Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор схем низкотемпературных поверхностей нагрева котельных агрегатов и методик их теплового расчета 12
1.1. Схемы и методики теплового расчета экономайзеров 12
1.2. Схемы и методики теплового расчета воздухоподогревателей паровых котлов 19
1.2.1. Схемы и методики расчета трубчатых воздухоподогревателей паровых котлов 19
1.2.2. Каскадные трубчатые воздухоподогреватели 31
1.3. Схемы утилизаторов теплоты 35
1.3.1. Суперкомпактные шахматные пакеты труб 35
1.3.2. Конденсационные утилизаторы для котлов 38
2. Оптимизация расчета характеристик экономайзеров 47
2.1. Расчет характеристик гладкотрубного экономайзера на персональном компьютере 47
2.2. Совершенствование и автоматизация теплового и конструктивного расчетов гладкотрубного экономайзера 54
2.3. Оптимизация характеристик оребренных экономайзеров 62
2.3.1. Тепловой расчет характеристик одиночного ребра 62
2.3.2. Автоматизация теплового расчета характеристик оребренных труб 70
2.4. Автоматизация процедуры оптимизации размеров ребер 77
2.4.1. Определение формы продольных ребер, требующих минимальной затраты материала 78
2.4.2. Радиальное ребро, требующее минимальной затраты материала... 81
3. Расчет технико-экономических и надежностных характеристик трубчатых воздухоподогревателей на персональном компьютере 86
3.1. Автоматизация расчета поверхности нагрева трубчатого воздухоподогревателя 86
3.2. Усовершенствованная методика теплового расчета каскадного трубчатого воздухоподогревателя 91
3.3. Анализ теплоаэродинамических и надежностных характеристик тесного шахматного пучка труб 101
4. Расчет и оптимизация характеристик утилизаторов теплоты 107
4.1. Автоматизация методики теплового расчета конденсационных утилизаторов теплоты уходящих газов 107
4.2. Оптимизация конструктивных характеристик ребристых утилизаторов теплоты для котлов 116
Заключение 127
Список использованных источников 128
Приложение 138
- Схемы и методики теплового расчета воздухоподогревателей паровых котлов
- Совершенствование и автоматизация теплового и конструктивного расчетов гладкотрубного экономайзера
- Усовершенствованная методика теплового расчета каскадного трубчатого воздухоподогревателя
- Оптимизация конструктивных характеристик ребристых утилизаторов теплоты для котлов
Введение к работе
Актуальность работы. Хвостовые поверхности котельных агрегатов (экономайзер, воздухоподогреватель, утилизатор теплоты) находятся в конце конвективного газохода и омываются дымовыми газами со сравнительно низкой температурой Они в большей степени, чем другие поверхности, страдают от золового износа и отложений летучей золы на трубах Перечисленные факторы влияют на эффективность и надежность этих объектов
В результате интенсификации процессов теплообмена можно добиться существенного уменьшения массы, габаритов и цены экономайзеров, воздухоподогревателей, утилизаторов теплоты
Однако стремление к компактности теплообменника ограничивается требованиями технологичности, ремонтопригодности, что приводит к поиску некоторого компромиссного решения
В процессе эксплуатации имелись случаи существенного снижения характеристик низкотемпературных поверхностей нагрева. Во многом это объясняется выбором типа теплообменника, недостаточной проработкой схемных решений на стадии проектирования, выполняемых часто по упрощенным методикам «вручную»
Актуальность темы обосновывается состоянием отечественной энергетики, в составе которой более 70% котельных агрегатов устаревших проектов, обладающих низкой эффективностью и надежностью Дальнейшая их эксплуатация без реконструкции еще больше усугубит ситуацию Успешность этой процедуры во многом зависит от точности и автоматизации методик прогнозирования характеристик заменяемых узлов В последнее время участились публикации по усовершенствованию низкотемпературных поверхностей нагрева Диссертация соответствует основным направлениям научной деятельности Томского политехнического университета - «Разработка методов и средств повышения надежности и эффективности эксплуатации энергетических объектов»
Распространенные методики расчета характеристик теплообменных аппаратов представляют собой громоздкие выражения, в которые подставляются табличные значения свойств рабочих тел или специальных функций, привлекаются номограммы и т п., что снижает точность окончательных результатов При вычислениях на микрокалькуляторах основное время тратится на запись промежуточных результатов Для выявления эффективных характеристик агрегатов необходимо выполнять многовариантные расчеты Поэтому целесообразно такого рода работу исследователя выполнять с помощью персонального компьютера
