автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Пути совершенствования энергетической арматуры тепловых электростанций с целью повышения ее надежности и снижения акустического излучения

На правах рукописи

ЧЕРНОШТАН ВИКТОР ИВАНОВИЧ

ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ АРМАТУРЫ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЕЕ НАДЕЖНОСТИ И СНИЖЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

Специальность 05.14.14 Тепловые электрические станции (тепловая часть)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических паук

Москва 1998 г

Работа выполнена в АООТ "Чеховский завод энергетического машиностроения"

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Фаддеев И.П.

- доктор технических наук, профессор Кукушкин А.Н.

- доктор технических наук, профессор Спиридонов Е.К.

Ведущее предприятие

- Татарское производственное объединение энергетики и электрифи нации "Татэнерго"

Защита состоится " 27 " октября 1998 г. в ауд. 411 ПГК в 16 час. 00 мин, па заседании диссертационного Совета Д-063.38.26 при Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете, 195251, г. Санкт-Петербург, Политехническая, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат технических наук

А.П. Троицкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность работы

Арматура и редукционно-охладительные установки (РОУ) относятся к числу вспомогательного оборудования электростанций и по этой причине к ее разработке и модернизации относятся с существенно меньшим вниманием, чем к основному оборудованию.

Однако, без надежного вспомогательного оборудования эксплуатация электростанций вообще невозможна.

Существующая арматура и РОУ уже давно не соответствуют современному техническому уровню как по надежности, так и по экономическим показателям.

Низкий срок службы, высокое сопротивление, повышенная вибрация и шум свойственны практически всем этим элементам. Отсюда вытекают не только высокие эксплуатационные затраты, но и частые внеплановые, а иногда и аварийные остановки основного оборудования.

При проектировании арматуры в основном исходят из сложившихся конструктивных схем без серьезного учета физической картины течения и меняющихся условий эксплуатации. Довольно часто повышения надежности стремятся получить за счет снижения экономических показателей.

Особые сложности возникают при создании редукционно-охладительных установок и регулирующей арматуры, где режим работы меняется в очень широких пределах. Соответственно именно это оборудование наиболее часто выходит из строя.

Отсюда со всей очевидностью вытекает актуальность работы, направленной на исследование особенностей движения однофазных и двухфазных сред в сложных каналах арматуры, установления связи между характером течения и надежностью оборудования и разработке принципиально новых решений, способных решить ряд важных практических задач.

Цель работы - состоит в разработке общих принципов повышения надежности, экономичности и экологичности энергетической арматуры, редукционно-охладительных установок и создании на этой основе нового современного оборудования.

При этом были поставлены и решались следующие задачи:

- теоретический анализ свойств турбулентного пограничного слоя;

- анализ движения рабочей среды вблизи области отрыва потока от стенок;

- теоретический анализ движения жидкой фазы в потоке перегретого

пара;

исследование взаимосвязи характера течения с вибрационным состоянием арматуры;

- исследование процесса прохождения капель воды через систему скачков уплотнения;

- создание и исследование новой конструкции РОУ;

- разработка и исследование регулирующих клапанов и регулирующих задвижек.

Научная новизна работы заключается в следующем:

теоретически обоснованы и подтверждены защитные свойства пристеночной части турбулентного пограничного слоя;

- сформулирован принцип, согласно которому для снижения вибрационной нагрузки на детали арматуры ее подвижные части, соприкасающиеся с потоком, должны проектироваться из условия сохранения безотрывности течения на возможно большем протяжении обтекаемой поверхности, а при неизбежности отрыва обеспечения четко фиксированной границы отрывной зоны;

- проведены прямые исследования взаимосвязи характера течения потока с вибрационными и шумовыми характеристиками арматуры;

- проведен теоретический анализ движения полидисперсного потока капель влаги в пароохладителях и определены максимальные размеры - до 50 цк, при которых исключаются их выпадение на стенки и исключается пленочный режим течения;

- рассмотрен механизм взаимодействия капель влаги со скачками уплотнения и показано, что в результате этого взаимодействия происходит дробление капель до размеров 30 50 (дк, обеспечивающих полное их испарение при осевых размерах пароохладителя не более 1,2 -=-1,5 м;

на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований созданы принципиально новые редукционно-охладительные установки, регулирующие клапаны и регулирующие щиберные задвижки;

- разработаны и исследованы эффективные меры шумоглушения и новые противовихревые фильтры, снижающие уровень вибрационных нагрузок, вызванных возмущениями, вносимыми арматурой;

- созданы новые форсунки, обеспечивающие мелкодисперсное - до 30 |ж -распыливание охлаждающей воды, при котором происходит ее полное испарение без контакта со стенками пароохладителя.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

На основе проведенных исследований сформулированы общие принципы проектирования энергетической арматуры, использование которых обеспечивает существенное повышение надежности арматуры, ведет к снижению ее сопротивления и снижает уровень аккустического излучения.

Созданы новые регулирующие клапаны и регулирующие шиберные задвижки, прошедшие успешные промышленные испытания.

Разработаны новые форсунки с внутрифакельным распылением, использование которых существенно снижает среднемодальный размер капель воды, что приводит в конечном счете к резкому снижению длины испарительного участка пароохладителей.

Создана принципиально новая редукционно-охладительная установка с совмещенной системой дросселирования и охлаждения пара. Опытный образец установки создан на ЧЗЭМ и вошел в каталог энергетической арматуры России.

Разработаны и исследованы эффективные гидроаэродинамическме фильтры, использование которых может существенно снизить вибрационную нагрузку на трубопроводы электростанций.

/7-/7

1*ис. 3 Зависимость 1(а)

Рис. 3. Зависимость полных потерь от угла раскрытия диффузора а Д - серийный конический диффузор; х - конический диффузор с канавками прямоугольного профиля.

Сказанное хорошо подтверждается проведенными исследованиями взаимосвязи гидродинамических, эрозийных и акустических характеристик арматуры. Показано, что при сохранении безотрывного течения не только снижается сопротивление, но и улучшаются все остальные характеристики.

