Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований динамики прямоточных котлов 8
1.1. Экспериментальные исследования динамики прямоточного контура 8
1.2. Расчетные исследования динамики прямоточногоконтура 12
1.3. Задачи исследований 25
2. Стендовые исследования переходных процессов в прямоточном контуре при больших возмущающих воздействиях 26
2.1. Экспериментальная установка и методика проведения опытов 26
2.1.1. Схема установки 26
2.1.2. Схема измерений 29
2.1.3. Методика проведения опытов S3
2.2. Результаты опытов 36
2.2.1. Возмущение тепловой нагрузкой для зоны подогрева 36
2.2.2. Возмущение тепловой нагрузкой для зоны с силь-номеняющимися свойствами теплоносителя при С.К.Д 68
2.2.3. Возмущение тепловой нагрузкой для зоны кипения при Д.К.Д 75
2.2.4. Возмущение тепловой нагрузкой при наличии рециркуляции рабочей среды 93
2.2.5. Возмущение расходом среды 99
3. Исследования динамики растопочного контура прямоточ ного котла в пуоковых режимах . /08
3.1. Краткое описание объектов исследований /08
3.2. Методика проведения испытаний ИЦ
3.3. Результаты испытаний 115
4. Методика расчета переходных процессов в растопочном контуре прямоточного котла при больших возмущениях . /
4.1. Решение задачи для однофазного теплоносителя с независимым обогревом 125
4.1.1. Методика расчета 127
4.1.2. Методика расчета при наличии принудительной рециркуляции рабочей среды 131
4.2. Решение задачи для двухфазного теплоносителя с
независимым обогревом . 135
4.2.1. Зависимости для определения удельного объема в функции энтальпии /37
4.2.2. Методика учета ухудшенного теплообмена /39
4.2.3. Движение границы начала развитого поверхностного кипения 1НЗ
5. Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными /57
5.1. Сопоставление результатов расчета со стендовым экспериментом для зоны подогрева
5.2. Сопоставление результатов расчета с промышленным экспериментом , І61і
5.2.1. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по котлу 11-63 (МоЭТЭЦ) /4
5.2.2. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по котлу ТГМП-324 171
5.2.3. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по котлу ТДЩ-204 177
5.2.4. Расчетный анализ длительности пусковых режимов котла ТІМП-324 1$Ц
5.3. Сопоставление результатов расчета со стендовым
экспериментом для зоны кипения 131
Общие выводи по работе 201
Литература
- Экспериментальные исследования динамики прямоточного контура
- Экспериментальная установка и методика проведения опытов
- Краткое описание объектов исследований
- Решение задачи для однофазного теплоносителя с независимым обогревом
Введение к работе
В последнее время в связи с острым дефицитом органического топлива развитие отечественной энергетики, особенно в Европейской части страны, ориентировано на значительный ввод энергоблоков на ядерном топливе, обладающих низкими маневренными качествами. Вйесте с тем в энергосистемах, хотя и несколько сгладилась сегодня тенденция к разуплотнению графика электрической нагрузки в связи с ограниченным резервом мощностей, все же вследствие увеличения суммарной установленной мощности, даже при неизменном общем коэффициенте регулирования, растет и суммарная мощность регулирования суточного графика. Ввиду отсутствия специального маневренного оборудования и сложившейся структуры генерирующих мощностей, отличающейся наличием малой доли низкоэкономичных (КЭС-45, КЭС-90) и ростом маломаяевренных (АЭС, ТЭЦ) мощностей основная тяжесть регулирования графика нагрузки ложится на паротурбинное блочное оборудование, спроектированное для производства базовой электроэнергии. Гидроэлектростанции во всех энергообъединениях страны (за исключением ОЭС Сибири) также не могут полностью решить данной проблемы из-за ограниченной величины их мощности. Поэтому выполняется большой комплекс научно-технических исследований с целью определения и расширения возможностей использования энергоблоков в переменной зоне графика нагрузки.
