градирня. диссертация по градирне. Анализ эксплуатационных особенностей совс роль совс в работе современных тэц
 Скачать 4.96 Mb.
|
|
2 СОДЕРЖАНИЕ Введение Глава 1. Анализ эксплуатационных особенностей СОВС…….. 13 1.1 Роль СОВС в работе современных ТЭЦ 1.2 Проблемы эксплуатации напорных водоводов 1.3 Основные вопросы эксплуатации циркуляционных насосов СОВС……...………………………………………….………….………..22 1.4 Особенности эксплуатации башенных градирен ......................23 1.4.1 Проблемы интенсивности теплообменных процессов в градирне 1.4.2 Эксплуатация башенных градирен в зимний период Глава 2. Разработка методов интенсификции теплообменных процессов в башенной градирне Факторы, влияющие на теплообмен в градирне 2.2 Влияние гидрофобизации внутренней поверхности градирни на теплообменные процессы 2.3 Влияние гидрофобизации на расход воздуха через градирню 2.4 Анализ влияния дисперсности воды на теплообмен в градирне Глава 3. Разработка методов повышения надежности и эффективности эксплуатации башенных градирен за счет снижения интенсивности льдообразования 3.1 Лабораторный эксперимент по исследованию адгезии наледи к поверхностям с гидрофобными покрытиями ……………………….46 3.1.1 Методика проведения экспериментальных исследований 3 3.1.2 Определение степени гидрофобности поверхности образцов 3.1.3 Определение степени адгезии льда к поверхности образцов 3.1.4 Определение степени адгезии льда к поверхности образцов при наличии ив отсутствие защитных покрытий 3.1.5 Оценка защитного покрытия на основе ПАВ, фторопласта - 4 и эпилама.…………………….………………..52 3.1.6 Исследование процесса образования инея на поверхностях конструкционных материалов 3.1.7 Влияние защитных покрытий на массу намораживаемого льда ……………………….………………….54 3.1.8 Результаты проведенных экспериментов 3.2 Натурный эксперимент по мониторингу льдообразовательных процессов на градирне №7 ТЭЦ ОАО «Мосэнерго»…..………………………………..…………………………55 3.2.1 Технические характеристики градирен №5 - 7 ТЭЦ ОАО «Мосэнерго»..…………………..…………………………..60 3.2.2 Результаты натурного эксперимента 3.2.3 Моделирование процесса обтеканием воздуха конструктивных элементов градирни 3.2.4 Результаты натурного эксперимента и выводы 3.3 Расчетные исследования движения потоков воздуха в области верхнего кольца жесткости градирни 4 Глава 4. Пути повышения надежности и эффективности циркуляционных насосов и водоводов СОВС……………..……82 4.1 Определение влияния гидрофобизирующих покрытий поверхностей проточной части насоса на его напори КПД 4.2 Промышленная апробация модернизации по ПАВ-технологии центробежных насосов, эксплуатирующихся в действующих системах 4.2.1 Промышленная апробация модернизации центробежного насоса функционирующего в системе перекачки сточных вод на канализационной станции МУП Щелковский водоканал 4.2.2 Промышленная апробация модернизации центробежного насоса функционирующего в дренажной системе ТЭЦ ОАО «Мосэнерго»..……………………..........93 4.2.3 Влияние гидрофобизирующих покрытий на эксплуатацию циркуляционных насосов СОВС...……..…….96 4.3 Снижение гидравлического сопротивления напорного водовода СОВС ……………………………………………………………...………99 Заключение Литература 5 ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Q – подача (расход H – напор Т теоретический напор N – мощность (потребляемая пол полезная мощность Q N – удельное потребление электроэнергии N T – ресурс по потреблению электроэнергии доп – допустимый кавитационный запас кр – критический кавитационный запас КПД коэффициент полезного действия Г – гидравлический КПД Г – циркуляция Δh – потери в рабочем колесе изменение коэффициента полезного действия – коэффициент быстроходности р а – атмосферное давление р – абсолютное давление на входе в насос р – абсолютное давление на выходе из насоса – коэффициент кинематической вязкости коэффициент динамической вязкости C – коэффициент турбулентной вязкости * u – динамическая скорость y , n + – безразмерное расстояние, безразмерное расстояние по нормали u , w + – безразмерные абсолютная и относительная скорости n 0 + – граница пограничного слоя S h – величина зерна эквивалентной песочной шероховатости 6 – краевой угол Re – число Рейнольдса; U – скорость невозмущенного потока тр h – разность уровней полного и статического напора трубки Пито-Прандля; пл длина пластины Г – гидравлический