автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Численные всережимные математические модели судовых котлоагрегатов и их реализация при создании паровых энергетических комплексов

РГ6 ид

2 7 СЕ:!

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КОВАЛЕВСКИЙ Валерий Пименович

УДК 621.181.91.001.57: 532.501.32/33: 517.949.8(021)

ЧИСЛЕННЫЕ ВСЕРЕЖИИШЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СУДОВЫХ КОТЛОАГРЕГАТОВ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРИ СОЗДАНИИ

ПАРОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КМШЕКСОВ

Специальность 05.08.05 - судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1993

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ'УНИВЕРСИТЕТ--------------

На правах рукописи

КОВАЛЕВСКИЙ Валерий Пименович

ЛК 621.181.91.001.57: 532.501.32/33: 517.949.8(021)

ЧИСЛЕННЫЕ ВСЕРЕЖИШШЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ШИЕЛН СУДОВЫХ ШТЛОАГРЕГАТОВ

И НХ РЕАЖЭАЩШ ПРИ СОЗДАНИИ ПАРОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.08.05 - судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1993

Диссертационная работа выполнена в Научно-исследовательском технологическом институте энергетического машиностроения

Научный консультант доктор технических наук, профессор

СУДАРЕВ A.B.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессо?

ХАБЕНСКИЙ В.В.; доктор технических наук, профессор

ПЕТИЙ И.И.; доктор технических наук, профессор ДЯДИК А.Н.

ведущее предприятие - Специальное конструкторское бюрс котлостроения (СКБК)

Защита диссертации состоится >> вхтяеря 1993г.

в часов в аудитории А'&У на заседании специализированногс совет Л 053.23.02 при Санкт-Петербургском государственно», морском техническом университете

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СП6ГМТ1

Автореферат разослан << ^ >> ее¡твря igg3r.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, в одном экземпляре просим направлять в специализированный совет по адресу: 190008, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., д.З.

Ученый секретарь специализированного совета Д 053.23. о< докгор технических наук, профессор Э.Г. НАРЕЖНЬЁ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАШГЫ

Актуальность работы Г Характерными особенностями" судовых и ко----------

рабельных главных, вспомогательных и утилизационных котлоагрегатов, то сравнению с аналогичными котлоагрегатами стационарной энергетики, являются малые габариты, большие удельные тепловые напряжзнно-зти топочных объемов и конвективных поверхностей, повышенный или газотурбинный наддав, высокие скорости газов, плотные компоновки пакетов, широкий спектр эксплуатационных нагрузок и ориентация на тспользование жидких топлив.

Действующие нормативные материалы по методам тепловых, гидравлических и аэродинамических расчетов в основном разработаны на базе обобщения опыта исследований, проектирования и эксплуатации преимущественно котлов энергоблоков. Использование этих методов для судовых и корабельных котлов с учетом перечисленных конструктивных и режимных особенностей невозможно без уточнения или разработки отдельных методик и рекомевдаций с привлечением накопленного к настоящему времени теоретического, экспериментального материала и материала эксплуатационных и стендовых балансовых испытаний.

Высокая маневренность также является отличительной чертой судовых и, особенно, корабельных котлоагрегатов. Обеспечение надежной работы для них только на стационарных нагрузках не является решением задачи в целом. Серьезно встает эта проблема при экстренных пусках-остановах, глубоких изменениях нагрузки и аварийных реякмах.

В последнее время котлоагрегаты находят применение также и э составе сложных паровых энергетических комплексов. Для них постоянно чередуются большие кратковременные отборы пара с крайня жесткими ограничениями по продолжительности циклов являются нормальными рабочими режимами, а стационарные нагрузки присущи только реянмаы поддержки в горячем резерве и при использовании в качестве резервных источников пара главной энергетической установки, Систеыатяад-ское исследование процессов в таких комплексах на полных численных моделях ранее не проводилось.

Повышенные требования к точности выполняемых на стадии проектирования судовых и корабельных котлоагрегатов статических и динами- ., ческих расчетов с одной стороны и ограниченные возможности чисто экспериментальных исследований, исследований моделей аналитическими методами и в линейном приближении с другой стороны, свцце?е;ц&т-вуют об актуальности проблемы, вынесенной в заглавие диссертация, как для развития методов математического ьюделированая, так и для

инженерной практики разработки САПР. Ввиду проведения испытаний наземных прототипов паровых энергетических комплексов и предстоящего их освоения в судовых условиях проблема актуальна также для разработки кммитационных моделей, тренажеров и подготовки обслуживающего состава.

Цель и задачи работы. Целью работы явилось создание экспериментально обоснованных математических моделей (.ММ), методик, алгоритмов и программ для наиболее полного исследования статических и динамических режимов работы судовых и корабельных котлоагрегатов и включающих их паровых энергетических комплексов при всех возможных эксплуатационных режимах и диапазонах рабочих нагрузок. Достижение поставленной цели потребовало решения задач:

- рациональной их постановки, т.е. построения набора ММ, которые должны возможно более полно отражать физическую картину протекающих в объектах процессов с точки зрения конкретной рассматриваемой задачи и в то же время быть доступны для имеющихся в исследовательских и проектных организациях вычислительных средств (ЭВМ серии ЕС и ПК >

- разработки эффективных (в рамках каждой из поставленных задач) численных алгоритмов решения исходной системы уравнений, обладающей рядом математических особенностей: нелинейность, сильно меняющиеся и разрывные коэффициенты, сопряженность в постановке, обыкновенные дифференциальные уравнения (ДУЗ с существенно различными постоянными времени, частные производные;

- интерполяция и аппроксимации (в связи с огромными массивами используемой в тепловых, гидравлических, аэродинамических расчетах и расчетах циркуляции табличной и номограымной информации) функций двух и более переменных, представления теплофизических свойств (ТФС) воды, воздуха и продуктов сгорания органических топлив, характеристик оборудования и, особенно, ввиду крайней сложности алгоритмов и глубокой вложенности циклов, разработки эффективных методов поиска итерационных приближений;

- корректировки применяемых в стационарной практике и разработки новых методик расчета, прежде всего по газовому тракту: теплообмена в топке с учетом повышенного наддува, расчета коэффициентов тепловой эффективности (КТЭ) или загрязнений (КЗ) и коэффициентов аэродинамических сопротивлений во всем диапазоне рабочих нагрузок на базе обобщения полученного и накопленного материала экспериментальных модельных исследований, стендовых балансовых

испытаний и эксплуатационных измерений;

- разработки проблемно-ориентированных библиотек подпрограмм и программных комплексов совместных тепловых, гидравлических и аэродинамических статических и динамических расчетов;

- оценки точности и эффективности разработанных моделей и методик на основе сопоставления результатов расчета и эксперимента, а также опыта использования в практике массовых миоговариантных инженерных расчетов в условиях КБ и НИИ.

Научная новизна работы состоит в создании аппробированных, экспериментально обоснованных численных всережимных нелинейных 1М судовых котлоагрегатов, энергетических установок и паропроизводя-щих и пароаккумулирущил кошлехсов.

В работе достигнуты следующие результаты, которые выносятся на защиту. Впервые:

- предложена единая методика расчета теплообмена в котельных топках различной тепловой напряженности и размеров, работающих на жидком топливе как при атмосферном, так и при высоком (до 0,51

МПа) давлении;

- разработаны методические основы совместных тепловых, гидравлических, аэродинамических расчетов на ЭВМ и расчетов циркуляции всех нашедших применение в судовой и корабельной практике типов главных, вспомогательных и утилизационных котлов, включая котлы с газотурбинным наддувом, сжиганием в псевдоожиженном слое и котлы с использованием для подогрева воды струнных насосов в контурах рециркуляции экономайзерных пакетов;

- на базе машинной обработки по предложенным методикам данных балансовых испытаний различных типов судовых главных, вспомогательных и утилизационных котлов рекомендованы единые (в функции от массовой скорости) расчетные зависимости по определению коэффициентов загрязнении и тепловой эффективности всех характерных гладкотрубных и оребренных поверхностей нагрева;

- предложена всережимная нелинейная распределенная ММ высоконапорного прямоточного котла и неявная конечноразностная итерационная схема интегрирования ее уравнений на полосах фиксированной и подвижной ширины для исследования любых штатных эксплуатационных и аварийных режимов;

^ - разработана многоцелевая ММ судового котлоагрегата естественной циркуляции с электронной системой регулирования на базе дискретных импульсных регулирующих приборов;

- получены аналитические решения для расчета характерных процессов в аккумуляторах перегретого (АПП) и насышенного (АНЮ пара, подтвержденные данными исследований на полных ММ я экспериментальных исследований;

- разработана основанная на учете зарождения, роста и миграции поколений пузырей пара неразновесная нелинейная ШС процессов в АНП, исследования на которой позволили установить картину протекающих динамических процессов, динамику изменения давления-м уровня раздела сред и, аналогичные возрастанию температуры в АПП, эффекты изменения паросодержания при периодическом повторение циклов отбор-заполнение ;

- разработаны численные всережимные нелинейные ММ паро про изводящих и пароаккумулирующих комплексов для исследования схемных ре-

шзний и оптимизации параметров настройки системы их автоматического управления (САЮ, защиты и сигнализации;

- разработаны обобщенные методы численного решения одномерных прямых, обратных и смешанных задач теплопроводности;

- предложена исключающая влияние на результат последнего направления прогонки комбинированная конечноразностная схема локально-одномерного метода для решения в любых системах координат двумерного нелинейного уравнения теплопроводности;

- разработаны сопряженные ММ разогрева паром корпусов аккумуляторов и ввода в действие осушенных и прогретых утилизационных котлое

Все перечисленные результаты получены непосредственно автором и при его научном руководстве.

Практическая значимость. Развитые в работе теоретические и численные методы представляют перспективное научное направление. Они позволяют автоматизировать проектирование, и сократить дорогостоящие экспериментальные исследования и доводочные работы, прогнозировать теплогвдравлические характеристики котлов и ресурс их элементов, оптимизировать структурные схемы энергетических, паропроизводящих комплексов, а также структуру и параметры настроек их САУ.

Основные рекомендации работы по расчету Т$С, теплообмена в топках и конвективных поверхностях нагрева и принципам построения сопряженных ММ положены в основу вперные разработанного под научным руководством и при непосредственном участии автора РД5.061.001-84 "Котлы судовые даровые водотрубные. Тепловой расчет", используемого при создании проектов новых главных и вспомогательных коялоагре-гатов.

Созданные методы ориентированы на практическое применение при решения в условиях КБ и НИИ прикладных инженерных задач. Они использованы при решении аналогичных перечисленным выше задач для ядерных паропроизводящих и газотурбинных установок, теплообменников и регенераторов.

о Реализация работы. Представленный материал обобщает результаты »еоретическнх а экспериментальных работ, выполненных автором по котельной тематике в Специальном конструкторском бюро котлостроения (СКЕК) в период с 1973 по 1989 годы. Конкретные результаты исследований и расчетов по разработанным моделям и комплексам программ за -указанный период времени вошли в обеспечение всех разработок и техническую документацию бюро по главным и вспомогательным котлоагре-гатам естественной циркуляции, прямоточным котлам, котлам со сжиганием с псевдоржиженном слое, различным типам утилизационных и водогрейных котлов, а также серии паропроизводящих и пароаккумулируюпцк комплексов с паровыми аккумуляторами перегретого и насыщенного пара.

Теоретические разработки доведены до трех проблемно-ориентиро-

ванных-библиотек из 36 подпрограмм и 21-й программы расчетов написанных на языке ПЛ/1Гкспользущихся в СКБК,—-НИГИЭМ , ГП_"йэвскш завод" и имеющих полную техническую документацию.

Программы расчета Т$С воды, пара, воздуха и продуктов сгорания органических топлив используются е СКБК, СПбГМТУ, ВВШОЛУ, BMA, ЦНШ им. ак. А.Н. Крылова, в/ч 27I77E, ВНИТИЭМ и раде других орга- -низаций.