Цель работы. Усовершенствование и автоматизация методик расчета характеристик эффективности и надежности экономайзеров
(гладкотрубных, оребренных), воздухоподогревателей (каскадных, с плотным пучком), конденсационных теплоутилизаторов Основные задачи исследования:
-
оптимизация характеристик гладкотрубных и оребренных экономайзеров,
-
совершенствование и автоматизация методик расчета характеристик воздухоподогревателей,
-
автоматизация методик теплового расчета и оптимизация утилизаторов теплоты
Научная новизна диссертации заключается в следующем
-создан комплекс программ в среде «Турбо Паскаль» расчета характеристик низкотемпературных поверхностей нагрева паровых котлов, являющийся основой системы их автоматизированного проектирования,
-впервые реализованы методики расчета эффективных характеристик оребренных поверхностей нагрева экономайзеров и утилизаторов теплоты, основанные на численном решении оптимизационных задач с ограничениями,
-установлено, что в диапазоне реально используемых толщин ребер, скоростей обдува дымовыми газами не обеспечиваются максимальные значения суммарной и удельной массовой теплпроизводительности, отводимой развитой поверхностью экономайзера парового котла
Практическая значимость работы заключается в том, что использование созданного методического обеспечения для расчета характеристик низкотемпературных поверхностей нагрева позволит сократить сроки и снизить затраты на разработку эффективных проектов
Предложенные автоматизированные методики оценки эффективности и надежности низкотемпературных поверхностей нагрева могут использоваться инженерами по эксплуатации энергетического оборудования для его диагностирования Получены акты передачи методик в опытную эксплуатацию
Внедрение автоматизированных методик в учебный процесс позволит студентам сократить время на рутинные «ручные» вычисления, повысит их точность и даст возможность выполнять параметрический анализ
Достоверность полученных результатов. Обоснованность и достоверность результатов, полученных по автоматизированным методикам, осуществлялась проверками участков программ (вычислений значений специальных функций, теплофизических свойств энергоносителей, температурного напора в перекрестно-точных теплообменниках), а также сравнением с результатами решения известных задач, полученных «вручную»
На защиту выносятся:
-
Результаты теплового и конструктивного расчетов экономайзера, полученные на основе усовершенствованной и автоматизированной методики
-
Расчет технико-экономических и надежностных характеристик
каскадных трубчатых воздухоподогревателей на основе усовершенствованной и автоматизированной методики
3 Автоматизированная методика теплового расчета утилизатора теплоты
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (Горно-Алтайск, 2004), всероссийских научно-технических конференциях «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2005), «Современные техники и технологии» (Томск, 2006, 2007), «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2006), «Энергетика Эффективность Надежность Безопасность» (Томск, 2006), восьмой всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов (Магнитогорск, 2007), международной дистанционной научно-практической конференции (Новочеркасск, 2007), совещаниях производственных предприятий
Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в трудах вышеперечисленных конференций, а также в журналах «Известия ТПУ», «Известия ВУЗов. Проблемы энергетики», реферируемых ВИНИТИ Всего по материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе учебное пособие.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения Объем диссертации составляет 139 страниц, включая 23 рисунка, 27 таблиц Список использованных источников содержит ПО наименований
Схемы и методики теплового расчета воздухоподогревателей паровых котлов
Трубчатый воздухоподогреватель (ТВП) представляет собой трубную систему вертикально расположенных стальных труб (диаметром 30...40 мм с толщиной стенки 1,2... 1,5 мм), вваренных в трубные доски [11,14,23]. В прямом ТВП внутри труб проходят продукты сгорания, а в межтрубном пространстве в поперечном направлении движется воздух (рис. 1.1). Для организации нескольких поперечных ходов воздуха устанавливаются промежуточные трубные доски. Во время работы котла трубная система, опирающаяся на нижнюю трубную доску, расширяется вверх.