На основе проведенного теоретического анализа сформулированы следующие принципы проектирования арматуры:

1. Регулирующие органы клапанов плунжерного (чашечного) типа необходимо проектировать совместно с седлом таким образом, чтобы в осесимметричном клапанном канале при полном открытии клапана имело место конфузорное течение, а на частичных открытиях сохранялось безотрывное течение до торцевого среза регулирующего органа клапана.

2. Для защиты торцевых поверхностей регулирующих органов клапанов чашечного типа от прямого контакта с нестационарным потоком целесообразно вместо плоского среза использовать коническую проточку с углом при вершине конуса 50 60°.

3. Для ликвидации окружной ассимметрии, вызванной несимметричным подводом рабочей среды и возможным отрывом потока, необходимо предусматривать меры по сохранению осесимметричного характера течения в геометрически осесимметричных каналах.

4. Для регулирующих клапанов всех типов следует исключить из проточной части угловые поверхности и поверхности, очерченные малыми радиусами.

5. Для всех регулирующих клапанов шиберного типа за шибером необходимо устанавливать противовихревые решетки, использование которых не только снижает динамические нагрузки на последующие участки трубопроводов, но и способствуют заметному снижению шума.

6. В области больших скоростей, где возможно появление локальных сверхзвуковых зон или зон с кавитационным течением, целесообразно вместо гладких поверхностей использовать поверхностей с продольными в направлении движения жидкости канавками прямоугольного профиля.

7. При постоянно действующих больших перепадах давления на дроеселыю-регу лирующих клапанах желательно использовать многоступенчатую систему дросселирования.

8. Для всех компонентов, где происходит изменение агрегатного состояния среды, характерен не только повышенный шум, но и весьма ограниченный срок эксплуатации. В этой связи, там где возможно, целесообразно устанавливать клапаны с предвключенным холодильником.

В максимальной степени эти принципы реализованы в новых регулирующих клапанах паровых турбин, разработанных автором совместно с проф. Зарянкиным А.Е. и новых разработках, рассмотренных в диссертационной работе.

Четвертая глава посвящена взаимодействию охлаждающей воды с перегретым паром в пароохладителях.

Эта задача разделена на две части.

В первой - рассматривается проблема инерционного осаждения крупнодисперсной влаги на стенки.

Рис. 4. Зависимость изменения концентрации примесей на поверхности стенки для различных материалов от времени работы и температуры.

Для продольной и2 и поперечной скоростей капель получены следующие выражения

где I - время, г0 =-, с1к - диаметр капли, ц - вязкость воды, р2 - ее

Рг Ч'

плотность.

Конкретные расчеты по приведенным формулам показали, что капли с диаметрами больше 100 цк почти не меняют своей начальной скорости до .момента попадания их на стенку, а при с1к <30+40 рк скорости капель достаточно быстро приближаются к скорости паровой фазы.

Если ф2 - весовая концентрация капель воды у стенки, а у2 - нормальная к стенке составляющая скорости, то количество влаги, попадающей на стенки пароохладителя в единицу времени равно

4

тм ~ р-л^ср,9,Ос1х.

о

Однако, по длине влага выпадает крайне неравномерно, что и приводит к большим термическим напряжениям, локальная величина которых часто превышает предел текучести металла. Положение осложняется и тем обстоятельством, что на большинстве станций пароохладители устанавливаются горизонтально. В результате основная часть выпадающей влаги стекает в нижнюю часть пароохладителя.

В работе рассматриваются основные закономерности испарения пленочной влаги на горячей поверхности с переходом от сфероидального состояния капель к пленочному режиму с конвективным отводом тепла.

Показано, что максимальные скорости изменения температуры стенок наблюдаются при кипении жидкости на стенках. Именно при теипературе насыщения стенки подвержены интенсивному коррозионному износу. Главной причиной повреждения защитных экранов и корпуса является усталостная коррозия. Этой коррозии способствуют агрессивные примеси (ЫаС1, ИаОН, 5С2 О, , Ге., 03 ), средняя концентрация которых в паре ничтожна. Однако, на поверхности вследствие выпаривания и высушивания пленки локальная концентрация может достигать опасных величин.

На рис.4 приведено время работы образцов из различного металла при температуре \.= ЗЗОТи переменной концентрации едкого натрия.

Для стали ЭИ237 предельная концентрация ЫаОН примерно равна 1%. Содержание едкого натрия в паре составляет 10"7 н- 10"6 % и его выпадение на поверхность происходит в области небольшого перегрева «1 (^(¡[Высушивание пленки приводит к созданию на поверхности опасной концентрации агрессивных примесей. Коррозия проявляется в виде общей коррозии, язвенной коррозии и коррозионной усталости при возможной комбинации этих видов коррозии

водой. Отсюда вытекает и тот большой разброс результатов по теоретической оценке длины испарительного участка. Проведенная в работе оценка существующих полуэкспериментальных зависимостей показала, либо их ошибочность, либо недостаточную физическую обоснованность. В результате оценки длины испарительного участка по известным зависимостям получена разбежка в длинах от 2 до 16 м.

Непосредственно структурных исследований теплофизических процессов в РОУ очень мало. Здесь необходимо отметить основные исследования, в результате которых установлены три возможных режима охлаждения пара: пленочное охлаждение, пленочно-капельное охлаждение и капельное охлаждение. Последний тип охлаждения является наиболее эффективным и для его реализации скорость воды не должна быть меньше 7% от скорости охлаждаемого пара.

При этом решающее влияние на тепломассообмен в пароохладителях имеет дисперсность воды после форсунок. Однако многочисленные исследования показали, что все форсунки, используемые в РОУ, образуют факел, состоящий в основном из крупных (до 100^200 цк) капель воды, способствующих образованию наименее эффективного пленочного режима охлаждения.

Если проблеме совершенствования РОУ и БРОУ в научной литературе уделено достаточно внимания, то данных по исследованию характера течения в шиберных клапанах значительно меньше, хотя характер течения за шибером очень сложный. Схема этого течения при различном положении шибера, приведенная на рис.2, свидетельствует о наличии мощного вихревого течения при всех открытиях шиберного клапана и это обстоятельство следует учитывать в первую очередь при совершенствовании шиберной арматуры, так как ее влияние на последующее движение регулирующей среды в трубопроводах оказывается исключительно большим.