В этой связи большое внимание уделяется изучению динамических характеристик прямоточных котлоагрегатов, доля которых в общей структуре мощностей значительна. Эти данные необходимы как для автоматизации оборудования в стационарных и переменных режимах эксплуатации, что имеет немаловажное значение при переводе блоков в режим регулирования, так и для разработок мероприятий технологического и конструктивного характера для повышения маневренных ка-
'честв в переходных режимах, в частности, при пусках после остано^-вок в резерв. Используются как экспериментальные, так и расчетные методы исследований. Причем, в связи с развитием средств вычислительной техники все большее внимание уделяется именно расчетным методам, позволяющим с меньшими трудозатратами проводить всесторонние исследования. Для этих целей используются, как правило, достаточно сложные всережимяые математические модели котло-агрегатов, как динамических объектов. Однако использование таких моделей в ряде случаев оказывается не оправданным, что приводит к необходимости определения целесообразности применения тех или иных моделей в разных режимах и разработке более простых моделей. Наряду с этим стоит задача получения экспериментальных данных для обоснования основных допущений при разработке расчетных методик и для проверки их достоверности. Решению этих задач в основном и посвящена настоящая диссертационная работа, выполненная на основе стендовых, промышленных и теоретических исследований. Экспериментальная часть работы выполнена автором под руководством научного руководителя на стендовой установке ВТИ, экспериментальном котле ТЭЦ ВТИ и энергоблоке 300 Шт Киришской ГРЭС.
Диссертация состоит из 5 глав. В первой главе на основе изучения состояния вопроса сформулированы задачи исследований. Вторая глава посвящена стендовым исследованиям при больших возмущениях тепловой нагрузкой и расходом среды. В третьей главе приведены результаты промышленных исследований динамики прямоточного контура. В четвертой - методика расчета переходных процессов в растопочном контуре при больших возмущениях теплом и расходом. Пятая глава посвящена проверке расчетной методики путем сопоставления результатов расчета со стендовым и промышленным экспериментом. Определены границы применимости расчетных методов. Заверше-
- 7 —
на диссертация общими выводами по работе.
Диссертация содержит 133 страницы, включая таблицы, 70 рисунков, список использованной литературы (22 наименования) и 8 приложений.
Экспериментальные исследования динамики прямоточного контура
При математическом моделировании теплоэнергетических установок в нестационарных режимах, как правило, пользуются упрощенной схемой процесса, исключая влияние ряда факторов, В связи с этим исследование неучтенных факторов на переходный процесс является необходимым для уточнения математических моделей. Критерием же точности модели является, как правило, эксперимент. Особенно большое значение эксперимента проявляется при создании математических моделей для расчета динамических характеристик при больших возмущениях (в режимах пуска, останова и т.д.), приводящих к значительному изменению режимных параметров ( Р , t ). Экспериментальные исследования подразделяются на стендовые и промышленные, " Для исследования динамики отдельных теплообменников пользуются в основном стендовыми исследованиями, которые имеют широкие возможности: в выборе диапазона режимных параметров и величины возмущения; в оснащении точными средствами контроля и регистрации; в возможности исследования влияния отдельных факторов и хорошей повторяемости эксперимента. Наиболее простыми в физическом моделировании являются участки с однофазным теплоносителем (вода, перегретый пар). Экспериментальные исследования динамики таких теплообменников проводились рядом авторов /51,57/, но только при малых во мущеяиях, не приводящих к глубокому изменению режимных параметров (давление, температура). Задачей этих экспериментов была в основном проверка точности математических моделей, описывающих переходные процессы в линейном приближении. Для этих целей не было необходимости в проведении большого числа эксперимен
