Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов исследования систем тепловоздухообмена производственных помещений с избыточными тепловыделениями 13
1.1. Особенности организации системы тепловоздухообмена главных корпусов ТЭС 14
1.2. Экспериментальные методы исследования 16
1.3. Расчетные (балансовые) методы исследования 18
1.4. Математическое моделирование процессов тепловоздухообмена производственных помещений 22
1.4.1 Моделирование турбулентности 25
1.4.2. Программная реализация математических моделей 29
1.5. Исследование тепловоздушного режима главных корпусов ТЭС 31
1.6. Выводы и задачи исследования 41
2. Экспериментальное исследование системы тепловоздухообмена главного корпуса ТЭС 45
2.1. Санитарные требования к микроклимату производственных помещений 45
2.2. Описание системы тепловоздухообмена главного корпуса Костромской ГРЭС 48
2.3. Результаты экспериментального исследования системы тепловоздухообмена 50
2.4. Выводы по главе 2 63
3. Разработка методики балансового расчета системы тепловоздухообмена главного корпуса ТЭС 64
3.1. Методика балансовых расчетов основных параметров системы тепловоздухообмена главного корпуса ТЭС 65
3.1.1. Материальный баланс воздуха 65
3.1.2. Тепловой баланс воздуха 68
3.1.3 Определение избыточных тепловыделений в главном корпусе 71
3.1.4 Определение допустимого забора воздуха из помещения главного корпуса 72
3.2. Тепловоздушный режим главного корпуса Костромской ГРЭС 73
3.3. Выводы по главе 3 79
4. Моделирование процессов тепловоздухообмена в главном корпусе ТЭС 80
4.1. Описание объекта моделирования. Математическая формулировка задачи 80
4.1.1. Основные допущения, принятые в модели 84
4.1.2. Метод решения 85
4.2. Настройка модели 86
4.3. Точность численного решения 87
4.4. Проверка адекватности математической модели 88
4.5. Выводы по главе 4 92
5. Повышение экономичности ТЭС за счёт совершенствования системы тепловоздухообмена главного корпуса 93
5.1. Исследование режимов функционирования системы тепловоздухообмена главного корпуса КГРЭС на математической модели 93
5.1.1. Рекомендации по совершенствованию системы тепловоздухообмена главного корпуса КГРЭС 106
5.1.2. Расчет экономического эффекта за счет уменьшения тепловой нагрузки системы отопления главного корпуса КГРЭС 110
5.2. Выбор рационального режима работы калорифера перед регенеративным воздухоподогревателем 112
5.2.1. Расчет тепловой схемы энергоблока мощностью 300 МВт 114
5.2.2. Расчет основных параметров работы энергоблока мощностью 300 МВт с калорифером и без калорифера перед РВП 123
5.2.3. Расчет экономического эффекта за счет отключения калорифера перед РВП 128
5.2.4. Расчет экономии топлива при снижении тепловой нагрузки энергетического калорифера перед РВП 130
5.3. Выводы по главе 5 132
Основные выводы и результаты работы 134
Список литературы 138
Приложения 155
- Расчетные (балансовые) методы исследования
- Описание системы тепловоздухообмена главного корпуса Костромской ГРЭС
- Материальный баланс воздуха
- Основные допущения, принятые в модели
Введение к работе
Актуальность работы. Вопросы энергосбережения приобретают особую актуальность в современных условиях. Одним из способов повышения энергоэффективности на тепловых электростанциях (ТЭС) является совершенствование режима эксплуатации системы тепловоздухообмена главного корпуса. Неправильная организация систем вентиляции и теплоснабжения главного корпуса приводит к увеличению затрат на собственные нужды и к отклонению параметров воздушной среды внутри помещения от нормативных значений.
Формирование тепловоздушного режима в главном корпусе ТЭС представляет собой комплексный процесс, на который оказывают влияние аэродинамика воздушных потоков и теплообмен между тепловыделяющим оборудованием, приборами системы теплоснабжения, воздушной средой и внутренними ограждениями производственного корпуса. Также в условиях неритмичной работы технологического оборудования и неполной его загрузки сильное влияние на температурное поле главного корпуса тепловой станции оказывает разрежение, создаваемое дутьевыми вентиляторами.
