автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Совершенствование топочной теплометрии на основе градиентных датчиков теплового потока

На правах рукописи

ОСМАНОВ Виктор Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТОПОЧНОЙ ТЕПЛОМЕТРИИ НА ОСНОВЕ ГРАДИЕНТНЫХ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена на кафедре «Реакторные и котельные установки» в ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Научный руководитель

- Григорьев Константин Анатольевич - доктор техн. наук, доцент.

Официальные оппоненты:

- Пилипенко Николай Васильевич - доктор техн. наук, профессор, профессор кафедры компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»;

- Беленький Михаил Яковлевич - кандидат техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник отдела «Исследование и проектирование оборудования АЭС» «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И. И. Ползунова» (ОАО «НПО ЦКТИ») (Санкт-Петербург).

Ведущая организация - ОАО «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт» (Москва).

Защита состоится «21» апреля 2015 г. в 16-00 на заседании диссертационного совета Д 212.229.04 при ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу:

195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, в аудитории 411 ПГК

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» и на сайте hltp://www.spbslu.ru/science/defences/details-0632.html

Автореферат разослан «20» февраля 2015 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, в двух экземплярах просим направить по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совега.

E-mail: kgl210@mail.ru

Тел.: +7-960-261-7261

Ученый секретарь

диссертационного совета

Григорьев Константин Анатольевич

РОС СИИСКЛ',' ГОСУДЛРС (Iii н; 1Л(,

Бивлиоп КА ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

?пи 1

Актуальность темы. Совершенствование конструкций, оптимизация режимов работы энергетических котлов требует экспериментальных исследований процессов теплообмена. Определение тепловых потоков (теплометрия) на поверхностях теплообмена является важной составляющей теплотехнического эксперимента. Несмотря на бурное развитие цифровой измерительной техники, позволяющей регистрировать и обрабатывать большие массивы данных, в области топочной теплометрии наблюдается застой, и это связано, с одной стороны, с отставанием средств измерений (датчиков) от уровня преобразовательной техники, а с другой стороны, с высокой трудоемкостью и стоимостью работ.

Температурные вставки, используемые в топочной теплометрии, зарекомендовали себя как наиболее надежное и представительное средство измерения тепловых потоков, однако их применение требует вмешательства в герметичный водопаровой тракт высокого давления.

В 2007 г. в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете (СПбПУ) под научным руководством С.З. Сапожникова были созданы па основе анизотропных слоистых композитов термостойкие градиентные датчики теплового потока (ГДТП), применение которых в топочной теплометрии открывает повое перспективное направление в теплотехническом эксперименте.

Диссертация посвящена развитию нового направления - топочной теплометрии на основе ГДТП (топочной градиентной теплометрии).

Актуальность темы подтверждается поддержкой, оказанной работе Российским фондом фундаментальных исследований (проект 08-08-00969-а).

Степень разработанности темы. В работах С.З. Сапожникова, В.Ю. Митякова и A.B. Митякова разработаны основы теории ГДТП, позволяющие с единых позиций описывать и сопоставлять действия сплошных и слоистых датчиков, выбирать материалы для их создания, а также конструктивные и технологические параметры, прогнозировать вольт-ваттпую чувствительность.

Первый в мировой практике опыт топочной теплометрии па основе термостойких ГДТП в промышленных условиях был успешно реализован СПбПУ совместно с Компанией «НТВ-энерго» в 2008 г. на котле БКЗ-210, установленном на ТЭЦ-4 г. Кирова. Эксперимент показал работоспособность

и информативность ГДТП, перспективность данного направления тепломет-рии, однако высветил недостатки и необходимость совершенствования конструкции измерительной ячейки.

Целью данной работы является обоснование, разработка и промышленное освоение нового метода топочной теплометрии на основе ГДТП.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить обзор методов измерения тепловых потоков, провести анализ рабочих условий в топках котлов, и па этой основе обосновать требования к топочной теплометрии па базе ГДТП;

2. Разработать технологию изготовления, создать и протестировать ГДТП для работы в топочных условиях;

3. Обосновать требования и отработать конструкцию измерительного зонда на основе ГДТП;

4. Разработать методику градуировки измерительных зондов на основе ГДТП с учетом условий промышленного эксперимента;

5. Создать и апробировать па промышленном объекте в условиях эксплуатации систему топочной теплометрии на основе ГДТП с цифровой регистрацией и обработкой данных.

Автором лично получены результаты, обладающие научной новизной:

1. Заложены методические основы топочной теплометрии па основе ГДТП;

2. Разработана технология изготовления, запатентована и апробирована в лабораторных и промышленных условиях конструкция измерительных зондов па основе ГДТП;

3. Освоена методика градуировки измерительных зондов па основе ГДТП;

4. Впервые спланирован и осуществлен масштабный промышленный эксперимент, в котором успешно апробирована система топочной градиентной теплометрии. Получены новые данные о тепловой разверке экранов вихревой топки.

