Динамика прямоточного контура при больших возмущающих воздействиях применительно к пусковым режимам прямоточных котлов

В последнее время в связи с острым дефицитом органического топлива развитие отечественной энергетики, особенно в Европейской части страны, ориентировано на значительный ввод энергоблоков на ядерном топливе, обладающих низкими маневренными качествами. Вйвсте с тем в энергосистемах, хотя и несколько сгладилась сегодня тенденция к разуплотнению графика электрической нагрузки в связи с ограниченным резервом мощностей, все же вследствие увеличения суммарной установленной мощности, даже при неизменном общем коэффициенте регулирования, растет и суммарная мощность регулирования суточного графика. Ввиду отсутствия специального маневренного оборудования и сложившейся структуры генерирующих мощностей, отличающейся наличием малой доли низкоэкономичяых (КЭС-45, КЭС-90) и ростом маломаневренных (АЭС, тац) мощностей основная тяжесть регулирования графика нагрузки ложится на паротурбинное блочное оборудование, спроектированное для производства базовой электроэнергии. Гидроэлектростанции во всех энергообъединениях страны (за исключением ОЭС Сибири) также не могут полностью решить данной проблемы из-за ограниченной величины их мощности. Поэтому выполняется большой комплекс научно-технических исследований с целью определения и расширения возможностей использования энергоблоков в переменной зоне графика нагрузки. В этой связи большое внимание уделяется изучению динамических характеристик прямоточных котлоагрегатов, доля которых в общей структуре мощностей значительна. Эти данные необходимы как для автоматизации оборудования в стационарных и переменных режимах эксплуатации, что имеет немаловажное значение при переводе блоков в режим регулирования, так и для разработок мероприятий технологического и конструктивного характера для повышения маневренных ка- 6^честв в переходных режимах, в частности, при пусках после остано^вок в резерв. Используются как экспериментальные, так и расчетные методы исследований. Причем, в связи с развитием средств вычислительной техники все большее внимание уделяется именно расчетным методам, позволяющим с меньшими трудозатратами проводить всесторонние исследования. Для этих целей используются, как правило, достаточно сложные всережимные математические модели котлоагрегатов, как динамических объектов. Однако использование таких моделей в ряде случаев оказывается не оправданным, что приводит к необходимости определения целесообразности применения тех или иных моделей в разных режимах и разработке более простых моделей. Наряду с этим стоит задача получения экспвриментальяых данных для обоснования основных допущений при разработке расчетных методик и для проверки их достоверности. Решению этих задач в основном и посвящена настоящая диссертационная работа, выполненная на основе стендовых, промышленных и теоретических исследований. Экспериментальная часть работы выполнена автором под руководством научного руководителя на стендовой установке ВТИ, экспериментальном котле ТЭЦ ВТИ и энергоблоке 300 Ш т Киришской 3? РЭС. Диссертация состоит из 5 глав. В первой главе на основе изучения состояния вопроса сформулированы задачи исследований. Вторая глава посвящена стендовым исследованиям при больших возмущениях тепловой нагрузкой и расходом среды. В третьей главе приведены результаты промышленных исследований динамики прямоточного контура. В четвертой — методика расчета переходных процессов в растопочном контуре при больших возмущениях теплом и расходом. Пятая глава посвящена проверке расчетной методики путем сопоставления результатов расчета со стендовым и промышленным экспериментом. Определены границы применимости расчетных методов. Заверше- 7 на диссертация общими выводами по работе. Диссертация содержит 133 страницы, вюхючая таблицы, 70 рисунков, список использованной литературы (22 наименования) и 8 приложений, — 8л I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 1 Л. Экспериментальные исследования динамики прямоточного контура При математическом моделировании теплоэнергетических установок в нестационарных режимах, как правило, пользуются упрощенной схемой процесса, исключая влияние ряда факторов, В связи с этим исследование неучтенных факторов на переходный процесс является необходимым для уточнения математических моделей. Критерием же точности модели является, как правило, эксперимент. Особенно большое значение эксперимента проявляется при создании математических моделей дня расчета динамических характеристик при больших возмущениях (в режимах пуска, останова и т. д.), приводящих к значительному изменению режимных параметров (Р, t), Экспериментальные исследования подразделяются на стендовые и промышленные, «Для исследования динамики отдельных теплообменников пользуются в основном стендовыми исследованиявш, которые имеют широкие возможности: в выборе диапазона режимных параметров и величины возмущенияв оснащении точными средствами контроля и регистрациив возможности исследования влияния отдельных факторов и хорошей повторяемости эксперимента. Наиболее простыми в физическом моделировании являются участки с однофазным теплоносителем (вода, перегретый пар). Экспериментальные исследования динамики таких теплообменников проводились рядом авторов /51,57/, но только при малых во мущеяиях, не приводящих к глубокому изменению режимных параметров (давление, температура). Задачей этих экспериментов была в основном проверка точности математических моделей, описывающих переходные процессы в линейном приближении. Для этих целей не было необходимости в проведении большого числа эксперимен^тов, так как на линейном объекте количество факторов, влияющих на характер переходного процесса ограничено. Что касается иссагедования возможности использования этих моделей в более широком диапазоне изменения режимных параметров (в частности, на начальном этапе пуска парогенератора), то из-за отсутствия опытов при больших возмущающих воздействиях нельзя определить область линейности