Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние вопроса и постановка задачи исследования 15
1.1 Основные показатели надежности теплоэнергетического оборудования 15
1.2 Основные показатели надежности теплоэнергетического оборудования 18
1.3 Методы расчета надежности 23
1.3.1 Аналитические методы 23
1.3.1.1 Метод дерева отказов 23
1.3.1.2 Метод минимальных путей и минимальных сечений 24
1.3.1.3 Метод, основанный на использовании марковских процессов..26
1.3.2 Метод статистических испытаний 27
Выводы и постановка задачи 30
2 Отклонения теплотехнических параметров и надежность их реализации в элементахкотлоагрегатов 32
2.1 Методика расчета отклонений параметров котлоагрегата от их номинальных значений 32
2.2 Виды отклонений параметров котлоагрегата 36
2.2.1 Оценка точности результатов измерений 38
2.2.2 Обработка результатов прямых измерений 40
2.2.3 Обработка результатов косвенных и совокупных измерений 44
2.2.4 Автоматизированная обработка результатов испытании 45
2.2 Законы распределения отклонений параметров котлоагрегата 46
2.3 Выводы 58
3 Отклонения параметров котлоагрегата и их законы распределения 59
3.1 Отклонение исходных данных и их законы распределения 59
3.1.1 Топливо (Газообразное топливо) 59
3.1.2 Физические характеристики рабочих тел, используемые в тепловом расчете котельных агрегатов 62
3.1.2.1 Теплофизические свойства воды и водяного пара 63
3.1.2.2 Теплофизические свойства воздуха и дымовых газов среднего состава 67
3.1.3 Тепловой баланс котельного агрегата 69
3.1.4 Расчет теплообмена в топке 77
3.1.5 Расчет конвективных и ширмовых поверхностей нагрева 81
3.1.5.1 Фестон 81
3.1.5.2 Пароперегреватель 85
3.1.5.3 Экономайзер 87
3.1.5.4 Воздухоподогреватель 88
3.2 Отклонение выходных данных и их законы распределения 90
3.2.1 Топливо (Газообразное топливо) 90
3.2.2 Физические характеристики рабочих тел, используемые в тепловом расчете котельных агрегатов 91
3.2.3 Объемы и энтальпии воздуха и продуктов сгорания 92
3.2.4 Тепловой баланс котельного агрегата 94
3.2.5 Расчет теплообмена в топке 96
3.2.6 Расчет конвективных и ширмовых поверхностей нагрева 101
3.2.6.1 Фестон 101
3.2.6.2 Пароперегреватель II ступень 108
3.2.6.3 Пароперегреватель I ступень ПО
3.2.6.4 Экономайзер II ступень 111
3.2.6.5 Воздухоподогреватель II ступень 112
3.2.6.6 Экономайзер I ступень 115
3.3 Выводы 115
4 Расчет отклонений выходных данных для различных режимов эксплуатации котлоагрегата 116
4.1 Программа для расчета отклонений параметров котлоагрегате 116
4.2 Расчет отклонений параметров для котла БКЗ-75-39 в номинальном и частичных режимах его эксплуатации 118
4.3 Выводы 152
5 Сравнительный анализ полученных отклонений в ходе расчета с эксплуатационными данными 153
5.1 Сопоставление полученных результатов с данными по отклонениям параметров КА по справочной литературе 153
5.1.1 По температуре перегретого пара 153
5.1.2 По объему уходящих газов , 155
5.1.3 По КПД брутто 157
5.1.4 По расходу топлива (природного газа) 157
5.2 Сопоставление полученных в ходе расчета отклонений параметров с расхождениями между расчетом на стадии проектирования н по режимной карте 158
5.3 Выводы 161
Заключение 162
Литература 164
Приложение А 174
- Основные показатели надежности теплоэнергетического оборудования
- Законы распределения отклонений параметров котлоагрегата
- Физические характеристики рабочих тел, используемые в тепловом расчете котельных агрегатов
- Расчет отклонений параметров для котла БКЗ-75-39 в номинальном и частичных режимах его эксплуатации
Введение к работе
Актуальность работы. Надежность - центральная проблема современной техники. Создание и использование новых постоянно усложняющихся энергетических установок требует обеспечения их высокой надежности. Проблема надежности многоцелевая: с одной стороны -ухудшение показателей безотказности и долговечности оборудования, с другой - ухудшение качественных и количественных характеристик вырабатываемого продукта, которые происходят по различным причинам: эксплуатационным, технологическим, конструктивным, материаловедческим и прочее. Поскольку речь идет о безаварийной эксплуатации и ресурсосбережении в настоящее время окончательно определились сфера ее приложения, терминология и математический аппарат, основу которого составляют теория вероятности и математическая статистика.
