Глава 10. Эксплуатация теплообменных аппаратов – ТЕПЛООБМЕННИКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 0.1 documentation. Глава 10. Эксплуатация теплообменных аппаратов – ТЕПЛООБМЕННИКИ. Эксплуатация теплообменных аппаратов 10. 1 Правила технической эксплуатации
 Скачать 1.98 Mb.
|
|
Понижение уровня масла в « чистом » отсеке главного маслобака Течи в маслопроводах или в маслоохладителях Засорение сетчатых фильтров в главном маслобаке Осмотреть маслопроводы. Проверить закрытие задвижки аварийного слива масла. Поочередно проверить герметичность маслоохладителей . Долить масло в главный маслобак Очистить сетчатые фильтры 10.9 Особенности эксплуатации теплообменных аппаратов ГТУ Каждый теплообменный аппарат в соответствии со своим местом в цикле и схеме ГТУ, типом конструкции, видом теплоносителей, необходимостью и возможностью управления им, местом размещения (в помещении или вне его) имеет, естественно, и свои особенности в эксплуатационном поведении, в эксплуатационной надежности , во влиянии на надежность и экономичность эксплуатации ГТУ в целом. Порядок эксплуатации турбоустановок и, в числе другого их оборудования, теплообменных аппаратов определяется отраслевыми нормативными документами. Применительно к приводным ГТУ таким документом являются «Правила технической эксплуатации магистральных газопроводов» и «Правила технической эксплуатации компрессорных цехов с газотурбинным приводом». Для конкретных ГПА разрабатываются отдельные инструкции по эксплуатации (например, «Инструкция 194 ИЭ» для ГПА типа ГТК-10-4). Инструкции для ряда конкретных систем и видов оборудования собраны в сборники. 10.9.1. Вопросы эксплуатации теплообменных аппаратов ГТУ Регенераторы Регенераторы , как теплообменники, прямо включенные в цикл по обоим теплоносителям, не могут управляться отдельно от ГТУ и собственных органов регулирования не имеют. Как орган управления тепловым состоянием регенератора для предотвращения термоусталостных повреждений при пуске газотурбинной установки может рассматриваться система подогрева регенератора. Подогрев может осуществляться либо подводом продуктов сгорания или сжатого воздуха от соседних работающих ГТУ, либо с помощью огневого подогревателя―наподобие подтопочного устройства в системах подогрева сетевой воды, описанного в гл.6. Из -за сложности таких устройств указанные проблемы должны решаться еще на стадии проектирования регенератора путем выбора метода компенсации взаимных тепловых перемещений корпуса и трубного пучка (например с помощью линзового компенсатора), а также анализа температурных полей и напряжений в деталях на переходных режимах (пуски, остановы). В эксплуатации важно поддержание исправного состояния и правильной работы системы опорных лап регенератора , опор газоходов и воздуховодов для обеспечения свободы термического перемещения этих элементов схемы ГТУ и отсутствия их силового воздействия на соединенные с ними турбомашины. В опорах должна сохраняться подвижность и необходимые зазоры в установочных шайбах дистанционных болтов. Наличие регенераторов (как мощных тепловых аккумуляторов в составе ГТУ) благотворно влияет на теплонапряженное состояние критических деталей (лопаток и дисков) на переходных эксплуатационных режимах , в частности при погасании факела в камере сгорания, так как регенератор сглаживает скачки температуры газа при сбросе и набросе топлива, впрочем, эти явления управляются также системой регулирования ГТУ с помощью ограничителя приемистости. Не менее важную роль в динамике ГТУ играет регенератор как аккумулятор рабочего тела―воздуха. Так, при внезапной остановке ГТУ необходимо сократить длительность выбега роторов, в то время как накопленное в объемах регенератора и его подводящих и отводящих трубопроводов сжатое рабочее тело продолжает вырабатывать в турбинах мощность, используя аккумулированную регенератором теплоту. Поэтому в конструкции регенеративных ГТУ имеются сбросные (выпускные) воздушные клапаны, через которые при указанной ситуации сбрасывается в атмосферу воздух из воздуховода, соединяющего цикловой компрессор и регенератор Чисто эксплуатационные проблемы регенераторов связаны с ухудшением их основной функции―возврата в цикл выхлопной теплоты, что может быть обусловлено ухудшением теплопередачи и протечками теплоносителей в аппарате. Рост термического сопротивления поверхностей теплообмена связан с загрязнением их отложениями продуктов коррозии, пыли, песка, сажи. Последнее особенно характерно для ГТУ, работающих на жидком топливе , при пусках из холодного состояния с большими избытками воздуха. Для предотвращения образования отложений на газовой стороне применялись сажеобдувочные устройства и промывка водой, что весьма затруднительно при движении газов в межтрубном пространстве. Конструкция регенератора должна исключать наличие карманов в полостях на стороне продуктов сгорания, где могли бы накапливаться в больших количествах такие отложения. Причинами отклонений тепловых показателей регенератора от проектных величин во время эксплуатации могут быть также потери теплоты в окружающую среду при нарушениях теплоизоляции и неравномерности фактического распределения теплоносителей по сечениям трактов. Первое устраняется очевидными ремонтными действиями и выбором атмосферостойкого типа теплоизоляции, второе же гораздо сложнее и при проектировании регенератора требует тщательного анализа структуры течения теплоносителей в нем, учета, например , протечек через зазоры в промежуточных перегородках, выявления и устранения теневых, застойных и отрывных зон и т.