Практическая значимость работы заключается в создании повой системы топочной теплометрии па основе ГДТП, прошедшей промышленное освоение и позволяющей определять неравномерность теплового потока па степах топки, осуществлять диагностику топочного процесса в режиме реального времени.

Методы исследования: лабораторный и промышленный эксперимент, численное моделирование и методы математической статистики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Конструкция, технология производства, градуировки и монтажа измерительных зондов па основе ГДТП, обеспечивающих выполнение топочной градиентной теплометрии.

2. Новая система топочной теплометрии на основе ГДТП и результаты промышленного использования метода как средства диагностики топочного процесса (в частности, определения неравномерности теплового потока на стенах топки и положения факела).

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, планировании и организации основных этапов работы. Диссертанту принадлежат: совершенствование технологии изготовления, создание, градуировка и ресурсные испытания измерительных зондов на основе ГДТП; разработка и создание лабораторных стендов; разработка системы топочной градиентной теплометрии, авторский надзор за ее монтажом и тестированием, обработка и обобщение экспериментальных данных промышленных испытаний. Часть работ выполнена совместно с сотрудниками кафедр «Реакторные и котельные установки» и «Теоретические основы теплотехники» ФГАОУ ВО «СПбПУ» и ООО «Компания «НТВ-энсрго», чье участие отмечено в тексте диссертации.

Достоверность результатов подтверждается удовлетворительным согласованием экспериментальных данных автора с известными данными из литературных источников; согласованием показаний зондов с контрольными параметрами котла; использованием поверенной современной измерительной аппаратуры и привлечением к экспертизе свойств ГДТП широкого круга специалистов.

Внедрение. Результаты работы использованы в учебном процессе ФГАОУ ВО «СПбПУ», на Назаровской ГРЭС (г. Назарово Красноярского края) и в ООО «Компания «НТВ-эперго» (Санкт-Петербург).

Апробации работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VII школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова (Казань, 2010); Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» (Москва, 2010); XVIII школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева (Звенигород, 2011); V научно-практической конференции «Минеральная часть

топлива, шлакование, очистка котлов, улавливание и использование золы» (Челябинск, 2011); VII Международном симпозиуме по сжиганию угля (Пекин, 2012); V111 Всероссийской конференции с международным участием «Горение твердого топлива» (Новосибирск, 2012), XXXIX-XL1 научно-практической конференции с международным участием «Неделя пауки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2010-2012).

Исследования автора получили поддержку и признание специалистов. Оп награжден дипломами «Аспирант года» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (2009, 2010); победитель конкурса грантов Правительства Санкт-Петербурга (2010); отмечен стипендией Президента Российской Федерации (2011). Работа диссертанта поддержана именным грантом Института Теплофизики СО РАН (2012) и отмечена дипломом на VIII Всероссийской конференции с международным участием «Горение твердого топлива» (г. Новосибирск, 2012).

Публикации. По результатам работы имеется 10 публикаций, в том числе две статьи в журналах из перечня ВАК и I патент Российской Федерации па полезную модель. Диссертант является соавтором четырех отчетов о НИР.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 131 источник, и трех приложений. Она изложена на 134 с. текста, имеет 105 рисунков и 18 таблиц. Общий объем диссертации - 158 с.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выпосимыс па защиту.

В первой главе «Методы топочной тспломстрии» проведен анализ методов топочной теплометрии, отмечены основные вехи становления тепломет-рии па основе ГДТП и представлены результаты первого опыта топочной градиентной теплометрии.

Анализ методов теплометрии показал, что все они основаны па термометрии, при этом применение стационарных методов теплометрии осложнено трудоемкими монтажными операциями, вынужденным внедрением в контур циркуляции котла, а переносных методов теплометрии - громоздкостью средств измерения.

Выполнено сравнение современных датчиков теплового потока (ДТП) и

исследуемого в данной работе ГДТП по вольт-ваттной чувствительности 50, измеряемой плотности теплового потока и рабочей температуре Т (рисунок 1).

мкВ м- Hi HM) 10 t

0,1 0,01 0,001

— —

; i 7 :

9 * * .........« 2 •

............".Г 14 * < • 1! 16 •

1

N*

18 * :

1

10

т, к 1200 1000 800 600 -too 200 о

2 •

10 *

6 •.......

