Разработка методик определения отклонений теплотехнических параметров и долговечности при термопульсациях в элементах котлоагрегатов

Актуальность работы. Наиболее дорогостоящим оборудованием ТЭУ являются котлоагрегаты, и именно в них идут теплогидравлические процессы при высоких давлениях, температурах и тепловых потоках, устойчивость которых предопределяет надежную эксплуатацию ТЭУ. По этим причинам основным объектом исследования в данной работе будут котельные агрегаты.

Надежность — центральная проблема современной техники. В настоящее время окончательно определились сфера ее приложения, ее терминология и математический аппарат, основу которого составляют теория вероятности и математическая статистика.

Надежность работы теплоэнергетических установок (ТЭУ) имеет не только важное технологическое, но и экономическое значение, т.к. речь идет о безаварийной эксплуатации и ресурсосбережении, что в современном состоянии экономики страны является чрезвычайно актуальной проблемой.

Теплотехнической надежностью можно называть соответствующую вероятность невыхода за заданный предел искомого параметра или поверхности нагрева. В связи с тем, что ядерные установки занимают особое место в энергетике, это понятие разрабатывалось и внедрялось именно здесь. Надежность определяется работой элементов и оборудования котлоагрегата, погрешностями параметров, используемых для тепловых, гидравлических и др. проектных расчетов. Так как указанные факторы имеют статистическую природу и реализуются при эксплуатации агрегата случайным образом, то теплотехническая надежность агрегата представляет собой некоторую случайную функцию.

Надежность элементов, связанная с работой в условиях пульсаций температур, относительно новое понятие. Наиболее интенсивные пульсации происходят при кризисах теплообмена, неустойчивом «запаривании» поверхностей нагрева, выносе влаги на перегретые поверхности, расслоении потока, колебании расхода теплоносителя. Пульсации температур сопровождаются пульсациями температурных напряжений, что приводит к усталостному разрушению элементов ТЭУ. Поэтому при проектировании оборудования ТЭУ необходимо рационально выбрать режимные параметры либо принимать специальные конструктивные решения для обеспечения необходимой долговечности оборудования.

Цель работы: разработка методик расчета отклонений теплотехнических параметров от их номинальных значений в элементах котлоагрегатов. При этом ставится задача определения не только значений отклонений параметров, но и статистические законы их распределенияа так же рекомендаций по выбору запасов поверхностей нагрева котлоагрегатов, обеспечивающих оптимальную теплотехническую надежность. Разработка методики расчета нестационарных температур, термических напряжений и долговечности теплопередающей стенки для элементов парогенераторов, а также решить обратную задачу определения неравновесных температур и локальных значений коэффициентов теплоотдачи при пульсациях температур.

Методы исследований. Исследования проводились с помощью аналитических и экспериментальных методов. Согласно методике, изложенной в нормативном методе [110] с использованием объектно-ориентированного программирования [127], разработана программа теплового расчета котла для определения отклонений и законов распределения исследуемых параметров.

Научная новизна работы заключается в:

1. Развитии методологии определения теплотехнической надежности для теплоэнергетических установок;

2. Разработке программы для ЭВМ расчета номинальных значений теплотехнических параметров котлоагрегатов;

3. Разработке рекомендаций по выбору запасов поверхностей в элементах котлоагрегатов, гарантирующих реализацию заданных параметров с оптимальной теплотехнической надежностью;

4. Разработке программы для ЭВМ теплового расчета котлоагрегатов.

5. Решении задачи по определению нестационарных температур и термических напряжений в теплопередающей стенке элементов котельных агрегатов.

6. Определении долговечности теплопередающей стенки для элементов котельных агрегатов.

7. Решении задачи — определения неравновесных температур стенки и локальных значений коэффициентов теплоотдачи.

