Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ тепловой работы энергетических котлов 13
1.1 Характеристика работы теплоэнергетического оборудования 13
1.2 Специфика теплообмена при работе энергетического котла 18
1.3 Оценка влияния различных факторов на тепловые потери в окружающую среду 20
1.4 Задачи исследования 24
2 Исследование тепловых потерь в окружающую среду энергетическими котлами 26
2.1 Постановка задачи 26
2.2 Методика определения реальных тепловых потерь в окружающую среду 27
2.3 Результаты измерений и оценка тепловых потерь 29
2.4 Методика исследования процесса тепловых потерь 34
2.5 Результаты исследований процесса тепловых потерь 36
2.6 Проверка адекватности модели и значимости квадратичных эффектов .. 38
2.7 Выводы по главе 2 42
3 Исследование влияния температурных напряжений на теплопроводность волокнистых материалов 43
3.1 Постановка задачи 43
3.2 Методика эксперимента 44
3.3 Экспериментальная установка 47'
3.4 Проведение эксперимента и обработка результатов 48
3.5 Исследования влияния сжатия на теплопроводность волокнистых материалов при различных температурах 54
3.6 Определение погрешностей эксперимента 59
3.7 Выводы по главе 3 62
4 Анализ термонапряженного состояния и разработка новых температурных режимов разогрева обмуровки 63
4.1 Математическая модель термонапряженного состояния обмуровки 63
4.2 Модель расчета температурных полей 71
4.3 Результаты моделирования температурных полей 76
4.4 Расчет термонапряженного состояния обмуровки агрегата 82
4.4.1 Расчет температурных напряжений в обмуровке парогенератора 82
4.4.2 Определение сжатия изоляционного волокнистого слоя 86
4.5 Расчет реальных тепловых потерь обмуровки котла '89
4.6 Разработка рационального графика разогрева парового котла 93
4.7 Подтверждение деформационного состояния обмуровки 99
4.8 Экономическая эффективность 101
4.9 Выводы по главе 4 104
Заключение 105
Список использованных источников 107
Приложение А. Оценка влияния различных факторов на тепловые потери 117
- Оценка влияния различных факторов на тепловые потери в окружающую среду
- Проверка адекватности модели и значимости квадратичных эффектов
- Исследования влияния сжатия на теплопроводность волокнистых материалов при различных температурах
- Расчет температурных напряжений в обмуровке парогенератора
Введение к работе
Актуальность исследования. Одна из сложных задач в энергетике — повышение эффективности действующих паротурбинных блоков тепловых электростанций на основе увеличения ресурса их эксплуатации и внедрения энергосберегающих технологий. По своему масштабному и экономическому потенциалу энергосбережение в теплоэнергетике следует рассматривать как самостоятельный и крупный фактор в решении проблемы энергосбережения страны. Оно вносит огромный вклад в экономическую безопасность государства. В Концепции развития Павлодарской области до 2015 года указано, что приоритетом развития является обеспечение устойчивого роста промышленного производства конкурентоспособной продукции, внедрение наукоемких и ресурсосберегающих технологий
В решении этой проблемы немалую роль играют теплоограждающие конструкции энергетических котлов. Срок безаварийной работы теплоиспользующих агрегатов во многом определяется прочностью футеровки или обмуровки. Поэтому вопрос о повышении стойкости теплоограждающих конструкций остается одним из наиболее актуальных.
Требования снижения общих тепловых потерь с их поверхности, а также желание увеличить устойчивость и долговечность обмуровки теплоэнергетического оборудования приводит к созданию новых материалов, технологий и методик эксплуатации, отвечающих разнообразным требованиям. Но для этого необходимо глубокое знание и понимание явлений и процессов, происходящих в основных элементах агрегатов.