По многим разделам надежности оборудования теплоэнергетических установок (ТЭУ) существуют нормативные документы и практические рекомендации, на основании которых ведутся конструкторские разработки, изготовление и эксплуатация установок. Наиболее крупные и важные теоретические и прикладные исследования в этой области выполнялись научным коллективом под руководством д-ра техн. наук, проф. Андрющенко А.И. [73]. Однако, некоторые существенные вопросы надежности требуют дальнейшего изучения. Так в ядерных установках широко используется понятие теплотехническая надежность. Теплотехнической надежностью называется вероятность реализации основных теплотехнических параметров ' реактора, определяемых расчетным или экспериментальным путем.
Поскольку наиболее дорогостоящим оборудованием ТЭУ являются котлоагрегаты, в которых проходят теплогидравлические процессы при высоких давлениях, температурах и тепловых потоках, устойчивость которых
предопределяет надежную эксплуатацию ТЭУ предлагается отнести понятие теплотехнической надежности и для котлоагрегата.
По этим причинам основным объектом исследования в работе будут котельные агрегаты, а предметом исследования - теплотехническая надежность котлоагрегата, в рамках которой определяются отклонения его теплотехнических параметров.
Теплотехническая надежность определяется не только работой элементов оборудования котлоагрегата, но и отклонениями исходных данных, используемых для тепловых и других проектных расчетов. Ввиду того, что указанные факторы имеют статистическую природу и реализуются при проектировании и эксплуатации агрегата случайным образом теплотехническая надежность агрегата представляет собой некоторую случайную функцию. Для построения такой функции и ее анализа можно использовать положения, разработанные для ядерных установок (ЯУ). При этом основная трудность методики заключается в отсутствии обобщенных статистических данных об отклонениях исходных параметров и законов их распределения, которые предопределяют теплотехническую надежность котельных установок. Поэтому необходимо было исследовать отклонения исходных данных и их законы распределения для определения теплотехнической надежности котлоагрегата. Оценка теплотехнической надежности котлоагрегата позволит выбрать оптимальные значения теплотехнических параметров котлоагрегата, которые обеспечили бы требуемую вероятность реализации данного параметра.
Цель работы: Разработать вероятностную методику расчета отклонений теплотехнических параметров и теплотехнической надежности котлоагрегатов.
Задачи исследования: Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Определение отклонений исходных данных и законов их распределения для расчета теплотехнической надежности котлоагрегата.
Разработка методики расчета отклонений теплотехнических параметров и теплотехнической надежности основных элементов котлоагрегата.
Разработка алгоритма расчета отклонений теплотехнических параметров и теплотехнической надежности котлоагрегата для реализации на ЭВМ.
Выполнение расчетов отклонений теплотехнических параметров, теплотехнической надежности для котлоагрегата и их анализ.
Сопоставление результатов расчетов с эксплуатационными данными, отраженных в режимной карте котлоагрегата.
Сопоставление результатов расчета с рекомендациями и данными, приведенными в различных литературных источниках.
Научная новизна результатов исследования заключается в:
Разработке методики определения отклонений теплотехнических параметров и теплотехнической надежности для котлоагрегатов.
Создание комплекса отклонений исходных данных, требуемого для определения теплотехнической надежности котлоагрегата.
Разработке методики и алгоритма расчета отклонений теплотехнических параметров и теплотехнической надежности элементов котлоагрегата для реализации на ЭВМ.
Сопоставление результатов расчета теплотехнической надежности с данными режимных карт и литературных источников.
Методы исследования: Исследования проводились с помощью обобщения и сравнения, аналитических, вероятностно-статистических, расчетно-конструктивных методов; программирования на ЭВМ.
Достоверность исследований: Достоверность исследования отклонений исходных данных для расчета теплотехнической надежности котлоагрегата определяется использованием данных, приведенных в ГОСТах, СНиПах и других нормативных документов.
Теоретическая значимость работы: В создании научной основы и практической реализации с использованием ЭВМ понятия теплотехнической надежности применительно к котлоагрегату.
Практическая значимость работы: Разработанные в работе методики и созданные программы позволяют:
в дополнении к общепринятому нормативному методу расчета
котлоагрегата проводить расчет теплотехнической надежности его
элементов;
проводить расчет теплотехнической надежности котлоагрегата на ЭВМ;
задаваясь степенью надежности вести проектирование с определенным гарантированным запасом мощности элементов котлоагрегата, обеспечивающим изменение основных параметров котлоагрегата в допустимом проектном интервале.
Положения, выносимые на защиту:
Разработка методики расчета отклонений теплотехнических параметров и теплотехнической надежности котлоагрегата.
Разработка алгоритма расчета отклонений теплотехнических параметров и теплотехнической надежности для реализации на ЭВМ.
Реализация результатов работы: Полученные в работе результаты приняты к использованию ООО «Нефтегазпромпроект» для выполнения проектных, научно-исследовательских работ, в отчетах научно исследовательской работы ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», тема: «Повышение эффективности и надежности оборудования и систем теплоэнергоснабжения» № 5.3.01-05, а также учебном процессе по курсу «Моделирование, алгоритмизация и оптимизация элементов и систем теплоэнергетических установок».