Этот вопрос достаточно подробно рассмотрен в заключительной части второй главы диссертации.

В третьей главе рассматриваются вопросы надежности арматуры и ее сопротивление с точки зрения общих принципов гидроаэродинамики.

Практически вся арматура до настоящего времени спроектирована таким образом, что все ее подвижные элементы выполняются плохообтекаемыми с образованием обширных отрывных зон. В этой связи впервые проанализирована роль турбулентного пограничного слоя с точки зрения его защитных функций и предложена простая механическая модель перехода от ламинарного течения к турбулентному.

В основу этой модели положена теорема Гельмгольца, согласно которой движение жидкой частицы в общем случае складывается из поступательного, вращательного и деформационного движений. При деформации элементарного жидкого объема с1У=с1хс1ус12 его центр вращения стремится сохранить исходное положение, а центр тяжести смещается относительно центра вращения на некоторое расстояние I. В результате возникает центробежная сила, равная Ыцй = рсЬоёусЬ-о)2- (.

Отсюда напряжение на площадке с1Б = (Лх-с^ окажется равным

г^/ь.^"-'-*"02-

1»ис г Схема течения за шибером регулирующего клапана „ зависимости от степени открытии проходного сечения

В пределах пограничного слоя

где и - продольная скорость в пограничном слое. Таким образом,

(Полученная формула по структуре полностью совпадает с формулой, вытекающей из полуэмпирической теории Прандтля).

Рассматриваемая жидкая частица движется вдоль линии тока в случае, если напряжение т, обусловленное деформационным движением, остается меньше напряжения т, обусловленного околомолекулярноп вязкостью. Т.е.

Отсюда, после ряда простых преобразований для сечения, где отличается потеря устойчивости пограничного слоя, можно получить следующую связь между критическим значением числа Рейнольдса и поперечными градиентами скорости

Смысл полученного соотношения сводится к тому, что в фиксированном сечении область потери устойчивости располагается там, где поперечный градиент скорости достигает наибольшего значения. Применительно к пограничному слою это означает, что зона генерации турбулентности должна располагаться непосредственно вблизи стенки. Многочисленные опыты полностью подтверждают это утверждение.

Отсюда турбулентный пограничный слой условно можно разделить на две области: область генерации турбулентности, расположенную вблизи стенки, где степень турбулентности по известным измерениям достигает 8+10% и область диссипации турбулентности, расположенной во внешней по отношению к зоне генерации части пограничного слоя.

Подобная модель полностью объясняет известное свойство консервативности турбулентного пограничного слоя. Действительно, пока внешние возмущения (внешняя турбулентность) не превосходят сопротивление, обусловленное пристеночным трением, остается практически неизменным. Т.е. зона генерации турбулентности является своеобразным экраном, защищающим стенку от внешних возмущений. Более того, этот слой защищает и внешний поток от вибрации обтекаемых стенок. В работе приводятся прямые опытные данные, подтверждающие это положение и указывающие на то, что при срыве пограничного слоя стенка в полной степени воспринимает все внешние гидродинамические нагрузки.

X < т

'л

и

Const

В практическом плане это означает необходимость сохранения безотрывного течения в первую очередь на подвижных элементах арматуры. Проблема сохранения безотрывного течения в сложных каналах относится к центральной проблеме гидроаэромеханики. Соответственно в работе большое место уделено рассмотрению движения жидкости в диффузорных областях на основе осредненного уравнения движения Л.Прандтля.

Это уравнение отражает баланс сил, действующих в пограничном слое

{ ёи ¿5п dp-dv дт ,

dv- р • и--у у— = —---ч--dv

V Sx Sy) dx су

инерционные силы силы, силы

Ru обусловлен- трения

ные движением R^

RP

Здесь сила Rp постоянна в фиксированном поперечном сечении. Она определяется формой клапана и является тем внешним воздействием, которое мы накладываем на поток.

Соответственно, Ru и R^ - реакция потока на внешнее воздействие и обе эти силы так меняются в поперечном сечении, чтобы их сумма уравновешивала действующую силу Rp .Течение остается безотрывным пока указанной реакции потока оказывается достаточно, чтобы уравновесить налагаемое внешнее воздействие.

При нарушении рассматриваемого баланса происходит отрыв потока и к уравнению движения необходимо добавить член, учитывающий локальное ускорение. Другими словами при возникновении отрыва потока от стенок квазистационарное течение всегда становится нестационарным.

Это центральное положение, определяющее проблему надежности арматуры.

На основе проведенного анализа получено простое соотношение для предельно допустимого положительного градиента давлений

\ dx) т1л S

Таким образом, снижая толщину пограничного слоя 6 и повышая напряжение трения на стенках tw можно существенно расширить область безотрывного течения.

Все известные способы предотвращения отрыва потока укладываются в предлагаемую физическую модель. Она же дает возможность рассматривать и некоторые новые методы активного воздействия на течения в диффузорных областях. Среди этих методов наибольший практический интерес представляет замена гладких поверхностей профильными и применение "лестничных" дефлекторов. Эти методы подробно рассмотрены в третьей главе работы. Их эффективность наглядно иллюстрируется зависимостью = f(a), приведенной на рис.3. Видно, что при использовании продольных канавок возможно получить безотрывное течение в диффузорах с углом раскрытия а< 25°, а "лестничные" дефлекторы сохранят безотрывное течение до углов а< 60°.

Предложены и нашли практическое применение новые методы предотвращения отрыва потока.

Только частичная реализация результатов работы обеспечивает годовой экономический эффект на уровне 500 тысяч долларов США без учета увеличения срока эксплуатации арматуры и РОУ.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается:

- использованием современных средств и методов исследования арматуры и редукционно-охладительных установок;

- хорошей повторяемостью полученных результатов измерений;

- промышленными испытаниями и эксплуатацией новых образцов оборудования и арматуры.

На защиту выносятся:

принципы проектирования арматуры, основанные на подробном исследовании связи характера течения в проточной части арматуры с ее вибрационным состоянием;

- теоретические и экспериментальные исследования процесса испарения влаги в дозвуковом и сверхзвуковом паровом потоке;

- новые методы гашения пульсаций скорости потока после энергетической арматуры;

- новые конструкции арматуры и редукционно-охладительных установок;

- методы подавления аккустических излучений арматуры.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- международной конференции в Гановере (Германия, 1996 г);

- международной конференции в Бельско-Белы (Польша, 1996 г.);

- международной конференции в Зигене (Германия, 1996 г.);

- международном симпозиуме в Пенсильванском университете (США, 1997 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, шести глав, списка использованной литературы из 135 наименований и приложения.

