. Общая потребность деаэратора в паре (основном и барботажном) определяется тепловым балансом установки, поэтому увеличение доли барботажного пара приводит к уменьшению доли основного пара, а использование пара большего давления, в свою очередь, приводит в условиях ТЭС к ухудшению показателей тепловой экономичности комбинированного производства тепловой и электрической энергии. Таким образом, необходимо определить такие условия работы рассматриваемого барботажного устройства, при которых заданные показатели качества деаэрированной воды обеспечиваются при минимальном расходе высокопотенциального барботажного пара и, следовательно, при минимальном ухудшении показателей тепловой экономичности ТЭС.
Исследованиям затопленных барботажных устройств деаэраторов посвящены работы ряда авторов, однако к настоящему времени остаются невыясненными подходы к разработке таких конструкций, которые бы позволяли эффективно формировать межфазную поверхность, обеспечивая требуемые показатели качества деаэрированной воды при минимальном расходе барботажного пара. Решение этой задачи экспериментальным путем сопряжено с материальными затратами, а также сложностями измерения параметров теплоносителей в условиях реальной гидродинамической обстановки в деаэраторе. В связи с этим актуальной является разработка математических моделей, позволяющих формулировать и решать задачу оптимального распределения подачи пара по рабочему объему барботажной ступени.
Традиционно задачи тепло- и массопереноса при барботаже решаются раздельно, хотя очевидна их связь: площадь межфазной поверхности, определяемая размерами и количеством пузырьков в слое барботируемой жидкости, зависит от интенсивности теплообмена, а ее величина, в свою очередь, существенно влияет на интенсивность массообмена и теплообмена. При расчете процессов теплообмена и массообмена межфазная поверхность и коэффициенты тепломассопереноса обычно не разделяются в ходе расчета и рассматривается в виде единого комплекса. Такой подход положен в основу существующих методов расчета, базирующихся на теории подобия. Преимуществом такого комплексного подхода является получение готовых расчетных зависимостей для барботажной ступени или барботажного аппарата в целом. К недостаткам подхода можно отнести применимость полученных результатов только для исследованных конструкций барботажных устройств. Независимое или раздельное определение межфазной поверхности и коэффициентов переноса для барботажной ступени открывает новые возможности управления совмещенными процессами тепло- и массо-
переноса. Особенный интерес представляет такое описание при сопоставлении вариантов конструкций для модернизации существующих или разработке новых барботажных устройств деаэраторов.
Таким образом, исследования, направленные на разработку математического описания формирования межфазной поверхности в барботажных устройствах деаэраторов, совмещенных процессов тепло- и массопереноса, выбор на основе численных экспериментов режимных и конструктивных параметров аппарата, являются актуальными для энергетики и смежных отраслей промышленности.
Целью работы является повышение эффективности атмосферных деаэрационных установок с барботажными устройствами путем перераспределения подачи барботажного пара на основе разработанных математических моделей и их программной реализации.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Разработка математической модели процессов тепломассопередачи в барботажных сту
пенях атмосферных деаэраторов с учетом влияния эволюции межфазной поверхности и цир
куляции воды в деаэраторном баке.
2. Проведение экспериментальных исследований десорбции растворенного кислорода в
барботажной ступени деаэраторного бака с коллектором для подачи пара погружного типа.
-
Разработка алгоритма решения задачи теплообмена и массообмена в барботажных ступенях атмосферных деаэраторов и программного комплекса для его компьютерной реализации, обеспечивающих расчет показателей работы барботажных ступеней при изменении значений конструктивных и режимных параметров.
-
Проведение идентификации разработанной математической модели на основе полученных экспериментальных данных и разработка на ее основе инженерного метода расчета атмосферного деаэратора с погружным коллектором для подачи барботажного пара.
-
Практическая реализация результатов работы путем совершенствования конструкций и режимов работы деаэраторов в условиях промышленной эксплуатации.