Апробация работы: Основные положения докладывались и обсуждались на IV международной конференции «Повышение эффективности производства
электроэнергии» Южно-Российский государственный технологический университет (г. Новочеркасск, 2003 г.), на Пятом Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математики (г. Кисловодск, 2004), на Третьей межвузовской научной конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Краснодар, 2004), на Шестом Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математики (г. Сочи, 2004), на Седьмом Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математики (г. Кисловодск, 2005), на 2-ой Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Барнаул, 2005г.), на XV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева 23-27 мая 2005г. (г. Калуга).
Диссертационная работа обсуждалась и получила одобрение на заседании кафедры Промышленной теплоэнергетики и ТЭС Кубанского государственного технологического университета.
Публикации: По теме диссертационной работы имеется 11 публикаций, перечень которых приведен в общем списке использованных источников.
Объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 110 наименований и 5 приложений. Общий объем диссертационной работы 225 страниц машинописного текста, включая 37 таблиц, 20 рисунков.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель и постановка задачи.
В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ приводится литературный обзор методов обеспечения качественных показателей работы оборудования.
Наиболее крупными и важными теоретическими и прикладными исследованиями в этой области выполнялись научным коллективом под руководством д-ра техн. наук, проф. Андрющенко А.И. [73]
Рассмотрены аналитические методы. В основу аналитических методов расчета надежности установок положены два подхода. Один из них основан на использовании логических схем (метод дерева отказов и метод минимальных путей и сечений), при условии применимости - существование логической схемы и независимости отказов элементов, кроме того, логические схемы можно построить только для простых схем и за длительный период.
Вторая группа методов расчета надежности (метод перебора состояний и марковская модель) основана на вычислении вероятностей и частот состояний, выборе критериев и условий отказа системы. Эти методы позволяют получить нестационарные значения показателей надежности. Представление элементов в двух состояниях (работа - отказ) в этом случае необязательно.
В результате анализа выявлено, что определение надежности методом дерева отказов не дает возможности оценить промежуточные состояния и качество системы; метод минимальных путей и сечений применим только для систем с монотонной структурой; метод, основанный на использовании марковских процессов возможно применять только в случае, если для каждого момента времени вероятность любого состояния в будущем зависит только от состояния системы в данный момент и не зависит от того, каким путем система пришла в это состояние.
Метод статистических испытаний (метод Монте-Карло) лишен этих недостатков, однако суть его заключается в многократном числовом расчете эволюции состояния. Недостатком метода является его частный характер, который не дает аналитического решения, и необходимость большого числа статистических испытаний, особенно при расчете высоконадежных систем.
Вопросами, связанными с вероятностной методикой расчета теплотехнической надежности, занимался применительно к АЭС д-р техн. наук, проф. Клемин А.И. [58, 59, 73], который и ввел это понятие.
Применительно к котельным установкам вероятностной методикой расчета теплотехнической надежности занимался заслуженный деятель науки РФ, д-р техн. наук, проф. Трофимов А.С [93].
В дальнейшая разработка методики расчета теплотехнической надежности теплоэнергетического оборудования получила свое развитие в диссертационной работе канд. техн. наук, доц. Пахомова Р.А. «Разработка методик определения отклонений теплотехнических параметров и долговечности при термопульсациях в элементах котлоагрегатов» [77]. Также исследования в этой области применительно к параметрам газа в магистральном газопроводе проводились канд. техн. наук Куцевым В.А. и получили отражение в его диссертационной работе «Разработка методик анализа и расчета процессов транспорта газа в магистральном газопроводе для задач проектирования и управления» [67].
В результате литературного обзора сделаны выводы и конкретизированы цель и задачи.
ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрены отклонения параметров от номинала и надежность их реализации (теплотехническая надежность). Отмечено, что методика поверочного и конструктивного расчетов является в основном общей. Различие заключается в задачах расчета и исходных величинах. Отклонения исходных данных определяются различными факторами, такими как допуски на изготовление элементов котла, эксплуатационные отклонения режимов и параметров работы и т.д. Очевидно, что эти отклонения имеют статистическую природу и будут носить случайный характер, поэтому результаты расчетов показателей будут случайными. По этой причине необходимо определять не только значения всех этих параметров, но и законы их распределения или вероятность реализации.
Изложенная методика позволяет получить информацию о качестве рассматриваемой системы и дать оценку ее надежности.
*
В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ подробно рассмотрены отклонения исходных и
выходных данных теплотехнических параметров котлоагрегата от их
номинальных значений. Исходные данные это, как правило, параметры,
полученные либо в результате прямого измерения, либо справочные
коэффициенты. Отклонение выходных данных рассчитывается с применением
разрабатываемой нами методикой с учетом отклонений исходных данных и их
законов распределения. Для каждого теплотехнического параметра
_, котлоагрегата описывается значения его возможных отклонений от
номинальных значений (эксплуатационные и технологические) и их законы распределения.
