CC BY
44
Показано, что для базового варианта МНЛЗ-З в зоне вторичного охлаждения 0...4,3 м наиболее сильно снижается температура слитка из стали 70К. Для стали 40Х наблюдается наибольший подъем температуры в зоне вторичного охлаждения. Температурные градиенты слитка из сталей 20ХН3А, 2С45 изменяются в интервалах, соответствующих слиткам из сталей 40Х и 70К.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Е в т ее в Д. П., К о л ы б а л о в И. Н. Непрерывное литье стали. -М.: Металлургия, 1984.-200 с.
2. Ч и ч к о А. Н. Компьютерные системы моделирования физических процессов // Вестник БНТУ. - 2003. - № 2. - С. 42-48.
3. Ч и ч к о А. Н., Я ц к е в и ч Ю. В. Взаимосвязь тепловых параметров и электронного строения атомов твердой фазы в системе расплав алюминия - зародыш 3(1-элемента // Весщ НАН Беларусг Сер. ф1з.-тэхн. навук. - 1999. - № 1. - С. 65-69.
4. К о м п ь ю т е р н а я система «ПроНРС» и трехмерное моделирование распределения температур, напряжений и углерода в процессе непрерывной разливки стали / А. Н. Чичко, Д. М. Кукуй, В. Ф. Соболев и др. // Литье и металлургия. - 2002. - № 3. -С. 21-27.
5. К о л о с к о в М. М. Марочник сталей и сплавов.-М.: Машиностроение, 2001.-671 с.
6. Ж у р а в л е в В. И., Н и к о л а е в а О. И. Машиностроительные стали. -М.: Машиностроение, 1968. - 332 с.
Представлена кафедрой машин и технологий
литейного производства Поступила 8.10.2004
УДК 536.242.08
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ЭКОНОМИЧНОСТИ ПАРОТУРБИННЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ПУТЕМ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА
Канд. техн. наук КЕЛБАЛИЕВ Р. Ф.
Азербайджанская государственная нефтяная академия
Основная часть электроэнергии вырабатывается на тепловых электрических станциях (ТЭС). Известен ряд методов увеличения коэффициента полезного действия и уменьшения удельного расхода топлива на выработку электроэнергии [1.3]. Наряду с этим улучшение энергетических показателей ТЭС можно обеспечить также интенсификацией теплообмена в тепловом оборудовании (в котле, подогревателях высокого и низкого давления, конденсаторе). Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено влияние интенсификации теплообмена на эффективность и экономичность работы паротурбинных электростанций.
Процесс кипения воды, осуществляемый в экранных трубах котла, изучен достаточно хорошо [4.8]. В парогенераторах сверхкритического давления (СКД) встречаются нормальные, улучшенные и ухудшенные режимы теплообмена. Температура металла при ухудшенном режиме теплоот-
дачи повышается, что снижает надежность работы котла. При работе оборудования ТЭС на частичных нагрузках и переходе на режим работы со скользящим начальным давлением возможно снижение давления жидкости в парогенераторе ниже критического, что требует знания закономерностей теплообмена в этой области параметров. Теплоотдача при кипении жидкости в области давлений, близких к критическому, исследована недостаточно, а многочисленные экспериментальные данные получены в опытах с водой. Для полного представления закономерностей изменения теплоотдачи в рассматриваемой области необходимо располагать данными по теплообмену и с другими теплоносителями, отличающимися от воды своими теплофизическими свойствами. В качестве второго теплоносителя нами выбран ароматический углеводород толуол (ркр = 4,24 МПа; Гкр = 593,96 К), который широко применяется в различных отраслях техники. Подробные данные исследования теплоотдачи в гладкой вертикальной трубе при кипении, кризисе кипения, а также при сверхкритических давлениях толуола приведены в [9...13]. Ниже представлены результаты экспериментальных исследований теплоотдачи воды и толуола в гладкой и профилированной трубах (труба с турбулизаторами).
Опыты проводились в циркуляционном контуре, изготовленном из нержавеющей стали. Описание экспериментальной установки, методики их проведения и измерения отдельных величин представлены в [9. 13]. В данной работе в качестве экспериментального участка использовались гладкая и профилированная трубы из нержавеющей стали марки 1Х18Н10Т со следующими геометрическими параметрами: в опытах с толуолом - Dн/Dв = 6,0/4,0 мм; общая длина - 700 мм; обогреваемая длина - 430 мм; z/Dн = 2,1; dв/Dв = 0,92; с водой - Dн/Dв = 8,0/6,0 мм; общая длина - 800 мм; обогреваемая длина - 400 мм; z/Dн = 1,2; dв/Dв = 0,92 (рис. 1).