Наружные поверхности тепловых установок имеют температуру, отличную от температуры окружающей среды и это вызывает нежелательное рассеяние теплоты. Известно, что среди всех тепловых потерь парогенератора потери через обмуровку в окружающую среду являются наиболее неопределенными. Существующий метод определения этих потерь по нормативному графику имеет ряд недостатков, которые существенно искажают действительные значения. Нормативные графики не учитывают особенности конструкции тепловой изоляции и поверхностей нагрева, а также условий эксплуатации. Практика работы котельных агрегатов показала необходимость использования других методик.
Кроме того, действующие нормативные значения плотности теплового потока по Правилам технической эксплуатации составляют величину в 348 Вт/м2. Это значение не отвечает современным требованиям по энергосбережению. Особенно актуально этот вопрос звучит в условиях рыночной экономики, когда цены на энергоносители растут стремительными темпами. Но, даже ориентируясь на технически устаревшие нормы, можно с полной уверенностью утверждать, что реальные потери теплоты в окружающую среду значительно превышают нормативные данные. Главными причинами такого положения дел являются: применение морально устаревших изоляционных материалов, отставание с внедрением новых технологий и научных разработок по повышению эффективности эксплуатации тепловой изоляции с учетом режимов работы оборудования, слабая ремонтопригодность обмуровки, ошибки при проектировании конструкций изоляции без учета пиковых режимов эксплуатации парогенераторов.
Анализ тепловых потерь в окружающую среду показал, что важнейшим аспектом анализа работы обмуровки теплового агрегата является изучение её термонапряженного состояния и зависимости прочностных характеристик огнеупорных материалов и изоляции от данного состояния. Частые пуски и остановы энергетических котлов приводят к нарушению температурного состояния обмуровки и значительным температурным градиентам. Следует заметить, что разогревы котельных агрегатов ведутся без контроля за изменением температуры обмуровки. Все это снижает эффективность тепловой изоляции и ресурс ее работы.
Решение этой задачи связаны с определением температурных напряжений и влияния теплового состояния упругого тела на распределение в нем деформаций. Обеспечение оптимальных с точки зрения напряженно 9 деформированного состояния условий их эксплуатации является важным путем повышения надежности и эффективности работы агрегата.
Однако большинство исследований по этой теме касается в основном работы футеровок металлургических печей. Исследование термонапряженногр состояния обмуровки энергетических котлов не получило должного внимания.
Цель работы — исследование процессов разогрева энергетического котла и разработка рациональных температурных режимов разогрева обмуровки для снижения возникающих температурных напряжений и уменьшения тепловых потерь.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационном исследовании необходимо решить следующие задачи:
1. Определить и оценить реальные тепловые потери в окружающую среду через обмуровку действующих парогенераторов.
2. Произвести анализ процесса тепловых потерь через обмуровку котла, вывести интерполяционную формулу и оценить влияние различных факторов на целевую величину.
3. Произвести экспериментальные исследования с целью определения зависимости коэффициента теплопроводности волокнистых, теплоизоляционных материалов от степени сжатия.
4. Разработать математическую модель расчета термонапряженного состояния обмуровки при разогреве котла БКЗ-75-39.
5. Разработать методику расчета температурных напряжений в обмуровке котла БКЗ-75-39 при его разогреве и исследовать их влияние на термическое сопротивление тепловой защиты.
6. Определить и оценить влияние термонапряженного состояния обмуровки на тепловые потери в окружающую среду.
7. Разработать температурные режимы разогрева обмуровки котла БКЗ-75-39 с целью повышения эффективности работы агрегата.
Объектом исследования данной работы являются обмуровки энергетических котлов, находящиеся под действием высоких температур. Предметами исследования являются тепловые потоки через обмуровку котельного агрегата, а также термические напряжения, возникающие в ней вследствие значительных температурных градиентов.
Методы исследования. В проведенных исследованиях были использованы:
-экспериментальное исследование состояния тепловой защиты котлов;
-метод многофакторного планирования эксперимента при анализе процесса тепловых потерь;
-математическое моделирование термонапряженного состояния обмуровки;
-экспериментальное исследование коэффициента теплопроводности теплоизоляционных волокнистых материалов в лабораторных условиях.