п. Наконец, в реальной ГТУ может возникать проблема неодинакового распределения расходов теплоносителей (продуктов сгорания, поступающих от турбины, и воздуха от компрессора) между секциями регенератора. В качестве режимной характеристики для диагностирования состояния регенератора в [67] предлагается принять скорости теплоносителей, характеризующие интенсивность теплообмена и гидравлические сопротивления по трактам, что, в конечном счете, сводится к оценке стабильности зависимостей Eu / Nu = f (Re, Pr) и Eu = f (Re). Первая зависимость напоминает ранее обсуждавшийся энергетический коэффициент, однако, хотя методологически такой подход верен, неясна возможность его реализации, поскольку в эксплуатационных условиях весьма затруднительна организация точных замеров расходов воздуха и продуктов сгорания. Методы диагностики важнейшей эксплуатационной неисправности регенераторов―наличия и величины утечек сжатого воздуха―базируются, в основном, на таких параметрах, контролируемых в процессе опрессовки регенераторов на неработающем агрегате [67]: темп падения давления в заглушенном испытываемом регенераторе; изменение режима работы агрегатов, от которых осуществляется отбор воздуха на опрессовку; показания специально установленной мерной шайбы в режиме критического истечения воздуха через неплотности регенератора; замеренное проходное сечение щелей; прирост мощности ГТУ после заделки дефектов; материальный баланс расходов через щели и контролируемый штуцер подвода воздуха. Все перечисленные методы требуют остановки ГТУ и глушения секций регенератора. Размеры и пропускная способность щелей могут существенно отличаться в рабочем и нерабочем состоянии, к тому же эти параметры вообще трудно определить. Этих недостатков лишен метод определения на работающей ГТУ протечек воздуха из воздушного тракта в газовый по сопоставлению содержания кислорода в продуктах сгорания до регенератора и после него, которые различаются вследствие примешивания протечек чистого воздуха [67]. Погрешность при утечках воздуха 3% и выше составляет ±0,5%. Отметим, что допустимы утечки не более 1% Промежуточные воздухоохладители Особенность эксплуатации воздухоохладителей―выпадение влаги из сжатого воздуха при охлаждении его до точки росы, соответствующей рабочему давлению. Для надежной работы воздухоохладителей необходим сбор капель влаги с помощью сепараторов и периодическая продувка конденсатосборника. Причины ухудшения работы воздухоохладителей следующие: образование с водяной стороны отложений (карбонатных алюмосиликатных, органических, продуктов коррозии ); загрязнение воздушной стороны пылью; коррозия (обесцинкование) латунных трубок вплоть до образования сквозных дефектов; возникновение воздушных мешков при подводе воды сверху. Механическая чистка отложений внутри трубок щетками, шарошками и т.п., как правило, неэффективна, более полезна кислотная промывка. Регулирование режима воздухоохладителей возможно путем различного включения секций по воде: параллельное соединение выгодно при большом расходе воды, причем в первой по ходу воздуха секции нагрев воды выше и она может использоваться для теплофикации; при малых расходах воды эффективнее последовательное соединение. Системы маслоохлаждения При эксплуатации маслосистем ГТУ, как и маслосистем ПТУ, должен выполняться ряд мер по обеспечению требуемых физико-химических свойств турбинного масла, удовлетворению требований безопасности и экономичности : не допускается смешение масел с разным комплексом присадок; не допускается применение средств очистки масел, изменяющих их свойства, например сорбентов, поглощающих присадки; тщательно контролируется состояние емкостей для хранения масла (отсутствие течей, попадания механических примесей и воды); масло должно подвергаться систематическому контролю на соответствие требованиям, ежедневно контролируется прозрачность, содержание влаги и механических примесей; все отработанное масло подлежит сбору и регенерации, в частности очистке с помощью пресс-фильтров и центрифуг ; не допускаются значительные утечки масел в окружающую среду по экологическим соображениям. Эксплуатация водяных маслоохладителей тесно связана с работой систем оборотного водоснабжения и градирен . При циркуляции воды в открытой оборотной системе происходит повышение ее жесткости и насыщение кислородом. Первое создает опасность возникновения отложений на внутренних поверхностях трубок маслоохладителей, а второе повышает коррозионную активность воды. Вода и трубопроводы системы, как уже было