автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Обоснование технических решений по конструкции смешивающего подогревателя высокого давления для перспективных энергоблоков электростанций на основе экспериментальных исследований

На правахрукописи

СОМОВА Елена Владимировна

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО КОНСТРУКЦИИ СМЕШИВАЮЩЕГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЭНЕРГОБЛОКОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Специальность:

05.14.14 - Тепловые электрические станции,

их энергетические системы и агрегаты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени £ *| 2013

кандидата технических наук

Москва-2013

005539582

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт» (ОАО «ВТИ»)

Научный руководитель

Шварц Анатолий Лазаревич доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ

Официальные оппоненты:

Корнеев Сергей Дмитриевич - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Промышленная теплоэнергетика» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения Высшего профессионального образования «Московский государственный индустриальный университет» (ФГБОУ ВПО «МГИУ»)

Григорук Дмитрий Геннадьевич - кандидат физико-математических наук, заместитель начальника технического отдела по НИР и новым технологиям ОАО «Институт Теплоэлектропроект»

Ведущая организация

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»)

Защита состоится « 19 » декабря 2013г. в 14— часов на заседании диссертационного совета Д.222.001.01 в ОАО «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт» (ОАО «ВТИ») по адресу: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, 14.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО «ВТИ».

Автореферат разослан « 45»ШЖ5/иЛ 2013г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.222.001.01 доктор технических наук

П. А. Березинец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важным элементом тепловых схем перспективных энергоблоков на суперкритические параметры пара являются регенеративные подогреватели высокого давления (ПВД), нагревающие питательную воду для парогенераторов.

Одним из путей повышения эксплуатационной надежности этих блоков является замена поверхностных ПВД на смешивающие подогреватели высокого давления (СПВД). Нагрев питательной воды в них осуществляется в процессе контактного теплообмена питательной воды с греющей средой. В двухподъем-ной схеме СПВД устанавливаются перед питательным насосом второй ступени и уровень давлений в них составляет около 15 МПа.

СПВД может также использоваться для перспективных энергоблоков нового поколения с парогенератором, греющей средой в котором является свинец. Схема паросилового контура этого блока практически аналогична тепловой схеме блоков 300 МВт тепловых электрических станций. Основным отличием является включение после группы регенеративных ПВД дополнительного смешивающего подогревателя питательной воды высокого давления, который должен обеспечить догрев воды до 340°С во всех эксплуатационных и аварийных режимах работы блока. Надежность работы смешивающего подогревателя высокого давления в данной тепловой схеме имеет определяющее значение в связи с опасностью затвердевания свинца в межтрубном пространстве парогенератора.

До настоящего времени практически не проводились исследования контактного теплообмена, результаты которых позволили бы разработать конструкцию смешивающего подогревателя высокого давления, обеспечивающую надежную работу аппарата с достижением требуемых параметров на входе в парогенератор.

Большое число экспериментальных работ в этом направлении проводилось при давлении до 1 МПа. Полученные результаты использовались, в том числе, для совершенствования конструкции смешивающих ПНД. Поскольку термодинамические свойства сред при низком и высоких давлениях суще-

ственно различны, зависимости для расчета теплообмена при низком давлении нельзя использовать при высоком давлении.

В этой связи проведение экспериментальных исследований процесса конденсации пара на струях питательной воды при высоком давлении для расчетов и обоснования технических решений по конструкции СПВД является актуальной задачей.

Цель работы и направление исследований

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование закономерностей теплообмена при конденсации пара на струях питательной воды при высоком давлении ~15 МПа необходимое для обоснования технических решений по конструкции элементов смешивающих подогревателей.

Для достижения этой цели были проведены:

— аналитический обзор конструкций ПВД с обоснованием использования СПВД, как одного из путей повышения надежности регенеративной системы подогрева питательной воды высокого давления для перспективных энергоблоков;

— экспериментальные исследования процесса теплообмена в СПВД;

— изучение влияния режимных и конструктивных факторов СПВД на процесс контактного теплообмена между пароводяной смесью и питательной водой при высоком давлении;

— апробация полученных зависимостей на опытной установке, моделирующей фрагмент тепловой схемы и конструкции СПВД перспективного энергоблока.

Достоверность результатов

Обеспечивается применением современных вычислительных программных сред, использованием надежных методов вычислений при обработке результатов испытаний, утвержденных методик проведения испытаний и современных аттестованных измерительных приборов.

Подтверждается сходимостью закономерностей, полученных на стендовой и на опытной установках.

Научная новизна

Обоснована возможность использования СПВД в системе подогрева питательной воды высокого давления перспективных энергоблоков.

Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование контактного теплообмена при конденсации пара из пароводяной смеси на струях питательной воды при высоком давлении (~15 МПа).

Предложен механизм контактного теплообмена между пароводяной смесью и питательной водой при высоких давлениях в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров. Выявлен неравновесный характер протекания такого процесса, получены характеризующие его зависимости.

Практическая значимость

Предложены технические решения по конструкции смешивающего подогревателя высокого давления.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке смешивающих подогревателей питательной воды для двухподъемной тепловой схемы энергоблоков нового поколения, в том числе на суперкритические параметры пара, а также для тепловой схемы второго контура перспективных энергоустановок со свинцовым теплоносителем.

На защиту выносятся;

- результаты экспериментальных исследований процесса теплообмена при высоком давлении в смешивающем подогревателе питательной воды;

- механизм процесса теплообмена при конденсации пара в потоке смешения пароводяной смеси и питательной воды при высоком давлении;

- расчетная зависимость относительного недогрева потока смешения от начальных параметров смешивающихся сред и конструктивных факторов СПВД, характеризующих эффективность протекания процесса теплообмена;

- разработанные технические решения по конструкции элементов смешивающего подогревателя высокого давления.