Обеспечение относительных перемещений при сохранении плотности между газоходом и окружающей средой, а также между воздушным и газовым объемами осуществляется линзовыми компенсаторами.
В котлах большой паропроизводительности для создания относительно малогабаритных ТВП применяется многопоточная схема подвода воздуха, позволяющая уменьшить высоту одного хода, увеличить число ходов воздуха и тем самым повысить температурный напор [14].
ТВП прост в изготовлении и эксплуатации, однако, его недостаток состоит в том, что он имеет массу, достигающую 2000 т. и занимает большой объем. При значительной коррозии «холодного» конца (особенно «холодных» углов) появляются заметные перетоки воздуха в газовый тракт, а замена кубов ТВП является весьма трудоемкой операцией [23].
Скорость продуктов сгорания в ТВП с учетом предотвращения забивания труб золой и золового износа должна составлять 8... 15 м/с.
На рис. 1.2 пунктиром изображена линия температуры воздуха, получающаяся по балансу, если ТВП включен за экономайзером.
Пересечение ее с линией температуры продуктов сгорания объясняется тем, что количество и теплоемкость (водяной эквивалент) воздуха меньше, чем количество и теплоемкость продуктов сгорания. Пересечение свидетельствует о принципиальной невозможности подогрева до более высокой температуры. Теоретическим балансовым пределом является такая температура, при которой эти линии пересекаются.
Для нагрева воды до более высокой температуры применяют включение экономайзера и ТВП по схеме «в рассечку»: например, ТВП разделяют на две части и между первой и второй частями размещают первую часть экономайзера (рис. 1.1).
При глубоком охлаждении продуктов сгорания ниже температуры «точки росы» начинается конденсация содержащихся в них водяных паров. При сжигании топлив с высоким содержанием серы образуется сернистый ангидрид SO2; часть его окисляется до серного ангидрида SO3, который образует с водяными парами пары серной кислоты.
Пленка слабо концентрированной серной кислоты, образующаяся на поверхности металла, способствует его интенсивной сернокислотной коррозии (низкотемпературной коррозии). При этом небольшое содержание паров серной кислоты в продуктах сгорания резко повышает температуру точки росы по сравнению с температурой точки росы водяных паров. Одновременно увлажняются отложения золы, что способствует загрязнению поверхностей нагрева, и все это существенно ограничивает снижение температуры уходящих газов.
Во избежание сернокислотной коррозии воздух предварительно подогревают в паровых или водяных калориферах, либо применяют рециркуляцию части горячего воздуха, отбирая его за первой или второй ступенью ТВП и смешивая затем с холодным воздухом. Повышение надежности работы ТВП является важнейшей задачей.
Недостатком холодной ступени ТВП является систематическая коррозия первых, а затем и последующих рядов труб по ходу воздуха. Это объясняется тем, что температура первых рядов оказывается ниже, чем температура точки росы дымовых газов. В результате с течением времени первые ряды труб забиваются золой и продуктами коррозии; передача теплоты от них прекращается. Проходящий между этими трубами воздух не нагревается и с той же первоначальной температурой (к тому же дополнительно турбулизированный) поступает в последующие ряды [24]. Трубы этих рядов начинают корродировать, и забиваться так же, как и трубы первых рядов. Часто наблюдается коррозия и забивание труб, расположенных у стен газохода. Таким образом, длительность рабочей компании холодной ступени ТВП во многом зависит от режима работы первых рядов труб по ходу воздуха и труб, расположенных у стен газохода.
В работе [24] проанализирована возможность повышения температуры первых рядов труб путем увеличения их диаметра, т. е. за счет полной или частичной замены старых труб диаметром do на новые диаметром ф.