Практическая ценность. Разработанные в работе методики и созданные программы позволяют:

— проводить тепловые расчеты котлоагрегатов на ЭВМ;

— дать научно обоснованную погрешность определения проектных параметров парогенератора;

— задаваясь степенью надежности вести проектирование с определенным гарантированным запасом, обеспечивающим изменение основных параметров котлоагрегата в допустимом проектном интервале;

— проанализировать существующие отклонения исходных данных и дать рекомендации по уменьшению «допусков» на те из них, которые дают наибольший вклад в результирующее отклонение;

— проводить количественное сопоставление проектных результатов с данными промышленных испытаний;

— проводить оценку амплитуды термических напряжений при пульсациях температур;

— оценивать долговечность элементов пароперегревателей паровых котлов в условиях нестационарных температур.

Апробация работы. Диссертационная работа обсуждалась и получила одобрение на заседании кафедры Промышленной теплоэнергетики Кубанского государственного технологического университета.

Основные положения докладывались и обсуждались на Второй краевой научной конференции молодых ученых посвященной современным проблемам экологии (г. Геленджик, 1995 г.), на Региональной научнотехнической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (г. Иркутск, 1996 г.), на Четвертой краевой научной конференции молодых ученых посвященной современным проблемам экологии и ресурсоэнергосбережения (г. Краснодар, КГУ, 1997 г.), на межрегиональной конференции «Молодые ученые Россиитеплоэнергетике» Южно-Российский государственный технологический университет (г. Новочеркасск, 2001 г.).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Выводы.

Таким образом расчетным и аналитическим путем было установлено, что запасы поверхностей АН нелинейно зависят от теплотехнической надежностичем больше мы хотим гарантировать реализацию расчетных параметров, тем в большей степени необходимо увеличивать поверхность. Вопрос о том, какое же значение надежности р следует выбрать решается технико-экономическим анализом. Уменьшение надежности означает возможное занижение паропроизводительности парогенератора, с увеличен и.

4 ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ, РАБОТАЮЩЕГО В УСЛОВИЯХ ПУЛЬСАЦИЙ ТЕМПЕРАТУР.

Обычно пульсации температур в энергооборудовании имеют сравнительно небольшую амплитуду и высокую частоту, при которой число циклов теплосмен за время службы соизмеримо с базой обычных испытаний на усталость или превышает эту базу. В этих условиях можно считать процесс изотерическим и не делать различия между термоусталостью и изотермической усталостью[3 7,3 8,39,43,101].

Как и при механической усталости, на долговечности скажутся размеры элементов, наличие концентраторов напряжений, качество обработки поверхности, температура, коррозия и прочие технологические факторы [105,106,107−109].

Особенно большое влияние на долговечность конструкции при колебаниях температуры оказывает коррозия, так как при этом на поверхности образуется мелкая сетка трещин, которые повреждают наружный слой металла и являются концентраторами напряжений.

Естественно, что совместное действие переменных напряжений и коррозии приводит к значительно более быстрому разрушению металла, чем раздельное их действие, так как эти процессы усиливают друг друга. Усталость такого рода выделена в самостоятельное понятие, называемое коррозионной усталостью.

Установлена связь между локальными пульсациями температур и процессом язвенной коррозии [105]. Эксперименты показали неустойчивость оксидной пленки при колебаниях температуры ± 50 К и фазовом изменении среды. Сделан вывод, что коррозия вызывается теплое менами, приводящими к разрушению оксидной пленки. При снижении амплитуды колебания температуры до 25−30 К коррозию удается предотвратить.

К основным факторам, определяющим коррозионную усталость, относят: активность коррозионной среды, уровень действующих циклических напряженийпрочность и коррозийная стойкость металлачисло циклов в единицу времени.

Безусловно самый надежный метод определения долговечности при пульсациях температурресурсные испытания в натурных условиях. Однако, применительно к элементам энергооборудования, рассчитанного на длительную эксплуатацию, этот метод практически непригоден, так как при большой стоимости таких испытаний их результатов пришлось бы ждать несколько лет. Поэтому в настоящее время в основном используются расчетные оценки ресурса с помощью той или иной модели или проводятся отдельные эксперименты, чаще всего носящие иллюстративный характер, при которых пульсации температур обычно создаются искусственным путем.

