CC BY
100
УДК 532.685
РАЗРАБОТКА ИСПЫТАТЕЛЬНОГО СТЕНДА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИ ПАРОГЕНЕРАТОРА МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ГАЗООБРАЗНЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВАХ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТЬЮ ДО 150 кВт
А.С. Игнатов, Т.С. Тимошинова, М.А. Любинецкий
Описывается разработка испытательного стенда для экспериментальной отработки парогенератора многоцелевого назначения на газообразных углеводородных топливах тепловой мощностью до 150 кВт. Рассмотрены стендовые системы, принцип их работы, разработаны математические модели систем парогенератора
Ключевые слова: газообразный метан, газообразный кислород, парогенератор, испытательный стенд
В настоящее время в качестве газообразного топлива для энергетических установок достаточно часто применяется природный газ - метан. Некоторыми из важнейших достоинств метана являются его значительное содержание в угольных пластах, в порах горных пород и подземных водах, а также то, что добыча метана является сравнительно недорогой, в силу чего он считается одним из дешевых топлив [1].
Так как подземные выбросы и взрывы газа в местах добычи угля представляют собой большую опасность, то в целях безопасности на особо загазованных месторождениях его откачивают. При этом большая часть метана уходит в атмосферу -выбрасывается. Но при более рациональной утилизации этого газа (соответствующей обработке) его можно использовать, например, в качестве газообразного топлива, в результате чего возможен значительный экономический эффект.
Для решения вышеупомянутой проблемы силами НОЦ «Водородная энергетика» и ОАО КБХА в рамках соглашения № 14.В37.21.0306 по теме: «Исследование процессов, разработка научнотехнических основ получения
высокотемпературного водяного пара в парогенераторных установках многоцелевого назначения с вихревыми камерами сгорания на газообразных углеводородных топливах тепловой мощностью до 150 кВт, создание и экспериментальная отработка эффективного
модельного парогенератора» при выполнении НИР разработан стенд для экспериментальной отработки парогенератора многоцелевого назначения на газообразных углеводородных топливах тепловой мощностью до 150 кВт [2].
Преимущества использования газового топлива состоит в том, что:
- оно сгорает в теоретическом количестве воздуха, что обеспечивает высокий тепловой
Игнатов Алексей Сергеевич - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 277-27-55, e-mail: [email protected] Тимошинова Татьяна Сергеевна - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 277-27-55, e-mail: [email protected] Любинецкий Максим Андреевич - ВГТУ, студент, тел. (473) 277-27-55, e-mail: [email protected]
коэффициент полезного действия (КПД) и высокую температуру горения;
- при сгорании газового топлива не образуется нежелательных продуктов сухой перегонки и сернистых соединений, копоти и дыма;
- газ легко транспортируется по трубопроводам к удаленным потребителям и может храниться централизованно;
- газ легко воспламеняется практически при любой температуре окружающего воздуха;
- требует сравнительно небольших затрат при добыче, а значит, является по сравнению с другими видами топлив более дешевым;
- при сгорании не образует конденсата, что ведет к повышению износостойкости деталей машин.
Разрабатываемый парогенератор (рис. 1) предназначен для:
- создания энергетических установок различной мощности, использующих в качестве топлива газообразный метан и газообразный кислород;
- получения высокотемпературного парогаза.
На базе ВГТУ была разработана парогазовая
установка с вихревой камерой сгорания на
газообразных углеводородных топливах мощностью до 150кВт. Установка вырабатывает электрическую энергию и тепловую энергию в виде перегретого пара. Проведение экспериментальной отработки разработанного парогенератора планируется на испытательном стенде ОАО КБХА. Стенд
полностью отвечает условиям выполнения научноисследовательских работ. Блок - схема испытательного стенда приведена на рис. 2.
Испытательный стенд оборудован
следующими системами:
- системой измерения и системой регистрации измеряемых параметров при работе парогенератора;
- системой подачи газообразного метана,
состоящей из баллонов, фильтров тонкой очистки, понижающих редукторов и подводящих
магистралей;
- системой подачи газообразного кислорода,
состоящей из баллонов, фильтров тонкой очистки, понижающих редукторов и подводящих
магистралей.