Личный вклад автора заключается в разработке схем измерений на стендовой и опытной установках, составлении программы испытаний, участии в экспериментальных исследованиях, обработке и анализе результатов, выработке практических рекомендаций.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

1. 2-м Конкурсе молодых специалистов ВТИ, г. Москва, 2003г.

2. 3-й Международной конференции "Теплообмен и гидродинамика в закрученных потоках", г. Москва, 21-23.09.2008г.

3. Конкурсе Российской Академии Наук "Новая генерация", г. Москва 2008г.

4. Заседаниях НТС ОАО "ВТИ", г. Москва 2008-2013 гг.

5. Конференции «Обеспечение комплексного технического перевооружения и сервиса генерирующего оборудования за счет применения инновационных решений», г. Санкт-Петербург, ОАО «Силовые машины», май 2013 г.

Публикации. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 3 статях журналов из перечня ВАК РФ — Теплоэнергетика №1, 2007, Теплоэнергетика №1, 2009 и Теплоэнергетика №6, 2009 и 2 докладов конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 98 наименований, и 1 приложения. Содержит 139 страниц основного текста, 34 рисунка, 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, приводятся общие сведения об объекте исследования, определены задачи исследования и аннотированы основные положения работы.

В первой главе выполнен анализ конструкций и условий эксплуатации подогревателей питательной воды высокого давления и дается обзор работ по исследованию процессов в смешивающих подогревателях низкого давления.

Показано, что в настоящее время находят применение две конструкции ПВД: камерного типа с трубной доской и коллекторного типа с трубной системой, состоящей из змеевиков. Существующие конструкции отечественных или зарубежных ПВД, в основном, относятся к одному из этих типов.

Анализ опыта эксплуатации и характер повреждений подогревателей высокого давления показал, что для подогрева питательной воды до температуры 340°С целесообразно рассмотреть применение аппарата без поверхности теплообмена между греющей и нагреваемой средами.

Применение смешивающих подогревателей до настоящего времени ограничивается давлением отборного пара ниже атмосферного.

Приводятся результаты исследования теплообмена при конденсации пара на струях воды при низком давлении, полученные С.С. Кутателадзе, Г.Н. Абрамовичем, Н.М. Зингером, А.П. Солодовым, В.П. Исаченко, Г.Г. Шкловером, М.Д. Родивилиным, Г.И. Ефимочкиным, В.Л. Вербицким, В.Ф. Ермоловым, И.А. Трубом, О.П. Литвиным и другими специалистами.

Отмечается, что при высоком давлении (14,5 МПа) физические свойства греющей и нагреваемой сред существенно отличаются от сред при околоатмосферном давлении.

Поскольку безразмерные критерии, качественно характеризующие процесс, будут другими по величине и по степени влияния на теплообмен, полученные ранее критериальные уравнения не могут быть распространены на условия работы СПВД. Для обоснования работоспособности смешивающего подогревателя высокого давления необходимо проведение экспериментальных исследований при соответствующих параметрах сред.

7

Во второй главе сформулированы основные направления экспериментального исследования, приведены описание стендовой установки и экспериментального участка, методики проведения эксперимента и программы исследований.

Основными элементами стендовой установки являются система теплообменников для охлаждения острого пара от станционного котла до требуемых параметров греющей и нагреваемой сред; системы дроссельных клапанов для регулировки давления рабочих сред; модели смешивающего подогревателя, в которой происходит смешение сред, конденсация пара и нагрев питательной воды; системы холодильников, в которых нагретая питательная вода охлаждается для дальнейшего сброса в бак конденсата ТЭЦ. Стендовая установка с моделью СПВД оснащена системой КИПиА.

Модель смешивающего подогревателя высокого давления (рисунок 1) состоит из корпуса (1), разделительной обечайки (2) и водоподающего устройства

(3). По высоте корпуса расположены патрубки для подвода пароводяной смеси

(4).

Для измерения температуры струи по высоте внутри обечайки установлены термопары в 12 сечениях: по 4 термопары в сечении на различном расстоянии от оси водоподающего устройства. В нижней части модели были установлены дополнительные термопары в трех сечениях по высоте для измерения температуры среды под обечайкой и термопары, находящиеся под уровнем воды в трех сечениях по высоте. Для измерения температуры среды вблизи разделительной обечайки дополнительно установлены термопары в 12 сечениях по высоте.

Рисунок 1 Модель смешивающего подогревателя высокого давления

Экспериментальные исследования процесса теплообмена на модели СПВД были проведены на пароводяной смеси различного паросодержания х=0,2-г0,98 при следующих параметрах:

- скорость истечения воды из сопла \ув от 0,5 до 7 м/с;

- давление пара в аппаратерспвд- 1; 3; 5; 10; 14,5; 17 МПа;

- диаметр одиночного отверстия в водоподающем устройстве с1от„: 10, 20 мм;

- шаг между струями Б=5; 10; 20 мм для группы отверстий 04 мм, число отверстий потв=6 шт.;

- температура питательной воды на входе в установку tng: 190; 230; 270;

305°С.

По специально разработанной методике на стендовой установке было проведено около 240 опытов по исследованию процесса теплообмена при нагреве отдельной струи, движущейся в пространстве, заполненном пароводяной смесью; группы струй с определением оптимального шага между ними; оценке влияния на процесс конденсации начальной скорости струи, температуры питательной воды, давления в аппарате и величины паросодержания пароводяной смеси, а также способа подвода греющей среды: помимо подвода в верхнюю часть, греющая среда подавалась в объем под разделительной обечайкой и под уровень нагретой воды.

В третьей главе проведен анализ процесса конденсации в СПВД, обобщаются полученные экспериментальные данные и анализируется влияние режимных и конструктивных факторов на эффективность процесса теплообмена в СПВД.

