автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.04, диссертация на тему:Повышение безопасности эксплуатации и улучшение теплотехнических характеристик аппаратов с огневым обогревом, применяемых при транспортировке магистрального газа

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

На правах рукописи

РГ5

Свиридов Антон Валерьевич

1 5 '

УДК 622.691.401:536.1:658.382.2

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ И УЛУЧШЕНИЕ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АППАРАТОВ С ОГНЕВЫМ ОБОГРЕВОМ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗА

05.26.04 - Промышленная безопасность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000 г.

Работа выполнена в Московском государственном университет путей сообщения (МИИТе).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Федоров Леонид Факеевич. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Горбуров Вячеслав Иванович кандидат технических наук, доцент Щеглов Павел Петрович

Ведущая организация:

Центральное конструкторское бюро нефтеаппаратуры г. Подольска (ЦКБН)

Защита диссертации состоится « 22 » ии)ЙЯ 2000 г. в /У~час. н< заседании диссертационного совета К 114.05.04 в Московского государственном университете путей сообщения (МИИТе) по адресу: 101475 ГСП, г. Москва, А-55, ул. Образцова, д. 15, ауд. 2400

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан «.22 » М ая 2000 г. Отзывы па автореферат в двух экземплярах, заверенные гербово{ печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 114.05.04

доктор технических паук, профессор

С.П. Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ктуальпость темы диссертации

В настоящее время в РФ широкое распространение получил эубопроводный транспорт, служащий для транспортировки природного газа г газовых месторождений до потребителей газообразного топлива, 'беспечение безопасности при эксплуатации магистральных газопроводов редставляет собой важную научно-техническую задачу.

На компрессорных станциях магистральных газопроводов гтановлены аппараты с огневым обогревом, предназначенные для подогрева □а, идущего на сжигание в камеры сгорания турбогенераторов, приводящих действие компрессоры. При сжигании газообразного топлива в аппаратах шного типа с уходящими продуктами сгорания выбрасываются токсичные и )айне опасные для здоровья человека вещества: окись углерода и оксиды ота.

Одной из важнейших проблем современности является обеспечение эрмальной жизнедеятельности как людей, непосредственно обслуживающих гергетические аппараты с огневым сжиганием топлива, так и людей, юживающих в непосредственной близости от них.

Второй, важнейшей проблемой является создание аппаратов, которые лели бы минимальные тепловые потери и максимальный коэффициент >лезного действия. При увеличении КПД существенно уменьшается расход шлива, а следовательно и снижается количество выбросов. Поэтому важной дачей является создание энергетических аппаратов с огневым югревом с высоким КПД и уменьшенными количественными значениями лбросов.

В настоящее время разработана новая конструкция аппарата с невым обогревом с повышенным КПД, в котором конвективные (верхности представляют собой газовые каналы с испарительными ементами, выполненными по типу трубок Фильда.

гль работы

Целью работы является обеспечение безопасности эксплуатации мпрессорных станций газотрубопроводного транспорта, связанное с

созданием новой конструкции аппарата с огневым обогревом промежуточным теплоносителем повышенной надежности. Исследовани выбросов токсичных газов и нахождение способов их уменьшения Выполнение экспериментальных и аналитических исследований естественно! циркуляции для определения оптимальных геометрических размеро! испарительных элементах из трубок Фильда малой высоты и низки: давлений пара.

Научная новизна работы состоит с следующем:

1. Впервые проведены исследования выбросов токсичных вещесп аппаратами с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем, ] которых отсутствуют присосы воздуха по тракту движения продукто1 сгорания .

2. Получены количественные значения выбросов окиси углерода и оксидо1 азота в большом диапазоне изменения тепловых нагрузок и коэффициент; избытка воздуха.

3. Выбраны режимы наибольшей безопасности работы огневых аппаратов.

4. Разработана новая конструкция конвективных поверхностей аппарата I виде газовых каналов с трубками Фильда, позволяющая значительнс шгтеисифицировать процесс теплопередачи от продуктов сгорани? промежуточному теплоносителю и повысить КПД аппарата.

5. Проведен широкий комплекс экспериментальных исследовашп циркуляционных характеристик испарительного элемента, выполненного по типу трубки Фильда при различной высоте обогреваемого участкг наружной трубы и различных значениях отношения проходного сечепш подъемной щели к проходному сечению опускной трубы ( /щ / /0 ) г широком диапазоне тепловых нагрузок.

6. определен практический диапазон изменения геометрического параметра (/'щ / -г- 4), отвечающий максимальным циркуляционным возможностям контура.

7. Получена новая инженерная зависимость для определения кратности естественной циркуляции, а также зависимость для определения оптимального значения (/щ / )ош в испарительных элементах малой высоты и низких давлений пара.

Трактическая ценность работы и реализация се результатов: . В настоящее время проводится внедрение результатов исследований выбросов токсичных веществ аппаратами с огневым обогревом, связанное с выбором режимов работы аппаратов, соответствующих минимизации этих выбросов. Это обстоятельство способствует обеспечению безопасности эксплуатации компрессорных станций. . В ЦКБН г. Подольска создается установка для теплотехнических исследований нового теплообметшого аппарата с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем, при этом использовались разработанные и полученные лично автором:

- конвективные поверхности аппарата в виде газовых каналов с трубками Фильда;

- геометрические размеры испарительных каналов в пределах /щ //Ь=2 -т- 4;

- оптимальное количество рядов трубок Фильда, соответствующее определенному значению тепловой нагрузки аппарата для повышения его КПД.

остовсрность и обоснованность результатов работы

В результате экспериментальных исследований были установлены ие режимы работы аппаратов, при которых была значительно снижена щентрация выбросов вредных веществ, а концентрация отдельных сичных газов отсутствовала полностью. Также, результаты исследований волили создать новую конструкцию аппарата с максимальным лотехническим КПД. Использование данных автора, полученных для дания новой конструкции аппарата, подтверждается актом о внедрении.