Таким образом, в настоящее время актуальной является задача совершенствования системы тепловоздухообмена главного корпуса ТЭС в зависимости от температуры окружающей среды, от числа работающих энергоблоков и их нагрузки, а также от количества воздуха, забираемого из помещения на технологические нужды. При этом повышение энергетической эффективности ТЭС возможно за счёт выбора рационального режима работы энергетического калорифера перед регенеративным воздухоподогревателем и приборов системы теплоснабжения главного корпуса с учётом требований, предъявляемых к микроклимату производственных помещений.
Объект исследования. Система тепловоздухообмена главного корпуса ТЭС.
Предмет исследования. Процессы тепловоздухообмена в свободном объеме главного корпуса ТЭС.
Целью работы является повышение энергетической эффективности ТЭС путем исследования и совершенствования системы тепловоздухообмена главного корпуса станции.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Провести анализ методов исследования системы тепловоздухообмена производственного помещения с избыточными тепловыделениями.
Выполнить экспериментальное исследование тепловоздушного режима главного корпуса блочной ТЭС.
Разработать методику балансовых расчетов тепловоздушного режима главного корпуса ТЭС, позволяющую определять количество дутьевого воздуха, которое можно забирать из помещения в зависимости от числа работающих блоков, их нагрузки и температуры окружающей среды при соблюдении санитарных норм в рабочих зонах.
При выполнении диссертации оказаны научные консультации к.т.н., доц. Ракутиной Д.В.
Разработать трехмерную математическую модель процессов тепловоздухо-обмена в главном корпусе блочной ТЭС. Адекватность математической модели проверить путем сопоставления результатов расчета с данными экспериментального исследования микроклимата в главном корпусе блочной ТЭС.
Получить регрессионную модель, характеризующую зависимость температуры воздуха внутри помещения от количества воздуха, забираемого дутьевыми вентиляторами из котельного отделения, нагрузки системы теплоснабжения и температуры наружного воздуха.
Провести исследование режимов функционирования системы тепловоздухо-снабжения главного корпуса ТЭС и разработать рекомендации по энергосбережению на блочных ТЭС данного типа.
Методы исследования. В диссертации использованы экспериментальные и расчетные методы исследования. В качестве расчетных методов применялись балансовые методы и методы математического моделирования.
Достоверность представленных в работе результатов и выводов, полученных проведением вычислительного эксперимента, подтверждена путем сравнения расчетных данных с результатами промышленных экспериментов.
Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.14.04 - «Промышленная теплоэнергетика».
Соответствие диссертации формуле специальности
В соответствии с формулой специальности 05.14.04 - «Промышленная теплоэнергетика», объединяющей исследования по совершенствованию промышленных теплоэнергетических систем и поиск принципов действия теплотехнического оборудования, которые обеспечивают сбережение энергетических ресурсов, в диссертационном исследовании разработаны рекомендации по повышению энергетической эффективности ТЭС за счёт выбора рационального режима работы калорифера перед регенеративным воздухоподогревателем и приборов системы теплоснабжения главного корпуса с учётом требований, предъявляемых к микроклимату производственных помещений.
Соответствие диссертации области исследования специальности
Отраженные в диссертации научные положения соответствуют пункту 1 «Разработка научных основ сбережения энергетических ресурсов в промышленных теплоэнергетических устройствах и использующих тепло системах и установках» и пункту 3 «Теоретические и экспериментальные исследования процессов тепло- и массопереноса в тепловых системах и установках, использующих тепло. Совершенствование методов расчета тепловых сетей и установок с целью улучшения их технико-экономических характеристик, экономии энергетических ресурсов».
В диссертации разработана методика балансовых расчетов тепловоздушного режима главного корпуса ТЭС. Выполнено экспериментальное и теоретическое исследование системы тепловоздухообмена главного корпуса ТЭС. При помощи современных САЕ-систем разработана трехмерная математическая модель системы тепловоздухообмена главного корпуса ТЭС. Предложены новые способы сбереже-
ния энергетических ресурсов на ТЭС за счёт совершенствования системы тепловоз-духообмена.
Научная новизна работы.
Разработана новая методика балансовых расчетов тепловоздушного режима главного корпуса ТЭС, которая на основе информации о величине избыточных тепловыделений в свободном объеме главного корпуса, позволяет определять количество дутьевого воздуха, забираемого из помещения, в зависимости от числа работающих блоков и их нагрузки, температуры окружающей среды, тепловой мощности панельных калориферов "на просос" и приборов системы теплоснабжения при соблюдении санитарных норм в рабочих зонах.
