CC BY
44
Программное обеспечение вычислительного процесса проектирования
энергетических котлоагрегатов
В.С. Беднаржевский, E-mail: bednar@s42.dcn-asu.ru
Разработан комплекс пакетов прикладных программ для моделирования и автоматизированного проектирования паровых котлов.
Автоматизированное проектирование является одним из наиболее быстро развивающихся направлений научно-технического прогресса, современные темпы которого обусловливают необходимость повышения качества и сокращения продолжительности проектирования новых видов продукции.
Автоматизированное проектирование энергетических котлов относятся к классу сложных задач ввиду их единичного производства и, как следствие, при алгоритмизации такого вида задач возникают определенные трудности. Эта проблема может быть решена на основе широкого использования средств вычислительной техники и компьютерных технологий. Основными целями автоматизированного проектирования энергетических котлоагрегатов являются:
сокращение сроков разработки новых котлов и запуска их в производство вследствие более совершенной организации всего цикла проектирования и отладки проектных решений на моделях на ранних стадиях конструирования без изготовления дорогостоящего прототипа;
повышение качества и конкурентоспособности изделий путем внедрения компьютерных технологий, включая геометрическое моделирование, математические методы анализа и оптимизации будущей конструкции.
Разработано семь пакетов прикладных программ (ППП) для проектирования котлоагрегата в режиме диалога: «Тепловой расчет котлоагрегата»; «Расчет температуры металла стенки трубы»; «Расчет на прочность цельносварных газоплотных конструкций»; «Аэродинамический расчет котлоагрегата»; «Расчет теплофизических свойств теплоносителей»;
90
«Гидравлический расчет пароперегревателя»; «Расчет надежности работы котлоагрегата».
В ППП теплового расчета котлоагрегата входят расчеты: объемов газообразных продуктов сгорания, объемных долей трехатомных газов, концентрации золы; таблицы энтальпий теоретического расхода воздуха и газообразных продуктов сгорания; теплового баланса котлоагрегата; топки; ширмовых пароперегревателей; конвективных пароперегревателей; хвостовых поверхностей нагрева. При определении объемов газов, объемных долей трехатомных газов, концентрации золы на печать выводятся значения теоретических объемов воздуха, азота, трехатомных газов, водяных паров, номера поверхностей, коэффициенты избытка воздуха по поверхностям, средний объем водяных паров и дымовых газов, объемные доли трехатомных газов, водяных паров и суммарная концентрация золы в газоходе.
В результате расчета энтальпий продуктов сгорания выводятся на печать следующие данные: избыток воздуха по поверхностям нагрева, температура через каждые 100 оС, теплосодержание газов и воздуха по поверхностям нагрева.
При расчете теплового баланса выводятся на печать значения КПД котлоагрегата; коэффициента сохранения теплоты; потери теплоты (с физической теплотой шлаков, с уходящими газами); располагаемой теплоты; тепловосприятия в котлоагрегате; полного расхода топлива; расчетного расхода топлива; теплоты, внесенной воздухом.
Расчет топки предназначен для определения тепловых характеристик топочного устройства. Предусмотрен случай, когда ширмы находятся в активном топочном объеме. Расчетная температура газов на выходе из топки ТВЫС сравнивается с заданной температурой газов Т3ЫХ, пользователь с клавиатуры дисплея варьирует значение высоты топки Нт так, чтобы выполнялось неравенство (Т^ - ТРС) £ 1°С. При этом происходит изменение эффективной степени черноты факела, степени черноты факела в свободном
объеме топки, толщины излучающего слоя, свободного объема и поверхности
91
стен топки. Промежуточные значения Нт и Трас выдаются на экран дисплея, что позволяет анализировать эти параметры.
При расчете ширмового пароперегревателя вначале определяется энтальпия газов за ширмами, расположенными в выходном окне топки, на основе решения уравнения теплового баланса.
Если тепловосприятие ширм, найденное по уравнению теплопередачи, больше (меньше) тепловосприятия, найденного по балансу, более чем на 0,1 %, то на экран дисплея выдается сообщение «Увеличить (уменьшить) среднюю температуру газов в ширмах». Пользователь соответственно изменяет значение температуры.
При расчете конвективных ступеней предварительно вводится значение температуры пара между ступенями, и если расхождение между тепловосприятием по уравнению теплопередачи и балансу будет больше 0,1 %, то пользователь с клавиатуры дисплея задает новое значение температуры пара.