втор защищает:

Повышение промышленной безопасности компрессорных станций магистральных газопроводов в связи с созданием новой конструкции аппарата с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем. Режимы работы, соответствующие минимальным выбросам токсичных веществ аппаратами, установленными на предприятиях Газпрома. Полученный в результате экспериментальных исследований практический диапазон изменения геометрического параметра (/щ//о= 2-т-4), отвечающий максимальным циркуляционным возможностям

трубок Фильда, а также обобщенную зависимость кратности естественной циркуляции от циркуляционного критерия, дающую возможность выполнять инженерные расчеты для испарительных каналов малой высоты.

4. Использование конвективных поверхностей в виде газовых каналов с трубками Фильда в аппаратах с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем для повышения их теплотехнических характеристик.

5. Экономическую эффективность использования конвективных поверхностей в виде газовых каналов с трубками Фильда.

Результаты, полученные лично автором:

- повышение безопасности при эксплуатации магистральных газопроводов, в связи с разработкой повой конструкции аппарата с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем;

- исследование количества выбросов токсичных веществ (окиси углерода и оксидов азота) при сжигании газообразного топлива для двух конструкций аппаратов;

- улучшение условий труда персонала за счет выбора режимов работы, соответствующих минимизации выбросов токсичных веществ;

- создание экспериментального стенда и исследование циркуляционных характеристик испарительных элементов в виде трубок Фильда;

- выбор оптимальных геометрических размеров каналов и получение уравнений для определения циркуляционных характеристик;

- определение оптимального количества рядов трубок Фильда для повышения КПД аппарата.

Апробация работы

Основные результаты работы были доложены: на объединенной сесии Научных советов РАН по проблеме «Тепловые режимы машин и аппаратов» при участии Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности в МИИТе в 1997 году; на конференциях «Неделя науки -1998» и «Неделя науки- 1999» в МИИТе в 1998 и 1999 г. г.

Публикации по работе

В процессе работы иад диссертацией были опубликованы три статьи и тезисы одного доклада.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4 лав, выводов, списка используемых источников, 145 страниц основного екста, 41 рисунка и приложения.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулированы цели и основные направления работы.

В первой главе показано влияние токсичных веществ, образующихся |ри сжигании органического топлива, на организм человека, дано описание ;вух конструкций аппаратов с огневым обогревом и промежуточным еплоносителем и выполнен анализ их теплотехнических характеристик. 1роведен обзор работ, связанных с расчетом естественной циркуляции и щределением циркуляционных характеристик испарительных элементов.

Несмотря на существенные достижения последних лет, нергетические аппараты, работающие при сжигании органического топлива, родолжают оказывать негативное влияние на жизнедеятельность бслуживающего персонала. В частности, существует проблема повышения ромышленной безопасности аппаратов с огневым обогревом, установленных а компрессорных станциях магистральных газопроводов, связанная с еобходимостью снижения выбросов токсичных веществ в атмосферу.

При сжигании в аппаратах данного типа газообразного топлива в ходящих продуктах сгорания присутствуют токсичные оксиды азота и окись глерода. В связи с небольшой высотой дымовых труб аппаратов возникает пасность превышения предельно допустимых концентраций вредных еществ в воздухе рабочих зон эксплуатационного персонала.

В течение последних десятилетий получены обширные данные о арактере и особенностях токсикологического воздействия оксидов азота АЮх лонооксида азота N0 и диоксида азота N0^) и окиси углерода СО на здоровье юдей.

Для транспортировки газообразного топлива от месторождений до отребителей применяется трубопроводный транспорт. Газ является одним из шых опасных видов органического топлива, так как его незначительная энцентрация в воздухе может привести к взрыву или пожару. Поэтому, эеспечение повышенных мер безопасности при эксплуатации

газотрубопроводного транспорта является одной из важнейших проблем современности.

Давление природного газа по мере его перемещения по магистральным газопроводам постепенно уменьшается. Для повышения давления газа на газопроводах через каждые 80-100 км установлены компрессорные станции. Для сжигания в камерах сгорания турбогенераторов, приводящих в действие компрессоры, используется часть магистрального природного газа.

Перед сжиганием газ необходимо дросселировать от 55 -г- 65ата до 20 4- 22ата. При таком значительном падении давления газ сильно охлаждается и в нем образуются гидраты, которые уменьшают проходное сечение трубопроводов и создают условия к их разморозке. Для повышения безопасности при эксплуатации компрессорных станций применяются аппараты с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем, которые предназначены для подогрева и осушки природного газа, идущего на сжигание в камеры сгорания турбогенераторов.

Сначала в ЦКБН г. Подольска были проведены теплотехнические исследования на аппарате с огневым обогревом, который является прототипом конструкции аппаратов, установленных в настоящее время на предприятиях Газпрома.

Первый опытный теплообменный аппарат с промежуточным кипящим теплоносителем и огневым обогревом (рис.1) представляет собой устройство, состоящее из цилиндрического корпуса 1, в котором расположена жаровая туба 2. Продукты сгорания 3 проходят по жаровой трубе и попадают в камеру 4, из которой входят в газовые тубы 5, проходят по ним и выходят в камеру 6, а затем через дымовую трубу 7 выбрасываются в окружающее пространство. В верхней части аппарата установлен прямоугольный короб 8, во внутренней полости которого расположены по всей длине аппарата «U» -образные теплообменные тубы 9. Эти трубы воспринимают тепловую энергию от пароводяного потока, поднимающегося снизу от теплоотдающих труб вверх. По тепловоспринимающим трубам циркулирует вода. В камеру 10 входит охлажденная вода, а из камеры И выходит подогретая вода. Топливная горелка 12 установлена на входе в жаровую трубу. Все межтрубное

пространство аппарата заполнено промежуточным теплоносителем - водой 13. В верхней части выходной камеры 6 установлено заборное устройство 14 для анализа состава продуктов сгорания.

