автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Повышение эффективности проектных решений котлоагрегатов с естественной циркуляцией с использованием математического моделирования и вычислительной техники

На правах рукописи

БЕДНАРЖЕВСКИЙ ВЯЧЕСЛАВ СТАНИСЛАВОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ КОТЛОАГРЕГАТОВ С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 05.13.16 "Применение вычислительной техники,

математического моделирования и математических методов в научных исследованиях"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул-1998

Работа выполнена в ОАО "Сибэнергомаш".г.Барнаул

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Н.М. ОскорСин;

кандидат технических наук, доцент И.Д. Фурсов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

А.Б. Логов;

кандидат технических наук, с.н.с. А.А. Атавин

Ведущая организация: Институт теоретической и прикладной

механики СО РАН

Зашита состоится "18" декабря 1998 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 064.45.02 при Алтайском государственном университете (656099, г. Барнаул, ул.Димитрова,66).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного университета

Автореферат разослан "17" ноября 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета

Безносюк С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В современной энергетике значительное распространение получили котлоагрегаты (КА) с естественной циркуляцией. Они характеризуются высоким КПД, устойчивостью работы при отказах схем регулирования и имеют преимущества по экономическим и экологическим критериям. В настоящее время отечественные предприятия поставляют такие КА в энергосистему России и экспортируют их в более 30 стран мира.

Проектирование котлов с естественной циркуляцией встречает ряд существенных сложностей, в силу того, что не разработаны математическая модель и методика расчета изменений температуры, расхода и давления перегретого пара на выходе из КА при внешних и внутренних возмущениях.

Эти проблемы могут быть решены на основе использования методов математич е ского моделирования, средств вычислительной техники и систем автоматизированного проектирования(САПР).

Основными целями создания САПР КА являются сокращение сроков разработки и запуска их в производство за счет более совершенной организации всего цикла проектирования; оценка проектных решений на моделях на стадии эскизного проектирования; повышение качества и конкурентоспособности КА путем внедрения новых методов проектирования, включая геометрическое моделирование, математические метода анализа и оптимизацию будущей конструкции.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности проектных решений КА с естественной циркуляцией за счет использования математического моделирования динамических режимов, методов автоматизированного проектирования, создание специализированной САПР КА с естественной циркуляцией и проверка эффективности ее использования на практике.

Для реализации данной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разрабатывается динамическая математическая модель КА с повышенной степенью радиационное™ пароперегревателя;

2. Проводится исследование на модели показателей устойчивости КА в режиме нормальной эксплуатации и разрабатываются рекомендации по выбору тепловой схемы котла и области значений ее параметров;

3. Обосновывается схема САПР КА с учетом использования в ней результатов расчета динамических характеристик и разрабатываются алгоритмы и программы для выполнения отдельных расчетов;

4. Проверяются расчеты динамических характеристик и САПР при 'проектировании опытно-промышленного котельного агрегата.

Научная новизна

1. Разработана динамическая многостадийная математическая модель КА с естественной циркуляцией с повышенной степенью радиационное™ пароперегревателя в виде системы обыкновенных дифференциальных и алгебраических уравнений, позволяющая при внешних и внутренних возмущениях рассчитывать изменения температуры, расхода и давления перегретого пара на выходе из КА.

2. Проведены комплексные исследования динамических характеристик КА с естественной циркуляцией при ступенчатых возмущаших воздействиях, на основе которых разработаны рекомендации по выбору конструкции и области значений параметров на этапе проектирования.

3. Разработаны схема автоматизированного проектирования КА с использованием математических моделей динамических характеристик и рекомендаций по проектированию, алгоритмы и программы для

выполнения отдельных расчетов.

•Практическая ценность

Результаты расчетов по разработанной в диссертации методике проектирования позволяют обеспечить режим саморегулирования КА, включая выдачу котлом проектной температуры пара в условиях изменения нагрузки, что способствует повышению КПД и безопасности эксплуатации КА. Разработанное математическое и программное обеспечение включено в состав САПР КА с естественной циркуляцией,

внедрено в ОАО "Сибэнергомаш" (Барнаул) и передано в следующие организации: наладочно-ремонтное производственно-техническое предприятие "Энергобумпром" (Москва), НПО "Волгограднефтемаш"; ГИВЦ Министерства энергетического машиностроения; предприятие "Сахпромэнергоналадка" (Киев), ПО "Тихорецкпутьмаш", "ПКТБхиммаш" (Пермь), ПО "Завод имени Серго" (Зеленодольск), Таганрогский завод "Красный котельщик", институт "Гипрокомбайтром" (Ростов-на-Дону), Усть-Каменогорский свинцово-цинковый комбинат. Работа выполнялась в соответствии с заданиями Целевой комплексной проблемы ОЦ.002 и Постановления ГКНТ СССР от 29.12.81 г.

Автор защищает:

1. Многостадийную динамическую модель КА, которая позволяет проводить в составе САПР расчеты изменений выходных параметров КА (температуры, расхода,давления перегретого пара) при возмущении по'тепловыделению и при изменении параметров тепловой схемы котла.

