Введение к работе
Актуальность работы. Большое число гидротехнических сооружений в России расположено в районах с суровыми климатическими условиями, поэтому актуальным является вопрос борьбы с обледенением механического оборудования при эксплуатации водопропускных гидротехнических сооружений в осенне-зимний период.
Одним из ответственейших узлов плотин гидроэлектростанций являются затворы водо - и ледопропускных сооружений. Из-за отсутствия обогрева затворов водосбросов возникла тяжелейшая ситуация пропуска паводка на Зейской ГЭС весной 2007 г. с катастрофическими затоплениями территорий нижнего бьефа. Для защиты сооружений Бурейской ГЭС по требованию МЧС России сохраняются в рабочем состоянии два затвора из восьми на глубинных строительных водосбросах, имеющие систему электрообогрева с нагревателями из композиционных резистивных материалов. Постоянно требуется пропуск льда через клапанный затвор Нарвской ГЭС. что возможно только при наличии электрообогрева.
Понятно, что системы обогрева являются неотъемлемой частью всех водопропускных сооружений, включая затворы водосбросных пролетов, ледо- и шугосбросов. быстропадающих затворов, затворов судопропускных сооружений, доковых камер.
Как показывает опыт эксплуатации затворов зимой, необходимо учитывать возможность нарушения нормальной работы затвора из-за возникновения всевозможных ледовых затруднений (рис.1).
Рис. 1. Обледенение затворов водосбросной плотины Майнской ГЭС
Наиболее распространенными из них являются: обмерзание опорно-ходовых частей: обмерзание уплотнений на участках примыкания затвора к
поверхности сооружения, обмерзание обшивки затвора с верховой стороны, примерзание затворов к их порогам, намерзание льда на боковых поверхностях быков и устоев Опыт показывает, что почти на всех водопропускных гидротехнических сооружениях России в осенне-зимний период возникают подобного рода затруднения
Чаще всего для устранения ледовых затруднений используется электрообогрев
Существующие способы обогрева, такие как индукционный обогрев, различные виды масляного обогрева (циркуляционный и нециркуляционный), калориферный обогрев, методы, основанные на подаче электрической мощности непосредственно к элементам оборудования, шинный электрообогрев, обогрев с использованием греющих лент типа ЭНГЛ и греющих кабелей постоянного и переменного сопротивления известны давно и широко применялись в практике гидроэнергетического строительства В настоящее время большая часть из применяемых ранее систем обогрева утратила свою актуальность, морально устарела, вышла из строя Как правило, реконструкции эти системы не подлежат, взамен вышедших из строя новые виды обогрева не вводятся, а используются временные схемы эксплуатации обогрева на основе ТЭНов, греющих кабелей, требующих постоянного внимания и ремонта Поэтому создание новых технологий обогрева конструкций водопропускных гидротехнических сооружений, предназначенных для работы в различных природно-климатических условиях, с использованием новых материалов, обеспечивающих надежную, долговечную и безопасную работу сооружений, является актуальной задачей
Наиболее перспективным способом борьбы с обледенением затворов следует признать системы обогрева с нагревателями из активных греющих элементов на основе композиционных резистивных материалов (КРМ) Неоспоримыми достоинствами систем обогрева на основе КРМ являются высокие удельные мощности, равномерность распределения по поверхности и объему выделяемого тепла, экономичность за счет большой теплоемкости материала нагревателей, обеспечивающей аккумуляцию тепла, возможность использования импульсной подачи энергии для регулирования мощности обогрева и скорости разогрева конструкции Несмотря на все вышеперечисленные достоинства КРМ, у них имеется ряд недостатков Это - высокие значения объемного веса, высокая влагоемкость, из-за чего необходима тщательная вла-гоизоляция активных греющих элементов
Следующим шагом в области создания систем обогрева на основе КРМ является разработка и использование нового композиционного резистивного нагревательного материала - БИТЭЛ (материал на битумном вяжущем), обеспечивающего надежную и долговечную работу систем обогрева конструкций затворов и других элементов механического оборудования водопропускных гидротехнических сооружений в осенне-зимний период
Цель и задачи работы. Целью работы являлись разработка и обоснование нового типа обогрева затворов и других элементов механического оборудования водопропускных гидротехнических сооружений, предназначенного для работы в различных климатических зонах страны с использованием новых композиционных резистивных материалов с надежными электрическими характеристиками, широким диапазоном рабочих удельных мощностей, влагостойких, которые бы обеспечили надежность и долговечность работы сооружений, ремонтопригодность и удобство в эксплуатации системы обогрева
В соответствии с поставленной целью работы сформулированы следующие задачи исследования
1 Разработка конструкции нагревателя на основе активных греющих
элементов из БИТЭЛа для систем электрообогрева затворов и других элемен
тов механического оборудования гидротехнических сооружений
Разработка и выбор конструкции активного греющего элемента из БИТЭЛа, выбор его начальных параметров, расчет температуры разогрева элемента
Разработка практических рекомендаций по применению новой конструкции обогрева затворов и других элементов механического оборудования водопропускных гидротехнических сооружений на основе активных греющих элементов из КРМ БИТЭЛ
В связи с поставленными задачами необходимо провести экспериментальные исследования нового композиционного резистивного материала БИТЭЛ, позволяющие
определить величины удельного объемного электрического сопротивления,
найти зависимости для подбора составов для направленного получения свойств материала,
