Теплофизические аспекты работоспособности испарительных элементов двухбарабанных промышленных котлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи Тайлашева Татьяна Сергеевна

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДВУХБАРАБАННЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ КОТЛОВ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой ста кандидата технических I

00348854В

Томск-2009

003488546

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский политехнический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Заворин Александр Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Пузырев Е.М.

доктор физико-математических наук, доцент

Крайнов АЛО.

Ведущая организация:

ОАО «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова» (ОАО «НПО ЦКТИ»), г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «22» декабря 2009 года в 1430 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДС 212.025.01 в Томском политехническом университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 2, корпус 10, ауд. 228.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Томский политехнический университет»

Автореферат разослан «20» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н.

Долматов О.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации определяется ее направленностью на создание научных основ обеспечения безопасности, продления срока межремонтного обслуживания и повышение эффективности эксплуатации двухбарабанных промышленных котлов.

Наряду с крупными электро- и теплогенерирующими станциями, входящими в структуру так называемой «большой» энергетики, значительное место занимает промышленная энергетика, где вырабатываемая тепловая энергия в виде парового и водяного теплоносителей предназначена для теплоснабжения населения и технологического использования в производственных процессах. В этой сфере центральное место занимает проблематика повышения надежности эксплуатации котельного оборудования и связанной с этим эффективности топливоиспользования.

В сфере малой энергетики с отопительным и промышленным использованием пара широкое распространение получили двухбарабанные водотрубные паровые котлы типа ДКВР производства Бийского котельного завода. Всего выпущено и эксплуатируется по сегодняшний день несколько сотен тысяч котлов типа ДКВР различной производительности, что дает основание относить эти котлы к наиболее распространенным в мире. Многолетний опыт эксплуатации двубарабанных котлов выявляет систематические разрушения основных конструктивных элементов испарительных экранных систем. Неоднократно эти элементы подвергаются замене - как в период плановых ремонтов, так и во время аварийных остановов. Обеспечение эксплуатационной надежности испарительных элементов и возможности бесперебойной работы промышленных и отопительных котлов требует особого внимания. Практика многолетней эксплуатации котлов типа ДКВР показывает, что решение сформулированной проблемы возможно только при создании научных основ прогностического моделирования процессов, протекающих при работе испарительных экранных систем.

Актуальность темы диссертации определяется ее соответствием основным направлениям научной деятельности Томского политехнического университета (направление «Разработки методов и средств повышения надежности и эффективности эксплуатации энергетических объектов») и находится в сфере приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ («Энергетика и энергосбережение»).

Целью диссертационного исследования является разработка прогностических методов оценки влияния условий теплопередачи в топке котла на работу испарительных элементов в двухбарабанных системах естественной циркуляции и обоснование диапазона допустимых тепловых

нагрузок с использованием численного моделирования на основе пакета прикладных программ FIRE 3D.

Основные задачи исследования:

• выявление эксплуатационных параметров теплопереноса, обуславливающих причины разрушений испарительных элементов в двухбарабанных циркуляционных системах;

• проведение вычислительных экспериментов с целью оценки влияния особенностей конструкции, способов компоновки горелок и режимов работы на тепломассообменные характеристики испарительных элементов в двухбарабанной гидродинамической схеме;

• численные исследования условий работы солевого контура циркуляции двухбарабанных систем;

• выявление наиболее опасных участков испарительных элементов с учетом основных эксплуатационных факторов.

Научная новизна полученных результатов:

• впервые проведены численные исследования процессов в топке и условий циркуляции в настенных экранах для двухбарабанных систем при сжигании природного газа;

• получены новые данные о распределении температур и аэродинамической структуры топочного объема, плотности теплового потока на ограждающие поверхности топки котла ДКВР, позволяющие анализировать условия работы не только экранных панелей, но и отдельных труб в их составе;

• впервые разработаны методические положения по применению математического моделирования для оценки влияния условий теплопередачи на работу испарительных элементов в двухбарабанных циркуляционных системах.

Практическая значимость работы:

• полученные результаты создают объективные предпосылки для. прогнозирования наиболее опасных участков испарительных элементов контура циркуляции;

• результаты исследования применимы для разработки мероприятий по предотвращению аварийных разрушений экранных поверхностей нагрева двухбарабанных котлов;

• основные результаты и рекомендации используются в эксплуатационной практике и при конструировании котлов в ОАО «Бийский котельный завод» (г. Бийск, Алтайский край);

• методика исследования используется в учебном процессе по специальности 140502 «Котло- и реакторостроение» в Томском политехническом университете (включена в лекционный курс и лабораторный практикум по дисциплине «Надежность,

эксплуатационые режимы, исследование и наладка котельных установок», в тематику выпускных квалификационных работ и учебно-исследовательской работы студентов).

Достоверность результатов обеспечивается применением апробированных математических моделей и методов вычислений, согласованием с экспериментальными данными других авторов, а также с результатами, полученными по нормативному методу тепловых расчетов, и результатами инструментальных измерений.

Полученные в диссертации экспериментальные результаты коррелируют с данными других авторов.

На защиту выносятся:

• результаты численных экспериментов по определению характеристик топочного процесса для широкого диапазона нагрузки котлов ДКВР-20 при сжигании природного газа;

• результаты теоретического и экспериментального анализа условий работы настенных испарительных элементов в двухбарабанной циркуляционной системе котлов типа ДКВР;

• методические положения прогностической оценки работоспособности труб в испарительных элементах на основе применения математического моделирования топочного процесса;

• рекомендации по организации топочного процесса при реконструкции и режимам эксплуатации реконструированных с переводом на сжигание природного газа котлов типа ДКВР-20. Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации

докладывались на VII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, 2001 г.), VII, XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2002г., 2009 г.), Региональной научной конференции «Наука. Техника. Инновация» (Новосибирск, 2002 г.), VI Всероссийском совещании «Энергосбережение, энергоэффективность и энергетическая безопасность регионов России» (Томск, 2005 г.), V семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока «Проблемы теплофизики и теплоэнергетики» (г. Иркутск, 2007 г.), III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (г. Екатеринбург, 2007 г.), Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов «XXXVII неделя науки СПбГПУ» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), VI Всероссийском семинаре вузов по теплофизике и теплоэнергетике (г. Красноярск, 2009 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 15 печатных работах, среди которых 2 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения и списка литературы (109 наименований). Работа содержит 153 страницы, 8 таблиц и 48 рисунков.

Личное участие автора является определяющим на всех этапах работы: поставлена задача исследования, выполнены анализ и обобщение работ по основополагающим принципам методических основ прогностической оценки надежности испарительных элементов. Единолично выполнены экспериментальные исследования, проведен анализ и сформулированы выводы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе приведены основные сведения об эволюционном развитии современных двухбарабанных промышленных и отопительных котлов, представлено разнообразие конструктивных решений и основные особенности тепломассопереноса в существующих двухбарабанных водотрубных котлах.

Рассмотрены особенности циркуляционных систем, реализованных в двухбарабанных паровых водотрубных котлах, для которых характерно противодействие двух тенденций. С одной стороны, это - стремление к универсальности и экономичности котельных агрегатов в условиях низкого качества питательной воды, что достигается за счет применения ступенчатого испарения с установкой во вторую ступень испарения выносных циклонов. С другой стороны, очевидна направленность на упрощение изготовления и эксплуатации котлов за счет исключения сложных схем для последней ступени испарения. Циркуляционная система котлов ДКВР-20, имеющая довольно сложное устройство солевого отсека, наиболее значима для оценки влияния эксплуатационных факторов на условия надежной работы котельных агрегатов.

Выполнен анализ опыта освоения и эксплуатации, а также исследований современных двухбарабанных котлов малой мощности, большой вклад в которые внесли Н.С. Рассудов, В.В. Померанцев, A.A. Шершнев, В.Ф. Дэрк, Ю.С. Знаменский, В.П. Артемьев, A.A. Дорожков, Б.Е. Акопьянц, Г.А. Усольцев и др. Анализ публикаций показал, что обычно среди причин аварийных ситуаций и инцидентов выделяют такие, которые в большей мере определяются квалификацией обслуживающего персонала и уровнем организации эксплуатации, чем условиями работы самих котлов. Тем не менее, в статистике аварий с достаточной достоверностью установлено доминирующее положение, которое занимают повреждения

труб боковых экранов, включенных в солевой отсек испарения. К определяющим факторам этих разрушений, происходящих вследствие интенсивного накипеобразования, относят солесодержание котловой воды и условия теплопереноса (расход циркулирующей среды при изменении паропроизводительности, тепловой поток на испарительную поверхность и др.). При этом отсутствуют результаты изучения условий низкой работоспособности экранных труб в зависимости от режимных параметров котлов и соответствующих им условий организации топочного процесса. На основе обобщающего анализа сформулированы задачи исследований, соответствующие поставленной цели работы.