,4т

Рис. 1. Схема первой конструкции аппарата

Затем была сконструирована вторая конструкция теплообменного аппарата с огневым обогревом, в которой 3 ряда тепловоспринимающих труб располагались сверху теплоотдающих, а 2 ряда между ними, что позволило интенсифицировать теплообмен между продуктами сгорания и нагреваемой средой и повысить КПД аппарата.

Во второй главе описаны исследования выбросов токсичных газов на двух конструкциях аппарата с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем.

Определение состава продуктов сгорания на первой конструкции аппарата производилось с помощью газоанализатора ОРСА. Принцип действия газоанализатора типа ОРСА основан на избирательном поглощении раствором едкого калия углекислого газа С02, а щелочным раствором пирогаллола кислорода 02, с последующим определением их процентного содержания в уходящих газах.

Определение количества окиси углерода в уходящих продуктах сгорания осуществлялось с помощью характеристического коэффициента топлива, значение которого можно определить по формуле: 0,01-ТУГ +0,79 У°

/? = 0,21 —

— 0,79.

0)

до,

При известном значении характеристического коэффициента топлива ¡3 количество окиси углерода в продуктах сгорания определяется по следующей зависимости:

СО --—-----—. % (2)

0.605 + р

В формулах (1 и 2): Л^ - содержание азота в топливе (%); теоретически необходимое количество воздуха; ГКо2 - объем сухих трехатомных газов в продуктах сгорания; Л0? (С02 +80 ¿у- содержание трехатомных газов в продуктах сгорания (%); О2 - содержание кислорода в продуктах сгорания (%).

Содержание оксидов азота определялось по методике Санэпидемстанции г. Подольска, основанной на окислении окиси азота (N0) в двуокись азота (N0?), поглощении двуокиси азота раствором йодистого калия (КГ) и калориметрическом определении нитрит иона по реакции с реактивом Зальцмана или с реактивом Грисса-Илосвая.

На второй конструкции аппарата помимо вышеизложенных методик определение состава уходящих газов осуществлялось газоанализатором (ЗиШТОХ, способным определять практически все составляющие продуктов сгорания, включая СО, N0 и N0^.

Из рис. 2, где показана зависимость концентрации окиси углерода СО от коэффициента избытка воздуха а для двух конструкций аппарата, видно, что при увеличении а концентрация СО в уходящих продуктах сгорания уменьшается, а при а> 1,5 СО=0.

Полученные результаты исследований имеют очень важное практическое значение, свидетельствующее о том, что в аппаратах данного класса можно осуществлять такие режимы эксплуатации, при которых в уходящих продуктах сгорания отсутствует окись углерода, а значит и отсутствуют тепловые потери от химической неполноты сгорания. Это обстоятельство позволяет не только повысить КПД аппарата и сэкономить газообразное топливо, но и, самое главное, полностью избежать выбросов токсичной окиси углерода СО.

Из рис. 3, где представлена зависимость концентрации оксидов азота КЮХ от коэффициента избытка воздуха а для второй конструкции аппарата,

видно, что с уменьшением а концентрация NOx увеличивается. Но даже при небольших значениях а концентрация NOx меньше допустимых значений.

СО, Vol

0,8 1,0 1,2 —1,4. 1,6" "1,8 ~ ~2,0'а

Рис. 2. Зависимость содержания окиси углерода СО в уходящих газах от коэффициента избытка воздуха ОС для двух конструкций аппарата

Первая конструкция Вторая конструкция

О-опыты 1993 г. ф- опыты первой серии 1994 г. д- опыты 1995 г. ф- опыты 1996 г. опыты второй серии 1994 г. О - опыты 1997 г.

тх,

мг/м3 80

60

40

20

■ Ч ■ llaDl

•• ^---- ■ |

1.0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Рис. 3. Зависимость содержания оксидов азота ЫОх в уходящих газах от коэффициента избытка воздуха СС для второй конструкции аппарата О - опыты 1996 г. ■ - опыты 1997 г.

а

В третьей главе описывается новая конструкция аппарата и экспериментальные исследования испарительного элемента, выполненного по типу трубки Фильда.

Ранее были описаны результаты исследований аппаратов, у которых конвективные поверхности представляли собой газовые трубы, внутри которых продольно двигались продукты сгорания. Известно, что при продольном обтекании теплообменных поверхностей греющим теплоносителем коэффициент теплоотдачи в 1,5 - 2,0 раза меньше, чем при поперечном обтекании. В связи с этим, в ЦКБН г. Подольска была разработана новая конструкция аппарата с огневым обогревом, в котором конвективные поверхности представляют собой испарительные элементы, выполненные по типу трубок Фильда. Испарительные элементы воспринимают тепловую энергию от поперечно-набегающего потока продуктов сгорания, что позволяет повысить теплотехнические характеристики аппарата за счет увеличения интенсивности теплообмена.

На рис. 4 показана схема новой конструкции аппарата с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем. В цилиндрическом корпусе 1, полностью заполненном промежуточным теплоносителем, расположена жаровая труба 2, в которой происходит сгорание газо-воздушной смеси. Продукты сгорания из жаровой трубы поступают в заднюю камеру 3, затем по 9-ти газовым каналам 4 проходят в переднюю камеру 5 и далее через дымовую трубу 6 выбрасываются в окружающее пространство. В газовых каналах 4 вертикально расположены трубки Фильда 7. Так, продукты сгорания, проходя по конвективным поверхностям, часть своей тепловой энергии отдают промежуточному теплоносителю через продольно обтекаемые стенки газовых каналов 4, а часть через поперечно обтекаемые трубки Фильда 7. Цилиндрический корпус 1 установлен на металлическую стойку 20, а с боков закрыт плоскими листами 18 и 19.