Методы интенсификации теплообмена известны давно. Так, в профилированной трубе наряду с увеличением теплоотдачи растет гидравлическое сопротивление. Поэтому выбирают такой метод интенсификации теплообмена, в котором увеличение теплоотдачи превосходит рост гидравлического сопротивления, т. е. экономический метод интенсификации теплообмена. С этой точки зрения, наиболее широкое распространение получили методы [14, 15], в соответствии с которыми проводилось данное исследование. В конечном итоге целесообразность применения теплообменных аппаратов с турбулизатора-ми в конкретных установках должна определяться экспериментально и с помощью технико-экономических расчетов.
Для выяснения влияния интенсификации теплообмена на эффективность работы энергетических установок рассматриваем изменение температуры стенки, жидкости и коэффициента теплоотдачи в элементах тепло-обменных аппаратов при различных условиях их работы.
Представленные графики изменения температуры стенки и воды для гладкой и профилированной труб при различных тепловых потоках и массовых скоростях показывают, что значение температуры стенки в профилированной трубе при одинаковом значении д/рп меньше, чем в гладкой
Рис. 1. Экспериментальный участок
трубе, а температура жидкости - значительно выше (рис. 2). Иначе говоря, при одинаковых условиях (q/pu = const) в профилированной трубе вода нагревается больше, чем в гладкой.
Рис. 2. Изменение температуры стенки и жидкости в гладкой и профилированной трубах при различных значениях qlpu. Вода: р = 2 МПа; 1, 2 - температуры жидкости;
3, 4 - то же стенки;--труба с турбулиза-
торами;-----то же гладкая труба
Рис. 3. Изменение коэффициента теплоотдачи в гладкой и профилированной трубах при различных значениях qlpu. Вода: р = 2 МПа; 1 - гладкая труба, 2 - труба с турбулизаторами
Изменения коэффициента теплоотдачи при различных значениях qlpu, полученных для воды в гладкой и профилированной трубах, показывают, что величина а в трубе с турбулизаторами значительно превосходит соответствующие значения в гладкой трубе (рис. 3).
На рис. 4 представлены результаты экспериментального исследования температурного режима стенки при кипении недогретого толуола в профилированной трубе (труба с турбулизаторами) в области давлений, близких к критическому. Из рис. 4 следует, что в опытах с недогретой жидкостью в начальном участке трубы имеет место конвективный теплообмен однофазного потока (участок АБ), а в конечном участке - кипение жидкости (участок БВ, кривая 1). При постоянных режимных параметрах с увеличением теплового потока в начальной части трубы температура стенки возрастает приблизительно до температуры насыщения жидкости (участок АБ), в средней части при ¿с ~ 4 происходит процесс кипения и температура стенки остается постоянной (участок БВ), а в конечной части трубы возникает кризис теплоотдачи и температура стенки плавно возрастает (участок ВГ, кривая 2). Плавное повышение температуры стенки в процессе кризиса теплоотдачи в области давлений, близких к критическому, в опытах с гладкой трубой было отмечено и в [9, 10]. Однако в трубах с турбулизаторами возрастание температуры стенки сравнительно слабее, чем в гладких. Это хорошо иллюстрируется на рис. 5, откуда видно, что в процессе кипения коэффициент теплоотдачи в трубе с турбулизаторами аинт значительно больше, чем в гладкой аг. Под действием интенсификаторов в начальном участке трубы, где имеет место теплообмен однофазного потока (на расстоянии от входа хШ ~ 50), аинт значительно превышает соответствующее значение в гладкой трубе. На участке трубы с турбулизаторами, где происходят кипение жидкости и кризис теплоотдачи, а приблизительно 2.4 раза больше, чем в гладкой. Эта закономерность получается при различных значениях qlpu.
Интенсификация теплообмена увеличивает значение критического теплового потока (рис. 6), что дает возможность обеспечивать надежность ра-70
tc, °С 200
150
2
100
50 — ------- ___г
0,009 0,0115 0,014 q-10-3/pu
боты котла при различных тепловых нагрузках. Полученные результаты положительно сказываются при переходе ТЭС на режим работы со скользящим начальным давлением.