тов, так как на линейном объекте количество факторов, влияющих на характер переходного процесса ограничено. Что касается исследования возможности использования этих моделей в более широком диапазоне изменения режимных параметров (в частности, на начальном этапе пуска парогенератора), то из-за отсутствия опытов при больших возмущающих воздействиях нельзя определить область линейности объекта, а следовательно и достоверность результатов расчета при использовании таких моделей. Известно, что для теплообменников с сильноменяющимися свойствами теплоносителя на динамику процесса начинает оказывать существенное влияние величина и знак возмущающих воздействий» В связи с этим требуется более обширный стендовый эксперимент для исследования влияния отдельных факторов на характер переходного процесса, а также для проверки качества математических моделей. Опубликованный в литературе экспериментальный материал по определению динамических характеристик теплообменников с сильноменяющимися свойствами теплоносителя ограничивается, как правило, малыми возмущениями /62/. Поэтому получение экспериментального материала при больших возмущениях является актуальной задачей. Среди теплообменников с сильноменяющимися свойствами теплоносителя наиболее сложным при исследовании нестационарных процессов является испарительная поверхность нагрева. Сложность состоит в отсутствии средств измерения энтальпии в области пароводяной смеси. В экспериментальных материалах, приведенных в /60,16,17,21, 22/ рассмотрены косвенные способы исследования. Один из таких способов был применен в опытах Шмуклера Б.й. и Давыдова А.А. на автономном витке котла СП-67 /60/ и он сводился к фиксированию моментов прохода точки начала перегрева через места замера температуры. Однако, опыты на промышленных котлах неточны из-за наличия случайных возмущений. Стендовые исследования, проводимые в
ШЭИ /16,17,21,22/ были связаны с изучением влияния не стационар- -\ ных режимов на особенности механизма теплообмена в трубах при течении пароводяной смеси. В /21,22/ проведено исследование кризиса теплообмена второго рода /61/ при больших возмущениях расходом рабочей среды. Динамические режимы воспроизводились при (40-70)$ уменьшении расхода воды на входе в рабочий участок при неизменном обогреве. Кризисные условия возникали всегда при достижении нового установившегося состояния. Фиксация кризисных условий производилась по появлению в выходном сечении трубки резких колебаний температуры стенки без потери устойчивости. По результатам опытов было установлено, что уменьшение скорости воды на входе не вызывает преждевременного появления кризиса /21,22/, но оказывает существенное влияние на величину коэффициента теплоотдачи в зоне ухудшенного теплообмена /16/. Здесь следует указать, что опыты, проведенные в МЭЙ, имели свое целевое назначение и не позволяют исследовать динамику участка в более широком диапазоне изменения параметров, охватывающем области пленочного кипения и перегретого пара. В работе /100/, посвященной исследованию процессов теплоот-вода при послеаварийном охлаждении в реакторах с водным теплоносителем на основании экспериментальных данных получены корреляционные зависимости для коэффициента теплоотдачи в области нестационарного пленочного кипения {оС их) и установлено, что на оСцос основное влияние оказывает давление, расход и расстояние от фронта увлажнения. Но так как опыты проводились при давлении Р 0,5 Ша и массовом расходе Wp — 250 кг/См2.с), то для « использования этих результатов в более широком диапазоне изменения режимных параметров требуется дополнительный эксперимент.
Экспериментальная установка и методика проведения опытов
Опыты проводились на экспериментальной установке разомкнутого типа. Схема установки представлена на рис. 2.1. Принцип ее действия заключается в следующем. Пар от котла сверхкритического давления (29,4 МПа) с температурой 600С через запорный вентиль I и регулирующие вентили 2 подводится в холодильники 3,4, где конденсируется и охлаждается до заданной температуры. Холодильники представляют собой теплообменники типа труба в трубе, охлаждающей средой в которых является техническая вода. Затем, для случая теплообменника без рециркуляции, рабочая среда проходя через вентиль 5 (вентили 6 и 7 закрыты) направляется в экспериментальный участок, представляющий собой горизонтальную трубу диаметром 16x3 мм из нержавеющей стали IXI8H9T длиной 13,6 м с тремя гибами на 180.
Экспериментальный участок изолирован в тепловом отношении асбестом и электрически - токоизолирующими фланцами 23. Преду г смотрено охлаждение фланцев водопроводной водой. Обогрев -, среды в экспериментальном участке осуществляется пропусканием по трубе постоянного электрического тока от одного или двух генераторов ПСМ-І000, (на рис. 2-І не показаны), включенных последовательно. На входе и выходе экспериментального участка установлены смесители 16 и термопары 18,19,21,22 для измерения температуры среды, а также дроссельные шайбы 27,28 для определения расхода среды в процессе опыта.
