Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОШЙ ПРОГРЕВА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ
УЧАСТКОВ ПАРОПРОВОДОВ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТА
НОВКА ЗАДАЧИ IV
I.I. Обоснование целесообразности решения задачи ,об условиях прогрева горизонтальных участков паропроводов в новой постановке IV
1.2.Постановка задачи о прогреве горизонтальных
участков паропроводов и краевые условия 24
1.3.Выбор метода решения задачи о неосесимметричном прогреве паропроводов 34
2. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ О НЕРАВНОМЕРНОМ ПО ОКРУЖНОСТИ
ПРОГРЕВЕ ПАРОПРОВОДОВ НА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ УЧАСТ
КАХ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АНАЛОШИ 39
2.1.Выбор типа электрической модели и расчет ,элементов схемы 39
2.2.Описание установки для моделирования процессов прогрева паропроводов и оценка погрешности метода 5°
2.3.Результаты модельного исследования и сопоставление их с результатами других теоретических исследований 56
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОШЙ ДРЕНИРОВАНИЯ И ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ГЛАВНЫХ ПАРО ПРОВОДАХ ЕЛОЧНЫХ ТЭС В РЕЖИМАХ ПРОГРЕВА И ,РАСХОЛАЖИВАНИЯ 73
3.1.Исследование условий дренирования паропроводов и глубины ручья конденсата
3.2.Исследование температурных полей главного паропровода энергоблока 300 МВт в пусковых режимах 86
3.3.Исследование температурных полей главного ,паропровода энергоблока 300 МВт в режимах
4. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТМЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ГЛАВНЫХ ПАРОПРОВОДОВ ЭНЕРГОБЛОКОВ И ИХ ,УПРУГИХ ОПОР ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ ТЕМПЕРАТУРНОЙ НЕРАВНОМЕРНОСТИ В ОКРУЖНОМ НАПРАВЛЕНИИ НА ГО
РИЗОНТАЛЬНЫХ УЧАСТКАХ ПО
4.1.Задачи исследования и краткое описание ,применявшейся программы расчета... ПО
4.2.Анализ форм паропроводных трасс энерго
блоков сверхкритических начальных параметров П6
4.3.Методика выбора пружин для упругих опор паропроводов с учетом конфигурации трасс 127
4.4.Определение кривизны первоначально прямолинейного отрезка трубы под действием неравномерного температурного поля в его поперечном ,сечении 130
4.5.Методика проведения расчетного анализа по программе ЦКТИ и выбор исходной информации для ,расчета 138
4.6.Результаты расчетного исследования условий работы упругих опор паропроводов при возникновении температурной неравномерности в окружном ,направлении на горизонтальных участках 146
4.7.Влияние температурной неравномерности в окружном направлении паропровода на его циклическую ,прочность 62
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПАРОПРО
ВОДОВ И ИХ УПРУГИХ ОПОР В ПУСКОВЫХ И ОСТАНОВОЧ НЫХ РЕЖИМАХ 175
5.1.Стендовые испытания пружин и их основные характеристики 175
5.2.Аппаратура для дистанционного контроля за работой упругих опор паропроводов и оценка
погрешности измерений 179
5.3.Экспериментальное исследование работы упругих опор паропровода свежего пара при пусках и останов ах. энергоблока 188
ВЫВОДЫ 207
ЛИТЕРАТУРА 210
Список наиболее часто употреблявшихся обозначений 221
ПРИЛОЖЕНИЕ 225
Введение к работе
Современная советская энергетика базируется на широком применении на ТЭС блочных установок с промежуточным перегревом пара при начальных параметрах 23,5 МПа и 540°С с котлами прямоточного типа. На КЭС такие установки имеют единичную мощность 300, 500, 800 и 1200 МВт, на ТЭЦ - 250 МВт. Выработка электроэнергии в СССР на таких установках в 1983г. составила около 6С$ от общей выработки электроэнергии на ТЭС. По плану II пятилетки и перспективно до 1990г. сооружение новых КЭС будет осуществляться в основном с применением блоков 500, 800 и 1200 МВт преимущественно в Сибири на базе углей открытых разработок, природного газа и отчасти мазута [64]. В Европейской части СССР дальнейшее наращивание энергетических мощностей будет осуществляться путем строительства АЭС и отчасти городских ТЭЦ на органическом топливе, предназначенных в отопительный сезон для работы по тепловому графику нагрузки, при сооружении преимущественно блоков мощностью 250 МВт на сверхкритические параметры с промежуточным перегревом пара.