Для обеспечения безопасности при эксплуатации аппарата вверху цилиндрического корпуса 1 имеется отверстие 16, позволяющее промежуточному теплоносителю свободно контактировать с окружающей средой. Так, при разрыве теплоотдающей или тепловоспринимающей поверхности, продукты сгорания или газ проходят промежуточный теплоноситель и через отверстие 16 удаляются в окружающее пространство,

это способствует быстро обнаружить аварию и принять меры к ее устранению. Знизу корпуса расположен сливной патрубок 17.

Рил««

'ис. 4. Схема нового теплообменного аппарата с огневым обогревом

В новом теплообменном аппарате трубки Фильда работают при ггмосферном давлении и имеют высоту менее 600 мм. Для исследований Ифкуляционных характеристик в трубках Фильда малой высоты и низких (авлений пара в ЦКБН при личном участии автора был изготовлен и :монтнрован специальный стенд.

Опытный канал выполнен в тде контура с естественной (иркуляцией (рис.5). Промежуточный еплоноситель 2, находящийся в 1ерхнем бачке 1, поступал в опускную рубку 3, проходил по опускной трубке [О нижнего конца, разворачивался на 80° и входил в подъемную щель. К нешней трубке 4 подводилась тепловая нергия за счет нагрева электрических пиралей 6. По кольцевой щели снизу верх поднималась пароводяная месь 5. Опытный канал на эбогреваемой длине был покрыт слоем

Рис. 5. Схема опытного канала

изоляции 7.

Исследования проводились на трех обогреваемых длинах опытного канала 1<об = 600; 400 и 200 мм, при различных тепловых нагрузках () = 0,79 -г 5 кВт. Диаметр внешней обогреваемой трубы в опытах на всех режимах не изменялся и составлял величину 40 х 2. Для изменения геометрического параметра испарительного канала /щ //0 диаметр опускной трубы изменялся 9 раз (три раза на канале с обогреваемой длиной 600 лш, пять раз с обогреваемой длиной 400 мм, и один раз с обогреваемой длиной 200 мм). Изменение параметра /щ / /о было связано с опытным определением геометрических размеров, отвечающих максимальным циркуляционным возможностям контура с естественной циркуляцией.

Для обобщения результатов исследования циркуляционных характеристик в качестве определяющего критерия был принят циркуляционный критерий Кц, физическое обоснование которого: отношение максимальной тепловой нагрузки в парогенерирующем контуре (2тах к действительной ():

Ц иЛ

2gH

я

V

р7

-1

Е<гя+Ес>

(3)

где: - приведенная скорость пара; g - ускорение свободного падения; Ни -напорная высота контура; р' и р" - плотности воды и пара; ^^п и

- суммарный коэффициент сопротивления соответственно в подъемной и опускной системах.

Тепловая нагрузка трубки Фильда определялась как: 0п>=М-0ПОТ, (4)

где: N —Ю - электрическая мощность спирали; I - сила тока; И - напряжение; Опот - потери тепловой энергии канала в окружающее пространство. Количество генерируемого пара в испарительном канале:

г

где: г- теплота парообразования.

Приведенная скорость пара на выходе из подъемной щели:

Э

=

р'Г,

щ

[риведенная скорость воды в подъемной щели:

(о-в)

УЛ>г.

Р'/щ

(7)

(8)

кратность естественной циркуляции определялась по формуле: в

В четвертой главе лично автором выполнен анализ результатов сследований и их практическое использование при проектировании ппаратов с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем.

Опытные данные свидетельствуют о том, что при длине богреваемого участка Ьог, = 600; 400 и 200 мм и различных значениях гометрического параметра /щ / /о с увеличением тепловой нагрузки QTp ратность естественной циркуляции ЭЗ уменьшается.

Из рис. 6, где показаны опытные значения кратности естественной иркуляции для испарительного канала с Ьоб - 600 мм в зависимости от юметрического параметра /щ//о, видно, что для всех тепловых нагрузок спарительный канал имеет максимальные циркуляционные возможности ри отношении /щ//0 = 3,\.

О-- 1.11 ! | - 1* 7 -- 1.65 .я«)» . з«^ .яу„')

Рис. б. Зависимость <£ =/(/щ/[о) для канала с Ьов^бООмм

Рис. 7. Зависимость 32 =/(/щ//о) для канала с £оь=400лш

Представляет практический интерес рис. 7, на котором представлень зависимости кратности естественной циркуляции эе от геометрического параметра /щ/fo при обогреваемой длине испарительного канала Ь0б = 400 мм для шести значений тепловых нагрузок.

Используя рисунки 6 и 7 можно сделать важный практический выво; при конструировании испарительных элементов из трубок Фильда максимальными циркуляционными возможностями будет обладать тот испарительный канал, в котором проходное сечение подъемной щели /ц будет в 2+4 раза больше проходного сечения опускной трубки fc

(/щ//о = 2 + 4).

Для обобщения результатов исследований по циркуляционным характеристикам в качестве определяющего критерия был принят циркуляционный критерий Кц, определяемый по выражению (3).

На рис. 8 показаны опытные значения

кратности естественной циркуляции ге в зависи-моти от циркуляционно- а го критерия Кц для парогенерирующих элементов, отвечающих максимальным циркуляционным возможностям U'щ //о = 3,1) для каналов с Lob = 600; 400 и 200 ММ. Опыты показали, что при всех трех значениях 1-об существует пропорциональная зависимость между ге и Кц, причем, коэффициент пропорциональности для каналов с ЬОБ= 600; 400 и 200 мм практически совпадает и

Рис. 8. Зависимость кратности естественной циркуляции 28 от циркуляционного критерия Кц для испарительного элемента с геометрическим параметром /щ/fo = 3,1 Ф - канал с Los = 600 мм я - канал с Loe = 400 мм л- канал с Loe - 200 мм

равен 0,559 (зе = 0,559Кц).