сказано, подвергаются ряду химических обработок: вода―подкислению , обработке фосфатами для предотвращения карбонатных отложений и хлорированию для предотвращения биологических отложений, а трубопроводы―промывкам фосфатами и серной кислотой. Эксплуатационные проблемы градирен: потери воды за счет испарения и капельного уноса в окружающую среду, а также через трещины в стенках водосборного бассейна; обледенение конструкций и входных окон воздуха в зимнее время; гниение деревянных и коррозия металлических конструкций; неравномерность плотности дождя в оросителе из-за смещения розеток, протечек желобов и лотков и др.; занос бассейна песком и илом. При эксплуатации градирен, оснащенных вентиляторами, должны контролироваться вибрации и посторонний шум на вентиляторе, температура его подшипников и уровень масла в корпусе редуктора. Важен контроль состояния циркуляционных насосов и уровня воды в бассейне для предотвращения срыва на всасывании насосов при попадании воздуха во всасывающую трубу. Основная эксплуатационная проблема собственно водяных маслоохладителей―это загрязнение трубок и полостей с водяной стороны. Как уже отмечалось ранее, в современных ГТУ преимущественно применяются воздушные системы маслоохлаждения , в том числе с промежуточным теплоносителем, при которых проблемы оборотного водоснабжения исчезают. Возможные управляющие воздействия при регулировании систем маслоохлаждения с АВО: поочередное включение-выключение вентиляторов; изменение частоты вращения вентиляторов вплоть до реверсирования; изменение углов установки лопастей вентиляторов; изменение положения жалюзи; полное выключение вентиляторов и переход на охлаждение за счет естественной конвекции (самотяги); перепуск масла и промежуточного теплоносителя. Целесообразная последовательность применения этих воздействий должна вырабатываться, исходя из минимизации расхода электроэнергии. При эксплуатации воздушных систем маслоохлаждения соблюдают ряд рекомендаций: · для предупреждения рециркуляции горячего воздуха на выходе из АВО учитывать при выборе их размещения преобладающее направление ветра, обеспечивать достаточные расстояния между блоками АВО, применять верхнее расположение вентиляторов, устанавливать теплообменники на одном уровне; · при заполнении контуров следить за выходом воздуха через воздушники, при сливе теплоносителей―обеспечивать полное опорожнение теплообменников через дренажные линии в емкости достаточного объема, при необходимости приподнимать одну сторону теплообменника; в зимнее время применять подогрев масла и укрытий АВО перед запуском системы; в промежуточный теплоноситель должны добавляться ингибиторы коррозии, при использовании воды она должна быть либо дистиллированной, либо умягченной; следить за свободой тепловых перемещений пучков трубок теплообменников АВО; избегать частых пусков и остановов (особенно в зимнее время) для предупреждения расслаивания биметаллических трубок и появления термоусталостных трещин в монометаллических трубках из алюминиевых сплавов; контролировать и предупреждать образование наледей на патрубках и лопастях вентиляторов; контролировать разницы температур промежуточного теплоносителя на параллельно включенных секциях―при необходимости уменьшать их регулированием расхода промежуточного теплоносителя; в летний период периодически очищать наружную поверхность оребренных трубок от пыли, пуха, семян и листьев растений промывкой водой под давлением, продувкой паром или сжатым воздухом, реверсированием вентилятора; периодически проверять и при необходимости восстанавливать балансировку колес вентиляторов, предпочтительно без разборки вентилятора; контролировать температуру подшипников редуктора и уровень масла в нем. Утилизационные подогреватели воды Схемы подключения утилизаторов, требуемое оборудование, арматура и некоторые вопросы управления утилизационными установками описаны ранее в гл. 6. Требования к оснащению утилизаторов контрольной и защитной аппаратурой определяют «Правила устройства и безопасной эксплуатации водогрейных котлов». Трубопроводы системы утилизации и запорная арматура должны быть теплоизолированы. При эксплуатации систем утилизации теплоты должен соблюдаться ряд правил: · вода, используемая для пополнения контуров утилизаторов, должна удовлетворять требованиям СНИП II-35- 76 «Котельные установки» и подвергаться соответствующей обработке, в частности, допустимо качество воды по следующим нормам: жесткость общая―0,03 мг⋅экв/л, растворенный кислород 0,03―0,1 мг/л, содержание железа― 0,2 мг/л, содержание масла―3―5 мг/л; для обеспечения безопасности ГТУ должно быть согласовано открытие и закрытие шибера по газовой стороне на утилизаторе и шибера на подходе к выхлопной трубе; их конструкция должна исключать одновременное закрытие; при включении утилизатора в работу подача воды должна быть плавной для предотвращения гидравлических ударов; открытие и закрытие входных, выходных и продувочных задвижек должно производиться согласованно, чтобы обеспечить вытеснение воздуха; следует открыть шибер по газовой стороне