Режим работы энергосистемы СССР характеризуется происходящим в последние десятилетия значительным разуплотнением графиков электрической нагрузки, особенно на юге Европейской части страны с коэффициентом неравномерности суточной нагрузки, доходящим до 0,5 В связи с этим приходится переводить в полупиковый и пиковый режимы работы котлы и турбины большинства КЭС на органическом топливе с ежесуточными остановами агрегатов на часы ночных провалов нагрузки (6 - 8ч.) и на воскресные и прздничные дни (16ч.и более). Такой режим работы стал характерным не только для ГРЭС с поперечными связями без промежуточного перегрева пара на начальные параметры 8,8 МПа и 5Ю°С, но и для блочных энергоустановок с прмлерегревом пара на давление 12,7 и 23,5 МПа и температуру 540°С. В связи с планом широкого строительства АЭС, не приспособленных для работы в полупиковом и пиковом режимах, неравномерность графиков нагрузки ГРЭС на органическом топливе будет в дальнейшем еще более возрастать. Ввиду этого все более острой становится проблема повышения маневренности оборудования на КЭС.
Маневренность агрегатов является комплексным понятием. Она включает в себя величину разрешаемого регулировочного диапазона нагрузок энергоблоков, допустимый минимум нагрузок, величину возможной форсировки агрегатов, допустимую скорость нагружеяия и разгрузки, продолжительность пуска и нагружения блока из различных исходных тепловых состояний, расход условного топлива на пуск блока.
Продолжительность пуска блоков и допустимая скорость нагружения и разгрузки лимитируются прежде всего основным оборудованием - турбинами и котлоагрегатами и здесь главным является обеспечение безопасности для персонала и надежности для оборудования.
Наряду с этим, в пусковых и остановочных режимах существенным является также обеспечение надежной работы промежуточного звена, соединяющего котел и турбину в блок - главных паропроводов свежего пара и промежуточного перегрева. Неравномерность нагрузки, частые остановы и пуски энергоблоков утяжеляют условия работы главных паропроводов, увеличивают размах действующих в них напряжений.
Многие авторы занимались исследованием пусковых и остановочных режимов энергетического оборудования, в том числе - и изучением условий прогрева и расхолаживания главных паропроводов [12, 20-22, 73 и др.] , выбором оптимальных режимов их работы, допустимых скоростей прогрева и расхолаживания [б, II, 12, 19, 21, 23, 28, 34, 45, 51, 65, 73, 74, 78, 81, 82]. Напряженное состояние паропровода возникает в результате совместного действия целого ряда нагружающих факторов. Основной нагрузкой принято считать внутреннее давление, что и учитывается при составлении норм расчета шропроводов на прочность. Дополнительными нагружающими факторами для паропроводов являются изгибающие и крутящие моменты, возникающие в результате самокомпенсации, температурных удлинений трасс, имеющих, как правило, "мертвое" закрепление на концах. К дополнительным нагружающим факторам относится также весовая нагрузка паропроводов, включающая вес металла и тепловой изоляции. Она обусловливает возникновение в паропроводе дополнительных изгибающих и крутящих моментов. В некоторых случаях на паропровод передается также дополнительная нагрузка от действия внешних сил (ветровая нагрузка при наружной прокладке, динамическое воздействие потока пара в местах поворота трасс, в выхлопных линиях от предохранительных клапанов, ПСЕЗГ и др.).
Напряжения от моментов, обусловленных самокомпенсацией температурных удлинений паропроводов теоретически должны достигать максимума к моменту полного прогрева паропроводов до нормальной рабочей температуры. Однако практически благодаря применению монтажной растяжки паропроводов и вследствие явления релаксации компенсационные моменты и напряжения в стенке паропровода в рабочем состоянии близки к нулю, но зато они максимальны, имея противоположный знак, в холодном состоянии.
Напряжения, обусловленные моментами от весовой нагрузки, действуют как в холодном неработающем паропроводе, так и в его рабочем состоянии, однако их величина, а иногда и знак, в этих состояниях существенно различны. Это обусловлено температурной деформацией паропроводов при их прогреве и температурными перемещениями трасс, приводящими к дополнительным деформациям пружин и к перераспределению нагрузки между опорами. Поскольку моменты, действующие в паропроводных трассах от весовой нагрузки, могут быть весьма велики и в ряде случаев могут превышать величину моментов от самокомпенсаоди температурных удлинений [29, 67, 68 ] , знание закономерностей перераспределения нагрузки между опорами и подвесками весьма важно для обеспечения надежной работы паропроводов.