Разработана трехмерная математическая модель системы тепловоздухообме-на главного корпуса ТЭС, позволяющая исследовать взаимное влияние различных параметров тепловоздушного режима главного корпуса с целью разработки энергосберегающих мероприятий.
Реализован новый подход к совершенствованию систем воздухо- и теплоснабжения главного корпуса блочной ТЭС, основанный на математическом моделировании при помощи современных САЕ-систем и направленный на повышение экономичности работы станции.
Получена новая информация о способах повышения экономичности энергоблока за счёт выбора рациональных тепловых нагрузок энергетического калорифера перед регенеративным воздухоподогревателем и приборов системы теплоснабжения главного корпуса при заданном количестве воздуха, забираемого дутьевыми вентиляторами из котельного отделения.
Экспериментально получена новая информация о микроклимате в главном корпусе Костромской ГРЭС с блоками 300 МВт в зависимости от температуры наружного воздуха, числа работающих блоков и величины забора воздуха дутьевыми вентиляторами из помещения.
Практическая ценность работы.
В результате комплексного экспериментального исследования определена величина инфильтрационного воздуха и избыточных тепловыделений в главном корпусе КГРЭС в зависимости от температуры окружающей среды.
Методика балансовых расчетов тепловоздушного режима главного корпуса, реализованная в виде вычислительной программы «AirKGRS», позволяет определять допустимое количество дутьевого воздуха, забираемого из помещения, в зависимости от числа работающих блоков, их нагрузки и температуры окружающей среды при соблюдении санитарных норм воздушной среды и фиксированной тепловой нагрузке приборов системы теплоснабжения.
Составлена инструкция по определению величины забора воздуха дутьевыми вентиляторами из помещения главного корпуса Костромской ГРЭС в холодный период года.
Получено уравнение регрессии для прогнозирования температурного режима внутри главного корпуса ТЭС в зависимости от количества воздуха, забираемого
дутьевыми вентиляторами из котельного отделения, нагрузки системы теплоснабжения и температуры наружного воздуха.
Предложены номограммы для выбора количества воздуха, забираемого из помещения, и нагрузки приборов системы теплоснабжения, при которых температура внутри главного корпуса будет соответствовать допустимой при заданной температуре наружного воздуха.
В результате теоретического и экспериментального исследования системы тепловоздухообмена главного корпуса ТЭС разработаны рекомендации по повышению экономичности энергоблока за счёт выбора рационального режима работы энергетического калорифера перед регенеративным воздухоподогревателем при соблюдении требований предъявляемых к микроклимату производственных помещений.
Предложены рекомендации по уменьшению тепловой нагрузки приборов системы теплоснабжения главного корпуса ТЭС за счёт снижения инфильтрации через остекление турбинного отделения с оценкой экономической эффективности данного мероприятия.
Реализация результатов.
Экспериментальная часть работы выполнялась в рамках хозяйственного договора с ОАО «Костромская ГРЭС» в 2003-2004 годах.
Результаты диссертационной работы в виде вычислительной программы «AirKGRS» и конкретных рекомендаций по совершенствованию тепловоздушного режима главного корпуса ТЭС переданы ОАО «Костромская ГРЭС». Внедрение предложенных рекомендаций позволит повысить экономичность работы станции. Программа «AirKGRS» может быть использована для разработки алгоритма управления микроклиматом в главном корпусе КГРЭС с блоками 300 МВт.
Результаты экспериментального и теоретического исследования системы тепловоздухообмена главного корпуса Костромской ГРЭС опубликованы в широкой печати и могут быть использованы при проектировании и наладке тепловоздушного режима ТЭС данного типа.
Личный вклад автора в получении результатов состоит:
в проведении промышленных испытаний и обработке результатов эксперимента;
в разработке новой методики балансовых расчетов тепловоздушного режима главного корпуса ТЭС;
в разработке математической модели системы тепловоздухообмена главного корпуса ТЭС;
в разработке рекомендаций по энергосбережению и повышению экономичности ТЭС.
