Методи оперативної діагностики газощільних топкових екранів газомазутних парових котлів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦIОНАЛЬНИЙ ТЕХНIЧНИЙ УНIВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ ПОЛIТЕХНIЧНИЙ IНСТИТУТ

УДК 621.181.8:311.22

Автореферат

дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МЕТОДИ ОПЕРАТИВНОЇ ДІАГНОСТИКИ ГАЗОЩІЛЬНИХ ТОПКОВИХ ЕКРАНІВ ГАЗОМАЗУТНИХ ПАРОВИХ КОТЛІВ

05.14.14 - Теплові та ядерні енергоустановки

ТЕСЛЕНКО Олександр Іванович

Київ-2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі атомних електростанцій та інженерної теплофізики Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" (НТУУ "КПІ") Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Дашкієв Юрій Георгійович, професор кафедри атомних електростанцій та інженерної теплофізики НТУУ "КПІ".

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Шрайбер Олександр Авраамович, провідний науковий співробітник Інституту загальної енергетики Національної академії наук України;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Беляков Іван Іванович, провідний науковий співробітник науково-виробничого об'єднання по дослідженню та проектуванню енергетичного обладнання ім. І.І. Ползунова “НВО ЦКТІ” (м. Санкт-Петербург, Росія).

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики НАН України відділ малої енергетики (м. Київ).

Захист дисертації відбудеться "22" червня 2000 р. о 13-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.09 при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою : 03056, Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 5, аудиторія 308.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою : 03056, Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий "20" травня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент ___________ Коньшин В.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

газомазутний топковий плавниковий котел

Актуальність теми. Теплові електростанції, що оснащені потужними паровими котлами, у найближчій перспективі збережуть за собою провідну роль у сумарному енерговиробництві як у нашій країні, так і за її кордонами.

Характерною рисою стану обладнання ТЕС України є значне перевищення проектного значення ресурсу роботи, що негативно відбилося на рівні його експлуатаційної надійності.

Особливо актуальна ця проблема стосовно до найбільш пошкоджуваних елементів газомазутних парових котлів потужних енергоблоків - радіаційних поверхонь нагріву топкових камер, на частку яких припадає більш 30% загальної кількості відмов.

Одним з ефективних шляхів підвищення експлуатаційної надійності топко-вих екранів є їх оперативна діагностика, яка надає можливість оцінювати стан, умови та якість експлуатації цих поверхонь нагріву в темпі реального часу. Методи діагностики топкових екранів, що зараз застосовуються, обмежуються постоперативною прогнозною оцінкою їхнього залишкового ресурсу для оптимізації ремонтно-профілактичного обслуговування. Це диктує необхідність розробки нових та вдосконалення існуючих методів і засобів оперативного контролю стану топкових екранів та керування режимами їхньої експлуатації з позиції надійності і довговічності цих поверхонь нагріву.

Впровадження оперативної діагностики в керування технологічним процесом дозволить підвищити надійність топкових екранів завдяки істотному поліпшенню якості їхньої експлуатації, що матиме наслідком продовження терміну служби, зменшення вимушених простоїв, скорочення терміну ремонту і збільшення міжремонтного інтервалу.

Вищевикладене надає актуальність дослідженням, спрямованим на вивчення і математичний опис робочих процесів, що визначають надійність топкових екранів газомазутних парових котлів великої потужності та розробку на їхній основі методів і засобів оперативної діагностики стану та умов експлуатації цих елементів парового котла з позиції їх надійності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційної роботи була обумовлена та визначалась директивними документами Міненерго СРСР по створенню та запровадженню методів, засобів та систем технічної діагностики теплотехнічного обладнання ТЕС, Міненерго України по створенню головних зразків АСУ ТП енергоблоків з функціями технічної діагностики обладнання та іншими. Основні теоретичні та практичні результати отримані під час виконання НДР “Розробка методики оцінки показників надійності топкових екранів котла ТГМП-204”(ДР №01870047536) та НДР “Дослідження параметрів діагностичних сигналів у головному обладнанні атомних та теплових електростанцій та розробка програмно-математичного забезпечення для комп'ютерної діагностики режимів його експлуатації” (ДР № 019811000886).

Метою роботи є розробка методів і засобів оперативної діагностики труб газощільних топкових екранів газомазутних парових котлів великої потужності для підвищення надійності і довговічності їхньої експлуатації.

Для досягнення поставленої мети постала необхідність вирішити такі основні задачі:

- встановити кількісні характеристики нестабільності теплового режиму топкових екранів газомазутних парових котлів великої потужності та його вплив на температурний режим цих поверхонь нагріву. Визначити вплив режимних чинників на кількісні характеристики нестабільності теплового режиму топкових екранів;

- визначити на основі крайових умов нестабільності теплового режиму топкових екранів рівень змінних термічних напружень у металі плавникової труби;

- розробити методику розрахунку інтенсивності витрати технічного ресурсу плавникових труб газощільних топкових екранів;

- розробити методи оперативної діагностики умов експлуатації газощільних топкових екранів газомазутних парових котлів із позиції їхньої надійності та довговічності;

- розробити заходи щодо підвищення експлуатаційної надійності газощільних топкових екранів.