диаметр л толщина ламинарного пограничного слоя т толщина турбулентного пограничного слоя 0 – касательное напряжение на стенке 0 k – коэффициент касательного напряжения – относительное изменение коэффициента касательного напряжения F – сопротивление при обтекании F – относительное изменение сопротивления 3D – трехмерные методы гидродинамических расчетов u W , , – абсолютная, относительная и переносные скорости r – расстояние между фиксированной и текущей точками V,S– объем и граничная поверхность выделенной области течения W W – усредненные вторые одноточечные моменты пульсаций относительной скорости , – дифференциальные операторы Гамильтона и Лапласа соответственно РК – рабочее колесо К – центробежный насос консольного типа КМ – консольный центробежный насос моноблочного исполнения ТЭС – тепловая электростанция АЭС – атомная электростанция ТЭЦ – теплоэлектроцентраль ГРЭС – государственная районная электростанция 7 КТС – квартальная тепловая станция ПАВ – поверхностно-активные вещества ГФ – гидрофобизация; ЦТП – центральный тепловой пункт Т – теплообменное устройство ЦО – система централизованного отопления ХВС – система холодного водоснабжения ГВС – система горячего водоснабжения СОВС – система оборотного водоснабжения а – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м∙К); а – коэффициент температуропроводности, мс G - расход воды, кг/с; D – средний диаметр капель, м ж – плотность жидкости кг/м 3 ; n – количество капель, ед/с; 𝜌 𝑔,𝑝 - плотности воздуха и капель соответственно, кг/м 3 ; V – скорость воздуха, мс 𝑄 𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑝 - масса капель, кг/(с∙м 3 ); 𝑄 𝑒𝑛𝑡ℎ 𝑝 – энергия капель, Вт/м 3 ; T g,p - температура воздуха и капель соответственно, К 𝜆 g – коэффициент теплопроводности воздуха, кг/(м∙с); h g – энтальпия воздуха, Дж/кг; h lat – скрытая теплота испарения (или сублимации, Дж/кг; С g,p – теплоемкость воздуха и капель соответственно, Дж/(кг∙К); 𝑚̇ - поток испарения с единицы поверхности капли, кг/(м 2 ∙с); Nэл – электрическая мощность на прокачку теплоносителя (кВт. ΔP – потери давления по контуру течения теплоносителя ( Па. 8 ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы. В соответствии с основными положениями Энергетической стратегии России на период до 2035 года и ФЗ-261 Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности, приоритетными направлениями развития энергетики являются повышение энергоэффективности, надежности и экологичности генерирующих производств. Одной из проблем снижения выработки электроэнергии электростанциями, снижения их установленной мощности и ухудшения экологичности является недостаточное охлаждение конденсаторов энергоблоков, вследствие неэффективности работы систем оборотного водоснабжения (СОВС). Пониженная интенсивность теплообменных процессов и льдообразование на функциональных поверхностях в градирне оказывают негативное влияние на температуру оборотной воды и надежность эксплуатации СОВС в целом. Известно, что повышение температуры охлаждаемой воды на 1 о С, подаваемой в конденсаторы - на ТЭС приводит к снижению вакуума в них на 0,5%, что равноценно снижению мощности турбины на 0,4%. - на КЭС приводит к увеличению наг условного топлива на выработку кВт ч электроэнергии. В связи с этим возникает необходимость определить факторы, влияющие на эксплуатационные свойства каждого из элементов СОВС и разработать комплекс методов, позволяющих повысить выработку электроэнергии за счет их совершенствования. Учитывая тенденции энергетики, обусловленные необходимостью сокращения затрат при выработке электроэнергии на собственные нужды, данная задача является актуальной. 9 Цель работы заключается в разработке совокупности методов и подходов, направленных на повышение надежности и эффективности эксплуатации системы оборотного водоснабжения электростанций. Объектами исследования являются системы оборотного водоснабжения электростанций с башенными градирнями. Основными задачами работы являются Анализ особенностей и проблем эксплуатации каждого из основных элементов СОВС. Оценка их влияния на теплообменные процессы в градирне и функционирование оборотных систем в целом. Разработка метода интенсификации теплообменных процессов в башенной градирне. Проведение расчетно-теоретических исследований процесса теплообмена