Новизна исследования. В работе были получены следующие новые результаты:
- получена зависимость плотности теплового потока через обмуровку котла от основных параметров процесса;
-разработана математическая модель определения термических напряжений в обмуровке котлов в процессе разогрева агрегата;
-разработан способ определения зависимости коэффициента теплопроводности волокнистых теплоизоляционных материалов от степени сжатия (относительного уменьшения) слоя;
-получена зависимость коэффициента теплопроводности различных волокнистых теплоизоляционных материалов от степени сжатия с учетом воздействия высоких температур;
- доказана необходимость контроля за термонапряженным состоянием обмуровки во время разогрева котла и создания рациональных режимов их разогрева;
- разработаны температурные режимы разогрева обмуровки котла, приводящие к снижению температурных напряжений и тепловых потерь. Положения, выносимые на защиту:
- результаты анализа тепловых потерь в окружающую среду;
-математическая модель термонапряженного состояния обмуровки парового котла;
- результаты решения задачи о термонапряженном состоянии обмуровки;
-результаты решения задачи о влиянии возникающих температурных напряжений на коэффициент теплопроводности волокнистых изоляционных материалов и на величину тепловых потерь с поверхности обмуровки котла;
-рациональные температурные режимы разогрева обмуровки котельных агрегатов.
Научная и практическая значимость исследования.
-результаты, полученные в работе, представляют научную и практическую значимость при эксплуатации теплоограждающих конструкций энергетических котлов;
-обоснована необходимость контроля за процессом разогрева обмуровки;
-данные полученные при изучении зависимости коэффициента теплопроводности материалов от степени сжатия позволят получить уточненные значения тепловых потерь с поверхности обмуровки;
-разработанная математическая модель термонапряженного состояния дает возможность получить рациональный вариант разогрева обмуровки с уменьшением тепловых потерь и температурных напряжений;
-разработанная методика исследования работы обмуровки принята к использованию в системе АО «Павлодарэнерго», а также используется в учебном процессе при изучении дисциплин: «Тепломассообмен», «Высокотемпературные процессы и установки», «Принцип работы, конструкция и тепловой расчет котельных агрегатов».
Достоверность научных результатов. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением фундаментальных законов физики и тепломассообмена, корректным применением математического аппарата, использованием общепринятых допущений, доказана результатами сравнения теоретических расчетов с результатами метрологических испытаний. Достоверность полученных экспериментальных зависимостей подтверждается близкими результатами при изучении изменения коэффициента теплопроводности в эксплуатационных условиях в работах других авторов. Обоснованность и достоверность результатов и выводов, полученных в диссертационном исследовании, подтверждается результатами апробации и промышленных испытаний, проведенных на Экибастузской ТЭЦ (АО «Павлодарэнерго»), логической увязкой результатов выполненного исследования с имеющимися результатами в данной области. Автором проведен анализ погрешностей измерения, осуществленных по известным формулам теории ошибок. Для экспериментальных данных и для каждой точки графиков были рассчитаны средние квадратичные отклонения и доверительный интервал для доверительной вероятности Р=0,95.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем - 116 страниц, 31 рисунок, 16 таблиц и 16 приложений. Список литературы включает 119 наименований.
Оценка влияния различных факторов на тепловые потери в окружающую среду
Исходя из анализа работы основных элементов парогенератора, можно определить степень влияния тех или иных факторов на тепловое состояние агрегата. Часть этих факторов относится к техническим характеристикам котельного агрегата и его обмуровки, часть определяется эксплуатационными условиями работы котельной установки.
