Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ известных методов консервации агрегатов пароводяного тракта тэс и свойств адсорбцион-ных материалов 13
1.1 Осушение воздуха при консервации агрегатов пароводяного тракта ТЭС 13
1.2 Осушение сжатого воздуха 22
1.3 Обзор работ по исследованию теплофизических характеристик адсорбционных материалов 35
1.4 Массоперенос в капиллярно-пористых телах при физической адсорбции 41
1.5 Краткие выводы по главе 46
Глава 2. Анализ схем осушения воздуха на основе АДСОР- бентов в агрегатах пароводяного тракта тэс и совер-шенствование методов расчета их характеристик 48
2.1 Оценка перспектив применения силикагеля для консервации агрегатов пароводяного тракта ТЭС 48
2.2 Инженерный метод расчета характеристик осушения воздуха адсорберами 54
2.3 Математическое моделирование переходного режима в адсорбционных аппаратах 67
2.4 Расчет характеристик десорбции адсорбента в агрегатах пароводяного тракта ТЭС 79
2.5 Инженерный расчет консервации котла БКЗ-210-140 силикагелевыми патронами 84
2.6 Анализ эксплуатационных качеств силикагеля в схемах консервации агрегатов пароводяного тракта ТЭС 85
2.7 Краткие выводы по главе 86
Глава 3. Определение теплофизических свойств силикагеля с учетом условий воздушной консервации агрегатов пароводяного тракта ТЭС 88
3.1 Установки для измерения теплоемкости и теплопроводности адсорбентов на основе силикагеля при атмосферном давлении 88
3.2 Оценка погрешности измерения теплофизических свойств исследуемых веществ 95
3.3 Установка для определения плотности сыпучих материалов 99
3.4 Усовершенствованные установки для определения диффузионных свойств адсорбентов на основе силикагеля 99
3.5 Основные характеристики исследуемых объектов 103
3.6 Экспериментальные исследования удельной массовой теплоемкости и теплопроводности адсорбентов на основе силикагеля 104
3.7 Экспериментальные определения плотности и температуропроводности адсорбентов на основе силикагеля 111
3.8 Экспериментальное исследование молекулярной, свободной, термо-и бародиффузии адсорбентов на основе силикагеля 114
3.9 Экспериментальные исследования коэффициента массоотдачи и степени набухания адсорбентов на основе силикагеля 120
3.10 Краткие выводы по главе 122
Заключение 123
Список литературы
- Обзор работ по исследованию теплофизических характеристик адсорбционных материалов
- Математическое моделирование переходного режима в адсорбционных аппаратах
- Анализ эксплуатационных качеств силикагеля в схемах консервации агрегатов пароводяного тракта ТЭС
- Основные характеристики исследуемых объектов
Обзор работ по исследованию теплофизических характеристик адсорбционных материалов
Известно, что тепловую часть электростанций можно разделить на два тракта: пароводяной и газовоздушный. К пароводяняному тракту относятся кроме парового котла и турбины с конденсатором регенеративные подогреватели высокого и низкого давлений, деаэраторы испарители и другие теплообменники, а также водо- и паропроводы и насосы [1].
Пары воды, содержащиеся в воздухе и газах, конденсируются уже при незначительном охлаждении, и это приводит к коррозии узлов КА, трубопроводов, сосудов для хранения и другого теплового оборудования [1], которые могут находиться в одном из четырех оперативных состояний: работе, резерве, ремонте или консервации. Как установлено во многих исследованиях, коррозия агрегатов пароводяного тракта ТЭС (деаэраторов, подогревателей и др.) при его работе возникает из-за использования воды, не отвечающей нормативным требованиям [2 – 6].
В монографии [2] описан положительный опыт использования жаростойких покрытий для защиты элементов энергетических котлов от коррозии, эрозии и интенсивного окисления. Например, в водогрейных котлах для защиты от коррозии использовались металлические покрытия (из алюминия, цинка, свинца), а также кислостой-кая эмаль. С целью уменьшения повреждаемости от низкотемпературной коррозии регенеративных воздухоподогревателей было применено эмалирование листов набивки. Наблюдения за их работой (эмаль типа А-20) показали существенные ее преимущества: эмалированные листы после двух лет эксплуатации не отличались от исходного состояния; имеющиеся в каналах набивки отложения золы легко удалялись безнапорным потоком воды. Листы же металлической набивки были покрыты прочными отложениями и имели во многих местах сквозные коррозионные разрушения.