Методи досліджень. Достовірність досліджень забезпечувалась використанням в роботі перевірених наукових методів планування експерименту, математичної статистики і теорії випадкових процесів, чисельних методів розв'язування задач теплопровідності і термопружності, теорій прогнозування й імітаційного моделювання, а також теорії довговічності машин і конструкцій.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Встановлені закономірності формування теплового та температурних режимів топкових екранів газомазутних парових котлів та виявлені фактори, що впливають на рівень нестабільності цих режимів, на прикладі котла Пп-2650-25.5-545 ГМН (ТГМП-204);

2. Вивчені закономірності формування термонапруженого стану плавникової труби топкового екрану в умовах пульсації сприйнятого теплового потоку;

3. Розроблена методика оцінки інтенсивності витрати ресурсу та розрахунку залишкового ресурсу газощільних топкових екранів, що працюють в умовах спільного впливу факторів термічної втоми, повзучості та корозії.

Практичне значення має розроблена методика оцінки інтенсивності витрати ресурсу газощільних топкових екранів, що дає можливість оптимізувати режими їхньої експлуатації з позиції надійності. Розроблено пристрій автоматизованого контролю корозійного зношування екранних труб для оперативної оцінки інтенсивності корозійних процесів. Розроблено методику контролю забруднення регенеративного повітропідігрівника і керування апаратами його очищення, що дозволяє знизити вплив нерівномірності його забруднення на рівень амплітудних термічних напружень у трубах топкових екранів. Розроблено методику контролю положення ядра факела в топковій камері, що дає можливість оптимізувати тепловий і температурний режим топкових екранів.

Особистий внесок здобувача. При одержанні результатів, наведених у дисертації, автор брав провідну участь на всіх етапах виконання роботи: у постановці задач та виборі методів їх розв'язання, виконанні необхідних інженерних розробок, отриманні експериментальних даних та виконанні чисельних розрахунків, аналізі отриманих результатів. Автор виконав особисто: проведення експериментів, обробку даних та аналіз результатів дослідження температурного та теплового режимів топкових екранів газомазутних котлів та кількісних характеристик нестабільності цих режимів; розробку методики та проведення розрахунків, обробку даних та аналіз результатів дослідження термонапруженого стану плавникових труб топкових екранів в умовах пульсації теплового потоку; розробку методики та засобу контролю корозійного процесу метала труби топкового екрана; розробку методики оцінки інтенсивності витрати ресурсу та розрахунку залишкового ресурсу газощільних топкових екранів, що працюють в умовах спільного впливу факторів термічної втоми, повзучості та корозії; розробку методик та алгоритмів контролю положення ядра факела в топці, контролю забруднення регенеративного повітропідігрівника.

Реалізація роботи. Методики оцінки інтенсивності спрацювання ресурсу і розрахунку залишкового ресурсу топкових екранів, контролю положення факела і забруднення регенеративного повітропідігрівника впроваджені в автоматизовану систему комплексної технічної діагностики котла ТГМП-204 Запорізької ТЕС і систему контролю і керування котла БКЗ-420-140 НГМ Самарської ТЕЦ.

Апробація роботи. Основні положення роботи доповідались та обговорювались на наукових конференціях “Надійність поверхонь нагріву котлоагрегатів” (Слов'янськ,1988), “Підвищення ефективності використання палива в енергетиці, промисловості та на транспорті” (Київ,1989), “Теплообмін у парогенераторах” (Новосибірськ,1990), “Теорія та практика комплексної оптимізації радіаційного теплообміну та горіння при спалюванні органічних палив в енергетиці і промисловості” (Ташкент,1991), “Мінеральна частина палива, шлакування, забруднення та очистка котлів” (Челябінск, 1996), "Нові комп'ютерні технології в промисловості, енергетиці, освіті" (Алушта,1999), “Регіональні проблеми енергосбереження у виробництві та споживанні енергії” (Київ,1999), наукових семінарах кафедри атомних електростанцій та інженерної теплофізики Національного технічного університету України "КПІ".

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в дев'ятьох друкованих працях, чотири з яких - у вигляді наукових статей, отримано два авторських свідоцтва на винаходи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури та додатків. Основний зміст роботи викладений на 159 сторінках, враховуючи 34 рисунки і 8 таблиць. Список використаних літературних джерел містить у собі 149 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи і сформульована її мета.

У першому розділі виконано аналіз пошкоджуваності топкових екранів газомазутних парових котлів, наведено аналітичний огляд літературних джерел, присвячених питанням дослідження режимів експлуатації і забезпечення надійності радіаційних поверхонь нагріву парових котлів.

Аналіз топографії, характеру та причин пошкоджень екранних поверхонь нагріву топкових камер газомазутних парових котлів енергоблоків потужністю 300 ...800 МВт показав, що пошкодження відбуваються в основному в нижній радіаційній частині (НРЧ) топкової камери внаслідок корозійно-втомлювальних процесів і локального перегріву. При цьому встановлено, що пошкодження, які мають характер короткочасного перегріву з відповідною зміною структури металу, розташовуються в найбільш теплонапружених місцях НРЧ у зоні активного тепловиділення на рівні верхніх ярусів пальників. У верхній частині панелей НРЧ є характерні корозійно-втомлювальні пошкодження, що мають вигляд дрібної сітки впоперек розташованих мікротріщин різної глибини, а яскраво виражене корозійне зношування труб спостерігається під і на рівні нижнього ярусу пальників.

