Информационно-измерительная система для исследования теплогидравлических характеристик теплообменного оборудования

Современные тенденции развития газотранспортной системы России, связанные с увеличением дальности транспорта газа и мощности газовых потоков, сооружением и эксплуатацией компрессорных станций в сложных природно-климатических условиях, вынуждают эксплуатирующие организации повышать требования к надежности и экономичности оборудования на газопроводах. Основу компрессорного парка (77,6%) газовой промышленности Российской Федерации составляют газоперекачивающие агрегаты (ГПА) с газотурбинными установками (ГТУ). Технический уровень ГПА оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели транспорта природного газа, так как на работу газотурбинной установки ГТУ затрачивается 5−10% транспортируемого газа.

В последнее время широкое распространение получили также ГТУ, предназначенные для выработки тепловой и электрической энергии, это так называемые газотурбинные ТЭЦ, производимые, в том числе и крупнейшей в России группой предприятий энергетического машиностроения «Энергомаш». По планам масштабного проекта компании «Энергомаш» до 2015 г должно быть построено и введено в эксплуатацию порядка 1000 газотурбинных ТЭЦ единичной мощностью 9 МВт.

Одним из путей энергосбережения, как при транспортировке газа, так и при выработке тепловой и электрической энергии является снижение эксплуатационных затрат, т. е. уменьшение расхода топливного газа на ГТУ. Снизить расход топливного газа позволяет повышение к.п.д. ГТУ за счет применения регенеративного цикла. Утилизация тепла уходящих газов происходит в теплообменных аппаратах: регенеративных воздухоподогревателях. Уходящие газы отдают часть своего тепла воздуху, сжатому в компрессоре и поступившему в камеру сгорания. Достигнутый в настоящее время уровень к.п.д. ГТУ для ГПА составляет порядка 29% при предельном его значении до 42%.

Поэтому при проектировании воздухоподогревателей газотурбинных установок возникает проблема оценки эффективности теплообменной поверхности.

Причем точность и достоверность используемых при этом данных по теплообмену и гидродинамике во многом определяет успешную реализацию проектных требований к теплообменному аппарату.

Применение существующих методик расчета и экспериментальных данных при проектировании не обеспечивает достижения желаемой эффективности поверхности теплообмена с произвольными геометрическими параметрами.

Для решения поставленной задачи целесообразно объединить методы экспериментального исследования и методы численного моделирования в единый процесс. В таком случае существенно увеличивается информативность расчетно-экспериментального исследования теплообмена и гидродинамики поверхностей теплообмена и появляется возможность получать более достоверные данные об этих процессах. Однако априорное применение методов численного моделирования без соответствующего экспериментального подтверждения с целью получения зависимостей по теплообмену и гидродинамике при произвольных параметрах поверхностей теплообмена не гарантирует достижения приемлемой точности в силу существенной нелинейности изучаемых процессов, необходимости варьирования при выполнении расчетов параметрами дискретизации и моделью турбулентности. Наличие достоверных экспериментальных данных для рационального решения вопросов дискретизации расчетной модели, задания граничных условий и модели турбулентности является залогом успешной реализации расчетно-экспериментального исследования теплообмена и гидродинамики. Погрешность получаемых таким образом основных параметров теплообменной поверхности, в первую очередь, будет определяться возможностями соответствующей информационно-измерительной системы. Совмещая результаты ограниченного количества экспериментов, используемых в качестве опорных, можно осуществлять корректирование плана эксперимента, детализацию процессов теплообмена и гидродинамики для конкретных поверхностей теплообмена, то есть фактически переходить от интегральных характеристик исследуемых процессов к локальным распределениям полей скоростей и температур.

— jsj:

Таким образом, получение точных и достоверных данных о процессах теплообмена и гидродинамики поверхностей теплообмена путем совмещения экспериментальных исследований и методов численного моделирования с целью достижения более высоких технических (массогабаритных) и экономических показателей проектируемых воздухоподогревателей является актуальной задачей.

Настоящая работа является частью экспериментальных исследований и результатов численного моделирования, выполненного соискателем для модификации разрабатываемых и изготавливаемых компанией «Энергомаш (ЮК) Лими-тед» воздухоподогревателей ГТУ.

Апробация работы выполнена путем использования полученных данных о процессах теплообмена и гидродинамики в конструкциях модифицированных воздухоподогревателей для ГТУ ТЭЦ 009, ГПА ГТК-10−4 серийно изготавливаемых компанией «Энергомаш (ЮК) Лимитед».