В конце главы сделаны выводы по результатам исследования.
В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ с целью упрощения и увеличения точности производимых расчетов разработан алгоритм определения отклонений теплотехнических параметров элементов котлоагрегата и реализован на ЭВМ средствами электронных таблиц Excel.
Произведены следующие расчеты по разработанной в данной работе методике и программе:
расчет отклонений тепловосприятий котлоагрегата БКЗ-75-39 по каждому элементу котла.
расчеты отклонений основных теплотехнических параметров
проводились для котлоагрегата БКЗ-75-39 Афипской ТЭЦ для восьми режимов
его эксплуатации (для паропроизводительности 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45 и 40
* т/ч).
В ПЯТОЙ ГЛАВЕ произведено сопоставление данных расчета по разработанной методике с данными по расхождением между режимными картами и номинальными (полученными на стадии проектирования) характеристиками. А также произведен сравнительный анализ полученных расчетных отклонений с максимально возможным отклонениями по справочной
литературе на основании имеющегося опыта эксплуатации котлоагрегата. Сравнительный анализ проведен по следующим теплотехническим параметрам котлоагрегата: температура перегретого пара; объем уходящих газов; КПД брутто; расход топлива (природного газа); потеря тепла с уходящими газами.
В заключении сформулированы основные выводы и результаты полученные в работе.
Приложения дополняют содержательную часть диссертационной работы иллюстративным материалом.
Основные показатели надежности теплоэнергетического оборудования
Проблема надежности многоцелевая — отказы в работе оборудования происходят по различным причинам: эксплуатационным, технологическим, конструктивным, материаловедческим и др. По многим разделам надежности оборудования ТЭУ существуют нормативные документы и практические рекомендации, на основании которых ведутся конструкторские работы, изготовление и эксплуатация установок. Наиболее крупные и важные теоретические и прикладные исследования в этой области выполнялись научной группой под руководством д.т.н., профессора Андрющенко А.И [73]. (Существующие на данный методы определения надежности котлоагрегата будут описаны и проанализированны ниже в п. 1.2). Однако, имеются некоторые существенные вопросы надежности, которые требуют дальнейшего изучения.
В настоящее время номинальные (выходные) параметры котельного агрегата, полученные в ходе проектирования зачастую значительно отличаются от фактических значений, полученных при эксплуатации котлоагрегата. Наладочным организациям зачастую приходится производить поправку к расчетным значениям для того чтобы обеспечить потребителя продуктом (горячая вода, пар, электроэнергии и.т.д.) с требуемыми характеристиками. Для этого разработаны соответствующие инструкции, согласно которым вводятся необходимые поправочные коэффициенты. Процесс подгонки достаточно трудоемок. А также зачастую требует дополнительных капиталовложений. Так как оборудование, подобранное по запроектированным данным либо не в состоянии обеспечивать измененные характеристики либо работает с пониженной эффективностью, что приводит к его замене или к несвоевременному ремонту оборудования. Чтобы избежать столь трудоемкого и дорогостоящего процесса наладки и эксплуатации котельного агрегата необходимо уже на стадии проектирования делать рекомендации по возможным отклонениям от заданного режима, рассчитывать вероятность реализации номинального (выходного) параметра котлоагрегата (теплотехническую надежность), т.е. определять вероятность того, что данный параметр в условиях эксплуатации незначительно будет отличаться от запроектированного. С этим знанием можно будет уже на стадии проектирования вносить необходимые поправки и следовательно расчет котлоагрегата будет наиболее приближен к действительности и следовательно точность такого расчета возрастет. Поэтому очень важно достаточно верно охарактеризовать все возможные отклонения параметров в котлоагрегата, причины их возникновения, законы распределения. Что и стало задачей данной диссертационной работы.
Как известно, при конструкторском тепловом расчете парового котла определяются размеры поверхностей нагрева (топка, пароперегреватель и др.), которые должны обеспечивать заданную паропроизводительность, давление, температуру пара на выходе из агрегата. При этом используется нормативный метод [91], в котором обобщены многочисленные результаты по исследованию теплообмена в различных элементах котла, характеристики топлива и приводятся все необходимые аналитические и графические зависимости, дается методика. Подобные методики реализуются при аэродинамическом, гидравлическом, прочностном и других расчетах.
Изложенная в данной работе инженерная методика расчета отклонений парметров котлоагрегата от их номинальных значений может рассматриваться как дополнение к нормативному методу [91] и является его развитием. Однако, надо заметить, что повышая точность расчета, мы повышаем и стоимость производимого продукта, т.к. увеличиваем запас на возможные случайные отклонения, поэтому также необходимо делать и экономический расчет. Совместно эти два расчета (расчет теплотехнической надежности и экономический расчет увеличения стоимости в результате увеличения запаса) дадут наиболее верный вариант для принятия его в производство.