После экспериментального участка среда дросселируется через вентиль 8, управляемый регулятором давления ЭР-Ш, вентиль 9, бай/пасирующий вентиль 8 и вентили 12, а затем поступает в сбросной холодильник 13, где конденсируется (в случае когда из экспериментального участка выходит перегретый пар), охлаждается и сбрасывается в открытый дренаж. Расход среды в стационарных режимах измеряется объемным способом с помощью мерной колбы 15. Для компенсации колебаний давления в процессе опыта выход экспериментального участка соединяется через вентиль 10 с баллонами II общей емкостью 60 л, наполовину заполненными азотом.
При проведении опытов с рециркуляцией рабочей среды вентиль 5 закрывается и среда направляется через вентиль 6, смеситель 16 в эжектор, а затем уже в экспериментальный участок. При открытом вентиле 7 с помощью эжектора через байпасную линию среда направляется с выхода на вход экспериментального участка обеспечивая рециркуляцию среды. Кратность рециркуляции регулируется вентилем 7. На входе в эжектор и выходе из него устанавливались термопары 18,19,20 для измерения температур основного, суммарного и рециркулируемого потоков среды.
Для обеспечения возможности изменения расхода среды, протекающей через экспериментальный участок, смонтирована специаль ная линия, через которую в исходном стационарном режиме отводится часть среды через холодильник 14 в дренаж. Изменением положения вентиля 17 при неизменном общем расходе среды можно регулировать расход воды, поступающий в обогреваемый участок.
Для проведения опытов в прямоточном контуре были организованы надежные измерения температуры, расхода и давления среды на входе и выходе экспериментального участка, а также электрической мощности обогрева как в стационарных, так и в нестационарных режимах. Места установки соответствующих датчиков показаны на рис. 2-І, а схема измерений - на рис. 2-2.
Для определения начальных и конечных статических значений температуры и ее отклонений в переходных процессах на входе и выходе экспериментального участка были установлены рядом под углом 90 друг к другу по две термопары - хромель-алюмелевая и хромель-копе левая. Запись изменения температуры в ходе переходного процесса производилась от малоинерционных и более чувствительных хромель-копе левых термопар, изготовленных из проволоки Д 0,2 мм. Эти термопары изготовлены из специального термопарного кабеля КГИС диаметром 1,5 мм. Постоянная времени этих термопар, определенная экспериментально по кривой изменения температуры после резкого перемещения термопары из подогретой воды в окружающую среду с учетом инерции записывающих приборов составляет не более 1,2 с. Вторая термопара (хромель-алюмелевая) служит для определения статических значений температуры в начале и конце каждого опыта (т.е. для тарировки первой). Термостагирование холодных спаев термопар осуществлялось в сосуде Дюара заполненном тающим льдом. Хромель-алюмелевая термопара тарировалась в лабораторных условиях с точностью ІО,30С.
Краткое описание объектов исследований
Исходя из основных задач исследований были проведены испытания пусковых режимов прямоточных котлов. При этом основная цель состояла в получении достоверных данных по динамике изменения температуры среды во всех поверхностях нагрева в период растопки после включения горелок котла. Эти данные использованы в настоящей работе для проверки разрабатываемой инженерной методики расчета переходных процессов. В изложенном направлении были выполнены исследования на котлах П-63 МоЭТЭЦ ВТИ и ТГМП-324 моноблоков 300 МВт (ст. В 4,5) Киришской ГРЭС. При выборе объектов исследований предполагалось получить экспериментальный материал на наиболее простом и сложном типах котлов. Проведение же исследований на двух котлоагрегатах ТГМП-324 обусловлено некоторыми различиями в их конструктивных оформлениях в части осуществления рециркуляции рабочей среды.
В данном разделе будут рассмотрены кратко в пределах растопочного контура схемы котлов, на которых проведены испытания. В последующем (в главе 5) они будут использованы в процессе разработки расчетной методики при разбивке объектов на элементы. Котел П-63 производительностью 35 т/ч сверхкритического давления работает под разрежением. Принципиальная схема котла представлена на рис. 3-І. Рабочая среда проходит следующие поверхности нагрева в пределах растопочного контура: опорные трубы КПП-П, КПП-І и водяной экономайзер (ВЭ), расположенных в конвективном газоходе, подовый экран (ПОД), нижнюю радиационную часть (НРЧ), среднюю радиационную часть (СРЧ), верхнюю радиационную часть (ВРЧ), потолочный пароперегреватель (ІЇЇШ). Далее среда поступает во встроенный сепаратор (ВС). На входе в ВС установлен дроссельный клапан Др-1, на выходе - клапаны Др-3, через который поступает пар в конвективный пароперегреватель и на сбросе воды в циркводовод клапан Др-2. Трубопроводы на подводе среды к Др-1 и отводе пара от Др-S сообщены линией с задвижкой (ВЗ). Экранирование топочной камеры выполнено по схеме Рамзина.