Тесное сотрудничество с работниками Инженерного центра компании «Энергомаш (ЮК) Лимитед» А. Б. Таракановым, A.B. Кравцовым, C.B. Рязановым помогло решить многие поставленные задачи. Большую помощь в методической постановке экспериментальных исследований оказал д.т.н., профессор Б.В. Суда-рев. Непосредственное участие в проведении экспериментов принимала группа специалистов Инженерного центра компании «Энергомаш (ЮК) Лимитед» под руководством В. И. Старшинова и Д. В. Самсонова. В целом работа выполнена под научным руководством д.т.н., профессора A.B. Чернова.

Научная новизна состоит:

1. В результатах исследований, проведенных на основе использования информационно-измерительной системы, позволивших осуществить количественное описание процессов теплоотдачии гидродинамики уравнениями подобия (Eu = f (<�т,^, Ые, Рг)) при внешнем обтекании трубных пучков определенной конфигурации в диапазоне чисел Рейнольдса 4000 — 12 000 с относительной среднеквадратической погрешностью от ±3,56 до ±10,1%.

2. В синтезе структуры информационно-измерительной системы, содержащей помимо измерительных каналов блоки программных средств численного моделирования процессов теплоотдачи и гидродинамики, позволяющие корректировать план эксперимента в зависимости от числа Рейнольдса и соответствия экспериментальных и теоретических результатов.

3. В разработке метода расчетно-экспериментальной оценки величины бай-пасного расхода, основанного на решении системы нелинейных уравнений для распределения потоков с учетом конструктивных особенностей трубной системы.

На защиту выносится:

1. Расчетно-экспериментальное исследование характеристик теплообмена и гидродинамики (в соответствии с уравнениями подобия Еи = Яе) и Ыи = /(с?х, (р, Ие, Рг)) при внешнем обтекании фрагментов трубных пучков для режимов течения, характерных для газотурбинных установок.

2. Уравнения подобия гидродинамики и теплообмена, полученные численным моделированием и прошедшие практическую апробацию при расчетно-экспериментальном исследовании трубных пучков воздухоподогревателей ГТУ.

3. Структура информационно-измерительной системы, обеспечивающая получение необходимых уравнений подобия с относительной среднеквадратической погрешностью косвенного измерения основных параметров исследуемых фрагментов трубных пучков от ±3,56 до ±10,1%.

4. Алгоритм обработки информационно-измерительной системой результатов измерений основных параметров гидродинамики и теплообмена при обтекании трубных пучков.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Анализ существующих теоретических и экспериментальных методов исследования процессов теплообмена и гидродинамики при внешнем обтекании трубных пучков позволил выработать метрологические и конструктивные требования для реализации измерительных процедур при определении коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления в диапазонах чисел Рейнольдса, характерных для работы воздухоподогревателей газотурбинных установок.

2. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлена возможность включения в структуру информационно-измерительной системы программных средств численного моделирования, обеспечивающих помимо выполнения измерительных операций корректирование плана эксперимента в зависимости от числа Рейнольдса и соответствия экспериментальных и теоретических результатов.

3. Выявлено, что при проведении теплофизического эксперимента методом полного моделирования необходимо минимизировать погрешность измерения температур воды и воздуха, поэтому измерения температуры воды и воздуха предложено производить блоками термопар специальной конструкции и индивидуальной тарировки.

4. В результате выполненного метрологического анализа информационно-измерительной системы установлено, что относительная среднеквадратическая погрешность косвенного измерения основных параметров трубных пучков Шг,.

Ые, к, а, и? составляет величину от ±3,56 до ±10,1%, что позволяет рассчитать поверхность теплообмена в соответствии с проектными требованиями и уменьшить габариты и массу воздухоподогревателей.

5. Экспериментальные исследования процессов теплообмена и гидродинамики при внешнем обтекании фрагментов трубных пучков определенных конфигураций позволили получить уравнения подобия по числу Рейнольдса /(<7,9>, Ие) и N11 = /(сГр^Ые, Рг)), обеспечивающие меньшую погрешность относительно рекомендуемых зависимостей.

6. Использование разработанной информационно-измерительной системы при исследовании процессов теплообмена и гидродинамики позволило выработать рекомендации для проектирования воздухоподогревателей ГТУ и, в частности, установить неэффективность применения в них суперплотных трубных пучков.

7. Разработанная информационно-измерительная система и предложенные расчетно-экспериментальные методы были доведены до промышленного использования, что и позволило в условиях компании «Энергомаш (Ю.К.) Лимитед» решить проблему модернизации воздухоподогревателей ГТК-10, повысить эффективность их работы и довести коэффициент полезного действия ГТУ до 32,8%.