Автор защищает:
- методику балансовых расчетов тепловоздушного режима главного корпуса
ТЭС, позволяющую определять допустимое количество воздуха, забираемое на
технологические нужды из помещения, при соблюдении санитарно-
гигиенических требований к воздуху в рабочих зонах;
математическую модель системы тепловоздухообмена главного корпуса ТЭС;
результаты исследования режимов функционирования системы тепловоздухообмена главного корпуса станции и рекомендации по совершенствованию тепловоз душного режима ТЭС.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты данной работы представлялись:
на международных научно-практических конференциях: «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2008 и 2009); «Тинчуринские чтения» (Казань, КГТУ, 2009, 2010 и 2011); «Состояние и перспективы развития электротехнологии. XV и XII Бенардосовские чтения» (Иваново, ИГЭУ, 2009); «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов» (Москва, МИСиС, 2010);
на всероссийских научно-практических конференциях: «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» (Оренбург, ОГУ, 2007); «Теория и технология металлургического производства» (Магнитогорск, МГТУ, 2008);
на региональной научно-технической конференции «Теплоэнергетика» (Иваново, ИГЭУ, 2009, 2010 и 2011).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 16 публикациях, в том числе в 5 статьях и докладах, 11 тезисах докладов, из них 3 статьи в журналах по списку ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 4 приложений. Работа содержит 155 страниц машинописного текста, рисунки, таблицы, список литературы из 172 наименований и приложения.
Расчетные (балансовые) методы исследования
Инженерные методы расчета воздухообмена и воздухораспределения базируются на приближенных математических моделях, представляющих собой систему уравнений тепловоздушных балансов, составленную для характерных объемов помещения. Теоретическое исследование систем тепловоздухообмена промышленных зданий с тепловыделениями выполнено в работах Батурина В.В [24 -29], Акинчева Н.В. [15], Эльтермана В.М. [24, 143, 147], Реттера Э.И. [99, 100], Талиева В.Н. [118-121], Шепелева И.А. [132-134], Штромберга Я .А. [139], Халецкого И.М. [130], Шилькрота Е.О. [135-137], Ярового В.Г. [150, 151], Минновича Я.М. [78], Гримитлина М.И. [41-43] и других. В настоящее время в этой-области работают Табунщиков Ю.А.[116, 117], Шилькрот Е.О. [135-137], Гримитлин А.М. [37, 38], Позин Г.М: [89], Полосин. И.И. [94], Бродач М.М. [32], БагаутдиновЗ.С. [2Г-23, 113] и другие. Расчет тепловоздушного4режима помещений с механической.вентиляцией основан на закономерностях струйных, течений, учитывающих особенности развития вентиляционных струй. Исследованию закономерностей струйных течений посвящен ряд основополагающих монографий [14, 43, 118, 132] и многочисленные работы выдающихся зарубежных и отечественных ученых [35, 49, 51, 89, 92, 93, 111, 115,143,154].
В настоящее время разработаны инженерные методы расчета для наиболее распространенных типов вентиляционных струй (компактных, плоских, веерных, конических, закрученных и др.) с учетом их специфических особенностей: выпуском воздуха через затененные отверстия, неизотермично-стью, развитием в стесненных условиях, взаимодействием струй друг с другом и с ограждениями [114]. С помощью закономерностей струйных течений решаются такие задачи, как нахождение экстремальных величин скорости и избыточной температуры в рабочей зоне, оценка1 равномерности скоростных и температурных полей при различных способах подачи воздуха и связанное с этой задачей определение количества воздухораспределительных устройств, проверка соответствия схем циркуляции воздушных потоков в помещении расчетным условиям и др.
Вычисление количества приточного воздуха в помещениях с механической вентиляцией основано на балансовых расчетах и использовании коэффициента воздухообмена (К/), связывающего параметры воздуха на истечении в рабочей зоне и в удаляемом воздухе и дающего представление об эффективности использования вентиляционного воздуха. Коэффициент возду хообмена-рассчитывают аналитически по методике Г.М. Позина [91-93]. Выражения для К/ получены для всех основных способов подачи воздухаи приведены в [90, 114]..
Расчет тепловоздушного режима при естественном движении воздуха (аэрации) также базируется на балансовых методах и основан на аналитическом решении уравнений Эйлера (уравнений статики) для идеальной жидкости, движущейся с постоянной и независимой ни от координат, ни от времени скорости [24, 48, 114].
Различают две физические модели аэродинамики воздушных потоков в помещениях с тепловыделениями. Согласно первой модели [132, 135-137] помещение по высоте делится на две различные по температуре зоны, каждая со своей автономной циркуляцией. Верхняя зона с более высокой температурой (тепловая подушка) отделена от нижней зоны тонким слоем воздуха, так называемым температурным перекрытием. Воздух в нижней рабочей зоне нагревается как за счет контакта с нагретыми поверхностями технологического оборудования, так и от пола и предметов, получающих теплоту излучением из верхней зоны. Конвективные тепловые струи поступают в верхнюю зону через температурную границу и удаляются через аэрационные проемы. По второй модели вентиляции [15, 116] рассматривают течение и теплообмен воздушных потоков во всем объеме производственного помещения без, весьма условного, деления его на зоны.