исследовать изменение величины удельного объемного электрического сопротивления в процессе разогрева (свойство саморегуляции),
- определить физико-механических и теплофизические свойства
Методы исследований. Работа носит расчетно-экспериментальный ха
рактер Проведены экспериментальные исследования величины удельного
объемного электрического сопротивления, на их основе выполнен подбор
составов БИТЭЛа Экспериментально изучено свойство саморегуляции, ис
следованы физико-механические и теплофизические свойства материала
На основе расчетов начальных параметров выполнены конструктивные проработки расположения электродов, формы и размеров греющих элементов и нагревателей применительно к обогреву затворов и других элементов механического оборудования водопропускных гидротехнических сооружений
Достоверность результатов. Достоверность результатов основана на применении в экспериментальных исследованиях приборов, прошедших мет-
рологические поверки, использовании рекомендаций ГОСТов для определения физико-механических свойств материала, выполнении тепловых расчетов с применением методик, базирующихся на известных решениях уравнения теплопроводности
Научная новизна работы состоит
В создании нового типа и конструкции обогрева затворов и других элементов механического оборудования водопропускных гидротехнических сооружений с применением разработанного нагревательного материала на основе битумного вяжущего
В разработке нового композиционного резистивного нагревательного материала - БИТЭЛ, обладающего свойством саморегуляции удельного объемного электрического сопротивления в зависимости от температуры разогрева материала, влагостойкостью, постоянством пусковых токов (Патент на изобретение № 2237302)
В разработке метода подбора составов материала с заданными свойствами
В разработке и обосновании конструкции активного греющего элемента, способе подбора его начальных параметров и расчете температуры разогрева (Патент на полезную модель №56757)
В разработке конструкции нагревателя для систем обогрева затворов и других элементов механического оборудования гидротехнических сооружений на основе активных греющих элементов из БИТЭЛа
Практическая ценность и реализация работы. Практическая ценность работы заключается
в адаптации нового типа обогрева к условиям эксплуатации различных водопропускных гидротехнических сооружений,
в использовании свойства саморегуляции удельного объемного электрического сопротивления БИТЭЛа для защиты системы от перегрева,
в возможности работы системы на основе нагревателей из БИТЭЛа в условиях различного теплосъема, в том числе в зоне переменного уровня воды
в отсутствии скачков пусковых токов системы электрообогрева,
в разработке конструкций активного греющего элемента из БИТЭЛа и нагревателя на его основе,
в применении системы обогрева на основе греющих элементов, способных работать в широком диапазоне влажности, вплоть до возможной их работы в воде без устройства какой-либо гидроизоляции
Результаты проведенных исследований были использованы при подготовке технических предложений при создании системы обогрева Бурей-скойГЭС Планируется создание системы обогрева затворов Зейской ГЭС, затворов доковых камер Комплекса Защиты Санкт-Петербурга от наводнений, затворов гидротехнических сооружений ТГК-1
Использование нагревателей на основе БИТЭЛа внедрено в проект электрообогрева водоприемной шахты второго машинного отделения Главной водопроводной станции ГУЛ «Водоканал Санкт-Петербурга» Система обогрева водоприемной шахты предназначена для защиты от шугообразования
Результаты работы также реализованы при изготовлении и монтаже системы обогрева водосборных колодцев и дренажного канала в Дренажном помещении №3 (ДП-3) в подводном автотранспортном тоннеле на Канонерский остров в Санкт-Петербурге для обеспечения беспрепятственного стока талых вод и фильтрирующей воды в зимнее время для исключения образования наледей на пешеходной дорожке и на проезжей части тоннеля
Апробация работы. Результаты различных этапов работы в течение 2003-2007 гг докладывались и обсуждались в Санкт-Петербурге на 17 Международном симпозиуме по льду, 21-25 мая 2005 г , на научно - технической конференции «Гидроэнергетика Новые разработки и технологии», 7-9 декабря 2005 г, проведенной ОАО «ВНИИГ им Б Е Веденеева» совместно с ОАО РАО «ЕЭС России», ОАО «ГидроОГК», НП «Гидроэнергетика России», на конференции - семинаре в «Инновационные технологии в энергетике», Москва, 23-24 мая 2007 г, проведенным РАО «ЕЭС России», а также на заседаниях Ученого совета ВНИИГ им Б Е Веденеева и его секциях в 2004 - 2006 гг
Автор выражает признательность сотрудникам лаборатории ледотермики и ледотехники ВНИИГ им Б Е Веденеева, оказавшим помощь при проведении отдельных лабораторных и производственных испытаний и исследований
Публикации. По теме диссертационной работы имеется 5 публикаций
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы Диссертация содержит 161 страницу машинописного текста, включает 63 рисунка, 12 таблиц, 5 приложений и список литературы из 163 наименований
Положения, выносимые на защиту:
Новый тип и конструкция обогрева затворов водопропускных гидротехнических сооружений с применением систем на основе композиционных резистивных материалов для обеспечения надежности их эксплуатации в осенне-зимнее время
Новый композиционный резистивный материал, обладающий свойством саморегуляции удельного электрического сопротивления в зависимости от температуры его разогрева, включая способ подбора составов материала с заданными свойствами
Конструкция активного греющего элемента из БИТЭЛа, методика подбора начальных параметров активного греющего элемента из нового композиционного резистивного материала БИТЭЛ и температуры его разогрева
Похожие диссертации на Обоснование новой конструкции обогрева затворов гидротехнических сооружений на основе композиционных резистивных материалов