Для защиты от ванадиевой коррозии труб выходных пакетов пароперегревателей хорошо себя зарекомендовало гальваническое и термодиффузионное хромирование. Таким образом, использование покрытий в большинстве случаев повышает защитные возможности металла от воздействия на него агрессивных рабочих сред.
Опыт эксплуатации агрегатов пароводяного тракта ТЭС показывает, что при отсутствии консервации или некачественном е проведении, конденсации влаги во время останова со снижением давления среды до атмосферного и попадании во внутренний объем кислорода воздуха протекает САК углеродистой стали. В результате на внутренней поверхности металла образуются язвы и накапливаются продукты коррозии, что в период продолжающейся эксплуатации оборудования может привести к отказу. Возрастают также материальные потери, и повышается уровень загрязнения окружающей среды [7].
В отсутствии консервации при простое коррозии подвергаются практически все участки барабанных котлов, имеющихся на ТЭС и промышленных котельных. При последующих пусках окислы железа концентрируются в питательной воде, выносятся в водяной объем, откладываются в теплонапряженных зонах испарительной системы. В дальнейшем эти отложения являются очагами подшла-мовой, щелочной и пароводяной коррозии [7].
В прямоточных котлах САК обуславливается тем, что при нахождении их в резерве имеется вода, а кислород воздуха свободно поступает во внутренний объем. При этом особенно сильно поражаются те участки внутренних поверхностей котла, которые покрыты водорастворимыми солевыми отложениями [5]. Металл, прокорродировавший во время простоев, при работе котла разрушается быстрее, чем металл с неповрежденной поверхностью.
В водогрейных котлах САК подвержены поверхности нагрева вследствие высокой чувствительности металла к качеству сетевой воды. Если применяется закрытая схема теплоснабжения и непрерывно поддерживается нормативное качество сетевой воды, то рабочий ресурс до полной замены конвективных пакетов превышает 10 лет [3].
При отклонении показателей водного режима тепловых сетей от нормативных, а также при больших добавках к сетевой воде исходной (речной, водопроводной) кис-лородосодержащей воды, рабочий ресурс труб конвективной части снижается. Для обеспечения низких эксплуатационных отложений внутренних поверхностей нагрева используется защитная оксидная пленка, снижающая скорость САК [8]. При наличии на внутренних поверхностях дефектной по различным причинам оксидной пленки, покрытой продуктами САК, в начальный период эксплуатации интенсивно протекает процесс электрохимической коррозии.
Летний простой водогрейных котлов без проведения мероприятий по его консервации приводит к образованию значительного количества продуктов САК. Кроме того, развиваются процессы неравномерной язвенной точечной коррозии, приводящие в конечном итоге к сквозной коррозии.
Согласно оценкам [9], в результате коррозии теряется в виде продуктов окисления 2 – 3 % годового производства стали, около 15 % этих потерь можно исключить, применяя современные технологии защиты от коррозии.
Известные методы консервации основаны на следующих принципиально отличающихся технологических особенностях [7]: создание на внутренней поверхности металла защитной пленки, например, образованной при паро-водо-кислородной обработке внутренних поверхностей нагрева с целью консервации ТЭО; в диссертации [10], показано, что в результате воздействия среды, содержащей кислород на поверхности металла при умеренных (до 250 С) температурах образуется защитный слой, состоящий в основном из гематита Ре203, а при температурах до 450С, характерных для паро-кислородной обработки; на металле поверхностей нагрева КА образуется в основном магнетит Ре304); нанесение на внутренние поверхности металла защитной пленки, предотвращающей доступ влаги и агрессивных газов к ней; заполнение внутреннего объема котла защитными растворами; – удаление воды или кислорода из внутреннего объема агрегатов ТЭС. Известны методы консервации, предотвращающие контакт внутренних металлических поверхностей агрегатов пароводяного тракта ТЭС с кислородом воздуха, которые основаны на применении различных ингибиторов (гидразин, нитритноамми-ачные растворы и др.) [11]. Подобная технология предусматривает создание на предохраняемых от коррозии внутренних поверхностях агрегатов пароводяного тракта ТЭС защитных пленок, равномерно покрывающих все их участки. Однако на практике такая «консервация» не дала положительного результата [12]. Кроме того, при использовании ингибиторов необходимо исключить их попадание в атмосферу машинного зала. Для этого требуется герметизация консервируемого оборудования, а значит существенное увеличение объема работ при вводе в консервацию и при выводе из нее.