Для представления о взаимодействии смешивающихся потоков внутри рабочего объема подогревателя для каждого режима был построен график изменения температур сред по высоте теплообменника.

На рисунке 2а приведена предлагаемая схема смешения питательной воды и пароводяной смеси внутри обечайки. Высота расположения термопар от-считывалась от донышка водоподающего устройства. Кривая (1) представляет изменение температуры потока смешения, возникающего в результате взаимодействия питательной воды и пароводяной смеси внутри разделительной обечайки, а кривая (2) - температуру среды в пространстве между потоком смешения и стенкой обечайки. Вначале она равна температуре насыщения (3) при давлении в модели, затем ее величина становится равной температуре потока смешения (1). Это означает, что поток достигает стенок обечайки и термопары, установленные на ней измеряют температуру этого потока.

После завершения процесса конденсации на определенном расстоянии от среза сопла, температура потока смешения остается неизменной на всем пути до уровня подогретой среды в сосуде.

На графике изменения температуры потока смешения можно выделить 3 участка (рисунок 26). На участке I происходит резкий рост температуры потока смешения при постоянной температуре среды в зазоре между струей и внутренней стенкой обечайки. По полученным экспериментальным данным на этом участке, длиной 50 мм от среза водоподающей насадки, передается -90% теплоты от пароводяной смеси к питательной воде. На участке II скорость прогрева струи постепенно снижается и температура потока становится практически неизменной на всем расстоянии до уровня нагретой среды в подогревателе (участок III). На участке II происходит расширение потока до стенок обечайки на расстоянии ~500 мм от среза сопла, поток смешения перекрывает все живое сечение, поэтому спутных потоков не возникает, о чем свидетельствует равенство температур струи и стенки обечайки.

2 1 3

1000

Рисунок 2 Изменение температуры сред по высоте теплообменника и предлагаемая схема распределения сред внутри обечайки 1 - температура потока смешения (?см); 2 - температура среды вблизи стенки обечайки; 3 -температура насыщения при давлении в СППВ; 4 - пароводяная смесь; 5 - питательная вода; 6 - поток смешения; 7 - разделительная обечайка.

11

Окончательный прогрев потока смешения завершается на расстоянии ~600 мм от среза сопла. На участке III температура потока смешения остается неизменной.

Критерием работоспособности смешивающего подогревателя является обеспечение догрева питательной воды до требуемого значения. Однако особенность процесса конденсации заключается в неравновесном протекании, происходящим в условиях, соответствующих температуре поверхности, на которой осуществляется конденсация. В результате чего возникают потери тепла, при которых энтальпия питательной воды на выходе из подогревателя не соответствует балансовому значению. Для оценки работоспособности аппарата вводится понятие относительного недогрева потока смешения из-за неравновесности процесса теплообмена, который определяется отношением разности энтальпий, рассчитанной по балансу, и энтальпии потока смешения, полученной в экспериментах, к балансовой энтальпии (¿в-ЬмУк-

В работе было рассмотрено, как влияют на относительный недогрев начальные параметры греющей (массовое паросодержание) и нагреваемой сред (скорость и начальная температура), а также конструктивные характеристики элементов смешивающего подогревателя (диаметр и шаг между струями, способы подвода греющей среды).

На рисунке 3 показано влияние массового паросодержания, скорости и начальной температуры питательной воды на {1б-1см)Иб для одиночной струи 010 мм.

При росте начального паросодержания пароводяной смеси относительный недогрев возрастает за счет увеличения доли тепла, полученного в результате фазового перехода, протекающего в неравновесных условиях.

Влияние скорости истечения питательной воды рассматривалось для трех значений: 1,7; 3,5 и 7 м/с. С ростом скорости струи ее перемешивание с пароводяной смесью интенсивнее, в результате чего неравновесность процесса уменьшается и относительные потери снижаются вследствие изменения условий протекания процесса конденсации. Тем самым, процесс смешения является определяющим.

Влияние температуры питательной воды на неравновесность процесса конденсации неоднозначно. С одной стороны, чем ниже температура питательной воды, тем больше температурный напор между смешивающимися средами, но, с другой стороны, ниже давление, определяемое температурой питательной воды, при котором происходит конденсация пара. Из рисунка 3 видно, что влияние температуры питательной воды на относительный недогрев наблюдается при скорости 1,7 м/с. Для скоростей 3,5 и 7 м/с значения недогревов для различных значений температур питательной воды практически совпадают.

■^о.ш

Массовое паросодержанне пароводяной смеси V

Рисунок 3 Влияние начальных параметров смешивающихся сред на относительный недогрев потока смешения в модели СПВД (для одиночной струи 010 мм)

Такой же характер расслоения по величинам недогрева для скорости питательной воды 1,7 м/с наблюдается и для водоподающих насадок другой конфигурации.

Рост давления будет способствовать увеличению степени неравновесности процесса, так как перепад между давлением в аппарате и давлением при ко-

тором происходит конденсация будет больше.

Влияние конструктивных факторов характеризуется применением насадок с различными диаметрами одиночных отверстий (10 и 20 мм), а также группы из 6 отверстий 04 мм с шагами 5, 10 и 15 мм между ними. На рисунке 4 показано влияние на относительный недогрев конструкции водоподающих насадок при давлении пара 14,5 МПа и массовом паросодержании х=0,8.

Скорость истечения питательной воды и',, м/с

Рисунок 4 Влияние конструкции водоподающих насадок на эффективность процесса конденсации Из рисунка 4 видно, что с увеличением диаметра отверстия относительные недогревы в процессе теплообмена снижаются. Шаг между струями оказывает значительное влияние на относительный недогрев. При относительном шаге 8/<3=1,25 он максимален из-за плотного расположения струй, которое затрудняет эффективное смешение с пароводяной смесью. При увеличении относительного шага до 2,5, относительный недогрев снижается, а при 8/с1=5 струи можно рассматривать как одиночные, так как их слияние происходит ниже зоны конденсации.

