Введение к работе
Актуальность работы:ГХарактерными особенностями"судовых и ко
эабельных главных, вспомогательных и утилизационных котлоагрегатов, то сравнению с аналогичными котлоагрегатами стационарной энергетики, являются малые габариты, большие удельные тепловые напряженности топочных объемов и конвективных поверхностей, повышенный или газотурбинный наддув, высокие скорости газов, плотные компоновки пакетов, широкий спектр эксплуатационных нагрузок к ориентация на использование жидких топлив.
Действующие нормативнко материалы по методам тепловых, гидравлических и аэродинамических расчетов в основном разработаны на базе обобщения опыта исследований, проектирования и эксплуатации преимущественно котлов энергоблоков. Использование этих методов для судовых и корабельных котлов с учетом перечисленных конструктивных и режимных особенностей невозможно без уточнения или разработки отдельных методик и рекомендация с привлечением накопленного к настоящему времени теоретического, экспериментального материала и материала эксплуатационных и стендовых балансовых испытаний.
Высокая маневренность также является отличительной чертой судовых и, особенно, корабельных котлоагрегатов. Обеспечение надежной работы для них только на стационарных нагрузках не является решением задачи в целом. Серьезно встает эта проблема при экстренных пусках-остановах, глубоких изменениях нагрузки и аварийных реякмах.
В последнее время котлоагрегати находят применение также и э составе сложных паровых энергетических комплексов. Для них постоянно чередуются большие кратковременные отборы пара с крайня жесткими ограничениями по продолжительности циклов являются нормальными рабочими режимами, а стационарные нагрузки присущи только реянмам поддержки в горячем резерве и при использовании в качестве резервных источников пара главной энергетической установки. Систематическое исследсвание процессов в таких комплексах на полных численных моделях ранее не проводилось.
Повышенные требования к точности выполняемых на стадии проектирования судовых и корабельных котлоагрегатов статических и динами- ., чееких расчетов с одной стороны ж ограниченные возможности чисто экспериментальных исследований, исследований моделей аналитическими методами и в линейном приближении с другой стороны, свидетельствуют об актуальности проблемы, вынесенной в заглавие диссертация, как для развития методов математического моделированэя, так и для
инженерной практики разработки САПР. Ввиду проведения испытаний наземных прототипов паровых энергетических комплексов и предстоящего их освоения в судовых условиях проблема актуальна также для разработки «имитационных моделей, тренажеров и подготовки обслуживающего состава.
Цель и задачи работы. Целью работы явилось создание экспериментально обоснованных математических моделей (.ММ), методик, алгоритмов и программ для наиболее полного исследования статических и динамических режимов работы судовых и корабельных котлоагрегатов и включающих их паровых энергетических комплексов при всех возможных эксплуатационных режимах и диапазонах рабочих нагрузок. Достижение поставленной цели потребовало решения задач:
рациональной их постановки, т.е. построения набора ММ, которые должны возможно более полно отражать физическую картину протекающих в объектах процессов с точки зрения конкретной расснатрива-емой задачи и в то же время быть доступны для имеющихся в исследовательских и проектных организациях вычислительных средств (ЭВМ серии ЕС и ПК >
разработки эффективных (в рамках каждой из поставленных задач) численных алгоритмов решения исходной системы уравнений, обладающей рядом математических особенностей: нелинейность, сильно меняющиеся и разрывные коэффициенты, сопряженность в постановке, обыкновенные дифференциальные уравнения (ДУ) с существенно различными постоянными времени, частные производные;
интерполяция и аппроксимации (в связи с огромными массивами используемой в тепловых, гидравлических, аэродинамических расчетах и расчетах циркуляции табличной и номограымной информации) функций двух и более переменных, представления теплофизических свойств (ТФС) воды, воздуха и продуктов сгорания органических топлив, характеристик оборудования и, особенно, ввиду крайней сложности алгоритмов и глубокой вложенности циклов, разработки эффективных методов поиска итерационных приближений;
корректировки применяемых в стационарной практике и разработки новых методик расчета, прежде всего по газовому тракту: теплообмена в топке с учетом повышенного наддува, расчета коэффициентов тепловой эффективности (КТЭ.) или загрязнений (КЗ) и коэффициентов аэродинамических сопротивлений во всем диапазоне рабочих нагрузок на базе обобщения полученного и накопленного материала экспериментальных модельных исследований, стендовых балансовых
испытаний и эксплуатационных измерений;
разработки проблемно-ориентированных библиотек подпрограмм и-программных комплексов-совместных, тепловых, гидравлических и аэродинамических статических и динамических расчетов;
оценки точности и эффективности разработанных моделей и методик на основе сопоставления результатов расчета и эксперимента, а также опыта использования в практике массовых многовариантных инженерных расчетов в условиях КБ и НИИ.
Научная новизна работы состоит в создании аппробированных, экспериментально обоснованных численных всережимных нелинейных ММ судовых котлоагрегатов, энергетических установок и паропроизводя-щих и пароаккумулирущих комплексов.
