151327 (Моделювання теплових процесіів в елементах енергетичного обладнання ТЕС і АЕС шляхом розв’язання спряжених задач теплообміну)

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ

ІМ. А. М. ПІДГОРНОГО

Альохіна Світлана Вікторівна

УДК 536.24

МОДЕЛЮВАННЯ ТЕПЛОВИХ ПРОЦЕСІВ В ЕЛЕМЕНТАХ ЕНЕРГЕТИЧНОГО ОБЛАДНАННЯ тес і аес ШЛЯХОМ РОЗВ’ЯЗАННЯ СПРЯЖЕНИХ ЗАДАЧ ТЕПЛООБМІНУ

Спеціальність 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків-2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України.

Науковий керівник

доктор технічних наук, профессор, академік НАН України Мацевитий Юрій Михайлович, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України, директор інституту.

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, професор Круковський Павло Григорович, Інститут технічної теплофізики НАН України, зав. відділу моделювання процесів тепломасообміну в об’єктах енергетики та теплотехнологіях.

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Тарасов Олександр Іванович, Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри турбінобудування.

Захист відбудеться 06 березня 2008 року о 14 ⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.02 в Інституті проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського 2/10.

З дисертацією можна ознайомитись в Інституті проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського 2/10.

Автореферат розісланий “04” лютого 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук

В. С. Марінін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Однією з основних задач, які стоять на цей час перед електроенергетичною галуззю України, є забезпечення надійного та ефективного її функціонування. У зв’язку з цим важливим питанням, яке виникає при експлуатації енергетичного обладнання ТЕС і АЕС, є оцінка та подальший контроль його фізичного стану, що продиктовано, перш за все, вимогами безпеки.

Відомо, що енергетичне обладнання, яке функціонує не енергогенеруючих підприємствах України, перебуває на межі спрацьовування свого ресурсу та потребує або ремонту для продовження строку служби, або повної заміни. Питання продовження ресурсу, нарівні з необхідністю впроваджувати та використовувати нове технічне обладнання, вимагають наявності детальної інформації про параметри його функціонування, а у випадку відсутності такої інформації – розробки методів та засобів її отримання. У зв’язку з цим набуває особливої актуальності задача моделювання теплових процесів, що проходять в енергетичному обладнанні під час експлуатації, яка тісно пов’язана з удосконаленням режимів його роботи.

У межах проблеми, що розглядається в роботі, в одному випадку вибір об’єкта для дослідження теплових процесів обумовлено необхідністю проведення реконструкції та модернізації енергоблоків, у іншому – впровадженням у промислову експлуатацію об’єктів, що мало досліджувались раніше. Для детального вивчення та розширення уяви про теплові процеси, що проходять в розглянутих елементах енергетичного обладнання, в обох випадках було виконано моделювання теплових процесів шляхом розв’язання спряжених задач теплообміну. Застосування такого підходу можливо та доцільно для енергетичних об’єктів, що мають різне функціональне призначення, структуру та принцип дії, зокрема, для малодосліджених елементів, з дуже складною структурою потоку (кінцеві та діафрагмові ущільнення турбомашин з термокомпенсаційними канавками) та недосліджених об’єктів енергетики з внутрішніми джерелами тепла, що розташовані на відкритому просторі (контейнери зберігання відпрацьованого ядерного палива).

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота тісно пов’язана з дослідженнями, які проводились за бюджетною темою № 1.7.2.10 „Моделювання та ідентифікація процесів тепломасообміну в об’єктах промислового значення та енергетики з метою енергозбереження, підвищення надійності та продовження ресурсу” № Д.Р. 0100U004810; госп.договору № 293-26 „Розробка інтерфейсу користувача інформаційної системи моніторингу навантаження енергоблоків ТЕЦ-5” № Д.Р. 0106U012369; бюджетною темою III-11-05 „Розробка наукових основ енергозберігаючих технологій в енергетиці, машинобудуванні та приладобудуванні на основі моделювання, ідентифікації та оптимізації теплових процесів” № Д.Р. 0105U002642, де автор була виконавцем окремих розділів.

Мета та завдання дослідження

Метою даної роботи є забезпечення надійності та безпечності роботи енергетичного обладнання на основі дослідження його теплового стану.

Для досягнення мети, що поставлена, необхідно:

– сформулювати задачу моделювання теплових процесів в елементах енергетичного обладнання в спряженій постановці;

– сформувати математичну модель для розв’язання спряжених задач теплообміну стосовно елементів енергетичного обладнання, що розглядаються;

– чисельно дослідити теплові процеси в елементах енергетичного обладнання та провести аналіз отриманих результатів;

– виробити рекомендації для удосконалення елементів енергетичного обладнання та забезпечення надійності його експлуатації.

Об’єкт дослідження – теплові та гідродинамічні процеси, що проходять в елементах енергетичного обладнання.