Алгоритм расчета тепловоздушного режима главных корпусов ТЭС описан в РД [3]. Расчет основан на решении системы уравнений материального и теплового балансов воздуха. Искомыми величинами являются массовый расход эксфильтрационного и инфильтрационного воздуха, а так же тепловые потери энергетического оборудования. Все составляющие уравнений материального и теплового балансов получают на основании фактических измерений и обработки результатов натурных испытаний, а также расчетным путем с использованием геометрических параметров главного корпуса и теплофи-зических характеристик наружных ограждений здания. К основным недостаткам данной методики [3], как в прочем и многих других [75, 101], следует отнести неверный расчет движущей силы вентиляции в главных-корпусах ТЭС при заборе части воздуха изкотельного отделения: В этомf случае кроме естественного движения, обусловленного разностью, давлений, внутри и. снаружи помещения движение воздуха вызывает разряжение, создаваемое дутьевыми, вентиляторами. Поэтому, несмотря на учет приточного и дутьевого воздуха, в [3] данный метод, использующий перепад аэростатического давления по высоте" корпуса, вряд ли- целесообразно применять для расчета комбинированной естественной и механической вентиляции..
Описание системы тепловоздухообмена главного корпуса Костромской ГРЭС
Главный корпус КГРЭС — трехпролетное здание с размещением в пролетах турбогенераторного, деаэраторного и парогенераторного отделений (рис. 2.1). Разделительная стенка между отделениями отсутствует. В главном корпусе установлено восемь энергоблоков мощностью по 300 МВт. Парогенераторы I очереди ТГМП-114 - двухкорпусные, II очереди ТГМП-314 - од-нокорпусные. В машинном зале в поперечном направлении расположены восемь турбоагрегатов К-300-240 с генераторами ТВВ-320-2.
Воздухозаборные отверстия дутьевых вентиляторов котлоагрегатов расположены в парогенераторном отделении на отметках: для I очереди - 42,0 м, для II очереди - 49,0 м.
Для частичного подогрева приточного воздуха в котельном отделении установлены калориферы в стеновых панелях ряда Г (отметка 1,8 м). Калориферы работают на самотяге («на просос») за счет естественного напора и разряжения, создаваемого дутьевыми вентиляторами. В главном корпусе также имеется шесть ворот, оборудованных воздушно — тепловыми завесами. В блочных щитах управления (БЩУ) и кабинах мостовых кранов установлены автономные кондиционеры.
Приток воздуха в помещение главного корпуса в теплое время года осуществляется через фрамуги световых проемов по ряду А (отметка 10,5 м) и по ряду Б (отметка 30,0 м) и через калориферы, встроенные в стены ряда Г Гирлянды термопар Рис. 2.1. Схема воздухообмена в главном корпусе Костромской ГРЭС Эфр - воздух, поступающий через открытые фрамуги оконных проемов; Gneper - воздух, перетекающий из машинного в котельное отделение; GncWc - воздух, подсасываемый кладкой парогенератора; GKa,i - воздух, просасываемый через панельные калориферы ряда Г; G$ - воздух, уходящий через аэрационный фонарь ( отметка 1,8 м), а в холодное время года через калориферы ряда Г работающие «на просос» и за счет инфильтрации. Удаление воздуха из помещения главного корпуса производится дутьевыми вентиляторами и за счёт присосов через неплотности обмуровки-парогенератора. Летом воздух удаляется также через аэрационный фонарь паро-генераторного отделения и через неорганизованные неплотности стеновых ограждений (эксфильтрация), при этом забор воздуха дутьевыми вентиляторами из помещения составляет 100% их производительности. На рис. 2.1 показана схема воздухообмена в главном корпусе Костромской ГРЭС с указанием направления воздушных потоков. Таким образом, для организации оптимального микроклимата в главном корпусе КостромскойТРЭС с блоками 300 МВт используется аэрация с установкой калориферов "на просос" по ряду Г и частичным или полным забором воздуха на горение из котельного отделения, т.е. главный корпус Костромской ГРЭС по способу организации воздухообмена можно отнести ко второму типу (см. раздел 1.1).
