автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Разработка и исследование методов повышения эффективности теплообменных аппаратов паротурбинных установок

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Уральский государственный технический университет

На правах рукописи

РЯБЧИКОВ Александр Юрьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.04.12 - Турбомашины и комбинированные

турбоустановки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ю.М.Бродов

Екатеринбург 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ...............................................12

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СЕРИЙНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК....................................................................................................18

2.1. Методика исследования...........................................................................18

2.2. Эффективность работы серийных аппаратов в различных условиях эксплуатации............................................................................20

2.3. Сопоставление результатов расчетов теплообменных

аппаратов с данными эксплуатации.......................................................29

2.4. Выбор направлений исследований по повышению эффективности теплообменных аппаратов...........................................32

2.5. Выводы.......................................................................................................35

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ СТЕНДОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............36

3.1. Выбор и обоснование метода моделирования процессов в кожухотрубных теплообменных аппаратах ПТУ.................................36

3.2. Экспериментальный стенд для исследования методов интенсификации теплообмена при конденсации пара.........................40

3.3. Экспериментальный стенд для исследования гидродинамики и теплообмена при течении одно- и двухфазных теплоносителей.........................................................................................47

3.4. Обработка опытных данных и оценка максимальных погрешностей результатов стендовых исследований...........................52

3.5. Выводы.......................................................................................................57

4. РЕЗУЛЬТАТЫ СТЕНДОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................59

4.1. Гидродинамика и теплообмен при конденсации пара на

трубках.......................................................................................................59

4.1.1.Конденсация неподвижного пара на гладких и различно профилированных трубках..........................................................................59

4.1.2.Конденсация движущегося пара на вертикальных трубках...........70

4.1.3.Конденсация пара на вибрирующей вертикальной трубке.............72

4.1.4.Капельная конденсация водяного пара на трубках.........................76

4.2. Гидродинамика и теплообмен при течении воды и воздуха в трубках.......................................................................................................81

4.2.1 .Гидродинамика и теплообмен при течении однофазного

теплоносителя в гладких и профилированных трубках...........................81

4.2.2.Гидродинамика при течении водовоздушной смеси в трубках.....85

4.3. Гидродинамическое сопротивление при течении однофазного теплоносителя в трубках..........................................................................88

4.4. Гидравлическая проницаемость узла "трубка -промежуточная перегородка" теплообменных аппаратов...............................................90

4.5. Выводы.......................................................................................................95

5. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ПТУ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ.............................98

5.1. Эффективность работы модернизированных теплообменных аппаратов с поверхностью теплообмена из профилированных трубок.........................................................................................................99

5.2. Метод водовоздушной очистки теплообменных аппаратов..............115

5.2.1.Основные технические решения......................................................115

5.2.2.Результаты исследования..................................................................118

5.3. Система отсоса неконденсирующихся газов для

вертикальных теплообменных аппаратов............................................121

5.3.1.Основные технические решения разработки..................................122

5.3.2.Результаты исследования..................................................................124

5.4. Выводы.....................................................................................................125

6. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ДЛЯ ИНЖЕНЕРНОЙ ПРАКТИКИ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ............................................................127

6.1. Выбор и обоснование методов повышения эффективности теплообменных аппаратов ПТУ............................................................127

6.2. Уточнение методик расчета теплообменных аппаратов....................133

6.2.1.Расчет конденсирующих теплообменных аппаратов....................133

6.2.2.Расчет маслоохладителей..................................................................142

6.3. Типовые технические проекты по совершенствованию

серийных аппаратов ПТУ......................................................................147

6.4. Рекомендации для инженерной практики по совершенствованию аппаратов.............................................................152

6.5. Выводы.....................................................................................................155

7. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ.........................................156

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................160

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.........................................166

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................186

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на то что современная энергетика и энергомашиностроение находятся на высоком техническом уровне и многое сделано в области усовершенствования конструкций и эффективности эксплуатации основных элементов паротурбинных установок (ПТУ), имеются значительные возможности дальнейшего повышения экономичности работы турбоустановок за счет повышения эффективности тегоюобменных аппаратов - дорогостоящего, металлоемкого и крупногабаритного оборудования. По оценкам [1], при неизменных параметрах свежего пара и пара промперегрева вклад в общее повышение КПД паротурбинной установки, полученный за счет улучшения характеристик теп-лообменных аппаратов (конденсаторов, подогревателей системы регенерации), может достигать 30%.

До недавнего времени при разработке ПТУ теплообменные аппараты не рассматривались как органический элемент всей установки в целом. Их расчет и проектирование проводились достаточно изолированно. Комплексное рассмотрение любого теплообменного аппарата как органичного элемента ПТУ позволяет учесть сложную взаимосвязь между отдельными элементами установки в целом, а также обосновать методы повышения эффективности работы аппарата.