между каплями воды и воздухом в зависимости от дисперсности капель. Осуществление расчетных исследований по оценке влияния гидрофобизации внутренней поверхности градирни на теплообменные процессы в ней. Осуществление натурных исследований процесса образования наледи на элементах градирен. Разработка метода защиты градирен от наледи в областях входа и выхода воздуха на основе натурных исследований. Проведение расчетных исследований аэродинамических процессов на входе и выходе воздуха из градирни. Анализ и разработка перспективных методов снижения гидравлического сопротивления водоводов СОВС. Разработка метода повышения эффективности и надежности функционирования насосов СОВС. Проведение натурных исследований работоспособности структурированных покрытий на элементах проточной части насосов в условиях действующих технологических систем. 10 Оценка эффективности и экологичности предложенных методов повышения надежности и эффективности эксплуатации СОВС. Научная новизна работы состоит в следующем Получена уточненная расчетно-теоретическая зависимость теплового потока от дисперсности капель в градирне. Предложен подход снижения поверхностного натяжения охлаждаемой воды. Получена зависимость степени обледенения пролета градирни от времени сезонной эксплуатации. Установлена закономерность формирования наледи на конструктивных элементах градирен. Предложен метод повышения энергоэффективности насосного оборудования СОВС. Практическая ценность работы заключается в следующем Исследованы процессы льдообразования в области входа воздуха в градирню и предложены методы снижения интенсивности льдообразовательных процессов на примере градирен, функционирующих ТЭЦ ОАО «Мосэнерго». Разработан способ защиты от наледи верхнего опорного кольца градирни. Разработан способ защиты от наледи нижнего опорного кольца градирни. Осуществлены экспериментальные исследования функционирования супергидрофобных покрытий рабочих колес насосов, эксплуатирующихся в реальных условиях на ТЭЦ ОАО «Мосэнерго» и МУП Щелковский водоканал. Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов определяется 11 использованием апробированных методик планирования и проведения исследований, методик анализа экспериментальных результатов, применением средств измерений необходимой точности. удовлетворительной сходимостью результатов при многократных повторениях. использованием апробированных пакетов расчетно-теоретических исследований термо и гидродинамических процессов. Апробация работы Основные положения работы, результаты теоретических и расчетных исследований докладывались и обсуждались на 15 - 18 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика Москва. 2009 – г. Восьмой Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов (г. Москва, МЭИ, г. Заседаниях кафедры Промышленных теплоэнергетических систем НИУ «МЭИ». Всероссийской научно-практической конференции Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем ЭНЕРГО – 2010 Материалы работы использовались при выполнении работ в рамках ГК № 12.527.11.0003 по заказу Министерства образования и науки Российской Федерации. На защиту выносятся Результаты расчетно-теоретических исследований влияния степени дисперсности капель на теплообменные процессы в градирне. Результаты промышленного эксперимента по изучению льдообразования на конструктивных элементах градирни. 12 Результаты расчетно-теоретических исследований аэродинамических процессов на входе и выходе воздуха из башенных градирен. Результаты исследования влияния гидрофобных покрытий на энергетические качества для центробежных насосов типов «КМ»,«СМ» и Д в диапазонах коэффициента быстроходности от 40 до 130 в условиях промышленного эксперимента. Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные входе ее выполнения, представлены в 7 публикациях, в том числе в х статьях, рекомендованных ВАК журналах. Структура и объем работы Диссертация изложена на 119 страницах и состоит из введения, четырех глав и выводов. Работа содержит 62 рисунка и 10 таблиц, список использованных источников содержит 116 наименований. 