2. Полученную методом математического моделирования область значений параметров и варианты тепловой схемы пароперегревателя КА типа БКЗ 420-140 с номинальной мощностью 130 МВт.

3. Схему автоматизации проектирования и вариант САПР, позволяющих проводить проектные работы энергетических котлов в соответствии с нормативными требованиями по динамике, повысить эффективность проектных решений при сокращении сроков и затрат на выполнение проектных работ.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы и результаты исследований опытно-промышленного котла БКЗ 420-140-9 (Усть-Илимск) докладывались и обсуждались на международных и всесоюзных технических конференциях, семинарах, технических совещаниях (Москва - 1990; Усть-Илимск - 1986,1991; Барнаул - 1990,1997), на Международной научно-практической конференции "Новые информационные технологии

б университетском образовании" (Новосибирск - 1997), на заседании секции научного совета ГКНТ СССР по проблеме "Массо- и теплоперено! в технологических процессах" (Усть-Илимск - 1990), на заседаниях НТС АО "Сибэнергомаш", АлтГТУ, АГУ (Барнаул - 1997), на совместном семинаре Сибирского отделения Международного института нелинейных исследований СО РАН и Института математики СО РАН (Новосибирск-1997), на XXXV Международной научной студенческой конференции (Новосибирск - 1997), на Международной конференции "Проблемы устойчивого развития общества и эволюция жизненных сил населения Сибири на рубеже ХХ-ХХ1 веков" (Барнаул - 1997), на Первой краевой конференции по математике, посвященной 25-летию Алтайского госуниверситета (Барнаул - 1998).

Публикации. Основные материалы диссертации изданы в 20 публикациях.

Содержание и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения (168 страниц текста, в т.ч. 26 рисунков, библиография - 178 наименований).

Содержание работы

В первой главе приводится обзор публикаций по методам оценки

эффективности проектных решений котлоагрегатов с использованием

вычислительной техники и математического моделирования, разработки

автоматизированных систем проектирования. Проведен анализ

существующего программного обеспечения для проектирования КА:

конструктивного и поверочного тепловых, аэродинамического, гидравлического расчетов, а также расчетов перепада давления

по паровому тракту, прочности элементов котла, цельносварных

экранов, параметров системы пылеприготовления и др.

. Автоматизация проектирования теплоэнергетических установок,

проблемы динамики и регулирования котлоагрегатов рассматривались

в работах Л.С. Попырина, В.А. Иванова, В.Я. Ротача, Л.С. Шуйской,

Е.П. Серова, Б.П. Королькова и др.

В ходе литературного обзора установлено:

1. В настоящее время не разработана математическая модель КА с естественной циркуляцией и повышенной степенью радиавдонности пароперегревателя.

2. Наиболее перспективным для решения задачи расчета динамических характеристик котлоагрегата может быть выбран метод, отличительные признаки которого:

использование системы обыкновенных дифференциальных уравнений совместно с алгебраическими;

- учет многостадийности, т.е. котлоагрегат следует рассматривать при моделировании как сложный химико-технологический комплекс, состоящий из отдельных стадий и связей между ними. Структура модели должна соответствовать структуре котлоагрегата и включать уравнения материального и теплового балансов, расхода рабочей среды, теплопередачи;

- для решения задач проектирования котлоагрегата с естественной циркуляцией динамическую модель достаточно записать в

окрестности номинального режима.

Во второй главе разработана динамическая математическая

модель котлоагрегата с естественной циркуляцией на примере головного котла Усть-Илимской ТЭЦ.

Отличительной особенностью тепловой схемы (рис. 1) является наличие радиационной ступени пароперегревателя в топке и восьми двухсветных испарительных панелей.

Математическая модель включает систему линейных дифференциальных и алгебраических уравнений с постоянными коэффициентами и записана в предположении, что котельный агрегат является линейной детерминированной системой в условиях малых возмущений.

Котлоагрегат разбит на девять расчетных участков (рис. 1).

а

3

Рис. 1. Расчетные схемы пароводяного (а), газовоздушного (б) трактов: 1-9 - расчетные участки

Для каждого участка дано математическое описание происходящих в

нем процессов путем составления линейных дифференциальных и

алгебраических уравнений. Все расчетные участки рассматриваются

как участки с сосредоточенными параметрами. Котел разбивается

на две группы участков. К первой группе относится циркуляционный

контур котлоагрегата как участок с двухфазной средой. Ко второй

группе относятся все участки котла с однофазной средой.

Система уравнений для циркуляционного контура (участок 1)

представлена уравнениями (1)-(5). Система уравнений для

однофазных участков представлена уравнениями (6)-(Ю).

Двухфазный участок. Уравнение материального баланса

пароводяной смеси:

уравнение теплового баланса: уравнение расхода:

А.=г(Фр>е); уравнение газовоздушного тракта:

^(Мв.ь.Фе ); изменение температуры газов на выходе из топки:

ф=£(Ц,

Однофазный участок (пароперегреватель и экономайзер), теплового баланса:

Ф±=Г (фр,ф9,АЛ.,Дсрр1е);

уравнение расхода:

(Дфр,е);

уравнение теплообмена:

ЧЧ^Че.р.Ив.ь^

уравнение теплового баланса газовоздушного тракта:

ФГ£(ДФ^В>Ь); уравнение материального баланса:

(1) (2)

(3)

(4)

(5) Уравнение

(6)

(7)

(8) (9) (Ю)

(Фр.фд).