Математическое моделирование переходного режима в адсорбционных аппаратах
Распределение влаги в слое адсорбента показано на рис.10.8 работы [85]. Среднее значение влажности в слое адсорбента к концу 2-часового периода работы было найдено графическим интегрированием значений a относительно z по методу прямоугольников; оно составило acp=0,348 кг влаги /кг с.в.
Результаты расчетов по автоматизированной методике внесены в таблицы 2.9 и 2.10. Для построения графиков была использована программа Sigma Plot, позволяющая создавать 2-х и 3-х мерные рисунки высокого качества и расширения [94]. Сравнение полученных данных с приведенными в таблицах 2.7 и 2.8 показало, что отличие составляет в среднем 3 %, а максимальное достигает 10%.
Для частиц промышленных адсорбентов, имеющих размеры несколько миллиметров, преобладающим обычно является сопротивление переносу адсорбтива внутри пористой структуры.
В общем случае внутри пористых частиц адсорбентов могут иметь место все элементарные механизмы переносов массы при постоянной и переменной температуре.
Параметрический анализ с помощью разработанной программы позволил определить, что в течении 3-х часов происходит полное заполнение пор молекулами жидкости, и дальнейшее использование силикагеля малоэффективно, поэтому контейнер с силикагелем следует заменить.
Видно, что скорость воздуха, натекающего на слой силикагеля, существенно интенсифицирует процесс поглощения паров воды. Для реализации этого процесса требуется применять дополнительное оборудование, с помощью которого осуществляется циркуляция осушаемого воздуха.
На рисунке 2.8 представлены результаты зависимости C(t) для разных марок силикагеля, отличающихся, в основном, насыпной плотностью: кривым, нанесенным пунктирной линией, соответствует с = 625 кг/м3, а сплошным кривым – с = 1154 кг/м3.
Для силикагеля с большей плотностью (сплошные линии) наблюдается замедление процесса поглощения, поэтому следует предусмотреть влияние этого фактора при практическом использовании рассматриваемой схемы осушения воздуха.
Аналогичное влияние оказывает толщина слоя силикагеля (рисунок 2.10). Для сокращения продолжительности стадии поглощения паров воды следует использовать контейнер с силикагелем толщиной 0,1…0,15 м.
Распределение влаги в слое адсорбента при разных временах работы осушителя воздуха Видно, что с увеличением времени работы (рисунок 2.9) осушителя воздуха возрастает толщина слоя, который насыщается парами воды. Следовательно, можно выбрать эффективную толщину слоя силикагеля, равную 0,2 м [85].
Рисунок 2.10 Зависимость концентрации паров воды от времени для разных толщин силикагеля
Как отмечалось выше, удельная поверхность навески силикагеля зависит от размеров ее гранул. Поэтому варьирование этого параметра осуществлялось с соответствующим заданием диаметра гранулы. Уменьшение sa от 930 (dc = 0,00285 м) до 500 м2/м3 (dc = 0,00580 м) привело к увеличению влажности воздуха при выходе из аппарата от 0,00772 до 0,00954 кг воды/кг с. в., и содержанию влаги в адсорбенте от 0,1638 до 0,1856 кг/кг.
В теории адсорбции находят применение различные нестационарные постановки. Когда процесс рассматривается в пределах интервала времени, в котором концентрация на противоположном от открытой поверхности конце частицы или в ее центре при симметричном массообмене еще не успевает измениться существенным образом, то применима такая математическая постановка [79]
Анализ эксплуатационных качеств силикагеля в схемах консервации агрегатов пароводяного тракта ТЭС
Значения теплопроводности различных фракций в зависимости от температуры показаны на рисунке 3.12 и таблице 3.5. Как видно, теплопроводность исследуемых образцов с ростом температуры увеличивается примерно по квадратичному закону.