Дослідження, які були проведені в НВО ЦКТІ, ВТІ, НТУУ “КПІ”, з'ясували, що однією з основних причин вище згаданих пошкоджень екранних труб є нестабільність їх теплового і температурного режиму на фоні складного напруженого стану і високого абсолютного температурного рівня експлуатації цих труб. Спільний вплив перерахованих чинників призводить до прискореної витрати технічного ресурсу металу екранної труби внаслідок повзучості, термічної втоми і корозійних процесів. Аналіз літературних джерел показав, що недостатньо повно вивчені причини виникнення і відсутні кількісні характеристики нестабільності теплосприйняття екранних поверхонь у топковій камері газомазутних котлів, а також не досліджено вплив режимних чинників на ці характеристики.

Аналіз методичного забезпечення діючих систем оперативної діагностики теплотехнічного обладнання ТЕС та вимог, які до них висуваються, показав, що розв'язання проблеми надійного функціонування об'єктів діагностування потребує визначення стану, умов та якості експлуатації обладнання у темпі технологічного процесу за допомогою широкого використання обчислювальної техніки.

Розглянуто сучасні методи визначення стану та технічного ресурсу елементів поверхонь нагріву парових котлів. Показано, що інтенсивність витрати ресурсу екранних труб може бути визначена за допомогою розрахункової методики НТУУ “КПІ”, яка має переваги при визначенні залишкового ресурсу топкових екранів в порівнянні з іншими методиками. Методика враховує спільний вплив термічної втоми, повзучості і корозійного зношування на метал екранної труби та надає можливість одержання більш достовірних результатів за рахунок використання даних оперативного контролю температурного і теплового режимів експлуатації поверхонь нагріву. Основною перешкодою в застосуванні цієї методики для оперативної діагностики умов експлуатації газощільних топкових екранів є відсутність розрахункових залежностей, що дозволяють визначити рівень амплітудних напружень, які виникають в металі плавникової труби при пульсації сприйнятого теплового потоку. Крім того, ця методика була розроблена стосовно до гладкотрубних топкових екранів і тому потребує суттєвого вдосконалення, враховуючи складний напружений стан газощільних топкових екранів.

Завершує розділ постановка основних задач дисертаційної роботи, що випливають із приведеного в цьому розділі аналізу сучасного стану проблеми.

У другому розділі викладені методика і результати експериментальних досліджень теплового і температурних режимів топкових екранів котла Пп-2650-25.5-545 ГМН (ТГМП-204) енергоблоку потужністю 800 МВт.

Основною задачею досліджень було визначення впливу режимних чинників на абсолютний рівень і характеристики нестабільності теплового і температурного режимів екранних труб НРЧ топкової камери.

Виміри локальних густостей сприйнятих теплових потоків qС і температури металу tМ екранних труб здійснювалися в найбільш теплонапружених місцях топкових екранів за допомогою радіометричних вставок конструкції НВО ЦКТІ.

Для збору й обробки інформації в експериментах використовувався штатний інформаційно- вимірювальний комплекс енергоблоку 800 МВт.

Виконані експериментальні дослідження показали, що при спалюванні мазуту qС досягають високих значень, рівних 520…580 кВт/м2. Розподіл qС по висоті НРЧ топки характеризується значною нерівномірністю. Максимальні значення qС припадають на центральні частини топкових екранів між другим і третім ярусами пальників. Рециркуляція димових газів у пальники та надлишок повітря в топці мають істотний вплив на рівень qС : при номінальному навантаженні котла зміна частки рециркуляції r від максимального значення (r=20%) до мінімального (r=7%) призводить до збільшення qС на 45...75 кВт/м2, а зменшення значень коефіцієнта надлишку повітря Т на виході з топки від 1,035 до 1,01 призводить до збільшення qС на ~ 25 кВт/м2. Результати дослідження добре узгоджуються з даними, отриманими В.В. Соколовим при випробуваннях головного зразка котла ТГМП-204.

При спалюванні газу розподіл qС по висоті НРЧ топкової камери вирівнюється. Максимальні значення qС не перевищують 400…450 кВт/м2.

Встановлено, що умови роботи котла ТГМП-204 при спалюванні мазуту і спільному спалюванні газу і мазуту характеризуються високою нестабільністю теплового режиму топкових екранів, обумовленою пульсаціями тепловиділення в топковій камері (коефіцієнт варіації (qС) досягає значень 0,08…0,1) При спалюванні газу істотної нестабільності теплового режиму топкових екранів не відзначено.

Виявлено зростання загального рівня нестабільності qС із збільшенням частки рециркуляції газів, особливо при знижених навантаженнях парового котла.

Таким чином, вплив вводу рециркуляції димових газів у пальники на тепловий режим топкових екранів газомазутного котла має неоднозначний характер: з одного боку, збільшення рециркуляції призводить до зниження абсолютного рівня сприйнятих теплових потоків, а з іншого боку - до дестабілізації теплового режиму топкових екранів.

Аналіз функції спектральної густості Gq(f) сприйнятого теплового потоку показав, що основний внесок у нестабільність теплосприйняття топкових екранів вносять дві складові процесу, близькі до гармонічних: високочастотні (із періодом КВЧ = 3…5 с) і низькочастотні (із КНЧ ~ 30 с) коливання, а також аперіодична складова - низькочастотні шуми (КНШ ). Наявність високочастотної складової пояснюється нестаціонарністю процесу займистості та згоряння палива. Її потужність порівняно невелика (до 10 кВт/м2) і практично не змінюється по висоті НРЧ топки.