Также добавляются уравнения расхода пара по паропроводу:

(11)

расхода пара через регулирующий клапан турбины:

A=X((ppi6jp,|iT). (12)

где А,цв ь,ф^,ф0,фе ,(Рр,ф,ф^,цт - относительные значения,

соответственно, расход воды (пара), топлива, воздуха; температура ■газов, пара, воздуха; давление, тепловосприятие, уровень воды в 'барабане, положение клапана перед турбиной; ЛА-.Дф^ g р - разность на входе и выходе из участка соответствующих величин; точка над относительной величиной обозначает первую производную по времени; i - индекс расчетных участков.

В результате получена система из 18 дифференциальных и 28 алгебраических уравнений, которая решалась методом Рунге-Кутта, реализованном в пакете специальных программ Научно-производственного объединения по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова (АО НПО ЦКТИ).

С учетом новизны схемы котла БКЗ 420-14-0-9, расположение ступени пароперегревателя в топочном объеме, и отсутствия расчетных данных по динамике подобного котла представляется инт е ресным определить комплекс его динамических характеристик. Они определены для котла, работающего без регуляторов, и представлены на рис. 2, из которого видно, что наиболее сильными являются возмущения расходом воздуха и топлива.

Одним из условий безаварийной работы котельного агрегата является устойчивость его работы в переменных режимах. Тепловую схему котла необходимо спроектировать так, чтобы при отказе автоматических систем регулирования (АСР) котлоагрегат будет давать проектную температуру пара на выходе из пароперегревателя через определенное время после внесения возмущающих воздействий.

На стадии проектирования разработан алгоритм выбора параметров тепловой схемы пароперегревателя котла и АСР (рис. 3). Для выбранного КА рассчитаны переходные процессы соответствующие различным параметрам настройки регуляторов АСР.

Рис. г. Отклонение температуры Авд (а), давления АРд (б) и расхода пара ДА.д(в) от номинального значения на выходе из пароперегревателя:возмущения 1 - расходом впрыска 1; 2 - расходом впрыска 2; з - расходом водяного экономайзера; 4 - расходом топлива; 5 - расходом воздуха; 6 - температурой впрыска 1; 7 - температурой впрыска 2

Учитывалось требование о том, АСР температуры пара при скачкообразном изменении нагрузки на 10% номинальной должна обеспечить максимальное отклонение температуры пара на выходе из котла на величину, не превышающюю 8°с, а значение интегрального квадратичного отклонения должно быть не более 5000°с/с.

Известно, что применение радиационно-конвективного пароперегревателя снижает колебания (в статике) температуры перегретого пара при переменных нагрузках. Характеристикой таких пароперегревателей является степень радиационности (СР) отношение радиационного тешювосприятия пароперегревателя к его полному тепловосприятию. В нашем случае радиационными являются ширмовые пароперегреватели и радиационная ступень в топке котла. Пароперегреватель изменяли так, чтобы степень радиационности была равна 0.2, 0.3, 0.4, о.5. Тепловой расчет проводили в режиме диалога, при этом изменялись параметры КА. В результате получен график отклонения температуры пара в выходной ступени пароперегревателя, приведенный на рис. 4. Рекомендуемые значения параметров КА, приведены в таблице 1 (где п/п - пароперегреватель, ц.к. - циркуляционный контур).

В третьей главе отражается реализация в системе автоматизированного проектирования котлоагрегатов с естественной циркуляцией результатов исследования динамических режимов, проведен анализ уровня систем автоматизированного проектирования в данной области проектирования и ставится задача совершенствования САПР рассматриваемых КА.

В предложенной схеме САПР реализуется традиционная технология проектирования, включающая разработку эскизного проекта (рис. 5), в котором с помощью теплового расчета определяются основные конструктивные характеристики поверхностей нагрева. На стадии технического проекта выполняются остальные расчеты. При рабочем проектировании осуществляется детальная проработка

сосфо&лечие

ИАше^сипимескоО

мобели

расчет

динамических

характеристик

1

мобелиробпние АСР

расчет перехаЭ-ных процессо5 при пллоте АСР

| ^ре I ооЭпые. гооиеоз>

| ДД

конец троектиробания

теплобой расчет котла 5 режиме диалога

!

^-'изменять Инструкцию

-^КиГП/Ю. ^

НЕТ

изменение

конструкции

котла

\ДА

изменение схемы АСР

Рис. з. Блок-схема алгоритма в конструкции котлоагрегата на стадии проектирования

14 Таблица 1

Рекомендуемые для эскизного проектирования значения параметров КА с естественной циркуляцией для блока 130 МВт.