На основе параметрического расчета по приближенным формулам, установлено в работе [24], что: с увеличением диаметра труб при неизменной высоте куба ТВП поверхность нагрева его уменьшается, а температура стенки возрастает; установка в кубе ТВП труб разных диаметров приводит к перераспределению скоростей газов, плотностей теплового потока и вследствие этого температуры стенок труб растут; частичная замена труб в первых рядах ТВП является более рациональным мероприятием в сравнении со случаем полной замены труб; полная замена труб в кубе ТВП с одновременным увеличением расстояний между трубными досками приводит к незначительным изменениям температуры стенок первых рядов труб;
Совершенствование и автоматизация теплового и конструктивного расчетов гладкотрубного экономайзера
Рассмотрим методику «ручного» расчета характеристик экономайзера, в котором учитываются свойства сжигаемого топлива, изгибы труб и т.д., используемую в расчетах паровых котлов [22]. Требуется определить размер поверхности гладкотрубного экономайзера газоплотного котла, сжигающего мазут. Считаются известными следующие данные. Для дымовых газов: (р -коэффициент сохранения теплоты, учитывающий долю теплоты, воспринятой поверхностью нагрева; температуры газов на входе и выходе из поверхности нагрева: tg\ и tgi\ энтальпии газов на входе и выходе из поверхности нагрева hg\ и hg2, Дос доля присосанного холодного воздуха; Нрго - его теоретическая энтальпия; Qj - тепловосприятие от газового потока дополнительных поверхностей нагрева (например, на стенах газохода); Qr - тепловосприятие поверхности нагрева на 1 кг топлива за счет прямого излучения из топки, равное нулю; Dw -массовый расход среды через данную ступень поверхности; давление среды на входе в экономайзер и на выходе из него, соответственно pw\ и pW2, tw\-температура воды на входе в экономайзер. Данные по сжигаемому топливу: Вр - расход топлива; Vg - удельный объем продуктов сгорания (с учетом рециркуляции газов) при избытке воздуха в расчетном сечении; объемные доли водяных паров и трехатомных газов: rpw и гп; а/, - избыток воздуха. Давление в газоходе, равное р%. Предварительно принимается для конструкции (рис. 2.2): живое сечение газохода Fg; сечение для прохода воды ; наружный диаметр труб d2, толщина стенок 85; число рядов zi\ расположение труб - коридорное с поперечным шагом s\, продольным шагом s-i, относительный размер предвключенного газового объема /Д,; ширина газохода а ; его глубина Ь ; эффективная Тепловосприятие экономайзера равно количеству теплоты, отдаваемой продуктами сгорания. Оно определяется по разности энтальпий газов на концах поверхности теплообмена. При наличии в газоходе дополнительных поверхностей нагрева (например, на стенах газохода) учитывается ее тепловосприятие Qd от газового потока. Тогда тепловосприятие основной поверхности составляет где Hg- энтальпия продуктов сгорания при избытке воздуха аь 1, вычисляемая по формуле В табл. 2.4 приведены значения энтальпии продуктов сгорания мазута (при аь = 1) и воздуха при разных температурах [22]. В рассматриваемой задаче значение/,, считается известным. Массовая скорость воды находится из уравнения w,pwl =Gw/fw. Полученная скорость воды является достаточной для обеспечения бескорозионного режима и допустимого уровня температуры металла труб. Средняя скорость продуктов сгорания вычисляется по формуле [22] Коэффициент лучистой теплоотдачи находился по формуле (2.26), при этом средняя длина пути луча- по формуле (2.11). Температура загрязненных стенок экономайзера принималась превышающей на 60 С температуру в помещении, равную 19 С. При наличии перед конвективной поверхностью нагрева или внутри нее газового объема теплота излучения объема на последующую по ходу газов поверхность учитывается приближенно путем увеличения расчетного коэффициента теплоотдачи излучением: где /о, /„ - глубина газового объема и последующей поверхности нагрева, м; Tg\ - температура потока продуктов сгорания перед поверхностью, К; коэффициент Ат = 0,3 при сжигании газа и мазута; 0,4 - при сжигании каменных углей и антрацита; 0,5 - при сжигании бурых углей, сланцев [22]. Суммарное значение коэффициента теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке ah- определяется по формуле где kis - коэффициент использования, учитывающий уменьшение тепловосприятия поверхности нагрева вследствие неравномерности омывания поверхности газами, образования застойных зон или частичного протекания газов помимо поверхности. Для поперечно омываемых конвективных ступеней коэффициент ка принимается равным единице, в других случаях при сложном процессе обтекания kis \. Коэффициент тепловой эффективности экономайзера kt/ при сжигании мазута с избытками воздуха а 1,03 независимо от расположения труб и скорости движения газа wg = 4... 12 м/с принимается равным 0,7...0,65. Большее значение к,/ соответствует меньшей скорости газа. Если избыток воздуха а 1,03 и используется очистка, то значение эффективности принимается на 0,05 больше.