Опыты с различными способами подвода пароводяной смеси в модель СПВД показали, что способ подвода не оказывает существенного влияния на эффективность процесса конденсации.

Полученные в результате анализа зависимости относительного недогрева в процессе теплообмена от начальных параметров греющих и нагреваемых сред и конструктивных факторов легли в основу технических решений по конструкции элементов СПВД.

В четвертой главе представлены результаты испытаний, проведенных на опытной установке с полномасштабной по высоте моделью смешивающего подогревателя питательной воды.

Опытная установка моделирует фрагмент тепловой схемы с включением модели паропарового теплообменника с параметрами смешивающихся сред, моделирующими эксплуатационные режимы работы энергоблока, а также аварийную работу с отключенными поверхностными ПВД.

Основными задачами испытаний на опытной установке являлись сопоставление полученных результатов с результатами исследований на стендовой установке и уточнение влияния гидродинамических параметров (в первую очередь, скорости) на процесс смешения и конденсации в СПВД.

Результаты исследования на опытной установке показывают, что характер зависимости температур по высоте теплообменника качественно соответствует изменению, полученному ранее на стендовой установке с моделью СПВД: основное количество теплоты от пароводяной смеси к струе, как и в экспериментах на стендовой установке, передается на участке 50 мм, а окончательный прогрев питательной воды завершается на том же расстоянии (-600 мм) от среза водоподающей насадки. Таким образом, увеличение масштаба аппарата не влияет на протекание процесса конденсации.

Размеры корпуса полномасштабной по высоте модели СПВД позволили разместить несколько термопар в сечении внутри обечайки для измерения температурного поля потока смешения на различных высотных отметках рабочего участка аппарата. В результате было получено температурное поле единого потока смешения в разных сечениях по высоте.

На рисунке 5 представлены поля температур для трех скоростей питательной воды - 5, 10 и 20 м/с и значения массового паросодержания ~0,8. На рисунке показаны размеры обечайки и места измерения температур, размер во-доподающего устройства и расположение отверстий.

ISO 100 -so о so

Расстояняс от оси симметрии аппарата, мм

и симметрия аппарата.

а)

б)

Расстояние от оси симметрии аппарата, мм

в)

а) скорость питательной воды w„=5 м/с; б) w„=10 м/с; в) w„=20 м/с;

Рисунок 5 Температурное поле потока смешения для различных скоростей истечения питательной воды

Из рисунка 5а видно, что при скорости истечения 5 м/с температура в центре потока смешения в первых двух сечениях 50 и 150 мм по высоте заметно ниже температуры поверхности струи. С увеличением скорости истечения

питательной воды увеличивается турбулизация струи и смешение происходит более интенсивно. На рисунке 56 показано поле температур при скорости истечения 10 м/с, которое сглажено по сравнению с предыдущим. Например, для этой скорости в сечении 50 мм разница температур между поверхностью и центром потока смешения составляет ~7°С, тогда как при скорости 5 м/с ее значение составляло ~33°С. Для скорости 20 м/с (рисунок 5в) температурное поле практически выровнялось, так как температура поверхности потока смешения практически не отличается от температуры окружающей его среды.

Экспериментальные данные, полученные на опытной установке, показывают, что процесс конденсации пара из пароводяной смеси на струях питательной воды при высоком давлении происходит в неравновесных условиях с недо-гревом потока смешения до температуры насыщения при расходе пароводяной смеси, определенной по уравнению теплового баланса, тем самым, подтверждая результаты исследований на стендовой установке с моделью СПВД.

Наибольший недогрев наблюдался при низких скоростях истечения питательной воды (2 м/с). С ростом скорости истечения значение недогрева снижается, особенно в интервале от 2 до 10 м/с. При дальнейшем увеличении скорости истечения (более 10 м/с) снижение относительного недогрева незначительно.

Характер зависимостей (г^смУ^Д^т, х, ¡па) качественно совпадает с полученными на стендовой установке (рисунок 3). С ростом паросодержания пароводяной смеси относительный недогрев потока смешения увеличивается, а с ростом скорости истечения питательной воды снижается за счет более эффективного смешения пароводяной смеси и питательной воды.

Результирующая зависимость экспериментальных данных (рисунок 6), полученных на опытной установке, эквидистантна зависимостям для стендовой модели СППВ и находится между кривыми для группы отверстий с относительными шагами 8/(1=1,25 и 2,5. Это подтверждает согласованность и достоверность данных, полученных на стендовой и опытных установках.

Скорость истечения питательной воды и',, м/с

Рисунок 6 Обобщенная зависимость результатов экспериментальных исследований на стендовой и опытной установках В пятой главе представлено обобщение результатов экспериментальных исследований в виде расчетной зависимости относительного недогрева от начальных параметров смешивающихся сред и конструктивных данных элементов СПВД, а также технические решения по конструкции элементов смешивающего подогревателя питательной воды высокого давления.

Эффективность теплообмена определяется условиями смешения и зависит от скорости истечения питательной воды в паровое пространство (и>„), диаметра отверстия истечения (с!отв), массового паросодержания греющей среды (я), а также относительного шага между отверстиями {БМотв) и характеризуется зависимостью:

= (1)

1б

где ¡б - энтальпия нагретой воды, рассчитанная по тепловому балансу, кДж/кг; ¡с - энтальпия нагретой воды, полученная в результате теплообмена с учетом неравновесности процесса конденсации, кДж/кг.