При удельной тепловой нагрузке с/<22,8 кВт/м2 в опытах наблюдалось неустойчивое движение циркулирующих масс потока. Пульсации расхода были связаны с прохождением паровых снарядов в подъемной щели. Эднако температурных пульсаций внешней обогреваемой трубы обнаружено не было.

Отсутствие температурных пульсаций внешней обогреваемой грубы способствует более долговечной работе трубки Фильда.

Лично автором зыполнен расчет количества эядов трубок Фильда в ювом теплообменпом

шпарате с огневым збогревом для различных тепловых нагрузок, при -емпературе уходящих газов УА-= 130 °С (рис. 9).

Определение оптимального шсла трубок Фильда, :оответствующего опреде-[енной тепловой

тгрузке, способствует ■.нижению потерь

спла с уходящими газами и начительно повышает КПД .ппарата.

В результате расчета удельного расхода металла конвективных юверхностей второй конструкции и нового аппарата доказана экономическая ффективность использования газовых каналов с трубками Фильда.

1ыводы

Впервые проведены исследования количества выбросов токсичных

кВт

Рис.9. Зависимость числа рядов трубок Фильда в новом тсплообменном аппарате (п) от тепловой нагрузки {В<2/) при температуре уходящих газов 130 °С

веществ аппаратами с огневым обогревом и показано их негативно влияние на обслуживающий персонал компрессорных станци магистральных газопроводов.

2. Разработка новых конструкций аппаратов с огневым обогревом ; промежуточным теплоносителем способствует повышешн промышленной безопасности газотрубопроводного транспорта.

3. Выполненные исследования позволили установить режимы работ1 аппаратов, концентрация окиси углерода в выбросах которых равна пулю Это обстоятельство дает возможность значительно улучшит: жизнедеятельность обслуживающего персонала компрессорных станций.

4. Количество выбросов окиси углерода СО в уходящих газа: аппаратов однозначно определяется коэффициентом избытка воздуха ОС Так, при увеличении а от 0,9 до 1,5 СО уменьшается от 4,9 до 0 %. ITpi значении коэффициента избытка воздуха больше 1,5 или равным 1,5 СО -0, т. с. при величине a. 1,5 окись углерода в уходящих продукта сгорания отсутствует, а значит и отсутствуют потери тепла от химическоп недожога Исключение из тепловых потерь аппаратов с огневыл

обогревом способствует увеличению их КПД, что приводит к уменьшеншс расхода топлива, а значит и к снижению выбросов токсичных веществ i атмосферу.

5. Впервые были проведены исследования по определению выбросо1 токсичных оксидов азота, которые дают возможность оценить степеш влияния этих выбросов на безопасные условия труда персонала станций.

6. Проведенные исследования выбросов токсичных оксидов азотг выявили закономерность уменьшения концентрации NOx в уходящш продуктах сгорания при увеличении коэффициента избытка воздуха ОС Так, при возрастании а от 1,25 до 3,75 концентрация оксидов азотг уменьшается от 69,5 до 10,7 мг/м3. Подавляющую долю в оксидах азотг NOx составляет монооксид азота N0, в то время как величина диоксидг азота Ж>2 практически во всех опытах была равна нулю. Максимальное значение NOx в уходящих продуктов сгорания, полученное в опытах (NO> = 69,5 мг/м3), значительно меньше величины предельно-допустимогс значения выбросов NOx, находящегося в пределах от 120 до 240 мг/м3. Это

обстоятельство дает* возможность выбора режимов работы аппаратов с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем с невысоким значением коэффициента избытка воздуха а .

7. Впервые проведены экспериментальные и аналитические исследования по изучению циркуляционных характеристик в парогенерирующих элементах из трубок Фильда малой высоты и низких давлениях пара.

8. Температурные пульсации стенок наружной трубы испарительного элемента отсутствовали. Это обстоятельство предполагает долговечную работу газовых каналов с трубками Фильда в качестве конвективных поверхностей аппаратов с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем.

9. Получена новая расчетная инженерная зависимость для определения кратности естественной циркуляции испарительных элементов в виде трубок Фильда малой высоты и низких давлений пара.

10. Определен практический диапазон изменения геометрического параметра /щ / /о - 2 4- 4, отвечающий максимальным циркуляционным возможностям испарительного элемента. Доказано незначительное изменение циркуляционных характеристик в диапазоне изменения геометрического параметра /щ //о = 2 + 4.

11. Получена зависимость для инженерных расчетов оптимального значения (/щ/ /о ), соответствующего максимальным циркуляционным возможностям контура с естественной циркуляцией для малых длин испарительного канала.

12. Получено уравнение для определения высоты участка опускной трубы, необходимого для нагревания жидкости от температуры на входе в опускную трубу до температуры кипения.

13. Для обеспечения минимальных потерь тепла с уходящими газами, а значит и повышения КПД нового теплообменного аппарата с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем, определено оптимальное количество рядов трубок Фильда в газовых каналах, в зависимости от подведенной к аппарату тепловой нагрузки.

14. Доказана экономическая эффективность новой конструкции аппарата с конвективными поверхностями в виде газовых каналов с трубками Фильда.

Публикации по работе

1. Свиридов А. В. Исследование циркуляционных характеристик в испарительных элементах энергетических аппаратов с огневым обогревом // Моск. гос. ун-т. путей сообщ. (МИИТ). - М., 1999. - 13с.: 6 ил. -Библиогр. - 5 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ. - №1302-В99.

2. Федоров Л. Ф., Кащицкий Ю. А., Игнатьев М. П., Свиридов А. В. Повышение экономичности аппаратов с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 1999. - № 10. - С. 16-17.

3. Федоров JI. Ф., Кащицкий 10. А., Игнатьев М. П., Свиридов А. В. Исследование циркуляционных характеристик в испарительных элементах малой высоты // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 1999. - № 10.-С.10-12.