Л Степень Масса Тепловосприятие Отклонение темпе-

вари- радиационное™ "активного" . Кдж/кг ратуры и расхода

анта пароперегрева- металла, при ю%-ном воз-

теля котлоаг- ю- ' кг мущении топливом

регата п/п ц.к. п/п ц.к. дед,0о|дл9,кг/с

1 0,5 170 300 950 1200 3 10,05

2 0,4 190 280 970 1160 -6 12,0

3 0,3 220 250 990 1120 -15- 15,0

4 0,2 240 230 1040 1080 -23 17,5

|_I.

5 10 15 С.ж

Рис. 4. Отклонение температуры Д9д от номинального значения при возмущении 10%-ным расходом топлива: 1 - СР=о,5; 2 - СР=0,4; 3 - СР=0,3; 4 - СР=0,2

всех узлов и выпускаются рабочие чертежи. Укрупненно каждый расчет выполняется с использованием поэтапно получаемых исходных данных,

схема которых имеет вид:

Конструктивный тепловой расчет: НН=Г(Р) (13)

Поверочный тепловой расчет: св=г(НН) (14)

Аэродинамический расчет: г=£(0 (15)

Гидравлический расчет: С=:Г(НН,ТТ) (16)

Расчет температуры стенки трубы: ТБ=Х(ТР,К) (17)

Расчет перепада давления по паровому тракту: гр=х(к,ш) (18)

Расчет на прочность элементов котла: бм=*(К,тт,31) (19)

Расчет на прочность цельносварных экранов: 31С=г(к,та) (20)

Расчет динамических характеристик: вш=х(О.н.св.ТБ.гР) (21)

Расчет системы пылеприготовления: ти=1(ОТ!) (22) Расчет на прочность цельносварных газоплотных потолков:

БЬ=£(К,а) (23)

Расчет каркаса котла: ЦР=г(РК) (24)

Расчет на самокомпенсацию трубопроводов: Ь=Г(К,ТТ) (25)

Расчет надежности работы поверхностей нагрева: ш=:Г№) (26)

Условные обозначения в уравнениях: нн - конструктивные характеристики поверхностей нагрева; р - исходные данные для проекта котлоагрегата (паропроизводительность, вид топлива, температура и давление перегретого пара, температура питательной воды, уходящих газов и воздуха); вБ - характеристики потока газов и диаметры труб; 2 - сопротивление газовоздушных трактов; в -характеристики потока пароводяной смеси (истинный расход, действительная скорость, кратность циркуляции); тт теплотехнические данные теплового расчета; тэ - температура стенки трубы; тр - температура пара; к - конструктивные характеристики трубы (диаметр, толщина стенки); гр - сопротивление тракта и давления среды; V? - скорость пара; БМ - минимальная толщина стенки трубы; 31 - допустимые напряжения; 8Ю - суммарные напряжения; ТИ

Рис. 5. Схема информационных потоков:

т - температура, V? - скорость, ь - расход, н - поверхность нагрева, Б - толщина стенки, г - сопротивление, р - давление, БКМА-напряжение

- температура горячего воздуха и производительность мельниц, сепараторов и т.д.; Ш? - вид и количество топлива; БЬ - прогибы потолков и эгпоры напряжений; о - нагрузки; ир - устойчивость и прочность балок каркаса; ря - прочностные характеристики элементов (площадь, момент сопротивления поперечного сечения, момент инерции, нагрузка); ш - параметр потока вынужденных остановов; ж

- количество стыков, сгибов, прямых участков сварных труб; ь -удлинения трубопроводов.

Разработаный вариант САПР в основных блоках реализован на персональных ЭВМ, позволил значительно сократить сроки и затраты на выполнение проектных работ.

Основные результаты диссертационной работы

1. Разработана динамическая многостадийная математическая модель КА с естественной циркуляцией в виде системы обыкновенных дифференциальных и алгебраических уравнений, позволяющая при внешних и внутренних возмущениях рассчитывать изменения температуры, расхода и давления перегретого пара на выходе из КА. Расчеты по предложенной модели предусмотрено проводить с использованием существующих пакетов программ анализа динамических характеристик котлоагрегатов.

2. Проведены выбор коэффициентов модели и экспериментальная проверка адекватности модели при расчетах переходных режимов котлоагрегатов с естественной циркуляцией с использованием разработанной математической модели. Показано, что увеличение степени радиационности пароперегревателя от 0,2 до 0,5 стабилизирует температуру пара на выходе из котлоагрегата при работе его в переходных режимах. Получены зависимости параметров переходного процесса промышленного котлоагрегата (температуры, давления и расхода перегретого пара на выходе из котлоагрегата). Найдена область значений параметров тепловой схемы при проектировании котлоагрегата с естественной циркуляцией для блока

мощностью 130 МВт. Расчетная методика апробирована на экспериментальном котле БКЗ 420-140-9 Усть-Илимской ТЭЦ и позволила повысить КПД котлоагрегата на 0,2% при сокращении затрат на выполнение проектных работ.

3. Путем проверки различных вариантов компоновки макетных CAIIF на ЭВМ выбрана схема САПР котлоагрегата, которая обеспечивает выполнение требований к расчету его динамических характеристик. Показано, что разработанная САПР позволяет уменьшить трудозатрать конструктора и повысить эффективность выполнения работ пс проектированию котлоагрегата.