Рис. 4. Изменение температуры стенки по дли- Рис. 5. Изменение коэффициента теплоот-
не трубы с турбулизаторами. Толуол: ррщ, = дачи по длине трубы. Толуол: р/ркр = 0,94; = 0,70; ри = 475 кг/(м2-с); АГнед = 217 °С: 1 - Анед = 234 °С: 1 - д/ри = 0,16; 2 - 0,48 кДж/кг д = 3,6 105; 2-6,2 105Вт/м2
Рис. 6. Зависимость критического теплового потока от относительной энтальпии для толуола при р/ркр = 0,70: 1 - для труб с турбулизатором при ри = 473 кг/(м2-с); 2 - для гладкой трубы при ри = 510 кг/(м2-с)
Интенсификация теплообмена при СКД жидкости дает возможность избегать возникновения ухудшенного режима теплоотдачи и увеличивает надежность работы котла. В парогенераторах сверхкритического давления ухудшение теплообмена наблюдается в нижней радиационной части (НРЧ). Искусственная интенсификация теплоотдачи в НРЧ котла улучшает температурный режим металла.
Рассмотрим влияние интенсификации теплообмена в подогревателях ТЭС на увеличение мощности турбины.
При неизменных расходах отборного пара и воды в подогревателях применение различных методов интенсификации теплообмена приводит к повышению коэффициента теплопередачи в аппаратах, которое по сравнению с имеющимися данными дается в процентах. Поэтому в расчетах используется влияние процентных соотношений увеличения К на эффективность и экономичность работы аппаратов.
Изменение коэффициента теплоотдачи или теплопередачи в отдельных теплообменных аппаратах энергетических установок экспериментально исследовано в [16, 17]. Согласно этим данным при применении различных методов интенсификации коэффициент теплопередачи при конденсации может увеличиться от 15 до 40 %, а при создании режима капельной конденсации водяного пара на медьсодержащих поверхностях - до 70 %. Увеличение коэффициента теплопередачи способствует повышению температуры жидкости (рис. 2) и соответственно уменьшению недогрева воды
(разность между температурой насыщения пара в корпусе подогревателя и воды, выходящей из этого подогревателя). Вследствие этого вырабатывается дополнительная мощность и уменьшается удельный расход топлива на выработку электроэнергии.
Расчеты влияния недогрева воды до температуры насыщения, приведенные в [18], показали, что уменьшение недогрева только в трех подогревателях низкого давления до 3 °С способствует увеличению мощности турбины К-800-240-2 приблизительно на 3,7 МВт и уменьшению удельного расхода топлива на 0,46 %.
Аналогичным образом можно анализировать влияние интенсификации теплообмена на конечное давление пара в конденсаторе, т. е. на экономичность работы турбины. Проанализируем работу конденсатора (300-КЦС-1) турбины К-300-240 (ЛМЗ). Для удобства расчета принимаем заводские данные: площадь поверхности - 15400 м2; расход охлаждающей воды -36000 м3/ч; паровая нагрузка конденсатора - 36,6 кг/(м2 • ч); расход пара в конденсатор - 560 т/ч; кратность охлаждения - 63,7.
Расчет проводился при различной температуре охлаждающей воды, которая изменяется в зимнее время года от 10 до 15 °С, а в летнее - от 20 до 30 °С. Результаты расчета в интервале изменения коэффициента теплопередачи от 1000 до 4500 Вт/(м2 • °С) представлены на рис. 7, из которого следует, что при заданных значениях температуры охлаждающей воды с увеличением коэффициента теплопередачи давление в конденсаторе уменьшается, соответственно возрастает мощность турбины и снижается удельный расход топлива на выработку электроэнергии.
Рис. 7. Зависимость давления пара в конденсаторе от коэффициента теплопередачи при различных температурах охлаждающей воды: 1-12; 2-15; 3 - 18; 4-20; 5-22; 6-25; 7-28;
8-30 °С
Вопросы интенсификации теплообмена достаточно хорошо решены для теплоэнергетического оборудования летательных аппаратов [14, 15]. Проведенные анализы свидетельствуют об эффективности и экономичности применения полученных результатов к соответствующему оборудованию ТЭС, что увеличит экономичность и эффективность его работы, приведет к необходимости в некоторых случаях изменения конструкции аппаратов.
ВЫВОДЫ
1. Установлено влияние теплообмена на повышение эффективности и экономичности работы тепловых электрических станций.
2. Экспериментально исследована теплоотдача воды и толуола в однофазном потоке и при кипении недогретой жидкости при низких давлениях и в области давлений, близких к критическому, в гладкой и профилированной (с турбулизаторами) вертикально расположенных трубах. Установле-
но, что в трубе с турбулизаторами коэффициент теплоотдачи значительно больше, чем в гладкой.
3. Расчетным путем доказано, что интенсификация теплопередачи в подогревателях и конденсаторе увеличивает мощность турбины, уменьшает удельный расход топлива на выработку электроэнергии.