4. Свиридов A.B. Выбор оптимальной геометрии испарительного капала по максимальным циркуляционным характеристикам, выполненного по типу трубки Фильда. Тезисы докладов научно-практической конференции «Неделя науки». М.: МИИТ, 1999. - С. V-23.

Свиридов Антон Валерьевич Повышение безопасности эксплуатации и улучшение теплотехнических характеристик аппаратов с огневым обогревом, применяемых при транспортировке магистрального газа. Специальности: 05.26.04 - Промышленная безопасность

05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Объем:

Заказ: 335

Подписано к печати: 05.2ООО г. Формат бумаги: Тираж: 90 экз.

Типография МИИТ, 101475, ГСП, Москва, А-55, ул. Образцова, 15.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАБОТ, СВЯЗАННЫХ С ИЗУЧЕНИЕМ ФАКТОРОВ УЛУЧШЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОБСЛУЖИВАЮЩЕГО ПЕРСОНАЛА И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ РАБОТЕ АППАРАТОВ С ОГНЕВЫМ ОБОГРЕВОМ.

1.1. Влияние токсичных веществ, образующихся при сжигании органического топлива, на организм человека.

1.2. Виды аппаратов с огневым обогревом, установленных на компрессорных станциях газотрубопроводного транспорта.

1.3. Естественная циркуляция в испарительных элементах. Выбор оптимальной геометрии испарительного канала по максимальным циркуляционным характеристикам.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫБРОСОВ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВ И

СПОСОБЫ ИХ УМЕНЬШЕНИЯ.

2.1. Описание экспериментального стенда для количественного определения концентрации токсичных газов в уходящих продуктах сгорания.

2.2. Методика определения выбросов токсичных газов при работе аппаратов с огневым обогревом.

2.2.1. Методика определения в продуктах сгорания окиси углерода (СО).>.

2.2.2. Методика определения в продуктах сгорания углекислого газа (СО2), диоксида серы ($02) и кислорода (О2).

2.2.3. Методика определения в продуктах сгорания азота (ИОх).

2.2.4. Методика определения состава продуктов сгорания с помощью газоанализатора <2 ШЫТОХ.

2.3. Анализ результатов исследований выбросов токсичных газов аппаратами с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем.

2.3.1. Анализ результатов исследований выбросов окиси углерода (СО).

2.3.2. Анализ результатов исследований выбросов оксидов азота (N0%).

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АППАРАТОВ С ОГНЕВЫМ ОБОГРЕВОМ.

3.1. Описание новой конструкции аппарата и экспериментальной установки для исследований испарительного элемента, выполненного по типу трубки Фильда.

3.1.1. Описание новой конструкции аппарата с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем.

3.1.2. Описание экспериментальной конструкции испарительного элемента.

3.1.3. Описание измерительных приборов экспериментального стенда.

3.2. Экспериментальные исследования циркуляционных характеристик

3.2.1. Методика проведения эксперимента.

3.2.2. Методика обработки опытных данных. Результаты экспериментальных исследований.

3.2.3. Оценка точности эксперимента.

3.2.4. Определение высоты экономайзерного участка опускной трубы

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛО-ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ АППАРАТОВ С ПОВЫШЕННЫМ КПД.

-4стр.

4.1. Определение геометрического параметра (f щ/fo) соответствующего максимальным циркуляционным характеристикам трубки Фильда.

4.2. Определение циркуляционных характеристик трубки Фильда соответствующих диапазону геометрического параметра /щ//о = 2^4.

4.3. Определение температурных пульсаций стенки внешней обогреваемой трубы при неустойчивом движении циркулирующих масс потока.

4.4. Расчет количества рядов трубок Фильда в новом теплооб-менном аппарате с огневым обогревом для различных тепловых нагрузок, при температуре уходящих газов tyx=130°C.

4.4.1. ПостроениеI-t- диаграммы.

4.4.2. Тепловой расчет жаровой трубы.

4.4.3. Тепловой расчет задней камеры.

4.4.4. Тепловой расчет газовых каналов.

4.5. Расчет экономии металла в новом теплообменном аппарате с конвективными поверхностями в виде газовых каналов с трубками Фильда.

4.5.1. Расчет удельного расхода металла газовых труб, используемых в качестве конвективных поверхностей во второй конструкции аппарата.

4.5.2. Расчет удельного расхода металла газовых каналов с трубками Фильда, используемых в качестве конвективных поверхностей в новой конструкции аппарата.

ВЫВОДЫ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.

В настоящее время в РФ широкое распространение получил трубопроводный транспорт, служащий для транспортировки природного газа от газовых месторождений до потребителей газообразного топлива. Обеспечение безопасности при эксплуатации магистральных газопроводов представляет собой важную научно-техническую задачу.

На компрессорных станциях магистральных газопроводов установлены аппараты с огневым обогревом, предназначенные для подогрева газа, идущего на сжигание в камеры сгорания турбогенераторов, приводящих в действие компрессоры.

Одной из важнейших проблем современности является обеспечение нормальной жизнедеятельности как людей, непосредственно обслуживающих энергетические аппараты с огневым сжиганием топлива, так и людей проживающих в непосредственной близости от них.

Работа установок, связанная с сжиганием органического топлива, всегда создает условия для выбросов с уходящими газами токсичных и крайне опасных для здоровья людей составляющих, таких как: окись углерода СО, диоксид серы Б02, триоксид серы Б03, оксидов азота ЫОх (монооксидов азота N0, диоксида азота Ы02 и др), а при сжигании твердых топлив опасными являются также золовые частицы с элементами стронция и ксенона.

В настоящей работе выполнены экспериментальные исследования выбросов из дымовых труб при сжигании в энергетических аппаратах газообразного топлива.

Стремление обеспечить минимальное количество вредных выбросов с уходящими газами ставит задачу нахождения тех режимов и условий работы аппаратов, при которых эти выбросы будут минимизированы.