Одним из наиболее значимых факторов является температурный режим работы котельного агрегата. Он определяет температуру на внутренней поверхности обмуровки, что в свою очередь влияет на величину плотности теплового потока через изоляцию парогенератора, а также на условия работы обмуровки. Расчеты тепловых потоков через существующую обмуровку котла БКЗ-75-39 ФБ показали, что увеличение температуры внутренней поверхности ограждения топочной камеры дает значительный рост теплового потока. Расчеты производились в соответствии с методом многослойной плоской стенки [3]. В таблицу АЛ (Приложение А) сведены результаты данных расчетов.
Следующим, не менее важным фактором является толщина огнеупорной защиты и теплоизолирующих слоев. Они определяются исходя из заданных тепловых потерь в окружающую среду, с учетом допустимой температуры материала каждого слоя. Ошибочное определение толщины обмуровки неизбежно приведет к увеличению потерь теплоты через ограждающие поверхности либо к перерасходу материала и увеличению затрат. Проведенные исследования по этому вопросу для котельного агрегата БКЗ-75-39 дали следующие результаты: уменьшение толщины имеющегося теплоизоляционного слоя на 30% приводит к повышению плотности потока теплоты на 32,7%, а 50%-ное - влечет за собой увеличение теплового потока через обмуровку на 68,9 %.
К другому геометрическому фактору, оказывающему влияние на тепловое состояние котельного агрегата, относятся размеры поверхности топки. Об этом можно говорить исходя из того факта, что потери теплоты через ограждающие поверхности топки достигают 60-70% от общих потерь, остальная часть приходится на другие зоны. По этому поводу следует заметить, что с увеличением размеров топочной камеры тепловые потери в окружающую среду растут, т.к. этот процесс осуществляется с поверхности ограждения установки. Но удельные тепловые потери по отношению к располагаемой теплоте будут уменьшаться при росте номинальной нагрузки котла. Поэтому, на величину плотности тепловых потерь данный фактор не окажет принципиального влияния.
Существенное воздействие на тепловое состояние котла оказывает температура окружающей среды и температура внешней поверхности обмуровки. Чем ниже температура воздуха вокруг котельного агрегата и выше температура наружной стенки котла, тем интенсивнее будет происходить процесс теплоотдачи1 от поверхности обмуровки и тем весомее окажутся тепловые потери. Так, например, повышение температуры наружной поверхности обмуровки рассматриваемого парового котла БКЗ-75-39 на 10 С по сравнению с нормативным значением в 45С приведет к росту плотности теплового потока q в окружающую среду на 126 Вт/м , т.е. на 80,7 % (таблица А.2, Приложение А).
Наряду с температурой окружающей среды и наружной температурой поверхности ограждения на теплоотдачу также будут оказывать влияние коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности покрытия к окружающей среде а„, Вт/(м С). С ростом коэффициента теплоотдачи величина теплового потока в окружающую среду увеличится.
К разряду существенных факторов, определяющих тепловое состояние изучаемого объекта, нужно отнести теплопроводность, которая характеризуется коэффициентом теплопроводности. С понижением значения коэффициента теплопроводности происходит уменьшение теплового потока через обмуровку и толщины обмуровочных слоев. Предварительные расчеты по рассматриваемому котлу показывают, что замена существующих теплоизоляционных материалов на материалы с более низким значением теплопроводности приводит к заметному снижению тепловых потерь и уменьшению температуры наружной поверхности обмуровки. Результаты этих сравнительных расчетов приведены в таблице А.З (приложение А).