Работа изложена на 323-х страницах машинописного текста, содержит 155 рисунков и 5 таблиц.

Содержание работы.

Во введении указывается, что к энергетической арматуре предъявляются достаточно высокие требования, которым она в настоящее время в большинстве случаев не удовлетворяет. Положение осложнено большим числом единиц арматуры на одном энергоблоке (до 18000 "единиц) и совершенно разным ее конструктивным исполнением.

Отмечены сложные условия работы арматуры в общей системе трубопроводов и отдельно выделяется работа редукционно-охладительных установок, где имеет место сложный процесс тепломассообмена.

Отсюда вытекает актуальность представленной работы и следующие основные задачи, подлежащие решению:

1. В арматуре, где имеет место тепломассообмен, выяснить основные факторы, влияющие на этот процесс, и найти эффективные и практически реализуемые способы его интенсификации.

2. На основе исследования характера течения в проточной части арматуры разработать эффективные меры, обеспечивающие существенное снижение вибрационной нагрузки на все элементы арматуры и прилегающие участки трубопроводов.

3. Разработать эффективные методы активного и пассивного воздействия на аккустические характеристики энергетической арматуры.

4. С учетом современных требований на базе гидродинамических исследований разарботать новые образцы энергетической арматуры.

В первой главе приведена классификация энергетической арматуры и рассмотрены ее виды: запорная, регулирующая, предохранительная и защитная арматура, а также редукционно-охладительная установки. Сформулированы основные требования к арматуре и отмечается, что в наиболее сложных условиях эксплуатируются регулирующие клапаны, шиберные регулирующие задвижки и РОУ (БРОУ - быстродействующая редукционно-охладительная установка).

Основные недостатки арматуры сводятся к следующему:

Задвижки Недостаточная прочность уплотнительных поверхностей; интенсивная выработка заплечиков обойм и тарелок.

Регулирующие клапаны. Интенсивный эрозионный износ выходных патрубков и примыкающих участков трубопроводов; износ резьбовой пары ходовой части шиберных клапанов; большой износ выходных патрубков, заклинивание привода, разрушение заплечиков шибера у клапанов, установленных на подводе пара к встроенным сепараторам; большие пропуски среды через закрытый клапан, поломки игл штоков.

РОУ и БРОУ. Низкий срок службы; разрушение защитных экранов; невозможность регулировки температуры при низких нагрузках; очень высокие массогабаритные показатели.

Проведенное сопоставление отечественной арматуры с зарубежной показало существенное преимущество последней. Это преимущество достигается за счет клапанов многофункционального назначения в блочно-модульном исполнении, использования дорогих качественных материалов, применения новых технологических процессов, широкого использования в РОУ совмещенной схемы охлаждения и дросселирования пара.

Вторая глава посвящена результатам предшествующих исследований РОУ (БРОУ), шиберных регулирующих клапанов и регулирующих клапанов паровых турбин.

Сложности моделирования тепломассообменных процессов в РОУ привели к проведению большинства исследований на промышленных установках. В основном при этих исследованиях оценивались температурные поля в пароохладителях, определялась длина испарительного участка и характер

распределения влаги по объему пароохладителей при различных режимах работы РОУ.

Серийные отечественные РОУ (БРОУ) с раздельной системой дросселирования и охлаждения пара имеют крайне неравномерное распределение всех параметров пара по поперечному сечению пароохладителей, плохую систему распыла охлаждающей воды, в результате чего на стыках имеет место пленочный режим течения влаги, высокие температурные напряжения, которые при одновременном действии вибрационной нагрузки приводят к разрушению экранов и появлению "свищей". По различным данным длина испарительного участка достигает 10 м, а при сниженных нагрузках имеет место заброс воды в последующие трубопроводы.

Исследования РОУ с совмещенной системой дросселирования и охлаждения пара фирмы "Siemens" подтвердили высокую интенсивность тепломассообмена при степенях впрыска, не превышающих 10%. Однако, локальные термические напряжения в узле подвода воды достигают недопустимо больших величин, в 2+2,7 раза превышающих предел текучести.

Кроме того, равномерность температурного поля в поперечном сечении достигалась на расстоянии, превышающем 10-^15 м.

Более удачной конструкцией оказалась РОУ с дроссельным клапаном в виде перфорированной клетки и подводом воды через телескопическую трубу. В этом случае водяная пленка на стенках РОУ отсутствовала даже при 18';о впрыске охлаждающей воды.

В максимальной степени все положительные качества РОУ (БРОУ) с совмещенной системой охлаждения и дросселирования пара реализованы в БРОУ МЭИ (рис.1), где подвод воды к кольцевой форсунке 4 осуществляется через трубу 3, установленную внутри полого штока 2, жестко соединенного с дроссельным клапаном 9. Собственно охладитель пара выполнен трехступенчатым в виде цилиндрических труб. Опыты, проведенные инж. Каращук В.Е., показали полное отсутствие контакта воды со стенками пароохладителя и испарение ее в пределах нулевой ступени, длина которой не превышала 1 м. Результаты исследований этой установки, не имеющей аналогов в мировой практике, подробно рассматриваются в четвертой главе диссертации.

Среди оригинальных решений отмечается РОУ доц. Робожева A.B., где дросселирование и одновременное охлаждение пара осуществляется на специальной распыливаклцей вставке.

К сожалению, это простое и эффективное решение не получило распространения, хотя две такие промышленные установки и показали хорошие результаты.

Одной из центральных проблем при эксплуатации РОУ и БРОУ является проблема шума, уровень которого практически на всех установках на 20+30 дБ превышает допустимые нормы. Проведенные исследования показали, что столь мощные аккустические излучения определяются высокими (сверхзвуковыми) скоростями на дроссельном клапане, характером течения в пароохладителе, колебаниями опор и примыкающих к установке участков трубопроводов.