Во второй главе представлены основные методические положения проведенных исследований. Приведено описание объекта исследований -котла ДКВР-20, его конструктивных особенностей.

Описаны основные методы технического обследования эксплуатационного состояния топочных экранов двухбарабанных циркуляционных систем. Представлена основная методика проведения визуально-измерительного контроля экранных поверхностей, в том числе ультразвуковой толщиномегрии и измерения твердости металла. Изложена методика провидения металлографического анализа структуры металла испарительных элементов. Для определения химического состава внутритрубных отложений испарительных элементов использовался метод валового химического анализа, а для фазового состава - метод рентгено-фазового анализа.

Специфика условий эксплуатации котлов типа ДКВР (с чередующимися резкими наборами и сбросами нагрузки) влияет не только на состояние материала труб экранных поверхностей солевого контура, но и на условия его охлаждения. Для оценки условий работы гидравлической системы в области технического минимума проведены тепло-гидравлические расчеты солевого контура циркуляции. Для расчетов контуров циркуляции использована нормативная методика1.

Средством вариативных исследований внутритопочных процессов в названых условиях теплопередачи определено численное моделирование. Использовавшаяся математическая модель учитывала условия течения, горения и теплопереноса в гомогенной среде.

Для описания аэродинамики процесса, учитывая дозвуковой характер турбулентных течений в топках, использованы стандартные полуэмпирические модели турбулентности («к-с» модель турбулентности Лаундера и Сполдинга).

Гидравлический расчет котельных агрегатов [Текст] : нормативный метод / Под ред. В. А. Локшина. - М.: Энергия, 1978. - 255 с. : ил.

При постановке задачи для малогабаритной камеры котла предполагалось, что процесс стационарный, тегогофизические свойства газовой фазы зависят от концентрации компонентов (N2,02, С02, Н20, СН4) и температуры. Горение газообразного топлива описывается следующей брутто-реакцией:

СН4+202=С02+2Н20.

В этом случае математическая модель включает уравнения, записанные для краткости только для одной х- координаты: - неразрывности

д(Ри,)

ЭХ:

= 0;

баланса массы газовых компонентов

д__ дх,

д_

дх, дх,

дре^и, _ а

дх,

дх, дрСоМ,

дх.

А

Бс, дх, А, 0Со2

Бс, дх,

дС,

gas

И,

Бс, дх,

-Л

£ СУ. =1,(сК2 +С0г + +ССОг +С„2о =1);

^=М2,02,га5,С02Н20

- движения

дри,и] _ 8р J а ди, Л ди/

дх,

7=1,2,3

- энергии дри,сТ = 8

дх, дх ^

- состояния

а +—

дх} &

а*, ах/

-зЛ

рк+(/л +(I,)

дик

дхь

И+Ек.

Рг

Рг,]

аг

дх.

ч

гас1

д.х.

ЛоТ

-"ЯШ

-со.

Мс

Мг

мн,о

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

'о2 1У1 сн, со2 — п2ъ

где и, - компоненты вектора скорости; р,р,Т,с,ц - соответственно плотность, давление, температура, удельная теплоемкость, молекулярная

вязкость смеси; ¡х х ,8с,- турбулентная вязкость газа и турбулентное число Шмидта (5с, = 0,9); CJ - концентрации компонентов; Рг, Рг, -молекулярное и турбулентное (Рг( = 0,9) числа Прандтля; М} -молекулярный вес компонентов смеси; - универсальная газовая постоянная; - стехиометрический коэффициент и скорость горения газообразного топлива, которая согласно закону Магнуссена лимитируется химической скоростью реакции и скоростью турбулентной диффузии реагентов:

кск =10ш м3/кг-с,

У = шш(Лл.Лй/), ¿л = ехр

4С0г 2(СИ20+Сс01)

(9)

4С„

к

(10)

р ' 1 + /}

Е = 15300 кДж/моль.

Для описания турбулентных характеристик газа используется двухпараметрическая «А-е» модель турбулентности Лаундера и Сполдинга:

дркУ, _ д дх, дх,

дреЦ, _ д дх, дх,

+ С — р£,

м, =0,0 9р—,в = е

1,0 дх, , ——1 + 1,44С—-1,92/5—

1,3 к к

А

ч дх1 дх, 3 4 дхк

- —3,.рк 3 1

дЦ, дxJ

(И) (12) (13)

где к,е - кинетическая энерпм турбулентности и скорость ее диссипации;

8ц - символ Кронекера; д™а - компоненты вектора радиационного

теплового потока.

Радиационный теплообмен моделировался в рамках Р1- приближения метода сферических гармоник. Выбор такого подхода для моделирования термического излучения в топочной камере на газообразном топливе обусловлен его хорошей совместимостью с конечно-разностными методами.

rad

dq[_ дх.

- = a{4oT -Н),

(15)

где Н - пространственная плотность падающего излучения, Вт/м2; ке=а -коэффициент ослабления среды, 1/м; а - коэффициент поглощения, 1/м; а -постоянная Стефана-Больцмана.

Для входных границ использовались однородные распределения для всех характеристик. В качестве граничных условий на стенках канала использовались условия прилипания для скорости, граничные условия первого рода для температуры газа, равенство нулю производной по нормали для концентраций компонентов газа.

Численная реализация математической модели, описывающей процессы аэродинамики, теплообмена и горения в объеме топки, осуществлялась с использованием специализированного пакета прикладных программ FIRE 3D, разработанного на кафедре парогенераторостроения и парогенераторных установок теплоэнергетического факультета ТПУ, который в данной работе адаптирован к малогабаритной топке объекта исследования.

В третьей главе представлены результаты исследования состояния испарительных поверхностей нагрева.

Обследование, проведенное на типичном котле, свидетельствует, что экранные трубы работают в сложных эксплуатационных условиях. По результатам диагностики большинства экранных труб можно констатировать удовлетворительное их состояние. Однако наряду с этим обнаружены зоны разрушений труб солевого отсека испарения.

По результатам визуально, _ измерительного контроля для ■L'«' ж £>. ' .'¿5 металлографического анализа были

подготовлены специальные образцы из предварительно вырезанных участков труб солевого контура циркуляции (три с левого и два с правого экрана): образец №1 -труба №6 левого экрана, образец №2 -труба №13 левого экрана, образец №3 -труба №28 правого экрана, образец №4 -труба №21 правого экрана, образец №5 -труба №18 левого экрана. Структура материала трубы, наблюдаемая при 300- и 500-кратном увеличении, показана на рис. 1.Состояние трубной стали из зоны разрушений указывает на регулярный и достаточно длительный перегрев материала труб.

шщ шш

щщ.

образцов анализе

при

Рис. 1. Структура металлографическом Образец №1 (хЗОО); б) Образец № 5 (х500); в) Образец № 3 (х500); г) Образец №4 (х500)

В снятых с экранных труб отложениях после предварительной подготовки были определены компоненты их химического состава: 5Ю2 -42,3 %, Ре:03 - 13,4%, А1203 - 4,5%, СаО - 26,5%, 1^0 - 6,4%, Б03 - 3,2%, СиО, ZnO, Р04 - не более 3,7%. Такой состав отложений позволяет предполагать, что в процессе формирования накипеобразователей участвуют технологические минеральные примеси, необходимые в основном производстве, которые, очевидно, попадают в котел с оборотной водой.

Рентгеновская дифрактограмма, представленная на рис. 2, свидетельствует о наличии в составе отложений четырех основных кристаллических образований: гематита а-Ре^Оз; сильно выраженного магнетика - маггемига у-Ре203; мелилита Саг^.Р^^^гСЪ в виде твердого раствора геленита 2Са0-А1203-8Ю2 с окерманитом 2Са0-М§0-8Ю2; разновидности калиевого полевого шпата, называемой адуляром КА^зОв.