Эти проблемы в значительной степени проработаны и широко используются в атомной энергетике [58, 59, 73]. Для теплоэнергетических установок соответствующие исследования проводились под руководством д.т.н., профессора Трофимова А.С. [93] По данной теме была написана диссертационная работа к.т.н., доцента Пахомова Р.А. «Разработка методик определения отклонений теплотехнических параметров и долговечности при термопульсациях в элементах котлоагрегатов» [77], в которой проведена разработка методики определения отклонений теплотехнических параметров КА, разработана методика экономического расчета целесообразности увеличения запаса на возможные случайные отклонения. Также исследования в этой области применительно к параметрам газа в магистральном газопроводе проводились Куцевым В.А. и получили отражение в его диссертационной работе «Разработка методик анализа и расчета процессов транспорта газа в магистральном газопроводе для задач проектирования и управления». [67]
Однако надо заметить, что до настоящего момента данная методика расчета отклонений параметров котлоагрегата от их номинальных значений разрабатывалась исходя из практики теплогидравлических расчётов ядерных реакторов, в которых описаны нормативные данные по отклонениям соответствующего набора исходных параметров [58, 59, 75, 82]. Часть из них возможно было использовать для расчёта котлоагрегатов, а недостающие специфические «котельные» отклонения определялись приближённо, экспертным путём, что и было сделано в работах [67, 75, 77, 93]. Качество таких расчётов определялось точностью метода экспертных оценок. Однако, для выполнения полноценных расчётов, необходимо было выполнить соответствующие исследования по отклонениям исходных данных для расчета отклонений выходных параметров котлоагрегата, а также проанализировать законы их распределения. Также ранее не проводилось сравнительного анализа полученных результатов по отклонениям номинальных параметров котлоагрегата с экспериментальными данными по отклонениям в процессе эксплуатации котлоагрегата. В реальных условиях работы котельной установки основные выходные параметры зависят, прежде всего, от режима работы топки, поддерживаемого в соответствии с режимной картой. При составлении режимной карты используется основные балансные и термодинамические уравнения, но коэффициенты уравнений и отдельные параметры определяются в результате прямых измерений при проведении испытаний КА. Конечные результаты испытаний получают после обработки набора величин, измеренных с определенной погрешностью, поэтому оценка точности результатов испытаний складывается из анализа источников погрешностей основных результативных значений опыта, оценки погрешностей измерений и подсчета суммарной погрешности опыта.
Законы распределения отклонений параметров котлоагрегата
Остановимся несколько подробнее на законах распределения технологических отклонений параметров котлоагрегата. Опыт машиностроения и статистическая обработка фактических данных показывают, что рассеяние параметров котлоагрегата, связанное с неточностями технологического процесса, при серийном производстве в пределах одной партии изделий достаточно хорошо описывается нормальным законом. При этом чем больше партия изделий, изготавливаемых в одних условиях (на одних станках, с помощью одних приспособлений и измерительных инструментов, в случае одной партии топливной композиции), тем точнее распределение фактических значений параметров совпадает с нормальным.
Однако нас интересуют распределения размеров или других характеристик не всех без исключения деталей, элементов (в том числе и отбракованных в процессе контроля), а распределения размеров и характеристик только тех элементов котлоагрегата, которые уже фактически находятся в сборке (т. е. распределения параметров внутри полей допусков). На практике в силу тщательного контроля производства, как правило, часть деталей или элементов отбраковывается, т. е. у части изготовленных деталей размеры выходят за границы поля допуска.
Все это приводит к тому, что действительные законы распределения технологических отклонений параметров котлоагрегата могут несколько отличаться от нормального, что также подтверждает опыт машиностроения. Например, при контроле размеров деталей по методу пробных проходов (для контроля диаметров и толщин), эти размеры распределяются внутри поля допуска по кривой, в основном согласующейся с нормальным законом. Имеющееся отличие связано с тем, что концы левой и правой ветвей нормальной кривой отсечены ординатами, соответствующими границам поля допуска.
Аналогичные результаты получаются и при статистической обработке фактических параметров котлоагрегата, в. частности, геометрии. Причем следует отметить, что усечение нормальной кривой границами поля допуска происходит на расстояниях от центра группирования, часто больших, чем За (а — среднеквадратическое отклонение для нормального закона). Смещение центра группирования от середины поля допуска незначительно. Это, по-видимому, объясняется повышенными требованиями, предъявляемыми к точности соблюдения технологической дисциплины в условиях котлостроения.