Все отмеченные недостатки РОУ и БРОУ в значительной степени связаны с отсутствием систематических исследований сложных теплодинамических процессов, происходящих при взаимодействии перегретого пара с охлаждающей

Boâo

ОхлахденныС/ PedijL¡upoSanh/i /tap

Рис. 1 КРОУ-МЭН

Гис. !) Серийная конструкция Б1*ОУ с впрыском охлаждающей йоды в корпусе редукционного кланана (Ду 170/000; 350/700 серии 1227)

Последняя шестая глава диссертации посвящена проблеме шума энергетической арматуры.

Уровень аккустического излучения определяется характером течения в арматуре и массовым расходом жидкости, пара или газа. Эти исходные причины генерируют и вторичное аккустическое излучение в стенках каналов и примыкающих к арматуре трубопроводах.

По спектру шума можно судить и о характере течения. Установлено, что низкочастотный шум (меньше 500 Гц) характерен для течения с отрывом потока от стенок, а преобладание в аккустическом спектре высокочастотных (свыше 2 кГц) составляющих свидетельствует о турбулентном шуме.

Это деление условно, так как и при отрыве генерируется турбулентный шум. Однако, шум является объективным показателем аэродинамического и конструктивного совершенства арматуры и установок различного назначения.

К сожалению, в промышленных условиях и особенно в условиях электростанций очень сложно обеспечить правильное измерение шумовых характеристик отдельных объектов, так как эти измерения проводятся при наличии сильного аккустического фона.

В этой связи автором совместно с Киевским НИИ гигиены и труда была разработана специальная методика оценки уровня шума как при стендовых исследованиях, так и в промышленных условиях.

Исследование ряда объектов арматуры и РОУ привели к следующим результатам:

1) При испытании шиберных регулирующих клапанов уровень шума превышал 85 дБ с преобладанием в аккустическом спектре высокочастотного шума (2+8 кГц). Результат вполне закономерный, так как здесь имеет место фиксированный! отрыв потока с кромок шибера и мощное вторичное турбулентное излучение при струйном течении за шибером.

2) Достаточно мощное аккустическое излучение было обнаружено при исследовании регуляторов уровня конденсата. Здесь уровень шума превышает предельные нормы на 10 дБ с преобладающими частотами порядка 2+4 кГц.

3) Многочисленные исследования уровня шума на РОУ и БРОУ серийных конструкций показали, что для них уровень шума достигает 100+120 дБ и эти установки по всем санитарным нормам должны экранироваться специальными звуконепроницаемыми стенками.

Исследования шума на рассмотренной выше РОУ с совмещенной системой дросселирования и охлаждения пара показал существенно лучшие шумовые характеристики (уровень звукового давления при включении в работу форсунки охлаждающей воды не превышал 90 дБ). Это обстоятельство свидетельствует о заметном улучшении характера течения в проточной части установки.

Вместе с тем проведенные обширные измерения шума на различных объектах электростанций показал, что главную роль при аккустическом излучении играют вторичные источники шума и необходим целый комплекс мероприятии по снижению шума в энергетической арматуре. К этим мерам относятся:

- улучшение звукоизоляции корпусов или целых зон размещения арматуры;

- вибродемпфирование колебаний корпусов арматуры;

- широкое применение глушителей па выходных участках арматуры;

- противошумная модернизация, состоящая в первую очередь из мер, обеспечивающих локализацию отрывных зон.

Существенное снижение шума удается получить при использовании клетковых, золотниковых, игольчатых и шаровых клапанов.

При дросселировании потока эффективными методами является разделение потока на ряд струй или переход к многоступенчатому дросселированию.

Для снижения кавитационного шума необходимо организовать действующий перепад давления (АР^ < 2+2,5 МПа).

Нами совместно с ОКБ КНИИГТ разработана оригинальная конструкция малошумного клапана, где дроссельный элемент представляет собой пакет из кольцевых секторов с пазами и выступами.

Большое внимание в работе уделено и проблеме звукоизоляции арматуры, где анализируется такие способы снижения шума, как увеличение толщины корпусов, использование специальных вибродемпфирующих мастик и новых звукопоглощающих материалов.

Заключительная часть главы содержит прямые исследования различных мер шумоглушения. Особенно подробно рассматривается процесс аккустического излучения на перфорированных дисках.

Показано, что при мелкой плотности перфорации имеет место увеличение шума, обусловленного наличием отдельных свободных струи.

При исследовании прохождения звука через перфорированные диски было получено снижение шума на средних частотах с увеличением толщины пластины. При одинаковой проницаемости пластин влияние диаметров отверстий зафиксировано не было.

Отмечено существенное снижение шума с ростом скорости потока в области низких частот и малое влияние скорости потока на прохождение через диски в области высокочастотного спектра.

Специальные исследования влияния перфорировнных поверхностей, непосредственно установленных в проточных частях арматуры, показали высокую эффективность такого метода снижения шума.

ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ конструктивных, эксплуатационных и акустических качеств отечественной арматуры различного назначения показал, что главным ее недостатком является слабый учет гидроаэромеханических свойств жидких, газообразных и паровых сред. В результате практически все узлы в проточной части арматуры подвергаются интенсивным динамическим нагрузкам, обусловленным отрывным характером течения в ее канале, кавитационному и эрозионному износу обтекаемых поверхностей, а сильное акустическое излучение диагностирует низкие гидроаэродинамическпе качества существующей арматуры.

2. Теоретически и практически обосновано важное практическое условие необходимости сохранения безотрывного течения в проточной части арматуры и, в первую очередь, на ее подвижных элементах. Основываясь на теореме Гельмгольца о движении жидких частиц, предложен простейший механизм перехода к турбулентному режиму течения и показано, что пристеночная область турбулентного пограничного слоя ( область генерации турбулентности) является надежным экраном, не пропускающим внешние нестационарные возмущения потока к обтекаемой поверхности.

3. Детальное исследование и анализ физической картины движения жидкости в диффузорных областях и отрыва потока от стенок позволили с помощью уравнений движения теоретически доказать, что именно поперечный градиент силы трения обеспечивает возможность безотрывного течения вблизи стенки диффузорного канала проточной части арматуры.