При фиксированной температуре с уменьшением размеров гранул теплопроводность возрастает по линейному закону (Рисунок 3.13).
В промежутке температур Г=323-573 К для образца с фракцией 4,68 мм значение Хв в среднем увеличилось в 2,2 раза, а для адсорбента размером 5,8 мм коэффициенте возрос примерно в 1,5 раза.
Теплопроводность адсорбентов на основе силикагеля в зависимости от температуры при различных фракциях в воздухе
Для сравнения пунктирной линией на рисунках 3.13 и 3.15 изображено значение воздуха при этой температуре, заимствованное из справочников по теплотехническим расчетам [77, 83]. Как видно, крупных частиц силикагеля, имеющих большее число пор, заполненных воздухом, приближается к его теплопровводности.
На рисунке 3.14 представлены обобщенные экспериментальные данные по теплопроводности адсорбентов на основе силикагеля при различных температурах. Линия, изображенная на рисунке 4.7, аппроксимирована квадратичной параболой, полученной методом наименьших квадратов [91]: где К К– теплопроводности при температурах Ги 71: 711=448 К.
Анализ опытных данных, характеризующих влияние размеров фракций адсорбентов на теплопроводность при температуре T 1, показал, что наблюдается уменьшение теплопроводности по закону, близкому к линейному. Приведенная на рисунке 3.15 кривая была аппроксимирована следующим уравнением: теплопроводности 1 от размеров фракций (d) адсорбентов на основе силикагеля при Т1=448 К Используя диаметр капсул и температуры, по формулам (3.48), (3.49) была рассчитана теплопроводность в широком диапазоне температур и размеров (фракций) адсорбентов на основе силикагеля. Как видно из таблицы П.2., отличие расчетных данных от экспериментальных не превышает 4,9 %.
На рисунке 3.16 приведены значения теплопроводности дисперсных материалов при разных температурах, которые удалось найти в различных литературных источниках, находятся в хорошем качественном и удовлетворительном количественном соответствии с данными соискателя.
Экспериментальные определения плотности и температуропроводности адсорбентов на основе силикагеля
Плотность определяется как отношение массы тела к занимаемому им объму. В таблице 3.6 приведены экспериментальные значения плотности (, кг/м3) исследуемого адсорбента, полученные методом пикнометра и рассчитанные по формуле (3.37).
Из таблицы 3.6 видно, что с увеличением размеров гранул исследуемых адсорбентов в два раза плотность уменьшается на 3%.
Температуропроводностью называется физическая величина, характеризующая скорость изменения (выравнивания) температуры вещества в неравновесных тепловых процессах [28]. Она вычисляется по формуле
Как видно из характера зависимости a=a(T), температуропроводность при фиксированном d имеет минимум, который достигается при T = 390–420К и отчетливее просматривается для гранул меньшего размера, что обусловлено отмеченным выше изменением удельной массовой теплоемкости (рисунок 3.8). Рисунок 3.17 Температуропроводность адсорбентов на основе силикагеля в зависимости от температуры при различных фракциях в воздухе Рисунок 3.18 Температуропроводность адсорбентов на основе силикагеля в зависимости от диаметра гранул при T=323 K Температуропроводность уменьшается с увеличением диаметра адсорбента при фиксированной температуре (рисунок 3.18).
Результаты этих исследований были обработаны в относительных переменных. Для обобщения экспериментальных данных при различных температурах использована функциональная зависимость типа (3.44).
Линия, показанная на рисунок 3.19, выражается уравнением, полученным методом выбранных точек [90]:
Результаты влияния размеров фракций на температуропроводность при температуре Т 1=498 К изображены на рисунке 3.20. Прямая, проходящая через опытные данные, была описана линейным уравнением:
Так же как в случае с теплопроводностью, подставив значения в (3.51), (3.52), была рассчитана температуропроводность в исследуемом диапазоне температур и размеров (фракций) адсорбентов на основе силикагеля (таблица П.3). Максималь ное отклонение составило 3%.