Соответствие паспорту специальности. Работа соответствует паспорту специальности: в части формулы специальности: «проблемы совершенствования действующих и обоснования новых ... систем ... водоподготовки; ... вопросы ... водных режимов»; в части области исследования специальности - пункту 2: «Исследование ... процессов, протекающих в агрегатах ...»; пункту 3: «... исследование, совершенствование действующих ... технологий ... использования ... водных и химических режимов...»; пункту 4: «Разработка конструкций теплового и вспомогательного оборудования и компьютерных технологий их проектирования ...»; пункту 6: «Разработка вопросов эксплуатации систем и оборудования тепловых электростанций».
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Разработана ячеечная математическая модель процессов тепломассообмена в барботажной ступени деаэраторного бака атмосферных деаэраторов, позволяющая учитывать влияние на процесс деаэрации площади межфазной поверхности и циркуляции теплоносителей, характеристики которой определены в ходе решения гидродинамической задачи с использованием прикладного программного пакета.
-
На базе разработанной модели сформулирована и решена задача оптимального распределения подачи барботажного пара по высоте ступени и размерам паровых пузырьков, обеспечивающего минимальный расход барботажного пара при заданном качестве деаэрированной воды по содержанию растворенного кислорода.
-
Получены новые экспериментальные данные, раздельно характеризующие эффективность работы различных деаэрационных устройств атмосферного деаэратора, на основании которых выполнена идентификация ячеечной модели деаэрации в барботажной ступени деаэраторного бака с погружным коллектором.
Практическая ценность результатов заключается в следующем:
-
Разработан метод расчета барботажной ступени с погружным коллектором, в основу которого положены полученные расчетная зависимость для определения удельной площади межфазной поверхности от режимных параметров и эмпирическая зависимость для определения коэффициента массопередачи в барботируемом слое по растворенному кислороду. Разработанный метод расчета может быть использован при выполнении проектных и режим-но-наладочных работ применительно к атмосферным деаэрационным установкам.
-
Разработан программный комплекс, защищенный свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ (№ 2013615107), по расчету многопоточных атмосферных деаэраторов с барботажным устройством, реализующий разработанный алгоритм решения задачи тепломассообмена в многофазной среде.
-
Разработанная математическая модель, метод расчета и его компьютерная поддержка позволили сформулировать и решить задачу по оптимальному перераспределению пара в барботажной ступени деаэрации, что обеспечило повышение эффективности атмосферных деаэрапионных установок с барботажными устройствами в условиях промышленной эксплуатации.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается использованием апробированных методов математического моделирования; совпадением результатов расчета показателей работы оборудования и экспериментальных данных; сопоставлением полученных результатов с опубликованными результатами исследований других авторов; проведением экспериментальных исследований в условиях промышленной эксплуатации с использованием стандартизованных методов и средств измерения параметров.
Автор защищает:
ячеечную математическую модель процесса тепломассообмена в барботажной ступени деаэратора, учитывающую влияние на процесс деаэрации эволюции межфазной поверхности и циркуляции потоков жидкости в деаэраторном баке;
метод использования результатов решения гидродинамической задачи, полученного с использованием прикладного программного пакета, в ячеечной модели барботажной ступени деаэрации;
алгоритм решения задачи тепломассообмена в барботажных ступенях деаэраторов и средства его компьютерной поддержки;
метод расчета барботажной ступени атмосферных деаэраторов, разработанный на основе полученных зависимостей для определения удельной площади межфазной поверхности и коэффициента массопередачи по растворенному кислороду;
результаты практического использования разработанного программного комплекса при выборе вариантов конструктивного исполнения и режимной наладке атмосферных деаэраторов с барботажными устройствами.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при выборе вариантов реконструкции деаэрационной установки питательной воды машинного зала участка вторичных энергоресурсов коксохимического производства ОАО «Северсталь» (г. Череповец), программный комплекс по расчету деаэраторов с барботажной ступенью передан ОАО «Теп-ломонтажналадка» (г. Кострома), где используется при проектировании деаэрапионных установок, а также для предварительного определения технологических параметров режима работы деаэраторов в ходе их пуско-наладочных или режимно-наладочных испытаний. Реализация результатов работы подтверждена двумя актами внедрения.