Определены главные конструктивные и гидрогазодинамические факторы, меняя которые можно существенно расширить области безотрывного течения и, тем самым, снизить отрицательные последствия отрыва потока от стенок проточной части арматуры. Проведенные прямые исследования моделей и испытания опытных образцов подтвердили эффективность новых способов предотвращения отрыва и показали прямую взаимосвязь гидродинамических, эрозийных и акустических характеристик арматуры от характера течения в ее проточной части.

4. Подробно рассмотрен вопрос о движении и испарении капель воды в движущемся перегретом паре и доказано, что в пароохладителях РОУ и БРОУ, комплектующихся существующими центробежными и полуцентробежными форсунками, в принципе невозможно исключить образование пленочного режима течения па стенках пароохладителей и, соответственно, предотвратить возникновение "термошоков" в стенках пароохладителей и последующего разрушения их и находящегося за РОУ и БРОУ энергетического оборудования.

5. Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что для предотвращения пленочного режима испарения в пароохладителях РОУ

с 70+80 цк при полной нагрузке до 200+250цк при половинном расходе охлаждающей воды. Угол факела распыла центробежных форсунок не превышает обычно 60°.

Для решения этой проблемы автором совместно с Ермолаевым В.В. были разработаны форсунки с внутрифакельным распылением воды (рис.7). В этом случае соосно с форсункой против ее выходного сечения устанавливается добавочная трубка с завихрителем в выходном сечении, через которую подается добавочный пар или воздух.

Проведенные испытания показали, что в этом случае при оптимальном соотношении давлений воды на форсунке и в трубке расширителя факел распыла достигает 150+160°, а характерные размеры капель снижаются до 20+40 цк. При такой дисперсности, как уже отмечалось выше, достигается полное испарение воды до момента ее контакта со стенками канала.

Третьим фактором, способным существенно повысить надежность РОУ и БРОУ, является стабильная и высокая температура стенок защитного экрана.

В этом случае полностью исключается возможность пленочного испарения.

Для решения этой задачи автором был применен дополнительный подогрев экрана свежим паром. Конструкция пароохладителя, защищенного патентом [18], приведена на рис.7.

Основное внимание в пятой главе уделено основам создания новых конструкций РОУ и БРОУ с совмещенной системой дросселирования и охлаждения пара. За основу была взята схема конструкции РОУ МЭИ, разработанная еще в 70-е годы, но не имеющая аналогов в мировой практике до настоящего времени.

В этом случае впрыск охлаждающей воды производится через кольцевую форсунку, расположенную в торцевой части дроссельного клапана, в сверхзвуковой поток пара. Происходящие в этом случае процессы тепломассобмена оказываются достаточно сложными и для их исследования была создана плоская модель узла впрыска, позволяющая использовать оптические методы исследования, методы отпечатков капель и обычные дренажные измерения давлений.

Уже первые исследования показали высокую эффективность примененной системы впрыска охлаждающей воды. На расстоянии 50 мм от среза форсунки размеры капель, замеренные с помощью зонда отпечатков, не превышали 20+25 цк, а на расстоянии 110 мм от форсунки зонд вообще не отмечал капель влаги. Даже при переходе на дозвуковые режимы на этом расстоянии количество неиспарившейся воды не превышало 10% от всего расхода при среднем диаметре капель порядка 10 цк.

Проведенные оптические исследования при относительном массовом впрыске воды, меняющимся от 11 до 25%, подтвердили и второе преимущество рассматриваемой организации тепломассобмена. Высокоскоростная кольцевая струя пара надежно защищает стенки корпуса установки от прямого контакта с охлаждающей водой.

Используемое конфузорное седло с последующим внезапным расширением канала создают надежные условия для полного испарения охлаждающей воды в пределах струйной области течения.

•/ 8. У -Охлаждайте/ пар

/и

т-У. гссил

1'ис. 7 Форсунка с инутрифакельным распылом и новый охладитель пара 1- охладитель пара;

2 - инрыскивающее устройство;

3 - вентиль запорный;

4 - клапан обратный;

5 - клапан регулирующий;

6 - вентиль;

7 - внутрифакельный расширитель;

8 - иодводлщан трубка; У - корпус;

10 - полуцентробежнаи форсунка

Особое внимание при исследовании новой конструкции РОУ было уделено процессу течения в дроссельном клапане. Суть вопроса здесь состоит в том, что при разном ускорении парового потока и соответсвующем снижении давления нельзя обеспечить равновесного расширения пара. На некоторых участках пар оказывается переохлажденным и наряду со скачками уплотнения возникают скачки конденсации. Все эти процессы очень сильно меняют процесс тепломассобмена, так как в результате скачка конденсации появляется дополнительная влага и происходит дополнительное выделение тепла. В этом смысле скачок конденсации является нежелательным фактором и для его ликвидации необходимо с помощью последующих дроссельных решеток поддерживать минимально допустимые параметры пара в области впрыска охлаждающей воды.

Структурные изменения в рассматриваемой схеме дросселирования и охлаждения пара происходят не только в паре, но и в охлаждающей воде. Обычно для охлаждения используется питательная вода п при ее вводе п область низкого давления она оказывается перегретой. Один из разделов пятой главы посвящен вопросу вскипания охлаждающей воды в струях.

Приведенные фотографии спектров струи позволили выделить три различных случая взаимодействия паровых и жидких струй:

- переход к пузырьковой и пароканельной структуре совершаете;. . свободной струе за кольцевой форсункой при значительных недоцк жидкости и больших значениях £0 ;

- пузырьковая структура возникает непосредственно на срезе форсунки, >1 переход к капельному двухфазному потоку происходит уже в свободной струе,

- парокапельная структура образуется внутри кольцевой щели форсунки (при низких значениях Е0 ).

Схематически эти случаи изображены на рис.8.

Процесс последующего тепломассобмена происходит при взаимодействии капель влаги с системой скачков уплотнения.

Проведенные исследования позволили установить механизм этого взаимодействия и степень добавочного дробления капель влаги при прохождении через сложную систему скачков.

Все частные решения проблемы были объединены в опытно-промышленной установке МЭИ, которая подробно исследовалась инж. Каращук В.Е., Ермолаевым ВВ. и автором.