14 и i7** а 4 Аз 13 у А JAI •

1 К) "ф-

1 X) <7

1000 q, кВт/MJ

КИЮ <j, кВт/м2 ] 10

Топочныеусловия Топочные'условия

а) б)

Рисунок 1 - Сравнение характеристик современных ДТП и ГДТП по вольт-ватгной чувствительности (в) и рабочей температуре (fi). Цифрами обозначены датчики: 1 ГДТП из композиции Ni + сталь 12Х18Н10Т; 2 - (TIC (НТ-50); 3 - Wuntronic (UFT); 4 - Wuntronic (FM, FRM); 5 Wuntronic (F); 6 Wuntronic (FCR); 7 - Captée (IIFS); 8 Captée (UFRFS); 9 Hukscflux (HFP 01);

10 - Hukseflux (HF 01); Il Hukseflux (HF 02); 12 Hukseflux (HF 05); 13 Tfx-Technology (TFX-191); 14 Tfx-Technology (TFX-156); 15 Sequoia (RIIF); 16 Sequoia (SHF); 17 Эталон (ДТП 0924); 18 - НПО ИТ (ФОЛ 020)

J Ч Е±

<2У

1 2

Не все ДТП могут использоваться в топках по условию высоких рабочих температур, плотностей теплового потока, конструктивного исполнения (не пригодного для установки на топочные экраны) и цены (от 300 USD). В связи с этим предложено использовать ГДТП (себестоимостью не более 30 USD), как средство прямого измерения воспринятой плотности теплового потока.

ГДТП (рисунок 2) представляет собой искусственный многослойный термоэлемент, обладающий анизотропией тепло- и электропроводности. В сечениях датчика, нормальных вектору теплового потока с/, возникает разность температур и генерируется пропорциональная этой разно-

Рисунок 2 - Устройство ГДТП: 1,2 слои различных металлов или сплавов; 3 электрический контакт; 4 - поверхность теплоотвода

сти термоЭДС Е i (поперечный эффект Зеебека). Вольт-ваттная чувствитель-£

ность ГДТП S„ =-, мкВ/Вт, где F - площадь ГДТП в плане, м2.

q-F

Значительный вклад в становление теплометрии па основе ГДТП внесли Л. Гайлинг (1947), О.А.Геращенко (1971), И.М.Пилат (1974), фирма ForTech HTS (с 1994), C.B. Ордин (1996), С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков и A.B. Митяков (с 1998), Н.П. Дивин (1999), А.Б-. Опаричев (2006) и др. Однако только с созданием принципиально новых термостойких ГДТП на основе анизотропных слоистых композитов, в конструкции которых использованы металлы и сплавы, появилась возможность реализации топочной теплометрии па основе ГДТП.

В первом промышленном эксперименте использовались ГДТП, выполненные из композиции никель + сталь 12Х18Н9Т. Толщина слоев составляла 0,1 мм, угол разреза - 45±5° к плоскости заготовки, толщина датчика - 0,2 мм, размеры в плане - 7х 10 мм. В качестве исходного макета для создания измерительной ячейки использовалась доработанная температурная вставка ЦКТИ, на которую монтировались ГДТП.

Апробация ГДТП проведена на котле БКЗ-210 (ст. № 9) ТЭЦ-4 г. Кирова. Котел БКЗ-210 (номинальной паропроизводитсльностыо Dlim, = 58,3 кг/с, с параметрами перегретого пара: давлением 13,8 МПа и температурой 813 К; тепловой мощностью 143 МВт) с естественной циркуляцией, оснащен газо-плотпой вихревой топкой. Предварительно отградуированные измерительные ячейки с Г ДТП были установлены в вихревой зоне активного горения (ЗАГ).

В ходе длительного эксперимента (более четырех месяцев) котел эксплуатировался в диапазоне паровых нагрузок (0,5... 1,2)ДЮМ па различных режимах и трех видах топлива (кузнецком каменном угле марок Г и Д, фрезерном торфе и природном газе). Тепловое напряжение топочного объема изменялось в пределах 75... 180 кВт/м1, а средние значения тепловосприятия стенами топки составили 72... 155 кВт/м2. Данные об изменении местной плотности теплового потока во времени, полученные с помощью ГДТП и термовставок ЦКТИ, качественно близки и согласуются с изменениями режима работы котла. При работе котла па твердом топливе установлено влияние загрязнения топочных экранов па показания ГДТП, что позволяет использовать ГДТП для диагностики шлакования. Таким образом, промышленным экспериментом подтверждена работоспособность ГДТП па огневой поверхности топки и их

высокая информативность. Однако этот эксперимент показал, что конструкция ГДТП нуждается в доработке, измерительная ячейка на основе термовставок не удовлетворяет современным требованиям, а опыт топочной теп-лометрии на основе ГДТП требует развития.

Во второй главе «Создание и исследование ГДТП для топочной тепло-метрии» проведен анализ топочных условий, на основе которого разработаны требования к ГДТП, усовершенствована конструкция, технология изготовления и градуировки ГДТП из композиции никель + сталь I2X18HI0T.

При разработке технологии изготовления и методики градуировки ГДТП учтен положительный опыт предыдущих работ. Усовершенствован способ приварки проводов к ГДТП (методом диффузионной сварки) (рисунок 3). Изготовлены ГДТП размером в плане 5,1x5,7 мм и толщиной 0,5 мм.