4. Отработана технология автоматизированного проектирования, позволяющая ускорить нахождение конструктором приемлемого варианта котлоагрегата. Показано, что разработанная программная сред? способствует улучшению качества проектирования по следующю показателям:

- стабильность динамических характеристик;

- повышение надежности работы поверхностей нагрева;

- повышение маневренности котлоагрегата.

5. Результаты диссертационной работы по моделирование

динамических режимов и программные средства САПР переданы дл; использования при проектировании котлов в ОАО "Сибэнергомаш", отдельные результаты используются в ряде организаций и предприятий связанных с проектированием и созданием энергетических котельны. установок.

Список основных научных работ по теме диссертации

1. Кравчук Т.Н., Беднаржевский B.C. Разработка учебных програк теплового расчета парогенератора для машины ЕС-Ю20 //Изв. вузо "Энергетика", 1978. J6 9. С.142.

2. Беднаржевский B.C. Расчет объемов продуктов сгорания, энталыш и теплового баланса парогенератора на автоматизированном рабоче

лесте конструктора. Энергетическое машиностроение// Экспресс-информация, М.: НММЭинформэнергомаш, 1985. Вып. 2. С.5-8. 3. Беднаржевский B.C. Расчетные исследования динамических сарактеристик котлоагрегата с повышенной степенью радиационности 1ароперегревателя. Энергетическое машиностроение//

Экспресс-информация, М.: НИИЭинформэнергомаш, 1985. Вып*. 7. С.9-14. 4-. Беднаржевский B.C. Математическая модель котлоагрегата с ювышенной степенью радиационности пароперегревателя. Энергетическое машиностроение// Экспресс-информация, М.: ШЭинформэнергомаш, 1985. Вып. 6. С. 1-7.

>. Беднаржевский B.C. Методика расчета на ЭВМ повышения надежности заботы пароперегревателя котлоагрегата. Энергетическое «ашиностроение // Экспресс-информация, М.: НИИзкономики, 1986. Зып. 6, С.11-15.

5. Беднаржевский B.C. Программа теплового расчета котлоагрегата на iPM-M в режиме диалога. Энергетическое машиностроение// Экспресс-информация, М.: НИИзкономики, 1986. Вш. 7, С.1-3. '. Беднаржевский B.C., Теренина Л.В. Комплекс программ для расчета ia прочность элементов теплоэнергетических установок // Информ.сб. !.: ЩШТЭИтяжмаш, 1989. Сер. 9- Вып. 15, С.22-25. !. Беднаржевский B.C. Пакет прикладных программ теплового расчета ютлоагрегата на малых (мини) ЭВМ //Информ.сб. М.:' ЦНШТЭИтяжмаш, 989. Сер. 9, Вып. 21. С.15-19.

Беднаржевский B.C. Влияние конструкции котлоагрегата на его лнамику // Информ.сб. М.: ЦНШТЭИтяжмаш, 1990. Сер. 9,Вып. 5, 15-19.

0. Беднаржевский B.C. Графический вывод результатов теплового 1асчета котлоагрегата на автоматизированном рабочем месте, нергетическое машиностроение // Экспресс-информация, М.: НИИТЭИтяжмаш, 1991. Сер. 13-1. Вып. 3- С.13-15.

1. Беднаржевский B.C. Комплекс пакетов прикладных программ для

автоматизированного проектирования котлоагрегата на АРМ-М // Тяжелое машиностроение. 1992. а 12. С.33-35.

12. Беднаржевский B.C. Оптимизация динамически устойчивого котлоагрегата // Тяжелое машиностроение. 1994. J6 1. С.15-18.

13. Беднаржевский B.C. Автоматизированное проектирование котлоагрегата и его узлов // Тяжелое машиностроение. 1994. № 4. С.14-17.

14. Беднаржевский B.C. Оптимизация алгоритма теплового расчета котлоагрегатов // Тяжелое машиностроение. 1994. J6 8. С.5-6.

15- Беднаржевский B.C. Автоматизированное проектирование коллекторов энергетических котлов на ПЭВМ IBM PC // Тяжелое машиностроение. 1994. JS 11-12. С.13-14, 32.

16. Беднаржевский B.C. Автоматический 'тепловой расчет котлоагрегата на ЭВМ //Изв. вузов "Энергетика". 1995. J6 1-2. С.54-57.

17. Беднаржевский B.C. Графический диалог для теплового расчета котлоагрегата // Тяжелое машиностроение. 1996. £ 9- С.31-33-

18. Беднаржевский B.C. Оптимизация математического обеспечения задач проектирования котлоагрегатов // Тяжелое машиностроение. 1997. А 6. С.11-13.

19. Беднаржевский B.C. Математические модели - основа систем автоматизированного проектирования паровых котлов // Теплоэнергетика. 1997. Л 9. С.20-23.

20. Беднаржевский B.C. Параметрические модели в САПР котлоагрегатов // Изв. вузов "Энергетика". 1997. № 7-8. С.76-79.