Заметим, что аэрация в чистом виде в свободном объеме главного корпуса ТЭС с полным или частичным забором воздуха из котельного отделения отсутствует, так как на естественный воздухообмен влияет разряжение, создаваемое дутьевыми вентиляторами. В этом случае эффективность воздухообмена определяется режимом работы технологического оборудования и геометрическими размерами приточных проемов и фонарей, а также климатическими условиями окружающей среды.
Экспериментальное исследование микроклимата в главном корпусе КГРЭС проведено в холодный период года с декабря 2003 года по апрель 2004 года в соответствие с программой испытаний, составленной на основе РД 34.21.401-90 [3] и утвержденной главным инженером КГРЭС.
Bs процессе эксперимента было выполнено измерение температуры воздуха в помещениях парогенераторного и турбогенераторного отделений. Температуру измеряли при помощи термоэлектрических термометров типа ТМК, которые были скомпонованы, в две: гирлянды по восемь термопар в каждой. В качестве регистрирующих приборов использованы два модуля распределенного ввода ADAM-4018M»c функцией запоминания-сигнала.
Модуль ADAM-4018М обеспечивает измерение аналогового сигнала получаемого от термопар. Модуль, имеет 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь, 6 дифференциальных и 2 однополюсных канала. Питание модуля-осуществляется нестабилизированным напряжением 10- -30 В- постоянного тока: ADAM-4018M оснащен флэш-памятью на 10000 измерений.
Энергонезависимая память модуля ADAM-4018M позволяет использовать его для измерения температур отдельно от компьютера-. В этом-случае питание модуля осуществляется от батарей или от сети. При проведении эксперимента в качестве источника питания модуля был использован аккумулятор, состоящий из трех батарей 4,5 В типа 3R12, соединенных последовательно. Аккумулятор обеспечивает 12 часов непрерывных измерений.
Установка рабочих спаев медь - константановых термопар, подключенных к ADAM-4018M, в точки замера проводилась с рабочих площадок кранов, которые перемещались в заранее намеченные позиции между парогенераторами в котельном отделении и турбогенераторами в машзале. Согласно РД 34.21.401-90, достаточным является- измерение температуры воздуха в одной точке на площади 12x12 м, не занятой оборудованием и конструкциями. Выбор контрольной точки следует производить не ближе 2 м от поверхностей тепловыделяющего оборудования. Средний интервал между плоскостями измерений по высоте должен составлять 10-К20 м.
Материальный баланс воздуха
Методика балансового расчета тепловоздушного режима главного корпуса ТЭС основана на совместном решении уравнений теплового и материального балансов. Сначала по результатам экспериментального исследования находят количество избыточных тепловыделений от основного и вспомогательного оборудования в главном корпусе ТЭС и количество инфильтраци-онного воздуха, поступающего через неплотности и поры стеновых ограждений. Далее, зная величину избыточных тепловыделений, определяют допустимое количество воздуха, которое можно забирать на горение из котельного отделения, при соблюдении требуемой СанПиН [6] температуры внутри главного корпуса. Материальный баланс воздуха свободного объема главного корпуса включает следующие величины: Приход: Ghan количество воздуха, просасываемого через панельные калориферы ряда Г, кг/с; Gnnry — количество воздуха, поступающего из БЩУ, кг/с; GMH0 - количество инфильтрационного воздуха, поступающего в корпус через неорганизованные неплотности и поры стеновых ограждений ниже уровня плоскости нулевого давления, кг/с; Єфр - количество воздуха, поступающего через открытые фрамуги оконных проемов, кг/с. Расход: G%M - количество воздуха, забираемого дутьевыми вентиляторами из помещения главного корпуса, кг/с; Споде количество воздуха, подсасываемого кладкой парогенератора, кг/с; Єф - количество воздуха, уходящего через аэрационный фонарь, кг/с. Таким образом, баланс воздуха в главном корпусе имеет вид: С кал + &БЩУ + инф + Єфр = Gde + Gmdc +Єф. (3.1) Количество воздуха, просасываемого через панельные калориферы ряда Г определяется по интегральному уравнению неразрывности: кал 2-і "кал і кал і Рв W-A) 1-І V-, где WKcmi - скорость воздуха на выходе