и прикрыть шибер на подходе к выхлопной трубе; в зимнее время включать утилизатор в работу только при работающей ГТУ; необходимо контролировать давление воды трубном пучке (3,5―3,75 кгс/см ) и тепловой режим утилизатора (температура греющих газов 250―320 °C, температура воды 70―100 °C); при отсутствии роста температуры воды, что свидетельствует о возникновении парообразования, необходимо увеличить расход воды и (или) произвести дополнительную продувку через дренажную задвижку ; при отключении утилизатора сначала открыть шибер на подходе к выхлопной трубе и закрыть шибер по газовой стороне; затем закрыть входные и выходные задвижки по воде и открыть продувочные; при отключениях утилизаторов должно быть гарантировано полное удаление из них воды, в том числе продувкой сжатым воздухом; утилизатор должен быть отключен: немедленно при повреждении теплообменных трубок и остановке циркуляционных насосов, а также не позднее 30 мин после остановки ГТУ в зимнее время. 10.9.2. Переменные режимы работы теплообменных аппаратов ГТУ Виды переменных режимов Переменные режимы работы теплообменных аппаратов ГТУ―это такие режимы, когда возникают изменения «входных» параметров: расходов теплоносителей и их температур и давлений. При этом определенным образом меняются «выходные» параметры и характеристики аппарата: теплопроизводительность (тепловая мощность ), коэффициент теплопередачи, температуры теплоносителей на выходе, их потери давления, степень регенерации для регенераторов, степень охлаждения для цикловых воздухоохладителей. Меняются также и внутренние параметры теплоносителей, в частности, скорости их течения по трактам. Одновременно изменяется температурное и напряженное состояние деталей теплообменников. Причины возникновения переменных режимов различаются для разных видов теплообменников и разных эксплуатационных ситуаций и состояний: изменение режима работы ГТУ при изменениях потребления вырабатываемой ими мощности (для аппаратов , включенных в цикл,―регенераторов и промежуточных цикловых воздухоохладителей); ручные и автоматические регулировочные воздействия на органы управления (жалюзи, перепускные клапаны , шиберы), изменение углов установки лопастей вентиляторов, изменение частоты вращения электроприводов насосов и вентиляторов для маслоохладителей, АВО, утилизационных подогревателей воды , градирен в целях оптимизации работы соответствующих систем или при отключениях секций аппаратов для обслуживания; возникновение загрязняющих отложений на поверхностях теплообмена; при этом изменяются проходные сечения трактов аппаратов и термическое сопротивление стенок поверхностей теплообмена; возникновение утечек теплоносителей при повреждениях стенок поверхностей теплообмена; уменьшение площади поверхности теплообмена при повреждения трубок и их отглушении; изменение вида теплоносителя при сезонной замене антифриза на воду и обратно в системах маслоохлаждения с промежуточным теплоносителем; изменение параметров окружающей среды (температуры, влажности воздуха, скорости и направления ветра ) для аппаратов, сообщающихся с атмосферой—АВО, градирен. Следует различать статические и динамические переменные режимы. Динамическими переменными режимами для теплообменников, включенных в цикл ГТУ, являются режимы пусков и остановов (нормальных и аварийных ), при которых за короткое время (10―15 мин) происходит резкое изменение состояния аппарата. Эти режимы наиболее опасны с точки зрения термопрочности, так как они сопровождаются наибольшими градиентами температур в деталях теплообменников, что ведет к быстрому исчерпанию их ресурса. Пример изменения входных параметров регенератора при пуске и нормальном останове показан на рис 10.18. «Ведущим» параметром ГТУ, задающим темп изменения всех остальных параметров, является частота вращения ротора ТВД. Из графиков видно, что расходы теплоносителей, их давления и температуры на входе в регенератор меняются согласованно, в высоком темпе и довольно сложным образом. Рис . 10.18. Изменение входных параметров теплоносителей регенератора при пуске и нормальном останове ГТУ. а― изменение частоты вращения ротора ТВД, б―изменение температур, в―изменение давлений, г―изменение расходов; τ ― время от момента трогания ротора ТВД; сплошная линия—пуск, штриховая—нормальный останов При рассмотрении переменных режимов считается, что конструкция аппарата в основном не меняется, за исключением ряда отмеченных выше ситуаций. Анализ переменных режимов теплообменных аппаратов ГТУ Исследование переменного режима теплообменников может выполняться разными способами, выбор которых зависит от целей анализа. Если рассматривается переменный режим установки в целом и исследование ведется не методом малых отклонений, то целесообразно иметь частные, простые в использовании зависимости , позволяющие выполнять быстрые оценки изменений характеристик аппарата. Причем, важно, чтобы эти зависимости правильно отражали основные воздействия и «работали» в широком диапазоне изменения входных параметров без потери точности. Так , для наиболее