+ - группа мелилита а -т-РезОз

Рис. 2. Рентгенограмма внутритрубных отложений

Свойства выявленных минералов позволяют установить природу имевшихся в воде технологических производственных примесей и их физико-химических превращений. На основе структурно-фазового анализа внутритрубных отложений сделан вывод, что температура стенки трубы составляла 400. ..450. ..480. ..590 °С а в отдельных случаях и до 650 "С.

Присутствующие на внутренней стороне труб отложения, химический состав и минералогические формы свидетельствуют о протекании в экранных трубах накипеобразования, которое локализуется в ограниченной' зоне экранных труб в области на уровне оси верхней горелки и является также следствием перегрева труб. Минералогический состав окристаллгоованной фазы внутритрубных отложений подтверждает данные металлографических исследований о значительном повышении температуры стенки труб с огневой стороны, имевшем место при эксплуатации котла.

Результаты тепло-гидравлических расчетов циркуляции в виде зависимости расхода воды от паропроизводительности котла представлены на рис, 3. Видно, что при стационарной работе контура циркуляции в широком диапазоне паропроизводительности котла от 2,22 до 5,75 кг/с (соответствует нагрузкам от 40 до 103 %) расход воды изменяется не более чем на 4,8 кг/с при рабочем давлении 1,57 МПа и 1,1 МПа. При давлении 0,63 МПа изменение расхода воды даже не превышает 3,3 кг/с. Особо следует

отметить, что при минимальной паропроизводительности 2,22 кг/с (8,0 т/ч)

расход воды составляет не менее 22,4 циркуляции 0,86 м/с.

Рис. 3. Зависимость расхода воды в солевом контуре циркуляции от

паропроизводительности котла при различном рабочем давлении: 1-1,57 МПа, 2-1,1 МПа, 3 - 0,63 МПа

кг/с, что соответствует скорости

Результаты расчетных исследований внутрикотловой гидродинамики позволяют

констатировать, что конструкция циркуляционной схемы котла ДКВР-20 обеспечивает надежную работу обогреваемых труб при стационарных режимах по критериям оценки естественной циркуляции, определяемым

расходом циркулирующей среды. Отсутствуют застой и

опрокидывание в контуре в широком диапазоне стационарных нагрузок котла и рабочего давления.

Выполнены исследования внутритопочных процессов при номинальной нагрузке. Определен характер изменения температурного поля, падающего теплового потока к испарительной поверхности, концентрации кислорода в объеме топки, а также в пристенной области.

Визуализация (рис. 4) тепловых потоков по плоскостям в продольном сечении по осям горелок и в пристеночной области выявила хорошо очерченную зону максимума, расположенную на уровне средней высоты расположения горелок. При этом основная часть этой зоны проецируется на экранные трубы солевого отсека испарения, включенного в крайнюю боковую панель.

¡ГВЖЗЕЗ'ТЗ'й'Г»1*

а) б)

Рис.4. Тепловой поток в продольных сечениях: а) по осям горелок (г = 1,365 м); б) вблизи боковой стены (г = 0,069 м); 1 - зона повреждений экранных труб

Установлено, что зона максимального теплового потока совпадает с зоной разрушений и повреждений экранных труб, выявленных при техническом обследовании поверхностей нагрева. Это дает основания для использования величины теплового потока и координаты зоны его максимальной локализации для сравнения с условиями работы экранных труб с целью возможного прогнозирования скорости накипеобразования и обоснования критериев работоспособности экранов.

6Т~ ..»: ...,..,, -----.■■• ' ........ -•■•■■ ■ J".....V ' , 6

600 800 1000 1200 1400 ГШ 1800 0 0.S 1 .1,5 2 2,5 3 ?,5

Tt*nq*iyp»,V JCwutKTfMmOi.S

а)

б)

Рис. 5. Изменение температуры дымовых газов и концентрации кислорода по высоте топки: а)

температура дымовых газов; б) концентрация кислорода; --- - численное

моделирование; • - тепловой расчет по нормативному методу; ♦ - инструментальное измерение

На рис. 5 представлены распределения температуры дымовых газов и концентрации кислорода по высоте топки, полученные при численном моделировании. Здесь же показаны в виде точек: значение температуры на выходе из топки (рис. 5,а), определенное тепловым расчетом топки, а также измеренное при наладочных балансовых испытаниях котла значение содержания кислорода в дымовых газах (рис. 5,6). Можно отметить, что результаты численного моделирования отличаются от результатов, полученных на основе нормативного метода для температуры на выходе из топки, всего на 23 °С, что составляет не более 2,2 % (рис. 5,а). Концентрация кислорода на выходе из топки по результатам численного моделирования топочной среды и данные прямого измерения имеют относительное отклонение менее 14,3 % (рис. 5,6).

Полученные результаты показывают, что подходы к решению численных задач, реализованные в используемом пакете прикладных программ FIRE 3D, имеют достаточно высокую достоверность при моделировании физических процессов при сжигании газообразного топлива в малогабаритной камерной топке.

В четвертой главе выполнен анализ изменения теплофизических параметров топочной среды при различных эксплуатационных условиях

работы котла и оценено влияние режимных нахрузок на их особенности. Для оценки и сравнительного анализа внутритопочных процессов определены основные режимы эксплуатации котла от номинальной (100 %) до глубокого минимума нагрузки (15 % от номинальной). При этом рассматривались различные варианты нагружения горелок: равномерное включение двух установленных горелок иди работа одной горелки в выбранном режиме работы.

Анализ результатов моделирования позволяет сделать вывод по характеру внутритопочных процессов. При этом результаты моделирования позволяют сделать и количественные оценки по всем параметрам, характеризующим процессы в топке котла.

Для создания методических основ для прогнозирования эксплуатационной надежности использованы данные, которые были получены в рамках настоящей работы при исследовании физического состояния экранных труб и моделировании теплофизических параметров топочной среды. На рис. б показана зависимость изменения перепада плотности излучения в пристеночной области для групп поврежденных труб.

На рис. 6 областью А обозначены границы достоверно установленных участков труб с разрушениями и дефектами, несовместимыми с дальнейшей эксплуатацией. Область Б определяет фактический эксплуатационный перепад плотности излучения в пристеночной области топки [Дд], недопустимых при надежной работе экранов.

Параметр [Ад] выступает в качестве одного из подтвержденных практикой критериев надежной работы экранов как в применении к задачам эксплуатации и наладки, так и на стадии конструкторской проработки:

[Д^А-Д?

где Ад и [Ад] - соответственно рабочее и предельное значения эксплуатационных перепадов радиационного теплового потока в пристеночной области топки; к - коэффициент, соответствующий запасу надежности. Ориентируясь на нормативную методику1, можно принимать к =1,1 (1,2). При этом меньшее значение относится к котлам, задействованным только на отопительную нагрузку (со сравнительно меньшей динамикой изменения), большее - к котлам, обеспечивающим технологические потребности промышленного производства, динамика изменения производительности которых диктуется этим производственным циклом.

В условиях эксплуатации надежность испарительных элементов котла зависит от большого количества факторов, которые оказывают прямое или косвенное влияние. Так, скорость накипеобразования на внутренней поверхности труб обусловлена качеством питательной воды на входе в котел, величиной непрерывной продувки, солесодержанием продувочной воды,

концентрацией накипеобразующих соединений в котловой воде. Комплексная оценка этих факторов, основанная на известных значениях падающего теплового потока в пристенной области, создает возможности для прогноза скорости накипеобразования, а также оценки допустимого перепада теплового потока при изменении режима работы котла и вариантов нагружения горелок. Методическая основа такого рода оценки поясняется номограммой, представленной на рис. 7.

Рис. 6. Изменение эксплуатационного перепада теплового потока в пристеночной области по высоте топки для дефектных участков бокового экрана: 7...12 - группы поврежденных труб; А - область локализации разрушений по высоте; Б - интервал опасных значений перепада теплового потока

/ " /___ /~»

А

Б , 1

Результаты, полученные в настоящей работе, подтверждают основные причины разрушения экранных труб и обозначенные основные направления повышения их надежности.