Температурный режим является также определяющим и в задаче определения термонапряженного состояния обмуровки котла. Теплоограждающие конструкции подвергаются динамическим нагрузкам при резких изменениях температур в периоды пусков и остановов. Возникающие термические напряжение приводят к уменьшению слоя теплоизоляции. Это вызывает снижение термического сопротивления обмуровки. Таким образом, необходимо ввести понятие степени сжатия - относительное уменьшение слоя тепловой изоляции: где 8 - толщина слоя тепловой изоляции, мм; А 8 — уменьшение слоя тепловой изоляции, мм. Высокие температурные поля вызывают и структурные разрушения огнеупоров, которые «ослабляют» огнеупорный слой и снижают предел прочности материала. Находящаяся в таких условиях обмуровка теряет свою газоплотность (рисунок 1.2). Результаты анализа дефектов обмуровки котлов БКЗ-75-39 и К-50-40-14 показали, что наиболее встречающимися дефектами в обмуровке котла являются именно трещины (рисунки Б.1, Б.2, Приложение Б). Они снижают газоплотность котла, ухудшают процесс горения и в конечном итоге снижают коэффициент полезного действия агрегата. При этом разрушение обмуровки не ограничивается только трещинами и сколами. Нарушается эффективность сжигания топлива и, как следует, снижается тепловая экономичность процесса. Кроме этого увеличивается объем ремонтных работ и расход материалов.
Проверка адекватности модели и значимости квадратичных эффектов
Результаты проведенных исследований в предыдущей главе показали влияние фактора сжатия изоляционного слоя на величину плотности теплового потока через обмуровку теплоиспользующих агрегатов. Исходя из этого, возникает необходимость более глубокого изучения данной проблемы.
Анализ температурных напряжений в конструктивных элементах установок, работающих при высоких температурах, показал, что вследствие теплового расширения огнеупорного слоя происходит сжатие теплоизоляционного материала, что приводит к снижению термического сопротивления тепловой изоляции [72]. Это объясняется как уменьшением толщины изоляционного слоя, так и повышением теплопроводящих свойств уплотненного материала. Таким образом, для определения реальных тепловых потерь через обмуровку парогенератора необходимо знать изменение толщины изоляционного слоя, а также зависимость теплопроводности от данного фактора.
Зависимость тепловых свойств веществ от большого количества взаимно связанных друг с другом факторов делает эксперимент практически единственным источником получения данных для определения этих свойств. Модельные представления о веществе дают возможность построить соответствующие расчетные методы для определения некоторых тепловых свойств [73, 74].
Известно, что лучшим теплоизолятором является неподвижный воздух: при умеренных температурах (менее 500 С) его коэффициент теплопроводности "к =0,02-0,05 Вт/(м-С), т.е. на 2-3 порядка меньше, чем у большинства непористых конструкционных материалов. Поэтому невысокая теплопроводность теплоизоляционных материалов основана на максимальной их пористости. Чаще всего, в качестве тепловой изоляции в конструкции обмуровки используются мягкие и полужесткие материалы (вата минеральная, стекловолокно, маты минераловатные, плиты из минеральной ваты, материалы на основе горных пород базальтовой группы и на каучуковой основе).
Теплопроводность данных теплоизоляционных материалов в зависимости от степени сжатия изучена слабо. Проводившиеся ранее исследования дают возможность определить коэффициент теплопроводности только по плотности, и эти зависимости в основном имеют прямолинейный характер, либо представлены в табличном виде [75, 76, 77]. Поэтому возникает необходимость экспериментальных исследований по получению данных о теплопроводности волокнистых теплоизоляционных материалов в зависимости от степени сжатия этого слоя.
Принципом измерения коэффициента теплопроводности в нашем случае является определение теплового потока Q, проходящего через опытный образец заданных размеров, и перепада температур на его изотермических поверхностях или тщательное измерение температур и координат спаев термопар в каких-либо других двух точках в направлении прохождения теплового потока. К предпосылке метода относится постоянство теплового потока.