Личное участие автора в получении результатов работы состоит в разработке математического описания эволюции межфазной поверхности в барботажной ступени с учетом конденсации пара при теплообмене, развитии полученной модели путем учета циркуляции воды в баке, разработке методики использования результатов решения гидродинамической задачи в ячеечной модели расчета собственно деаэрации в барботажной ступени, в проведении экспериментальных исследований теплопередачи в барботажной ступени атмосферного деаэра-
тора, разработке алгоритма идентификации модели по результатам экспериментальных исследований, проведении численных экспериментов, получении результатов по оптимальной организации процесса в барботажной ступени, разработке рекомендаций по повышению технологической эффективности работы деаэрапионной установки при её реконструкции.
Апробация работы. Основные результаты опубликованы и обсуждались на пяти конференциях, в том числе, четырех международных: V Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования» (г. Иваново, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» XVIII Бенардосовские чтения (г. Иваново, 2013 г.); Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-26» (г. Нижний Новгород, 2013 г.); VIII Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия» (г. Иваново, 2013 г.); Международной научно-технической конференции «Энерго- и ресурсосбережение в теплоэнергетике и социальной сфере» (г. Челябинск, 2013 г.)
Публикации. Материалы диссертации нашли отражение в 14 опубликованных работах, в том числе, в 7 статьях в ведущих рецензируемых журналах (по списку ВАК), двух статьях в сборнике научных трудов; получено одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения по работе, списка использованных источников из 133 наименований. Текст диссертации изложен на 155 стр. машинописного текста, содержит 42 рисунка, 14 таблиц и приложение.
Дифференциальный подход к расчету тепломассообменных аппаратов
При организации барботажного процесса в вертикальной колонке наблюдается характерное распределение паросодержания по высоте слоя [33], вид которого представлен на рис. 1.5. Наблюдаемый по водоуказательной колонке уровень воды ниже, чем в аппарате. По водоуказательной колонке наблюдают весовой уровень, а в аппарате более высокий - физический уровень. Разницу между физическим и весовым уровнями, которая вызвана разностью плотностей сред, называют набуханием уровня. Распределение по высоте существенным образом зависит от расхода пара или, что то же самое, от приведенной скорости пара [33].
С увеличением приведенной скорости поверхность раздела фаз получается более размытой (см. рис. 1.6), увеличивается протяженность переходной области динамического слоя. Существенное влияние на гидродинамику барботажного процесса оказывает давление пара [26,27]. С ростом давления увеличивается плотность пара, пузырьки пара всплывают медленнее, задерживаясь в водяном объеме более длительное время. Это увеличивает набухание уровня и высоту стабилизированной и переходной областей. В итоге повышение давления качественно эквивалентно росту скорости.
Вода может содержать поверхностно-активные вещества, которые в основной массе концентрируются на поверхности раздела фаз, что способствует упрочнению водяных пленок, окутывающих пузырьки пара, и уменьшению размеров последних. Пузырьки пара меньшего размера всплывают медленнее [26, 30, 33]. Более прочные водяные пленки разрываются с некоторой задержкой времени, благодаря чему тормозится процесс выхода пузырьков пара в паровой объем. В этих условиях динамический двухфазный слой насыщается все большим количеством пара, что также вызывает набухание слоя и повышение уровня.
Наряду с паросодержанием важными характеристиками барботажного слоя являются размеры и количество пузырьков пара в слое и величина площади межфазной поверхности, которая существенно влияет на скорость кинетики обменных процессов. Результаты исследования влияния указанных характеристик на процесс деаэрации в барботажной ступени представлены в литературных источниках весьма фрагментарно.