Данные интегральных испытаний подтвердили надежность паровой защиты стенок корпуса установки и высокую интенсивность тепломассобмена и пределах короткой (до 1 м) первой ступени трехступенчатого пароохладителя.

Отметим, что при создании новой установки была решена и очень важная задача, состоящая в разработке надежной системы подвода охлаждающей воды через шток клапана к кольцевой форсунке. Для снижения термических напряжений труба подвода воды, проходящая через полый шток клапана, имела оригинальный паровой экран. Специальное термометрирование поверхностей штока и трубы, подводящей воду, показали достаточную надежность всей системы подвода воды.

В результате проведенных комплексных исследований и была создана новая серийная редукционно-охладительная установка, показанная на рис.9.

а - центробежная форсунка

1 - истечение "пузырь"

2 - истечение "тюльпан"

3 - распылинание

1 - осссиммстричный распад струи;

2 - волновой распад струи;

3 - раслылипание

и - щслеиал форсунка

1 - раснылипание при отсутствии спутного потока

2 и 3 - раснылипание при смутном потоке 20 м/с < V < 100 м/с

Рис. 8 Схемы спектров струй при расиылииашш йоды форсунками

Суммарное воздействие коррозии, вибрации и температурных градиентов приводят в конечном счете к разрушению защитных экранов и корпусов пароохладителей.

Основное внимание в четвертой глапе уделено теоретическому рассмотрению вопроса о движении капель влаги в канале пароохладителя при наличии межфазного тепломассообмена.

Для скорости уменьшения радиуса капли г2 получено простое дифференциальное уравнение

Л р2гК

которое при сравнении с более сложной формулой Осватича-Френкеля дает близкие результаты.

Для скорости капли с2 и температуры Т2 при ее движении в паровом потоке получены следующие соотношения

Т2 = Тг(\-К,-е"'') , где К, и К, - зависящие от начальных условий; с, и Т, - скорость и

температура пара, тс = у е и г, = ут .

/ ^ р / * р Длина участка интенсивного межфазного обмена пропорциональна квадрату диаметра капли и, следовательно, интенсивно растет с ростом размера капли.

На рис.5 показаны результаты расчета изменения диаметра капли и скорости вдоль пароохладителя при диаметрах капель, равных с1, =10 цк ; с12= =50 цк ; Л2 =100 цк.

Как следует из приведенных зависимостей, малые капли испаряются на длине в 1 м. При <32 = 50 цк участок испарения увеличивается до 3 м, а капли

с

диаметром с12 > 100 цк в пределах пароохладителя (6 м) вообще не испаряются.

Капли с диаметром с12 5 20 цк быстро достигают скорости парового потока. При с12 >100 цк скорости и температура капель резко отличаются от параметров паровой фазы.

Длина участка испарения существенно зависит от относительной скорости движения капель ДС = Сг - С2 , так как коэффициенты теплоотдачи определяются в первую очередь числами Рейнольдса, а при их вычислении в качестве характерной скорости используется именно относительная скорость. С ростом ДС растет число Ие и, соответственно, увеличивается число Нуссельта.

Проведенные теоретические исследования показали, что одной из причин неравномерного охлаждения корпуса РОУ является инерционное осаждение крупнодисперсной фракции форсуночной влаги.

Различные температуры корпуса обусловлены принципиально различными режимами испарения пристеночной влаги.

Рис.5 Изменение диаметра и скорости капель по длине пароохладителя

Для интенсификации испарения крупнодисперсной влаги наиболее эффективной мерой является увеличение относительной скорости капель.

Следует отметить, что в стандартных пароохладителях появление пленочного режима испарения обусловлено не только крупнодисперсным распыливанием, но и наличием в потоке пара крупномасштабных вихревых образований, которые способствуют добавочному "забросу" влаги на стенки пароохладителей.

Проблеме повышения надежности и снижению массогабаритных показателей РОУ и БРОУ посвящена пятая глава диссертации.

Здесь рассмотрены вопросы модернизации существующих РОУ и БРОУ с раздельным процессом дросселирования и охлаждения пара и новые установки с совмещенной системой дросселирования и охлаждения пара.

Практически все российские РОУ и БРОУ выполнены по первой схеме и обладают всеми отмеченными в четвертой главе недостатками: высокой неравномерностью потока на входе в пароохладитель, низкими относительными скоростями капель влаги и высокими среднемодальными размерами капель охлаждающей воды после форсунок.

Задача создания равномерного поля скоростей после диффузорного канала за счет применения различных мер геометрического воздействия на поток. Некторые из испытанных моделей показаны на рис.6. При сохранении исходного угла раскрытия диффузора (а = 30°) получить приемлемую равномерность поля скоростей оказалось возможным при установке дополнительных конусных поверхностей (рис.66) и при выполнении на внутренней поверхности диффузора продольных канавок прямоугольного сечения (рис.бв). Уменьшение угла раскрытия диффузора до 15° проблему не решило, так как неравномерность поля, хотя и снизилась, но серьезно повысилась нестационарность течения.

К сожалению рассмотренные методы положительного воздействия на поток в диффузоре достаточно сложны с технологической точки зрения, а введение добавочных поверхностей снижает надежность конструкции. В этой связи основное внимание было уделено исследованию дроссельных решеток. Проведенные опыты показали, что применяемые в стандартных РОУ дроссельные решетки проблему неравномерности потока за ними не решают. В этой связи автором использовались конусные перфорированные дроссели, установленные вершиной конуса против потока пара. Оказалось целесообразным часть поверхности у вершины конуса не перфорировать.

В результате поток пара растекается в направлении внешних стенок и, таким образом, обеспечивается достаточно высокий уровень скоростей у стенок и повышение относительных скоростей капель влаги в самых неблагоприятных областях пароохладителя. В работе приводятся оптимальные геометрические параметры рекомендованных конусных дроссельных решеток. Необходимо отметить, что использование таких дросселей позволяет увеличить угол раскрытия диффузоров до 60° и, таким образом, снизить металлоемкость всей конструкции пароохладителя.