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ' АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

/ , > \ / х'

\'lL М УДК 621.181 Беднаржевский Вячеслав Станиславович

/ . На правах рукописи

УЛ 4

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ КОТЛОАГРЕГАТОВ С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители доктор технических наук, профессор Оскорбин Н.М., кандидат технических наук, доцент Фурсов И.Д.

Барнаул - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................ 4

1 . ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОТЛОАГРЕГАТОВ С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ

1.1 Схема котлоагрегатов с естественной циркуляцией и

и задачи их проектирования....................... 13

1.2 Обзор литературы по моделированию котлоагрегата

на ЭВМ........................................... 16

1.3 Обоснование метода моделирования................. 24

2. РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КОТЛА С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ

2.1 Основные уравнения модели...........„,........... зо

2.2 Идентификация параметров модели в процессе проектирования........... ....................... 35

2.3 Программное обеспечение расчета модели............ 41

2.4 Проверка пригодности модели по результатам испытаний промышленного котлоагрегата............ 43

2.5 Обоснование конструкции, выбор вариантов и значений параметров при проектировании котлоагрегата

2.5.1 Исследование саморегулируемости котла

с естественной циркуляцией................. 46

2.5.2 Оценка области значений параметров при проектировании котлоагрегата...................58

3. ВОПРОСЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОТЛОАГРЕГАТА С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ

3.1 Разработка схемы автоматизированного проектирования................................... 60

3.2 Алгоритмы теплового расчета -котлоагрегата в

составе САПР

3.2.1 Алгоритм конструктивно-поверочного

теплового расчета ......................... 67

3-2.2 Алгоритм автоматического теплового расчета

котлоагрегата.............................. 96

3.2.3 Алгоритм теплового расчета в режиме

графического диалога....................... 99

3-3 Алгоритмы прочностных расчетов элементов

котлоагрегата в составе САПР..................... Ю1

......-3-.4 Алгоритмы аэродинамического расчета котла,.

гидравлического расчета пароперегревателя и

надежности работы поверхностей нагрева........... 110

3-5 Визуализация и документирование результатов

расчетов в составе САПР.......................... 116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................. 122

ЛИТЕРАТУРА.............................................. 124

ПРИЛОЖЕНИЯ

П1. База данных "Котлоагрегат"....................... 139

П2. Схема расчета устойчивости по возмущениям........ 165

ПЗ- Использование САПР при проектировании

котлоагрегата БКЗ 420-140-9...................... 166

П4. Справки о внедрении результатов диссертационной

работы........................................... 167

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В современной энергетике значительное распространение получили котлоагрегаты (КА) с естественной циркуляцией. Они характеризуются высоким КПД, устойчивостью работы при отказах схем регулирования и имеют преимущества по экономическим и экологическим критериям. В настоящее время отечественные предприятия поставляют такие КА в энергосистему России и экспортируют их в более 30 стран мира.

Проектирование котлов с естественной циркуляцией встречает ряд существенных сложностей, в силу того, что не разработаны математическая модель и методика расчета изменений температуры, расхода и давления перегретого пара на выходе из КА при внешних и внутренних возмущениях.

Эти проблемы могут быть решены на основе использования методов математиче ского моделирования, средств вычислительной техники и систем автоматизированного проектирования(САПР).

Основными целями создания САПР КА являются сокращение сроков разработки и запуска их в производство за счет более совершенной организации всего цикла проектирования; оценка проектных решений на моделях на стадии эскизного проектирования; повышение качества и конкурентоспособности КА путем внедрения новых методов проектирования, включая геометрическое моделирование, математические методы анализа и оптимизацию будущей конструкции.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности проектных решений КА с естественной циркуляцией за счет использования математического моделирования динамических режимов, методов автоматизированного проектирования, создание специализированной САПР КА с естественной циркуляцией и проверка эффективности ее использования на практике.

Для реализации данной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разрабатывается динамическая математическая модель КА' с повышенной степенью радиационности пароперегревателя;

2. Проводится исследование на модели показателей устойчивости КА в режиме нормальной эксплуатации и разрабатываются рекомендации по выбору тепловой схемы котла и области значений ее параметров;

3. Обосновывается схема САПР КА с учетом использования в ней результатов расчета динамических характеристик и разрабатываются алгоритмы и программы для выполнения отдельных расчетов;

4. Проверяются расчеты динамических характеристик и САПР при проектировании опытно-промышленного котельного агрегата.

Научная новизна

1. Разработана динамическая многостадийная математическая модель КА с естественной циркуляцией с повышенной степенью радиационности пароперегревателя в виде системы обыкновенных дифференциальных и алгебраических уравнений, позволяющая при внешних и внутренних возмущениях рассчитывать изменения температуры, расхода и давления перегретого пара на выходе из КА.

2. Проведены комплексные исследования динамических характеристик КА с естественной циркуляцией при ступенчатых возмущающих воздействиях, на основе которых разработаны рекомендации по выбору конструкции и области значений параметров на этапе проектирования.

3. Разработаны схема автоматизированного проектирования КА с использованием математических моделей динамических характеристик и рекомендаций по проектированию, алгоритмы и программы для

выполнения отдельных расчетов.