из і-ого калорифера, м/с; FKajl; - площадь і-ой калориферной секции, м2; N - количество калориферов по ряду Г; рв - плотность воздуха, рассчитываемая по формуле: Т -Р Рв= РНУ Tv 7 ПП\ D [ІНУ+1 ) ГНУ где Рну= 1,293 кг/м - плотность воздуха при нормальных условиях (ТНУ =273 К; РНУ=101,32 кПа); Т = ТК1Ш1 - средняя температура воздуха, просасываемого через i-ый калорифер, С. Аналогично рассчитывается количество воздуха, поступающего через открытые фрамуги оконных проемов: і=і бб где УУфрі - скорость воздуха, измеренная на выходе из і-ой фрамуги, м/с; F. . - площадь і-ой фрамуги, м ; N - число открытых фрамуг оконных проемов; рв - плотность воздуха при Т = Тф t, кг/м . Количество воздуха, поступающего из блочных щитов управления, принимается по проекту. Для условий КГРЭС GELU y = 14,0 кг/с [125]. Количество воздуха, забираемого дутьевыми вентиляторами из помещения главного корпуса, определяется в зависимости от нагрузки и числа работающих блоков: G r=Gl{\-f3\ (3.5) где G$e = Gx +G2 - суммарная подача дутьевых вентиляторов, кг/с; G} - количество воздуха необходимое для горения, кг/с; G2 - перетоки воздуха в РВП из напорного тракта дутьевых вентиляторов в тракт газохода, кг/с; /3 доля дутьевого воздуха, забираемого из атмосферы.
По разработанной методике выполнен расчет теплового и воздушного балансов главного корпуса Костромской ГРЭС с блоками 300 МВт с целью определения избыточных тепловыделений и количества воздуха, которое можно забирать из котельного отделения, соблюдая при этом санитарно-гигиенические требования к воздуху в рабочей зоне. Исходные данные для расчета приняты по результатам экспериментального исследования тепло-воздушного режима главного корпуса Костромской ГРЭС (таблица 2.3). Пример расчета материально-теплового баланса главного корпуса КГРЭС с блоками 300 МВт приведен в Приложении 1. В таблице 3.1 представлены результаты расчета 6 вариантов материального и теплового балансов воздушного объема главного корпуса Костромской ГРЭС. Расчеты выполнены по данным таблицы 2.3 при разной нагрузке работающих блоков и разной температуре окружающей среды. Из таблицы 3.1 видно, что массовый расход инфильтрационного воздуха в главном корпусе КГРЭС изменяется от 282 кг/с (вариант 3: работали четыре блока с N3J1=15(Н-255 МВт) до 697 кг/с (вариант 6: работали четыре блока с N3n=300 МВт), что составляет 37 - 68 % от общего воздухообмена. Большие объемы инфильтрационных течений указывают на негерметичность ограждающих конструкций главного корпуса КГРЭС. Наличие повышенной инфильтрации приводит к увеличению затрат на собственные нужды станции и свидетельствует о нерациональной организации воздухообмена в главном корпусе в целом.
Основные допущения, принятые в модели
С целью упрощения численной модели лучистым теплообменом в расчетах пренебрегали, считая его влияние несущественным на процесс конвек-тивно-кондуктивного переноса тепла. Данное допущение подтверждается результатами экспериментального исследования влияния радиационного теплообмена на формирование температурного поля воздуха в рабочей зоне, проведенного автором работы [15]. Исследование показало, что при степени черноты поверхностей меньше 0,9 и температуре менее 300 С лучистой составляющей теплообмена можно пренебречь. Экспериментальное исследование показало, что скорость движения воздуха вдоль главного корпуса пренебрежимо мала по сравнению со скоростью движения воздуха в других направлениях. В связи с этим перетоком воздуха между энергоблоками пренебрегали. При этом на границе расчетной области было задано условие адиабаты.
Решение поставленной задачи выполнено на основе численных методов при помощи программного комплекса Phoenics.
В ПВК Phoenics численная аппроксимация дифференциальных уравнений вида (4.1) выполняется методом контрольного объема [85], суть которого заключается в следующем: геометрическое (и временное) пространство разбивается на конечное число объемов и для каждого из них записывается уравнение баланса субстанции (энергии, импульса, массы и т.д.). При этом баланс для каждого контрольного объема в общем случае связан с балансом шести смежных с ним объемов. Полученная таким образом система алгебраических уравнений решается методом итераций.