Экономический эффект от работ только по одной руководимой автором тег.;е "Совершенствование методов расчетных исследований судовых главных, вспомогательных и утилизационных котлов" составил 2 млн. рублей в ценах 1989 года.

Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались на:

- республиканском координационном семинаре по динамике тепловых процессов в г.Киеве в 1978г.;

- конференциях профессорско-преподавательского состава СПбШГУ и ВВШОЛУ 1978-1990гг.;

- коллоквиуме университета Клаусталь (ФРГ) в 1990г.;

- мездународной конференции по горению и утилизации тепла в университете Синъхуа (¡{HP) в 1У90г. (два доклада);

- семинарах и научно-технических советах с участием специалистов СКЕХ, ЦНИИ им. ак. А.Н. Крылова, в/ч 27I77E, ВВШОЛУ, BMA, ВЖТИЗМ, 1Ш0 ЦКТИ.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 24 статьях, учебном пособии, руководящем документе и 60 отчетах по законченным научно-исследовательским работам; получено 3 авторских свидетельства,

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи разделов, заключения, списка литературы из 498 наименований с авторским указателем и оформленных отдельным томом приложений на 368 стр. Основная часть работы содержит 324 страницы текста, 168 рисунков и 25 таблиц.

СОДЕРЖАЩЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований.

В первом разделе на основании обзора литературных данных освещено состояние ММ и методов расчетных исследований на ЭВМ элементов паротурбинных энергетических установок с точки зрения их применимости при моделировании статических и динамических режимов работы

судовых и корабельных котлов и котлоагрегатов. Внимание уделено, в основном, четырем аспектам, рассмотренным в соответствующих подразделах.

В подразделе, посвященном представлению табличных и номограм-шых материалов и поиску итерационных приближений, отмечена слабая обеспеченность стандартных библиотек ЭВМ иод программами, удобными для использования в сложных совместных тепловых, гидравлических и аэродинамических статических и динамических расчетах. Показано, что существующие многочисленные методы и программы ориентированы в основном на решение чисто математических задач и непригодны в сложных инженерных расчетах специализированного судового энергоо борудования.

В подразделе, посвященном обзору методов описания в ММ TäC воды и пара, воздуха и продуктов сгорания органических топлив, отмечается три основных направления работ: создания систем уравнений для точного описания свойств удовлетворяющих допускам международных скелетных таблиц (A.A. Александров, М.П. Вуналович, М. Дели, Р. Поллак, С.Л. ,Ривкин и др.) ; разработки методов интерполяции по узловым табличным значениям (A.A. Агапова, Л.С. Попырин и др.); ' подбора упрощенных зависимостей для рабочих областей изменения параметров (Л.А7 Баранов, Е.А. Катковский, Е.А. Кременёвская, А.Т. ^Лебедев, Т.А. Редци, С.Л. Ривкин, В.А. Семека, Б.А. Тихомиров, A.M. Топунов, Н.Ц. Шаманов и др.). С учетом сравнительно узкого диапазона изменения параметров судовых котлов (для воды р< 18 МПа, ' Для перегретого пара р<12 МПа, t<600°C, для воздуха и продуктов сгорания $ < 2300°С) больших объемов программ, значительных затрат машинного времени на расчеты в нелинейных Ш и использования практически всех TäC, предпочтение отдано третьему напраяению при ориентации на явный вид зависимостей и небольшое число констант. ДйЯ динамических расчетов показана также целесообразность аппроксимации входящих в расчеты коэффициентов теплоотдачи (КТО} комплексов Ж!.

В подразделе, посвященном обзору методов, алгоритмов и программ статических прворочных и конструктивных расчетов котлов и их элементов рассмотрены работы ВВШОЛУ, ВТИ, СПбГМГУ, МЭИ, ДОИ, Подольского и Таганрогского заводов, СКЕК, ЩСГИ, ДНМКА, 1ЩИИМ-5 и др. организаций. Отизчон существенный вклад в создание ММ стационарных котлов вссдедоваяай отечественных (О.М. Белдина, Н.Л. Баркан, А.И. Бэзгрошнов, А.Г. Блох, С.И. Бодая, С.Л. Бритва, Т.В. Виленский,

i.A. Вульман, A.M. 1>рвич, И.Е. Дубовский, Е.Г. Дудников, В.И.

Золотухин, З.й. Известнов, Я.И. ¡Иванов, Г.М. Каган, В.Г.' Ковалева, Л.Б. Яезина, Д.Б. Литвак, B.C. Малышева, К.Д. Михейкина, С. И. ---------

Мочгм,~1Г.&~Шн&с&т0,~ ЯЛ. Петелина, Ю,В. Салов, Т.Е. Сизова, М.П. Симою, С.А. Ставцева, Г.И. Терушкина, Э.М. Тынтарев, Н.С. Хорьков, Д.В. Шлейфер, З.М. Щукин и др.) п зарубежных (К.Д. Астром, Р. Ге-оргиева, А. Кистелис, Я. Косаку, Д.П. Нейде, Д.М. Нилл, Е. Скмова5 Т.Л. Схоран, Д.Н. Трионг, К. Экланд и др.) ученых. Отмечено. что ММ адовых котлоз разрабатывались в основном з упрощенном веде (С.Б, Арколъд, H.H. Дрнисенко, ¿.П. Нарасев, H.A. Рождественский, М.Б. Фельдман и др.) или для учебны^ целгГ; (К,С. Депгптьев, В.А. ¡lyT—icsiü, П.A. IvoorfK, 0.0. Стоянова, В.В. Сударзз, В.А. Турлаков и др.) . Сделан вывод о перспективности начатого в СКЕК в 1873 году направления по созданию полных нелинейных сопряженных тепловых, гидравлических и аэродинамических ММ котлов и необходимости, с целью идентификации их с данными балансовых испытаний судовых и корабельных котлов, уточнения действующих нормативных методик расчета теплообмена в топке (правде всего в части учета давления) и конвективных пакетах (в части выработки рекомендаций по определению I{3£,KT3<p, аэродинамических сопротивлений (в виде поправочных коэффициентов) и циркуляции (в части учета напора пароводяного коллектора и потерь на ускорение).

Заклячительный подраздел посвящен обзору ММ нестационарных режимов в элементах энергетических установок, написанных как в сосредоточенных, так и в распределенных параметрах. Подчеркивается большая перспективность первого типа моделей, развитых в работах Л.С. Шуйской, В.М. путинского, Э.Б. Рябого, Г. Милдн, В.И. Певз-нера, D.H. Кузнецова, В.И. Алешина, Г.Д. Гарбера, Ф.М. Митенко-ва, В.И. Моторана, A.B. Кондрашина, H.A. К&рера, В.В. Николса, Г.П. Плетнева, В.В. Крашенникова, А.Я. Френкеля, А.Т. Шостака, Н.П. Шаманова, Н.С. Хорькова, Г. Дибелиуса, Ли Тьянь Доэ, Ленд Вея и др., при создании тренажеров и исследовании статических характеристик и динамических свойств. Аргументируется необходимее«, разработки нелинейной многоцелевой модели котлоагрегатз. и дискретных моделей блоков электронных ПИД-регудяторов. Подчеркивается практически полное отсутствие работ, посвященных иатематичесяоиу исследованию процессов в пароаккумулирующих комплексах а неравновесных процессов в АНП.

Показано, что пригодные для исследований котлоагрегатов и це-

лых комплексов, сосредоточенные модели при исследовании внутри-котловых процессов и надежности работы поверхностей нагрева являются недостаточно информативными и точными по сравнению с распределенными ММ. Широкое распространение получили частотные методы исследования на равновесных (И. Заворка, Р.И. Иванов, К.В. Кузнецов, В.М. Рущинский, М.П. Симою, Т.Н. Тюнина, Н.С. Хорьков, И. Чермак, М.М. Шифрин и др.)' и неравновесных (Н.Б. Иванова, Ю.С. Молочников, В.И. Плютинский, Г.А. Саньковский, Г.В. Соколов, Л.Л. йиигойт) моделях.

Более прогрессивными для исследования нестационарных процессов, особенно прямоточных котлов (ПК), являются ММ, основанные на прямом численном интегрировании. Начало этому направлению положено работами располагавших в то время значительно более мощной вычислительной техникой зарубежных авторов Г.В. Цуррина, Д.М. Хунина, Л. Ривлина, Л.С. Тонга, Д.Е. Мзйера, Р.П. Роуза и Ё.А. Рейхарта, Р. Долежаля и др. В СССР такие исследования успешно велись для котельной практики: В.М. путинским, К.Я. Даввденко, A.C. fty-башкиным, Н.С. Хорьковым, Б,П. Корольковым, В.В. Крашенниковым, В.Б. Хабен-ским, Э.А. Штернфелвд и др.; для парогенераторной практики: Л.Ф. Федоровым, В.Г. Поповым, В.А. Маковским, В.И. Федоровым и З.А. Мар-Ц0нюк, A.A. Дупшым и Г.Р. Шрагером, Э.А. Панафутиным и др.

Анализ большого количества конкретных расчетов позволил сделать вывод, что для увеличения точности разностная сетка, на которой ведется расчет, должна следовать за особенностью решения. Существенного уточнения решения удается добиться введением в общем случав подвижных сеток.

По каждому из перечисленных подразделов конкретизированы направления решения поставленных во Введении задач.

Второй раздел посвящен описанию разработанных методов и эффективных алгоритмов общеинженерных расчетов: интерпелляции и аппроксимации табличных и номограммных материалов, поиска итерационных приближений и зависимостей для расчета ТФС, КТО теплоносителей и характеристик оборудования.

Для одномерных таблиц разработаны компактные алгоритмы, соответствующие линейной и квадратичной (.процедура SINTI.) интер- и экстраполяции, для двумерных (SINT2) - последовательному использованию одномерных методов. Интерпелляция номограмм функций трех и более переменных осуществляется последовательной двумерной интерпелляцией с введением промежуточной координаты.

. Дня случая задания одно- и двумерных табдиц или номограмм-----------

неповторяющимися тройками чисел с весами со с,

¿=Ti,2,...,N (Д| $ 650 для ЕВМ EG 1022) разработаны методы, основанные на решении в общем случае переопределенных систем уравнений (. программ APRS1M), аппроксимации наиболее общего вцда

т к

P^i-ZZv^T, CI)

i««* t'k*

где классическая полиномиальная аппроксимация степени m+k (при т*'k*» 0) расширена на случаи Ш*Д* 4 0, эффективные при наличии локальных экстремумов.

Все основные типы итерационных алгоритмов теплогвдравлических расчетов сведены к двум базовым, для которых предложена единая обобщенная схема. На базе комбинации методов половинного деления, линейной, квадратичной, обратной квадратичной и гиперболической интер- и экстраполяции (перечислены в порядке возрастания эффективности) с учетом "машинного нуля" и найденных методов "нижней" и "верхней" релаксации, разработаны эффективные алгоритмы поиска итерационных приближений при расчетах с заданной погрешностью. Они реализованы в виде двух процедур ITER и CIKL . При удобстве использования в составе сложных программ с большим числом вложенных циклов,эти процедуры имеют более высокую, по сравнению с известными алгоритмами разработки фирмы IBM , эффективность; при ввделенном отрезко существования корня - классической задаче вычислительной математики - MEE6F в I,14,23S0IN в 1,29 раза; при односторонних приближениях слева и справа - наиболее распространенных в расчетной инженерной практике случаях - ЮТ в 2,6, K2FEM в 1,25 раза.

С ориентацией на применение в больших программах статических и динамических расчетов разработаны явные, единые для характерных областей, непрерывные и дифференцируемые зависимости для расчета всех использующихся в совместных тепловых, гидравлических и аэродинамических расчетах ТЗС воды, пара, воздуха, продуктов сгорания любых органических топлив и основных котельных сталей (всего 66 зависимостей), оформленные в виде процедур Р и TFS. Соотношение констант в них и имеющихся аналогичных зависимостях С.Л. Ривкина и Е.А. Кременевской при близкой, достаточной для инженерных расчетов точности, выглядят соответственно: для недогретой воды I : 2,8; для воды на линии насыщения I : 1,54; для пара на линии насыщения I : 1,76; для перегретого пара I : 1,62.