Прямоточный котел ТГМП-324 /45/ энергоблока 300 МВт производительностью 950 т/ч предназначен для работы на сверхкритическом давлении под наддувом. Он оснащен газоплотными цельносварными экранами и системой комбинированной циркуляции рабочей среды. Котел имеет 16 горелочных устройств с паромеханическими распыливаю-щими форсунками, расположенных в 2 яруса на фронтовой и задней стенках топочной камеры Принципиальная схема котла ТГМП- 324 (ст. № 4) Киришской ГРЭС представлена на рис. 3-2. По ходу среды в пределах растопочного контура расположены следующие поверхности нагрева; водяной экономайзер (ВЭ), опорные трубы конвективного пароперегревателя (0П), панели подового экрана (ПОД) параллельно включенные с панелями I ступени нижней радиационной части (НРЧ), панели П и Ш ступеней НРЧ, средняя радиационная часть (СРЧ-І, СРЧ-П), верхняя радиационная часть (ВРЧ-І, ВРЧ-П), потолочный пароперегреватель (ППП), экраны конвективной шахты (ЭКШ). За ЭКШ установлена встроенная задвижка (ВЗ). Перед ВЗ через Др-1 среда подводится во встроенный сепаратор (ВС), из которого пар через Др-3 подается в перегреватель, а вода через Др-2 отводится в растопочный расширитель.
Система рециркуляции среды включает два (один из них резервный) насоса рециркуляции среды (НРС) максимальной производительностью 1300 NT/Ч, установленные после смешения рециркулирующего
И прямоточного потоков, и два отбора на рециркуляцию: за СРЧ-П -/ и ЭКШ. Все поверхности нагрева, входящие в контур рециркуляции, включая экраны конвективной шахты, выполнены из цельносварных плавниковых труб.
Котел ТГМП-324, установленный на блоке В 5 Киришской ГРЭС, отличается от котлоагрегата, установленного на блоке J 4, тем, что отбор на рециркуляцию осуществляется за средней радиационной частью.
В диссертации с целью проверки расчетной методики в более широком диапазоне мощностей оборудования использованы также данные других авторов - исследования, выполненные на головном образце котла ТІМП-204 моноблока 800 МВт Углегорской ГРЭС /48/. Поэтому здесь также приведена его краткая схема для последующего использования. Газоплотный котел ТГМП-204 сверхкритического давления производительностью 2500 т/ч работает под наддувом, но не оборудован системой рециркуляции рабочей среды. Экранирование топочной камеры и конвективного газохода выполнено цельносварными плавниковыми экранами. Компоновка поверхностей нагрева выполнена так же, как и на котле ТГМП-324, но только в два потока. Принципиальная растопочная схема котла ТПШ-204 представлена на рис. 3-3. По ходу среды в растопочном контуре расположены следующие поверхности нагрева: водяной экономайзер (ВЭ), подвесные трубы (ПТ), нижние радиационные части I и П ступеней (НРЧ-І, НРЧ-Ш, средние радиационные части I и П ступеней (СРЧ-І, СРЧ-П), верхняя радиационная часть (ВРЧ), потолочный пароперегреватель (ППП), экраны конвективной шахты (ЭКШ). За этими экранами установлена встроенная задвижка (ВЗ).
Решение задачи для однофазного теплоносителя с независимым обогревом
В предлагаемой методике парогенерирующий тракт котла разделяется на ряд элементов - поверхностей нагрева и трубопроводов. Большинство поверхностей нагрева представляется в виде трубчатых теплообменников с независимым обогревом. Экономайзер, расположенный в конвективном газоходе, также представляется в виде радиа-ионной поверхности с заданным греющим тепловым потоком. В рассматриваемых условиях принятие постоянства расхода и удельного объема позволяет свести исходную систему уравнений динамики, записанную в одномерном приближении, к двум уравнениям, включающим уравнения энергии рабочей среды и теплового баланса стенок труб /3/:
Для воды в области далекой от максимума теплоемкости все коэффициенты в уравнениях (4-2) и (4-3) можно принять постоянными, за исключением возмущающего воздействия СЬ При сделанных допущениях поставленная задача может быть решена с использованием метода частотных характеристик.