важного теплообменника ГТУ―регенератора―в [67, 68] получены формулы, с помощью которых можно оценить изменение его наиболее важной характеристики―степени регенерации. Формула [68] выведена на базе уравнения теплопередачи в регенераторе, с использованием противоточного температурного напора с поправкой на перекрестный ток теплоносителей; применена также формула Уварова и эмпирические формулы расчета коэффициентов теплоотдачи для воздуха (внутри трубок) и продуктов сгорания (между трубками); учтены и зависимости теплофизических свойств теплоносителей―воздуха и продуктов сгорания―от температуры и давления. Из этого перечня видно, что при построении формулы отражены практически все важные взаимосвязи в теплообменном аппарате. В результате получена следующая зависимость , здесь индекс «о» относится к номинальному режиму; G , T ―расход и входная температура воздуха; T ―входная температура продуктов сгорания, ε ―поправка к противоточному температурному напору при перекрестном течении воздуха и продуктов сгорания В этой зависимости представлены главные факторы, определяющие изменение степени регенерации на переменном режиме. Формула компактна, внутренние структуры безразмерны, то есть имеют свойства параметров подобия. Из формулы видно (по величине показателей степеней), что наиболее сильно на изменении степени регенерации сказывается изменение расхода воздуха (и продуктов сгорания), а наиболее слабо―изменение его температуры. Отметим, что это же (с точностью до знаков воздействия) следует из представленной в разделе 6.3 методики расчета регенератора методом малых отклонений (см. величины коэффициентов влияния в табл. 6.10). Формула пригодна для расчетов при изменении режима от номинального до нулевого. Действительно, при стремлении отношений в скобках к единице, т. е. при приближении к номинальному режиму, r → r . Это показывает логическую верность формулы. Интересен и другой предельный случай―при G → 0. Это режим остановленной ГТУ и, естественно, неработающего регенератора. Из формулы следует, что в этом случае r → 1. Для промежуточных режимов это означает, что при снижении нагрузки ГТУ степень регенерации в регенераторе возрастает. Это же видно из графика на рис 10.19. Рис . 10.19. Изменение степени регенерации в регенераторе ГТУ в зависимости от относительного расхода воздуха (номинальное значение r = 0,7) Характер изменения степени регенерации показывает, что в указанных ситуациях доля возвращаемой в цикл теплоты возрастает, тем самым частично компенсируется падение КПД цикла вследствие падения КПД турбомашин при работе на режимах, отличающихся от номинального. Регенеративная схема ГТУ оказывается выгодной еще и с этой точки зрения. Следует отметить парадоксальность отмеченного выше факта―величина показателя эффективности (степени регенерации) достигает наивысшего значения при неработающем аппарате. С этим обстоятельством связано весьма важное практическое следствие: при испытаниях регенераторов ГТУ должна работать на расчетном режиме, иначе будут определены неверные значения его характеристик, ибо при пониженных режимах ГТУ основной показатель качества регенератора―степень регенерации―будет завышена. Сходным образом могут быть построены и проанализированы подобные зависимости и для других теплообменников ГТУ [68]. Вывод конечных формул типа приведенной выше возможен при существенных упрощениях и допущениях, например , при отсутствии учета изменения характера и закономерностей теплообмена при смене режимов течения теплоносителей с турбулентного на ламинарный при очень малых расходах. Учет же всех этих обстоятельств , однако, сделает невозможным построение простой и наглядной формулы. Кроме того, в рассмотренной формуле не отражены связи режимных параметров теплообменника с конструктивными. Попытка учета еще и гидравлических характеристик приведет (если удастся) к появлению громоздких формул, аналогичных использованной при расчете пластинчатого регенератора в разделе 6.3. Более широкие возможности предоставляет метод малых отклонений при наличии базы коэффициентов влияния для внутренних взаимосвязей параметров теплообменника (по примеру табл. 6.10) и для связей внешних показателей теплообменного аппарата с показателями ГТУ [57]. Преимущества метода малых отклонений проявятся при исследовании переменного режима ГТУ с учетом взаимодействия всех ее компонентов―турбомашин, камеры сгорания, теплообменных аппаратов, вспомогательного оборудования, органов регулирования, патрубков и т.