Для оценки долговечности при случайных пульсациях температур с использованием модели усталостного разрушения необходимо располагать усталостными характеристиками материала и данными о пульсациях температурных напряжений, полученными экспериментально или с помощью расчетных моделей, рассмотренных выше [109] .

Для наиболее обоснованных и точных оценок следует располагать характеристиками усталости, полученными на большом числе образцов в максимально приближенных к натуре условиях (при рабочей температуре и в среде соответствующего состава) и обработанными в зависимости от вероятности разрушения.

Рассматриваемые в данный момент модели, используемые для расчета надежности, носят упрощенный характер и являются одномерными. В дальнейшем же нами будет приведена попытка более полного анализа этих явлений и описания их сложными (как минимум двумерными) моделями.

Что касается самих оценок ресурса, то здесь можно применить подходы, используемые в расчетах прочности при переменных нагрузках.

При детерминированном, например гармоническом, изменении напряжений под воздействием пульсаций температур расчет сводится к определению амплитуды напряжений оа и к нахождению числа циклов по кривой усталости. В зависимости от того, какая используется кривая усталости, получаем либо среднее число циклов до разрушения с заданной вероятностью, либо допустимое число циклов [113]. Поэтому следует очень внимательно относится к вьгбору усталостных характеристик и критически оценивать полученные результаты.

Чаще всего влияние асимметрии цикла учитывается с помощью соотношения.

С>аэкв=<^|/аср (4.1) где |/= (2ага0)/а0 — коэффициент, учитывающий чувствительность материала к асимметрии цикла- — пределы выносливости при симметричном и пульсационном цикле.

Для оценки ресурса при случайных температурных пульсациях используются вероятностные методы расчета на усталость. Они позволяют найти функцию распределения долговечности детали и установить связь сроков службы с надежностью, что в свою очередь позволяет определить долговечность с заданной вероятностью разрушения. Но для таких расчетов требуется значительно больше информации как об усталостных характеристиках материала, так и о напряженном состоянии деталей.

Для оценки ресурса при пульсациях температур наибольшее распространение нашел метод, рекомендованный В. В. Болотиным для расчета ресурса конструкций, подверженных случайным механическим воздействиям.

Этот метод основан на корреляционной теории случайных процессов. Но, как показала практика расчетов большого числа элементов применительно к температурным напряжениям, расчет долговечности по формулам В. В. Болотина [105] дает заниженную оценку ресурса, так как принципиально размах напряжений при пульсациях температур не может превзойти уровня, определяемого максимальным располагаемым перепадом температур. Максимальная амплитуда напряжений где АТщах— максимальный размах температур.

Для материалов, кривая усталости которых имеет истинный предел выносливости а1 при отах <�ст-ь разрушений не наблюдается и ресурс должен быть бесконечным, в экспериментах обычно не наблюдается разрушений при максимальной амплитуде переменных напряжений, меньшей 0,5 а. ь В этих условиях расчет по формулам В. В. Болотина при заданной интенсивности переменных напряжений дает заниженную оценку ресурса за счет учета хотя и небольшой, но конечной вероятности появления выбросов большой амплитуды. В связи с этим уточним расчетную методику оценки ресурса, выполнив выкладки для узкополосного гауссовского случайного процесса, плотность распределения вероятности амплитуд оа которого подчиняется усеченному закону Рэлея с максимальной амплитудой сатах, средним квадратичным отклонением напряжений 8а математическим ожиданием напряжений аср.

Плотность распределения вероятностей усеченного закона Рэлея можно записать в виде.

4.3).

При 0 < Оа< Сап1ах, где о" а = о — ссрапмх ¦>

8 = оашах/8а — параметр усеченного рэлеевского закона).