Для замыкания системы уравнений Навье-Стокса применяют различные модели турбулентности. Обзор методов расчета турбулентности подробно изложен в разделе 1.4.1 диссертации. В данной работе использовалась LVEL-модель турбулентности, которая является разновидностью модели пути смешения Прандтля и предназначена для расчета течения жидкости в пространстве, загроможденном различными препятствиями.
Для численного согласования решений осредненных уравнений неразрывности и Навье-Стокса использовался SIMPLEST-алгоритм [85]. 4.2. Настройка модели
С целью адаптации результатов расчета на математической модели к результатам эксперимента (см. главу 2 диссертации) проведена настройка модели путем выбора проницаемости калориферов парогенераторного отделения и виртуальных перегородок между турбинным и парогенераторным отделениями.
Калориферы парогенераторного отделения представляют собой систему оребренных труб, через которые просасывается воздух в главный корпус. В модели для учета сопротивления создаваемого калориферами была подобрана проницаемость приточного проема, которая составила 34 %.
Разделительная стенка между турбинным и парогенераторным отделениями отсутствует, однако система трубопроводов препятствует прямому перетоку воздуха в парогенераторное отделение. Для учёта этого в математической модели между турбинным и парогенераторным отделениями установлены две виртуальные перегородки с проницаемостью 60 и 40%. Проницаемость перегородок определена в результате сопоставления результатов расчета температурного поля с экспериментальными данными. 4.3. Точность численного решения
Точность численного решения контролировалась пересчетом на более мелкой разностной сетке (метод Рунге) [20]. Решение производилось на адаптивной сетке с ее сгущением в местах наибольших градиентов температур. В первом случае общее количество узлов сетки составило 92x16x62=91264, во втором случае - 113x16x101=182608.
Достоверность результатов расчета температуры на математической модели проверена путем сопоставления с данными экспериментального і исследования микроклимата в главном корпусе Костромской ГРЭС с блоками 300» МВт (глава 2). Расчёт выполнен для условий, при которых проводился эксперимент для вариантов 1, 3 и 4 таблицы 2.3. Коэффициент использования установленной тепловой производительности котлов у определен по формуле (4.2), расход воздуха, забираемого дутьевыми вентиляторами из главного корпуса в расчете на один энергоблок, G найден по формуле (4.3), тепловая нагрузка системы отопления Qmo рассчитана по температурным графикам, утвержденным на станции. Исходные данные, при которых выполнена проверка адекватности модели, представлены в таблице 4.2.
На рис. 4.3 - 4.5 показаны результаты расчета температуры внутри главного корпуса при температуре наружного воздуха -8 С, - 11 С и -16 С. На этих же графиках маркерами помечены экспериментальные данные. Для сравнения использованы средние значения температуры, измеренные в разных точках главного корпуса (рис. 2.2). В таблице 4.3 представлены максимальная и средняя погрешность расчета температуры. Из таблицы 4.3 видно, что максимальная относительная погрешность расчета температуры составляет 16,5 %, при этом в среднем относительная погрешность расчета температуры не превышает 8 %.
1. Разработана.математическая модель тепловоздушного режима главного корпуса Костромской ГРЭС с блоками 300 МВт. Модель учитывает основные процессы, происходящие в главном корпусе тепловой, станции: движение воздушных потоков, теплообмен между тепловыделяющим оборудованием, приборами системы теплоснабжения, воздушной средой и, внутренними ограждениями здания.
2. Решение данной задачи выполнено с использованием программно-вычислительного комплекса Phoenics. Для этого разработана трехмерная геометрическая модель главного корпуса в графическом редакторе: ПВК Phoenics, заданы граничные условия, подобрана разностная сетка, позволяющая выявить все особенности воздушных потоков внутри главного корпуса КГРЭС. Выбрана модель турбулентности, являющаяся эффективной для описания воздушных потоков в главном корпусе.
3. Проведена настройка модели путем выбора проницаемости калориферов парогенераторного отделения и виртуальных перегородок между турбинным и парогенераторным отделениями.
4. Адекватность математической модели проверена путем сопоставления результатов расчета температурного поля на модели с данными экспериментального исследования тепловоздушного режима КГРЭС. Получено удовлетворительное совпадение результатов расчета и эксперимента. В среднем относительная погрешность расчета температуры не превышает 8 %.
5. Созданная математическая модель использована для исследования и совершенствования тепловоздушного режима главного корпуса Костромской ГРЭС с блоками 300 МВт.