Следует отметить, что результаты исследований деаэраторов с барботаж-ным устройством системы ЦКТИ, размещенным в деаэраторном баке (см. рис. 1.1), опубликованы достаточно подробно в ряде работ [2-4]. Гидродинамический режим работы таких устройств предлагается оценивать по формулам для барботажных листов деаэрационной колонки. По результатам наблюдений, выполненных ЦКТИ, были выявлены следующие особенности работы данного затопленного барботажного устройства: - в режимах работы с устойчивой паровой подушкой под барботажным листом и отсутствием провала воды через отверстия увеличение расхода пара приводит к уменьшению высоты слоя воды над барботажным листом, над этим слоем воды также образуется паровая подушка;
- режим движения пара в циркуляционной шахте определяется расходом пара на барботажное устройство. При малых расходах пар неравномерно распределяется по рабочему объему, а при увеличении расхода пар более равномерно распределяется по всему поперечному сечению шахты; - чрезмерное повышение расхода пара через барботажное устройство приводит к возникновению гидроударов. Для исключения таких режимов в конструкции устройства предусмотрены пароперепускные окна; - эффективность удаления из воды растворенного в ней кислорода определяется удельным расходом пара на барботаж (рис. 1. 7); - при удельном расходе пара на барботаж начиная с 15-20 кг/т на эффективность удаления из воды растворенного кислорода практически перестают влиять гидравлическая нагрузка деаэратора, температура воды на входе в деаэратор, удельный расход выпара, концентрации кислорода в исходной воде и греющем паре. С точки зрения эффективного удаления углекислоты для таких устройств считается, что удельный расход пара на барботаж должен составлять 25 - 30 кг/т деаэрированной воды. Эффект по удалению из воды кислорода, близкий к максимальному, достигается уже при значении этого показателя 15-20 кг/т деаэрированной воды [2-4, 109].
На практике распространение получили барботажные устройства в виде затопленного в деаэраторном баке парового коллектора, хорошо зарекомендовавшие себя по характеристикам надежности и эффективности. Исследовани ям затопленных барботажных устройств деаэраторов посвящены работы ряда авторов [2-4,109], однако к настоящему времени остаются невыясненными подходы к разработке таких конструкций, которые бы позволяли эффективно формировать межфазную поверхность, обеспечивая требуемые показатели качества деаэрированной воды при минимальном расходе барботажного пара. Решение этой задачи экспериментальным путем сопряжено с материальными затратами, а также сложностями измерения параметров теплоносителей в условиях реальной гидродинамической обстановки в деаэраторе. В связи с этим актуальной является разработка математических моделей, позволяющих формулировать и решать задачу оптимального распределения подачи пара по рабочему объему барботажной ступени.
Задача формирования межфазной поверхности с учетом теплообмена и массообмена при конденсации пара в пузырьках
Модель деаэрации воды в барботажной ступени аппарата с учетом циркуляции жидкости разрабатывается на основе (2.2)-(2.12). В качестве искомой функции рассматривается плотность распределения вещества по фазовому пространству.
Следует отметить особенность использования ячеечного подхода для моделирования барботажной ступени деаэратора с циркуляцией жидкости. Наличие в слое затопленного парового коллектора приводит к изменению гидродинамической обстановки в слое: подача пара через коллектор в слой жидкости обусловливает появление циркуляционных течений, масштаб которых существенно зависит от условий подачи пара. Разработка модели деаэрации в ступени с учетом циркуляции воды выполняется в два этапа. На первом этапе моделируется движение теплоносителей, на втором этапе совместно с движением рассматривается тепломассоперенос. Последовательный анализ процессов возможен в том случае, если тепломассообмен не оказывает существенного влияния на характер движения теплоносителей. Расчетный анализ показал, что такое представление процессов с приемлемой для инженерных расчетов точностью возможно при незначительном недогреве воды до температуры насыщения [109].
При описании движения жидкости рассматривается плоская задача, то есть выбираются две геометрические координаты (х, z), направление которых показано на рис. 2.7. Для оценки влияния циркуляции жидкости на процесс деаэрации предлагается движение воды в каждой ячейке модельно представлять суперпозицией (или сложением) двух скоростей: расходной и циркуляционной. Расходная скорость обеспечивает равенство в каждом горизонтальном сечении расхода жидкости через аппарат и направлена согласно рис. 2.7,6 вертикально вниз. Направление циркуляционной составляющей скорости схематично представлено на рис. 2.7,в. Суммарный расход жидкости через произвольное горизонтальное сечение, обусловленный циркуляционными составляющими скорости, равен нулю. Построенное на основании приведенных допущений поле скоростей жидкости (рис. 2.7,г), с одной стороны, обеспечивает выполнение материальных балансов в каждом горизонтальном сечении, и, с другой стороны, позволяет оценить влияние циркуляции жидкости на тепломассообмен в слое. В предельных случаях предложенная модель движения жидкости переходит в более простые модели: при отсутствии циркуляции - в модель идеального вытеснения, а при отсутствии подачи жидкости в слой описывает работу аппарата периодического действия с циркулирующей загрузкой.