Отградуированы ГДТП абсолютным (джоуль-ленцевым) методом в стационарном тепловом режиме па специально созданном стенде (рисунок 4) при разной температуре ГДТП (373, 473, 573 и 673 К).

Подача Воздуха ГДТП Трубка НагреЬашепь

Рисунок 4 - Схема стенда для градуировки ГДТП

Градуировочный стенд представляет собой трубку с установленными на ней градуируемыми ГДТП и тремя термопарами для контроля температуры стенки трубки и самих ГДТП. Термические сопротивления датчика со слоем компаунда и трубки близки и составляют 9,4- К)"6 и 6,6-10 6 м: К/Вт соответственно; поэтому температура ГДТП оценивалась как осредпенная темпера-

а) б)

Рисунок 3 - ГДТП: а) - в процессе изготовления; б) — готовые (шкала в сантиметрах)

тура по трем термопарам. Внутри трубки коаксиально расположен электрический нагреватель, снаружи - защитный кожух. В зазоре между трубкой и кожухом прокачивался холодный воздух с регулируемым расходом для поддержания заданной температуры ГДТП независимо от тепловыделения нагревателя. ГДТП закреплены на трубке с помощью теплопроводного электроизолирующего термостойкого (до 1800 К) компаунда. Опыты повторялись три раза. Тепловой поток изменялся в пределах ц = 10...75 кВт/м . Сигналы ГДТП и термопар регистрировались с помощью 24-разрядных аналого-цифровых преобразователей гЕТ 220.

Результаты градуировки представлены па рисунке 5. Установлена линейная зависимость термоЭДС ГДТП от воспринятой плотности теплового потока. Зависимость вольт-ваттной чувствительности ГДТП от его температуры не значительная, поэтому влиянием температуры можно пренебречь.

л Т - 373 К оТ - 473 К □ Т - 573 К --Т 673 К

Й0 ц. кНгм2

л Т = 373 К " от = 473 К - пТ = 573 К _ - Т = 673 К

0

2(1

40

60 </■ кНг м-

а) б)

Рисунок 5 - Зависимость термоЭДС (а) и вольт-ваттной чувствительности (б) ГДТП от воспринятой плотности теплового потока при различной температуре

Среднее значение вольт-ваттной чувствительности составило 125±25 мкВ/Вт (3,6±0,73 мкВм2ЯЗт) с относительной неопределенностью отдельного измерения не более 5 %.

В третьей главе «Создание и исследование зондов на основе ГДТП для топочной теплометрии» сформулированы требования к измерительному зонду на основе ГДТП, описана технология изготовления и градуировки зондов, на основе численного моделирования установлено влияние зонда на тепловое состояние газоплотного топочного экрана, представлены результаты ресурс-пых испытаний зондов на многоцикловый нагрев-охлаждение.

Разработан специальный корпус зонда, в котором размещается ГДТП с отводящими проводами (рисунок 6), для установки на резьбовом соединении в плавниках газоплотпых топочных экранов, что позволяет не нарушать гер-

метичность контура циркуляции котла при монтаже и осуществлять замену зонда на работающем котле.

М10х1,25

Тепловой поток воспринимается торцевой поверхностью зонда, проходит через ГДТП и отводится через резьбовое соединение к плавникам экранных труб. При монтаже зонда на резьбу наносится графитная смазка.

Учитывая возможность загрязнения межтрубного пространства при сжигании сильношлакующих углей, предложено два способа монтажа зондов (рисунок 7). Вывод проводов от зондов через обмуровку котла осуществляется внутри защитной трубки.

-ГДТП

\Компаунд Корпус зонда ■Микрокапишры

Рисунок 6 - Зонд на основе ГДТП: а) - внешний вид; б) - устройство

б)

монтажа зондов на плавнике (а) и сухаре (б)

ТтоСюи поток

\ \ \ 4 4 4 I

¡опочный жран

«О

Рисунок 7 - Способы

Вклад зонда в искажение теплового состояния топочного экрана оценен с помощью численного моделирования. Объектом моделирования являлся фрагмент газоплотпого топочного экрана (далее экран).

Физическая картина моделирования (рисунок 8) представляла собой систему «излучатель - экран». От излучателя (полукруглой пластины с температурой Ттп) на экран направлен тепловой поток (/ии , который воспринимается наружной поверхностью экрана (границей Гч) и отводится через внутреннюю

поверхность труб (границей /У). Температура внутренней поверхности труб 7тр на границе с рабочим телом (водой) задана постоянной.

С тыльной стороны объекта отвода теплоты нет (с/огв = 0). Граничные условия: Гтр = 673 К; Ття = 1573 К, что соответствует </иш = 344 кВт/м2; степень черноты излучателя - 0,99, экрана (поверхности Гч) - 0,72; остальные поверхности - адиабатические.