Потужність низькочастотної складової монотонно зменшувалась з віддаленням від пальників і мала максимум на рівні між другим і третім ярусами пальників, рівний ~45 кВт/м2. Низькочастотні коливання сприйнятого теплового потоку обумовлені нестабільністю топкового процесу через коливання витрат повітря і димових газів, що спричинені змінами аеродинамічних опорів повітряного і газового трактів, які індукуються при обертанні ротора регенераційного повітропідігрівника (РПП) внаслідок нерівномірного розподілу забруднення по його периметру.

Встановлено наявність тісної кореляційної залежності Аt = f(АР) між амплітудами коливань температури екранної труби і перепаду тиску повітря (димових газів) на РПП. Проведення очищення РПП викликає зниження значення локального максимуму функції Gq(f) в діапазоні низькочастотних коливань: після парової обдувки РПП відбувалося зниження середніх значень амплітуди коливання в ~ 1,5 рази до значень 25…30 кВт/м2, а розмах коливання температури металу екранної труби не перевищував 20 0С; після водяного обмивання і механічного очищення РПП у період зупинки парового котла відповідні величини не перевищували значень 15…20 кВт/м2 і 10...12 0С. Таким чином, зниження рівня нестабільності теплового і температурного режиму топкових екранів може бути забезпечено зменшенням нерівномірності розподілу забруднення по периметру РПП шляхом його очистки.

Низькочастотні шуми породжуються різноманітного роду аперіодичними впливами, що призводять до зміни теплового режиму екранних труб (міграцією положення факела в топковій камері, рециркуляцією димових газів у пальники, органами регулювання топкового процесу). Амплітуди періодичних коливань і низькочастотних шумів є випадковими величинами і їхній розподіл у часі задовільно описується нормальним законом, параметрами якого для періодичних коливань є - математичне очікування амплітуди коливань , () - середньоквадратичне відхилення , а для низькочастотних шумів (з нульовим математичним очікуванням) - коефіцієнт варіації (qНШ). Значення цих параметрів для екранів НРЧ топки при роботі котла ТГМП-204 на номінальному навантаженні (паливо - мазут) наведені в таблиці.

На підставі отриманих результатів досліджень тепловий режим екранних труб газомазутного котла може бути описаний стохастичною моделлю у вигляді залежності

, (1)

де qС()- випадкове значення густості сприйнятого теплового потоку в довільний момент часу .

Таблиця

Характеристики нестабільності теплового режиму топкових екранів

Відносна висота топки h/НT,-	Тепловий Потік , кВт/м2	Високочастотні коливання (К=4с)	Низькочастотні коливання (К=30с)	Низькочастотні шуми
		ВЧ, кВт/м2	(ВЧ), кВт/м2	НЧ, кВт/м2	(НЧ), кВт/м2	(qНШ), кВт/м2	(qНШ),
Фронтова стіна топкової камери
0,39	497	7	2,1	37	5,1	20,9	0,042
0,32	546	8	2,4	43	5,7	25,7	0,047
0,20	523	5	1,1	31	3,6	17,8	0,034
Ліва бічна стіна топкової камери
0,39	481	4	1,4	26	3,3	18,7	0,034
0,32	578	6	1,7	32	3,8	24,8	0,036
0,20	504	3	0,7	24	2,9	16,1	0,031

Третій розділ роботи присвячений розрахунково-аналітичному дослідженню закономірностей формування термонапруженого стану плавникової труби топкового екрана в умовах періодичного коливання сприйнятого теплового потоку.

Основною задачею дослідження була оцінка рівня амплітудних значень температурних напружень в металі плавникової труби за результатами експериментального дослідження нестабільності теплового режиму експлуатації топкових екранів.

Математична модель термонапруженого стану плавникової труби була сформульована у двомірній постановці і містила в собі систему диференціальних рівнянь, що описують нестаціонарний тепловий і квазістаціонарний напружений стани плавникової труби. Крайові умови теплообміну характеризувалися гармонічно змінним в часі сприйнятим тепловим потоком, розподіл якого по периметру зовнішньої поверхні плавникової труби описувався відповідно до локальних коефіцієнтів опромінення, а також враховували нерівномірність розподілу внутрішньотрубних відкладень по периметру внутрішньої поверхні труби. Крайові умови задачі термопружності характеризувалися плоским напруженим станом плавникової труби при відсутності зовнішніх об'ємних сил без урахування сил інерції і взаємного впливу полів температур і напружень.

Чисельне розв'язання задачі термонапруженого стану здійснювалося методом скінченних елементів із використанням пакета прикладних програм “Термопружність”, розробленого на кафедрі динаміки і міцності машин і опору матеріалів НТУУ “КПІ”.

Об'єктом досліджень була найбільш застосовувана в котлобудуванні плавникова труба ( 32х6 мм, відстань між вершинами ребер - 46 мм, матеріал - сталь марки 12Х1МФ). Вхідними даними при розв'язанні задачі термонапруженого стану були результати експериментальних досліджень теплового і температурного режимів газощільних топкових екранів газомазутного котла, а також дані з літературних джерел.

Результати виконаних розрахунково-аналітичних досліджень показують, що максимальні амплітудні значення температурних напружень виникають у лобовій точці зовнішнього периметру плавникової труби, діють в поздовжньому вісному напрямку й у робочому діапазоні зміни режимних параметрів експлуатації топкових екранів газомазутних парових котлів можуть досягати 40...65 МПа.