Учитывая важность и значимость эффективности и надежности работы теплообменных аппаратов в эффективности и надежности работы всей ПТУ, вопросам их расчета, проектирования и эксплуатации необходимо уделять большое внимание. Повышение эффективности теплообменных аппаратов должно позволить либо экономить топливо в условиях эксплуатации, либо уменьшить расход дорогостоящих материалов для вновь создаваемых аппаратов, что уменьшит их габариты и облегчит компоновку ПТУ в целом [2-8].

Для рационального проектирования и эффективной работы теплообменных аппаратов ПТУ необходимы правильные представления о происходящих в

них процессах, а также расчетные зависимости, достоверно описывающие эти процессы.

Разработкой, исследованием и реализацией методов повышения эффективности теплообменных аппаратов ПТУ занимались и занимаются в ведущих энергетических и энергомашиностроительных организациях страны: НПО ЦКТИ, ВТИ, ОРГРЭС, МЭИ, МАИ, МГТУ, СПбГТУ, АО ТМЗ, АО КТЗ, АО ЛМЗ, а также в ряде других научно-исследовательских и заводских организациях.

По мнению большинства специалистов [2-8], основным направлением повышения эффективности теплообменных аппаратов является интенсификация в них процесса теплообмена, а также обеспечение высокой степени чистоты теплообменных поверхностей аппаратов в условиях эксплуатации.

Сложность процессов, происходящих в теплообменных аппаратах ПТУ, обусловлена совокупным влиянием большого числа факторов, определяющих эффективность их работы. Анализ известных методик расчета теплообменных аппаратов ПТУ показал, что ряд факторов в них не учитывается. Это потребовало уточнения известных методик, а в ряде случаев и новых разработок.

В настоящей работе представлены результаты комплексного исследования и обоснования ряда методов повышения эффективности теплообменных аппаратов ПТУ. Широкая постановка исследования определялась необходимостью учета особенностей конструкции аппаратов, места их в схеме турбоуста-новки, различных параметров теплоносителей, а также условий эксплуатации.

Наиболее рациональными методами интенсификации теплообмена в конденсирующих аппаратах являются [3,4,6,8,9]: применение различно профилированных (низкооребренных) трубок, учет влияния вибрации поверхности теплообмена, организация режима капельной конденсации, разработка оптимальных конструкций трубных систем.

Одно из направлений интенсификации теплообмена в теплообменных аппаратах связано с применением различно профилированных трубок [2-9]. По

мнению авторов работ [2-6,8,9], реальное применение в конденсирующих теп-лообменных аппаратах могут найти трубки, у которых искусственная шероховатость имеет место как с наружной, так и с внутренней стороны трубки. Интенсификация теплообмена с паровой стороны определяется изменением гидродинамики конденсата на профилированной поверхности трубки - уменьшением за счет поверхностного натяжения средней толщины пленки конденсата, изменением траектории ее движения и турбулизацией. Интенсификация с водяной стороны также определяется гидродинамикой потока - нарушением упорядоченного течения жидкости в вязком подслое за счет его турбулизации и закрутки. При этом трубки для поверхности теплообмена должны изготавливаться по достаточно надежной и легко выполняемой технологии (быть технологичными).

Однако необходимо учитывать, что использование таких трубок приводит к увеличению гидравлического сопротивления ТА, а значит, требует проведения исследований для обоснования целесообразности использования профилированных трубок и выбора оптимальных параметров их профилирования применительно к конкретным ТА и условиям эксплуатации ПТУ.

Основными задачами данной работы по использованию профилированных трубок являлись накопление и обобщение данных стендовых исследований и натурных испытаний аппаратов с гладкими и профилированными трубками с целью уточнения методик расчетов аппаратов, а также исследование новых перспективных профилированных поверхностей теплообмена.

При проведении тепловых расчетов конденсирующих теплообменных аппаратов для определения коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации. пара обычно применяются зависимости, полученные для неподвижной^ поверхности теплообмена [9-18]. Между тем известно, что в теплообменных аппаратах имеет место вибрация трубок. Причинами вибрации являются аэродинамические силы потока пара, обтекающего трубный пучок, пульсация теп-

доносителей, вибрация механизмов, расположенных вблизи аппаратов и др. [11,14,15,18-22].

Проведенное в данной работе исследование конденсации пара на вертикальной вибрирующей трубке, представляющей собой общий случай состояния поверхности теплообмена, имеет как практический, так и научный интерес.

Организация капельной конденсации является одним из наиболее эффективных методов интенсификации теплообмена при конденсации [6,7,10-12,19]. Теплоотдача при капельной конденсации в 5-10 раз больше, чем при пленочной. Механизм капельной конденсации на сегодняшний день может считаться достаточно изученным [6,7,10-12,19]. К стимуляторам капельной конденсации предъявляются следующие требования [4,6,7,10-12,19]: продолжительное "время жизни", безопасность в коррозионном отношении, невысокая стоимость и технологичность подачи (нанесения) на поверхность теплообмена. Как показали исследования [9], наиболее перспективными являются направления по применению стимуляторов капельной конденсации, созданных на основе дисульфидов.