Рис 7. Струиура номограммы для оценки эксплуатационных условий работы испарительных экранов топочной камеры: р - величина продувки котловой воды из солевого отсека, %; С,- - содержание / -того накипеобразователя в котловой воде, мг/кг, Д<7 - перепад плотности излучения в пристеночной области, кВт/м2; 1 - скорость накипеобразования, мг/смг-ч; 2 - концентрация примесей в питательной воде, мг/кг

На современном этапе решения обсуждаемой проблемы появилась возможность все намеченные ранее направления по повышению надежности испарительных элементов более детально конкретизировать. Так, посредством математического моделирования можно количественно оценить изменение тепловыделения в зоне расположения испарительных элементов и из большого ряда рекомендаций выбрать самое эффективное решение. Возможности современного подхода позволяют достоверно и в короткий срок выполнить анализ внутригопочных процессов, в том числе и оценить

интенсивность тепловыделения в пристенной области вблизи испарительных элементов при различных вариантах компоновки и режимов нагружения горелок. Кроме этого, при использовании численного моделирования возникает возможность отследить изменения положения зоны максимума тепловых потоков в условиях варьирования расходных параметров работающих горелок и таким образом подобрать оптимальный топочный режим, а также обеспечить эффективную наладку горелочных устройств.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнен комплексный анализ условий теплопередачи, определяющих причины разрушений испарительных элементов в двухбарабанных циркуляционных системах, определены основные варианты сочетания причин, определяющих разрушения.

2. Проведены полномасштабные исследования внутритопочных процессов с целью оценки характеристик изменения температурного поля, падающего теплового потока, концентрации кислорода и других критериев в объеме топки, а также в пристенной области. При этом способ выбранного анализа теплофизических процессов позволяет сократить трудоемкость и время проведения данных исчислений.

3.Выполнены исследования по оценке эксплуатационных условий работы солевого контура циркуляции двухбарабанных систем, экспериментально определены основные причины и сопутствующие факторы разрушения экранных труб. Также выполнена оценка условий циркуляции в испарительных элементах.

4. При использовании программного пакета FIRE 3D выполнена оценка перепада теплового потока в пристеночной области и выявлены наиболее опасные участки испарительных элементов с учетом эксплуатационных факторов.

5. На основе применения численного моделирования топочной среды для промышленных двухбарабаных котлов разработана методика прогностической оценки надежности испарительных поверхностей нагрева.

6.Результаты диссертационного исследования используются в ОАО «Бийский котельный завод» (г. Бийск, Алтайский край) и Филиал ФГУП «НПО «МИКРОГЕН» МЗ РФ в г.Томск «НПО «ВИРИОН» (г. Томск), а также используются в учебном процессе по специальности 140502 «Котло- и реакторостроение» в Томском политехническом университете (включены в лекционный курс и лабораторный практикум по дисциплине «Надежность, эксплуатационые режимы, исследование и наладка котельных у становою), в тематику выпускных

квалификационных работ и учебно-исследовательской работы студентов).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ

ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Тайлашева Т.С., Корженко A.B., Казаков A.B., Привалихин Г.К. Резервы повышения эффективности работы подпитки котлов первой очереди котельной «ТНХЗ» / Материалы докладов VII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность». - Томск: Изд. ИПФ ТПУ, 2001. - Т. 2. - С. 36-38.

2. Тайлашева Т.С., Корженко A.B. Особенности эксплуатационных режимов модернизированной горелки РГМГ - 2 котла ДСЕ-2,5-14 / Материалы докладов региональной научной конференции «Наука. Техника. Инновация». - Новосибирск: Изд. НГТУ, 2002. - 4.2. - С. 185187.

3. Тайлашева Т.С., Корженко A.B. Особенности водоподготовки котельной ОАО «Завод ЖБК-100» г. Томска / Материалы докладов региональной научной конференции «Наука. Техника. Инновация». -Новосибирск: Изд. НГТУ, 2002. - Ч. 2. - С. 195-197.

4. Тайлашева Т.С., Корженко A.B. Проблемы пуско-наладочных работ на установке ВПУ-6 котельной п. Мельниково Томской области / Материалы докладов региональной научной конференции «Наука. Техника. Инновация». - Новосибирск: Изд. НГТУ, 2002. - Ч. 2. - С. 198199.

5. Тайлашева Т.С., Корженко A.B., Казаков A.B., Привалихин Г.К. Повышение эффективности работы подпитки котлов первой очереди котельной «ТНХЗ» / Труды VII Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии». - Томск: Изд. ИПФ ТПУ, 2002.-С. 85-87.

6. Тайлашева Т.С., Корженко A.B., Привалихин Г.К. Проблемы водно-химического режима котлов БКЭ-75-39ГМА котельной «ТНХЗ» / Материалы докладов IX Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность». -Томск: Изд. ИПФ ТПУ, 2003. - Т. 1. - С. 196-198.

7. Тайлашева Т.С., Корженко A.B. Влияние условий непрерывной продувки на качество и надежность водно-химического режима паровых котлов БКЭ-75-39 ГМА котельной ОАО «ТНХЗ» / Труды X Юбилейной международной научно-практической конференции студентов, ассистентов и молодых ученых «Современные техника и технологии». -Томск: Изд. ИПФ ТПУ, 2004. - Т .1. - С. 23-24.

8. Тайлашева Т.С., Артамонцев А.И., Привалихин Г.К. Оценка технической целесообразности вариантов реконструкции системы ХВО котельной ООО «Томскнефтехим» / Материалы докладов VI Всероссийского совещания «Энергосбережение, энергоэффективность и энергетическая безопасность регионов России». - Томск: Изд. ЦНТИ, 2005.-С. 19-24.

9. Тайлашева Т.С., Лебедев Б.В. Особенности эксплуатации котлов ДКВР-20-23 ЗАО «Сибкабель» / Материалы III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики». -Екатеринбург: Изд. «ИРА УТК», 2007. - С. 319-323.

10. Тайлашева Т.С. Особенности работы циркуляционного контура соленого отсека котла ДКВР-20-23 / Материалы Всероссийской научной конф. студентов и аспирантов «XXXVII неделя науки СПбГПУ». - СПб: Изд. Политехи, ун-та, 2008. - С.144-145.

11. Тайлашева Т.С., Гиль A.B., Лебедев Б.В. Математическое моделирование аэродинамики и горения природного газа в котле типа ДКВР / Материалы V семинара вузов Сибири и Дальнего Востока «Проблемы теплофизики и теплоэнергетики». - Иркутск: Изд. ИрГТУ,

2008. —С.97—101.

12. Тайлашева Т.С. Моделирование топочной среды в котле типа ДКВР при сжигании природного газа / Известия Томского политехнического университета. - 2009. - № 4, Т. 314 - С. 42-47.

13. Тайлашева Т.С. Эксплуатационные условия работы соленого циркуляционного контура котла ДКВР -20 / Труды XV Международной научно-практической конференции студентов, ассистентов и молодых ученых «Современные техника и технологию). - Томск: Изд. ИПФ ТПУ,

2009. - Т.3.-С. 338-340.

14. Тайлашева Т.С. Исследование эксплуатационных условий испарительных элементов в двухбарабанных котлах с целью повышения надежности/ Тезисы докладов всероссийского Семинара кафедр вузов по теплофизике и теплоэнергетике. - Новосибирск: Изд. ИТ СО РАН, 2009. -С. 105.

15. Заворин A.C., Тайлашева Т.С. Теплофизические факторы эксплуатационной надежности испарительных элементов двухбарабанных котлов / Известия Томского политехнического университета - 2009. - № 4, Т. 315 - С. 10-15.

Подписано к печати 17.11.09 Бумага офсетная. Печать RISO. Формат 60x84/16. Тираж 100 экз. Заказ № 38-0133 Центр ризографии и копирования. Ч/П Тисленко О.В. Св-во №14.263 от 21.01.2002 г., пр. Ленина, 41, оф. № 7а.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДВУХБАРАБАННЫХ ПАРОВЫХ

КОТЛОВ.

1.1. Развитие конструктивного ряда двухбарабанных котлов отопительного и промышленного назначения.

1.2. Особенности циркуляционной системы.

1.3. Анализ опыта эксплуатации котлов типа ДКВР.

1.4. Обоснование задач исследований.

ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОВЕДЕННЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Характеристика объекта исследования.

2.2. Исследование состояния экранных труб.

2.3. Оценка внутрикотловых параметров работы труб.

2.4. Описание математической модели.

2.5. Программный продукт и его адаптация к объекту исследования.

2.6. Краткие выводы.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ

ТОПОЧНЫХ ЭКРАНОВ ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

3.1. Физическое состояние материала экранных труб.

3.2. Физико-химическая характеристика внутренних поверхностей экранных труб.