18

В диапазоне изменения основных параметров:

- давление в аппарате 14,5 МПа;

- массовое паросодержание греющей среды (х): 0,3+1;

- начальная температура питательной воды: 190+305°С;

- скорость истечения питательной воды (>»>„): 0,5+10 м/с;

- диаметр отверстий в водоподающем устройстве (с!0„,в): 4+20 мм;

- относительный шаг между отверстиями 8/ё= 1,25+5. выражение (1) преобразуется в формулу (2):

= 49,01 ■ Яе-0« ■ х0'" • (5Я„в Г3, (2)

'б

где Ке = —2—— — критерий Рейнольдса;

Ч,

ив - кинематическая вязкость питательной воды, м2/с.

Полученные результаты позволили сформулировать основные технические рекомендации по конструкции элементов смешивающего подогревателя. В основном это касается выбора скорости истечения питательной воды; оптимизации конструкции разбрызгивающих устройств в паровом пространстве аппарата для повышения эффективности теплообменных процессов и способа подвода греющей среды.

Оптимальное соотношения гидравлического сопротивления водоподаю-щего устройства и относительного недогрева потока смешения (по рисунку 6) для реального аппарата достигается при скорости истечения равной 10 м/с.

Проникновение пароводяной смеси ко всем струям питательной воды при многоярусном исполнении водоподающего устройства в реальном смешивающем подогревателе зависит от шага между отверстиями. Равномерное распределение пара между струями повышает эффективность смешения и снижает относительный недогрев питательной воды.

Влияние диаметра отверстий и относительного шага (Б/ё) между ними показано на рисунке 7, для построения которого использованы данные, полученные для насадок с несколькими отверстиями 04 мм и относительными шагами 8/(1=1,25; 1,9; 2,5 и 5; и насадок с одиночными отверстиями 010 и 20 мм;

при давлении в СПВД - 14,5 МПа, паросодержании х=0,8, скорости истечения питательной воды - 10 м/с.

од

0,09

5 0,08

« 0,07 §

О

§ 0,06 с

|0,05

| 1.03 0.02

н О

0,01 о

12 3 4 5

Относительный шаг между отверстиями

Рисунок 7 Выбор диаметра отверстий и относительного шага между ними для водоподающего устройства СПВД

Рекомендуемое значение относительного шага составляет 8/с1=5. Скорость истечения питательной воды определяет сечение для прохода среды, количество и диаметр отверстий струйной форсунки, которая оптимизируется по наименьшему относительному недогреву, и возможностью конструктивного исполнения водоподающего устройства по количеству отверстий и шагов между ними. В конструкции водоподающего устройства с отверстиями 020 мм количество отверстий и рядов по высоте трубы меньше соответственно в 4 и 2 раза, чем для варианта с отверстиями 010 мм, которая позволяет греющей среде более равномерно распределяться между рядами отверстий водопо-дающей трубы и эффективнее смешиваться с нагреваемой средой.

В результате экспериментальных исследований не выявлено зависимости длины зоны прогрева Ьпр питательной воды от начальных условий, и ее длина

Диаметр отверстия в водоподающем устройстве аоп

соответствует 600 мм. В реальном смешивающем подогревателе направление разбрызгивания струй перпендикулярно стенкам защитной обечайки. Длина зоны прогрева питательной воды определяется расстоянием от среза сопла до стенок защитной обечайки, и диаметр обечайки должен быть более Д^>3 или Ц*^1800 мм.

Греющую среду в СПВД рекомендуется подавать в верхнюю часть аппарата в зазор между обечайкой и корпусом. При подводе греющей среды под обечайку пароводяная смесь частично вытесняет воду из аппарата, что недопустимо, так как в нем должен обеспечиваться запас воды. При подводе греющей среды под уровень существует вероятность выноса пузырьков пара из подогревателя, что также недопустимо по условиям работы питательного насоса.

Для верхнего подвода греющей среды проведена оценка возможности сноса паровых пузырей в объеме нагретой воды в нижней части аппарата. Для выбранного диаметра корпуса СПВД, равного 3 м, при номинальном режиме работы значение скорости опускного тока ниже скорости сноса и захват пара исключен. Однако, для аварийного режима работы с отключенными поверхностными ПВД максимальное значение скорости опускного тока смеси близко к предельному значению.

Практическая реализация рекомендованных в диссертации технических решений по конструкции водоподающего устройства, скоростям истечения питательной воды и способу подвода греющей смеси позволят сократить недогрев потока смешения по сравнению с балансовой величиной до 35 кДж/кг (~4°С).

Полученные в диссертации результаты разрабатывать конструкции смешивающих регенеративных подогревателей высокого давления в тепловых схемах перспективных энергоблоков.

Выводы

1. Экспериментально обоснована возможность использования контактного теплообмена при смешении паровой и водяной сред для подогрева питательной воды при высоком (~15 МПа) давлении.

2. На специально созданных стендовой и опытной установках изучен теплообмен при конденсации пара на струях питательной воды при высоком давлении, выявлен механизм процесса, Получены зависимости, позволившие оценить эффективность процесса конденсации и сформулировать технические решения по конструкции элементов смешивающего подогревателя.

3. Установлено, что:

- В исследованном диапазоне параметров теплообмен между греющей и нагреваемой средой при высоком давлении происходит достаточно интенсивно и завершается на расстоянии ~600 мм от среза сопла при различных масштабах моделирования подогревателя и входных параметрах.

- эффективность теплообмена зависит от условий смешения греющей и нагреваемой сред, которые определяют протекание процесса конденсации;

- с возрастанием массового паросодержания греющей среды увеличивается степень неравновесности процесса;

- в исследованном диапазоне рост скорости истечения питательной воды из водоподающего устройства приводит к уменьшению относительного недо-грева воды за счет более эффективного перемешивания греющей и нагреваемой сред;

- влияние начальной температуры питательной воды проявляется при скоростях истечения <2 м/с, при более высоких скоростях это влияние незначительно;

- с увеличением диаметра отверстий (04+20 мм) и относительного шага между струями в водоподающем устройстве (8М= 1,25+5) относительный недо-грев потока смешения снижается.