Усовершенствованная методика теплового расчета каскадного трубчатого воздухоподогревателя
В параграфе 1.3 перечислены достоинства каскадного ТВП (КТВП), связанные со снижением влияния низкотемпературной сернистой коррозии, возникающей при сжигании низкосортных топлив в паровых котлах.
Различают каскадную часть КТВП, расположенную между входом воздуха и последним узлом подмешивания холодного воздуха, и некаскадную часть, содержащую любое количество ходов, в которой воздух движется при полном расходе (рис. 3.3).
Каскадная часть в свою очередь разделена узлами подмешивания холодного воздуха на участки. Ниже рассматривается КТВП только с одноходовыми участками. Участки могут быть включены по главной стороне как последовательно, так и параллельно (участки / и 2 на рис. 3.3).
Известна методика «ручного» теплового расчета КТВП, в которой используются номограммы и графический метод решения трансцендентного уравнения [41]. Однако применение ее для параметрического анализа занимает много времени и вносит погрешность в результаты.
Опишем усовершенствованный вариант методики [41], позволяющий снизить трудоемкость этой процедуры и повысить точность расчета [86, 87]. Для удобства программирования в обозначениях применялись только нижние индексы.
В работе [41] использовались следующие допущения: расходы газов и воздуха распределены по сечениям равномерно; водяной эквивалент газов и удельная теплоемкость в пределах КТВП не меняются; расход воздуха на выходе из КТВП не связан с температурой предварительного подогрева входной порции воздуха (это условие не соблюдается, например, при подогреве с помощью рециркуляции воздуха).
Считались заданными общая схема КТВП и конструктивные характеристики каждого хода (участка). Известны также основные режимные параметры: температура подмешиваемого холодного воздуха tx, температура газов на входе в КТВП п\, средний водяной эквивалент (расходная теплоемкость) газов wg в КТВП, водяной эквивалент теоретически необходимого количества воздуха м?ь, относительная доля воздуха (Зл2 на выходе из КТВП.
Задача заключается в выборе такой температуры входной порции воздуха t\\, и такого распределения по участкам и байпасам каскадной части, чтобы обеспечивались одновременно отсутствие низкотемпературной коррозии и максимальное охлаждение уходящих дымовых газов.
Предполагалось, что коррозионная стойкость будет обеспечена, если минимальная температура стенки tsm в КТВП не ниже некоторого безопасного значения tSb, которое находится по методике [88]. Принимался следующий принцип: будет достигнуто наименьшее значение 0MJC, если в каждом участке КТВП соблюдается условие tsm = tSb- Тогда задача сводится к выбору таких долей расходов воздуха через байпасы Щ, и через участки КТВП ру, а также температуры ty, при которых соблюдается условие tsm = tSb. Этот выбор осуществляется всегда и единственным образом.
Пронумерованные по ходу воздуха участки КТВП показаны на рис. 3.3. В некаскадной части известны: расход воздуха Р„2 (утечки не учитываются); коэффициенты теплоотдачи agn, abn и теплопередачи кп (Вт/м К). Для дальнейшего расчета необходимо найти значение параметра Р„ = (я1-„2 )/(„,-;„,), который характеризует эффективность рекуператора, и определялся в работе [41] с помощью соответствующей номограммы из работы [89] методом итераций: 1. Вычислялись параметры Rn = wg/(fin2wb}, Yn=knHJwg (Я - поверхность нагрева, м2). Задавалось нулевое приближение и(0).
По упомянутой номограмме определялась поправка к логарифмическому температурному напору x\f(Rn; Р„), представляющая собой отношение температурных напоров при многократном перекрестном токе (Д с) к противотоку (Atp).