Анализ наиболее распространенных в котельной практике критериальных зависимостей для расчета КТО при течении пароводяной смеси в трубах и омывания продуктами сгорания пакетов показал, что TiC в них группируются в комплексы типа A Pr-T/f" . Полученные для них аппроксимации в функции от Р и t для фаз воды и $ для продуктов сгорания, практически без потери точности, вдвое сокращают затраты машинного времени на вычисления.

Совместные расчеты котлов и особенно расчеты циркуляции(с проверкой запасов по надежности) основываются на широком использовании номограммных материалов, а расчеты котлоагрегатов и комплексов - в представлении характеристик вспомогательного оборудования и универсальных характеристик машин турбонадцувочного агрегата (ТНА). Конец раздела 2 посвящен разработанному описанию их в виде, приемлемом для расчетов на ЭВМ- Для наиболее простых, гладких и часто используемых номограмм получены эмпирические или полиномиальные аппроксимирующие зависимости, для более сложных - использована интерполяция таблиц опорных значений созданного для диапазонов изменения параметров судовых и корабельных котлов банка данных. Все результаты оформлены процедурой N0M06, точность расчетов по которой превосходит точность "ручных" расчетов.

В третьем разделе дано описание методических основ, разработанных и использованных при создании проблемно-ориентированной библиотеки подпрограмм и программ совместных статических тепловых, гидравлических и аэродинамических расчетов различных типов главных, вспомогательных и утилизационных котлов.

Библиотека подпрограмм разработана на базе рекомендаций действующих нормативных методов расчета стационарных и судовых (РД5.061. 001-*ё4) котлов. Она включает процедуры расчета: характеристик газообразных и жидких топлив (XlffAT, T0PLIW0) с корректировкой химсостава по заданному значению QÎ ; знвальпий 3 (ENT6D) и температур 1? (ТЕ6D)продуктов сгорания,- степени черноты топки ат(SCHERN) и теплообмена в топке (T0PKU); фазового состояния пароводяной смеси (FAZ% КТО (ALFAII) и гидравлического сопротивления 4P (PEEEPAD) при течении пароводяной среды в трубах; КТО J.,^ при конденсации CAIKOMJD); температурного напора Ai (NAP0R) ; коэффициента, трения Л (КОТРЕф; истинного объемного паросодержания f (FUI) ; максимальной температуры в*,у ' -отвкйй ' СМШЕа), КЗ & и КТЭ у конвективных пакетов CSA8R и SAGBD2) и ряд других.

Анализ рекомендаций по расчету теплообмена и аэродинамики газо-

вого потока при наружном обтекании позволил предложить обобщающее зависимости для fi-ro паке та труб: ______________________________________________

-для"коэффициента теплопередачи к

\t~Mo е fRi + £(»)t при расчетах с использованием КЗ £ *~ ' , при расчетах с КТЭ f > ^

где термическое сопротивление чистой трубы Е( определяется по

обобщенной зависимости

= +(Ьн(п)f ) аг(п) (3)

- для приведенного коэффициента теплоотдачи газов d\ef

, Ыл + сСА , для гладкотрубных пакетов «Ч = ( г U-6,Cn))№ > Для оре бренных , ;

где H*£<n)B&)**)i E-EtphrsbhJJf/d»)) fi-faiASfXn) А»);

- для КТО конвекцией dK

¿к* a*(n)(X/d;cn))(VdT3in)/i)"<(») Priii(n). (5)

- для коэффициента аэродинамического сопротивления £

В отих зависшостях индексированные параметрк для конкретного п.-го пакета имеют сшсл конструктивных, зависящих; только от птпа строения, включения и оребрения, констант. Во всех программах эти величины, наряду с поверхностям проходными сеченияimj(jn) и другими геометрически™ параметрами, определяются лишь один раз (процедура 6Е0МЕТ).

Расчет тепловосприлтия конвективных пакетов или их участков заключается в совместном решении нелинейных уравнений теплопяреда-чи

Q = кНл t (7)

и теплового баланса: Q = <$&(.%„--V); (8)

Q «BCifte-ifc), (9)

содержащих четътре Q, , основных неизвестных. Решения этой

системы, при замыкании её зависимостями для расчета^ и ТФС, осуществляется итерационно (прямые итерации расходятся;. Первый прогноз тепловосприлтия Q производится на основе зависимостей, аппроксимирующих групповые свойства тдадатев различных типов котлов

Qi = Q^tB/B«)*4, (10)

где индекс L относится к характерным пакетам или группам пакетов. Критерием окончания расчетов пакета является совпадение определенного по формуле (7) и прогнозируемого тепловослркятая Q.C относи-

тельной погрешностью, не превышающей £л .

Критерием окончания поверочных расчетов для котлов естественной циркуляции (КЕЦ) и многократной принудительной (МПЦ) циркуляции простых компоновочных схем является совпадение суммарного теп-ловосприятия (7) испарительно-экономайзерных поверхностей с теплом 0,к , необходимым для подогрева питательной воды до кипения и парообразования с заданным значением степени сухости ж пара, отбираемого из парового коллектора (}*= 1)н (- ¿д|) , где 1Х= (¡■а-ь)* , т.е.

' кси-«<)/&!« «к, сп)

и равенство нулю суммарного перепада давлений по замкнутому циркуляционному контуру. Найденные перепады.давлений по пароводяному и газовое трактам котла в целом, на предццущей глобальной итерации используются в качестве прогноза на текущей итерации.

Началу машинной обработки режима балансовых испытаний по определению для характерных групп испарительных, пароперегревательных и экономайзерных пакетов £ и ¡р предшествует расчет их тепловоспри-ятий по данным измерений температур, давлений и отборов пара:

я« «2>

<¿1 где ¿¿-¿„(Р?«л2е); Ли-Ви-Ля»; (13)

где С14)

Затеи выполняется расчет топки при измерениях в эксперименте значениях расхода и температуры топлива и воздуха и фиксируется её тепловосприятие 0Т, температура энтальпия и давление 9{т на выходе. Для всей группы испарительных пакетов итерационно осуществляется поиск таких значений £(п) п. = 1,2,..., И«, при которых их суммарное расчетное тепловосприятие (7) будзт "равно" , определенному по (12). Далее аналогичным образом выполняется расчет групп пароперегревательных и экономайзерных пакетов. Затем, по полученным значениям определяются начальные приближения по Ц/(и) (см(2)} и расчет повторяется вновь, начиная с подбора^для испарительной группы пакетов. При наличии замера температуры уходящих газов расход топлива мо&ет быть определен дополнительно по формуле

ь; - (0^ Он+О^/МЬ-^)], С15)

где Зл - энтальпия адиабатного горения;

Для представления результатов обработки в различных координатах для кавдой из групп пакетов общей поверхностью Н^ вычисляются

Г = УМ ОД/И*«, уи {Я, р», (16)

Предусмотрены такнэ расчеты балансовых^режимов-с целью определен - ния абсолютных ¿2 и относительных <5г отклонений расчетных значении по принятой методике от данных экспериментов

дг =* «52 - Шйг/г* (I?)

и рад других расчетов»

Длительный опыт использования программы , созданной на

базе описанной Ш, при многовариантных расчетах практически всех корабельных и вспомогательных котлов в условиях КБ свидетельствует о высокой точности к надежности разработанного расчетного алгоритма. Точность расчетов ограничивается только разрядной сеткой. Погрешности £„ и обычно полагались равными 0,01 и 0,1% соответственно. Для компоновочных схем корабельных котлов, содержащих от I до 10 пакетов, среднее число глобальных итераций (при существенно сбитых начальных приближениях и расчетах на ЭВМ ЕС 1022) составляет около 5, а среднее время счета - около 120 с (при обработке 30 с).

На базе описанной ММ (бЩКЗС) разработаны и реализованы в виде программы бШКЙРО ММ судовых котлов, содержащих поверхностные и впрыскивающие пароохладители, промперегреватели, газовые и паровые воздухоподогреватели. По габаритам и сложности компоновочных схем такие котлы близки к стационарным. Брегет счета 10-ти пакетного котла КВГ 80, при прочих равных условиях, не превышает 300с. В свою очередь эта.программа явилась основой для разработки программы КРЗ&РО расчета котлов со сжиганием в псевдоокиженнои слое, при наличии в нем в общем случае нескольким секций с по гружеными испарительными, пароперегревательными и экономайзерными поверхностями.

Обобщенная ММ утилизационных ПК и котлов МПЦ любых компоновочных схем, включая котлы глубокой утилизации с произвольным числом ступеней давления, каждая из которых может работать как на пропуль-сивнуто турбину, так и на общий паропровод и иметь паровой подогрев питательной воды, реализована в виде программы УТЯЛ. Заданной величиной является расход 6п температура ^ и коэффициент избытка воздуха X продуктов сгорания.

Для ПК дополнительно задается закон поддержания температуры и давления Рпе . Расход перегретого пара Л)« или воды находится ите.-рационно из условий равенства тепла, воспринимаемого всеми поверхностями нагрева, теплу, необходимому на подогрев воды до кипения, парообразование её и перегрев пара. При отборе пара на турби-

ну заданным является её характерное сечение. Давление Рле и расход Dut уточняется во внешнем глобальном итерационном цикле.

Сопоставление, например, данных расчетов не имевшего в момент проектирования аналогов в мировой практике утилизационного ПК КУПббОрп без парового подогрева и с паровым подогревом питательной воды показало, что "платой" за необходимое для подавления коррозионных процессов увеличение температуры стенки труб экономайзера является: снижение утилизации газов на П°С; сокращение отбора пара на 4Sé; потребление на подогрев 6% пара; увеличение на гидравлических и на ï% аэродинамических сопротивлений. Среднее время счета одного варианта при относительной погрешности £к= 0,5% составляет около 150с.

Альтернативной паровому подогреву является система подогрева питательной воды, выполненная на базе водоводяного струпного насоса (СЮ. Расчетная схема представлена на рис.1. При разработке Ш атой системы был использован подход "метода контурных токов" в предположениях о постоянстве поддерживаемого перепада давления дР,ж на питательном клапане. В простейшем изотермическом приближении (с уточнением на случай обратных токов в смесительной камере характе-ристики^ СН, предложенной Е.Я. Соколовым и Н.М. Зингером) аналитически установлены:

- факт возрастания с уменьшением нагрузки коэффициента иг-шекции и, максимальное значение для которого определяется конструктивными характеристиками СН и соотношением коэффициентов сопротивления экономайзера trJJt и сопла;

- паровая нагрузка J)„° начала изменения направления расхода в магистрали рециркуляции, т.е. пропуска воды мимо экономайзера

Î.-lU-o: а8}

- зависимость для энтальпии воды на входе в экономайзер

fin m> °*к<\ , (19)

I + La)/к

Полученные результаты хорошо согласуются с данными расчетов по полной численной модели. Пример сопоставления результатов расчетов с данными замеров для оптимизированной геометрии системы котла КВГ2 представлен на рис.2. Температура на входе в экономайзер возрастает с уменьшением нагрузки. На выходе, несколько понижаясь, она практически не зависит от наличия системы рециркуляции. КПД котла снижа-жается на 1-2%.

и. — ----- --

2

3 ч

])н

Расчетная схема контура

ВЗ ст/у

Рис.2. Расчетная зависимость от

рециркуляции воды в пкономайзе- нагрузки котла КВГ2 с десятиря, _ре, испояъяущего струйкой насос ныи экономайзером коэффициента ■¡.-струйный насис: 2-питательный инжекции для различных моделей клапан; 3,4-напорный и рециркуля- струйного насоса: I - Соколова

^ионный

й85

«

А

2 л 5 6 ---

>««у ..3 ,5/'

1 С»

и Зингера; 2 - автора при = 0; 3 - тоже при = 0,15 Температура питательной воды: Ф -80, □ - 90"С сжкмныт)

Рис.3. Зависимость КПД котло-агрегата и коэффициента сопротивления ВНУ'от нагрузки по пару и числа включении: форсунок

1-6 - число одновременно включенных форсунок

К Уа

М-0УВ

1,0

•■ ■. • '¿•я:1 -

-ч

48 « 47 X ЦБ +

Рис.4. Обработка данных по теплообмену в топках котлов при сжигании жидких топ-лив в координатах: а - нормативного метода (I - 0)/0, йт/Во:

б - РД5.061.001-84 1-0, аг/Во(при аг= I).