После перехода к отклонениям от исходного режима и применения преобразования Лапласа по времени уравнения (4-2) и (4-3) принимают вид: __ (4_5) здесь S - параметр преобразования Іапласа по переменной Т , a AL уДь} Аб & преобразованные величины отклонений эн тальпии, температуры среды, температуры стенки и теплового пото ка, ___ Исключая_из уравнений (4-4), (4-5) Л (У Х принимая во внимание , что ДІ =ССД и обозначив Р - %= - (JD - расход среды, /У - внутренняя поверхность трубы) будем иметь при С = О М=МН Независимость коэффициентов уравнения (4-6) от пространственной координаты допускает использование повторного преобразования 1ап "п ласа по переменной й . Таким образом, для определения реакции парогенврирующего тракта на заданные возмущения тепловой нагрузкой и энтальпией (температурой) на входе, необходимо рассчитать частотные характеристики на выходе каждого элемента путем последовательного использования формулы (4-7), а затем произвести их пересчет во временную область.
Методика расчета
Рассматриваем тракт растопочного контура от входа в водяной экономайзер до встроенной задвижки (ВЗ).
Парогенерирующий тракт до ВЗ разделяется на ряд последовательно соединенных элементов - поверхностей нагрева и трубопроводов. На вход первого элемента подается возмущение энтальпией где Л і/о - статическое отклонение энтальпии на входе в первый элемент; Wit динамическое звено, характеризующее изменение энтальпии на входе. Тїа вход каждого последующего элемента в качестве л/« задается л выход предыдущего. Для трубопроводов, ввиду отсутствия возмущения тепловым потоком полагается Р = 0, для поверхностей нагрева на вход каждого элемента подается " рн =3di щ AJo Щу где (L0 Д_/р - статические значения изменения тепловой нагрузки и приращения энтальпий на каждом элементе; "Wia. - динамическое звено, характеризующее изменение теплового потока во времени. Для всех поверхностей нагрева с независимым (радиационным) обогревом Wla можно принять одинаковой, а именно Wia, - Vfrn где "Wrn - динамическое звено, характеризующее изменение подачи топлива во времени. Для поверхностей, находящихся в конвективной шахте (экономайзер, подвесные трубы и др.), где: "W& - динамическое звено, характеризующая тепловую инерционность конвективных поверхностей нагрева, расположенных между топкой и рассматриваемой поверхностью.
М/тп и \Vu задаются в зависимости от характера возмущения. Для определения их вида по временным характеристикам следует пользоваться рекомендациями, приведенными в /8/.
В частности при проведении расчетов в данной работе (см. главу 5) для Wm принималась функция, соответствующая линейному нарастанию расхода топлива за некоторый промежуток времени без последующих изменений (рис. 4-І,А) или функция, соответствующая сначала линейному изменению расхода топлива до постоянной ве личины, но после выхода на статику, имеющая два скачкообразных " изменения подвода тепла (рис 4-І,Б). Для Wii принималась функция, соответствующая экспоненциальному изменению температуры питательной воды, происходящему с некоторым запаздыванием по отношению к изменению расхода топлива (см. рис. 4-І,В).
В современных компоновках котлов, как правило, между топкой и экономайзером располагаются пакеты основного и промежуточного пароперегревателей, которые в первый период растопки работают в беспаровом режиме /4/. Естественно в качестве W& принять функцию, характеризующую инерционность изменения температуры топочных газов на входе в рассматриваемую поверхность (экономайзер, подвесные трубы и др.). Чтобы найти передаточную функцию по каналу температуры га зов, части конвективной шахты, в которой находятся трубы паро перегревателей, представляются моделью "газопровода".
Похожие диссертации на Динамика прямоточного контура при больших возмущающих воздействиях применительно к пусковым режимам прямоточных котлов