13 ГЛАВА 1. Анализ проблем эксплуатации СОВС. 1.1 Роль СОВС в работе современных ТЭЦ. На долю тепловых и атомных электростанций приходится основная часть генерирующих мощностей энергетики РФ /19/. В структуре производства электрической энергии тепловые станции представлены ТЭЦ, ГРЭС и АЭС. Важное значение в работе электрических станций выполняет техническое водоснабжение, которое может быть прямоточным, оборотным или смешанным. Назначение этой системы – охлаждение конденсаторов энергоблоков. При прямоточном водоснабжении отработавшая теплая вода сбрасывается в реку, водохранилище, озеро или морена таком расстоянии от водоприемного сооружения, чтобы исключить возможность попадания в него теплой воды. При низких температурах речной воды водоснабжение электростанций из реки может быть осуществлено по системе с подмешиванием к речной воде в маловодные периоды года отработавшей на электростанции теплой воды. При применении системы прямоточного водоснабжения не требуется больших капиталовложений на строительство, и обеспечиваются низкие и устойчивые температуры охлаждающей воды /84/. Однако расходы воды, достаточные для прямоточного водоснабжения мощной электростанции, могут быть получены только из больших рек, на которых размещение тепловых электростанций по совокупности технико-экономических показателей (топливоснабжение, выдача электроэнергии) оправдывается лишь в редких случаях. Возможность размещения электростанций на реках ограничивается также повышенными требованиями к условиям сброса воды в водоемы, связанными стем, что изменение температурного режима реки оказывает большое влияние на происходящие в ней биологические процессы. 14 Поэтому крупная теплоэнергетика развивается преимущественно с применением оборотного водоснабжения. Существуют и системы смешанного водоснабжения электростанций, когда параллельно с прямотоком в маловодные периоды включаются в работу охладители (водохранилище-охладитель, градирни или брызгальные установки) либо параллельно с водохранилищем — градирни или брызгальные установки. На ТЭЦ, располагаемых, как правило, вблизи потребителей теплоты в крупных городах, широко применяются системы оборотного водоснабжения с градирнями. Наиболее распространенными типами градирен в энергетике являются Вентиляторные испарительные Башенные испарительные Радиаторные (сухие) Комбинированные (гибридные) В местностях с недостатком воды даже на восполнение безвозвратных потерь на испарение и капельный унос при обычных испарительных башенных градирнях, атак же в особых случаях по технико-экономическим и экологическим соображениям применяются радиаторные градирни, что делает системы охлаждения закрытыми. В зарубежной практике в последние годы интенсивно начали применяться системы охлаждения конденсаторов турбин электростанций скомбинированными градирнями. При их применении снижается видимый выпар из градирни, достигается экономия добавочной воды и улучшаются теплотехнические параметры конденсаторов в сравнении с башенными сухими. В РФ радиаторные и гибридные градирни не нашли широкого распространения из-за относительно высокой стоимости и металлоемкости 15 воздушных теплообменников и недооценки их преимуществ с экологической точки зрения. В 1950-60гг. в СССР было принято решение о преимущественном применении на ТЭС и АЭС башенных градирен. К тому времени северных районах Европы и США тоже активно применялись градирни такого типа, т.к. они являются более простыми и дешевыми в эксплуатации, чем вентиляторные, и могли быть установлены более компактно на территории станции. В соответствии с существующим в те годы советским законодательством расход электроэнергии на привод вентиляторов, составляющий 0,5-0,7% от вырабатываемой станцией мощности считался невыгодным. Если говорить о современной ситуации, то изменились и условия возведения гидросооружений и законодательство. Появились более совершенные конструкции вентиляторов и других функциональных элементов градирен. Повысились и экологические требования. Поэтому на ТЭС и АЭС все чаще появляются вентиляторные градирни вместо башенных или совместно сними, что улучшает маневренность водоохлаждения в зависимости от изменения нагрузки. Тем не менее, в настоящее время продолжает эксплуатироваться огромный парк башенных безвентиляторных градирен. На электростанциях бывшего РАО ЕЭС России в эксплуатации находится более 365 градирен площадью орошения 650 000 м, единичной производительностью от 2000 домчи общей производительностью 4 550 000 м 3 /ч или 39 млрд. млн. м 3 /год /57/. В настоящее время примерно 40% из общего числа градирен башенного типа, находящихся в эксплуатации на ТЭС, близки к исчерпанию своего ресурса. Снижение проектных показателей надежности градирен и всей системы оборотного водоснабжения является одной из причин ухудшения технико-экономических показателей электростанций. 