Стационарные методы позволяют найти из опыта значение коэффициентов теплопроводности для каких-то отдельных фиксированных значений температур. Полная температурная зависимость строится по данным этих фиксированных значений. Недостатком стационарного метода является сложность схем электрического контроля, необходимость применения значительного количества термопар для надежного осреднения температуры поверхности опытных образцов. Кроме того, стационарные методы связаны со значительными затратами времени на подготовку постоянного теплового режима и на проведение самого опыта. Но, несмотря на данные недостатки, стационарные методы получили большое распространение, так как они позволяют использовать достаточно простые и надежные расчетные уравнения. К стационарным методам относятся: метод неограниченного плоского слоя, метод неограниченного цилиндрического слоя, метод неограниченного шарового слоя. Определение коэффициента теплопроводности волокнистого теплоизоляционного материала в условии его сжатия основано на стационарном методе неограниченного плоского слоя. При исследовании коэффициента теплопроводности в стационарном режиме тепловой поток создается с помощью электрических нагревателей. Они должны обеспечить тепловой поток, равномерно распределенный по расчетной поверхности изучаемого образца. Необходимость получения согласно требованиям данного метода одномерного теплового потока приводит к применению разных способов тепловой защиты образца. Только тогда величину теплового потока Q можно определить по величине тока и падению напряжения в нагревателе по формуле S - толщина исследуемого материала. По результатам измерения температур поверхностей образца, теплового потока, толщины слоя материала и площади поверхности нагрева рассчитываем коэффициент теплопроводности X исследуемого материала по формуле [79]: где О - тепловой поток, Вт; Fp - расчетная поверхность нагрева, м ; д - толщина слоя материала, м; tcJ — средняя температура на обогреваемой стороне материала, С; tC2 - средняя температура на охлаждаемой стороне материала, С. Необходимым условием правильного измерения температуры является надежный контакт термопары в месте измерения температуры с исследуемым образцом материала. Исследуемому материалу придаемт форму плоской пластины, измеряем толщину и площадь поверхности нагрева, и помещаем между обогреваемой и охлаждаемой поверхностями пластин. Исследуемый материал помещаем между обогреваемой и охлаждаемой пластинами. Нагревание производят при помощи электронагревателя. Первый этап эксперимента производим без механической нагрузки. После включения в работу установки по показаниям термопар фиксируем установление стационарного режима. Стационарное состояние достигнуто, если показания термопар изменяются в течение 20-30 минут не более чем на 0,1 градус. В это же время снимаем показания термопар, амперметра и вольтметра.
Исследования влияния сжатия на теплопроводность волокнистых материалов при различных температурах
Достоверность теоретических результатов работы подтверждается совпадением результатов моделирования термонапряженного состояния обмуровки котла БКЗ-75-39 и фактическими показателями работы агрегата по результатам проведенных промышленных испытаний (Приложение Р).
Испытания проведены при запуске котла из холодного состояния (после планового ремонта) по рекомендованному режиму разогрева (рисунок 4.12). Для контроля над внутренней температурой обмуровки предварительно в нее была введена через стальной зонд (трубку) термопара ТВР-251. В качестве вторичного прибора использовался автоматический потенциометр КСП-4-41.540.50.008. Измерения полей температур на поверхности обмуровки топки по обслуживающим отметкам осуществлялось при помощи термоэлектрического цифрового термометра типа ТТ-Ц016М с термопреобразователем типа Т-912. Начальная температура элементов агрегата составила 30С.
С момента начала растопки котла осуществлялся контроль за соблюдением рекомендуемого режима разогрева внутренней поверхности обмуровки. Отклонение от графика составило не более 10 С. Снятия показаний с термопар производились с интервалом 20 минут. Снятие показаний с наружной поверхности ограничилось промежутком времени в 10 часов.