4. На основе экспериментальных исследований получена обобщенная зависимость относительного недогрева потока смешения от основных конструктивных и режимных параметров, используя которую можно рассчитать выходные параметры нагретой среды.

5. Разработаны и обоснованы технические решения по конструкции смешивающего подогревателя высокого давления перспективных энергоблоков электростанций, способных обеспечить подогрев питательной воды до более вы-

22

соких, чем в поверхностных ПВД температур вплоть до целесообразных при ультракритических параметрах пара.

6. Использование таких смешивающих ПВД в тепловых схемах перспективных энергоблоков создает возможность дальнейшего повышения их экономичности и надежности.

Перечень публикаций по теме диссертации

1. Ерошкина, Е.В. Экспериментальное исследование теплообмена при конденсации пара из пароводяной смеси на струях воды при высоком давлении / Е.В. Ерошкина, В.И. Кисина, A.JI. Шварц, A.B. Колбасни-ков // Теплоэнергетика. -2007. -№1. -с. 53-57.

2. Сомова, Е.В. Процесс конденсации пара из пароводяной смеси на струях воды при высоком давлении / Е.В. Сомова, В.И. Кисина, A.J1. Шварц, A.B. Колбасников, В.П. Канищев // Теплоэнергетика, -2009. № 1. -с. 63-70

3. Сомова, Е.В. Исследования смешивающего подогревателя питательной воды на фрагменте 11-го контура реакторной установки нового поколения / Е.В. Сомова, В.И. Кисина, A.JI. Шварц, A.B. Колбасников, В.П. Канищев // Теплоэнергетика. -2009. № 6. -с 59-63

4. Ерошкина, Е.В. Исследование теплообмена в подогревателе смешивающего типа при контакте пароводяной смеси с распыленной водяной струей. / Е.В. Ерошкина // 2-й конкурс молодых специалистов ОАО "ВТИ": сб. докл. - Москва, 2003г. -с. 16-24

5. Сомова, Е.В. Исследование процесса тепломассопереноса в потоках воды и пароводяной смеси при высоких давлениях / Е.В. Сомова, В.И. Кисина, А.Л. Шварц, A.B. Колбасников // Третья Международная конференция Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: сб. тез. докл. -Москва, 2008г. -с. 251-252

ПМБ ВТИ. 115280. РФ, Москва, ул. Автозаводская. 14. Тираж 120 экз. Заказ № 32.

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ВСЕРОССИЙСКИЙ ДВАЖДЫ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ"

(ОАО "ВТИ")

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО КОНСТРУКЦИИ СМЕШИВАЮЩЕГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЭНЕРГОБЛОКОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Специальность:

05.14.14. Тепловые электрические станции,

На правах рукописи

04201450291

СОМОВА

Елена Владимировна

их энергетические системы и агрегаты

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Шварц А.Л.

Москва-2013

Оглавление

Введение.......................................................................................................................7

Глава 1 Обзор конструкций подогревателей питательной воды и работ по исследованию контактного теплообмена при конденсации в смешивающих подогревателях.................................10

1.1 Анализ конструкций и условий эксплуатации подогревателей

высокого давления..............................................................................................10

1.2 Экспериментальные исследования по теплообмену при

конденсации пара на струях воды.....................................................................14

1.3 Исследование тепло- и массообмена в промышленных

смешивающих подогревателях..........................................................................35

1.4 Постановка задачи исследования......................................................................39

Глава 2 Экспериментальное исследование теплообмена при

конденсации в смешивающем подогревателе струйного

типа высокого давления.............................................................................42

2.1 Программа исследований...................................................................................42

2.2 Описание экспериментального стенда и схемы измерений...........................43

2.3 Описание экспериментального участка и методики измерений....................49

2.4 Техника проведения эксперимента и объем исследований

на модели СПВД..................................................................................................58

Глава 3 Анализ рабочего процесса в смешивающем подогревателе...................62

3.1 Схема течений в модели СПВД.........................................................................62

3.2 Взаимодействие пароводяной смеси со струей питательной воды...............64

3.3 Конденсация пара в потоке смешения..............................................................69

3.4 Влияние начальных параметров на эффективность процесса конденсации.........................................................................................................76

Выводы по главе 3.....................................................................................................85

Глава 4 Результаты исследования на опытной установке процесса

теплообмена в смешивающем подогревателе высокого давления........87

4.1 Описание опытной установки с полномасштабной по высоте

моделью СПВД....................................................................................................87

4.2 Описание экспериментального участка и объем исследований

на модели СПВД..................................................................................................94

4.3 Обобщение результатов исследования па опытной установке....................100

Выводы по главе 4...................................................................................................109

Глава 5 Обоснование технических решений по конструкции

элементов смешивающего подогревателя питательной воды высокого давления....................................................................................111

5.1 Назначение и условия эксплуатации СПВД...................................................111

5.2 Техническая характеристика............................................................................114

5.3 Рекомендации по расчету теплообмена и элементам конструкции смешивающего подогревателя высокого давления.......................................115

Выводы но главе 5...................................................................................................126

Выводы.....................................................................................................................129

Список литературы..................................................................................................131

Приложение А Основные параметры смешивающихся сред в опытах,

проведенных на стендовой установке........................................140

Приложение Б Основные параметры смешивающихся сред в опытах,

проведенных на опытной установке...........................................147

Условные обозначения

а - коэффициент температуропроводности, с - удельная теплоемкость, с1 - диаметр, Р - площадь, в - расход,

g - ускорение свободного падения, Ь - высота, 1 - энтальпия,

к - коэффициент теплоотдачи, / - длина,

ш - относительная массовая концентрация, С) - количество тепла, Я - радиус,

г - скрытая теплота парообразования, 8 - шаг между отверстиями (струями), I - температура,

V - объем,

ж - скорость,

л; - координата, массовое паросодержание а - коэффициент теплоотдачи, в - коэффициент турбулентности, ф - коэффициент сужения струи, Т| - эффективность теплообмена, X - теплопроводность, р, - коэффициент расхода,

V - кинематическая вязкость, р - плотность,

а - коэффициент поверхностного натяжения,

© - безразмерная температура, т - время.