Обозначения:
р - давление, МПа; Т, Г - температура, К, °С; АГнед = АГвх = (4 - Гж)вх - недогрев жидкости до температуры насыщения на входе в трубу, °С; q - плотность теплового потока, Вт/м2; г - теплота парообразования, кДж/кг; к - энтальпия, кДж/кг; х = (ксм - к^т - относительная энтальпия (массовое расходное паросодержание); р - плотность, кг/м3; u - скорость, м/с; pu - массовая скорость, кг/(м2 • с); 3 - диаметр трубы, м; х - расстояние от входа в трубу, мм; а, К - соответственно коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, Вт!(м2-°С); рк -давление пара в конденсаторе, МПа; ^ - температура насыщения жидкости, °С.
Индексы:
с - стенка; кр - критическое; г - гладкая; э - экспериментальная; н - наружный; в -внутренний; инт - интенсификатор; см - смесь; ж - жидкость; вх - вход.
ЛИТЕРАТУРА
1.Рыжкин В. Я. Тепловые электрические станции. -М.: Энергоиздат, 1987. - 327 с.
2. П р о к о п е н к о А. Г., М ы с а к И. С. Стационарные, переменные и пусковые режимы энергоблоков ТЭС. - М.: Энергоиздат, 1990. - 316 с.
3. Г о р ш к о в А. С. Технико-экономические показатели тепловых электрических станций. -М.: Энергоиздат, 1984. -232 с.
4. Л о к ш и н В. А., П е т е р с о н Д. Ф., Шварц А. Л. Гидравлический расчет котельных агрегатов: Нормативный метод. - М.: Энергия, 1978. - 255 с.
5.Дорощук В. Е. Кризисы теплообмена при кипении воды в трубах. -М.: Энергоиздат, 1983.- 119 с.
6. Т о н г Л. Кризисы кипения и критический тепловой поток. - М.: Мир, 1976. - 99 с.
7. Петухов Б. С., Генин Л. К., Ковалев С. А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. - М.: Энергоиздат, 1986. - 469 с.
8. Скелетная таблица версии 1995 г. для расчета критического теплового потока в трубах I В. П. Бобков, В. Н. Виноградов, Д. Гренфельд и др. II Теплоэнергетика. - 1997. -№ 10.-С. 43-53.
9. К е л б а л и е в Р. Ф. Теплоотдача при кипении жидкости в области давлений, близких к критическому II Теплоэнергетика. - 2002. - № 3. - С. 39-42.
10. К е л б а л и е в Р. Ф., Мамедова С. Г., Искендеров М. З. Кризис кипения при вынужденном движении углеводорода: Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках II Труды XIV школы-семинара молодых ученных и специалистов под рук. акад. РАН А. И. Леонтьева. - М.: Изд-во МЭИ, 2003. - Т. 1. - С. 243-246.
11.Келбалиев Р. Ф. Ухудшение теплообмена при сверхкритических давлениях вещества II ИФЖ. - 2001. - Т. 74, № 2. - С. 115-118.
12. Теплоотдача при сверхкритических давлениях ароматических углеводородов I Р. Ф. Келбалиев, М. А. Рзаев, Н. М. Байрамов, У. И. Ашурова II Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену. - М.: Изд-во МЭИ, 2002. - Т. 2. - С. 167-169.
13. Келбалиев Р. Ф. Экспериментальное исследование изменений температуры стенки при различных режимах движения жидкостей сверхкритического давления II ИФЖ. - 2002. - Т. 75, № 5. - С. 25-29.
14. К а л и н и н Э. К., Д р е й ц е р Г. А., Я р х о С. А. Интенсификация теплообмена в каналах. -М.: Машиностроение, 1990. - 199 с.
15. Эффективные поверхности теплообмена I Э. К. Калинин, Г. А. Дрейцер, И. З. Копп, А. С. Мякочин. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 407 с.
16. Б о р д о в Ю. М. Перспективные разработки по повышению эффективности и надежности кожухотрубных теплообменных аппаратов паротурбинных установок II Теплоэнергетика. - 1998. -№ 1. - С. 25-29.
17. Б о р д о в Ю. М., Р я б ч и к о в А. Ю., А р о н с о н К. Э. Исследование ряда методов интенсификации теплообмена в энергетических теплообменных аппаратах II Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену. - М.: Изд-во МЭИ, 2002. -Т. 6. - С. 49-52.
18.Рубинштейн Я. М., Щепетильников М. И. Исследование реальных тепловых схем ТЭС и АЭС. - М.: Энергоиздат, 1982. - 271 с.
Поступила 16.02.2004