1- М=0, ¡^(.максимальное значение):

2- 0,44; 3- 0,34 (■минимальное значение;

В корабельных энергетических установках широкое применение получили малогабаритные котлоагрегаты а газотурбинным наддувом. Параметры воздуха, подаваемого в топку, определяются в них давлением и температурой за компрессом, зависящих, в свою очередь, от параметров газов за котлом. Расчет параметров таких котлоаг-регатов определяется характеристиками турбонашин ТНА: компрессора, газовой и паровой добавительной турбины . Он сводится, при удовлетворении условий 1*<?-(11), к определению степени повышения давления в компрессоре и, в зависимости от знака ¿И небаланса мощностей турбины и компрессора, таких, дополнительная к необходимому для горения с заданным избытком «с(В), расхода воздуха через компрессор двк или пара через добавительную турбину Д)Зо5 , которые, с учетом знаков слагаемых, обращали бы в тождество систему уравнений:

Здесь индекс I обозначает суммирование по всем участкам от воздухозаборника до среза трубы, включая компрессор и турбину.

ММ и реализующая её программа КЕСТМА точного комплексного поверочного расчета на ЭВМ ЕС высоконалорных котлов с ТНА созданы автором впервые. По объему и числу решаемых задач они не имеют аналогов как в судовой, гак и в стационарной практике и могут явиться базой при создании всережимных Ш парогазовых установок. На 1 рис.3 представлен график для к.п.д. ^ котлоагрегата КВГ6, расчи-танный с учетом отбора пара на добавительную турбину и позволяющий выбрать оптимальный алгоритм переключения форсунок. Программа КЕСТНА позволяет также производить пересчет данных испытаний на требуемы® параметры наружного воздуха, другие виды топлива и геометрию подводящих воздушных и отводящих газовых трактов.

ММ циркуляционных контуров реализована в виде программы С1НК0М. Она учитывает все нюансы расчета и проверки надежности циркуляции и отличается от рекомендованной нормативным методом расчетом напора, создаваемого паровым коллектором, сопротивлений ускорению потока, уточненного положения точки закипания. На примере контура вспомогательного котла КАВ4 исследовано влияние на параметры циркуляции неравномерности тепловосприятия по высоте труб, ширине газохода и глубине трннадцатнрядного пучка. Установлено наличие тепловой нагрузки, обеспечивающей локальный максимум кратности циркуляция, увеличение запасов надежности в зона:-, повышенного тепловое-

сю; (21)

Л/т + Л/йв-А/к-О.

приятия. Показано, что ввиду соизмеримости диаметра. парового_кол-— -лектора с высотой подъемных труб, учет"движущего напора в нем на 11% увеличивает расчетную кратность циркуляции и запасы по кризису. Учет составляющих сопротивления на ускорение потока, напротив, снижает их на 7%. Сопоставление уточненных расчетов с данными экспериментов ВВШОЛУ на котле КВВА-7,5/28 показали удовлетворительное согласование по скоростям циркуляции, т.е. правильность основных положений ММ.

Раздел 4 посвящен обработке данных экспериментальных исследований по теплообмену в топках и балансовых испытаний с цгльа ндан-ткфккащш разработанных ММ и получения единой комплексной методики расчета котлов с вентиляторным дутьем и газотурбинным наддувом.

Обработке с помощью созданных комплексов программ 0DT0T и FOETLOS данных по теплообмену в топках при сжигании жидких топлив предшествовало создание на базе материалов НПО ЦКГЙ, ЦНИИ им. ак. А.Н. Крылова, ВВШОЛУ, ЛКИ, СКБК и др. организаций банка данных с диапазоном изменения параметров:

геометрических С51 серия опытов):

- по объемам топки VT (0,026 i 730)м3;

- по радиационной поверхности HP(0,I9 t 186)м^;

- по степени экранирования / (0,191 -t 1,0); режимных (620 опытов):

- по расходу топлива В (6 * 12290)кг/ч;

- по коэффициенту избытка воздуха «£ (1,0 л 3,5);

- по давлению в топке Рг СО,101 * 0,51) МП&;

- по температуре за топкой Тзг(835 * 2307) К;

- по адиабатной температуре Te (1041 2504) К;

- по низшей теплоте сгорания QJ (30360 * 460^0) ВДк/кг; и производных от них (расчетные значения):

-по эффективной толщине газового слоя S СО,163 * 5,39)ы;

- по объёмной напряженности <Jy(I7,3 * 12500) х Ю3Вт/м3. Другие данные, как, например, высота расположения форсунок, их количество и схема включения, точные геометрические размеры топки и экранных труб, температуры топлива, воздуха и охлаждающей среды - для большинства серий опытов не удалось восстановить. В связи с этим и с целью сохранения всего опытного материала, при обработке было принято решение пренебречь в явном ввде влиянием конвекции и свести задачу к рассмотрению простейшей налинейной модели теплообмена

где ат и Т^ - степень черноты топки и эффективная температура излучения, Кк - коэффициент учета доли конвективной составляющей

или её безразмерного аналога

(Яг/Во)э4= I - е, (23)

где Во = В Ус /(6oHpTi); ез4>= T9<t/Ta ; Q =T3r/Ta. (24)

Нормативными методами предусматривается модель теплообмена в виде п д

a - Ю/в = Н (ат/Во)и»ь, (25)

получающаяся из (23) после деления на 0 и предположения существования явной зависимости ©4»/® =1 (йт/Во). Замена Во =(рBo/j , на Во в силу постояноства = 0,55) коэффициента снижения тепловое-приятия, не оказывает принципиального влияния на результат обработки, представленный на рис. 4а. Данные по большим атмосферным топкам близки к аппроксимации (25). Заметно, однако, что степень 0,6 несколько завышена. Данные по топкам с наддувом отклоняются от (25). Степень превышает 0,6 и не может быть скомпенсирована только коэффициентом М, как это принято в нормах расчета ВПГ.

Большой разброс данных обработки в координатах норматавных методов позволил при подготовке РД5.061-84 отказаться от учета изменения черноты топки (ar= I) за счет переменности показателя степени п в аппроксимирующей зависимости сем. рис. 46).

I - 6 = M'ttWBo)", (26)

получающейся из (23) в предположении существования функциональной зависимости

в 4 = iCaT/Bo). (27)

Многоварюштные дальнейшие обработки данных показали перспективность использования, координат (26) при переменных ат и подстановке вместо Во его модифицированного - с поправками на степень повышения давления £т= Рт /Р0 и влияния профиля температур & ~ значения Во*

Во* = Be' £Tm'(VTafr = Во a?'9"Г (28)

Пример такой наиболее точной рбработки при расчете степени черноты факела а^ и топки ат по методу A.M. Гурвнча

СЦ= 0,75 С I -expc- I3,26pTS)]; (29)

ar= 0,327/r 0,Si (I -a*)/a,j>] (30)

представлен на рис. 5а. Аппроксимирующая зависимость

6=1- 0,35(От/Во)0'2414 , при гиР= I, (ит = 2, (31)

"3 -(-в

X.-----

.,, „ - ле

.!•-<(--Л»'"'1

_

а.г/Во*-

'т*

Рис.5. Обработка данных по теплообмену в „ топках в предложенных координатах I-фа/Во для всего экспериментального мятопиаля(пчм сокращенного числа седий ога чете <ij.no методшсэ Л,Й.Гуззкч.

Парамэтры точности расчетов по методикам

опытов Со )при рас-

¡.блииз I

| ГЗара- Методика I

1 метр Нормативная Рдб'.Оо! .-84 Автора |

; }та : ик ! ¿а 116,6/103,6 ¿1/20 49/52 27,9/24,6 85,8/64,0 41/48 67/78 23,7/16,5 67.7/48,5! &0/60' | 79/89 17,8/12,1!

оправа от разделителя приведены данныг для сокращенного числа серий

г. 1 6 < г -« ХБ - а __1

1

А * - 1

I

<*

> „в Ь °

{-Л* $ 7

1

1

а 1

ЗьПЕ 6 1 1

е 4 I в < ■6 Л-

*

♦ г.

& * J

Л" £ 0 « *

^ «со

« \

Ьк

--Н

и и

-+-Г

I 9'

4~

Шля}

Рис.6. Отклонения расчетного (по£) расхода топлива (а), температуры

перегретого пара (о) и воды за ркономайзерсм (в) от данных балансовых испытаний главных котлов с газотурбинным наддувом

Таблица 2

Численные значения коэффициентов аппроксимирующих зависимостей а.г(р»)~те- и а у (¡>»)г~тУ для характерных групп пакетов различных типов судовых котлов

Тиш котлов Характерна грушш пзкатоа

Ясцараильша Ьропврегрэватвлышв ЭяоЕОигЯгеряга

*>е а 19 1 -т*, "е. а. «г "г в* «IV

Глазные С газотур- йишпм наддувом 0,0055 (0,664) 0,3280 [,07 ;х,135 р97£ 3.0157 ;о,14б5 0,6X31 0,37 ;1,5б: 0,1432 0,034 (0.427) 0,922 0,75 (1.2) 0

С вентиляторным дутьем 0,0X3 0,3487 0,715 0,206 0,0098 0,6167 0,86 0,1095 0,0СВ5§ 0,00114 0,1246 за 0,1246 —Г 1,13 1,165 ^ 0,107 0,06844

Вспомогателшге 0,0162 0,8945 0,665 0,03427 0,0324 0,8945 1,27 0,1731 0,0324 0,8945 0,72 0,1731

в скобках даны значения поправо котлов с параметрами ЯЭУ

; ш - плавниковые экономайзеры; коэффициентов к а4 и а^для

м

и

описывает экспериментальные данные со средним отклонением дТ = 56К. В интервал допуска 50К (]бо) попадает 60% опытов, а в интервал ЮОК (]юо) ~ 83%. Близкие, но уступающие по точности, результаты: 60К, 57 и 81% соответственно, имеет аппроксимация

0 = I - 0,273 (ат/Во*)0'2536, при тР= I, Ит= 2 С32) для случая расчета ат по рекомендациям нормативного метода. При исключении наименее достоверных по балансу тепла данных (14/4 всех серий и 18% всех опытов) точность аппроксимации (31) (см.рис. 56) составит соответственно 40К, 70 и 93%.

Априори постулированная зависимость (27) в общем виде и применительно к аппроксимации (31) запишется соответственно

е^ = 1^0,55 мЧаг/во*)"-7(£гре'Лт) ; сзз)

в9р = 0,622/{(ат /Во*/''5*6 . (34)

Параметры точности расчетов по трем рассмотренным методикам и погрешность ¿й в процентах определения ими балансового тепловоспри-

ятияй* аг = боаги,т4 (35)

при расчете с использованием Т}г только в качестве начального приближения для процедуры ТОРКИ представлена в табл.1. С учетом сложности процессов, невысокой точности первичных данных и простоты модели их можно признать вполне удовлетворительными: 17,8% при учете всего и 12,1% - сокращенного числа опытов.

0 Обработка данных балансовых испытаний по определению КЗ £ и КТЭ 4) конвективных пакетов КЕЦ выполнена на базе 340 опытов, проведенных на 14-ти характерных конструкциях главных котлов с газотурбинным наддувом и вентиляторным дутьем, вспомогательных котлов однопакетных, генерирующих насыщенный пар, и двухпакетных с пароперегревателем и экономайзером. Результаты обработок (методика (12)-(17) дана при описании раздела 3) для различных типов котлов представлялись в различных из возможных сочетаний координат (16) для групп испарительных, пароперегревательных и экономайзерных поверхностей нагрева. Координаты ыг и принятые нормативными методами, не позволяют получить единых расчетных зависимостей во всем возможном диапазоне нагрузок котлов с газотурбинным наддувом. Для преемственности с разработанной ранее автором методикой РД.5:061.001-84 и в связи с несколько более высокой точностью, принята обработка в координатах £-рйг и , для которой получены однотипные зависимости

£ = ае С?*/)**; Г36)

__________________________________________9 (р-н)'?'.---------------------------------------(37)

Сводка коэффициентов для них представлена в табл.2.