Второй, важнейшей проблемой является создание аппаратов, которые имели бы минимальные тепловые потери и максимальный коэффициент полезного действия. При увеличении КПД существенно уменьшается расход топлива, а следовательно и снижается количество выбросов. Поэтому важной задачей является создание энергетических аппаратов с огневым обогревом с высоким КПД и уменьшенными количественными значениями выбросов.

В частности, существует необходимость модернизации энергетических аппаратов с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем, используемых на компрессорных станциях магистральных газопроводов, с целью улучшения их теплотехнических, а значит и экологических характеристик. Для интенсификации теплообмена в аппаратах данного типа предлагается использование парогенерирующих каналов с естественной циркуляцией кипящей жидкости.

Процесс естественной циркуляции кипящей жидкости в современной теплоэнергетике широко используется как для производства пара, так и для интенсификации теплообмена в энергетических аппаратах.

Характерной особенностью этого процесса является перемещение масс жидкости и парожидкостных масс в замкнутом контуре без дополнительной затраты энергии на перемещение циркулирующего потока. Импульсом движения масс внутри циркуляционного контура является подвод тепла и образование пузырьков пара в обогреваемых каналах. Характеристика процесса естественной циркуляции зависит от тепловых, геометрических и гидродинамических особенностей контура.

В последнее время на изучение процессов естественной циркуляции в контурах различной формы сосредоточены значительные усилия. Однако, ввиду сложности этих процессов и большого разнообразия условий циркуляции, количественные закономерности и их механизм изучены недостаточно полно.

В связи с этим, исследование теплогидродинамических процессов в парогенерирующих каналах, разработка методов расчета естественной циркуляции, а также выбор оптимальных геометрических размеров каналов представляет собой актуальную научно-техническую задачу.

В настоящей работе выполнены экспериментальные и аналитические исследования естественной циркуляции в испарительных элементах из трубок Фильда. Были получены новые уравнения для определения различных циркуляционных характеристик и выбраны оптимальные геометрические размеры каналов малой высоты.

ВЫВОДЫ

1. Впервые проведены исследования количества выбросов токсичных веществ аппаратами с огневым обогревом, и показано их негативное влияние на обслуживающий персонал компрессорных станций магистральных газопроводов.

2. Разработка новых конструкций аппаратов с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем способствует повышению промышленной безопасности газотрубопроводного транспорта.

3. Выполненные исследования позволили установить режимы работы аппаратов, концентрация окиси углерода в выбросах которых равна нулю. Это обстоятельство дает возможность значительно улучшить жизнедеятельность обслуживающего персонала компрессорных станций.

4. Количество выбросов окиси углерода СО в уходящих газах аппаратов однозначно определяется коэффициентом избытка воздуха а . Так, при увеличении а от 0,9 до 1,5 СО уменьшается от 9,9 до 0 %. При значении коэффициента избытка воздуха больше 1,5 или равным 1,5 СО = 0, т. е. при величине а >1,5 окись углерода в уходящих продуктов сгорания отсутствует, а значит и отсутствуют потери тепла от химического недожога

Исключение д3 из тепловых потерь аппаратов с огневым обогревом способствует увеличению их КПД, что приводит к уменьшению расхода топлива, а значит и снижению выбросов токсичных веществ в атмосферу.

5. Впервые были проведены исследования по определению выбросов токсичных оксидов азота, которые дают возможность оценить степень влияния этих выбросов на безопасные условия труда персонала станций.

6. Проведенные исследования выбросов токсичных оксидов азота выявили закономерность уменьшения концентрации ЫОх в уходящих продуктах сгорания при увеличении коэффициента избытка воздуха а. Так, при возрастании а от 1,25 до 3,75 концентрация оксидов азота уменьшается от 69,5 до 10,7 мг/м3. Подавляющую долю в оксидах азота ЫОх составляет монооксид азота N0, в то время как величина диоксида азота И02 практически во всех опытах была равна нулю. Максимальное значение ИОх в уходящих продуктов сгорания, полученное в опытах (ЫОх - 69,5 мг/м3), значительно меньше величины предельно-допустимого значения выбросов ЫОх, находящегося в пределах от 120 до 240 мг/м3. Это обстоятельство дает возможность выбора режимов работы аппаратов с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем с невысоким значением коэффициента избытка воздуха а.

7. Впервые проведены экспериментальные и аналитические исследования по изучению циркуляционных характеристик в парогенерирующих элементах из трубок Фильда малой высоты и низких давлений пара.

8. Температурные пульсации стенок наружной трубы испарительного элемента отсутствовали. Это обстоятельство предполагает долговечную работу газовых каналов с трубками Фильда в качестве конвективных поверхностей аппаратов с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем.

9. Получена новая расчетная инженерная зависимость для определения кратности естественной циркуляции испарительных элементов в виде трубок Фильда малой высоты и низких давлений пара.

10. Определен практический диапазон изменения геометрического параметра /щ I /о ~ 2*4, отвечающий максимальным циркуляционным возможностям испарительного элемента. Доказано незначительное изменение циркуляционных характеристик в диапазоне изменения геометрического параметра /щ!/о~ 2*4.

11. Получена зависимость для инженерных расчетов оптимального значения ( /щ / /0 ), соответствующего максимальным циркуляционным возможностям контура с естественной циркуляцией для малых длин испарительного канала.

12. Получено уравнение для определения высоты участка опускной трубы, необходимого для нагревания жидкости от температуры на входе в опускную трубу до температуры кипения.

13. Для обеспечения минимальных потерь тепла с уходящими газами, а значит и повышения КПД нового теплообменного аппарата с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем, определено оптимальное количество рядов трубок Фильда в газовых каналах, в зависимости от подведенной к аппарату тепловой нагрузки.