3.3. Влияние водно-химического режима на техническое состояние экранных труб.

3.4. Результаты теплогидравлических расчетов солевого контура циркуляции.

3.5. Результаты математического моделирования топочной среды при номинальной нагрузке.'.

3.6. Краткие выводы.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ

НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

4.1. Анализ процессов тепломассопереноса в топочной среде.

4.2. Влияние эксплуатационных режимов на процессы тепломассопереноса в топке котла.

4.3. Основы прогностической оценки работоспособности испарительных элементов.

4.4. Рекомендации по повышению работоспособности испарительных элементов двухбарабанных котлов.

Состояние энергетической отрасли является определяющим фактором не только для благосостояния населения, но и экономико-политического положения любой страны в мировом сообществе. Необходимость обеспечения постоянного роста и совершенствования техники и технологий как условия инновационного развития связана со значительным увеличением потребления энергетических ресурсов [1]. В свою очередь, эта проблема обусловила повышенное внимание во всем мире к энергетической безопасности и к реализации эффективных мер по ресурсо- и энергосбережению. Не случайно основными приоритетами «Энергетической стратегии развития России до 2020 года» является полное и надежное обеспечение населения и экономики энергоресурсами по доступным и вместе с тем стимулирующим энергосбережение ценам, снижение рисков и недопущение развития кризисных ситуаций в энергообеспечении страны [2].

Наряду с крупными электро- и теплогенерирующими станциями, входящими в структуру так называемой «большой» энергетики, значительная роль в решении этих задач отводится промышленной энергетике, где тепловая энергия парового или водяного теплоносителей предназначена для теплоснабжения населения и технологического использования в производственных процессах. В этой сфере центральное место занимает проблематика повышения надежности эксплуатации котельного оборудования и связанной с этим эффективности топливоиспользования.

Положение дела в этой области определяется несколькими обстоятельствами. Часть из них является многолетним унаследованным итогом и непосредственно связана с особенностями котельного парка и условиями обеспечения технического уровня его обслуживания. Другие обстоятельства сформированы тенденциями переходного периода в экономике страны, которые глубоко затронули все отрасли промышленности и, естественно, не могли не повлиять на состояние промышленной энергетики.

В сфере малой энергетики с отопительным и промышленным использованием пара во второй половине прошлого века широкое распространение получили двухбарабанные водотрубные паровые котлы типа ДКВР производства Бийского котельного завода, разработанные под руководством ЦКТИ. В тот период в СССР ежегодно строилось более 1200 котельных с более чем 3500 котлов типа ДКВР производительностью от 2,5 до 20 тонн пара в час [3]. Всего выпущено и эксплуатируется по сегодняшний день несколько сотен тысяч котлов типа ДКВР различной производительности, что дает основание относить эти котлы к наиболее распространенным в мире.

За долгое время работы большинство котлов типа ДКВР подвергалось различным реконструкциям и модернизациям по многим причинам. Распространенным вариантом реконструкции стал перевод котлов на сжигание непроектного вида топлива. В некоторых случаях это могло сочетаться с понижением рабочих параметров насыщенного пара из-за изменения технологии его использования, нередко с изменением^ сезонной* потребности в отпускаемом тепле и паре. Во многих реализованных примерах реконструктивные мероприятия' носили выраженный региональный характер. Так, в Западной Сибири, где разведано и эксплуатируется несколько сотен месторождений нефти и газа, в последнее время активно проходила газификация региона. Жилищно-коммунальный комплекс активно участвует в этом процессе, промышленные предприятия также стремятся к газификации, поскольку использование природного газа существенно снижает себестоимость продукции и повышает культуру производства тепла и пара.

За последнюю- четверть века в. промышленности России произошли преобразования, связанные с изменением статуса предприятий. На многих крупных предприятиях металлургии, нефтехимии, строительной, пищевой и других отраслей промышленности произошла смена собственников. Из государственных предприятия превратились в акционерные общества различного типа. Рыночные условия и себестоимость готовой продукции заставляют руководство предприятий и отдельных предпринимателей искать варианты получения более дешевого паро- и теплоснабжения. Мелкие предприятия и учреждения из экономических соображений зачастую отказываются от централизованного теплоснабжения и переходят на индивидуальные котельные. В основном, как правило, они служат для покрытия отопительной нагрузки, горячего водоснабжения и промышленного использования пара. Многие крупные промышленные предприятия из-за высоких тарифов на тепловую энергию и низкого качества теплоснабжения также стремятся к независимости теплоснабжения, поэтому либо строят новые крупные котельные, либо реанимируют старые, проводя их техническое перевооружение [4].

В условиях конкурентного рынка предприятия пытаются минимизировать затраты, связанные также и с переводом котельных на сжигание природного газа. В основном это решается путем реконструкции и модернизации уже существующего установленного оборудования. Поэтому реконструкция котельных агрегатов сводится в большей части к демонтажу топочных устройств для сжигания твердого топлива и установке газомазутных горелок. Такой путь реконструкции является менее затратным, нежели установка современных специализированных газомазутных котлов.

Стремление собственников обеспечивать функционирование промышленного производства и жилищно-коммунальные потребности за счет малозатратности энергетического хозяйства усугубляет зависимость надежности промышленных и отопительных котельных от качества питательной и котловой воды. Как известно[5,6], концентрация примесей в котловой воде является определяющим условием для накипеобразования. Интенсивность последнего вместе с тем находится в степенной зависимости от величины теплового потока [6,7]. Поэтому отступления от нормативов

8,9] по оснащению котельных водоподготовительным оборудованием и ведению водно-химического режима, оправдываемые кажущимся сокращением капитальных и эксплуатационных затрат, на самом деле ведут к их кратному возрастанию. Интенсивное накипеобразование даже при умеренных тепловых нагрузках и достаточном расходе воды может приводить к катастрофическому превышению температуры металла стенки трубы. Здесь следует отметить, что анализ условий эксплуатации систем докотловой и коррекционной обработки воды [10—14] и в предыдущие годы выявлял большое количество случаев нарушения не только режимов работы водоподготовительных установок, но и ведения водно-химического режима.

Многолетний опыт эксплуатации котлов ДЬСВР, работающих на природном газе и мазуте, в особенности реконструированных по упрощенной схеме, выявляет систематическое (ежегодное) разрушение экранных труб боковых экранов в районе расположения горелок. Результаты, приведенные в [15,16], показывают, что большинство котлов- за 3.4 года эксплуатации неоднократно подвергаются замене экранных труб — как в период плановых ремонтов, так и во время аварийных остановов. Чаще всего разрушению подвергаются трубы, включенные в солевой отсек ступенчатого испарения котлов ДКВР-20.

Сопоставление этих сведений с известными закономерностями накипеобразования позволяет полагать, что в основе процессов, приводящих к выходу из строя топочных экранов в газомазутных котлах ДКВР, находятся процессы, которые обусловлены распределением и интенсивностью теплового воздействия на экранные трубы, а также концентрацией накипеобразующих примесей в котловой воде. При этом возможно как раздельное действие факторов, так и их сочетание. Негативный эффект может существенно усиливаться при нарушениях внутрикотловой гидродинамики в соответствующих элементах контуров, из которых состоит весьма сложная система естественной циркуляции с двумя барабанами, характерная для котлов типа ДКВР.

Исходя из вышеизложенного, исследования, направленные на обеспечение работоспособности наиболее распространенных котлов в отечественной промышленной и коммунальной энергетике, являются актуальными. В связи с этим необходимо отметить, что надежность работы отопительных котельных, обеспечение населения теплом и горячей водой имеет еще и огромное социальное значение. В большинстве регионов России, а особенно для Сибири, где отопительный сезон длится почти десять месяцев - это первостепенная задача для инженерного корпуса теплотехников и муниципальных органов управления. Тем более, что в системе жилищно-коммунального хозяйства Сибири степень изношенности основных фондов составляет 50%, а в некоторых областях доходит до 80% [2]. В таких условиях возрастает вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций и техногенных катастроф.

С учетом приведенных выше сведений и положений определена цель настоящей работы - разработка прогностических методов оценки влияния эксплуатационных факторов на работу испарительных элементов в двухбарабанных системах естественной циркуляции и обоснование диапазона допустимых условий тепломассопереноса.