Существенным нагружающим компонентом для паропроводов являются напряжения от различных видов температурной неравномерности, которые считаются основным фактором, ограничивающим скорость их прогрева и расхолаживания в пускоостановочных режимах. По величине температурных напряжений назначаются режими прогрева и расхолаживания паропроводов. В паропроводах различаются три вида температурной неравномерности: по толщине стенки (в радиальном направлении), вдоль оси паропровода и в окружном направлении поперечного сечения трубы.
Наиболее опасной считается радиальная разность температур. По ней обычно назначаются режимы прогрева и расхолаживания паропроводов. Рассмотрению этого вида температурной неравномерности и возникающих от ее наличия напряжений в паропроводах посвящено наибольшее количество исследований в этой области [б, 6, 8-12, 33, 43, 65, 71, 73, 75, 78, 82, 95, 98 и др. ] . Исследовались различные температурные режимы: прогрев и охлаждение паропровода с постоянной скоростью изменения температуры среды, тепловой удар, гармонические колебания температуры среды [8, 13, 20-22, 44, 51, 81] .
Другим видом температурной неравномерности в паропроводах является температурная неравномерность вдоль оси трубы. Как показали исследования [54, 69] , градиент температур в стенке паропровода в осевом направлении как в процессах прогрева, так и при охлаждении, не превышает 5-Ю град/м и возникающие температурные напряжения невелеки. Решению температурных задач этой группы посвящены работы Кузнецова И. А. [54], Похориллера В.Л. [75, 76J , Никишина СВ. [б9]и др.
Температурная неравномерность в окружном направлении паропроводных труб наблюдается преимущественно на горизонтальных участках и обусловлена неравномерным по окружности теплообменом с греющим паром при прогреве паропровода, образованием на внутренней поверхности стенки трубы пленки конденсата, стекающей вниз, толщина которой увеличивается по мере отекания к нижней части окружности трубы. Внизу трубы на горизонтальных участках возникает ручей конденсата, текущий вдоль ее оси к точке дренирования, для чего трассы паропроводов на горизонтальных участках прокладывают с уклоном 0,004-0,006 в сторону точки отвода дренажа. При этом, предпочтителен такой выбор точек дренирования, чтобы направления движения греющего пара и ручья конденсата совпадали.
Возможны и другие причины возникновения в стенке паропровода разности температур в окружном направлении: заброс в паропровод воды через линию впрыска при плохом ее распиливании или при чрезмерно большом количестве, плохое качество тепловой изоляции нижней части паропроводной трубы на горизонтальных участках (провисание теплоизоляции), приводящее к местному охлаждению металла паропровода проникающим под изоляцию воздухом, поднимающимся затем кверху за счет естественной конвекции.
Наличие разности температур в окружном направлении в зависимости от ее величины и характера распределения может приводить к значительным дополнительным температурным напряжениям в паропроводе, с которыми приходится считаться при назначении режимов прогрева или расхолаживания.
Неосесимметричная термоупругая задача определения напряжений от разности температур в окружном направлении полого толстостенного цилиндра представляет собой значительно большую сложность по сравнению с одномерной задачей даже в упругой постановке.
В опубликованных работах приводится несколько решений этой задачи [20, 26, 27, 99] . Известно также решение аналогичной задачи термоупругости применительно к барабанам котлов с использованием теории оболочек, непригодное однако для толстостенных паропроводных труб современных энергоблоков на сверхкритические начальные параметры пара [юз] .
Для обеспечения надежной работы главных паропроводов ТЭС большое значение имеет надежность их опорно-подвесных систем, состоящих из неподвижных или "мертвых" опор, скользящих и Катковых (шариковых и роликовых) направляющих опор, жестких подвесок, а также упругих опор. При проектировании паропроводов выбирают места расположения опор и подвесок и оптимальное распределение весовой нагрузки между ними. Расчеты паропроводов на весовую нагрузку выполняются на ЭВМ или упрощенными методами [29, 66, 67] .
В настоящее время известно много случаев повреждений опор и подвесок у паропроводов ТЭС [i, 2J . Повреждения вызывались различными причинами, но в большинстве случаев они были связаны с утяжелением условий работы опор современных паропроводов, обусловленным ростом весовой нагрузки на опоры в связи с увеличением диаметра и толщины стенки паропроводов и возрастанием их температурных перемещений по причине возрастания длины трасс.
Перегрузка опор и подвесок и особенно обрыв их тяг неизбежно приводят к появлению дополнительных моментов и напряжений в паропроводах и опасны с точки зрения возникновения повреждений самих паропроводов.