Практическая ценность

Результаты расчетов по разработанной в диссертации методике проектирования позволяют обеспечить режим саморегулирования КА, включая выдачу котлом проектной температуры пара в условиях изменения нагрузки, что способствует повышению КПД и безопасности эксплуатации КА. Разработанное математическое и программное обеспечение включено в состав САПР КА с естественной циркуляцией,

внедрено в ОАО "Сибэнергомаш" (Барнаул) и передано в следующие организации: наладочно-ремонтное производственно-техническое предприятие "Энергобумпром" (Москва), НПО "Волгограднефтемаш"; ГИВЦ Министерства энергетического машиностроения; предприятие "Сахпромэнергоналадка" (Киев), ПО "Тихорецкпутьмаш", "ПКТБхиммаш" (Пермь), ПО "Завод имени Серго" (Зеленодольск), Таганрогский завод "Красный котельщик", институт "Гипрокомбайнпром" (Ростов-на-Дону), Усть-Каменогорский свинцово-цинковый комбинат. Работа выполнялась в соответствии с заданиями Целевой комплексной проблемы 0Ц.ОО2 и Постановления ГКНТ СССР от 29.12.81 г.

Автор защищает:

1. Многостадийную динамическую модель КА, которая позволяет проводить в составе САПР расчеты изменений выходных параметров КА (температуры, расхода,давления перегретого пара) при возмущении по тепловыделению и при изменении параметров тепловой схемы котла.

2. Полученную методом математического моделирования область значений параметров и варианты тепловой схемы пароперегревателя КА типа БКЗ 420-140 с номинальной мощностью 130 МВт.

3. Схему автоматизации проектирования и вариант САПР, позволяющих проводить проектные работы энергетических котлов в соответствии с нормативными требованиями по динамике, повысить эффективность проектных решений при сокращении сроков и затрат на выполнение проектных работ.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы и результаты исследований опытно-промышленного котла БКЗ 420-140-9 (Усть-Илимск) докладывались и обсуждались на международных и всесоюзных технических конференциях, семинарах, технических совещаниях (Москва - 1990; Усть-Илимск - 1986,1991; Барнаул - 1990,1997), на Международной научно-практической конференции "Новые информационные технологии

в университетском образовании" (Новосибирск - 1997), на заседании секции научного совета ГКНТ СССР по проблеме "Массо- и теплоперенос в технологических процессах" (Усть-Илимск - 1990), на заседаниях НТС АО "Сибэнергомаш", АлтГТУ, АТУ (Барнаул - 1997), на совместном семинаре Сибирского отделения Международного института нелинейных исследований СО РАН и Института математики СО РАН (Новосибирск-1997), на XXXV Международной научной студенческой конференции (Новосибирск - 1997), на Международной конференции "Проблемы устойчивого развития общества и эволюция жизненных сил населения Сибири на рубеже XX-XXI веков" (Барнаул - 1997), на Первой краевой конференции по математике, посвященной 25-летию Алтайского госуниверситета (Барнаул - 1998).

Публикации. Основные материалы диссертации изданы в 118 публикациях [6 - 115, 175 - 177].

Содержание и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения (168 страниц текста, в т.ч.

26 рисунков, библиография - 178 наименований).

В первой главе приводится обзор публикаций по методам оценки

эффективности проектных решений котлоагрегатов с использованием

вычислительной техники и математического моделирования, разработки

автоматизированных систем проектирования. Проведен анализ

существующего программного обеспечения для проектирования КА:

конструктивного и поверочного тепловых, аэродинамического, гидравлического расчетов, а также расчетов перепада давления

по паровому тракту, прочности элементов котла, цельносварных

экранов, параметров системы пылеприготовления и др.

Автоматизация проектирования теплоэнергетических установок,

проблемы динамики и регулирования котлоагрегатов рассматривались

в работах Л.С. Попырина, В.А. Иванова, В.Я. Ротача, Л.С. Шумской,

Е.П. Серова, Б.П. Королькова и др.

В ходе литературного обзора установлено:

1. В настоящее время не разработана математическая модель КА

с естественной циркуляцией и повышенной степенью радиационности пароперегревателя.

2. Наиболее перспективным для решения задачи расчета динамических характеристик котлоагрегата может быть выбран метод, отличительные признаки которого:

использование системы обыкновенных дифференциальных уравнений совместно с алгебраическими;

- учет многостадийности, т.е. котлоагрегат следует рассматривать при моделировании как сложный химико-технологический комплекс, состоящий из отдельных стадий и связей между ними. Структура модели должна соответствовать структуре котлоагрегата и включать уравнения материального и теплового балансов, расхода рабочей среды, теплопередачи;

- для решения задач проектирования котлоагрегата с естественной циркуляцией динамическую модель достаточно записать в

окрестности номинального режима.

Во второй главе разработана динамическая математическая

модель котлоагрегата с естественной циркуляцией на примере головного котла Усть-Илимской ТЭЦ.