Экспериментальное исследование молекулярной, свободной, термо-и бародиффузии адсорбентов на основе силикагеля
Молекулярная диффузия - это перенос распределяемого вещества, обусловленный беспорядочным тепловым движением молекул, атомов, ионов, коллоидных частиц [19, 63]. Молекулярная диффузия описывается Первым законом Фика jx = -DdC/dx, согласно которому масса вещества dm, диффундирующего за время dt через элементарную поверхность dS (нормальную к направлению диффузии), пропорциональна градиенту концентрации dcldx этого вещества:
Основные характеристики исследуемых объектов
Впервые получены опытные данные по теплофизическим свойствам адсорбентов на основе силикагеля при температурах 300 – 600 К. Установлено, что теплопроводность исследованных адсорбентов монотонно увеличивается, массовая теплоемкость при температуре 420 К в 2,5 раза превышает начальную, а температуропроводность приобретает минимальное значение.
На разработанных оригинальных установках определены значения коэффициентов свободной диффузии, термодиффузии и бародиффузии силикагеля различных фракций в интервалах температур 300…360 К, которые были использованы при реализации математической модели поглощения паров воды силикагелем.
Анализ повышения рабочего ресурса агрегатов пароводяного тракта ТЭС путем воздушной консервации с использованием силикагеля показал следующее:
1. На основе термодинамического подхода получено, что для сохранения рабочего ресурса агрегата пароводяного тракта ТЭС за счет снижения скорости стояночной коррозии необходимо уменьшить относительную влажность воздуха от 98 % до 20 %; в частности, при вместимости агрегата 10 м3 требуется 1 кг технического силикагеля с минимальной влагоемкостью (0,2), что в 25 раз меньше значения, рекомендуемого в ПТЭ.
2. В рамках модели адсорбционной установки с кипящим слоем определена необходимая масса силикагеля 7…12 кг для осушения влажного воздуха с объемным расходом, соответствующем промышленным адсорберам; этот режим эффективен из-за развитой поверхности массообмена, с другой стороны энергоемок и сложнее по конструкции, нежели предложенный вариант с одноразовыми контейнерами, заполненными силикагелем.
3. Анализ динамических режимов осушения влажного воздуха, заполняющего свободное пространство в агрегате пароводяного тракта ТЭС, показал, что в течение 3 часов наиболее эффективно использование технического силикагеля, находящегося в контейнере диаметром 0,3 м и высотой 0,2 м. Это обеспечит снижение относительной влажности воздуха до 30 % и повысит рабочий ресурс до нормативных значений.
4. На основе усовершенствованной модели десорбции поглотителя влаги определено время высушивания гранулы, составляющее 14,2 с, которое на 40 % меньше найденного по приближенной методике; затраты теплоты на эту процедуру составили 153 кДж, что подтверждает высокую ее энергоемкость. Принимая во внимание низкую цену технического силикагеля, предложено при консервации агрегатов пароводяного тракта ТЭС не проводить его регенерацию, а использовать свежий адсорбент.
5. Впервые получены опытные данные по теплофизическим свойствам адсорбентов на основе силикагеля при температурах 300 – 600 К, которые могут быть использованы в процессе десорбции. Установлено, что теплопроводность исследованных адсорбентов монотонно увеличивается, массовая теплоемкость при температуре 420 К в 2,5 раза превышает начальную, а температуропроводность приобретает минимальное значение.
6. На разработанных оригинальных установках определены значения коэффициентов свободной диффузии, термодиффузии и бародиффузии силикагеля различных фракций в интервалах температур 300…360 К, которые были использованы при реализации математической модели поглощения паров воды силикагелем.
7. Основные результаты параметрических исследований по консервации агрегатов пароводяного тракта ТЭС с помощью силикагеля получили подтверждение в ходе опытной проверки на АООТ «Душанбинская ТЭЦ».
8. Усовершенствованные методики прогнозирования различных схем и стадий консервации агрегатов пароводяного тракта ТЭС с помощью силикагеля и определения его ТФС используются в учебных процессах Душанбинского филиала Национального исследовательского университета «МЭИ», Таджикского технического университета, Национального исследовательского Томского политехнического университета.