объекта, а следовательно и достоверность результатов расчета при использовании таких моделей.' Известно, что для теплообменников с сильноменяющимися свойствами теплоносителя на динамику процесса начинает оказывать существенное влияние величина и знак возмущающих воздействий. В связи с этим требуется более обширный стендовый эксперимент для исследования влияния отдельных факторов на характер переходного процесса, а также ддя проверки качества математических моделей. Опубликованный в литературе экспериментальный материал по определению динамических характеристик теплообменников с сильноменяющимися свойствами теплоносителя ограничивается, как правило, малыми возмущениями /62/, Поэтому получение экспериментального материала при больших возмущениях является актуальной задачей.' Среди теплообменников с сильноменяющимися свойствами теплоносителя наиболее сложным при исследовании нестационарных процессов является испарительная поверхность нагрева. Стожность состоит в отсутствии средств измерения энтальпии в области пароводяной смеси. В экспериментальных материалах, приведенных в /60,16,17,21, 22/ рассмотрены косвенные способы исследования. Один из таких способов был применен в опытах Шмуклера Б. И. и Давыдова А. А. на автономном витке котла СП-67 /60/ и он сводился к фиксированию моментов прохода точки начала перегрева через места замера температуры. Однако, опыты на промышленных котлах неточны из-за наличия случайных возмущений. Стендовые исследования, проводимые в — юШ Э И /16,17,21,22/ были связаны с изучением влияния не стационар- -i ных режимов на особенности механизма теплообмена в трубах при течении пароводяной смеси. В /21,22/ проведено исследование кризиса теплообмена второго рода /61/ при больших возмущениях расходом рабочей среды. Динамические режимы воспроизводились при (40−70)^ уменьшении расхода воды на входе в рабочий участок при неизменном обогреве. Кризисные условия возникали всегда при достижении нового установившегося состояния. Фиксация кризисных условий производилась по появлению в выходном сечении трубки резких колебаний температуры стенки без потери устойчивости. По результатам опытов было установлено, что уменьшение скорости воды на входе не вызывает преждевременного появления кризиса /21,22/, но оказывает существенное влияние на величину коэффициента теплоотдачи в зоне ухудшенного теплообмена /16/. Здесь следует указать, что опыты, проведенные в МЭЙ, имели свое целевое назначение и не позволяют исследовать динамику участка в более широком диапазоне изменения параметров, охватывающем области пленочного кипения и перегретого пара. В работе /100/, посвященной исследованию процессов теплоотвода при послеаварийном охлаждении в реакторах с водным теплоносителем на основании экспериментальных данных получены корреляционные зависимости для коэффициента теплоотдачи в области нестационарного пленочного кипения KoL цх) и установлено, что на оСцос основное влияние оказывает давление, расход и расстояние от фронта увлажнения. Но так как опыты проводились при давлении Р ^ 0,5 Ш, а и массовом расходе «^0 — 250 кг/(м^.с), то для «использования этих результатов в более широком диапазоне изменения режимных параметров требуется дополнительный эксперимент. Помимо рассмотренных работ по исследованию нестационарных процессов в области пароводяной смеаи в настоящее время появи^ лось еще ряд публикаций /102,103 и др./, посвященных процессам — / / «вскипания двухфазного теплоносителя при нарушении ею расхода в ' элементах АЭС. В процессе опытов определялись времена достижения кризиса и изменения объемного паросодержания при различных величинах возмущений. Но так как во всех экспериментальных данных, представленных в литературе, исследовались в основном быстротекущие процессы испарения теплоносителя до появления кризиса i*^ 1+2 с /102,103/) и в узких диапазонах режимных параметров, не охватывающих область их изменения в пусковых режимах котлоагрегатов, то получение подобного эксперимента применительно к теплоэнергетике является необходимым. При промышленных исследованиях динамических характеристик объекта основное количество экспериментов относится к малым скачкообразным возмущениям, приводящим к незначительному изменению теплорзических свойств рабочей среды, с целью выбора системы автоматического регулирования процессами. Подобные исследования осуществлялись, практически, на калщом типе котла. Что касается экспериментов при больших возмущающих воздействиях, характерных для режимов пуска, останова и аварийных режимов, то они проводились в основном на отдельных этапах пуска /104,105/ и не дают достаточно полной информации о изменении динамических характеристик объекта в зависимости от исходного состояния, величины возмущения тепловой нагрузкой и т. д'^ ' Учитывая большую сложность в получении обширных экспериментальных данных в данном случае необходимо привлекать расчетные методы. По имеющемуся же большому количеству публикаций, посвященных исследованию нестационарных процессов при пуске можно только делать вывод о надежности работы котлоагрегата и скоростях прогрева его толстостенных элементов и экранной системы котлаС этой точки зрения одной из наиболее интересных работ являются исследования, вылолненные на головном образце котла ТГШ-324, оснащенного ком- / ^ _ бинированной рециркуляцией среды в экранах топки, где рассмотрены вопросы прогрева котла на начальном этапе пуска при различных растопочных расходах питательной воды /6/. К недостаткам работы /6/ следует отнести отсутствие исследований влияния характеристик рециркуляции рабочей среды (кратности рециркуляции, места отбора и пр.) на прогрев экранной системы, что затрудняет прямой перенос результатов на другие объекты. Ввиду того, что экспериментальные исследования динамики котлоагрегата при больших возмущениях проводились в ограниченном количестве, то при разработке математических моделей, применительно к пусковым режимам и проверки их точности, необходимо проводить целенаправленные эксперименты с фиксацией всех интересующих параметров,.