Дослідження показали, що, крім амплітуди коливання густості сприйнятого теплового потоку, істотний вплив на рівень амплітудних значень температурних напружень а мають умови тепловіддачі всередині труби та період коливання теплового потоку К (рис.3). Погіршення тепловіддачі внаслідок накопичення внутрішньотрубних відкладень призводить не тільки до росту а (на 15...20 МПа), але й до збільшення рівня максимальної температури (на 30... 60 0 С) у циклі коливань температурних напружень, що інтенсифікує витрату ресурсу екранних труб. Наявність нерівномірності внутрішньотрубних відкладень викликає незначний ріст а (на 3...7 МПа), проте при цьому абсолютний рівень температури металу екранної труби істотно зростає (на 20...30 0С), що обумовлює необхідність врахування цього чинника при оцінці термонапруженого стану плавникової труби. Вплив періоду коливань теплового потоку К має неоднозначний характер: в діапазоні високочастотних коливань із періодом К < 5 с значення а не перевищують 20 МПа, а в діапазоні низькочастотних коливань з періодом К > 25 с рівень а може досягти 65 МПа.

Регресійно-кореляційний аналіз отриманих результатів розрахунків дозволив встановити залежність між а й амплітудою температури металу Аt у лобовій точці зовнішньої поверхні плавникової труби при гармонічних коливаннях сприйнятого теплового потоку в робочому діапазоні зміни режимних параметрів експлуатації труб газощільних топкових екранів газомазутних парових котлів у вигляді виразу

а = КТ Аt= КТ [0,5 (tНМАХ - tНМIN)] , МПа, (2)

де tНМАХ, tНМIN - максимальне і мінімальне значення температури металу в лобовій точці зовнішньої поверхні плавникової труби, 0С;

КТ=3,56 - коефіцієнт пропорційності, МПа/0С.

Отриманий результат узгоджується з аналогічною залежністю для гладкої труби топкового екрана, визначеної на підставі аналітичного рішення Ю.Г. Дашкієва (рис.4). При однакових умовах нестабільності температурного режиму топкових екранів амплітудні значення температурних напружень у плавниковій трубі перевищують у ~ 1,45 рази аналогічні величини у гладкій трубі, що обумовлює більш інтенсивний процес термічної втоми металу.

Аналіз результатів дослідження та характеристик термічної втоми сталі 12Х1МФ показав, що процес пошкодження плавникової труби топкового екрана може активно протікати при порівняно помірних середніх значеннях температури металу (М = 510…530 0C) і при значеннях амплітуди коливання температури металу Аt 10 0С практично повністю визначатися спрацюванням ресурсу циклічної міцності. Встановлено також, що високочастотні коливання сприйнятого теплового потоку самостійно не мають істотного впливу на спрацювання ресурсу циклічної міцності екранних труб газомазутних парових котлів, але їх накладання на низькочастотні коливання qС спричиняє зростання температури металу топкових екранів і, як наслідок, амплітудних значень температурних напружень.

У четвертому розділі викладені методики й алгоритми оперативної оцінки інтенсивності витрати ресурсу газощільних топкових екранів, методика оперативної діагностики умов експлуатації топкових екранів, а також запропоновані заходи для корекції умов експлуатації цих поверхонь нагріву з позиції їхньої надійності і довговічності.

Пошкодження екранних труб відносяться до категорії спрацьованих відмов, при яких стан труби під спільним впливом процесів повзучості, втоми і корозії неухильно наближається до граничного в результаті накопичення окремих елементарних пошкоджень D, кожне з яких окремо не викликає відмови. Умови експлуатації топкових екранів визначають рівень інтенсивності накопичення цих пошкоджень (інтенсивності витрати ресурсу) і, як наслідок, термін служби екранних труб.

У розробленій методиці оперативної діагностики умов експлуатації газощільних топкових екранів критерієм якості експлуатації обрана інтенсивність витрати ресурсу, оцінка якого виконується на підставі таких положень:

- у плавникових трубах діють стаціонарні напруження, що виникають під впливом внутрішнього тиску робочого середовища, наддуву, одностороннього обігріву труби, нерівномірного обігріву по ширині топки і різниці температур робочого середовища в сполучених панелях. Розрахунок значень напружень від перерахованих чинників і еквівалентного напруження е від їхнього спільного впливу в лобовому перетині плавникової труби здійснюється відповідно до РД 10-249-98 з урахуванням корозійного стоншення стінки труби на підставі результатів оперативного контролю технологічних параметрів роботи котла, а також теплового і температурного режимів топкових екранів;

- плавникові труби перебувають під впливом циклічних напружень а при стаціонарних режимах роботи котла внаслідок коливання температури металу через нестабільність тепловиділення в топковій камері. Значення цих напружень визначається залежністю (формула 2) на підставі результатів оперативного контролю нестабільності температурного режиму екранних труб;

- геометричні розміри плавникових труб у процесі експлуатації змінюються під впливом корозійних процесів. Для оцінки інтенсивності цих процесів розроблені пристрої, що дозволяють здійснювати безперервний контроль корозійного зношування екранних труб. Їхній принцип дії заснований на перевірці герметичності контрольних мікропорожнин, виконаних у стінці екранної труби на заданій глибині від її зовнішньої поверхні.

