CC BY
21УДК 621.039.536.24
Технические науки
Юрик Е. А., к.т.н., доцент кафедры «Тепловые двигатели и гидромашины» Калужский филиал ФГОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский
университет), г. Калуга, Россия Жебелев Л. А., магистрант кафедры «Тепловые двигатели и гидромашины» Калужский филиал ФГОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский
университет), г. Калуга, Россия Ильичев В. Ю., к.т.н., доцент кафедры «Тепловые двигатели и гидромашины» Калужский филиал ФГОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский
университет), г. Калуга, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГРЕЮЩЕГО ПАРА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕПАРАТОРА-ПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ АЭС
Аннотация: Работа посвящена решению актуальной задачи - разработке программных средств, позволяющих исследовать влияние исходных данных (в частности, параметров греющего пара) на режимные и конструктивные характеристики сепараторов-перегревателей, применяемых на АЭС. Для создания расчётной программы использован современный свободно распространяемый язык программирования Python, модуль для определения теплофизических свойств веществ CoolProp, а также ряд дополнительных библиотек функций. С помощью программы получены зависимости влияния параметров греющего пара на характеристики конкретного сепаратора-перегревателя.
Ключевые слова: атомная электростанция, влажнопаровая турбина, сепаратор-пароперегреватель, язык Python, модуль CoolProp.
Annotation: The work is devoted to solving the current problem - the development of software tools that make it possible to investigate the influence of initial data (in particular, heating steam parameters) on the mode and design characteristics of superheater separators used at nuclear power plants. To create calculation program, modern freely distributed Python programming language, a module for determining the thermophysical properties of CoolProp substances, as well as a number of other function libraries, were used. With the help of the program the dependencies of heating steam parameters influence on characteristics of a particular separator-superheater are obtained.
Keywords: nuclear power plant, wet steam turbine, superheater separator, Python language, module CoolProp.
Введение
Сепараторы-пароперегреватели (СПП) применяются в тепловых схемах турбин атомных электростанций (АЭС), работающих на паре сравнительно низких параметров, с целью снижения конечной влажности (и снижения эрозионного износа лопаток, повышения КПД) путём повышения параметров и перегрева пара [6]. Обычно СПП устанавливаются между частями высокого и низкого давления турбины, или между частями среднего (если они существуют) и низкого давления. В данных местах размещение СПП является наиболее удобным по компоновке АЭС.
Повышение параметров рабочего тела паровой турбины (пара) в свою очередь осуществляется в СПП за счёт передачи тепла от пара отборов из части высокого давления турбины и «острого» пара (поступающего из парогенератора). Такой пар называется греющим.
Целью данной работы является разработка расчётной программы, позволяющей оценить влияние параметров греющего пара на основные характеристики СПП, а также проведение некоторых типов анализа такого
влияния. Данное исследование является особенно актуальным в настоящее время, когда большая часть применяемых СПП требует модернизации [1]. Методы и материалы
В качестве прототипа исследуемого сепаратора-пароперегревателя выбрана модель СПП-220М, схема включения которого в тепловую схему турбины показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема включения сепаратора-перегревателя в тепловую схему паровой турбины: 1 - сепаратор; 2 - перегреватель первой ступени; 3 - перегреватель второй ступени.; СС -сборник сепарата; КС-1 и КС-2 - конденсатосборники первой и второй ступеней.
В данной схеме СПП включается между цилиндром высокого давления (ЦВД) турбины и цилиндрами низкого давления (ЦНД). Он состоит из трёх основных частей: сепаратор влаги 1, пароперегреватель первой ступени 2 и пароперегреватель второй ступени 3. В качестве греющего пара второй ступени используется острый пар (с теми же параметрами, с какими он поступает на вход турбины), а первой ступени - пар из отбора ЦВД.
Для разработки расчётной программы используется алгоритм, изложенный в используемых до настоящего времени руководящих технических материалах [5]. Данная методика существенно доработана с использованием современных средств программирования - хорошо зарекомендовавшего себя при тепловых расчётах языка Python [4] совместно с библиотекой теплофизических свойств веществ CoolProp [3]. В частности, в описываемой работе используется база свойств воды и водяного пара, соответствующая современному стандарту IF97: Water.
Разработанная программа состоит из следующих блоков:
1. Подключение необходимых библиотек языка Python: уже упомянутой CoolProp, а также Math для использования дополнительных математических функций и Matplotlib [2] для вывода результатов вычислений в графической форме.
2. Присвоение значений переменным - исходным данным, соответствующих рассчитываемому СПП.
3. Создание массивов, которые необходимо заполнить для исследования влияния определённого варьируемого параметра СПП на его характеристики, а также для создания по значениям массивов графиков.
4. Организация цикла для многократного последовательного определения всех параметров, необходимых для теплового расчёта СПП при разных значениях определённого целью расчёта варьируемого исходного параметра.
5. Заполнение массивов необходимыми результатами расчётов.
6. Построение графических зависимостей результатов расчётов от варьируемого исходного параметра.