Для учета влияния циркуляции на процесс движения в модель вводится параметр циркуляции К, равный отношению скорости циркулирующего потока к скорости расходного потока: K=vx/vz. При равенстве нулю этого параметра поток жидкости двигается в соответствии с моделью идеального вытеснения. При равенстве параметра циркуляции бесконечности, расходная скорость жидкости через аппарат равна нулю. Расходная соста коростей (vx, vz) в дальнейшем рассматривается как параметр идентификации модели.вляющая скорости опре деляется величиной расхода воды через ступень, а параметр отношения с
Для определения параметра идентификации модели возможны два подхода: экспериментальный и расчетный. Прямые экспериментальные исследования полей скоростей в барботируемом слое связаны со значительными ресурсными и временными затратами и в промышленных условиях практически невыполнимы. Наиболее перспективным подходом, по нашему мнению, является расчетный подход, позволяющий без привлечения экспериментальных данных моделировать движение жидкости, что особенно актуально при разработке новых конструкций аппаратов. Построение модели движения и определение циркулирующей в слое загрузки по известным полям скоростей является отдельной задачей, решение которой подробно обсуждается в следующем разделе.
Принятая модель движения теплоносителей и сделанные допущения позволяют представить структуру фазового пространства в виде, показанном на рис. 2.8. В качестве геометрических координат рассматриваются ширина х и высота z барботируемого слоя, в качестве третьей фазовой координаты -размер пузырьков пара г, который в соответствии со сделанными допущениями однозначно связан со скоростью движения пузырьков в ступени. Четвертая координата Ф, принимающая дискретные значения, характеризует тип теплоносителя и его фазовое состояние: Ф=[1(пар) 2(вода) 3(газ в паре) 4(газ в воде)]. Для пара (Ф=1) фазовое подпространство представляется набором областей, каждая из которых относится к пузырькам определенного размера согласно рис. 2.8,а. Для воды (Ф=2) структура фазового подпространства представлена на рис. 2.8,6. На рис. 2.8,в-г показаны структуры фазовых подпространств для газа в паровой фазе (Ф = 3) и газа в жидкой фазе (Ф = 4). Перечисленные области могут быть наглядно представлены в виде трехмерного фазового пространства, изображенного на рис. 2.8, ж. Искомая плотность распределения вещества по ячейкам представляется аналогично предыдущей задаче (см. раздел 2.4) одномерным вектором S={Si}, где индекс і соответствует номеру ячейки согласно рис.2.8. Алгоритм расчета искомого распределения S в произвольные моменты времени включает следующие этапы [127]. Сначала для каждой ячейки фазового пространства определяются номера ячеек, с которыми она может взаимодействовать. Затем составляются уравнения теплового и материального балансов для определения потоков энергии или вещества между этими ячейками. Известные потоки энергии и массы позволяют определить потоки вероятностей переходов за рассматриваемый промежуток времени Ах. Суммирование потоков вероятностей из всех ячеек в і-ю ячейку системы определяет ее состояние в следующий момент времени согласно расчетной зависимости (2.13).