Расчеты проведены с помощью программного комплекса АЫЗУБ (лицензионное соглашение от 22.03.2007, номер клиента 420725, владелец -СПбПУ). Использован закон излучения Стефаиа-Больцмапа, рассмотрена стационарная плоская задача теплопроводности, математической основой решения являлся метод конечных элементов. Структурированная сетка конечных элементов построена автоматически. На основе исследования сеточной сходимости принят размер ячейки 1x1 мм.

В таблице I представлены результаты оценки средних Тср и максимальных Гпих температур, средних </ср и максимальных <у,Ш1Х воспринятых плотностей теплового потока, а также коэффициентов неравномерности тепловос-приятия 1] плавником, трубой и сухарем относительно среднего тепловосприя-тия в объекте исследования.

Таблица 1 - Результаты численного моделирования

Величина Экран без зонда Зонд на плавнике Зонд на сухаре

Груба Плавник Экран Груба Плавник Экран Груба Плавник Сухарь Экран

71п, К 687 721 692 687 722 693 687 711 738 698

Т\хмхч К 720 743 743 720 743 743 721 745 781 781

<?ср. кВг/м2 162 166 163 166 153 164 147 134 207 158

кВт/м2 363 282 363 366 284 366 389 278 334 389

ч 1,00 1,02 1,01 0,93 0,93 0,85 1,31

Разработана методика индивидуальной градуировки зондов, вызванная их конструктивной петождествениостыо. Зависимость для индивидуальных

Рисунок 8 - Физическая картина моделиро-

коэффициентов зондов имеет вид а = 2?3оид/0зонд> мкВм2/Вт, где Е-Ю1Ш - термо-ЭДС зонда, мкВ; <7ЮПД- воспринятая зондом плотность теплового потока, определенная балансовым методом при охлаждении градуировочного стенда водой, Вт/м2. Проведены 4 серии опытов, в каждой из которых зонды нагревались из холодного состояния; индивидуальные коэффициенты зондов определены методом усреднения результатов измерений.

Отградуированы зонды абсолютным методом в стационарном тепловом режиме на специально созданном огневом стенде, представляющем собой фрагмент газоплотного топочного экрана (рисунок 9), выполненного из четырех труб диаметром 32x6 мм с шагом 48 мм из стали 12X1МФ с размером в

плане 176x270 мм. Регулирование тепловос-приятия экрана осуществлялось изменением расстояния между ним и горелкой. С тыльной стороны экран теплоизолирован.

На рисунке 10 приведен характерный результат градуировки одного из зондов. Подтверждена линейная зависимость термоЭДС зондов от воспринятой плотности теплового потока.

ТеппоШ поток

11111

Зонд Сухарь Зонд

I I I

Зонд

Рисунок 9 - Схема стенда для градуировки зондов

Рисунок 11 - Стенд для ресурсных испытаний зондов

0

(I 20 41) 60 вюид- кВт м2

Рисунок 10 - Характерный результат градуировки зонда

Определены индивидуальные коэффициенты зондов, которые укладываются в диапазон а = 4... 10 мкВм2/кВт при относительной неопределенности градуировки не более 4,65 %.

Проведены ресурсные испытания зондов на специально созданном стенде (рисунок 11) при рабочей температуре 670 К с целью исследования надежности их конструкции при многоцикловом нагреве-охлаждении при воздействии струи воды при температуре 300 К на рабочую поверхность зондов. После 100 циклов нагрева-охлаждения (термошок составлял 190 К) подтверждена работоспособность зондов в существенно нестационарных тепловых условиях.

В результате исследований отработана конструкция зонда, пригодная для промышленного внедрения.

Четвертая глава «Топочная теплометрия на основе ГДТП» посвящена разработке системы топочной градиентной теплометрии и ее апробации на промышленном котле П-49 (ст. № 7) Назаровской ГРЭС (г. Назарово Красноярского края).

Паровой котел П-49 входит в состав энергоблока электрической мощностью 500 МВт, прямоточный, состоит из двух корпусов (А и Б). Общая номинальная производительность корпусов по первичному пару D„0M = 444 кг/с; давление перегретого пара - 25,5 МПа и его температура - 818 К. В 2013 г. завершено техническое перевооружение обоих корпусов котла с организацией твердого шлакоудаления и низкотемпературного вихревого (НТВ) сжигания назаровского бурого угля (марки 2Б Канско-Ачинского бассейна), зола которого обладает сильными шлакующими свойствами.

Для эксперимента был выбран корпус А (далее котел); в процессе монтажа новой газоплотной топки в ее вихревой зоне активного горения (ЗАГ) были установлены предварительно отградуированные измерительные зонды (рисунок 12). Помимо зондов система включала специально подобранные коммутационные кабели и преобразовательную технику.