До сих пор мы говорили о распределении технологических отклонений внутри полей допусков для одной партии изделий, изготовленной в одних условиях. В общем случае, когда изделия, идущие на сборку, изготавливаются несколькими партиями, в различных условиях, кривая распределения их технологических отклонений может отличаться от рассмотренных выше. В зависимости от условий и количества партий здесь могут быть самые разнообразные комбинации из исходных нормальных кривых. Ниже приводятся основные законы распределения технологических отклонений внутри полей допусков для изделий, изготавливаемых в различных условиях производства. 1. Кривая нормального закона, совпадающая в практических пределах практических пределах с нолем допуска. а) для одной партии изделий в условиях случайных отклонений от середины поля допуска по ряду случайных причин, к которым можно отнести: разную плотность материала заготовок (например, сплава сердечников), различие в объемах заготовок, колебания температуры окружающей среды, неодинаковую температуру нагрева заготовок при обработке, особенности квалификации отдельного рабочего, случайные отклонения технологического процесса, иоірешности визуальных измерений и применяемых измерительных приборов и т. д.; б) для большого количества отдельных партий, каждая из которых отклоняется от середины поля допуска по различным случайным причинам (см.. например, п. «а»), 2. Кривая нормального закона, симметрично усеченная границами поля допуска [х„-6,хн+6] (рисунок 2.2), - в тех же случзях, что и первое распределение, но когда оборудование, инструмент. оснастка. квалификация рабочего и другие причины не позволяют вложиться в за данный допуск и часть изделий идет в брак. б) в случае использования при изготовлении изделии большого числа различающихся по точности инструментов и оборудования или в случае смешения изделий многих партий, когда средние значения рассматриваемого параметра для каждой партии равномерно распределяются по заданному полю допуска. 4. Композиция нормального закона и закона равной вероятности (рисунок 2.4): а) в случае, аналогичном п. 3, «а», но когда доминирование одного фактора выражено менее сильно; б) при смешении изделий многих партий, когда до пуск значительно превышает величину рассеяния, определяемого возможностями оборудования и квалификацией рабочего. Композиция нормального закона и закона рапной вероятности. 5, Закон Симпсона (рисунок 2.5) - когда отклонения рассматриваемого параметра определяются суммой двух случайных факторов, каждый из которых приводит к равновероятному закону распределения отклонений. Приведенные распределения технологических отклонений представляются наиболее характерными, охватывающими практически все основные, возможные в рассматриваемом случае реальные распределения. Очевидно, что с точки зрения надежности конструкции наиболее предпочтительными являются (при одном и том же допуске Й) распределения отклонений исходных параметров с малым рассеянием или дисперсией (нормальный закон, закон Симпсона) и наименее предпочтительными — с большими дисперсиями (равновероятный закон). Это относится как к технологическим, так и к эксплуатационным отклонениям. Фактическая надежность котлоагрегата с меньшими дисперсиями отклонений параметров от номинальных значений всегда будет выше, чем надежность того же котлоагрегата, но с большими значениями этих дисперсий. Именно поэтому при выборе законов распределения отклонений параметров (конструкционных и режимных) для расчета теплотехнической надежности котлоагрегата в условиях отсутствия статистических данных необходимо ориентироваться на законы с большими дисперсиями, чтобы искусственно не завысить расчетную надежность. Тогда полученная надежность, соответствующая «худшим распределениям», всегда будет с некоторым запасом.
Физические характеристики рабочих тел, используемые в тепловом расчете котельных агрегатов
Причины возникновения этих отклонений могут быть следующие: неточность сварных соединений газопроводов (неточность монтажных работ), содержание примесей в газообразном топливе, а так же температура и давление при поступлении к потребителю подвержены значительным колебаниям. В нормативном методе [91] рекомендуется специально уточнять эти величины. Данные отклонения можно учесть по величине воспроизводимости метода. Воспроизводимость метода: два результата испытаний, полученных в двух разных лабораториях признаются достоверными, если расхождения между ними согласно ГОСТ 14920-79 «Газ сухой. Метод определения компонентного состава» [25] не превышают значений, представленных в таблице 3.1. Таблица 3.1 - Воспроизводимость метода определения компонентного состава газообразного топлива
Измерение процентного содержания веществ в топливе осуществляется с использованием газоанализаторов. Из всего многообразия газоанализаторов и методов определения компонентного состава газообразного топлива наилучшим при проведении наладочных работ и для эксплуатационного контроля является газовая хромотография. Относительная погрешность хроматографа «Га-зохром-3101» составляет + 5% [92].
Согласно ГОСТ 14920-79 «Газ сухой. Метод определения компонентного состава» [25] за результат анализа принимается среднее арифметическое результатов двух параллельных определений, вычисленных с точностью до 0,1%, допускаемые расхождения между которыми определяются по сходимости метода по таблице 3.2.
С учетом сказанного выше суммарные отклонения процентного содержание веществ в топливе для Афипской ТЭЦ представлены в таблице 3.2. Таблица 3.2 - Отклонения процентного содержания веществ в топливе для кот-лоагрегата БКЗ-75-39 Афипской ТЭЦ от его номинального значения.