В работе достигнуты следующие результаты, которые выносятся на защиту. Впервые:
- предложена единая методика расчета теплообмена в котельных
топках различной тепловой напряженности и размеров, работающих
на жидком топливе как при атмосферном, так и при высоком (до 0,51
МПа) давлении;
разработаны методические основы совместных тепловых, гидравлических, аэродинамических расчетов на ЭВМ и расчетов циркуляции всех нашедших применение в судовой и корабельной практике типов главных, вспомогательных и утилизационных котлов, включая котлы с газотурбинным наддувом, сжиганием в псевдоожиженном слое и котлы с использованием для подогрева воды струйных насосов в контурах рециркуляции экономайзерных пакетов;
на базе машинной обработки по предложенным методикам данных балансовых испытаний различных типов судовых главных, вспомогательных и утилизационных котлов рекомендованы единые (в функции от массовой скорости) расчетные зависимости по определению козй-фициентов загрязнении и тепловой эффективности всех характерных гладкотрубных и оребренных поверхностей нагрева;
предложена веережимная нелинейная распределенная ММ высоконапорного прямоточного котла и неявная конечноразностная итерационная схема интегрирования ее уравнений на полосах фиксированной и подвижной ширины для исследования любых штатных эксплуатационных и аварийных режимов;
л - разработана многоцелевая ММ судового котлоагрегата естественной циркуляции с электронной системой регулирования на базе дискретных импульсных регулирующих приборов;
получены аналитические решения для расчета характерных процессов в аккумуляторах перегретого (АПП) и насыщенного (АНН) пара, подтвержденные данными исследований на полных Мм и экспериментальных исследований;
разработана основанная на учете зарождения, роста и миграции поколений пузырей пара неравновесная нелинейная Им процессов в АНН, исследования на которой позволили установить картину протекающих динамических процессов, динамику изменения давления-и уровня раздела сред и, аналогичные возрастанию температуры в АПП, эффекты изменения паросодержания при периодическом повторение циклов отбор-заполнение ;
разработаны численные всврежимные нелинейные ММ паропроизво-дящих и пароаккумулирущих комплексов для исследования схемных ре-
шаний и оптимизации параметров настройки системы их автоматического управления (СДЮ, защиты и сигнализации;
разработаны обобщенные методы численного решения одномерных прямых, обратных и смешанных задач теплопроводности;
предложена исключающая влияние на результат последнего направления прогонки комбинированная конечноразностная схема локально-одномерного метода для решения в любых системах координат двумерного нелинейного уравнения теплопроводности;
разработаны сопряженные Ш разогрева паром корпусов аккумуляторов м ввода в действие осушенных и прогретых утилизационных котлое
Все перечисленные результаты получены непосредственно автором и при его научном руководстве.
Практическая значимость. Развитые в работе теоретические и численные методы представляют перспективное научное направление. Они позволяют автоматизировать проектирование, и сократить дорогостоящие экспериментальные исследования и доводочные работы, прогнозировать тешюгкдравлические характеристики котлов и ресурс их элементов, оптимизировать структурные схемы энергетических, паропроизводящих комплексов, а также структуру и параметры настроек их САУ.
Основные рекомендации работы по расчету ТФС, теплообмена в топках и конвективных поверхностях нагрева и принципам построения сопряженных Ш положены в основу впервые разработанного под научным руководством и при непосредственном участии автора РД5.06І.00І-84 "Котлы судовые паровые водотрубные. Тепловой расчет", используемого при создании проектов новых главных и вспомогательных коялоагре-гатов.
Созданные методы ориентированы на практическое применение при решении в условиях КБ и НИИ прикладных инженерных задач. Они использованы при решении аналогичных перечисленным выше задач для ядерных паропроизводящих и газотурбинных установок, теплообменников и регенераторов.
о Реализация работы. Представленный материал обобщает результаты теоретических и экспериментальных работ, выполненных автором по котельной тематике в Специальном конструкторском бюро котлостроения (СКЕК) в период с 1973 по 1989 годы. Конкретные результаты исследований и расчетов по разработанным моделям и комплексам программ за указанный период времени вошли в обеспечение всех разработок и техническую документацию бюро по главным и вспомогательным котлоагрегатам естественной циркуляции, прямоточным котлам, котлам со сжига-ниви с псевдоржиженном слое, различным типам утилизационных и водогрейных котлов, а также серии паропроизводящих и пароаккумулируюоцгс хоиплексов с паровыми аккумуляторами перегретого и насыщенного пара.
Теоретические разработки доведены до трех проблемно-ориентиро-
ванных-библиотек из 36 подпрограмм и 21-й программы расчетов написанных на языке ПЛ/І,~ использующихся в СКБК, —-НМТЙЭМ. , П1_"йэвский завод" и имеющих полную техническую документацию.
Программы расчета Т$С воды, пара, воздуха и продуктов сгорания органических топлив используются е СКБК, СПбГМТУ, ВВШОЛУ, ВМА, ЦНШ им. ак. А.Н. Крылова, в/ч 27І77Е, ВНИТИЭМ и ряде других орга- -низацик,
Экономический эффект от работ только по одной руководимой автором теме "Совершенствование методов расчетных исследований судовых главных, вспомогательных и утилизационных котлов" составил 2 млн. рублей в ценах 1989 года.
Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались на:
республиканском координационном семинаре по динамике тепловых процессов в г.Киеве в 1978г.;
конференциях профессорско-преподавательского состава СПбШГУ и ВВШОЛУ 1978-1990гг.;
коллоквиуме университета Клаусталь (ФРГ) в 1990г.;
международной конференции по горению и утилизации тепла в университете Синьхуа (КНР) в ІУ90г. (два доклада);
семинарах и научно-технических советах с участием специалистов СКЕК, ЦНИИ им. ак. Л.Ы. Крылова, в/ч 27І77Е, ВВШОЛУ, ЗМА, ВНЛТИЗМ, ІШО ЦКТІЇ.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 24 статьях, учебном пособии, руководящем документе и 60 отчетах по законченным научно-исследовательским работам; получено 3 авторских свидетельс-ва,
Структура и объем работы, диссертационная работа состоит из введения, семи разделов, заключения, списка литературы из 498 наименований с авторским указателем и оформленных отдельным томом приложений на 368 стр. Основная часть работы содержит 324 страницы текста, 168 рисунков и 25 таблиц.