14. Доказана экономическая эффективность новой конструкции аппарата с конвективными поверхностями в виде газовых каналов с трубками Фильда.

-143

1. Беликов С. Е., Котлер В. Р. Малые котлы и защита атмосферы // Энергоатомиздат, 1996. 126с.

2. Котлер В. Р., Резниченко Ю. Г. Опыт фирмы EER (США) по снижению выбросав оксидов азота и сернистого ангидрида на пылеугольных котлах // Теплоэнергетика. 1993. - № 8. - С. 69-72.

3. Гигиенические критерии состояния окружающей среды: Оксиды азота. -Женева: ВОЗ, 1981. Вып. 1.

4. Mosher J. С. The distribution of contamination in the Los Angeles Basin resulting from atmospheric reaction and transport // JAPCA.- I970.-Vol. 20, № 7.- P. 35-42.

5. Справочник по осуществлению государственного контроля за охраной атмосферного воздуха. М. Санкт-Петербург: «Симэк», 1994.

6. Fenimore С. Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flames // 13th Symposium Inst. Combustion. - Salt-Lake Citi. - Pistburg, 1970. - P. 374-384.

7. Bowman C. Investigabion of nitric oxide formation kinetic and technology // Combustion Scence and technology. -1971. Vol. 3, № 2. - P. 37-45.

8. Сигал И. Я., Гуревич Н. А., Ляскоронский В. Г. Исследование минимального выхода оксидов азота в пламенях метана, окиси углерода и водорода // Использование газа в нородном хозяйстве. М.: ВНИИЭгазпром, 1980. № 1. -С. 23-27.

9. Thomas J. Т., Shaw А. С. Oxides of Nitrogen in Relation to the Combustion of Coal // Paper presented at Conference on Coal Science. Prague, 1968. - № 6.

10. Reduction of Atmospheric Pollution by the Application of Fluidized Bed Combustion // A. A. Jonke e. a. Argone National Laboratory, Annual Report. -1969, July.- 1970.

11. И.Крутиев В. А., Горбаненко А. Д. Изучение влияния азотосодержащих присадок к топливу на образование оксидов азота // Теплоэнергетика. 1976. -№ 10. - С. 72-75.

12. Shaffstall D. R., Larson D. Н. Aerodinamic characteristics and pollution emissions from scaled industrial burners // AICHE Sumposium Series. 1975. -Vol. 71,№148.-P. 8-18.

13. Кашицкий Ю. А., Игнатьев M. П., Федоров JI. Ф., Воропаева Э. Н.

14. Теплотехнические исследования аппарата с огневым обогревом ипромежуточным теплоносителем // Газовая промышленность. 1996. - № 34. - С. 60-61.

15. Федоров Л. Ф., Некрасов А. В. Исследование циркулящюнных характеристик испарительного элемента, выполненного по типу трубки Фильда с естественной циркуляцией // Теплофизика высоких температур. -1965. -№3. С. 10-12.

16. Федоров Л. Ф., Некрасов А. В. Исследование теплогидродинамики парогенерирующего элемента трубки Фильда // Сб. Физико-энергетический институт. т. 4. - Обнинск, 1963.

17. Федоров Л. Ф., Титов В. Ф., Рассохин Н. Г. Парогенераторы атомных электростанций // Энергоатомиздат, 1992. -312с.

18. Федоров Л. Ф. Экспериментальное исследование естественной циркуляции в парогенераторе // Исследования и расчет теплообмена. М.: Машгаз, 1961.

19. Федоров Л. Ф., Шорин С. Н. Характеристики циркулярного потока в испарительных аппаратах // Химическое машиностроение. -1961. № 3.

20. Федоров Л. Ф., Попов В. Г., Воропаева Э. Н. Влияние схемы движения греющего теплоносителя на циркуляционные характеристики испарительного канала // Теплоэнергетика. -1978. № 8.

21. Федоров Л. Ф., Попов В. Г. Выбор оптимальной геометрии испарительного канала по максимальным циркуляционным характеристикам // Теплоэнергетика. 1976. - № 2. - С. 22-24.

22. Seban R. A., Shimazaki Т. Т. Heat transfer to a fluid flowing turbulently in a smooth pipe with walls at constant temperature // Trans. ASME. 1951. - № 6. -V. 73.

23. Попов В. Г. Оптимизация конструкции обратного элемента теплообменных аппаратов // Изв. вузов СССР. М.: Энергетика, 1987. - С. 79-83.

24. Федоров Л. Ф., Попов В. Г. К вопросу оптимизации систем испарительного охлаждения силовых полупроводниковых приборов // Вопросы теплообмена и гидродинамики транспортных и промышленных установок. М.: МИИТ, 1979.-Вып. 634.-С. 10-17.

25. Шенк X. Теория инженерного эксперимента.- М.: Мир, 1978. С. 381.

26. Линевег Ф. В. Измерение температур в технике // Справочник. М.: Металлургия, 1980. - с. 589.

27. Михеев М. А. Основы теплопередачи. М.: Энергоиздат, 1956.-145

28. Стерман JI. С., Стюшин H. Е. Влияние скорости циркуляции на теплообмен при кипении // Теплопередача и аэродинамика. М.: Высшая школа, 1951.

29. Кутателадзе С. С., Боришанский В. М. Справочник по теплопередаче. М.: Госэнергоиздат, 1959.

30. Graetz L. Uber die Warmeleitungsfahigkeiten der Flüssigkeiten // Annalen der Physik u. Chemie. 1883. -№ 18.

31. Leveque M. Les lois de la transmission de la chaleur // Annales des Mines, Avril 1928.

32. Noms R., Steid D. Laminar flow heat transfer coefficients for ducts // Trans. ASME. 1940. - № 6.

33. Федоров Л. Ф., Покровский С. M. Тепловой расчет парогенератора // Методические указания к курсовому и дипломному проектированию. М.: МИИТ, 1982.