Оптимизация конструктивных характеристик ребристых утилизаторов теплоты для котлов
Опишем приближенную методику расчета оптимальных конструктивных характеристик ребристых утилизаторов теплоты для котлов [54, 55] и дополним ее сведениями, а также результатами, уточняющими полученные ранее данные. Среди показателей ребристой трубы (рис. 2.3) толщина стенки bs является заданной, поскольку она определяется технологией изготовления трубы. Значения радиуса dh высоты hp, толщины Ьр и шага между ребрами sp влияют на основные показатели утилизатора: компактность - удельную поверхность теплообмена, приходящуюся на единицу занимаемого объема, fv, м /м , и затрату массы металла на единицу поверхности теплообмена guci, кг/м . Для чугунных экономайзеров ВТИ fv = 60.. .65 м2/м3, gUd = 35.. .40 кг/м2, для стальных -fv = 30...35 м2/м3, gud = 18...22 кг/м2 [55]. С точки зрения размещения в единице объема максимальной площади поверхности теплообмена выгодно уменьшение шага между ребрами sp, т. к. в этом случае на единице длины трубы разместится теплообменная поверхность большей площади. Однако, исходя из трудности изготовления ребер с минимальными значениями sp 2...3 мм, а также опасности их засорения, в работе [54] считается приемлемым значение sp 5 мм. Для прямых продольных ребер с постоянной площадью поперечного сечения оптимальное соотношение между Ир и 5р выведено аналитически [73] где а - коэффициент теплоотдачи от газов к оребренной поверхности теплоотдачи, Вт/(м2 К). В случае круглых поперечных ребер с переменной по высоте площадью поперечного сечения для возможности использования (4.15) вводится условная эквивалентная высота ребра he [107] Заметим, что в работах [54, 55] нет ссылок на монографии [16, 17]. В параграфе 2.4 описан вариант аналитического определения характеристик радиального ребра, требующего минимальной затраты металла. Для решения уравнения (4.15) в работе [55] принимается hp=ri, чему соответствует rplrx=2, в работе [54] считается, что rplrx «2,5. Решение уравнения (4.16) относительно Ър с учетом допущений дало, соответственно [54, 55] В первом приближении формулы (4.17) выражают связь между оптимальными значениями Ьр и hp для круглых ребер. Отметим, что на данном этапе не учитывается зависимость а от геометрических характеристик ребра и пучка. Результаты расчета значений Ър по формуле (4.17,6) для характерных усредненных режимов работы теплообменников приведены в табл. 4.7 Для определения основных показателей теплообменника fv и gud используется (4.17). Согласно [19, 73], количество теплоты, отдаваемое трубе продольным прямым ребром qp, Вт/м, определяется выражением где tg, ts - температуры соответственно газов и ребра у его основания. Для круглых поперечных ребер выражение (4.18) дополняется корректирующим множителем ь учитывающим различие температурных полей круглого ребра и прямого продольного. Согласно [19, 69], значение корректирующего множителя зависит от отношения разностей температур газов и ребра у его торца и в основании и от геометрического параметра rplrx. Точная зависимость Є] от этих параметров выражается формулой (2.62). В работе [54] приведена формула, аппроксимирующая (с погрешностью в пределах 2,0 %) точную зависимость в виде Более простая, но имеющая меньшую погрешность (в пределах 1,5%), интерполяционная формула предложена в работе [55] Известна еще одна интерполяционная формула [98] где f(r2 /V,) = 0,369(г2 /г, -1)-0,128(г2 /г, -1)2 + 0,019(г2 /г, -1)3. С учетом зависимости (4.18) количество теплоты, отдаваемой одним круглым ребром, определяется из выражения qp = г ІщпїкЬpd0 hymhp). Периметр линий контакта ребер с трубами, размещаемыми в 1 м3 объеме теплообменника, рассчитывается по формуле Подставив в выражение (4.18) значения Ьр и Єї согласно (4.17,а) и (4.17,6), получено в работе [55] выражение для удельной объемной теплопроизводительности, Вт/м Аналогичное уравнение в работе [54] имеет вид где Vp, Vt - объемы, занимаемые ребрами и трубами, приходящиеся на единицу объема теплообменника.