Проведенное в данной работе экспериментальное исследование теплообмена при капельной конденсации на поверхности одиночных вертикальных и горизонтальных гладких и профильных витых трубок позволило оценить эффективность этого метода. Были исследованы следующие факторы, влияющие на процесс капельной конденсации: режимы работы, влияние воздуха на процесс перехода капельной конденсации в пленочную, ориентация поверхности теплообмена в пространстве, нанесение гидрофобизатора на часть поверхности ГОТ.

Проведенные исследования [3,6,7,10-17] по влиянию неконденсирующихся газов на теплообмен при пленочной конденсации пара показали исключительную важность этого вопроса. Поэтому в данной работе было уделено внимание изучению влияния эффективности работы системы отсоса неконденсирующихся газов на тепловые характеристики теплообменных аппаратов в

условиях эксплуатации, а также разработке и исследованию рациональной конструкции системы отсоса газов из теплообменника.

В работе также изучались вопросы повышения уровня эксплуатации теп-лообменных аппаратов ПТУ за счет применения водовоздушного способа очистки, позволяющего поддерживать необходимую чистоту поверхности теплообмена аппарата.

По результатам работы сформулирован комплекс практических рекомендаций, которые, по мнению автора, будут полезны инженерно-техническим работникам как при модернизации действующих аппаратов в условиях эксплуатации, так и при разработке нового высокоэффективного теплообменного оборудования паротурбинных установок.

Диссертационная работа является составной частью важнейшей комплексной тематики по повышению эффективности и надежности основного и вспомогательного оборудования турбоустановок ТЭС и АЭС, выполняемой в течение длительного периода времени кафедрой "Турбины и двигатели" УГТУ-УПИ по координационным планам ряда министерств и ведомств.

Исследование выполнялось на основе госбюджетных и хоздоговорных НИР, а также договоров о творческом сотрудничестве с предприятиями: НПО ЦКТИ, ОРГРЭС, АО ТМЗ, АО КТЗ, АО "Красный котельщик", АО "Свердловэнерго" и др.

Цель работы - разработка и исследование методов повышения эффективности теплообменных аппаратов ПТУ. Эта цель достигается за счет интенсификации процессов теплообмена в аппаратах, обоснованием рациональных конструкций элементов аппаратов и совершенствованием уровня эксплуатации.

Научная новизна работы 1. Исследованы гидродинамика и теплообмен при пленочной конденсации пара на поверхности вертикальных различно профилированных и вибрирующих гладких трубок.

2. Изучены особенности гидродинамики и теплообмена при течении в различно профилированных трубках воды и воздуха.

3. Исследованы особенности теплообмена при капельной конденсации водяного пара на поверхности гладких и профилированных трубок с использованием нового перспективного гидрофобизатора.

4. Исследована гидравлическая проницаемость узла "трубка-промежуточная перегородка" для теплообменных аппаратов с различными теплоносителями.

5. Получены обобщенные зависимости для уточнения теплогидравлических расчетов ТА ПТУ.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные обобщенные зависимости позволили уточнить методики тепловых и гидравлических расчетов ТА ПТУ. Результаты исследования использованы при выборе рациональных технических решений как при модернизации существующих конструкций, так и при проектировании новых высокоэффективных ТА ПТУ. Все основные результаты исследования реализованы в промышленности. Разработан комплекс рекомендаций для инженерной практики и выполнен ряд рабочих проектов на модернизацию трубных систем различных серийных ТА ПТУ (ПНД, ПСВ, маслоохладители и др.)

Достоверность и обоснованность результатов работы определяются использованием современных методов исследования для решения поставленных задач, хорошей воспроизводимостью опытных данных, полученных при стендовых исследованиях, соответствием всех полученных результатов современным физическим представлениям, хорошим соответствием результатов испытаний модернизированных аппаратов данным расчетов, выполненных по уточненным автором методикам.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются на предприятиях АО ТМЗ, АО КТЗ, АО "Красный котельщик", НПО ЦКТИ и внедрены на Среднеуральской, Верхнетагильской, Серовской и Рефтинской ГРЭС,

Сургутской ГРЭС-1, Красногорской, Первоуральской и Свердловской ТЭЦ, Пермской ТЭЦ-14 и других предприятиях страны. Всего по разработкам автора было модернизировано более 150 различных теплообменных аппаратов ПТУ мощностью от 12 до 500 МВт. Некоторые результаты работы включены в отраслевые руководящие технические материалы, а также используются в учебном процессе при изучении курсов по вспомогательному оборудованию ПТУ.

Апробация работы. Основные результаты работы докла