В диссертации будут рассмотрены условия работы опорно-подвесных систем главных паропроводов в пусковых режимах и влияние на них температурного состояния паропроводов. Температурная неравно II
мерность в окружном направлении, возникающая в пусковых режимах на горизонтальных участках парапроводов, оказывает существенное влияние на работу опорно-подвесных систем. Она вызывает коробление горизонтальных участков паропроводов и приводит к перераспределению весовой нагрузки между опорами [32] .
Расчеты паропроводов на прочность с учетом внутреннего давления, самокомпенсации температурных удлинений и весовой нагрузки при одновременном учете податливости пружинных опор представ-ляеет очень большую сложность, особенно при разветвленных трассах. В настоящее время они выполняются с помощью ЭВМ по специальным программам. Программы расчета паропроводов на ЭВМ разрабатывались ЦКТИ, ВШИ "Теплоэлектропроект", Уральским Политехническим институтом, институтом "Гипрокаучук" и некоторыми другими организациями [47-50, 59, 63] . Наиболее комплексные программы, учитывающие наибольшее количество нагружающих факторов, разработаны ЦЕЛИ им. Ползунова (г.Ленинград), где накоплен наибольший опыт использования ЭВМ при расчетах паропроводов [l5, 46-51, 83, 85, 87 ] . В ходе выполнения одного из этапов расчета по этим программам производится выбор пружин для упругих опор паропроводов. При этом в расчет вводится величина изменения нагрузки на упругие опоры при переходе паропровода из холодного в рабочее состояние и обратно. В настоящее время рекомендуется, принимать это изменение в размере 35$ [15, 81, 83, 85 ] , однако какие-либо обоснования для выбора этой величины в литературе отсутствуют. Этот вопрос находится в профиле темы данной диссертации и как один из частных ее вопросов заслуживает здесь рассмотрения.
Одна из наиболее совершенных программ ЦКТИ способна учитывать в качестве дополнительного нагружающего фактора при расчетах паропроводов наличие температурной неравномерности между верхом и низом трубы в окружном направлении на горизонтальных участках [8б] . Однако, в этой программе было принято распределение температур в поперечном сечении трубы по линейному закону, что по данным экспериментальных и теоретических исследований МЭИ, выполненных ранее [20, 25-27, 34, 99] не соответствует действительности и требует уточнения.
Следует заметить, что ранее было получено теоретическое решение неосесимметричной задачи нестационарной теплопроводности применительно к прогреву горизонтальных участков паропроводов в предположении граничного условия третьего рода с заданием определенного закона конвективного теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой [20, 26, 27, 99] . При этом, предполагалось, что коэффициент теплоотдачи от среды к стенке трубы в окружном направлении изменяется по закону косинуса. Это условие в [20, 26, 27, 99] принималось, как расчетная схема первого приближения.
Между тем, в случае конвективного теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой (жидкостью или паром) при нестационарном температурном поле при точной формулировке задачи рекомендуется применять граничные условия четвертого рода, когда температура соприкасающихся поверхностей принимается одинаковой и предполагается равенство потоков тепла. Передача тепла, при этом, предполагается происходящей по закону теплопроводности через ламинарный пограничный слой.
Такая постановка задачи позволяет учитывать при ее решении толщину пленки конденсата, стекающего по цилиндрической поверхности горизонтального прогреваемого паропровода и глубину ручья конденсата в нижней части трубы.
Исходя из этого было решено рассмотреть данную теоретическую задачу нестационарной теплопроводности заново. Для нового решения этой задачи был использован мало применяющийся в теплоэнергетике
ІЗ
метод электротепловой аналогии. Так возникла другая частная задача в профиле данной диссертации.
Полученное решение должно быть сопоставлено с данными натурных измерений температурных полей, с данными опытов по измерению расхода дренажа при прогреве паропровода, с оценкой глубины ручья конденсата в прогреваемом паропроводе, с данными теоретических расчетов температурных полей по более старой методике ЩИ и требовалось оценить погрешность этого нового метода решения задачи.
На следующем этапе работы необходимо было разработать достаточно удобный и простой метод введения поправки в программу ЩИИ по расчету паропроводов для учета действительных температурных полей в поперечных сечениях горизонтальных участков паропроводов.
Для упрощения задачи изменение температурных полей в поперечных сечениях по длине паропроводных трасс не учитывалось. Этот вопрос заслуживает рассмотрения при дальнейшем развитии исследований за пределами данной работы.