После подстановки выражений р (а) и Ы (а) — общее выражение для кривых усталости материала, для оэкв в расчетную формулу В. В. Болотина для среднего ресурса Б I.

119 (4.4).

После введения относительных переменных, ряда преобразований.

•у с использованием бинома Ньютона и протабулированных функций % — распределения Пирсона, а также учитывая, что для симметричного процесса математическое ожидание напряжений равно нулю, получим новое выражение для 1: о.

4.5) где В = р (х1-т2 -2}Е = р (х1 = 2).

Для неусеченного рэлеевского закона параметр, а = да, полученные выражения упрощаются и переходят в известные формулы В. В. Болотина.

В таблице представлены полученные расчетные формулы, записанные для рассмотренных 3-х видов кривой усталости при усеченном и неусеченном рэлеевском распределении амплитуд напряжений.

Эти формулы дают значения ресурса при фиксированных значениях параметров. Однако, в действительности всегда имеется случайный разброс значений всех исходных величин, который приводит к соответствующему отклонению результата. В этих условиях необходима оценка доверительного интервала либо вероятности усталостного разрушения. Такую оценку в предположении независимости случайных аргументов проще всего выполнить с помощью дисперсионной методики.

Наиболее сильное влияние на погрешность результата расчета надежности оказывает погрешность в определении относительной интенсивности напряжений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Наиболее дорогостоящим оборудованием ТЭУ являются котлоагрегаты, и именно в них идут теплогидравлические процессы при высоких давлениях, температурах и тепловых потоках, устойчивость которых предопределяет надежную эксплуатацию ТЭУ. По этим причинам основным объектом исследования надежности в данной работе были котельные агрегаты.

Надежность определяется с одной стороны работой оборудования котлоагрегата, а с другой стороны погрешностями параметров, используемых для тепловых, гидравлических и др. проектных расчетов т.к. указанные факторы имеют статистическую природу и реализуются при эксплуатации агрегата случайным образом, то теплотехническая надежность агрегата представляет собой некоторую случайную функцию.

Раздел надежности связанный с работой элементов в условиях пульсаций температур, относительно новый, что и определило направление исследований.

Обобщая результаты исследований можно сделать выводы: Для теплотехнической надежности поверхностей теплообмена За (или 95,85%) необходимо иметь запас поверхности нагрева для топочной камеры ПК-19 18,1%, для топочной камеры ТП-9 19,2%, для топочной камеры ТП-15 17,2%, для воздухоподогревателя котла ПК-19 17,1%, для воздухоподогревателя котла ТП-9 21,6%, для воздухоподогревателя котла ТП-15 21,6%. При надежности 2а (95%) запас составляет для топочной камеры котла ПК-19 12%, для котла ТП-9 12,5%, для котла ТП-15 11,5%. При надежности 2а запас поверхности воздухоподогревателя котла ПК-19 составляет 11,4%, воздухоподогревателя котла ТП-19 составляет 11,4%, воздухоподогревателя котла ТП-9 14,4%, воздухоподогревателя котла ТП-15 соответственно 14,5%.

При надежности la (67%) запас поверхности соответственно для котла ПК-19 составляет 6%, для котла ТП-9 5,4%, для котла ТП-15 5,5%. При надежности la (67%) запас поверхности воздухоподогревателя для котла ПК-19 составляет 5,3%, воздухоподогревателя котла ТП-9 7,2% и воздухоподогревателя котла ТП-15 7,3%.

Расчет поверхностей выполненный без учета отклонений исходных данных имеет вероятность реализации 50%.

Основной вклад в эти запасы составляет неопределенности определения коэффициента теплоотдачи от газов к стене ai, низшая теплота сгорания QHP, энтальпия горячего воздуха на входе и выходе из воздухоподогревателя.