На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы: 1. Предлагаемый режим разогрева приемлем для котла БКЗ-75-39. 2. Данный режим разогрева дает снижение температуры на внешней поверхности обмуровки. Другим способом подтверждения проведенных исследований может стать получение данных о тепловых потерях котла в окружающую среду с учётом деформации изоляционного слоя из волокнистого материала [118]. Предлагаемый способ заключается в следующем. Величину деформации волокнистого изоляционного слоя предлагается определять посредством замера величины изменения толщины этого слоя непосредственно на котельном агрегате. При этом для измерения величины изменения толщины волокнистого изоляционного слоя используем стержень из материала с низким коэффициентом термического расширения и жёстко прикрепляем к огнеупорному слою футеровки. Сам стержень должен свободно проходить через волокнистый изоляционный слой и кожух теплоиспользующей установки. Деформацию волокнистого изоляционного слоя измеряют индикатором перемещений. Исследуемая обмуровка рассматриваемого агрегата представляет собой многослойную плоскую стенку, состоящую из слоя шамотного и диатомитового слоев 1 и 2, слоя из волокнистого теплоизоляционного материала 3 (рисунок 4.21). Толщины слоев до начала работы теплоиспользующего агрегата составляют 5Х,52 5Ъ соответственно. Из материала с низким значением коэффициента температурного расширения (например, из кварца) изготовляется стержень 4 длиной, которая должна превышать величину I = 5г. Низкий коэффициент температурного расширения стержня и кожуха футеровки позволит не допустить их значительных линейных расширений. Таким образом, при расчётах принимаем коэффициент температурного расширения стержня и кожуха футеровки равным нулю. На концевой части стержня 4 устанавливается прибор для измерения смещения стержня, например электронный штангенциркуль 5. Стержень 4 устанавливается в обмуровку при ремонтных работах. Он жестко приклеивается к слою 2 смесью, состоящей, например, из измельчённого материала огнеупорного слоя и силиката натрия. Затем на слой 2 накладывается волокнистый теплоизоляционный слой 3 таким образом, чтобы стержень 4 свободно проходил через слой 3. Во время разогрева котельного агрегата вследствие теплового расширения кладки происходит сжатие волокнистого слоя 3. Деформация этого слоя є фиксируется индикатором перемещений, например электронным штангенциркулем 5. Далее, исходя из полученной деформации теплоизоляционного слоя є, определяем тепловые потери теплоиспользующего агрегата с учётом изменившейся толщины волокнистого теплоизоляционного слоя по формуле: Данный способ позволит просто и надежно получить данные о деформации слоя волокнистого теплоизоляционного материала. Проведенный анализ условий работы обмуровки парогенератора показал, что при разогреве агрегата нельзя допускать резкого подъема температуры на внутренней поверхности огнеупора. При этом необходимо учитывать и сжатие теплоизоляционного слоя, которое возникает вследствие термонапряженного состояния основной кладки. Ухудшение теплоизоляционных свойств минеральной ваты, вызванное как уменьшением толщины слоя изоляции, так и увеличением теплопроводящих качеств используемого материала, приводит в конечном итоге к значительным тепловым потерям. Проведем анализ этих потерь в течение календарного года.
Расчет температурных напряжений в обмуровке парогенератора
Проведенный анализ условий работы обмуровки парогенератора показал, что при разогреве агрегата нельзя допускать резкого подъема температуры на внутренней поверхности огнеупора. При этом необходимо учитывать и сжатие теплоизоляционного слоя, которое возникает вследствие термонапряженного состояния основной кладки. Ухудшение теплоизоляционных свойств минеральной ваты, вызванное как уменьшением толщины слоя изоляции, так и увеличением теплопроводящих качеств используемого материала, приводит в конечном итоге к значительным тепловым потерям. Проведем анализ этих потерь в течение календарного года.