В связи с изложенным основными задачами исследований являются: выявление эксплуатационных факторов, обуславливающих разрушение испарительных элементов в двухбарабанных циркуляционных системах; проведение вычислительных экспериментов, с целью анализа влияния особенностей конструкции, способов компоновки горелок и режимов работы на тепловые характеристики испарительных элементов в распространенной гидродинамической схеме; выполнение многовариантных численных исследований по оценке условий работы солевого контура циркуляции двухбарабанных систем; выявление наименее работоспособных (с учетом эксплуатационных факторов) участков испарительных элементов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- проведены полномасштабные численные исследования процессов в топке и условий циркуляции в настенных экранах для двухбарабанных систем при сжигании природного газа;

- получены новые данные о распределении температур и аэродинамической структуры топочного объема, плотности теплового потока на ограждающие поверхности топки котла ДКВР, позволяющие анализировать условия работы не только экранных панелей, но и отдельных труб в их составе;

- впервые разработаны методические положения по применению математического моделирования для оценки влияния эксплуатационных факторов на работу испарительных элементов в двухбарабанных циркуляционных системах.

Практическая значимость диссертационной работы определяется тем, что:

V - полученные результаты создают объективные предпосылки для прогнозирования наиболее опасных участков испарительных элементов контура циркуляции;

- результаты исследования применимы для разработки мероприятий по предотвращению аварийных разрушений экранных поверхностей нагрева двухбарабанных котлов.

Разработанные рекомендации по организации топочного процесса и ведению режимов эксплуатации котлов, позволяющие повысить надежность работы испарительных элементов, используются в ОАО «Бийский котельный завод»-(г. Бийск, Алтайский,край) и Филиал ФГУП «НПО «МИКРОГЕН» МЗ РФ в г.Томск «НПО «ВИРИОН» (г. Томск).

Во введении- обоснованы актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, приводится общая характеристика работы.

Первая глава отражает состояние изученности эксплуатационной-' надежности двухбарабанных циркуляционных систем. Описаны основные особенности циркуляционной схемы двухбарабанных котлов. Рассмотрены этапы эволюции конструкции промышленных и отопительных двухбарабанных котлов. Обобщены известные сведения об основных причинах аварий испарительных элементов в двухбарабанных котлах при сжигании природного газа и мазута.

Вторая глава посвящена рассмотрению основных методических положений исследования. Описаны основные методы обследования эксплуатационного состояния топочных экранов двухбарабанных циркуляционных систем. Представлена математическая модель аэродинамики и теплообмена в топке двухбарабанных котлов. Приведено описание пакета прикладных программ FIRE 3D и выполнена его адаптация к малогабаритным топкам двухбарабанных котлов. Приведено описание объекта исследований — котла ДКВР-20, его конструктивных особенностей.

В третьей главе рассмотрены результаты диагностирования состояния труб солевого* контура испарительных элементов. Представлены результаты исследований' циркуляции в солевом контуре с выносным циклоном. Проведено тестирование пакета FIRE 3D по известным экспериментальным данным для топки котла ДКВР-20 при сжигании природного газа. Показано совпадение областей локализации разрушений и значительного накипеобразования с зонами повышенной тепловой нагрузки на экраны, полученными по итогам численного моделирования топочных процессов.

В четвертой главе выполнен анализ влияния эксплуатационных факторов на условия работы топочных экранов. Изложены основы прогностической оценки работоспособности испарительных элементов двухбарабанных котлов. Приведены рекомендации по повышению надежности циркуляционных систем.

В заключении приведены основные выводы по результатам диссертационного исследования.

Апробация^ работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на VII Всероссийской научно-технической конференции

Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, 2001 г.), VII, XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2002г., 2009 г.), Региональной научной конференции «Наука. Техника. Инновация» (Новосибирск, 2002 г.), VI Всероссийском совещании «Энергосбережение, энергоэффективность и энергетическая безопасность регионов России» (Томск, 2005 г.), V семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока «Проблемы теплофизики и теплоэнергетики» (г. Иркутск, 2007 г.), III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (г. Екатеринбург, 2007 г.), Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов «XXXVII неделя науки СПбГПУ» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), VI Всероссийском семинаре вузов по теплофизике и теплоэнергетике (г. Красноярск, 2009 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 печатных работ, среди которых 2 статьи в рецензируемом издании (список ВАК).

На защиту выносятся:

- результаты численных экспериментов по определению характеристик топочного процесса для широкого диапазона нагрузки котлов ДКВР-20 при сжигании природного газа;

- результаты анализа условий работы настенных испарительных элементов в двухбарабанной циркуляционной системе котлов типа ДКВР;

- методические положения прогностической оценки работоспособности труб в испарительных элементах на основе применения математического моделирования топочного процесса;

- рекомендации по организации топочного процесса при реконструкции и режимам эксплуатации реконструированных с переводом на сжигание природного газа котлов типа ДКВР-20.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ТОПОЧНЫХ ЭКРАНОВ ПОСЛЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

65

СОСТОЯНИЯ ДЛИТЕЛЬНОЙ

3. 1. Физическое состояние материала экранных труб

Обследование состояния экранных труб солевого контура циркуляции проводилось поэтапно в период планового ремонта котла. На первом этапе экранные поверхности котла подвергали визуально-измерительному контролю, который выполнялся как с внутренней стороны топочной камеры, так и с наружной стороны при частично снятой изоляции. На обмуровке котла следов повреждения и разрушения, а также подтекания рабочей среды не выявлено. Наружная поверхность труб по всему периметру отложений не имеет, с огневой стороны она имеет характерный черный цвет, а с тыльной стороны - красноватый оттенок. Выходы труб из ранжира отсутствуют.

При визуальном контроле на левом и правом боковых экранах солевого контура циркуляции со стороны топочного объема выявлены четыре участка труб с окалинами (рис. 3.1), на девяти участках экранных труб длиной 400.600 мм на уровне вблизи оси верхней горелки обнаружены отдулины. Для их дальнейшего исследования проведены вырезки образцов участков труб (рис. 3.2). На остальных трубах экранов повреждений, трещин, вмятин, механических расслоений не обнаружено. а) б)

Рис. 3.1. Фотографии участков экранных труб с выявленными повреждениями: а) левого бокового экрана; б) правого бокового экрана а) б)

Рис. 3.2. Фотографии участков экранных труб солевого отсека, вырезанные для подготовки образцов: а) правого бокового экрана; б) левого бокового экрана

По итогам осмотра элементов котла дефектов на наружной и внутренней поверхностях и сварных швах не обнаружено, состояние труб определено как удовлетворительное и соответствующее установленным требованиям [43], за исключением девяти вырезанных участков труб.

На следующем этапе обследования проведен контроль диаметров и толщин стенок всех экранных труб. При измерении диаметров труб установлено (табл. 3.1), что отклонения наружного диаметра не превышают допустимых значений. Пример протокола измерения диаметра экранных труб представлен в Приложении Б.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе выполненного анализа опыта эксплуатации и наладки промышленных двухбарабанных паровых котлов выявлены основные причины разрушения экранных труб. В качестве объекта исследования выбран двухбарабанный паровой котел типа ДКВР-20 в условиях промышленной эксплуатации в режиме работы с переменной нагрузкой.

Выполнен комплексный анализ эксплуатационных факторов, определяющих причины разрушений испарительных элементов в двухбарабанных циркуляционных системах, определены основные варианты сочетания причин, определяющих разрушения.

Для оценки эксплуатационного состояния экранных труб выполнено комплексное обследование посредством визуально-измерительного контроля, ультразвуковой толщинометрии, металлографического анализа материала труб. Выполнена количественная и качественная оценка внутренних отложений с применением химического и рентгено-фазового анализов.

Результаты обследования физического состояния экранных труб, показывают, что они находятся в сложных эксплуатационных условиях. Исследования трубной стали и результаты технического диагностирования выявили зоны разрушений труб солевого отсека испарения, причинами которых является регулярный и достаточно длительный перегрев материала труб.

Исследования внутренних отложений, их химического состава и минералогических форм свидетельствуют о протекании в экранных трубах накипеобразования, что является также следствием перегрева труб. Минералогический состав окристаллизованной фазы внутритрубных отложений подтверждает данные металлографических исследований о значительном повышении температур стенок труб.

Выполненные теплогидравлические расчетные исследования циркуляции в испарительных элементах солевого контура свидетельствуют о надежной работе экранов в широком диапазоне нагрузок котла и постоянном охлаждении труб.