Индексы

1 - вход

2 - выход

О - начальный б - баланс ж - жидкость к - конденсат кон - конечный нач - начальный п - пар

пвс - пароводяная смесь пред - предельный отв - отвертия с - струя см - смесь

СПВД - смешивающий подогреватель высокого давления ср - средний у - условный

3 - эквивалентный, эквивалентный 8 - на линии насыщения

Безразмерные параметры

Ре = м>0<1 ¡а - критерий Пекле,

¥г = gd/wl - критерий Фруда,

К = —ч - критерий фазового перехода,

Lap = - критерий Лапласа,

cr

Pr=v/a - критерий Прандтля,

(X

St =--критерий Стантона,

pCw

We= fm'd - критерий Вебера, a

Nu=^- - критерий Нуссельта,

Re=wd/v- критерий Рейнольдса, Gz= cJir/JI(WJlcd2/Х-J - критерий Гретца,

Введение

В настоящее время ведется разработка вспомогательного оборудования для энергоблоков нового поколения электростанций, в том числе на суперкритические параметры пара. Важным элементом тепловых схем таких блоков являются подогреватели высокого давления, нагревающие питательную воду для котлов и парогенераторов.

Для повышения надежности эксплуатации части высокого давления системы регенерации взамен поверхностных подогревателей высокого давления спирально-трубной конструкции наряду с другими конструкциями ПВД может быть предложен новый подогреватель высокого давления смешивающего типа (СГТВД). В двухподъемной схеме такие подогреватели высокого давления устанавливаются перед питательным насосом и уровень давлений в них составляет 15 МПа. Нагрев питательной воды осуществляется в процессе контактного теплообмена воды с пароводяной смесью высокого паросодержания.

Такие подогреватели необходимы также для разрабатываемого энергоблока нового поколения с парогенератором греющей средой в котором является свинец. Схема второго контура такая же, как блоков 300 МВт тепловых электрических станций. Дополнительный смешивающий подогреватель питательной воды высокого давления (СПВД) необходим для подогрева питательной воды до температуры не ниже 340°С, позволяющей при всех эксплуатационных режимах поддерживать свинец в расплавленном состоянии, что обеспечивает надежность работы парогенератора. Также СПВД должен обеспечить необходимый нагрев питательной воды при аварийном отказе штатных поверхностных ПВД. Сказанное выше определяет актуальность работы.

В качестве греющей среды в СПВД в варианте тепловой схемы используется пароводяная смесь давлением 14,5 МПа.

Нагрев питательной воды, разбрызгиваемой в нагревательном пространстве СПВД будет осуществляться, в основном, за счёт конденсации пара из пароводяной смеси в потоке питательной воды.

Подобных аппаратов в энергетике нет.

В тепловых схемах паротурбинных установок находят применение смешивающие подогреватели низкого давления (ПНД). Исследованиям контактного теплообмена в таких подогревателях посвящено большое число экспериментальных работ, проведенных при давлении до 1 МПа.

Исследования контактного теплообмена для смешивающих подогревателей при высоком давлении до настоящего времени не проводились, тогда как термодинамические свойства сред при низких и высоких давлениях существенно различны, а условия, при которых были ранее получены зависимости по расчету теплообмена, отличаются от условий протекания процесса теплообмена при высоком давлении.

Таким образом, на период начала работы отсутствовали не только аналоги СПВД, но и экспериментальные данные о характере процесса при таких параметрах.

Для разработки технических рекомендаций по созданию смешивающего подогревателя высокого давления необходимо проведение экспериментальных исследований контактного теплообмена в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров на модели аппарата, что является целыо настоящей работы.

Предварительную конструкцию такого смешивающего подогревателя разработало ПО "Ижорские заводы", что определило характерные конструктивные данные при создании экспериментальных установок для исследования процесса.

Для исследования процесса контактного теплообмена с конденсацией пара при высоком давлении были созданы стендовая установка на которой был исследован механизм процесса теплообмена, изучено влияние режимных и конструктивный факторов СПВД на процесс теплообмена при высоком давлении. Для апробации полученных зависимостей сооружена опытная установка, моделирующая фрагмент тепловой схемы паросиловой части блока с полномасштабной по высоте моделью СПВД.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые проведено комплексное экспериментальное исследование контактного теплообмена при конденсации пара из пароводяной смеси на струях питательной воды при высоком давлении (~15 МПа).

- предложен механизм контактного теплообмена между пароводяной смесью и питательной водой при высоких давлениях в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров.

- выявлен неравновесный характер протекания такого процесса, получены характеризующие его зависимости.

На основе экспериментальных исследований в работе получены зависимости, позволяющие по заданным входным данным определить параметры среды на выходе из установки. Используя эти зависимости, рекомендуются технические решения, обеспечивающие оптимальные условия работы СПВД с максимальной эффективностью, что составляет практическую значимость работы. На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований процесса теплообмена при высоком давлении в смешивающем подогревателе питательной воды;

- механизм процесса теплообмена при конденсации пара в потоке смешения пароводяной смеси и питательной воды при высоком давлении;

- расчетная зависимость относительного недогрева потока смешения от начальных параметров смешивающихся сред и конструктивных факторов СПВД, характеризующих эффективность протекания процесса теплообмена;

- разработанные технические решения по конструкции элементов смешивающего подогревателя высокого давления.