Численный пример решения задачи выполнен для следующих исходных данных: Q20 = 100 кг/с; t20 = 95С; с2 = 4180 Дж/(кг-К); г = 2452,84 кДж/кг; tn = 100 С. Рабочее пространство разделено на ячейки со следующими векторами значений фазовых координат: х = [0,1 15 10], мм; z = [0,25 0,5 0,75 1], м; Ф = [1(пар) 2(вода) 3(газ в паре) 4(газ в воде)]. Рабочий объем ступени разбит на 80 ячеек, порядок нумерации которых показан на рис. 2.8: номера ячеек с 1 по 32 относятся к пару; с 33 по 40 - к воде; с 41 по 72 - к газу в паровой фазе; с 73 по 80 - к газу в жидкой фазе. Подача пара в ячейку с заданным номером одновременно показывает размер подаваемых пузырьков и геометрическую координату точки подачи, газ в деаэратор поступает с водой в верхние ячейки аппарата (i=80).
Характеристика объекта экспериментальных исследований
Для решения поставленных в данном исследовании задач необходимо выполнить обработку экспериментальных данных таким образом, чтобы получить в условиях опытов значения теплотехнических характеристик потоков теплоносителей и массовой концентрации растворенного кислорода в них на входе и выходе деаэраторного бака, оборудованного затопленным барбо-тажным устройством. Для достижения этой цели обработка экспериментальных данных проведена в два этапа: - этап 1 - первичная обработка результатов замеров контролируемых параметров для определения окончательных результатов измерения параметров в опытах; - этап 2 - балансовые расчеты для определения значений теплотехнических параметров и массовой концентрации растворенного кислорода в теплоносителях на входе и выходе деаэраторного бака, не обеспеченных прямыми измерениями.
Первичная обработка результатов замеров контролируемых параметров выполнена в следующей последовательности: - идентификация и отсев выбросов; - исключение известных систематических погрешностей; - установление окончательного результата измерений; - определение доверительных границ погрешности окончательного результата измерений (во всех случаях доверительная вероятность принята равной 95 %). Эта часть работы выполнена Г.В. Ледуховским и подробно изложена в [109], поэтому здесь приведем только результаты первичной обработки экспериментальных данных (см. табл. 3.4). Целью проведения балансовых расчетов теплотехнических параметров и массовой концентрации растворенного кислорода в теплоносителях на входе и выходе деаэраторного бака, не обеспеченных прямыми измерениями, являлось определение следующих характеристик потоков: - расхода воды на входе в деаэраторный бак (за нижним струйным отсеком деаэрационной колонки) и массовой концентрации растворенного кислорода в этой воде; - расхода деаэрированной воды на выходе из деаэраторного бака; - расхода барботажного пара на выходе из водяного объема деаэраторного бака и массовой концентрации растворенного кислорода в этом паре. Алгоритм расчета базируется на уравнениях материального и теплового баланса (в том числе, баланса по растворенному кислороду), записанных для водяного объема деаэраторного бака.
Здесь необходимо отметить, что собственно барботажное устройство занимает по длине не весь деаэраторный бак - до и после него по ходу движения воды имеются объемы воды, в которых барботаж пара отсутствует. Кроме того, в верхней части водяного объема деаэраторного бака имеется возможность тепломассообмена между водой и паром (смесью барботажного пара, выходящего из объема воды и основного пара). Эти обстоятельства требуют проведения дополнительного анализа, поскольку от их учета или неучета при выполнении балансовых расчетов зависят значения указанных выше характеристик входных и выходных потоков теплоносителей. Таблица 3.4. Результаты первичной обработки экспериментальных данных
Продолжение таблицы 3. № опыта Уровень воды в деаэратор-ном баке, мм Температура деаэрированной воды на выходе из деаэратор-ного бака, С Давление избыточноев надводном пространстве деаэратор-ного бака, кгс/см Давление избыточное в верхней части деаэрационной колонки, кгс/см Температура неохлажденной пробы воды на выходе деаэрационной колонки, С Давление атмосферное, кПа
Результаты проведенных опытов без подачи барботажного пара, то есть при работе деаэратора только на основном паре [109] показывают, что в таких условиях, когда теплообмен между водой в баке и паром над ней осуществляется через полную площадь поверхности «зеркала» воды в баке, максимальный нагрев воды в баке составлял 2,1 С. Нужно учесть также, что указанные объемы воды до и после барботажного устройства по длине бака имеют суммарную площадь поверхности контакта фаз с надводным пространством бака около 12 % от общей площади поверхности «зеркала» воды в баке. Поэтому нагрев воды в обеих зонах без барботажа не должен превышать 0,4 С, а это составляет только половину доверительного интервала погрешности окончательных результатов измерения температуры воды в опытах. Учитывая изложенное, объем воды в деаэраторном баке при выполнении балансовых расчетов рассматривался как целое без выделения объемов воды с паровым барбо-тажом и без него. С учетом изложенного составлена расчетная схема деаэратора, используемая при выполнении балансовых расчетов (рис. 3.6).