Также приведены рекомендации по расчету коэффициентов £ и ^ для ПК, воздухоподогревателей и поверхностей нагрева утилизационных котлов.

Ка рис.6, приведены (см. (.17)) отклонения рассчитанных по методике (28)-(31), (36) расходов топлива, температуры перегретого пара и воды за экономайзером от данных балансовых испытали." котлов с газотурбинным наддувом. Практически идентичные результаты имеют место и при расчетах по у (37), т.е. обе методики равноценны по точности. Для большинства опытов (особенно для номинальных нагрузок, по которым определяются поверхности) погрешность расчетов не превышает 2%. Аналогичная точность имеет место для других рассмотренных типов котлов.

По данным обработки получены также показатели степени в зависимости (10) для главных и вспомогательных котлов. Они составляют соответственно 0,869 и 0,982 для испарительных, 1,213 и 1,840 для па-роперегревательных и 1,171 и 0,983 для экономайзерных поверхностей. Даны также рекомендации по расчету сопротивлений ВНУ Гот количества включенных форсунок} и элементов газовоздушного тракта.

В разделе 5 представлена разработадная всережимная нелинейная распределенная по длине пароводяного тракта ММ и, на пршере перспективного для норабельной энергетики высоконапорного ПК,исследованы основные эксплуатационные и аварийные режимы. В предположениях:

- термодинамической равновесности состояния фаз в потока;

- отсутствия быстрых изменений давления;

- постоянства параметров и скоростей по частям сечения, занятым средой данной фазы;

- пренебрежения звуковыми эффектами и распространением тепла в средах и кеталло вдоль по потоку за счет теплопроводности;

- пренебрежения изменением потенциальной и кинетической энергией и энергией диссипации по сравнению с изменением энтальпии;

- применимости квазистационарных расчетных зависимостей для определения КТО, трения и проскальзывания фаз -

уравнения сохранения массы, энергии и количества движения для каждого из потоков сред, обменивающихся теплом, металла и замыкающие их уравнения ММ представлены в общем виде

В них: - независимые переменные С время и координата);

~ искомые функции от г и 2 энтальпия, плотность, расход, давление, истинное и массовое паросодер-жание, температура металла; Р;, Ц;^ - известные функции-операторы от Т, 2, и,,... ак ; $1 - замыкающие зависимости разделов 2 и 3; - количество ДУ и неизвестных в них. ММ (38) (в табл.3 представлены её компоненты) учитывает все основные особенности поведения реального объекта и может быть использована для описания широкого класса нестационарных процессов.

Для интегрирования ДУ в частных производных Щ использован метод интегральных соотношений. Данный метод позволил свести решение к интегрированию аппроксимирующей системы обыкновенных ДУ (АСОДУ) на заданном числе полос подвижной (частном случае - фиксированной) ширины

в* = ГЫг, Р'=4РМТ, г'~с/2№г, Ш

коойрнаты границ которых 2« к связаны с длинами экономайзер-него, испарительного и пароперегрввательного участков.

Численное интегрирование уравнений АСОДУ (.39) выполнялось ме-«Идои конечных разностей в неявной, устойчивом при любом соотноше-ши шагов разбиения по Г и г , виде. Конечноразностные аналоги уравнений в обозначениях (временной индекс п+ I для краткости записи опущен)

йХ^У.Л/г; Ау.-у^.у.; (Рш^ + Ц^

Ал-г'т*2^/АХ; 15,-ЯАп/лг

представлялись в обобщенном на сдучай полос плавающей и фиксированной шнраны виде С ниже даны для пароводяного тракта и металла;.- для уравнений сохранения массы (

б«- О^р^/дГ; С^О)

- ддаурвшшай _сохран»нкя энергии едаофазного

------- -------------------------------------------------Таблица" 3

Компоненты ММ для характерных участков тракта ПК

к лг п 1 /£ Иачщны*

¡я }, 0 Лт'Аг, (Се, ¿.р. и К^/А * Ун /с/г и-и/Т.,г); Ъ-МТ..*} Р-Р(Г.,2)

Т 5ре1ц Лс/иХо-Ъ!

^ 1 § 5 ,4 Се ШС^Рд'Й 'ДпбУ Ке^^Рг)

? -V 6 О *•*(?, ?, Я); П-П(0. </.р.£); и-.ир); /■¡■РМР)^. у>¿Р); (К 6.1.4.0); ' {."* <?• 0(1.,2); у.? П.,г);

¡¿¿г ЯП,! 7!'¿¿МО-и)

1 ^ 5 6 ¡¿СрМ-Г)* ^еии/рчф

«¿1 Ы У Сгл о °<е '^(РМ Си;(*• Л^-ЫС, о! Р. и,

¡р. и ОЛп лс/лт(е-0

Ф

9 О •Жв-иМВнС*) .'■¿Л1: с».с~Гв>:

9 О Сп'СнЮ): \*-Х*10):

и $гРг Сг О У=г-Рг(РпУ; ¿'ОМ): Зг-Зг&ъТ)

* г вгЗг в)

85 • Сг

Рис.?. Изменение параметров пароводяного тракта и температуры металла -труб высоконапорного ПК КВП в рашагэ ввода из холодного состояния: а - энтальпия воды; б - паросодвряание; в - средние по толщине температуры металла в отдельных Сем. рис. (а)) точках .факта} г -температура сред за испарителей (I), пароперегревателем (.2) и экономайзером (3); расходы на входе в котел(4) и выходе из котла С5) •Участки тракта по длине :1-трубопровод: 2-эконоиайзер; 3-перепуекная труба; с ♦-дроссельные уст-

ройства; 5- экран топки; 6,7-первый и второй конвективннеца-

провод -П1?Ч'СК1' ок кгшеР; ^"Пароперегреватель; 10-парй>-

7 г

Ипсткн шкта

} А У4

1 ( { 1 ч—

¡1 4 ч

__' «

б «

1

2

у

У £

•с

2№ ПО

« 11 И

бп,и~(Ьрт1туа]/[б„-(умр^А^р^]; С41)

где ^^Ми^а^^+ОС^.^/г, ц^^иь-ьЪ

и двухфазного потока

+ + (43)

= (44)

где 2 ~ сложные комплексы сеточных параметров

П-го и 11+ 1-го слоев;

- для уравнений сохранения количества движения (5~1

- для уравнения баланса тепла в металле

-Ц*} А'

где Вцет ~ коэффициент возмущения тепловосприятия£цля краевой задачи исследования стабильности течения Л/Аи.

Описанная Ш реализована в ввде комплекса программ РКАШКТ динамики и устойчивости ПК. На данной модели выполнены исследования первого в практике корабельной энергетики высоконапорного ПК КВП.

Расчеты статических режимов позволили получить на всех основных эксплуатационных (от минимальной 5%-ной до максимальной ПО^ной) нагрузках распределения вдоль всего тракта параметров сред, тепловых потоков, границ участков изменения фазового состояния, зон расслоенного течения и температур металла труб, подтвержденные данными термометрирования опытного образца, а также времена прохождения характерных участков и содержания масс воды и пара. Результаты расчета разгонных характеристик по температуре перегретого пара хорошо согласуются с данными выполненных экспериментальных исследований при возмущениях по расходам воды и топлива. Установлены большие времена запаздывания при возмущени-

Э—-

ях, вносимых по расходу _ воздуха. ----------Получены'~амплитудою-фа-

; оп;:е и фазочастотные характеристики. Частота среза котла по температуре перегретого пара составляет не менее 0,033Гц.

Исследования режимов т:вода котла в действие (см. рис.7) позволили впервые восстановить сложную картину протекающих теплогвдрав-лических процессов и дать рекомендации по поддержанию соотношений вода-топливо. В частности, показано, что закипание воды происходит в конвективных пакетах, сопровождается образованием паровой пробки и выталкиванием и? котла подогретой до кипения воды. В "разверзнных1' ьиесвиках этот процесс заканчивается тогда, когда в "средних" только начинается. Разогрев металла, расположенного по течению выше точки закипания, осуществляется преимущественно за счет конденсации пара. Данные расчетов удовлетворительно согласуются с экспериментом как по расходам и температурам сред, так и температурам металла. Например, в представленном на рис.7 режиме по расчету котел начал генерировать слабоперегретый пар через 17 мин. 15 е., а по результатам эксперимента ого отбор начал производиться через 16 мш. ЬО с. Такая же точность достигнута и при моделировании режимов вывода из действия, характеризующихся после отключения форсунок длительным, распространяющимся на всю длину тракта котла кипениям с последующим его "вымыванием".

Исследования глубоких меневров на набор и сброс нагрузки позволили установить большую подвижность координат конца экономапзерного (перемещение с выбегом Зм) и, особенно, испарительного участка (перемещение до 12м с выбегом 18м), и существенное изменение аккумуляции воды.

Выполненные исследования аварийных режимов прекращения питания л одой, наряду с восстановленной картиной протекания процессов, позволили (из условий достижения напряжениями от давления предела текучести) определить время настройки системы аварийной защиты. Для ТОО ',* 50/?-тп. нагрузок оно составило соответственно 10 и 20с при оОя:-ят::л!ном последующем выводе котла из действия. 15-ти секундный шржрыв в питании не Тбй-ной нагрузке допускает восстановление ра-счода. Для котлов стаг :онарной энергетики эти времена больше втрое.

Ступзлчы.тнэ змеевики испарителя обеспечивают стабильность течения на всех нагрузках, вплоть до минимальной при пониженном давлени!;, как при наличии дыхательного коллектора, так и при его исключении .

Раздел 6 посвящен описанию разработанных ММ для исследования статических и динамических характеристик котлоагрегатов, аккумуляторов и включающих их пароаккумулирующих и паропроизводящих комплексов.

Сосредоточенные модели характерных участков КЕЦ: экономайзера, пароперегревателя, труб опуска и подъемных труб - получены из АСОДУ (39) модели (38) для случая фиксированных, т.е. z'm = z'mti = 0, совпадающих с концами геомертическкх участков, границ полос. Работа питательной к топливной систем рассмотрена в идеализированной постановке: расходы воды £»< (?) и топлива B(i) полагались пропорцианаль-ными текущему положению питательного и топливного jat золотников

6= b^rCt)-, 6f„i= 6w*jWy(T). (47)

Текущие тепловосприятия наружных поверхностей труб характерных пакетов определялись по квазистатическим зависимостям (10) т.е., с учетом (47), 0i.= ôîw^rtt). Эмпирическая зависимость по данным обработок

MCoP-fW» Ob/ûS(t)) (48)

использовалась и для текущей кратности циркуляции.

Предложены обобщенные нелинейные ММ гидравлических, электрогидравлических и электронных регуляторов САУ, построенных на базе стандартных элементов и импульсном регулирующем приборе ИРПЗ. Для последнего разработана нелинейная, дискретная, включающая модели сумматоров, демпфера, нуль-органа, исполнительного механизма, контуров сигналов обратной связи и положительной полусвязи,.удобная в подстройке ММ, подтвержденная данными испытаний при внесении возмущений и при имитации работы в условиях объекта. Она существенно точнее рекомендованной ТУ на прибор линеаризованной аналоговой модели и позволяет определять число включений - основную ресурсную характеристику .