Інтенсивність витрати ресурсу труб пропонується розглядати як елементарне відносне пошкодження D на відрізку часу К, рівному періоду коливань температури металу (теплового потоку). Розмір цього пошкодження розраховується відповідно до залежності, запропонованої Г.А.Туляковим:

D = КС(DЦМ + DДМ) = КС , ( 3)

де DЦМ , DДМ - складові елементарного відносного сумарного пошкодження, обумовлені витратами ресурсу циклічної і тривалої міцності;

КС - коефіцієнт підсумовування пошкоджень, обумовлений співвідношенням розмірів DЦМ і DДМ;

[N] - припустима кількість циклів даного типу термоциклічного навантаження, що залежить від амплітуди температурних напружень а і максимальної температури металу tНМАХ у циклі й визначається згідно з РД 10-249-98;

ді - час роботи труби до руйнування при квазістаціонарному навантаженні, обумовлений розміром еквівалентного напруження е від діючих стаціонарних навантажень і температурою металу tСР на середньому радіусі труби в її лобовому перетині по температурно-часовій залежності довговічності металу І.І.Труніна;

l, L - порядковий номер і загальна кількість інтервалів, на який розбитий період коливань К для визначення середньовагового розміру DДМ.

Порушення умови

dП = D/K dН = 1/P, ( 4)

де dП, dН - поточна і призначена (нормативна) інтенсивність витрати ресурсу (накопичення пошкоджень);

Р - призначений (нормативний) ресурс екранної труби;

вказує на те, що екранна труба експлуатується в умовах, які призводять до прискореної витрати її ресурсу і передчасного закінчення терміну її роботи.

Для контролю чинників, що обумовлюють підвищену інтенсивність витрати ресурсу екранних труб, розроблені методи оперативної діагностики процесів, що призводять до росту абсолютного рівня (міграція положення ядра факела в топковій камері) і нестабільності (пульсації витрат повітря і димових газів) температурного режиму топкових екранів газомазутних парових котлів:

- визначення положення ядра факела в топковій камері здійснюється шляхом порівняння між собою середніх значень сприйнятих теплових потоків, вимірюваних у симетричних місцях протилежних стін топки за допомогою радіометричних вставок в топкові екрани, які розміщені по периметру найбільш теплонапруженого поперечного перетину топкової камери. Для діагностики відхилу ядра факела до фронту або тилу топки за вісь симетрії обрана поздовжня вісь топкової камери, а у напрямку лівої або правої бічних стін - поперечна вісь топкової камери;

- контроль нерівномірності розподілу забруднення по периметру РПП здійснюється шляхом вимірювання амплітуди коливання перепаду тиску повітря АР на РПП при обертанні його ротора й амплітуди коливання температури металу екранної труби Аt у найбільш теплонапруженому місці топкових екранів. Наявність тісної кореляційної залежності Аt = f(АР) дозволяє однозначно діагностувати причину зростання нестабільності температурного режиму топкових екранів.

Поточні результати контролю інтенсивності витрати ресурсу екранних труб, абсолютного рівня і нестабільності їх теплового та температурного режимів, а також положення ядра факела в топковій камері та нерівномірності розподілу забруднення по периметру РПП є підставою для оперативного персоналу до вжиття заходів по корекції режимів експлуатації топкових екранів з позиції забезпечення надійності та довговічності екранних поверхонь нагріву топкової камери.

Наведені конкретні технічні вирішення для системи оперативної діагностики топкових екранів котла Пп-2650-25.5-545 ГМН (ТГМП-204) енергоблоку потужністю 800 МВт.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

1. Визначені закономірності формування нестабільності теплового і температурного режимів топкових екранів газомазутних парових котлів великої потужності. Досліджено вплив режимних чинників на кількісні характеристики нестабільності теплового режиму топкових екранів котла Пп-2650-25.5-545 ГМН (ТГМП-204). Встановлено, що зростанню нестабільності теплового режиму сприяє вплив таких чинників: спільне спалювання газу і мазуту внаслідок їх різної реакційної спроможності; пульсації витрат повітря і димових газів внаслідок нерівномірного розподілу забруднення по периметру регенеративного повітропідігрівника; а також збільшення рециркуляції димових газів через пальники у топкову камеру. Мінімальна нестабільність спостерігається при спалюванні газу і зростає удвічі при спільному спалюванні газу та мазуту (коефіцієнт варіації теплового потока досягає значень 0,08…0,1). Аналіз амплітудно-частотних характеристик пульсації локальних густостей сприйнятих теплових потоків показав, що основний внесок у нестабільність теплового режиму топкових екранів вносять дві складові: коливання з періодами 3…5 с та амплітудами до 10 кВт/м2, які обумовлені нестаціонарністю процесу займистості та згоряння палива, та коливання з періодами ~30 с та амплітудами до 50 кВт/м2, які обумовлені нестабільністю топкового процесу внаслідок коливання витрат повітря і димових газів.

2. Чисельними методами розв'язана задача термопружності плавникової труби топкового екрана при періодичній зміні сприйнятого теплового потоку. Виконано розрахункове дослідження впливу характеристик нестаціонарного теплообміну на температурний і термонапружений стани плавникової труби. Встановлено, що максимальні амплітудні значення температурних напружень виникають у лобовій точці зовнішньої поверхні плавникової труби, діють в поздовжньому вісному напрямку й у робочому діапазоні зміни режимних параметрів експлуатації топкових екранів газомазутних парових котлів можуть досягати 40...65 МПа. Показано, що величина амплітуди термічних напружень у лобовій точці зовнішньої поверхні плавникової труби пов'язана прямо пропорційною залежністю з амплітудою коливання температури металу в цій точці. Отримана залежність дозволила врахувати процеси термічної втоми, що виникають у металі труби внаслідок пульсації сприйнятого теплового потоку, у розробленій методиці розрахунку інтенсивності витрати ресурсу плавникових екранних труб.