- системой подачи воды, состоящей из баллонов, фильтров тонкой очистки, и подводящих магистралей.
Рис. 1. Эскиз метанового парогенератора:
1 - смесительная головка; 2 - камера сгорания вихревая; 3 - камера испарения; 4 - сопло; 5 - фланец
Емкость с газообразным Испытательный Емкость с газообразным
метаном стенд кислородом
Система подключений парогенератора
Стендовая рама раскрепления
Парогенератор
Емкость с водой Система подачи
азота
Рис. 2. Блок - схема испытательного стенда
Для подключения парогенератора к подводящим магистралям подачи компонентов топлива, воды и газообразного азота была разработана пневмогидравлическая система.
Принципиальная схема обеспечения подачи компонентов топлива, рабочих жидкостей и газов представлена на рис. 3.
Данная система в совокупности с системами управления и измерения предназначена для обеспечения проведения испытаний метанового парогенератора.
Пневмогидравлическая система подключения парогенератора к испытательному стенду должна обеспечивать выполнение следующих требований:
- расход воды на парообразование 15 ± 7 г/с;
- температура пара на выходе 1100 ± 100 К;
- расход метана 2 ± 0,05 г/с;
- расход кислорода 8 ± 0,2 г/с.
Рис. 3. Принципиальная схема обеспечения подачи компонентов топлива, рабочих жидкостей и газов в парогенератор:
П - парогаз, ПГ - парогенератор, Г - подача горючего в смесительную головку ПГ, О - подача окислителя в смесительную головку ПГ, В - подача воды в камеру ПГ, ПрО - продувка азотом линии подачи окислителя в ПГ, ПрГ - продувка азотом линии подачи горючего в ПГ, ПрВ - продувка азотом линии подачи воды в камеру ПГ
С целью выполнения вышеуказанных требований функционального назначения системы подключения парогенератора к экспериментальному стенду были разработаны математические модели типовых элементов системы и принципы объединения частных моделей в общую математическую модель парогенератора.
Сложность математического моделирования запуска, выключения и переходных процессов парогенератора связана с тем, что этим режимам
свойственен ряд специфических физических процессов. К ним относятся: процессы заполнения трубопроводов и смесительных головок камеры сгорания, кинетики воспламенения и выгорания компонентов топлива, получения парогаза на выходе из камеры испарения, гидроудары в трубопроводах, кавитационные явления в насосах, и ряд других.
Математические модели описывают целый ряд элементов с распределенными параметрами. К ним относятся топливные трубопроводы, проточные элементы газовых трактов, внутренние каналы агрегатов автоматики и тракта камеры сгорания и испарения.
Для моделирования нестационарных гидродинамических процессов на переходных
режимах работы применяется метод конечных
элементов. По сравнению с классическими способами математического представления
гидродинамических процессов с помощью уравнений в частных производных метод конечных элементов проще и менее трудоемок. Сущность этого метода заключается в разбиении
моделируемого объема сплошной среды на достаточно малые конечные элементы и непосредственном введении в модель исходных физических уравнений, описывающих движение и изменение состояния жидкости и газа на участках разбиения. При этом математическая модель представляет собой систему нелинейных дифференциальных уравнений, для решения которой уже имеется хорошо разработанный математический аппарат. При применении метода конечных элементов, уменьшая размеры объемов разбиения, становится возможным моделировать нестационарные процессы различных частот, в том числе волновые и все другие динамические явления, описываемые общими нелинейными
дифференциальными уравнениями гидродинамики. Это позволяет максимально приблизить расчетную модель к реальному объекту.
Разработанные математические модели будут использоваться для оптимизации циклограммы запуска и останова парогенератора, выбора циклограммы и анализа результатов испытаний.
При разработке математических моделей был использован подход аналогичный описываемому в [3]. В результате были получены следующие математические модели:
1. Математическая модель гидромагистрали
Любая гидравлическая магистраль может быть
представлена как набор простых трубопроводов постоянного сечения, разделенных
сосредоточенными сопротивлениями. Движение жидкости в простых трубопроводах описывается известными уравнениями одномерного
нестационарного потока.