Исследования проводились во время пуско-наладочных работ и эксплуатации котла (более года). В этот период общая наработка котла составила более 1500 ч; количество пусков-остановов - 35, в том числе из холодного состояния - 28; два зонда были заменены. Для анализа выделялись периоды работы котла в диапазоне паровых нагрузок (0,3... 1,05)Д|ОМ на различных режимах при сжигании мазута и угля; при этом тепловое напряжение ЗАГ изменялось в пределах 175...550 кВт/м3, а топки - 70...225 кВт/м1; средние зпаче-

ния теплового потока на поверхностях теплообмена топки, определенные по балансу, составили 30... 140 кВт/м2.

Рисунок 12 - Схема размещения зондов на котле П-49 (корпус А): а) - общий вид; б) - развертка правой полутопки. Цифрами указаны номера зондов

Показания зондов сопоставлялись с контрольными величинами (тепло-восприятием поверхностей нагрева, температурой дымовых газов, паровой нагрузкой котла и др.). Относительная неопределенность измерений тепловых потоков зондами не превысила 11,3 %, а контрольных параметров котла -5,6 %.

В работе подробно рассмотрено три наиболее интересных опыта:

Опыт 1 - растопка и работа на мазуте, работа на угле с подсветкой факела мазутом, останов котла;

Опыт 2 - работа на угле при стационарной нагрузке, близкой к номинальной;

Опыт № 3 - набор-сброс нагрузки при работе на угле.

Условия проведения опытов сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Условия проведения промышленных испытаний

Наименование Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3

Длительность, мин 960 180 100

Количество измерений каждым зондом 288000 54000 30000

Интервал усреднения, мин 20 3 2

Паропроизводительность, % (от номинала) 30.. .60** 100...105 65...105

Теплонапряжение объема топки, кВт/м3 70... 100* 210...225 135...225

Теплонапряжение объема ЗАГ, кВт/м3 175...245* 515...550 330...545

Теплонапряжение сечения ЗАГ, МВт/м2 1,4...2,0* 4,1...4,4 2,6...4,3

*при работе на мазуте;

*'большее значение при совместном сжигании мазута и угля

Результаты промышленных испытаний сведены в таблицу 3.

В ходе длительного эксперимента подтверждена работоспособность измерительных зондов; датчики адекватно реагировали на изменение режима работы котла и показали хорошее согласование с его контрольными параметрами (см. рисунок 13).

Характер распределения местных тепловых потоков на поверхностях теплообмена топки (см. рисунок 14) хорошо согласуется с физическими представлениями о процессах в вихревой топке (аэродинамикой, полем температуры и др.).

Наиболее важным результатом топочной теплометрии являются данные о неравномерности тепловосприятия стенами топки.

Наименование Обозначение Опыт 1* Опыт 2** Опыт 3**

Нагрузка котла (относительная) о/о».« 0,4 1,0 0,85

Средневзвешенное (по измерениям зондами) тепловосприятие стен в горизонтальном сечении топки на относительной высоте х = 0,21, кВт/м":

фронтовой ч* 43 72 48

боковой 33 73 60

задней 34 130 112

среднее по стенам 37 92 73

Распределение тепловосприятия по стенам в сечении топки на высоте .V = 0,21 (по измерениям зондами):

фронтовой Лфр 1,2 0,8 0,7

боковой ЛГшк 0,9 0,8 0,8

задней Пш 0,9 1,4 1,5

Среднее тепловосприятие стен (по балансу), кВт/м2:

фронтовой <7'1ф 29 73 46

задней Ч'МЛ 41 140 127

Расхождение данных по тепловосприятию стен, определенных по показаниям зондов и балансам, кВт/м2 (%):

фронтовая стена - 15(51) 1 (О 2(4)

задняя стена - 7(17) 10(7) 15(12)

* работа на мазуте при стационарной нагрузке; ** работа на угле.

Установлено (рисунок 15), что для НТВ-топки при работе на угле с ростом тепловой мощности в пределах (0,6... 1,05 )ДЮМ коэффициент неравномерности тепловосприятия фронтовой стены повышается, задней - уменьшается, а боковой - остается постоянной. Эти данные позволяют повысить точность теплогидравлических расчетов и оценок надежности поверхностей нагрева при определении температуры стенки металла труб.

Сравнение результатов топочной градиентной теплометрии котла П-49 с экспериментальными данными, полученными В.В. Митором и СибВТИ (Красноярский филиал) на котлах с технологией прямоточного факела, показало (см. рисунки 16 и 17), что уровень тепловых потоков сопоставим, а неравномерность тепловосприятий у НТВ-топки ниже.

с

Зонд 24

-о-Зонд 5 | -л-Зонд 6 ;

котла-

-•-Тп.к котла

Чь кВт/м2

¡Набор нагрузки Работа на мазуте, (Работа на угле , Останов

ЛУ / Л 1 / 1 1 / 1

! *"' х ......................................./..............