Перечисленные модели оформлены в виде библиотеки подпрограмм динамических расчетов, а сама нелинейная ММ котлоагрегата с КЕЦ - в вцде программы расчета динамики котлоагрегата DINK0Î. На рис.8 представлены результаты расчета котлоагрегата КВГ2 с электронной системой регулирования. Выполненная оптимизация настройки регуляторов обеспечивает незначительное отклонение параметров котла в глубоких маневрах на набор и сброс нагрузки от статических характеристик. Число срабатываний регуляторов пи'тания и давления пара составляет соответственно 73 и 218. При шаге интегрирования = 0,1с на ЭВМ ЕС 1045 счет вдет в реальном масщтабе времени, на ЕС I022 - с за-

Рис.8. Статические характеристики котла КВГ2 с электронной системой регулирования (а) и изменение параметров в глубокик маневрах на набор Ю-Г^ЮО и сброс 1004,10% I-давление в паровом коллекторе Р ;2,3-тем-пература за экономайзером и пароперегрева-телеи^е; 4,г> -перемещения питательного и ТОПЛИВНОГО /ЯгЗО-лотникоз; 6-уро-вень воды^ 7-температура опу-ска 1т ; 8-объем воды % з подъемных трубах и коллекторе; 9-отбор пара и ; 19,11-расход пи-

Рис. 9,- Расчетное (а) и замеренное в эксперименте Сб) изменение средней температуры са. и давления Ро, в серии из 12 циклов отбора 50 кг пара из корпуса модели АПП МСЩ и последующего заполнения от котла КВГ2.

КГ рис. (а):--; —--рА ; I - в первом цикле; 2 -

в циклах с б по 12

медленней от 3-х до 4-х. При дТ¿0,5с шаги интегрирования практически не влияют на точность решения. Результаты расчетов котла с гидравлической САУ и данные экспериментов удовлетворительно согласуются по всем параметрам, что свидетельствует о справедливости принятых положений ММ.

Аналитическое исследование котла как объекта регулирования давления пара и уровня позволило предложить удобную при оценочных расчетах номограмму определения удельного коэффициента Ау тепловой аккумулирующей емкоети в функции от давления Р, степени заполнения водой г«Ув/У суммарного объема подъемных труб и парового коллектора У и удельной массы металла к^т^ Полученные зависимости свидетельствуют о том, что:

- при одинаковых исходных Р, ЗС. и (1рМГне зависит от исходной нагрузки и пропорциональна величинам абсолютных приращений расходов д£го«, лО и тепла ьйТ;

- при одинаковых относительных изменениях этих параметров (крМх пропорциональна исходной удельной паровой напряженности объема;

- при постоянных приращениях расходов ¿х/с/Т - постоянна. Получены также аналитические решения для однофазных пакетов.

Равновесные сосредоточенные ММ аккумуляторов перегретого (АПП) и двухфазного насыщенного (АНЮ пара пароаккуьгулирующих комплексов представлялись уравнениями•сохранения внутренней энергии, массы, одномерной теплопроводности в стенке и изоляции и замыкались аналогично ММ (38). Они реализованы соответственно в виде двух программ АРР и АИР и обобщенной процедуры АКК.

Теоретически на полной численной ММ АЛЛ и в результате выполненных в СКБК при участии автора экспериментов на маломасштабном объемом 1м3 и масштабной объемом 10м3 модели ШП1 объяснен С см.рис.9) эффект возрастания температуры в корпусах АЛЛ при повторяющихся циклических отборах-заполнениях. Для оценки приращения энтальпии пара 51 в одном цикле ^рекомендована, в частности, простейшая зависимость . _ _

где ив*, М,й1, "1, М - энтальпия и масса подводимого пара и средние их значения в объеме АПП за время восстановления. Такие же зависимости рекомендованы для определения времени Г»,прокачки объема корпуса расходом б)из( для снижения в нем температуры с ^ до

и энтальпии 1«, в объеме при длительной поддержке параметров

и- ш-й*,т/Вш.

В эксперименте и расчете заметное повышение температуры пара в корпусе имеет место в.первых.четырех циклах. К концу 12-го цикла"онсГ составляет П°С и 11,5°С соответственно. Размах колебаний температуры внутренних образующих корпуса не превышает 1°С.

Энергоемкость АНП с долей заполнения водой л объема V выше таковой для АПП (например сухого насыщенного пара) в раз

*г • Ет/Ет = ас(f>t/f>„)(te/i„) + 1-Х.. (52)

Для Р = бМПа и Z= 0,5 kB= 6. Количество пара MasM, необходимое для восстановления давления после отбора сухого насыщенного пара массой M«i , не зависит от £ и может быть оценено по упрощенной зависимости

Млй» => M°T}(i,-a)/(igi-a) X Мет!(in-i »)/("*- it), (53)

Прй этом, "дефект объема воды" ¿Vf в полном цикле отбор-заполнение также пропорционален М»гу

д% - MoTtU-ii.-al/CLti-amfr.frlziM.t-H^/fr.

Он поло' ителен при превышении энтальпией греющего пар* i(X энтальпии насыщения и отрицателен (уровень возрастает) при подаче влажного пара, т.е. при itx< 1п . Для "полуцикла" отбора справедлива оценка .

„и» , .

ft* M«ffl,/ie. (55)

Для режимов длительной поддержки в готовности, т.е. при неизменном давлении, отводимый из АНП расход насыщенного пара б^ согласно (53) определится по формуле

бвдэ - 6м (¡ь-aVCira.). ^

Скорость изменения уровня при площади Ра при этом составит величину

dhjdx * Сбшд(- Gwi) Vt/f4 (57)

Результаты расчетов по полной численной итерационной нелинейной н беэытерационной линейной ММ положены в основу разработанных номограмм определения величины падения давления, температуры и "дефекта объема" при отборах, "дефекта объема" и потребной массы пара при заполнениях. Для режима разогрева такие номограммы построены для случая заданного начального (до разогрева) и требуемого конечного (после разогрева) объемов воды.

Результаты расчетов изменения параметров в циклах АНП по равновесной ММ хорошо согласуются с данными выполненных эксперимен-

аи

тов на маломасштабной и масштабной ШП2 моделях. Однако они не дают представления о протекающих при этом динамических эффектах. Для исследования таких эффектов предложена реализованная в виде программы BUBBLE миграционная модель, основанная на предположении об одинаковости и зависимости только от давления и среднего истинного объемного паросодержания групповой скорости всплытия различных поколений пузырей. Генерация нового поколения пузырей происходит в течение времени л£„ равного времени всплытия пузырями элементарного уровня hm , определяющегося заданной частотой разбиения текущего физического уровня ка . Удельный поток центров текущего за-родышеобразовання определяется с поправкой на негомогенность и состав котельной воды в виде числа Гиббса Si*

e*p(88+Gi*-6l). (58)

Суммированием всех имеющихся во всех элементарных объемах поколений пузырей, с учетом рассчитанного по рекомендациям Плесседа и Цвика приращения их радиусов, определяются текущие мощности паровых источников в перегретой относительно насыщения объеме воды 8Ш и расход пара S, через поверхность раздела (уровень).

Для единственного в ММ эмпирического коэффициента SL* на основе данных испытаний различных моделей с диапазоном изменения начальных давлений от 0,1 до 6 МПа и последующей идентификации рекомендована аппроксимация

(Г= 500 ГРт-fCp)-0,98]. (5S)

Ка рис.10 приведен фрагмент результатов расчета процессов в натурном АНП А2 объемом 75м3 при близком к реальному "треугольном" отборе пара и начальном заполнении водой 30м3. Видно, что динамические провалы давления при этом типе отбора незначительны по величине, вода перегрета в течение всего процесса, динамика уровня определяется изменением расходов 6"л, и вЯ/ максимальная влажность составляет 3,5%. Характерными особенностями не показанного далее процесса заполнения является повышение к концу цикла степени сухости X до 1,015, т.е. появлению над уровнем слабоперегретого пара. Данный, неизвестный ранее, эффект аналогичен рассмотренному в АПП для температуры и характерен для АНП, работающих при Р>4 МПа, т.е. в области отрицательных dia/dp. Как и для температуры, рост X. значителен только в первых циклах серии. Коэффициент замедления времени моделирования на ЗВМ EG 1022 при разбиении уровня на 50 участков составляет около 3,3. Описанная модель также пригодна для исследования рассмотренных в работе режимов ввода из холодного состояния.

б щ с!

—г. б

Ь;-

в

-- -

к—¡г А ■

к=

е

--

Рис.10. Расчетное изменение параметров натурного АНП А2 при отборе 750 кг пара(с отсечкой) и начале восстановления давления подачей пара:

а - расход отбираемого и подаваемого пара; б - давление в корпусе; в - температура воды и насыщения; г - расход генерируемого и всплывающего через уровень пара; д - уровень; е - паросодержание

Рис.11. Принципиалъ

ная схема пэроаккумулирующего коми лекса при работе котла на два АНП ( I - котел; 2 -ГРДП; 3 - пароперегреватель; 4 - ГСК; 5 - мультипликатор; 6*8 - регулятор расхода «> РД1; 9 - паропровод с раздающи- т ми устройствами; 10 - корпуса: , II, 12 - регулятор давления РД2; Д, 13 - отбор массы пара; 14 - кла- «<• пан отсечной; 15 - подцитка ) и " изменение параметров в первом „ цикле серии первой ветви I а - я. отбор пара на разгонное устройство; б - давление в котле и АНП; £ в - перемещение топливного золот- „ ника и штоков клапанов РД1 и РД2; «' г - расход пара от котла и в ма- < » гистрали сброса на конденсатор; д - степень заполнения водой кор- 75 пуса: е - число срабатываний, МЭО я РД1 и РД2 - в

а —

%лГ

Р* к 1_ ___

!

1 1

«¡75 в,3?Г ом/ «ш ча г — Г

1;

к е

ъ

г

•а -е о 6 а и я да » п 1г » ю и 72 ъ '

В представленных выше ММ котлоагрегаты и аккумуляторы с целью исследования характерных свойств рассматривались отдельно. В действительности они являются всего лишь элементами сложных систем -корабельных паропроизводящих и пароаккумулирующих комплексов, структура которых на примере комплекса "Упор" представлена на рис.11. Возмущениями этой системы в нормальных эксплуатационных режимах могут быть: программное перемещение штока пускового клапана; переключение сигналов уставок регуляторов; подпитки корпусов АНП. В целях структурной оптимизации комплексов, определения алгоритмов проведения режимов, оптимизации состава и настройки регуляторов автором впервые разработаны две группы ММ. Они реализованы в вид® программных комплексов: КЕТТА6 (подробное описание котла и его регуляторов., распределенная гидравлическая модель разветвленных трубопроводов, произвольный тип регуляторов и аккумуляторов, работа с отсечкой и без отсечки корпусов при отбора, обслуживание котлом одного комплекса,} и ШЩ (котел, как аккумулятор по давлению с ГРДЛ автомодельное сопротивление трубопроводов, электронные регуляторы расхода и давления, работающие без отсечки АНП, работа котла на любое число параллельных пароаккумулярумцих комплексов). С их помощью выполнялась обработка экспериментальных данных стендовых установок с котлом КВГ2 и масштабными моделями МСШ и МСП2, паропроизводящих и пароаккумулирующих комплексов с котлами КВГ2-1 и КВГ4 и агрегатами А1(АПП), А2(АНП) и АЗ (АПП с пароохладителями). В отечественном энергомашиностроении они не имеют «налогов.

На рис.11 представлены расчетные графики изменения параметров комплекса "Упор" (котел КВГ4-АШ А2 без отсечки корпусов при отборе) в первом, для демонстрации устойчивости работы еистемы, удлиненном цикле при отборе за 2,5 с ?50кг пара. Видно, что оптимизация структуры и настроек параметров электрогидравлических и электронных регуляторов расхода РД1 и давления РД2 обеспечивает хорошие динамические характеристики при жестком (40с) ограничении вре-ни цикла и.числа срабатываний регуляторов. Выполенные исследования на ММ этого и других комплексов позволили впервые рекомендовать схему без отсечки корпусов при отборе пара и с регулятором расхода вместо минимального давления* разработать алгоритмы переключения уставок, выполнения подпитки, исследовать одновременно работу котла на параллельные комплексы, параллельную работу корпусов АНП при различной степени их заполнения, установить эффект улучшения динамических характеристик комплексов в начальных циклах серии и

др. Достоверность ШЛ, полученных результатов и рекомендаций подтверждена" данными" последующих "испытаний" натурных ~назёшшзГ~пр0т6тй-

пов.