При расчете водяного экономайзера проверяется расхождение тепловосприятия по тепловому балансу и условиям теплопередачи, если расхождение больше 0,1 %, то с клавиатуры дисплея изменяется температура газов за ступенью и операция повторяется.
При расчете регенеративного вращающегося воздухоподогревателя осуществляется проверка температуры стенки по температуре точки росы, и при нарушении граничных условий на экран дисплея выдается сообщение об изменении принятых значений температуры газов. В конце расчета печатаются таблицы тепловых характеристик поверхностей нагрева. Алгоритм соответствует нормам теплового расчета котлоагрегатов [1].
Тепловой расчет функционирует совместно с инвертированной базой данных (БД) «Котлоагрегат», позволяющей по известному значению ключевого признака определить адреса всех записей, которые его содержат.
Расчетную схему можно формировать в режиме диалога и результаты теплового расчета выводить на экран дисплея в виде двух схем: водопарового и газовоздушного трактов котлоагрегата (Рис. 1). На схеме водопарового тракта
выводится значение температуры среды по поверхностям нагрева. На схеме газовоздушного тракта выводится значение температуры продуктов сгорания до и после расчетного участка.
ППП «Расчет температуры металла стенки трубы» предназначен для определения средней температуры металла стенки неравномерно обогреваемой (разверенной) трубы ширмового и конвективного пароперегревателей. Алгоритм пакета состоит в следующем [1].
В расчетном сечении находится среднее значение удельного тепловосприятия наиболее нагруженной образующей трубы. Определяется максимальное удельное тепловосприятие. Рассчитываются разности температур газов и внутренней среды при входе в пакет и выходе из него, для прямотока и противотока. Вычисляется температурный напор участка. Находится поверхность нагрева. Определяется расчетная поверхность участка змеевика для одного из случаев: первых пяти рядов ширм, «видящих» топку; остальных рядов ширм и всех рядов конвективных пакетов, облучаемых из топки или из впереди лежащего объема; для рядов ширм и пакетов, облучаемых из сзади расположенного объема. Рассчитывается тепловосприятие участка змеевика (от начала до расчетного сечения). Эффективная толщина излучающего слоя вычисляется для ширм конвективного пароперегревателя. Определяется приращение энтальпии среды на участке змеевика от начала элемента до расчетного сечения. Находятся значения энтальпий среды в определенных точках, и по этим данным вычисляется температура пара. Определяются энтальпия и по ее значениям температура в расчетном сечении наиболее обогреваемой (разверенной) трубы элемента. Вычисляется величина превышения средней температуры среды в расчетном сечении наиболее нагруженной трубы. Найденная в расчетных точках температура, средняя по толщине металла стенки разверенной трубы, выдается на дисплей. Пользователь анализирует эти значения и при необходимости повторяет расчет, изменив исходные данные с клавиатуры дисплея.
ППП «Расчет на прочность цельносварных газоплотных конструкций»
предназначен для определения теплонапряжений в цельносварных газоплотных экранах котла в зоне максимального уровня тепловых потоков с учетом дополнительных нагрузок [2]. Пакет производит расчет напряжений от внутреннего давления, весовых нагрузок, хлопка в топке, неравномерного распределения тепловых потоков по ширине экранов, разности температур экрана и балки жесткости, находит суммарные напряжения и оценивает прочность.
При расчете напряжений определяют:
от внутреннего давления в трубе — средние окружные, осевые и радиальные напряжения;
от весовых нагрузок — осевые напряжения в оребренной трубе фронтового и бокового экранов;
от хлопка в топке — изгибные напряжения, максимальный изгибающий момент, момент сопротивления в балке жесткости, максимальный изгибающий момент оребренной трубы в середине сечения фронтового экрана под обвязочным поясом, изгибающий момент в оребренной трубе между поясами жесткости, осевые и окружные напряжения от изгибающих моментов. При расчете температурных напряжений, вызванных неравномерным распределением теплового потока по ширине экранов, определяют осевые напряжения в трубе в середине и углу бокового и фронтового экранов.
При расчете суммарных напряжений и оценке прочности определяют алгебраическую сумму окружных и осевых напряжений под поясом жесткости в середине фронтового экрана. Далее находят эквивалентные напряжения и проверяют условие прочности. Если условие не выполняется, то на дисплей выдают диагностическое сообщение и, изменив исходные данные, повторяют расчет. В конце расчета на дисплей и печать выдаются алгебраическая сумма окружных и осевых напряжений и эквивалентные напряжения.