Исследуемый агрегат установлен на Экибастузской ТЭЦ. Анализ режима работы котла данного типа дал следующие результаты (рисунок 4.21): - в стационарном режиме парогенераторы такого типа на данной станции работают в среднем 1920 часов в год; - в связи с неудовлетворительным состоянием агрегата парогенератор практически останавливают в среднем один раз в 2 недели; - холодные запуски составляют порядка 50 % от общих запусков. В итоге из холодного состояния котел запускают в среднем один раз в месяц. За календарный год эта цифра достигает 12 запусков. С учетом имеющегося графика изменения плотности теплового потока через обмуровку исследуемого котла (рисунок 4.11) определим тепловые потери в процессе разогрева котла с учетом ухудшения теплозащитных свойств изоляции. Потери с поверхности топки составили величину порядка 1,96 10 кДж за один пуск. За все пуски эти тепловые потери равны 2,35 -10 кДж. В стационарном состоянии с поверхности топки парогенератора в окружающую среду теряется порядка 240,111 кВт (кДж/с). В течение года с учетом времени работы в стационарном режиме с поверхности топки парогенератора теряется теплота в количестве 1,66-109 кДж. В итоге общие тепловые потери за время годовой работы котла составили 1,89-109 кДж. В процессе разогрева котла тепловые потери представляют собой достаточно серьезную величину, которая выходит порядка 12 % от потерь в окружающую среду при стационарном режиме работы агрегата. Определим тепловые потери в процессе рекомендуемого разогрева котла с учетом изменения теплозащитных свойств изоляции. Тепловые потери через обмуровку топки составили величину порядка 1,28 -107 кДж за один пуск. За все пуски эти тепловые потери равны 1,53 -108 кДж. При выходе на стационарный режим деформация минеральной ваты составит 14 мм и тепловые потери в данном состоянии с обмуровки топочной поверхности заметно снизятся до величины 530 Вт/м . Таким образом, в расчетном режиме тепловые потоки в течение года составят величину 1,17-109 кДж. В итоге суммарные тепловые потери с поверхности топочной камеры снижаются до значения порядка 1,33-109 кДж, что на 20,2 % меньше, чем при существующем графике. К.п.д. котла при этом увеличится на 0,17%. Определим экономию топлива за счет изменения режима разогрева: На Экибастузской ТЭЦ находится в эксплуатации 5 парогенераторов марки БКЗ-75-39. Соответственно по станции экономия топлива составит 42,308 тонн в год. Таким образом, предлагаемый график разогрева внутренней поверхности обмуровки парогенератора позволяет сэкономить на электростанции 1 миллион 185 тысяч тенге или 236 925 рублей. 1. График изменения температуры на внутренней стороне обмуровки при пуске котла показал резкий подъем и необходимость расчета температурных напряжений. 2. Разработана математическая модель для расчета температурные поля в обмуровке котла БКЗ-75-39 при его разогреве и соответствующие им термические напряжения. 3. Обнаружено значительное превышение возникающих термических напряжений в огнеупорном шамотном и изоляционном диатомитовом слоях обмуровки над допустимыми пределами прочности для этих материалов. 4. Вследствие возникающих температурных напряжений происходит существенное уменьшение толщины теплоизоляционного слоя. Это приводит к росту тепловых потерь через обмуровку котла в окружающую среду. 5. Разработаны рациональные графики разогрева обмуровки (два варианта): возникающие термические напряжения при этом снизились на 30 и 40,5%, а тепловые потери в процессе разогрева котла - на 20 и 28,2 % соответственно. В представленной диссертации приведены новые научно обоснованные результаты, использование которых необходимо при эксплуатации теплоограждающих конструкций энергетических котлов. Предложены рекомендации по практическому применению полученных автором научных результатов. Краткие выводы по результатам диссертационных исследований 1. Выполнены оценки эффективности обмуровки исследуемых котлов. Реальные тепловые потоки значительно превысили расчетные значения (от 1,53 до 2,87 раза). 2. Обнаружено и доказано влияние фактора сжатия изоляционного слоя на величину тепловых потерь. 3. Разработан и запатентован способ определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов в функции степени сжатия., 4. Выведена зависимость коэффициента теплопроводности X волокнистого материала от степени сжатия є и температуры t: A,(s,t) = Я0 (/) + а Б + Ъ є . 5. Разработана математическая модель термонапряженного состояния обмуровки котла БКЗ-75-39. 6. Рассчитаны температурные напряжения в обмуровке котла БКЗ-75-39 при его разогреве. Значения температурных напряжений превышают предел прочности используемых в обмуровке материалов и вызывают уменьшение толщины изоляционного слоя.