2. Математическая модель газовой магистрали
Газовая магистраль, как и гидравлическая, для
моделирования переходных процессов разбивается на N участков, для каждого из которых записываются уравнения для давления, соотношения
компонентов, массы газа, произведения температуры на газовую постоянную, а также массового расхода газа.
3. Математическая модель сосредоточенного сопротивления для газа
Для расчета массового расхода газа через местное сопротивление (дросселирующий элемент, сопло) с учетом направления потока газа используются обычные зависимости газовой динамики (критическое и докритическое истечение).
4. Математическая модель сосредоточенного сопротивления для жидкости
Для расчета массового расхода жидкости через местное сопротивление (дросселирующий элемент, сопло) с учетом направления потока жидкости используются обычные зависимости гидравлики.
5. Математическое моделирование клапанов парогенератора
Клапаны на входе в парогенератор моделируются как сосредоточенное сопротивление, проходная площадь которого (цБ) зависит от времени. Как правило, используется экспоненциальный или степенной закон изменения площади от времени. Время полного открытия клапана принимается по экспериментальным данным.
6. Принципы объединения частных математических моделей в общую модель
Математические модели отдельных элементов парогенератора разработаны таким образом, что система уравнений каждого элемента позволяет по заданным параметрам рабочего тела на входе (расход, давление, температура, состав) определить параметры рабочего тела на выходе. Поэтому их легко объединить в общую математическую модель, правильно связав выход одного элемента с входом другого, используя разработанную структурную схему энергоустановки. В местах развилки магистралей устанавливается газовая,
газожидкостная или гидравлическая емкость, что позволяет легко учитывать слияние или разделение потоков. Главная трудность создания такой динамической модели заключается только в ее объеме: количество нелинейных обыкновенных
дифференциальных уравнений в полной модели энергоустановки около 1000.
Поэтому при реализации такой трудоемкой задачи используются следующие принципы:
- автономная разработка и отладка отдельных блоков и элементов модели;
- использование блоков и элементов уже апробированных и проверенных в других аналогичных моделях;
- использование методов и пакетов программ, формализующих процедуру объединения отдельных блоков в единую математическую модель;
- исключение из модели нелинейных алгебраических уравнений (их присутствие в модели часто приводит к неустойчивости расчета) и замена их обыкновенными дифференциальными уравнениями с некоторыми постоянными времени описываемых физических процессов.
Кроме математических моделей отдельных элементов, рассмотренных в этой статье, общая математическая модель включает математические модели наиболее сложных элементов [4, 5].
Окончательная проверка математической
модели возможна только при сопоставлении результатов расчета с имеющимися
экспериментальными данными, в том числе и при испытаниях прототипов. Так как математическая модель содержит значительное количество коэффициентов, значения которых на этапе проектирования могут быть заданы только
приблизительно, в процессе идентификации модели уточняются значения этих коэффициентов.
С учетом приведенных выше математических моделей и требований к системе подключения парогенератора к испытательному стенду была разработана пневмогидравлическая схема, эскиз которой представлен на рис. 5.
Принцип работы системы подключения парогенератора к испытательному стенду представлен ниже.
Перед запуском парогенератора для удаления из внутренних полостей воздуха при открытии пневмоклапанов 1, 2, 3 и 4 проводятся продувки трубопроводов газообразным азотом.
Запуск парогенератора производится подачей горючего (газообразный метан) и окислителя (газообразный кислород) в смесительную головку.
Компоненты подаются по отдельным линиям при открытии пневмоклапанов 5 - горючего и
6 - окислителя. Расход компонентов определяется дроссельными шайбами 7 - горючего и
8 - окислителя. При попадании компонентов в камеру сгорания их поджиг осуществляется с помощью электрической свечи. Контроль возгорания компонентов осуществляется по изменению температуры в камере сгорания с помощью термопары 9. После воспламенения компонентов в камере сгорания при открытии пневмоклапана 10 осуществляется подача воды в парогенератор. Вода подается в коллектор камеры сгорания по двум подводящим штуцерам. Откуда через тангенциально направленные отверстия попадает во внутреннюю полость камеры сгорания, где на внутренних стенках образует тангенциально закрученную водяную пленку, препятствующую прогоранию стенок парогенератора. Расход воды в камере сгорания парогенератора определяется двумя последовательно установленными дроссельными шайбами 11 и 12 и фиксируется турбинными преобразователями расхода 13 и 14. После прекращения испытаний, для удаления не вступивших в реакцию компонентов топлива, при открытии пневмоклапанов 1, 2, 3 и 4 подается газообразный азот на продувку трубопроводов и внутренних полостей парогенератора.