При использовании котлоагрегатов и паропроизводящих номплвксов

в режиме аварийного хода атомных установок, имеющих у ГТЗА собственный РДП, возникают затруднения с обеспечением совместной работы систем регулирования. Выполненные впервые исследования на разработанной численной нелинейной J.M (модель ГТЗА Кировского завода} комплекса котлоагрегат-ГТЗА, реализованной в виде программы АЬМАК, подтвердили возможность создания единого быстродействующего регулятора при введении в ГРДП котла корректирующего сигнала взятого перед сумматором клапана травления ГТЗА, и ослабления (.или исключения) на пониженных статических нагрузках взаимных сигналов РЧВ и РД ГТЗА. Поверочные расчеты режимов глубоких маневров на набор и сброс нагрузки, при изменении знака ЗЧВ, статических характеристик и стационарных нагрузок и выполненные затем исследования на упрощенных аналоговых моделях подтвердили эти рекомендации. Описанная модель при небольших дополнениях может служить ММ всей энвргетяу ческой установки. При расчете на ЭВМ SC 1022 с шагом йТ = 0,05с коэффициент замедления реального времени составляет 6,6.

Раздел 7 посвящен результатам исследований температурного режима элементов конструкций котлов и аккумуляторов, выполненных на базе разработанных сопряженных ?,годелей теплообмена и обработки данных экспериментов.

Для нелинейных одномерных задач нестационарной теплопроводности в многослойных стенках, в любых системах координат и при самых общих: ГУ на основе интегро-нттерполяционнаго метода предложены конеч-норазностная 6 -схема второго порядка точности по пространственной и временной координатам и основанный на использовании прогонки метод решения для случая идеального и неидеального контакта слоев. Данный метод распространен на случай смешанной (ГУ на одной из границ п температура в любой точке стенки) и обратной задачи теплопроводности (ОЗТ) для двух термопар. Решение ОЗТ при наличии более двух: термопар, показания одной из которых может быть рассмотрено как "абсолютно точное" сведено к решонию переопределенных систем уравнений. Описанные модели и методы реализованы в виде программного комплекса Z0UTM5.

Решения многомерных задач теплопроводности в произвольных областях декартовой, цилиндрической и сферической систем координат

выполнялось локально-одномерным методом. Для двумерных- подобластей этих систем координат преложена эффективная "к-6 (см. рис.12) схема

еп+<- (во.)

ослабляющая присущее другим (включая многослойную схему Г.И. Мар-чука) схемам влияние последнего направления прогонки и основанная на линейной £ - комбинаций решений при различной последовательности чередования координат I и 2. Данная схема реализована в виде программного комплекса ЛШТЕР.

Задача парового прогрева корпусов АПП при вводе их в действие, ввиду гиперболической зависимости теплоотдачи при конденсации от температурного напора , рассмотрена в сопряженной постанов-

ке. Уравнения баланса внутренней энергии для паровоздушной смеси и сохранения массы для пара и воздуха с членами в правой части, учитывающнми стоки тепла и массы с конденсатом, дополнялись уравнениями: теплопроводности в двухслойной (.металл-изоляция) стенке» баланса тепла и массы в переменном объеме конденсата, теплообмена, истечения через кондонс&тоотводчики и перемещения их исполнительных органов. В качестве возмущений рассматривались заданные во времени программы перемещений клапанов подвода ^ пара от котла и отвода

смеси. Для решения предложена существенно итерационная, неявная реализованная в виде программы РА7АК, коначноразностная схема с параллельным расчетом небаланса масс и всех составляющих тепла как на шаге интегрирования, так и на протяжении всего процесса.

Представленные на рис.13 данные разогрева модели МСЩ объемом 10,2м3 свидетельствуют об ослаблении по мере прогрева интенсивности конденсации при неуменьшающихся КТО, большом динамическом скоплении конденсата, сопровождающемся захолакиванием нижней образующей корпуса, наличии эффекта превышения температурой пара в объеме не только температуры насыщения, фиксируемой термопарами без отсоса, но и температуры подаваемого пара от котла. Последние из представленных графиков свццвтельствуют о высокой точности предложенных итерационных схем: интегральные небалансы за весь процесс не превышают 0,3 и 0,03^ по теплу и массе соответственно при максимальных локальных 0,4 и 0,13% значениях. Моделирование на ЭВМ ЕС 1022 протекает с опережением реального времени в 1,2 * 1,6 раза.

Скопление захоложенных масс ковдонсата вызывает значительное (на 70-П0°С) отставание температуры металла нижних образующих от сраднеинтегральных. С целью 'устранения и обеспечения равномерности прогрева предложена коллекторная система с равномерной раздачей пара в районе нижней образующей и ориентацией чевверти от-

В.'

X,

3,'=ВЙ

1

в,.

тм

30

го ю

м

то цю

мо,г

-у ¿£-1- ■ и,-

И

О-

вГ

-%г

Рис. 12. Шаблон -ё схеш интегрирования двумерного уравнения теплогшоводности

Рис. 13.

Изменение расчетных параметров в режиме разогрева перегретым паром от котла КВГ2 масштабной модели АЛЛ МЖ (с полность закрытым клапаном продувания) : а - открытие клапана подвода пара; б - расходы пара на разогрев 8П ; конденсата йи„з и воды через конденсатоотводчики:®бт& ; в -давление в корпусе; г - уровень конденсата; д - температуры пара в объеме 1 , насыще-йия , внутренней стенки обечайки в среднем сечении 8«„ и объема конденсата ^ ; е-разншщ температур внутренних и наружных слоев обечайки аО^и среднеинтегральной температуры по толщине и температур этих слоев; ж - тепловой поток и КТО; з - относительные небалансы по теплу 6Р и массе ¿и

Рис Л 4. Изменение температуры по периметру пароаого коллектора1 котла КВГ2 при вводе в действие и выводе из действия (экспериментальные данные ) : а -разводка от вспомогательного котла при работе на 4-х форсунках; б - остывание при выводе с продувкой насухо на 700-ой

К гза

.... *

110 т90 О

секунде" (0° - соответствует нижней,±180°- верхней образующей)

т'

«

верстий вниз. Эксперименты на модели МСП2 подтвердили эффективность мероприятия: максимальные разницы температур не превышали 5-15°С.

Наращу с моделированием, в разделе обобщен большой эксперамен-тальный материал по термометрированиго поверхностей нагрева и коллекторов высоконапорного ПК КВП, КЕЦ КВГ2 Сем. рис.14), утилизационного котла КУП95р и их электро- к газообогреваемых масштабных моделей на всех основных статических и динамических эксплуатационных режинах. По данным их обработки, в частности:

- разработаны рекомендации по расчету теплообмена при забросе воды на разогретую поверхность, что имеет место при пуско котлов из осушенного состояния;

- откорректированы нормативные рекомендации по расчету КТО при кипении воды в трубах горизонтальных змеевиков из стали 12X11.0;

- для коротких змеевиков с длиной хода около 70 калибров установлен эффект смещения кризисов теплообмена второго рода в зону высоких (10% и выше) паросодержаний и установления пульсаций температур с периодом от 2-х-5-ти в начале до 10-15с в конце ходов;

- получены эмпирические зависимости и на их основе построены номограммы для определения разницы температур между верхней и нижней образующей горизонтальных парогенерирующих труб при установлении в них расслоенных режимов течения;

- даны рекомендации по совершенствованию конструкций и режимов эксплуатации, подтвержденные поверочными экспериментами на масштабных и исследованиями на ММ.

о

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработаны удобные для использования в сложных программах .ртатических * динамических теплогидравлических расчетов методики, алгоритмы и библиотеки подпрограмм. Созданы банки данных всех применяемых при расчетах судовых котлов материалов нормативных методов тепловых, гидравлических и аэродинамических расчетов. Получены явные зависимости для всех используемых в котельной практике Т$С теплоносителей и обобщенные зависимости для расчета теплоотдачи и аэродинамики гладкотрубных, плавниковых и различного типа оребрения пакетов.

2. Формализован процесс организации итерационных циклов. Разработанные методы поиска итерационных приближений используют все имболее употребительные типы интер- и экстраполяции. Они удобнее

и существенно эффективнее методов, использованных в ППП ЭВМ ЕСи______

_ других,- считающихся -лучшими",'^подпрограммах.

3. Созданы методические основы, ММ, алгоритмы и программные комплексы уточненного совместного теплового, гидравлического, аэродинамического расчета, расчета циркуляции и температур металла труб главных и вспомогательных котлов естественной и комбинированной циркуляции во всем возможном диапазоне рабочих нагрузок. Аналогичные результаты получены для котлов с кипящим слоем, утилизационных кот»-лов, схем глубокой утилизации с произвольным числом ступеней давлений, котлов со струйными водоводяными насосами, и паровым подогревом воды в системах защиты экономайзеров от низкотемпературной коррозии и различных типов высоконапорньх котлов с ТНА.

4. Собран и обобщен обширный, перекрывающий диапазон конструктивных и режимных параметров топок судовых и корабельных котлов, первичный экспериментальный материал по теплообмену в топках, работающих на жидких топливах. По результатам обработок с использованием предложенного модифицированного критерия Еольцмана Вог = Во'5,-61 и сопоставительных расчетов для атмосферных и высоконапорных топок, как наиболее точные(в скобках приводятся данные для наиболее достоверных серий опытов): отклонение выходной температуры 5б°С (40°С); небаланс тепла 15,5% (10,6%) - рекомендованы единые взаимосвязанные зависимости (31) для безразмерной температуры ® за топкой и (34)-эффективной температуры ©^ излучения.

5. Обработка данных балансовых испытаний различных типов главных и вспомогательных котлов по определению коэффициентов загрязнения и тепловой эффективности позволила рекомендовать просите однотипные для каждой из групп пакетов аппроксимирующие зависимости (36)/3? £'£{ру)г и </*

6. Рекомендации по расчету теплообмена в топках, определению коэффициентов £ и ф и расчету аэродинамических сопротивлений положены в основу выполненной впервые разработки и предложены для дальнейшей корректировки руководящего документа РД5.061. 001-84 "Котлы судо^ВДо трубные. Тепловой расчет!,' Поверочные расчеты по этим методикам всех типов котлов во всем возможном диапазоне их работы показали, что для подавляющего большинства опытов отклонение любого из параметров от соответствующих данных балансовых испытаний не превышает 2-5%.

7. Разработана и реализована в ввде программного комплексе, все-режимная нелинейная распределенная по длине тракта ЫМ ПК, учитыаа-

ющая все основные особенности протекания внутрикотловых процессов в нормальных эксплуатационных и аварийных режимах. Решены вопросы численного интегрирования уравнений распределенных моделей при использовании наиболее экономичных и устойчивых неявных конечнораз-ностннх схем. Получены обобщенные разностные аналоги уравнений сохранения массы, энергии и количества движения для одно- и двухфазных потоковяметалла, дающие полную свободу в выборе разностной сетки (подвижная, неподвижная и их комбинации), характера задания дополнительных ГУ и параметра, относительно которого происходит разрешение уравнения энергии.

8. Исследования высоконапорного ПК КВП позволили впервые восстановить во взаимосвязи картину протекания процессов при вводах, маневрах нагрузкой, выводах и стационарных нагрузках (с определением адалитудно- и фазочастотных характеристик и устойчивости течения в параллельных змеевиках). Для аварийных режимов определено до-, пустимое время задержки питания водой. Намечены пути совершенствования традиционных компоновочных схем котлов этого типа;

9. Разработала и реализована в виде программы многоцелевая нелинейная ММ котлоагрегатов в сосредоточенных параметрах. Предложены различной сложности модели аналоговых и дискретных регуляторов и процессов в подъемных трубах и паровом коллекторе, экономайзере, опускном контуре и пароперегревателе. Для наиболее распространенных в практике случаев получены аналитические решения и построены номограммы.

10. Для электронных схем регулирования главных корабельных котлов разработаны обобщенные структуры регуляторов и получены оптимальные параметры их настроек, обеспечивающие, по сравнению с аналогичными гидравлическими, в режимах глубоких маневров незначительные отклонения параметров от статических характеристик при приемлемом числе Срабатываний регулирующих органов.