По результатам моделирования проведена оценка не только аэродинамики топочных газов и температурных режимов в топке, но и распределения тепловых потоков как в центральной части топки, так и в пристеночной области.

Возможность оценки теплового потока в пристеночной плоскости с определением области его максимальных значений позволила разработать методический подход к прогнозированию условий работы экранных труб с учетом эксплуатационных факторов.

Результаты диссертационной работы позволяют сделать следующие выводы:

1. Выполнен комплексный анализ условий теплопередачи, определяющих причины разрушений испарительных элементов в двухбарабанных циркуляционных системах, определены основные варианты сочетания причин, определяющих разрушения.

2. Проведены полномасштабные исследования внутритопочных процессов с целью оценки характеристик изменения температурного поля, падающего теплового потока, концентрации кислорода и других критериев в объеме топки, а также в пристеночной области. При этом способ выбранного анализа теплофизических процессов позволяет сократить трудоемкость и время проведения данных исчислений.

3. Выполнены исследования по оценке эксплуатационных условий работы солевого контура циркуляции двухбарабанных систем, экспериментально определены основные причины и сопутствующие факторы разрушения экранных труб. Также выполнена оценка условий циркуляции в испарительных элементах.

4. При использовании программного пакета FIRE 3D выполнена оценка изменения теплового потока в пристеночной области и выявлены наиболее опасные участки испарительных элементов с учетом эксплуатационных факторов.

5. На основе применения численного моделирования топочной среды для промышленных двухбарабаных котлов разработана методика прогностической оценки надежности испарительных поверхностей нагрева.

6. Результаты диссертационного исследования используются в ОАО «Бийский котельный завод» (г. Бийск, Алтайский край) и Филиал ФГУП «НПО «МИКРОГЕН» МЗ РФ в г.Томск «НПО «ВИРИОН» (г. Томск), а также используются в учебном процессе по специальности 140502 «Котло- и реакторостроение» в Томском политехническом университете (включены в лекционный курс и лабораторный практикум по дисциплине «Надежность, эксплуатационые режимы, исследование и наладка котельных установок», в тематику выпускных квалификационных работ и учебно-исследовательской работы студентов).

1. Клименко, В. В. Мировая энергетика и глобальный климат в XX1.в. в контексте исторических тенденций Текст. / В. В. Клименко, А. Г. Терешин // Теплоэнергетика. — 2005. — № 4. — С. 3-7. — Библиогр.: с. 7.

2. Яновский, А. Б. Основные направления Энергетической стратегии России на период до 2020 года Текст. / А. Б. Янковский // Промышленная энергетика. 2003. — № 12. — С. 2-6.

3. Дорожков, А. А. Развитие отечественного котлостроения для современной промышленной энергетики Текст. / А. А. Дорожков // Известия Томского политехнического университета. — 2009. № 4, Т. 314-С. 48-51.

4. Васильев, А. В. Сравнительный анализ эффективности паровых и водогрейных котлов для промышленных и отопительных котельных Текст. / А. В. Васильев, Г. В. Антропов, А. А. Сизоненко"" // Промышленная энергетика. — 2003. — № 9. — С. 18-23.

5. Артемьев, В. П. Отложение накипи в экранных трубах и тепловые потоки Текст. / В. П. Артемьев, В. А. Синицкая // Энергомашиностроение. 1970. - № 7. - С. 7-9.

6. Манькина, Н. Н. Исследование условий образования железоокисных отложений Текст. / Н. Н. Манькина // Теплоэнергетика. 1960. — № 3. - С. 8-12. - Библиогр.: с. 12.

7. Водный режим тепловых электростанций (обычных и атомных) Текст. / В. В. Акользин, П. А. Герасимов, А. И. Касперович [и др].; под ред. Т. X. Маргуловой. -М.; Л.: Энергия, 1965. 383 с.: ил.

8. Паровые котлы типа Е (ДКВР) Текст. : 0302.020.ТО : техническое описание, инструкция по монтажу и эксплуатации. Бийск: ОАО «Бийский котельный завод», 2006. — 52 с. : ил.

9. Сутоцкий, Г. П. О водно-химическом режиме промышленных котельных с котлами типа ДКВР Текст. / Г. П. Сутоцкий, В. Ф. Фурсенко // Промышленная энергетика. 1976. — № 6. — С. 18—19. — Библиогр.: с. 19.

10. Шапров, М. Ф. Предотвращение углекислотной коррозии метала в паровых котлах типа ДКВР Текст. / М.Ф. Шапров // Промышленная энергетика. 1982. - № 2. - С. 22-23.

11. Ахмедов, Д. Б. Выявление и предотвращение причин аварий на котлах ДКВР-20, работающих на газе и мазуте Текст. / Д. Б. Ахмедов, Д. С. Калинин, Н: В. Ветров, В'. Я. Калинина // Промышленная энергетика. — 1974.-№ 7.-С. 20-21.

12. Акопьянц, Б. Е. Особенности эксплуатации котлов ДКВР-20 Текст. / Б. Е. Акопьянц, В. П. Артемьев, Б. JI. Кокотов // Энергомашиностроение. 1971. — № 3. - С. 10-11. — Библиогр.: с. 11.

13. Знаменский, Ю. С. 50-тысячный котел ДКВР Текст. / Ю. С. Знаменский, В. П. Лобанов, Н. М. Марков, Н. С. Рассудов [и др.] // Энергомашиностроение. 1972. — № 5. - С. 1—4. - Библиогр.: с. 4.

14. Гарденина, Г. Н. 50 тысяч котлов ДКВР Текст. / Г. Н. Гарденина, В. Ф. Дэрк, А. А. Дорожков, П. Ф. Казанцев // Промышленная энергетика. 1972.-№ 12.-С. 22-24.

15. Зыков, А. К. Паровые и водогрейные котлы Текст. : Справочное пособие / А. К. Зыков. — М. : Энергоатомиздат, 1987. 127 с. : ил. -(Библиотека тепломонтажника) . - Библиогр.: с. 126.

16. Паровые котлы малой мощности, котлы-утилизаторы и вспомогательное оборудование котельных Текст. : Каталог-справочник / Росглавтяжмашснабсбыт при СНХ РСФСР; Сост. Н. Д. Филиппов. -М. : Госинти, 1965. 231 с. : ил.

17. Александров, В. Г. Паровые котлы малой и средней мощности Текст. / В. Г. Александров. Изд. 2-е, перераб. и доп. - Л.: Энергия, 1972. -200 с. : ил.

18. Котлы малой, средней мощности и топочные устройства Текст.: каталог-справочник / Под ред. А. Я. Минаева. М.: НИИ ТЯЖМАШ, 1967.-210 с.

19. Лебедев, В; М. Проблемы и пути развития теплоэнергетики региона Текст. / В. М. Лебедев // Промышленная энергетика. 2008. - № 4. -С. 2-6.

20. Пакшин, А. В. Эффективность реконструкции пароводогрейной котельной в мини-ТЭЦ Текст. / А. В. Пакшин, 3. Ф. Каримов // Промышленная энергетика. 2004. — № 10. — С. 27—32. — Библиогр.: с. 32.

21. Акопьянц, Б. Е. Пути совершенствования солевых отсеков с выносными сепараторами на действующих котлах низкого и среднегодавления Текст. / Б. Е. Акопьянц // Промышленная энергетика. — 1992. № 7. - С. 37-39. - Библиогр.: с. 39.

22. Бузников, Е. Ф. Модернизация парового котла ДКВР-20-23 Текст. / Е. Ф. Бузников, JI. Я. Березницкий, А. В. Евдокимов, Ю. П. Мясников, А. Г. Высоцкий // Промышленная энергетика. 1976. - № 2. - С. 44-45.

23. Акопьянц, Б. Е. О нормах качества котловой воды промышленных котлов со ступенчатым испарением Текст. / Б. Е. Акопьянц, Б. JT. Кокотов // Промышленная энергетика. 1972. - № 9. С. 33-34. -Библиогр.: с. 34.

24. Акопьянц, Б. Е. Повышение допустимого солесодержания продувочной воды в котлах низкого давления Текст. / Б. Е. Акопьянц // Промышленная энергетика. 1991. - № 4. - С. 13—15.

25. Акопьянц, Б. Е. Недостатки конструкции промышленных котлов ДКВР Текст. / Б .Е. Акопьянц // Новости теплоснабжения. 2000. — № 4. - С. 37-40.