Среди факторов влияющих на эксплуатационные отклонения по компонентному составу топлива трудно выделить доминирующий. Поэтому распределение эксплуатационных отклонений согласно центральной предельной теореме будет по нормальному закону, т.е. эксплуатационные колебания данного параметра представляют собой стационарный случайный процесс.
Технологические отклонения определяются из опыта машиностроения и статистической обработке фактических данных. Условия производства оборудования и материалов для газопроводов соответствуют кривой нормального закона.
Также можно отметить что нормальный закон имеет меньшую дисперсию по сравнению с комбинациями этого закона, т.е. его применять следует только для отклонений, характер которых наиболее изучен и не подвергается сомнению. Если же существует какие-то неясности необходимо обеспечить закон распределения с большей дисперсией (в запас). Для компонентного состава топлива по нашему разумению нет необходимости в завышении дисперсии (коэффициента рассеивания). Поэтому принимаем закон распределения для этого параметра - нормальный. Коэффициент рассеивания к = 1,0.
Причины отклонений такие же что и в а). Величину эксплуатационных отклонений можно оценить по минимальным требованиям, предъявляемым к анализам расчетных характеристик топлива [91], согласно которым пределы колебаний теплоты сгорания разных партий топлива или за различные периоды времени не должны превышать 150-200 ккал/кг.
Согласно минимальным требованиям, предъявляемым к анализам расчетных характеристик топлива [91] теплота сгорания должна быть определена по калориметру. Следовательно технологические отклонениия будут определять точностью калориметра и метода определения с помощью калориметра. Согласно ГОСТ 10062-75 "Газы природные горючие. Метод определения удельной теплоты сгорания" [22] за результат испытаний удельной теплоты сгорания газов в бомбе принимается среднее арифметическое значение двух параллельных определений, допустимое расхождение между которыми не должно превышать 170 кДж/м3 (40 ккал/м3). Результат определения удельной теплоты сгорания газа по бомбе, вычисляют с погрешностью не более 4 кДж/м (1 ккал/м ). Окончательный результат округляют до 40 кДж/м (10 ккал/м ). - Суммарные отклонения по теплоте сгорания отдельных газов. С учетом сказанного выше суммарные отклонения по теплоте сгорания отдельных газов для Афипской ТЭЦ представлены в таблице 3.3. Таблица 3.3 - Отклонения теплоты сгорания отдельных компонентов для кот-лоагрегата БКЗ-75-39 Афипской ТЭЦ от его номинального значения. - Закон распределения отклонений. В связи с тем, что теплота сгорания газов в при проектировании принимается согласно таблиц, приведенных в [22], составленных на основании данных по эксплуатации и являющихся достаточно точными, то по нашему разумению нет необходимости в завышении дисперсии (коэффициента рассеивания). Поэтому принимаем закон распределения для этого параметра - нормальный. Коэффициент рассеивания к = 1,0.
В ходе проектирования такие параметры как удельный объем, изобарная теплоемкость, давление насыщения, теплопроводность принимаем по таблицам теплофизических свойств воды и водяного пара. Таблицы рассчитаны по уравнениям Международной ассоциации по свойствам воды и водяного пара и рекомендованы Государственной службой стандартных справочных данных ГСССД Р-776-98 [ I ]. Данные уравнения еще называют Формуляписй IF-97. Формуляция состоит и1 набора уравнений дли различных областей, в совокупности охватывающих область параметров. Расположение этих областей в р. Т-дишрамме показано на рисунке 3.1.1 - жидкость, область 2-перегретый пар, область 3 - околокритическая область, 4 -линия насыщения, 5-область высоких температур. Рисунок 3.1 - Области применения уравнений Формуляции IF-97 Расхождения значений термодинамических свойств, рассчитанных по основным уравнениям граничащих областей однофазной области, покачаны в таблице 3.4. Расхождение значений давления, температуры и энергии Гиббса на линии насыщения приведены в таблице 3.5, где выделена точка при Т=623.15 К, в которой стыкуются уравнения для трех областей.
Расчет отклонений параметров для котла БКЗ-75-39 в номинальном и частичных режимах его эксплуатации
Влагосодержание газообразного топлива. (drT.) - Эксплуатационные отклонения практически не изучены, поэтому их учет будет предусмотрен в увеличении дисперсии (коэффициента рассеивания).