ППП «Аэродинамический расчет котлоагрегата» предназначен для расчета аэродинамических сопротивлений газового и воздушного трактов котельного агрегата [3]. ППП позволяет для газового тракта котлоагрегата рассчитывать
следующие поверхности: пароперегреватель, фестон, водяной экономайзер, воздухоподогреватель. Поток газов может омывать шахматные, коридорные, продольные пучки. Предусмотрен расчет участков от воздухоподогревателя до дымовой трубы, дымовая труба. Для всех участков рассчитываются повороты в канале, изменение сечения, раздающие и собирающие короба, диффузоры. Для воздушного тракта котельной установки можно учесть следующие виды сопротивлений: измерительная шайба, поворот на N градусов, карман Рихтера, трение на участке, диффузор, изменение сечения, калорифер, воздухонагреватель, конфузор, сопротивление входа в трубу, шибер, сопла, горелки, собирающий тройник.
ППП «Расчет теплофизических свойств теплоносителей» предназначен для расчета термодинамических и теплофизических свойств воды, водяного пара и дымовых газов [4]. В состав пакета входят 17 программ. Программы расчета энтальпий газов по температуре, критерия Прандтля для дымовых газов, теплопроводности дымовых газов, кинематической вязкости дымовых газов применимы для температуры О...3000 °С. Программы расчета температуры пара по энтальпии и давлению, энтальпии пара по давлению и температуре применяются при температуре 330...560 °С и давлении 10...20 МПа. Программы расчета энтальпии воды по температуре и давлению, температуры воды по энтальпии и давлению, удельного объема воды используются при температуре 215...320 °С и давлении 10...20 МПа. Расчет удельного объема воды применим для всей области докритического давления. Программы расчета удельного объема пара на кривой насыщения, энтальпии воды на линии насыщения, энтальпии пара на линии насыщения, температуры воды и водяного пара на линии насыщения, удельного объема воды на линии насыщения применяются при температуре насыщения. Программы расчета динамической вязкости воды и водяного пара, теплопроводности воды и водяного пара применяются для температуры О...800 °С и давления до 100 МПа.
ППП «Гидравлический расчет пароперегревателя» предназначен для расчета перепада давления по паровому тракту пароперегревателя
котлоагрегата [5]. Основные программы пакета: расчет удельного объема пара, внутреннего сечения труб, перепада давления, скорости пара, гидравлических сопротивлений входа, выхода, поворота, трения по длине труб, вывода на печать результатов расчета.
На этапе конструирования необходимо кроме основных расчетов (теплового, гидравлического, прочностного и т. д.) проводить вероятностную оценку надежности каждого варианта конструкции котлоагрегата. ППП «Расчет надежности котлоагрегата» предназначен для расчета надежности работы поверхностей нагрева котлоагрегата [6, 7]. Параметр потока отказов по каждой поверхности рассчитывается как сумма произведений числа элементов на интенсивность отказов. Элемент складывается из прямых участков, бесштуцерной приварки змеевиков к камерам, гибов труб, контактных сварных стыков. Также определяется характеристика потока вынужденных остановов на 105 ч работы.
Во всех пакетах исходная информация в режиме диалога вводится с клавиатуры дисплея в последовательности, определяемой запросами ЭВМ. Режим диалога обеспечивают программы бесформатного ввода с дисплея числовых и символьных данных. В ходе расчетов на дисплей выводятся промежуточные результаты, на основании анализа которых пользователю предлагается выбрать стратегию поведения: продолжить расчет либо, изменив исходные данные, вернуться к началу программы,
Литература
1. Тепловой расчет котлов: Нормативный метод. СПб: НПО ЦКТИ, 1998. 257 с.
2. РТМ 108.031.108—78. Котлы стационарные паровые и водогрейные: Расчеты на прочность цельносварных газоплотных конструкций. Л.: НПО ЦКТИ, 1985. 166 с.
3. Аэродинамический расчет котельных агрегатов: Нормативный метод. Л.: Энергия, 1977. 256 с.
4. Ривкин С. Л., Кременевская Е. А. Уравнения состояния воды и водяного пара для машинных расчетов процессов и оборудования электростанций // Теплоэнергетика. 1977. № 3. С. 69—73.
5. Гидравлический расчет котельных агрегатов: Нормативный метод. М.: Энергия, 1978. 256 с.
6. Щеглов А. Г., Логвинова Н. А. Характеристики надежности элементов поверхностей нагрева котлоагрегатов // Электрические станции. 1975. № 9. С. 8—11.
7. Щеглов А. Г. Расчет надежности поверхностей нагрева котельных агрегатов // Электрические станции. 1975. № 11. С. 10—12.