д. Метод малых отклонений применительно к переменному режиму теплообменного аппарата будет рассмотрен далее. Для теплообменников, не включенных в цикл ГТУ, может быть развит метод анализа переменного режима в форме построения балансовых моделей, основы которого продемонстрируем на примере двух систем маслоохлаждения―с прямым воздушным охлаждением масла и с промежуточным теплоносителем. Цель работы обеих систем и основная целевая функция (параметр-функция) при рассмотрении переменного режима―поддержание в заданных пределах температуры масла на выходе. При этом для выбранной целевой функции характерно большое число факторов регулирования―параметров-аргументов переменного режима: расход «горячего» масла, который можно менять с помощью клапана перепуска; расход воздуха, зависящий от режима работы вентиляторов, положения жалюзи, числа включенных вентиляторов; в системе с промежуточным теплоносителем к отмеченным факторам добавляется еще один―расход промежуточного теплоносителя , который можно регулировать его байпасированием (перепуском мимо АВО). Внешними параметрами -аргументами переменного режима являются температура «горячего масла», определяемая режимом работы ГТУ и температура атмосферного воздуха, зависящая от климатической зоны, сезона, времени суток, то есть от метеоусловий. При этом, если температура «горячего масла»―это лишь контролируемый параметр, введенный к тому же в систему аварийной защиты агрегата, то слишком высокая температура атмосферного воздуха может быть понижена, например, с помощью водоиспарительного охлаждения Модель переменного режима системы с прямым воздушным охлаждением масла состоит из двух подсистем– тепловой и гидравлической. Тепловая подсистема строится для теплообменника АВО и состоит из уравнения теплового баланса масляной и воздушной сторон, уравнения теплопередачи, метода расчета температурного напора, методов расчета теплоотдачи масла и воздуха, метода описания теплофизических свойств обоих теплоносителей. В подсистему включается описание конструкции теплообменника, как определяющей проходные сечения трактов, то есть скорости теплоносителей. Ясно, что такой комплекс разнородных зависимостей будет описываться нелинейной системой уравнений. Если задать теплопроизводительность теплообменника (по прогнозируемому тепловыделению в маслосистему), и уровень нагрева воздуха (или охлаждения масла), путем решения указанной системы уравнений можно построить зависимость требуемого расхода атмосферного воздуха от его температуры V = f ( t ). Эта зависимость может быть выражена в табличной, графической (см. рис 10.20, а) или, после аппроксимации, в аналитической формах. Диапазон изменения температура атмосферного воздуха задается техническими условиями на ГТУ и, обычно, не шире интервала– 60…+50 °C. Гидравлическая подсистема воздушного тракта описывает зависимость потерь давления в тракте от расхода воздуха Δ P = f ( V ), и, в силу однозначной связи―от его температуры Δ P = f ( t ). Полученная зависимость также выражается в табличной, графической (см. рис 10.20, б) и аналитической формах. Наложение зависимости Δ P = f ( V ) на характеристику вентилятора напор-расход H = f ( V ) (см. рис . 10.20, в), для которого тракт АВО является сетью, позволит найти рабочую точку и определит требуемую частоту вращения и угол установки лопастей вентилятора. Такой принцип можно назвать принципом баланса гидравлических потерь в сети и напора побудителя расхода. Целесообразно одновременно построить, также зависимости для напора самотяги H = f ( V ) и H = f ( t ), что позволит определить зону режима (левее точки А), в которой расход самотяги воздуха больше чем от побудителя расхода―вентилятора и в которой вентиляторы можно отключать (см. рис 10.20, б). Рис . 10.20. Функциональные зависимости модели переменного режима системы воздушного маслоохлаждения. а―зависимость расхода воздуха от его температуры, б―зависимость потери давления воздуха и напора самотяги от температуры воздуха, в―характеристика вентилятора с рабочей точкой, г―зависимость температуры охлажденного масла от температуры воздуха, д―зависимость температуры охлажденного масла от температуры воздуха и от расхода промежуточного теплоносителя; α ―угол установки лопастей вентилятора, η ―КПД вентилятора, Н ―напор Самотяги, G ―расход промежуточного теплоносителя, Р.Т.―рабочая точка вентилятора, А―точка равенства напора вентилятора и напора самотяги Гидравлическая подсистема модели состоит из расчета потерь давления при течении в межтрубном пространстве трубного пучка теплообменника АВО, учитывающего местные и линейные сопротивления; особо важной является эмпирическая зависимость для коэффициента гидравлического сопротивления при обтекании труб. В подсистему должно входить описание конструкции воздушного тракта: число рядов труб по ходу воздуха, разбивка и шаги труб, наличие оребрения труб и его геометрия, указание на наличие переходных патрубков , защитных сеток, жалюзи. Последнее можно отобразить на зависимости потерь давления в тракте от расхода воздуха в виде дополнительных линий при разных положениях жалюзи. Для экономических оценок работы системы маслоохлаждения может быть построена зависимость затрат мощности (затрат электроэнергии) на привод вентиляторов N = f ( t ). При этом должен быть учтен КПД вентилятора в соответствии с найденной ранее рабочей точкой. В качестве результирующей может быть построена зависимость температуры масла на выходе теплообменника от температуры атмосферного воздуха t = f ( t ) (см. рис 10.20, г). Совокупность зависимостей V = f ( t ), Δ P = f ( V ), H = f ( V ), N = f ( t ), t = f ( t ) и составит модель переменного режима системы маслоохлаждения ГТУ с прямым воздушным охлаждением. На основе такой модели можно будет решать задачи управления системой, в том числе и задачу минимизации энергозатрат . Модель может быть усложнена введением байпасирования масла мимо теплообменника для учета обычно имеющегося в системе маслоохлаждения клапана перепуска. Для анализа переменного режима системы маслоохлаждения с промежуточным теплоносителем необходимо построенную выше модель дополнить моделью второго теплообменника―охладителя масла, в котором теплоносителями являются масло и промежуточный теплоноситель. Принципы построения такой модели точно такие же, как и уже рассмотренные. После решения системы уравнений переменного режима этого теплообменника в комплексе функциональных связей для температуры охлажденного масла вместо зависимости t = f ( t ) будет использоваться зависимость t = f ( t , G ), учитывающая расход промежуточного теплоносителя, и которая в случае использования его перепуска мимо АВО может иметь вид, представленный на рис 10.20, г. Из изложенного ясно, что методика построения моделей переменного режима на основе балансов теплоты теплоносителей и принципа совмещения гидравлических характеристик трактов теплообменников с характеристиками побудителей расходов теплоносителей универсальна и пригодна практически для любых теплообменных аппаратов. Анализ переменных режимов теплообменника методом малых отклонений Рассмотрим последовательность аналитического построения системы коэффициентов влияния для теплообменника , пригодной для анализа его переменного режима [9]. В первую очередь должна быть построена модель основных связей для процессов в теплообменнике и их параметров . При этом необходимо принять разумные упрощения и ограничения для облегчения дальнейших аналитических преобразований. Воспользуемся выражением для поверочного расчета теплопроизводительности теплообменника, которое верно в случае относительно небольших изменений температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена [1], , а также известными соотношениями для выходных температур теплоносителей: , , для коэффициента теплопередачи: , для массовых расходных теплоемкостей теплоносителей (водяных эквивалентов): , , для термического сопротивления поверхности теплообмена с учетом термического сопротивления стенки и термического сопротивления возможного загрязнения: Здесь и далее индекс 1 относится к горячему теплоносителю, а 2 ―к холодному. Приняв оба теплоносителя газовыми, тип теплообменника―кожухотрубным, движение горячего теплоносителя в трубках, а холодного―между трубок, разбивку трубок по равностороннему треугольнику, запишем выражения для коэффициентов теплоотдачи при развитом турбулентном течении: , Приведем связи скоростей теплоносителей с проходными сечениями их трактов: , Далее можно ввести описания связей площади поверхности теплообмена и проходных сечений трактов с конструктивными параметрами теплообменника―размерами и числом трубок, размерами и числом перегородок и т.д, чего, однако, не требуется при рассмотрении переменного режима, поскольку конструкция теплообменника считается неизменной. Полная модель теплообменника должна включать выражения для вычисления теплофизических свойств теплоносителей (плотности, вязкости, теплопроводности) в зависимости от температуры и давления и методику определения гидравлических потерь по трактам. В дальнейших выкладках, носящих демонстрационный характер, для их сокращения будем принимать теплофизические свойства теплоносителей постоянными, что допустимо лишь в определенной степени даже при малых изменениях режима относительно номинального. Дополнительно приведем важный тепловой параметр регенератора ГТУ―его степень регенерации Заметим , что для теплообменников других типов (воздухоохладителей, маслоохладителей) можно использовать сходный параметр качества работы―степень охлаждения. Введем следующую систему взаимосвязей между малыми изменениями параметров теплообменника на переменных режимах ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; Нетрудно видеть, что в этих выражениях параметры-аргументы переменного режима―это входные температуры теплоносителей t и t , а также их расходы G и G , все же остальные переменные―это параметры -функции, причем последовательные подстановки приведут, в конечном счете, к несводимым друг к другу параметрам-функциям―выходным температурам теплоносителей t , t и степени регенерации r Полученная система состоит из совокупности линейных взаимосвязей между аргументами и функциями, поэтому она достаточно легко обозрима, доступна анализу и преобразованиям простыми алгебраическими приемами Перестроим систему, выделяя наиболее важные взаимосвязи, исключая промежуточные и доводя их до связей со входными параметрами-аргументами переменного режима. ; ; ; ; ; ; ; ; Как видно, и после перестройки система сохранила линейность. При любых формах связей между малыми изменениями параметров-функций с параметрами-аргументами они определяются набором коэффициентов влияния K , i = 1―22. Покажем на примере коэффициента K методику построения выражений для коэффициентов влияния. В соответствии с принципами, сформулированными в разд. 6.3, Частная производная: Для упрощения дальнейших записей введем обозначение После подстановки получаем: Сходным же образом выводятся выражения для остальных коэффициентов влияния. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; K = 1; K = 1; K = 0,8; K = 0,6; K = 1; K = 1; ; ; Отметим полезные связи между коэффициентами влияния, обеспечивающие контроль расчетов и несколько уменьшающие их объем K =– K ; K =– K ; K + K = 1; K + K + K = 1; K + K = 1; K + K = 1; K + K = 1; K =– K ; K + K =– K ; K + K K K = 0; K + K · ( K + K K ) = 0. Совокупность вышеприведенных связей малых изменений параметров-функций с малыми изменениями параметров -аргументов и выражений для коэффициентов влияния представляет модель теплообменника в малых отклонениях для анализа его переменного режима. Применение метода малых отклонений к анализу переменного режима теплообменного аппарата Проанализируем методом малых отклонений переменный режим секции трубчатого регенератора ГТУ. Для расчета коэффициентов влияния используем численные значения параметров номинального режима секции трубчатого регенератора, определенные в разделе 6.3 в результате поверочного расчета. Отметим, что здесь горячим теплоносителем являются продукты сгорания, а холодным–воздух. Значения коэффициентов влияния K = 1,641; K = –0,641; K = 0,307; K = 0,337; K = 0,356; K = 1,674; K = –0,674; K = 0,674; K = 0,479; K = 0,521; K = –0,521; K = 0,716; K = 0,284; K = 1; K = 1; K = 0,8; K = 0,6; K =1; K =1; K = –1,641; K = –0,277; K = 1,918. Связи изменений основных параметров-функций с изменениями параметров-аргументов в малых отклонениях Q = 1,641· t –0,641· t + 0,513· G + 0,408· G ; t = 0,568· t + 0,432· t + 0,334· G –0,275 G ; t = 0,855· t + 0,145· t + 0,267· G –0,308· G ; K = 0,573· G + 0,170· G ; = 0,800· G ; = 0,600· G ; w = G ; w = G ; r = 0,512· G –0,591· G Числовые коэффициенты в этих выражениях—это окончательные коэффициенты влияния параметров- аргументов на параметры-функции при переменных режимах работы регенератора. Эти коэффициенты учитывают все промежуточные взаимосвязи и показывают значимость каждого фактора переменного режима. Сопоставление значений вычисленных здесь коэффициентов влияния со значениями, приведенными в табл. 6.10, показывает их хорошее согласие и по силе, и по знаку влияний. Некоторые расхождения могут быть отнесены на отсутствие учета влияний исключенных из рассмотрения изменений теплофизических свойств теплоносителей Полученная система представляет собой модель поведения секции трубчатого регенератора на переменных режимах Практикум 1 Частота вращения ротора ТВД ГТУ понизилась на 7,7% от номинального значения. Определить изменение параметров регенератора. Следует иметь в виду, что рассмотрение переменного режима регенератора в составе ГТУ при изменениях режима ее работы не допускает задания произвольных изменений входных параметров, а требует их согласования в соответствии с перемещениями рабочей точки ГТУ по линии совместных режимов на характеристике циклового компрессора. По данным анализа переменного режима ГТУ принимаем = -12,7%; =–13,7%; =–12,7%; =–12,6%. Тогда параметры регенератора изменятся следующим образом 1,641⋅(–12,7)– 0,641⋅(–13,7) + 0,513⋅(–12,7) + 0,408⋅(–12,6) =–23,7%; 0,562⋅(–12,7) + 0,432⋅(–13,7) + 0,334⋅(–12,7)–0,275⋅(–12,6) =–13,9%; 0,855⋅(–12,7) + 0,145⋅(–13,7) + 0,267⋅(–12,7)– 0,308⋅(–12,6) =–12,3%; 0,573⋅(–12,7) + 0,170⋅(–12,6) =–9,4%; 0,800⋅(–12,7) =–10,2%; 0,600⋅(–12,7) =–7,6%; 1,000⋅(–12,7) =–12,7%; 1,000⋅(–12,6) =–12,6%; 0,512⋅(–12,7)– 0,591⋅(–12,6) = 0,94%. По этим данным можно сделать некоторые заключения. Несмотря на весьма большие изменения входных параметров, метод малых отклонений дал достаточно точные результаты: более точный анализ переменного режима ГТУ показал –13,3 % и –12,7%. Интересно отметить большое изменение теплопроизводительности регенератора при слабом изменении степени регенерации. Степень регенерации увеличивается при снижении расходов теплоносителей, как это было показано выше по методике [55]. Снижение температуры продуктов сгорания за регенератором ухудшит работу водяных утилизаторов, установленных за ним. Практикум 2 За счет повреждения трубок регенератора из его воздушного тракта происходит утечка 5% воздуха. Определить изменение параметров регенератора. В этом примере также необходимо учитывать реакцию ГТУ в целом на указанное воздействие. С учетом коэффициентов влияния утечек рабочего тела на параметры ГТУ для программы регулирования постоянства температуры газа перед турбиной, принимаем δ t = 2,0 %; δ t =–6,3 %; δG =δG =–3,5 %. Тогда наиболее важные параметры регенератора изменятся следующим образом Q = 1,641·2,0–0,641·(–6,3) + 0,513·(–3,5) + 0,408·(–3,5) = 4,11 %; t = 0,568·2,0 + 0,432·(–6,3) + 0,334·(–3,5)–0,275·(–3,5) =–1,79 %; t = 0,855·2,0 + 0,145·(–6,3) + 0,267·(–3,5)–0,308·(–3,5) = 0,94 %; r = 0,512·(–3,5)–0,591·(–3,5) = 0,28 %. |