Й)-ао№я"ва ф-ввпищг овигечи [*3-/рцтюг -чаионс/яа 0-гжюриґщ -вдп слвчл&
Рис. 5. Эскиз пневмогидравлической схемы подключения парогенератора к испытательному стенду
Расходы компонентов топлива и воды в парогенератор регулируются давлением на входе в дроссельные шайбы, и определяются их геометрией.
Массовые расходы газообразного метана и газообразного кислорода в парогенератор через дроссельные шайбы определяются по формуле:
т = Кш • РвХ • 9,81 • 104 • X 1
к,
где "ш - коэффициент расхода дроссельной шайбы, определенный по результатам продувок на воздухе;
Р
“ - давление компонента на входе в дроссельную шайбу, Па (определяется по датчику давления перед шайбой);
Т
в - температура компонента на входе в дроссельную шайбу, К (определяется по датчику температуры перед шайбой);
X
- термодинамический коэффициент расхода компонента, зависящий от температуры и давления;
її - газовая постоянная компонента, Дж/(кгК).
В рамках проведения научноисследовательской работы были разработаны математические модели типовых элементов, а также спроектирована, изготовлена и смонтирована система подключения парогенератора к экспериментальному стенду, что в свою очередь обеспечивает безаварийную экспериментальную отработку вышеупомянутого парогенератора. Сотрудниками НОЦ «Водородная энергетика» с использованием экспериментальной базы ОАО КБХА был разработан стенд для экспериментальной
отработки парогенератора многоцелевого назначения.
Работа выполнена в рамках соглашения № 14.В37.21.0306 от 27.07.2012 г.
Литература
1. Аметисов Е.В. Основы современной энергетики: учеб. пособие: в 2 т./ под общей ред. Е.В. Аметисова - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. -Т.1. Современная теплоэнергетика / Трухний А.Д., Изюмов М.А., Поваров О.А., Малышенко С.П. - С. 439 -441.
2. Дахин, С. В. Перспективы применения топливнокислородных парогенераторов многоцелевого назначения [Текст] / С. В. Дахин, И. Г. Дроздов, С. А. Лебединский // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 12.1. - С. 101 - 105.
3. Разработка испытательного стенда для экспериментальной отработки водородной паротурбинной энергоустановки [Текст] / А. С. Игнатов, Т. С. Тимошинова, С. А. Курьянов, В. А. Ильичев, С. А. Лебединский // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. - № 4. - С. 46 -53.
4. Шматов, Д. П. Моделирование процессов тепломассообмена при парообразовании в потоке высокотемпературного газа [Текст] / Д. П. Шматов, С. В. Дахин, Т. С. Тимошинова // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. -Т. 8. - № 12.1. - С.106 - 109.
5. Иванов, А. В. Моделирование течения в кольцевом уплотнительном зазоре турбомашины [Текст] / А. В. Иванов, А. В. Москвичев, А. А. Цыганов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. Т. 6. - № 12. - С. 112 - 114.
Воронежский государственный технический университет
WORKING OUT OF THE TEST BED FOR EXPERIMENTAL WORKING OFF OF THE STEAM AND GAS GENERATOR OF THE UNIVERSAL PURPOSE ON GASEOUS HYDROCARBONIC
FUELS THERMAL CAPACITY TO 150 kW
A.S. Ignatov, T.S. Timoshinova, M.A. Ljubinetsky
In the presented work working out of the test bed for experimental working off of a steam and gas generator of a universal purpose on gaseous hydrocarbonic fuels is described by thermal capacity to 150 kW. In article bench systems, a principle of their work are described, mathematical models of systems of a steam and gas generator are developed
Key words: gaseous methane, gaseous oxygen, a steam and gas generator, the test bed