26. Мынкин, К. П. Сепарационные устройства паровых котлов Текст. / К. П. Мынкин.-М.: Энергия, 1971. 192 с. : ил. -Библи<эгр.: с. 188-190.

27. Акопьянц, Б.Е. Конструкции и допустимые нагрузки выносных центробежных сепараторов пара Текст. / Б. Е. Акопьянц // Тяжелое машиностроение. 1990. -№ 11. - С. 10-12. - Библиогр.: с. 12.

28. Давидзон, М. И. Накипеобразование в экранных трубах котлов Текст. / М. И. Давидзон // Теплоэнергетика. 2008. - № 7. - С. 43-46. -Библиогр.: с. 46.

29. Паспорт парового котла Текст. : per. № ТМ-723-68. Бийск: ОАО «Бийский котельный завод», 1970. — 32 с.

30. Измерения. Контроль. Качество. Неразрушающий контроль Текст. : сборник / А. И. Асташенков, JI. С. Бабаджанов, В. С. Иванов [и др]. -М.: Изд-во стандартов, 2002. — 709 с. : ил. Библиогр.: с. 691-701. -ISBN 5-7050-467-2.

31. ГОСТ 12503-75. Сталь. Методы ультразвукового контроля. Общие требования Текст. — Введ. 1978-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1999. - 12 с. : ил.

32. Гребенников, В. С. Отраслевые образцы для ультразвуковой дефектоскопии сварных соединений теплосилового оборудования Текст. / В. С. Гребенников // Энергетик. 2007. - № К). - С. 32-35. -Библиогр.: с. 35.

33. ГОСТ 22762-77. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости на пределе текучести вдавливанием шара. Общие требования Текст. — Введ. 1979-01-01. -М.: Изд-во стандартов, 1978.-28 с.: ил.

34. ОСТ 34-70-690-96. Металл паросилового оборудования электростанций. Методы металлографического анализа в условиях эксплуатации. Общие требования Текст. Введ. 1996-06-23. — М.: Изд-во стандартов, 1996. - 68 с. : ил.

35. Любимова, Л. Л. Рентгенофазовый анализ внутритрубных отложений пароводяного тракта котла Текст. : учебное пособие / Л. Л. Любимова. Томск: Изд. ТПУ, 1998. - 80 с.

36. Гиллер, Я. Л. Таблицы межплоскостных расстояний Текст. / Я. Л. Гиллер. М.: Недра, 1966. - Т. 1. - 364 с. : ил.

37. Недома, И. Расшифровка рентгенограмм порошков Текст. / И. Недома. М.: Металлургия, 1975. - 423 с. : ил.

38. Михеев, В. И. Рентгенометрический определитель минералов Текст. / В. И. Михеев. М.: Госгеолтехиздат, 1957. — 868 с. : ил.

39. Миркин, Л. И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов Текст. / Л. И. Миркин. М.: Физматгиз, 1961. — 863 с. : ил.

40. Винчелл, А. Н. Оптические свойства искусственных минералов Текст. / А .Н. Винчелл, Г. Винчелл. 1965. - 599 с. : ил.

41. Замалеев, М. М. Пути повышения экономичности водоподготовительных установок Текст. / М. М. Замалеев, В. А. Долгалев, В. И. Шарапов // Электрические станции — 2007. — № 7. — С. 12-15.

42. Гидравлический расчет котельных агрегатов Текст. : нормативный метод / Под ред. В. А. Локшина. М.: Энергия, 1978. - 255 с. : ил.

43. РД 153-34.1-37.313-00. Методика тепло-химических испытаний паровых стационарных котлов с естественной циркуляцией. Общие требования Текст. Введ. 2000-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2000. — 86 с. : ил.

44. Рубашкин, А. С. Моделирование процессов в топке парового котла Текст. / А. С. Рубашкин, В. А. Рубашкин // Теплоэнергетика. 2003. -№ 10.-С. 14-18.

45. Самарский, А. А. Математическое моделирование Текст. / А. А. Самарский, А. П. Михайлов. — изд. 2-е, испр. М.: Физматлит. — 2001. -320 с. : ил.-Библиогр.: с. 313-316. - ISBN 5-9221-0120-Х.

46. Launder, В. Е. The numerical computation of turbulent flows Text. / В. E. Launder, D. B. Spalding // Computational Methods in Applied Mechanics and Engineering. 1974. - Vol.3, N. 2. - P. 269 - 289.

47. Kafui, K.D. Discrete particle-continuum fluid modelling of gas-solid fluidised beds Text. / K. D. Kafui, C. Thornton, M. J. Adams // Chemical Engineering Science. 2002. - № 57. - P. 2395-2410.

48. Zhou, L.X. Simulation of 3-D gas-particle f lows and coal combustion in a tangentially fired furnace using a two-f luidtrajectory model Text. / L. X. Zhou, L. Li, R. X. Li, J. Zhang // Powder Technology. 2002. - № 125. - P. 226-233.

49. Бубенчиков, A. M. Численные модели динамики и горения аэродисперсных смесей в каналах Текст. / А. М. Бубенчиков, А. В. Старченко Томск: Издательство ТГУ, 1998. — 236 с. : ил. — Библиогр.: с. 221-236.-ISBN 5-7511-1004-8.

50. Fan, J. Computational modeling of pulverized coal combustion processes in tangentially fired furnaces Text. / J. Fan, L. Qian, Y. Ma, P. Sun, K. Cen // Chem. Eng. J. 2001. - № 81. - P. 261-269.

51. Пасконов, В. М. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена Текст. / В. М. Пасконов, В. И. Полежаев, JI. А. Чудов. — М.: Наука, 1984. 288 с. : ил. - Библиогр.: с. 225-226. - Библиогр. в примеч.: с. 241-246, 257-264, 284-285.

52. Патанкар, С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости Текст. / С. Патанкар. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.: ил. - Библиогр.: с. 145-148.

53. Наука и технологии Электронный ресурс. / СибАкадемИнновация. — Электрон, дан. — Новосибирск: Информационный интернет-портал Ассоциации «СибАкадемИнновация», 2009. — Режим доступа: http://www.sibai.ru, свободный. — Загл. с экрана.

54. Lokwood, F. С. A prediction method for coal-fired furnaces Text. / F. C. Lokwood, A. P. Salooja, A. A. Syed // Combustion and Flam. 1980. — Vol. 38.-№ l.-P. 1-15.

55. Бубенчиков, А. М. Пакет прикладных программ CHAIF для численного исследования аэродинамики и теплообмена внутреннихтечений Текст. / А. М. Бубенчиков, А. В. Старченко. Томск: Изд. ТГУ, 1991.-8 с. : ил.

56. Уорелл, У. Глины и керамическое сырье Текст. : пер. с англ. / У. Уорелл. -М.: Мир, 1978. 237 с. : ил. - Библиогр.: с. 228-236.

57. Торопов, Н. А. Кристаллография и минералогия Текст. : учебник / Н. А. Торопов, Л. Н. Булак. — 3-е изд., перераб. и доп. Л. : Стройиздат, 1972. - 504 с.: ил. - Библиогр.: с. 495.

58. Горшков, В. С. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ Текст. : учебное пособие / В. С. Горшков, В. В. Тимашев, В. Г. Савельев. М. : Высшая школа, 1981. - 334 с. : ил. - Библиогр.: с. 325-326.

59. Тепловой расчет котлов Текст. : нормативный метод. — издание 3-е, перераб. и дополн. СПб.: Изд-во НПО ЦКТИ, 1998. - 256 с. : ил.

60. Лебедев, И.К. Гидродинамика паровых котлов : учебное пособие / И. К. Лебедев. -М. : Энергоатомиздат, 1987. — 238 с.

61. Результаты проверки условий работы труб экранов солевого отсека серийного котла ДКВР-20-13 Текст. : отчет о НИР: -/0-5000 ЦКТИ им. И.И. Ползунова; рук. Акопьянц Б. Е. Л., 1967. - 24 с. - Исполн.: Сухарев Е. И. [и др.] - Инв. № 11771

62. Тайлашева, Т.С. Моделирование топочной среды в котле типа ДКВР при сжигании природного газа Текст. / Т. С. Тайлашева // Известия Томского политехнического университета. — 2009. № 4, Т. 314 — С. 42-47. - Библиогр.: с. 47.

63. Сведения об измерительных приборах и средствах контроля