Технологические отклонения: влажность воздуха (или смеси воздуха с продуктами сгорания топлива) при испытании котлов обычно измеряют при помощи психрометра. Погрешность этого метода измерения составит 1,3-1,7 %. Класс точности равен 1. Пределы измерения относительной влажности прибором составляют 0-100% [92]. - Суммарное отклонение по влагосодержанию газообразного топлива составит 2,7%. - Закон распределения принимаем равновероятностный. Это обусловлено необходимостью завышенной дисперсии (большим коэффициентом рассеивания), чтобы обеспечить запас на неучтенные эксплуатационные отклонения. Коэффициент рассеивания к = 1,75. б) Коэффициент избытка воздуха. (аух) - эксплуатационные отклонения связаны с неточностью монтажных, сварочных работ, при этом происходит незапланированный присос воздуха, что влечет за собой отклонения коэффициента избытка воздуха. В процессе эксплуатации котлоагрегата, во время его наладки допустимые колебания избытка воздуха для котлов с уравновешенной тягой от номинального значения составит ±4-5%. [92]. - Технологические отклонения определяются погрешностью определения избытка воздуха, полученного при обработке результатов измерений, которая составит 3,5%. [92]. - Суммарное расчетное отклонение по коэффициенту избытка воздуха составит 8,5 %. - Закон распределения принимаем нормальным, так как отклонения зависят от большого количества факторов, из которых нельзя выделить доминирующий. Коэффициент рассеивания к = 1,0. в) Температура холодного воздуха. (Тх.в.) - Эксплуатационные отклонения. В процессе эксплуатации котлоагрега-та, во время его наладки допустимые колебания температуры воздуха составит ±3%. [92]. Технологические отклонения можно оценить по погрешности измерительного прибора. В дальнейшем мы будем часто сталкиваться с погрешностью приборов, измеряющих температуры и их погрешностью, поэтому подробнее рассмотрим приборы для измерения температуры и их погрешность, Измерение температуры. В общем случае в качестве приборов для измерения температуры применяются: 1) ртутные термометры (0-500 С) Температура холодного воздуха измеряется ртутным термометром. Общая вероятная погрешность температуры при соблюдении всех правил отсчета, монтажа и установки прибора составит согласно [19]: 1. Основная погрешность градуировки - ± 1 С 2. Индивидуальная ошибка наблюдения - ±0,5С. 3. Погрешность монтажа и установки прибора составит ±2,5 %, что соответствует абсолютной величине погрешности монтажа и установки прибора 2,5x30/100 - ±0,75С при температуре холодного воздуха 30С. 4. Общая допустимая погрешность определяется по формуле: д/яр =А/(д/,)2 +(Д 2 2 Н&з)2 =1,346С Что соответствует относительной погрешности определения температуры 1,346x100/30 = 4,48%. 2) термометры сопротивления (0-500 С) Общая вероятная погрешность температуры при соблюдении всех правил отсчета, монтажа и установки прибора и отсчета не должна превышать согласно [19]: At, =±0,7-5-1,0% (от измеряемой величины) при измерении температур воды, воздуха или пара в трубопроводах At1=±1 2,0% при измерении более высоких температур (до 350 С) воздуха или газа в широких каналах до 3 м. Допустимая погрешность градуировки и вычерчивания шкалы вторичного прибора при изменении температуры окружающей среды ±10 С составляет ±0,5%. 3) термоэлектрические пирометры (300-1600 С) а) термоэлектрические пирометры. Общая вероятная погрешность для термопар при соблюдении всех правил отсчета, монтажа и установки прибора и отсчета не должна превышать согласно [19] : At, =±1,4-г-2% (от измеряемой величины) при измерении температур воды, воздуха или пара в трубопроводах At, =±2+3,0% при измерении температуры воздуха или газа в широких каналах до 3 м. б) поверхностные термопары. Общая вероятная погрешность (прибора, установки, отсчета) при измерении температур поверхности термопарами при соблюдении всех правил отсчета, монтажа и установки прибора и отсчета не должна превышать согласно [19] At, =±1,2+1,5% измеряемой величины. 4) пирометры излучения (800-2000 С). Общая вероятная погрешность (наводки прибора-до ±10 С из-за запыленности стенок телескопа, перекала лампы) прибора и отсчета при соблюдении всех правил отсчета, наводки и работы с прибором не должна превышать согласно [19] At,=±l,5% предельного значения шкалы. Итак, возвращаясь к технологическим отклонениям холодного воздуха, которые согласно вышеописанному будут равны 4,48% Суммарные отклонения температуры холодного воздуха составит 7,48%. - Закон распределения нормальный. Коэффициент рассеивания к - 1,0. г) Потеря тепла от химической неполноты сгорания топлива, (яз) - Эксплуатационные отклонения нет или незначительные, так как данный параметр определяется в ходе проектирования по таблице, в зависимости от вида топлива и горелки. - Технологические отклонения можно оценить по значению погрешности определения. В зависимости от применяемых газоанализаторов предельное значение погрешности определения потерь с химической неполнотой горения оценивается ±15% [92]. Суммарные отклонения по потери тепла от химической неполноты сгорания составит ±15 %. Закон распределения - равновероятный, так как не учитывались эксплуатационные отклонения. Коэффициент рассеивания к = 1,75. д) Потеря тепла от наружного охлаждения. (q5) Эксплуатационные отклонения в большей степени зависят от эксплуа тационного состояния внешнего ограждения котла.