16 Основным требованием к СОВС является обеспечение необходимого расхода охлаждённой воды, подаваемой в конденсаторы энергоблоков. Недостаточная степень охлаждения или недостаточная подача оборотной воды приводит к ограничениям подачи пара в конденсаторы турбин и, соответственно, к ограничениям мощности энергоблоков и снижению их КПД, эти ограничения составляют не менее 500 МВт в год и имеют тенденцию к росту /. Обзор литературных источников показывает, что проблема совершенствования СОВС весьма актуальна. Большой интерес представляют разработки, связанные с совершенствованием методик расчета оборотных систем и оптимизацией режимов их работы. Так в работе Калатузова В.А. /57/ разработана усовершенствованная характеристика градирен с учетом ее конструктивных, атак же метеорологических факторов эксплуатации конкретной градирни. В работе Колесникова СВ. /62/ разработаны математическая и компьютерная модель оборотной системы с использованием математического аппарата теории графов и законов Кирхгофа, позволяющая рассчитывать многовариантные режимы работы СОВС при различном составе их оборудования. Разработаны принципы построения режимных карт работы ТЭЦ в зависимости от метеоусловий. Следует отметить исследования, связанные с совершенствованием отдельных элементов или разработкой новых типов градирен с целью улучшения тепломассообменных процессов. В работе Дмитриевой ОС показана разработка аппаратов на основе вихревой камеры для охлаждения оборотной воды. В работе Ведьгаевой И.А./21/ показан анализ данных работы промышленных градирен с разными типами контактных устройств - насадок. Установлено, что при равных технологических и метеорологических условиях тип и расположение контактных устройств влияет на эффективность работы градирни. В работе Давлетшина Ф.М./49/ решается комплекс задач повышения их эффективности путем создания и 17 экспериментальной проверки новых конструкций оросителей и водоуловителей, оптимизации водораспределительной системы с учетом распределения воздушных потоков в градирне, совершенствования и экспериментальной отработки конструкций водоразбрызгивающих сопел. Однако применение вышеуказанных и им подомных решений возможно только на стадии проектирования новых оборотных систем и градирен либо они требуют значительного переоборудования уже существующих и остановки работы градирен для их реализации. Анализ литературных источников показывает, что решение проблемы повышения эффективности функционирования СОВС возможно только при комплексном рассмотрении всех элементы оборотной системы, и комплексном анализе особенностей их эксплуатации. Рассмотрим СОВС на примере оборотной системы энергоблока №1 ТЭЦ ОАО “Мосэнерго”, принципиальная схема которой является наиболее распространенной для электростанций РФ и приведена на рис. 1.1. Рис. 1.1. Принципиальная схема СОВС (1 – конденсатор 2 – градирня башенного типа 3 – группа циркуляционных насосов 4 – водоводы) 18 Электрическая мощность данного энергоблока составляет 110 МВт, тепловая – 175 Гкал/ч. Охлаждение в СОВС осуществляется градирней, площадью орошения 1520 м, производительностью 10500 м 3 /ч. Максимальная тепловая нагрузка составляет 153 Гкал/ч. Градирня гиперболическая, башенного типа (2) в форме усеченного конуса, противоточная, принята в эксплуатацию в 1966 году. Оболочка башни выполнена из монолитного железобетона маркировки БГТ-300, В, армированные сетками, каркасами, стержнями. Толщина оболочки минимальная – 140 мм, максимальная – 240 мм. Гидроизоляция внутренней поверхности – флюатирование и покрытие красками на основе эпоксидных смол. Напорный водовод (4) имеет длину 90 ми диаметр х мм. Расчетный расход 6,5 мс и скорость теплоносителя 4,3 мс. Установлен циркуляционный насос (3) типа 24НДН. Технические характеристики насоса представлены в Таблице 1.1. Таблица 1.1. Технические характеристики насоса 24НДН Марка Тип эл. двигателя Мощность, кВт Расход, м 3 /ч Напор, м 24НДН А3-13-52-8А 500 5000 26 19 |