3. Розроблено методику й пристрій автоматизованого контролю корозійного зношування екранних труб.

4. Розроблено методику розрахунку інтенсивності витрати технічного ресурсу плавникових труб газощільних топкових екранів, що працюють в умовах спільного впливу чинників термічної втоми, повзучості та корозії.

5. Розроблено методику оперативної діагностики якості експлуатації топкових екранів з позиції їхньої надійності і довговічності, яка дозволяє здійснювати оцінку якості експлуатації цих поверхонь нагріву в темпі технологічного процесу шляхом розрахунку інтенсивності витрати ресурсу плавникових екранних труб на підставі результатів контролю теплового і температурного режимів топкових екранів.

6. Розроблено методики оперативного контролю положення ядра факела в топковій камері та забруднення регенеративних повітропідігрівників.

7. Основні результати роботи використані при розробці та впровадженні в промислову експлуатацію автоматизованої системи технічної діагностики котла ТГМП-204 енергоблока 800 МВт (Запорізька ТЕС, Україна) та інформаційно-керуючої системи котла БКЗ-420-140 НГМ (Самарська ТЕЦ, Росія).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Михлевский А.А., Тесленко А.И., Соколов В.В. Диагностика топочных экранов парового котла ТГМП-204 // Энергетика и электрификация.-1993.-№3.- С. 3 - 6.

2. Соколов В.В., Купцов Г.Н., Тесленко А.И. Диагностика надежности экранов котла ТГМП-204 //Труды ЦКТИ.- 1994.- вып.№279.- С.73-80.

3. Опыт разработки и внедрения информационно-управляющей системы парового котла / Михлевский А.А, Зозуля Г.В., Попович Т.Г., Тесленко А.И., Радзиевский В.И., Михлевский С.А.// Энергетика и электрификация.-1999.- № 5.-С.19 - 24.

4. Тесленко А.И., Михлевский А.А., Соколов В.В. Исследование нестабильности теплового режима топочных экранов котла ТГМП-204// Энергетика и электрификация.-1999.- №7.- С.4 - 7.

5. А.с.1538103 СССР, МКИ G 01 N 17/00. Образец для контроля эрозионно-коррозионного износа / А.А. Михлевский, Г.В. Зозуля, Т.Г. Попович, А.И. Тесленко (СССР).- №4327500/25-28; Заявлено 17.11.87; Опубл. 23.01.90, Бюл. №3.- 2 с., ил.

6. А.с.1560900 СССР, МКИ F 22 B 37/42. Способ управления аппаратами очистки регенеративного воздухоподогревателя котла / А.А. Михлевский, А.И. Тесленко, О.А. Федь (СССР).- №4334135/24-06; Заявлено 26.11.87; Опубл. 30.04.90, Бюл. №16.- 3 с., ил.

7. Михлевский А.А., Попович Т.Г., Тесленко А.И. О прогнозировании технического ресурса газоплотных панелей топочных экранов// Тез. докл. конф. “Надежность поверхностей нагрева котлоагрегатов”.- Киев: Ин-т электродинамики АН Украины.- 1988.- С.46-47.

8. Дашкиев Ю.Г., Тесленко А.И. Температурный режим плавниковой трубы топочного экрана в условиях пульсации тепловыделения // Тез. докл. II Всесоюзной конф. “Теплообмен в парогенераторах”.- Новосибирск: ИТФ СО АН СССР.- 1990.- С.23-24.

Михлевский А.А., Тесленко А.И., Михлевский С.А. Управление процессами сгорания топлива и теплообмена в топочной камере котла с позиции экономичности и надежности// Тез. докл. Междунар. конф. “Региональные проблемы энергосбережения в производстве и потреблении энергии”. - Киев: Ин-т технической теплофизики АН Украины.-1999.- С.143-144.

АНОТАЦІЯ

Тесленко О.І. Методи оперативної діагностики газощільних топкових екранів газомазутних парових котлів. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.14 - теплові і ядерні енергоустановки.- Національний техніч-ний університет України "КПІ", Міністерство освіти та науки України, Київ, 2000. Дисертація присвячена питанням підвищення надійності і довговічності газощільних топкових екранів газомазутних парових котлів. У роботі експеримен-тально визначені кількісні характеристики нестабільності теплового і температур-ного режимів експлуатації топкових екранів. Чисельними методами розв`язана задача термонапруженого стану плавникової труби в умовах пульсації сприйнято-го теплового потоку. Розроблено методику розрахунку інтенсивності витрати ре-сурсу плавникових труб газощільного топкового екрана з урахуванням спільного впливу чинників повзучості, термічної втоми і корозії. Розроблена методика опера-тивної діагностики умов експлуатації топкових екранів. Запропоновано методи керування режимами експлуатації топкових екранів із позиції їх надійності та довговічності.

Ключові слова: паровий котел, топковий екран, плавникова труба, надійність, ресурс, діагностика.

Тесленко А.И. Методы оперативной диагностики газоплотных топочных экранов газомазутных паровых котлов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.14 - тепловые и ядерные энергоустановки.- Национальный технический университет Украины "КПИ", Министерство образования и науки Украины, Киев , 2000. Диссертация посвящена решению проблемы повышения надежности и долговечности газоплотных топочных экранов газомазутных паровых котлов методами оперативной диагностики условий их эксплуатации.