1, в результате стендовых исследований получен эксперимен тальный материал по динамике прямоточного контура при больших возмущающих воздействиях тепловой нагрузкой и расходом среды. в широком диапазоне изменения параметров со слабои сильно меняющимися теплофизическими свойствами теплоносителя при сверх критическом и докритическом давлениях) выявлено влияние на пере ходный процесс различных факторов: величины и знака возмущения, расхода среды и давления в установке, распределения тепловой нагрузки по длине контура, исходного теплового состояния, рецирку ляции рабочей среды.2, На основе анализа экспериментального материала установле но, что переходный процесс в прямоточном контуре при различных по величине тепловых возмущениях может описываться линеаризованной системой уравнений, если параметры теплоносителя изменяются в об ласти воды до энтальпии 1700 кДа/кг, для сверхкритического давле ния, и до температуры насыщения для докритического давления. Этот вывод справедлив и для глубоких скачкообразных расход ных возмущений разных знаков, если динамику участка рассматривать при конечном расходе среды, а за возмущающее воздействие считать эквивалентное возмущение теплом.3, На основе анализа результатов стендового эксперимента и практических режимов пуска прямоточных котлов, было осуществлено обоснованное использование решений линеаризованных уравнений ди намики теплообменников для расчета переходных процессов в паро генерирующем тракте прямоточного котла применительно к пусковым режимам. Алгоритмы и программы расчетов реализованы для ЭВМ БЭСМ-6 на языке Фортран. Проверка достоверности расчетов по пред лагаемым методикам путем сопоставления со стендовым и промышлен- 20Q'' ным экспериментами показала, что расхождение между ними не пре вышает Ъ% от полного статического отклонения.4. В результате промышленных и расчетных исследований дина мика растопочного контура котла ТГМП-324 при его пуске выявлено влияние на характер переходного процесса и, в частности, на темп прогрева экранной системы, величины рециркулирующего потока и ме ста отбора на рециркуляцию. Установлено, что с ростом величины рециркулирующего потока и количества поверхностей нагрева, охва ченных контуром рециркуляции, при разных расходах питательной воды и величинах возмущений топливом снижаются максимальный темп прогрева экранной системы и величина транспортного запаздывания, Б результате интервал времени до подключения пароперегревателя в этих условиях меняется мало.5. Разработан графо-аналитический метод определения кривых разгона по энтальпии (температуре) в области воды для теплообмен ника с независимым обогревом при скачкообразном возмущении тепло вым потоком и расходом среды, в зависимости от величины F, харак теризующей отношение суммарной теплоемкости теплообменника (металл среда) и теплоемкости заполняющего его теплоносителя и величины А, являющейся относительной длиной теплообменника. Результаты расчетов представлены в качестве номограммы. Интервалы изменения/^ и, А ох ватывают в области воды все практически важные случаи.6. Разработан новый расчетный способ определения переходных процессов в двухфазной области для теплообменника с независимым обогревом при больших возмущениях тепловой нагрузкой, учитывающий закономерности движения границы закипания, зависимость истинного удельного объема от энтальпии и ухудшенный теплообмен. Предложена номограмма для построения кривых движения точек с постоянной эн тальпией при скачкообразном возмущении тепловым потоком в зависи мости от значений параметров Г и /? — безразмерной энтальпии. г Алгоритм и программа расчетов реализованы для ЭВМ БЭШ-6 '^ на языке «Фортран» .На основе расчетного анализа и экспериментального исследова ния даны рекомендации по определению коэффициента теплоотдачи в области ухудшенного теплообмена, при нестационарных процессах, с учетом величины давления теплоносителя.7. Результаты разработок, представленные в диссертационной работе, использованы при разработке действующих технологий пусков блоков Киришской ГРЭС и алгоритмов для автоматизированной систе мы управления технологическими процессами при растопке котла Т1Ш-324, оснащенного комбинированной циркуляцией среды в топоч ных экранах.