В результате решена важная научно-техническая задача по созданию смешивающего подогревателя питательной воды высокого давления для тепловых схем перспективных энергоблоков нового поколения электростанций.

ГЛАВА 1 ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ И РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ КОНТАКТНОГО ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ В СМЕШИВАЮЩИХ ПОДОГРЕВАТЕЛЯХ

1.1 Анализ конструкций и условий эксплуатации подогревателей высокого давления

Схема регенеративного подогрева воды является важной частью принципиальной тепловой схемы энергоблока, которая является основной технологической и расчетной схемой, позволяющей по заданным энергетическим нагрузкам определить расходы пара и воды во всех частях установки и ее энергетические показатели.

В состав принципиальной схемы входят: подогреватели высокого давления (ПВД) и низкого (ПНД) давления с охладителями пара (ОГ1) и конденсата (дренажа, ОК); деаэраторы питательной и добавочной воды; трубопроводы отборов пара от турбин к подогревателям; питательные, кондеисатные и дренажные насосы; линии основного конденсата и дренажей.

В настоящее время для ПВД используют поверхностные подогреватели с каскадным сливом конденсата греющего пара. Применение смешивающих подогревателей в отечественных турбоустановках ограничивается давлением отборного пара ниже атмосферного, т.е. схема получается комбинированной [1].

Температура питательной воды на выходе из группы регенеративных подогревателей высокого давления (на входе в парогенератор) определяется технико-экономическим соображениями и в зависимости от параметров перегретого пара и цены на условное топливо изменяется в диапазоне от 230 до 295°С [2].

Величина давления питательной воды в ПВД зависит от схемы включения питательных насосов. Питательный насос, как правило, располагается перед группой ПВД и такая схема называется одноподъемной. При одноподъем-ной схеме питательных насосов водяная сторона находится под максимальным

и

давлением в турбоустановке, например рв~38 МПа (для турбоустановок ТЭС с давление свежего пара ро~24 МПа).

При двухподъемной схеме ПВД располагаются между двумя питательными насосами 1-го и 2-го подъемов. Преимущество такой схемы - выполнение ПВД на менее высокое давление (~15 МПа). Однако, происходит усложнение и удорожание питательной установки, необходимость синхронизации насосов и усложнение их регулирования.

Сравнение этих схем [3, 4] указывает на определенные преимущества двухподъемной схемы из-за возможности снижения удельной поверхности нагрева ПВД.

Конструкция поверхностного подогревателя высокого давления включает в себя теплообменные поверхности охладителя пара (011) для повышения эффективности регенерации, поверхность конденсации (КП) в которой происходит нагрев питательной воды и охладителя конденсата (ОК), через который пропускают конденсат греющего пара для повышения эффективности схемы с каскадным сливом дренажей в ПВД.

Поверхность теплообмена у всех конструкций ПВД образуется системой труб, помещенной в корпус и омываемой снаружи греющей средой, а изнутри питательной водой [5]. Так как давление питательной воды при одноподъемной схеме, получившей наибольшее распространение, в несколько раз превышает давление греющей среды, то это ставит задачу рационального использования прочностных свойств материалов.

В настоящее время имеется два основных направления в конструировании ПВД. Для первого характерно использование одного из классических типов конструкции кожухотрубпых теплообменников камерного типа с трубной доской, в которой закреплены и-образные трубы, образующие кратное двум число ходов воды, и водяной камерой, с входным и выходным патрубками, крышкой и перегородками для осуществления заданного движения воды. Второе направление, опирающееся на практику современного котлостроения, привело к созданию ПВД коллекторного типа, отличающегося наличием ци-

линдрических коллекторов из толстостенных труб, объединяющих трубную систему, состоящую из змеевиков того или иного вида. Все существующие конструкции отечественных или зарубежных ПВД, в основном, относятся к одному из этих типов.

В процессе эксплуатации ПВД коллекторного типа были выявлены следующие недостатки.

1. Эрозионно-коррозионный износ входных участков змеевиков. Интенсивность такого вида разрушения определяется скоростью потока питательной воды в змеевиках и во входном коллекторе, условиями входа в змеевики, температурой, концентрацией кислорода в питательной воде и значением рН, концентрацией напряжений в металле. При рН>9-^9,2 и скорости воды меньше 2 м/с этот износ уменьшается [6].

2. Водородное охрупчивание наружной поверхности змеевиков происходит за счет скапливающегося в межтрубпом пространстве конденсата, имеющего слабокислую реакцию (рП=6,8). Поэтому во время эксплуатации наружная поверхность змеевиков подвергается электрохимической коррозии с водородной деполяризацией [7].

3.Резкое снижение подогрева воды из-за неплотностей внутренних глухих перегородок в коллекторах между первым и вторым ходами воды в поверхности конденсации (КП) и между КП и ОП. Неплотности обычно являлись следствием некачественной приварки перегородки, устанавливаемой в стенке двух частей коллектора аналогично подкладному кольцу и оказывающейся в трудноконтролируемой зоне с большой вероятностью непровара и последующего размывания водой сварки, перегородки и стенки коллектора. Особенно вредно влияние неплотности перегородки между КП и ОП в одноходовых конструкциях, открывающей путь воде помимо змеевиков КП и ОК.

4. Разрушение сварного шва, присоединяющего распределительные коллекторы к стакану. Данные разрушения являются следствием неудачной конструкции узла приварки, кроме того, следует иметь в виду, что жесткая связь распределительных и собирающих коллекторов верхней крестовиной при раз-

ницс температур стенки этих коллекторов, которая возникает в условиях эксплуатации, вызывает в указанном сварном шве довольно значительные термические напряжения.

Во время пусков котла при прогреве со скоростью выше допустимой возникает �