Одной из основных причин коррозионно-усталостных повреждений труб газоплотных топочных экранов является высокая нестабильность их теплового и температурного режима на фоне сложного напряженного состояния и высокого абсолютного температурного уровня эксплуатации этих труб. Совместное воздействие перечисленных факторов приводит к ускоренному расходованию ресурса металла экранной трубы вследствие ползучести, термической усталости и коррозионных процессов.

В работе установлены закономерности формирования нестабильности теплового и температурного режимов эксплуатации топочных экранов газомазутных котлов. Экспериментально исследовано влияние режимных факторов на количественные характеристики нестабильности теплового режима топочных экранов котла Пп-2650-25.5-545 ГМН (ТГМП-204). Установлено, что увеличению нестабильности теплового режима способствует воздействие следующих факторов: совместное сжигание газа и мазута вследствие их различной реакционной способности; пульсации расходов воздуха и дымовых газов вследствие неравномерного распределения отложений продуктов сгорания по периметру регенеративного воздухоподогревателя; а также увеличение доли рециркуляции дымовых газов в топочную камеру через горелочные устройства. Минимальная нестабильность наблюдается при сжигании газа и возрастает вдвое при совместном сжигании газа и мазута (коэффициент вариации воспринятого теплового потока достигает значений 0,08…0,1). Анализ амплитудно-частотных характеристик пульсации локальных плотностей воспринятых тепловых потоков показал, что основной вклад в нестабильность теплового режима топочных экранов вносят колебания с периодами 3…5 с (высокочастотные) и ~ 30 с (низкочастотные) и амплитудами до 10 кВт/м2 и до 50 кВт/м2, соответственно. Высокочастотные колебания обусловлены нестабильностью процесса воспламенения и горения топлива, а низкочастотные - пульсациями расходов воздуха и дымовых газов, которые индуцируются при вращении регенеративного воздухоподогревателя. Проведение очистки регенеративного воздухоподогревателя позволяет в 2…3 раза снизить уровень нестабильности теплового и температурного режимов топочных экранов.

Численными методами на основании граничных условий, полученных в результате экспериментальных исследований, решена задача термоупругости плавниковой трубы топочного экрана при периодическом изменении воспринятого теплового потока. Выполнено расчетное исследование влияния характеристик нестационарного теплообмена на температурное и термонапряженное состояние плавниковой трубы. Установлено, что в рабочем диапазоне изменения режимных параметров эксплуатации труб газоплотных топочных экранов амплитудные значения термических напряжений в лобовой точке наружной образующей плавниковой трубы могут достигать величин 40…65 МПа и связаны прямо пропорциональной зависимостью с амплитудой колебания температуры металла в этой точке. Полученная зависимость позволила учесть термоусталостные процессы, происходящие в металле трубы вследствие пульсации воспринятого теплового потока, при оценке интенсивности выработки ресурса плавниковых экранных труб.

Разработаны методика и средство автоматизированного контроля коррозионного износа экранных труб.

Разработана методика расчета интенсивности расходования технического ресурса плавниковых труб газоплотного топочного экрана с учетом совместного воздействия факторов ползучести, термической усталости и коррозии.

Разработана методика оперативной диагностики условий эксплуатации топочных экранов, позволяющая осуществлять оценку качества эксплуатации этих поверхностей нагрева в темпе технологического процесса путем расчета интенсивности расходования ресурса экранных труб на основании данных контроля теплового и температурного режимов их эксплуатации.

Разработаны методы оперативного контроля положения ядра факела в топочной камере и степени загрязнения регенеративных воздухоподогревателей как основных факторов, приводящих к росту абсолютного уровня и нестабильности температурного режима топочных экранов газомазутных паровых котлов.

Текущие результаты контроля условий и качества эксплуатации служат оперативному персоналу основанием для принятия мер по коррекции режимов эксплуатации топочных экранов с позиции обеспечения надежности и долговечности экранных поверхностей нагрева топочной камеры.

Основные результаты работы внедрены в промышленное производство при создании автоматизированных систем технической диагностики газомазутных паровых котлов.

Ключевые слова: паровой котел, топочный экран, плавниковая труба, надежность, ресурс, диагностика.

Teslenko O.I. The real-time diagnostic methods of furnace membrane watherwalls of gas- and oil-fired steam boilers. - Manuscript.

The thesis for a degree of candidate of engineering science by the speciality 05.14.14 - thermal and nuclear power facilities. - National Technical University of Ukraine "Kiev polytechnic institute", Ministry of education and science of Ukraine, Kyiv, 2000.

The dissertation is devoted to the problems of increasing of reliability and durability of furnace membrane watherwalls of gas- and oil-fired steam boilers. The quantitative characteristics of instability of thermal and temperature modes of furnace membrane watherwalls exploitation have been experimentally determined in this work. The thermal stress problem of a finned tube in conditions of a perceived heat flow pulsing have been solved by numerical methods. The calculational technique of the intensity of expenditure of the finned tube resource of furnace membrane watherwalls with allowance for the cumulative effect of the creep, thermal fatigue and corrosion factors have been developed. The procedure of real-time diagnostics of the exploitation conditions of furnace membrane watherwalls have been developed. The methods of management of exploitation conditions of furnace membrane watherwalls from an item of their reliability and durability have been proposed.

Key words: steam boiler, furnace watherwalls , finned tube, reliability, resource, diagnostics.

Размещено на Allbest.ru