11. Предложены численная равновесная модель процессов в АПП и равновесная и неравновесная ММ более энергоемких, чем АПП, АНП. В рамках равновесных моделей получены простые, удобные для экспресс-расчетов аналитические решения и номограммы. На неравновесной миграционной модели АНП изучена картина протекающих в объемах процессов, расчитаны динамические провалы давления, "набухания" уровня и установлен аналогичный имеющему место при отборах-заполнениях для температуры пара в АПП, эффект возрастания в объеме над уровнем степени сухости пара.

12. Разработана обобщенная численная ММ процессов в паровых

энергетических- комплексах, содержащих котлоагрегаты, аккумуляторы (АПП или АНП), протяженные паропроводы и регуляторы. Аналитически исследованы свойства таких комплексов, численно, в обеспечение разработки конкретных проектов, - выполнена оптимизация схемных решений и параметров настройки основных регуляторов. В частности, обоснована нецелесообразность отсечки корпусов аккумуляторов во время отбора пара с одновременным сбросом пара от котла в конденсатор, доказаны существенные преимущества регулятора расхода перед регулятором минимального давления, электронной системы регулирования перед гидравлической и исследованы различные режимы работы одного котла на две ветви аккумуляторов при их параллельно-последовательной цикли« ческой работе и параллельной работы корпусов аккумуляторов.

13. Разработана численная всережимная ММ энергетического комплекса котлоагрегат-ГТЗА. Решены вопросы обеспечения совместной работы систем регулирования при наличии у ПГЗА ЯЭУ собственного регулятора давления пара. Обоснованы принципы создания единого быстродействующего регулятора, воздействующего ,на клапаны ГГЗА и формирующие сигнал на ГРДП котла.

14. Разработаны конечноразностные схемы и методы численного решения прямых(для любых типов комбинаций ГУ), обратных (при задании показаний двух и более термопар) и смешанных задач нелинейной одномерной теплопроводности в многослойных, с произвольным числом различных, находящихся в идеальном и не идеальном контакте слоев, стенках любых систем координат. Для двумерных задач предложена новая У- 6 схема, обобщающая известные схемы локально-одномерного метода и ослабляющая влияние на результат последнего направления прогонки.

15. Предложена сопряженная нелинейная ММ разогрева паром корпусов аккумуляторов. Выполненные исследования разогрева корпусов АПП, позволили установить эффект длительного превышения в начале процесса температуры паровоздушной смеси в объеме над температурой поступающего от котла греющего пара и предложить схемы раздачи пара, сникающие до минимума температурные напряжения в нижних образующих обечаек корпусов, возникающие ввиду скопления переохлажденного конденсата.

16. Обобщены обширные данные выполненного термометрирования ос- -новных элементов главных высоконапорных прямоточных СВВИ) и естественной циркуляции (КВГ2) и утилизационных (ЮТ95р) котлов на всех имеющих место в практике эксплуатации режимах. Сделанные на их основе рекомендации по совершенствованию конструкций и режимов эксплуатации подтверждены поверочными экспериментами на масштабных моделях.

17. Вое разработанные ММ и методики реализованы на ЭВМ ЕС в виде библиотек подпрограмм, программ и программных комплексов. Тестовые расчеты по ним показали хорошее совпадение с данными экспериментов на натурных объектах и масштабных моделях при приемлемых затратах машинного времени для статических и коэффициентах замедления масштаба реального времени динамических задач. Все созданные автором ММ и программы внедрены в СКБК при выполнении работ над конкретными проектами или в обеспечение таких работ расчетных и конструкторских подразделений. Они имеют длительный опыт использования при проведении многовариантных расчетов и снабжены полной технической документацией. Основные методические разработки использованы автором также при выполнении расчетных исследований ядерных энергетических и газотурбинных установок.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ С 13 Нарежный 3. Г.. С у д а р е в Б .В.. Ковалев с к и й В. П. Обобщение опытных данных по теплоотдаче при движении закрученного потока внутри трубы // Труды ЛКИ. Вып. 87. С И газовые суД°вые энергетические установки. - Л. - 1977.

(23 Ковалевский В. П.. Романов В. А. Математическая модель для исследования нестационарных режимов работы прямоточного котла // Труды ЛКИ. N 121. - Л. - 1977. С.8-16.

133 Ковалевский В. П. Алгоритм решения аппроксимирующей системы обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающей динамику котла // Труды ЛКИ: Физикотехнические проблемы судовой энергетики. Вопросы совершенствования судовых пароэнерге-тических установок. - Л. - 1978. С.33-39.

[ 4] Ковалевский В. П. Алгоритм решения аппроксимирующей системы обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающей нестабильность течения в системе параллельных каналов испарителя котла // Труды ЛКИ: Физико-технические проблемы судовой энергетики. Вопросы совершенствования судовых пароэнергетических установок - Л. - 1978. С.40-46. „

[5] Ковалевский В. П.. Федорова Н. И. К расчету на ЭВМ термодинамических и теплофизических свойств воздуха и продуктов с^р^уия органических топлив // Теплоэнерге-

с к и 1

й В. П. Аналитические зависимости для машинных расчетов теплофизических свойств воды, воздуха и продуктов сгорания органических топлив // Труды ЛКИ: Физико-технические проблемы судовой энергетики. - Л. - 1979. С.27-38.

1?Г1 о в" алевский В. П.. Федорова Н. И. К расчету на ЭВМ энтальпий и температур продуктов сгорания флотских топлив // Вопросы судостроения. Серия: Судовые энергетические установки. - ЦНИИ "Румб". Вып. 15. - Л. - 1979. С.102-105.

[83 Ковалевский В. П.. Федорова Н. Н. Упрощенные аналитические зависимости для машинных расчетов коэффициентов теплоотдачи в конвективных пакетах котлов //Труды ^ ЛКИ: ^изико^^хнические проблемы судовой энергетики. - Л. - 1980.

1*8! Ковалевский В. П.. Романов В. А. Математическая модель для исследования нестационарных режимов в парогенерирующих трубах с радиационным и конвективным,подводом тепла // Динамики тепловых процессов. - Киев. - 1980. С.143-156.

С10Т Ковалевский В. П. Расчет нестационарных

температурных полей тел вращения сложной формы при наличии нереального термического контакта между составными материалами // МЖвнерно-Физический журнал. ХЬ. 1981. N 5. С.925-926.

[11]К овалевский В. П. Расчет нестационарных

термоупругих напряжений в трубных элементах котлов // Энергомашиностроение. 1982. N 4. С. 6-11 [125 Руководящий, документ. Котлы судовые паровые водотрубные.

?епловой расчет. Методические указания // РД. 061.001-84. - Л. -984. 42с. ( Научный руководитель и ответственный исполнитель разработки Ковалев с к и й В. П. )

[131 Ковалевкий В. П. математическое моделирование и расчеты нестационарных процессов судовых парогенераторов // Учебное пособие. -Л7: ЛКИ. - 1987. 97с.

C140 K o v a i" e v s k y V. P. Programs System for Check Static Joint Heat-Hydraulic-Aerodynamic Calculation, and for Calculations of Steam Boiler Circulation // Proceedings of the first Asian-Pacific international sujnposiun on con-jDustion and enerey utilization - Beijinsr. Oct. 15-18,- 1990. P.284-291.

[151 Kovalevsky V. P.. Sudarev A. V. Generalisation of Experimental Data in Application to Heat Exchange in - "-------- of Boilers Operating ...... * /- ^--------------

the Furnace of Boilers Operating on Liquid Fuels // Proceedings of the first Asian-Pa *

energy utilisation

the first Asian-Pacific international symposium on combustion and snerey utilisation - Beijinc. Oct. 15-18. - 1990. P.554-b60. ■

[161 Ковалевский В. П. Проблемно-ориентированная

библиотека подпрограмм тепловых.гидравлических, аэродинамических и других инженерных расчотов // ЛЦНТИ. Информационный листок N 18391 - Л — 1991. 2с.

CÍ73 Ковалевский В. П. Методика и программа расчета главных и вспомогательных котлов естественной циркуляции // ЛЦНТИ. Информационный листок N 142-91. - Л. - 19S1. Зс

Г181 К о я а л с в с к и й н. П. Методика и программа расчета утилизационных котлов // лЦНГй. Информационный листок N 187-31. -

[191 Ковалевский В. П. Программа расчета циркуляции в главных и вспомогательных котлах // ЛЦНТи, Информационный листок N 212-91, - Л. — 1991. Зс.

[201 К'овалевскйй В. П. Проблемно-ориентированная

библиотека подпрограмм для численных нелинейных всарежимных динамических мо^елей^энергических^становок // ЛЦНТИ. Информационный

[211 Нова л'е в с к и й 'В. П.. Горбацевич М. И. Комплекс программ расчета одномерных тепловых полей, напряженно-деФормиронного состояния и оптимизация конструктивных параметров многослойных стенок // ЛЦНТИ, Информационный листок N 40-91. - Л. — 1991. Зс

[22J К о'в а л ев с к и I? В. П. Программа расчета нестационарных двумерных температурных полей // ЛЦНТИ. Информационный листок N"5-91 - Л. - 1991. 2с.

1233 Ковал опеки й В. П. Обобщенно пкеперимонтальних ,чанных по теплообмену р топках котлов, работающих па жидком топливе // Сборник Трудов ВНИТЙЗМ. - С-Пб.: Недра. -1892. С.114-131.

[24] Ков а л о в с к и й В. II. Комплекс программ поверочных статических совместных тепловых, гидравлических, аэродинамических расчетов и расчетов циркуляции паровмх крглов // Сборник Трудов ЕНИТИЭМ. - С-Пб.: Недра. -1992. C.156-1G7.

С25J К о в а л е в с к и й В. 11. Поиск итерационных приближений в тепловых, гидравлических. аэродиномичоских и других сложных машинных расчетах теплоэнергетического оборудования // Сборник iпудов В1ШТИЭМ. - С-Пб.: Недра. -1902. С.10а-19Ч,

[zb] П о з к н М. Б.. Ковалевский В. П., С у д а р е в А. В. Численная распределенная сопряженная модель регенераторов с подвижной матрицей .и периодического действия // Сборник Трудов ВНЙТИЭМ. - С-Пб.: Недра. -1992. С.200-212.

С271 Егоров С.Л. Ковалевский В.П. Куландин

A. А. III и л и М о в и. ü. Анализ Эффективности • тюзяухотурбинной установки //Сборник Трудов ВНШИЗМ.- С-Пб.: Недра.-1992. С.222-230.

123J Мань ко А. П.. .Ковалевский В. 11. Авторское свидетельство Н 12.3063. Обогреваемый раздающий коллектор // Зарегистрировано в реестре от 3 августа 1979 года.

[29J Ковале в с к и й В. П.. Л ю б с к и й В. Ф. Авторское свидетельство N 881454. Входное дросселирующее устройство паро-генорирующих труб // Эарегестрировано в реестре 14 июля 1981 года.

[301 Архиреев А. В.. Гольде и берг В. Л.. I: л i л к К.М., К о в л л о в с к и й В. П., Монахов с к и Я

B. Л . Л р <з с с е н Э. 3. Авторское сввдетеьство N 106724.4. C'nocoó регулирсваякя паропгоизвоцителыюсти компрессора наддува w-соконзпорного котла // Зарогоствировано в реестр© 15 сентября 1983 года.

[Л! Ков а л е в с к и Я Е. П. и др. Авторское свидетельство N 176134. Ротор турбш-íu. // По заявке N 48С22эО от 14 марта 1990г. Зарегестрироаако в реестре 8 мач 1992г.

Ьыподн&нные по тема диссертации исслодозалия по законченным НИР з обеспечение конкретных проектов, разработанные методики и Оформленная документация по программным продуктам изложены в 14 отчетах,

:,румб" и И494326 в ВИМИ ). и 47 отчете« с инвентарными и архивными номерами СКБК.________________

Обозначения в автореферате соответствуют принятым в нормативних методах расчета котлов, за исключением подстрочных индексов: в. п - -использованных для обозначения параметров воды и кара ва лига к&сычшшя