Следующая часть задачи состоит в создании условий для получения мелкодисперсной влаги. Проведенные исследования факела распыла стандартных форсунок показали их неудовлетворительную работу уже при относительно небольших снижениях нагрузок РОУ. Размеры капель возрастают

§

-

-

- и-

Гис. 6 Охладитель пара с различными входными диффузорными участкам! 1- корпус (цилиндрическая часть); 2 - сменный входной участок; 3 - защитный экран; 4 - опора скольжении; а) - охладитель пара с диффузором а=30°; б) - диффузор с каналами; в) - диффузор со вставками; г) - диффузор а=15°; д) - ребро жесткости

максимальный размер капель впрыскиваемой охлаждающей воды не должен превышать 40 + 50 цк.

С целью обеспечения необходимой дисперсности жидкой фазы разработана и исследована новая конструкция форсунки с внутрифакельным распылителем, применение которой позволяет также сократить длину участка испарения с 8 + 10 м в серийных пароохладителях РОУ до 1,5 + 2 м в модернизированных конструкциях, повысив их надежность.

6. Проанализирована проблема взаимодействия капельной влаги с системой скачков уплотнения и доказано, что при таком взаимодействии неизбежно происходит интенсивное дробление капель влаги до 25 + 30 цк, обеспечивая быстрое последующее ее испарение. Проведенные оптические исследования подтвердили результаты теоретического рассмотрения и были положены в основу конструктивной разработки принципиально новой конструкции РОУ и БРОУ с совмещенной системой охлаждения и дросселирования пара, использование которой позволяет сократить длину испарительного участка с обычных 8 н- 10 м до 1 + 1,2 м, исключив контакт жидкой фазы со стенками пароохладителя и более, чем в 1,5 + 2 раза увеличить ресурс работы РОУ и БРОУ.

7. Разработана и исследована новая система подвода перегретого пара к пароохладителям, основанная на использовании перфорированных конусных экранов, установленных в подводящие широкоугольные диффузоры. Проведенные исследования позволили установить оптимальные геометрические параметры таких экранов, использование которых обеспечивает не только получение почти равномерного поля скоростей на входе в пароохладитель, но и позволяет снизить массогабаритные характеристики стандартных отечественных РОУ и БРОУ.

8. Разработана новая методика проведения акустических исследований энергетической арматуры, позволяющая надежно переносить данные лабораторных опытов на промышленные объекты.

Использование этой методики позволило провести сравнительную оценку уровня акустического излучения различных типов арматуры и рассмотреть эффективность различных методов шумоглушения.

9. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований созданы новые регулирующие клапаны золотникового и шиберного типов с улучшенными кавитацпонными характеристиками и сниженным акустическим излучением, освоенные отечественными арматуростроительными предприятиями.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

I. Черноштан В.И., Дворцов В.К. Регулирующий клапан. A.C. SU 15545Ü5 Al от 18.12.86 г.

2 Зарянкин А.Е., Черноштан В.И. Аэродинамические принципы проектирования регулирующих клапанов паровых турбин. Теплоэнергетика N 1 1997 г.

3. Благов Э.Е., Васильченко Е.Г., Черноштан В.И. Методика гидравлического расчета арматуры многоступенчатого дросселирования. Тяжелое машиностроение N 5-6, 1993 г.

4. Зарянкин А.Е., Васильченко Е.Г., Каращук В.Е., Черноштан В.И. Предварительный расчет толщины стенок потока форсунки БРОУ с помощью номограммы. Энергомашиностроение, N 3, 1986 г.

5. Зубков Н.П., Черноштан В.И., Дворцов В.К., Сосиков В.И., Бубнова U.C. Создание регулирующего клапана Ду=20 мм для работы под оболочкой первого контура блоков ВВЭР-1000. Энергомашиностроение, N 6, 1988 г.

6. Левин М.В., Васильченко Е.Г., Черноштан В.И. и др. Оценка и пути снижения шума энергетической арматуры. Электрические станции, N 2, 1990 г.

7. Форостов В.М., Черноштан В.И., Зарянкин А.Е. и др. Влияние характеристик распыления охлаждающей воды на работу пароохладителей с суживающим устройством. Электрические станции, N 11, 1989 г.

8. Зарянкин А.Е., Васильченко Е.Г., Майоров А.П., Дворцов В.К., Черноштан В.И., Ермолаев В.В. Редукционно-охладительные установки с раздельным и совмещенным редуцированием и охлаждением пара. М., Энергетическое машиностроение, серия 3, выпуск 9, 1984 г.

9. Зарянкин А.Е., Васильченко Е.Г., Каращук В.Е., Черноштан В.И., Дворцов В.К., Морозов Е.С. Пароохладитель. A.c. N 1275186 от 01.04.85 г.

10. Зарянкин А.Е., Ермолаев В.В., Васильченко Е.Г., Черноштан В.И., Михаилов В.А. Источник шума в энергетической арматуре и борьба с ним. М., ШШЭниформзнергомаш, выпуск 10, 1985 г. '

II. Зарянкин А.Е., Васильченко Е.Г., Черноштан В.И. О повышении надежности защитных экранов парохладителей. Энергомашиностроение, N 12, 1985 г.

12. Черноштан В.И., Майоров А.П., Зубков Н.П., Ивницкий Б.Я. Арматура энергетическая для ТЭС и АЭС, М., Отраслевой каталог, 1986 г.

13. Зарянкин А.Е., Васильченко Е.Г., Черноштан B.II., Ермолаев В.В. Форсунки редукционно-охладлтельных установок. М., Энергетическое машиностроение, серия 3, выпуск 2, 1986 г.

14. Зарянкин А.Е., Васнльченко Е.Г., Каращук В.Е., Черноштан В.И., Дворцов В.К. Редукционно-охладительная установка. A.c. N 1688029 от 18.12.86 г.

15. Левин М.В., Васильченко Е.Г., Рожнов B.C., Тупчий Е.П., Черноштан В.П., Шалобасов H.A. Дроссель. A.c. N 1486695 от 09.07.87 г.

16. Зарянкин А.Е., Ермолаев В.В., Черноштан В.II., Кустов О.П. Пароохладитель. A.c. N 1490380 от 20.11.87 г.

17. Ермолаев В.В., Майоров А.П., Черноштан В.И., Петров С.П., Ткаченко Н.В. Регулятор температуры. A.c. N 1536360 от 01.04.88 г.