Окончание таблицы 3. № опыта Деаэрированная вода на выходе из деаэраторного бака Барботажный пар на выходе из водяного объема деаэраторного бака Уровень воды в деаэратор-ном баке, мм Давление ат Температура, С Расход, м /ч Массовая концентрация растворенного кислорода, мкг/дм Давлениеизбыточное,кгс/см Расход, т/ч Массовая концентрация растворенного кислорода, мкг/дм мосферное, кПа
Приведенные в предыдущем разделе экспериментальные данные позволяют выполнить идентификацию предложенной ячеечной модели деаэрации воды в деаэраторных баках термических деаэраторов атмосферного давления с затопленным барботажным устройством.
На предшествующих этапах исследования на основе синтеза решения гидродинамической задачи и решения задачи десорбции газа построен метод расчета деаэрации в рассматриваемых условиях и вычислительная система для его реализации.
Предложенная математическая модель включает две подмодели (см. рис. 2.11): подмодель движения воды в деаэраторном баке и подмодель процесса десорбции растворенного кислорода. Подробно построение математической модели рассмотрено в разд. 2.6.
Таким образом, удалось получить модель деаэрации, включающую только один параметр идентификации - коэффициент массопередачи по рассматриваемому газу, в данном случае, по растворенному кислороду.
Идентификация модели выполнена с использованием представленных выше данных экспериментальных исследований, проведенных на деаэраторе ДСА-300. В ходе идентификации модели деаэрации в деаэраторном баке, оборудованном барботажным коллектором, определены коэффициенты массопередачи по условию согласования расчетных и экспериментальных данных [120, 123]. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений массовой концентрации растворенного кислорода в воде на выходе из деаэраторного бака выполнено на рис. 3.7. Сводные данные по параметрам потоков теплоносителей в опытах и найденным значениям параметра идентификации модели (коэффициента массопередачи) приведены в табл. 3.6.
Техническое состояние установки до реконструкции
В каждом из указанных режимов предусмотреть ввод в верхнюю часть деаэрационной колонки вместе с основным потоком воды, подаваемой в деаэратор, дополнительного потока - основного конденсата турбоагрегата ПТ-12-35/10М КТЗ ст. № 2 (расход 22,7 т/ч; температура 55 С; массовая кон-центрация растворенного кислорода 150 мкг/дм ).
Деаэрационная колонка и деаэраторный бак каждого из двух рассматриваемых деаэраторов ДА-100 изготовлены разными энергомашиностроительными предприятиями. В заводском проекте оснащение деаэраторов затопленным барботажным устройством деаэраторного бака не предусмотрено. В ходе работы, учитывая результаты испытаний деаэраторов на участке ХВО теплосилового цеха (эти результаты описаны в главе 3), принято решение рассмотреть вопрос о целесообразности дооснащения деаэраторов затопленным барботажным устройством деаэраторного бака в виде горизонтального перфорированного коллектора. Эскиз предлагаемого барботажного устройства представлен на рис. 4.6, конструктивные характеристики приняты без изменений относительно испытанного устройства деаэратора ДСА-300 (см. главу 3).