1-. < 1 пУ^ 1 , » «Г ¿Г* 4 'Г/ О

V |1р □

\ooif "" "^С^ол^ЛЙ / |\Ч < V

? А —¡онд 1 ; у / < ! /'/ 1 Зонд 2 ! ^ |1\

/ г ' 11 1 Зонд з ; -о- Зонд 4 ! 11

/7.......................1...... / ро 1 -- ОлЬном ! .........................................]............................... • I« ! Г. о 1 1 Г

/о ' ' А. *

—Среднее ¡10 зондам I.. .6, 24 -- Ц/Оном !

~ „ -^Среднее по аондам 1.. 6. 24

Уфр> /фр> -■-Среднее по балансу

кВт. м

Ун А> Уфр н.А>

5.00 7:24 9:48 12:12 14:36 17:00 19:24 Время, ч Рисунок 13 - Сопоставление результатов измерений тепловых потоков с/, контрольными параметрами котла (Опыт I, фронтовая стена, типичный пример): 0Фрн л, бн л, ()ктлп - тепловосприятие фронтовой стены, водопарового тракта по нитке Л и котла по первичному пару, соответственно, МВт; Т„ , - температура газов в поворотной камере, К

в,= 1.09^92=1.13 0,=1,О7 <!ь

— | кВт М"

е,=0,«Ге^0,91 зд 40

20 10

..........,.................г.................г-.............,................I 0

1ат 0,4 0,3 0,2 0,1 О

я)

<Л. кВтм-

67=1.08 (1.-1.(IX 0,,= 1.16-,

70 60 50

40 430 ! 20 ]■ 10

о ■!■■ о

0,0.25=0.86

0.2

0.4 в)

0,7=114 '«„=0.89

0.6

0.8 НЬТ

кВт/м-

120 100 80 60 40 20 О

8„=1,03

0.1

8,6.:<г1,02 0.0=1,0

6,4=0,98 е„=0.9-4 0,8=1,01

0,2 б)

0,3

0.4 На,

е20=1.1б1

;Пылеугольные горелки 0:1=1,| 0-2=0.93,•

0.3 0.2 0.1 0,0

О 10 20 30 40 50 60 ^кВт м-

г)

Рисунок 14 - Распределение тепловых потоков в сечении топки (на высоте х = А/А, = 0,21) на фронтовой (а), задней (б) и боковой (в) стенах и по высоте на боковой стене (г) (Опыт 2, нагрузка котла близкая к номинальной): 0, - относительное отклонение местного теплового потока от средневзвешенного по зондам на соответствующей стене; /, А - текущие координаты установки зондов в горизонтальном сечении и по высоте топки, соответственно, м; а, и Ь, - ширина и глубина топки, соответственно, м

'/фР. '/бс '/зад

1,0 0,8 0,6 0,4

0.0

< Щ| п го Ч?

111ча41 —р " юо —ий*«

— о '

оо А Фронтовая стена

4 Боковая стена

о Задняя стена

0,6 0,7 0.8 0,9

1.0 1)£К

Рисунок 15-Изменение тепловосприятия стенами топки в горизонтальном сечении вихревой зоны в зависимости от нагрузки котла

0.0

0 50 100 <1г кВт'м2 а)

Рисунок 16-Изменение теплового потока по высоте тонки в абсолютных q¡ (а) и безразмерных 0 (б) величинах

0,8 /-Ч

Рисунок 17 - Изменение теплового потока по глубине (а) и ширине (б) топок

Технико-экономическая оценка показала, что топочная теплометрия на основе ГДТП рентабельна, срок окупаемости составил менее 1 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Показано, что термостойкие на основе анизотропных слоистых композитов ГДТП, реализующие поперечный эффект Зеебека, имеют существенные преимущества перед аналогами, позволяющие использовать их в топочной теплометрии при исследовании, оптимизации и эксплуатации котельных установок.

2. Созданы термостойкие ГДТП на основе композита N1 + сталь 12X1811 ЮТ с усовершенствованной технологией приварки отво-

дящих проводов с помощью диффузионной сварки. Определена вольт-ваттная чувствительность ГДТП (125125 мкВ/Вт) в пределах изменения теплового потока 10...75 кВт/м2 и температуры 373...673 К. Получена линейная зависимость термоЭДС ГДТП от теплового потока. Результаты градуировки показали, что ГДТП отвечают требованиям топочной теплометрии.

3. Разработаны конструкция, технология изготовления, методика градуировки и технология монтажа измерительных зондов на основе ГДТП, обеспечивающих выполнение топочной теплометрии. Опытами на огневом стенде подтверждена линейная зависимость термоЭДС зондов от воспринятой плотности теплового потока (в пределах 10... 110 кВт/м2). Ресурсные испытания на многоцикловый нагрев-охлаждение подтвердили работоспособность и надежность показаний зондов в существенно нестационарных тепловых условиях.