Правильность созданной на языке Python программы была проверена с помощью расчёта «вручную» и нахождения теплофизических свойств воды и пара по таблицам и аппроксимационным зависимостям, а также расчётом в электронных таблицах Microsoft Excel.
Пример расчёта
Для расчёта примера в качестве исходных данных были приняты входные параметры сепаратора-пароперегревателя СПП-220М, которые были взяты из [5]. В данной же работе описывается проведённое авторами исследование влияния давления греющего пара первой и второй ступеней на характеристики сепаратора-перегревателя указанного типа.
Рассматривается следующий диапазон изменения давления греющего пара второй ступени: от 36 до 70 атм; давление греющего пара первой ступени в два раза меньше.
Вначале получена графическая зависимость температуры греющего пара (температуры насыщения), от давления греющего пара первой ступени перегревателя (рис. 2) с учётом сопротивления подводящих труб.
t г ex,
°С 280
270
260
250
240
220
210
17.5 20,0 22.5 25,0 27,5 30.0 32.5 35.0
Р1, атм
Рис. 2. Зависимость температуры греющего пара от его давления.
Данная зависимость является проверочной и подтверждает тот факт, что температура насыщения с возрастанием давления увеличивается.
Следующая рассчитанная зависимость показывает влияние давления греющего пара на коэффициент теплопередачи трубных поверхностей (рис. 3).
1, атм
Рис. 3. Зависимость коэффициента теплопередачи от давления греющего пара.
Из графиков следует, что коэффициент теплопередачи уменьшается с увеличением давления греющего пара, особенно сильно для второй ступени перегревателя. Однако, как показали дополнительные исследования (и что подтверждается рисунком 2), среднегеометрический температурный напор с ростом давления увеличивается более быстрыми темпами, что в результате приводит к уменьшению потребной поверхности нагрева (рис. 4).
F, м?
1000
900 800 700 600 500 400 300
—i-1-1-1-1-1-1-1-
17.5 20.0 22,5 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0
Pf, атм
Рис. 4. Зависимость расчётной поверхности нагрева от давления греющего пара.
Из рис. 4 следует, что давление греющего пара существенно влияет на расчётные площади поверхностей нагрева, и как следствие, на габариты сепаратора-пароперегревателя. Особенно сильно это влияние проявляется до достижения давления греющего пара первой ступени приблизительно равного значению в 25 атм (что для второй ступени перегрева соответствует давлению 50 атм).
Однако, при проектировании СПП нельзя однозначно рекомендовать повышать давление греющего пара - оно должно выбираться исходя из комплексного технико-экономического обоснования, включающего в себя кроме произведённых расчётов также:
- определение наличия пара заданного давления в тепловой схеме паротурбинной установки,
- расчёты трубок и прочих конструктивных элементов СПП на прочность,
- определение стоимости всего СПП,
- исследование влияния давления, расхода и прочих параметров греющего пара на КПД всей тепловой схемы.
Заключение
В результате выполнения данной работы достигнута запланированная цель - получен достаточно совершенный и гибкий в использовании программный продукт, позволяющий при проектировании сепараторов-пароперегревателей исследовать зависимость различных исходных данных на выходные параметры.
Представленное исследование можно считать предварительным, позволяющим выработать понимание влияния одного из подбираемых параметров - давления греющего пара на прочие режимные характеристики и габариты СПП. В дальнейшем необходимо также произвести обозначенное выше комплексное технико-экономическое обоснование.
Использование разработанных в ходе работы программных средств, основанных на современном языке программирования и библиотеках функций, позволяющих автоматизировать процесс определения точных теплофизических свойств воды и водяного пара, позволяет существенно облегчить и усовершенствовать труд инженера - проектировщика теплообменных аппаратов [7].
Библиографический список:
1. Егоров М.Ю. Повышение надёжности сепараторов-пароперегревателей турбин АЭС на основе расчётно-экспериментального моделирования. // В сборнике: Наука и инновации в технических университетах. Материалы Одиннадцатого Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого. 2017. С. 13-15.
2. Ильичев В.Ю., Гридчин Н.В. Визуализация масштабируемых 3D-моделей с помощью модуля Matplotlib для Python. // Системный администратор. 2020. № 12 (217). С. 86-89.
3. Ильичев В.Ю., Лужецкий А.А. Методика технико-экономического обоснования применения пластинчатых рекуператоров в малоразмерных ГТУ. // Научное обозрение. Технические науки. 2021. № 1. С. 40-45.
4. Ильичев В.Ю., Юрик Е.А. Разработка программы для исследования термодинамического цикла Ренкина. // Научное обозрение. Технические науки. 2020. № 2. С. 32-36.
5. РТМ 108.020.107-76. Тепловой и гидравлический расчет промежуточных сепараторов-пароперегревателей турбин насыщенного пара АЭС.
6. Судаков А., Легкоступова В. Опыт создания и эксплуатации сепараторов-пароперегревателей. // Деловой журнал Neftegaz.RU. 2015. № 12 (37-38). С. 52-59.
7. Ilichev V.Yu. Development of procedure for determination of characteristics of heated polycarbonate greenhouses. // International Research Journal. 2021. № 21 (104). С. 132-135.