Решалась оптимизационная задача распределения барботажного пара по высоте ступени и размерам пузырьков, сформулированная в главе 2 диссертации, с тем технологическим ограничением, что размер всех пузырьков, вводимых на одной высоте, одинаков (горизонтальный паровой коллектор с отверстиями постоянного диаметра). В расчетах принято упрощение, что интенсивность массоотдачи внутри паровых пузырьков (лимитирующая стадия процесса массопередачи) не зависит от диаметра пузырьков, что, согласно опубликованным данным С.С. Кутателадзе, А.В. Нестеренко и др. [26, 33], допустимо при рассматриваемых размерах пузырьков. Это упрощение позволяет использовать полученное в главе 3 критериальное уравнение (3.1) для расчета коэффициента массопередачи по растворенному кислороду. Связь между диаметром формируемых паровых пузырьков и диаметром отверстий барботажного устройства принята по опубликованным зависимостям (1.19).
Порядок решения задачи изложен в главе 2 диссертации. Полученное оптимальное решение (рис. 4.7) соответствует подаче всего расхода барбо-тажного пара в нижнюю часть ступени через коллектор с отверстиями диаметром 5 мм. Однако, учитывая вероятность загрязнения отверстий в процессе эксплуатации продуктами коррозии, а также рекомендации заказчика, в качестве окончательного варианта рассматривался коллектор с диаметром отверстий 12 мм (рис. 4.8).
Зависимость содержания растворенного в воде кислорода на выходе ступени сг, мкг/кг, от высоты подачи барботажного пара при различных температуре воды на входе в ступень и диаметрах отверстий горизонтального барботажного коллектора (удельный расход пара на барботаж d = 15 кг/т): К - номер ячейки по высоте бака (К = 1, 2 и 3 -соответственно, подача пара в нижнюю, среднюю и верхнюю ячейки); сплошные линии -вода подается в бак с температурой насыщения; штриховые линии - недогрев поступающей воды до температуры насыщения 5 С
Зависимость содержания растворенного в воде кислорода на выходе ступени с2, мкг/кг, от удельного расхода пара на барботаж d при различных значениях начального содержания растворенного кислорода в воде с 20, мкг/кг (подача барботажного пара в нижнюю ячейку через коллектор с отверстиями диаметром 12 мм; недогрев поступающей воды до температуры насыщения при давлении в надводном пространстве 5 С Для этого размера отверстий перфорации коллектора проведены дополнительные расчеты, результаты которых сведены в табл. 4.5 и на рис. 4.9. Необходимо отметить, что для всех вариантов приняты следующие постоянные условия: - удельный расход выпара деаэратора 2 кг/т (килограмма на тонну деаэрированной воды); - удельный расход пара на барботаж в деаэраторном баке 20 кг/т (килограмм на тонну деаэрированной воды); - уровень воды в деаэраторном баке 2600 мм; 126 - параметры греющего пара (основного и барботажного) до регуляторов давления: давление абсолютное 0,25 МПа; температура 130С; - массовая концентрация растворенного кислорода в греющем паре (основном и барботажном) равна нулю; - расходы, температуры и массовые концентрации растворенного кисло рода по потокам ХОВ и турбинного конденсата - согласно заданию
Программа для ЭВМ «Расчет многопоточных атмосферных деаэраторов с барботажным устройством» (Разработчики: Жуков Владимир Павлович, Барочкин Евгений Витальевич, Ледуховский Григорий Васильевич, Ненаездников Александр Юрьевич (ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина») передана на некоммерческой основе без передачи авторских прав ОАО «Тепломонтажналадка» (г. Кострома). Программа используется с 12.02.2013 участком наладки для предварительного определения технологических параметров режима работы деаэраторов в ходе их пуско-наладочных и режимно-наладочных испытаний.
Программа позволяет моделировать стационарные и переходные процессы теплообмена и газообмена по растворенному кислороду в атмосферных деаэраторах с затопленным барботажным устройством деаэраторного бака. Результаты расчета представляются в виде графических зависимостей конечных тепло физических и химических характеристик потоков воды и пара от режимных параметров.
По результатам использования программы показана эффективность применения компьютерной модели деаэратора на стадии проектирования промышленных установок для сокращения сроков проектирования и дополнительной предпроектной проработки вариантов конструктивного исполнения аппаратов, на стадии функциональных испытаний для ускорения обработки их результатов, а также на стадии технического аудита для выявления причин неэффективной работы деаэраторов.