4. Предложена новая система теплометрии на основе ГДТП в топках промышленных котлов, исключающая использование термовставок и нарушение герметичности водопарового тракта. Экспериментально доказана работоспособность измерительных зондов на основе ГДТП в условиях длительной эксплуатации.

5. Впервые топочная градиентная теплометрия успешно использована на котле П-49 (энергоблока 500 МВт сверхкритического давления), установленном на Назаровской ГРЭС (г. Назарово Красноярского края).

6. Впервые для вихревой топки получены экспериментальные данные о неравномерности тепловосприятия поверхностями теплообмена в зоне активного горения (в сечении и по высоте) в диапазоне нагрузок (0,6... 1,05)Д,ом при сжигании назаровского бурого угля. Показано в ходе эксплуатации, что такая система может являться средством диагностики шлакования теплообменпых поверхностей.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах. Ведущие рецензируемые научные журналы из перечня ВАК:

1. Османов, В.В. Градиентные датчики теплового потока для теплометрии в топках котлов / В.В. Османов// Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2013.-№4-1 (183).-С. 100-104.

2. Григорьев, К.А. Разработка и промышленные испытания системы теплометрии на основе градиентных датчиков теплового потока в топке котла П-49 / К.А. Григорьев, Ю.А. Рундыгин, В.Ю. Митяков, В.В. Османов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2014,-№ 1 (190).-С. 61-69.

Патент:

3. Пат. на пол. модель 96654 России. Датчик теплового потока / В.Ю. Митяков, С.З. Сапожников, A.B. Митяков, К.А. Григорьев, Ю.А. Рундыгин, В.Е. Скудицкий, В.В. Османов - № 2010115436/28; Заявлено 19.04.2010; Опубл. 10.08.2010. Бюл.№22. 8 с.

Публикации в трудах, материалах международных и всероссийских конференций, в научных изданиях:

4. Османов, В.В. Градиентная теплометрия в вихревой топке модернизированного котла БКЗ-210/ В.В. Османов, К.А. Григорьев, A.B. Митяков // Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении: Материалы докладов VII школы-семинара молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова (Казань, 15-17 сентября 2010 г.).- Казань: Изд-во Казанск. унта, 2010,- С. 277-280.

5. Митяков, В.Ю. Градиентная теплометрия и ее перспективы в холодильной технике / В.Ю. Митяков, В.В. Османов // Тез. докл. Междунар. конф. с элементами научной школы для молодежи "Инновационные разработки в области техники и физики низких температур" (Москва, 8-10 декабря 2010 г.). (CD).

6. Митяков, В.Ю. Градиентная теплометрия в радиационном и сложном теплообмене / В.Ю. Митяков, В.В. Османов// Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях: Тез. докл. XVIII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева, Звенигород, 23-27 мая 2011 г.

7. Сапожников, С.З. Диагностика топочных процессов на основе градиентной теп-лометрии / С.З. Сапожников, К.А. Григорьев, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков, Ю.А. Рундыгин, В.В. Османов // Проблемы и совершенствование угольной энергетики : Сборник докладов V научно-практической конференции "Минеральная часть топлива, шлакование, очистка котлов, улавливание и использование золы" (Челябинск, 7-9 июня 2011 г.). Т. III - Челябинск: ОАО "ИЦЭУ", 2011,- С. 249-258.

8. Sapozhnikov, S.Z. Development and Application of Gradient Heat Flux Measurement for Industrial Boiler Furnaces / S.Z. Sapozhnikov, K.A. Grigoryev, V.Yu. Mitiakov, A.V. Mitiakov, Yu.A. Roundyguine, V.V. Osmanov // Cleaner Combustion and Sustainable World: Proceedings of the 7th International Symposium on Coal Combustion / Editors: Haiying Qi, Bo Zhao - Tsinghua University Press, Beijing and SpringerVerlag Berlin Heidelberg, 2012,- P. 504-506.

9. Сапожников, С.З. Разработка градиентных датчиков теплового потока для геп-лометрии в камерах сгорания / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков, К.А. Григорьев, Ю.А. Рундыгин, В.В. Османов // Горение твердого топлива: Тез. докл. VIII Всерос. конф. с междунар. участием, Новосибирск, 13-16 ноября 2012 г. (CD).

10. Османов, В.В. Экономическая оценка внедрения градиентных датчиков теплового потока для теплометрии в камерах сгорания / В.В. Османов, Д.О. Глушков, И.А. Брикман, М.Ю. Чернецкий // Всероссийский журнал научных публикаций. 2013. №5 (15). С. 43-45.

Подписано в печать 18.02.2015. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 12768Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Типографии Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 552-77-17; 550-40-14

л г- ^S **? &

1 5 - - ¿ ó з о

2014251

175

2014251175