Необходимо подчеркнуть циклический характер действия большинства нагружающих паропровод факторов в процессе его эксплуатации. Основной цикл нагружения связан с последовательностью главных состояний оборудования: стоянка, пуск, работа, останов. Эти циклы повторяются с частотой, зависящей от характера режима работы основного оборудования ТЗС (базовый, полубазовый, пиковый). На циклическую прочность металла паропровода влияет амплитуда напряжений в этих циклах, а также продолжительность стоянок. На основные -циклы нагружеяия паропроводов могут накладываться дополнительные циклы с более высокой частотой и меньшей амплитудой напряжений. Эти циклы могут быть связаны с неустойчивой работой автоматических регуляторов, призванных поддерживать постоянным давление и температуру пара, и с некоторыми другими причинами.
В настоящее время принято проверять металл паропроводов на цилическую прочность. Расчетное число циклов нагружения за весь срок службы обычно принимается равным 3000 [з, 82, 83 ] .
При расчетах допустимого числа циклов нагружения паропроводов, работающих при температуре выше 450°С приходится дополнительно учитывать повреждаемость от ползучести. Наиболее удобным в этом случае является метод линейного суммирования повреждаемости [51, 52, 65, 82, 83-85] . Более сложным, но и более точным является метод, изложенный в [9б] .
Для обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований были рассмотрены конфигурации паропроводных трасс энергоблоков мощностью 250, 300, 500 и 800 МВт на сверхкритические начальные параметры пара и предложвны некоторые критерии для их обобщения.
Исходя из вышеизложенного, была поставлена цель и сформулированы задачи исследования в данной диссертации.
Целью исследования является повышение надежности главных паропроводов тепловых электростанций в пуско-остановочных режимах и во время нормальной эксплуатации путем рационального выбора их опорно-подвесных систем на стадии проектирования с учетом особенностей их температурных режимов.
Б диссертации ставятся следующие задачи исследования.
1. Получение нового решения неосесимметричной задачи нестационарной теплопроводности применительно к прогреву горизонтальных участков паропроводов с учетом наличия пленки и ручья конденсата на стенке и в нижней части трубы при граничном условии четвертого рода на внутренней поверхности методом электротепловой аналогии.
2. Экспериментальное исследование расхода дренажа при прогреве паропровода из холодного состояния для оценки глубины ручья на горизонтальном участке и ее увязки с возникаю 15
щей температурной неравномерностью по окружности трубы.
3. Экспериментальное исследование распределения температур по окружности паропровода свежего пара на горизонтальных участках в различных сечениях по длине трассы энергоблока сверхкритических параметров в режимах пусков и остановов.
4. Сопоставление полученного методом электротепловой аналогии температурного поля в поперечном сечении паропровода на горизонтальном участке при прогреве с данными экспериментов и оценка точности полученного нового теоретического решения.
5. Решение задачи о короблении прямолинейного отрезка трубы при неравномерном по окружности температурном поле в его сечении, сопоставление этого решения с короблением трубы в предположении о линейном распределении температур в поперечном сечении и уточнение программы ЦКТИ для расчета паропроводов на ЭВМ с учетом реальной температурной неравномерности в поперечном сечении.
6. Анализ форм паропроводных трасс энергоблоков сверхкритических параметров с промперегревом пара мощностью 250--800 МВт с точки зрения их склонности к короблению при появлении температурной неравномерности в окружном направлении на горизонтальных участках и выбор обобщающих критериев сопоставления конфигураций паропроводных трасс современных энергоблоков.
7. Расчетное исследование паропроводов различных энергоблоков на ЭВМ с учетом их конфигурации с целью получения обобщенной зависимости для определения изменений нагрузки на подвески при переходе паропровода из холодного состояния в рабочее и обратно.
8. Расчетное исследование влияния появляющейся при прогреве паропроводов современных энергоблоков 250-800 МВт температурной неравномерности в окружном направлении на горизонтальных участках на перераспределение нагрузки между опорами с использованием уточненной программы расчета на ЭВМ. 9. Разработка специального устройства для монтажно-ремонтного и эксплуатационного контроля нагрузки на подвески паропроводов и получение его метрологических характеристик.
10. Экспериментальное исследование перераспределения нагрузок между подвесками паропроводной трассы в процессах прогрева и охлаждения паропроводов моноблочной энергоустановки мощностью 300 МВт с использованием нового устройства и сопоставление полученных данных с результатами расчетного исследования по новой методике. II. Разработка рекомендаций по эксплуатационному контролю за работой упругих опор паропроводов.
12. Разработка рекомендаций по рациональному выбору пружинных опор паропроводов с учетом особенностей их температурно-яого режима при пусках и при остановах энергоблоков.