Математическая модель включает систему линейных дифференциальных и алгебраических уравнений с постоянными коэффициентами и записана в предположении, что котельный агрегат является линейной детерминированной системой в условиях малых возмущений.

Котлоагрегат разбит на девять расчетных участков. Для каждого участка дано математическое описание происходящих в нем процессов путем составления линейных дифференциальных и алгебраических уравнений. Все расчетные участки рассматриваются как участки с сосредоточенными параметрами. Котел разбивается на две группы участков. К первой группе относится циркуляционный контур котлоагрегата как участок с двухфазной средой. Ко второй

группе относятся все участки котла с однофазной средой.

В результате получена система из 18 дифференциальных и 28 алгебраических уравнений, которая решалась методом Рунге-Кутта, реализованном в пакете специальных программ Научно-производственного объединения по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И. И. Ползунова (АО НПО ЦКТИ).

С учетом новизны схемы котла БКЗ 420-140-9, расположение ступени пароперегревателя в топочном объеме, и отсутствия расчетных данных по динамике подобного котла представляется инт е ресным определить комплекс его динамических характеристик. Они определены для котла, работающего без регуляторов, и представлены в главе 2.

Одним из условий безаварийной работы котельного агрегата является устойчивость его работы в переменных режимах. Тепловую схему котла необходимо спроектировать так, чтобы при отказе автоматических систем регулирования (АСР) котлоагрегат будет давать проектную температуру пара на выходе из пароперегревателя через определенное время после внесения возмущающих воздействий.

На стадии проектирования разработан алгоритм выбора параметров тепловой схемы пароперегревателя котла и АСР. Для выбранного КА рассчитаны переходные процессы соответствующие различным параметрам настройки регуляторов АСР.

Учитывалось требование о том, АСР температуры пара при скачкообразном изменении нагрузки на 10% номинальной должна обеспечить максимальное отклонение температуры пара на выходе из котла на величину, не превышающюю 8°о, а значение интегрального квадратичного отклонения должно быть не более 5000°с/с.

Известно, что применение радиационно-конвективного пароперегревателя снижает колебания (в статике) температуры перегретого пара при переменных нагрузках. Характеристикой таких пароперегревателей является степень радиационное™ (CP)

отношение радиационного тепловосприятия пароперегревателя к его полному тепловосприятию. В нашем случае радиационными являются ширмовые пароперегреватели и радиационная ступень в топке котла. Пароперегреватель изменяли так, чтобы степень радиационности была равна 0.2, о.з, 0.4, 0.5. Тепловой расчет проводили в режиме диалога, при этом изменялись параметры КА. В результате получен график отклонения температуры пара в выходной ступени пароперегревателя.

В третьей главе отражается реализация в системе автоматизированного проектирования котлоагрегатов с естественной циркуляцией результатов исследования динамических режимов, проведен анализ уровня систем автоматизированного проектирования в данной области проектирования и ставится задача совершенствования САПР рассматриваемых КА.

В предложенной схеме САПР реализуется традиционная технология проектирования, включающая разработку эскизного проекта в котором с помощью теплового расчета определяются основные конструктивные характеристики поверхностей нагрева. На стадии технического проекта выполняются остальные расчеты. При рабочем проектировании осуществляется детальная проработка всех узлов и выпускаются рабочие чертежи. Укрупненно каждый расчет выполняется с использованием поэтапно получаемых исходных данных, схема которых имеет вид:

Конструктивный тепловой расчет: нн=г(Р)

_ Поверочный тепловой расчет: 0Б=х(нн)

Аэродинамический расчет: г=£(0

Гидравлический расчет: а=1(нн,тт)

Расчет температуры стенки трубы: ТЗ=:С(ТР,К)

Расчет перепада давления по паровому тракту: гР=г(к,Ш)

Расчет на прочность элементов котла: (К,тт,31)

Расчет на прочность цельносварных экранов: зю=£(к,тт)

Расчет динамических характеристик: (о,н,аБ,Т8,гр)

Расчет системы пылеприготовления: ш=£(МТ)

Расчет на прочность цельносварных газоплотных потолков:

(к,<2)

Расчет каркаса котла: ир=£(ри)

Расчет на самокомпенсацию трубопроводов: ъ=£(к,тт) Расчет надежности работы поверхностей нагрева: ш^С^)

Условные обозначения в уравнениях: НН - конструктивные характеристики поверхностей нагрева; Р -. исходные данные для проекта котлоагрегата (паропроизводительность, вид топлива, температура и давление перегретого пара, температура питательной _воды, уходящих газов и воздуха); йБ - характеристики потока газов и диаметры труб; ъ - сопротивление газовоздушных трактов; й -характеристики потока пароводяной смеси (истинный расход, действительная скорость, кратность циркуляции); тт теплотехнические данные теплового расчета; шб - температура стенки

трубы; ТР - температура пара; К - конструктивные характеристики трубы (диаметр, толщина стенки); гр - сопротивление тракта и давления среды; уу - скорость пара; зм - минимальная толщина стенки трубы; Б1 - допустимые напряжения; 310 - суммарные напряжения; тм

- температура горячего воздуха и производительность мельниц, сепараторов и т.д.; №Г - вид �