Очевидно, что запасы поверхностей АН нелинейно зависят от теплотехнической надежности — чем дальше мы хотим гарантировать реализацию расчетных параметров, тем в большей степени необходимо увеличивать поверхность. Вопрос о том, какое же значение надежности Р следует выбирать, решается техникоэкономическим анализом. Уменьшение надежности означает возможное занижение паропроизводительности парогенератора, с увеличением же надежности растет его стоимость.

Опримальное значение надежности соответствует рациональной стоимости единицы тепловой энергии.

Был разработан и реализован алгоритм программы теплового расчета котлоагрегатов «Energo Kotel «с использованием объектноориентированного программирования в среде Delphi 3.

Программа работает в диалоговом режиме и предусматривает возможность изменения пользователем конфигурации котельного агрегата, что в свою очередь существенно расширяет ее диапазон применения, кроме того, расчет может производиться для различного состава газового топлива, который может задаваться как по виду месторождения, так и процентным отношением отдельных составляющих. Расчет энтальпий продуктов сгорания производится при действительных коэффициентах избытка воздуха после каждой поверхности нагрева.

Все параметры, зависящие от конструктивных характеристик и представленные в [1] и [2] в виде графиков и номограмм аппроксимированы с высокой точностью в зависимости от соответствующих величин.

Все вышеизложенное делает разработанную программу уникальной.

Были просчитаны восемь частичных режимов. По полученным при расчете данным были построены графические зависимости изменения исследуемых параметров от паропроизводительности котельного агрегата. Целью проведенной работы было проверить возможность обсчета частичных режимов с помощью разработанной программы и степень корректности вычислений. На основании полученных данных можно сделать вывод, что поставленная задача решена успешно. По накопленным материалам в будущем предполагается продолжить работу над теорией теплотехнической надежности.

В результате наших исследований было проведено теоретическое изучение процессов нестационарного теплообмена с определением пульсаций температур и долговечности, причем, была впервые адаптирована для задач промтеплоэнергетики методика определения долговечности, ранее используемая в атомной энергетике.

Данная методика позволила расчитать нестационарные напряжения, появляющиеся из-за пульсаций температур, локализующиеся во входных участках стенок труб пароперегревателей котлов КТЦ-1 Краснодарской ТЭЦ. Причем, следует отметить, что пульсации напряжений носят низкочастотный характер с частотой колебаний у=0,2 Гц и периодом 1=5,2 сек. Амплитуда этих колебаний в среднем составляет сттах= Ю МПа .

Была решена обратная задача, в которой температура на внутренней поверхности трубки определена пересчетом с температуры наружной поверхности. Температурный перепад, обусловленный тепловой инерцией.

158 стенки составляет примерно 5 °C, при этом тепловом напряжении усталостное разрушение пароперегревателя не наблюдается, а пульсации температур носят периодический характер t= 5,2 сек частота v= 0,2 Гц.

Нами был получен алгоритм расчета локальных значений коэффициента теплоотдачи. Где было выявлено, что амплитуда колебаний коэффициента теплоотдачи, а следовательно и пульсаций в стенке, уменьшается по мере удаления от входа на расстоянии 9 мм, 14 мм, 43 мм для котлов ТП-9- ТП-15- ПК-19 соответственно, колебания практически полностью затухают. Таким образом, зона перехода от дисперсно-пленочного к дисперсному режиму составляет для котлов ТП-9- ТП-15- ПК-19 соответственно 300 мм- 167 мм- 58 мм обогреваемого участка.

Проведена оценка долговечности трубок пароперегревателей котлов краснодарской ТЭЦ при пульсациях температур. Выяснено, что для материалов, кривая усталости которых имеет истинный предел выносливости G-i при Ga.

Автор выражает свою глубокую благодарность д.т.н., профессору Трофимову Анатолию Сергеевичу за постоянную помощь при выполнении диссертационной работы.

Автор испытывает глубокую признательность к профессору.

Гугучкину В.В.| под руководством которого была начата эта работа.