Предмет дослідження – тепловий стан кінцевих і діафрагмових ущільнень циліндрів парових турбін та корзин з відпрацьованим ядерним паливом, що розташовані у вентильованому контейнері на площадці зберігання.

Метод дослідження – математичне моделювання з використанням чисельних методів розв’язання спряжених задач теплообміну.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Розвинуто методологію розв’язання спряжених задач теплообміну у частині застосування її для визначення теплового стану енергетичного обладнання ТЕС і АЕС.

2. Вперше отримано температурні поля, векторні поля швидкостей та коефіцієнти тепловіддачі у зоні кінцевих та діафрагмових ущільнень, що дозволили провести верифікацію розробленої методики за наведеними у науковій літературі критеріальними залежностями розрахунку теплообміну.

3. Запропоновано спосіб модернізації роторів з метою продовження їх експлуатації після виявлення дефектів.

4. Розроблено методику контролю навантаження енергоблоків, що дозволяє більш чітко витримувати графік роботи турбіни, що призводить до зниження вірогідності появи пошкоджень на роторах високого та середнього тиску.

5. Розширено діапазон використання критеріальних залежностей розрахунку теплообміну на поверхні роторів у зоні кінцевих та діафрагмових ущільнень турбомашин.

6. Шляхом розв’язання спряжених задач теплообміну вперше отримано температурні поля та векторні поля швидкостей вентильованого контейнера зберігання відпрацьованого ядерного палива марки VSC-24, а також групи контейнерів на відкритій площадці, що дозволило підтвердити безпечність їх зберігання у межах території АЕС протягом тривалого часу.

Практичне значення одержаних результатів

1. Під час дослідження теплових процесів в ущільненнях турбомашин розширено діапазон використання критеріальних залежностей для визначення коефіцієнтів тепловіддачі на поверхнях ротора в процесі його прогрівання, що має велике практичне значення при проектуванні та експлуатації турбін.

2. Визначено рівень зміни коефіцієнтів тепловіддачі на поверхнях термокомпенсаційних канавок при нестаціонарних режимах прогрівання ротора у зоні ущільнень. За результатами дослідження запропоновано нові форми термокомпенсаційних канавок, які можна використовувати при модернізації роторів для зниження рівня термонапруги (довідка про використання результатів дисертації ХЦКБ “Енергопрогрес” від 11.12.2007 р.).

3. За результатами дослідження теплових процесів в ущільненнях турбін зроблено висновок про необхідність жорсткого контролю та регулювання режимів їх роботи, особливо під час пусків та зупинів.

4. Розроблена та впроваджена інформаційна система моніторингу навантаження енергоблоків (довідка про використання результатів дисертації на Харківській ТЕЦ-5), що дозволяє за рахунок більш якісної реалізації процесів зміни навантаження турбіни знизити вірогідність появи дефектів.

5. Визначений тепловий стан контейнерів зберігання відпрацьованого ядерного палива, що дозволило зробити висновок про безпечність їх використання при зведенні радіаційно-захисної стіни за периметром площадки зберігання (лист ХІ „Енергопроект” про використання результатів дисертації від 30.11.2007 р.) та їх теплової безпечності протягом тривалого часу зберігання.

Особистий внесок здобувача

Особистий внесок здобувача, відбитий в роботах, виконаних та написаних у співавторстві, полягає у такому:

– у роботах [1 – 6] брала участь у розробці методики розв’язання спряженої задачі теплообміну, проводила розрахунковий експеримент, обробляла результати розрахунку;

– в роботі [5] на основі розв’язання спряженої задачі встановила закономірності теплообміну;

– в роботі [6] брала безпосередню участь у формуванні математичної моделі течії пари в ущільненнях турбомашин;

– в роботі [7] розробила структуру інформаційної системи моніторингу навантаження енергоблоків, реалізувала інтерфейс користувача.

Апробація результатів дисертації

Результати дослідження докладались на конференціях: Сучасні проблеми машинобудування: Конференція молодих вчених і фахівців, Харків, 2004–2006 рр., Удосконалювання турбоустановок методами математичного та фізичного моделювання: Міжнародна науково-технічна конференція, – Змійов, 2006 р.

Публікації

Матеріали даної роботи викладені в 7 статтях у наукових фахових виданнях, затверджених постановами ВАК України.

Структура та обсяг роботи

Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і переліку використаних літературних джерел, що містить 79 найменувань, та трьох додатків. Робота викладена на 136 сторінках машинописного тексту, містить 46 рисунків, 11 таблиць, 3 додатки, загальний обсяг 186 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі описана проблема й обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, що викликана необхідністю мати достовірні дані про тепловий стан енергетичного обладнання та його елементів. Сформульовано мету й основні задачі дослідження теплового стану обраних об'єктів, а саме – кінцеві й діафрагмові ущільнення турбомашин та вентильовані контейнери зберігання відпрацьованого ядерного палива, розташовані на площадці сухого сховища відпрацьованого ядерного палива (ССВЯП).

У першому розділі розглянуті види задач теплопровідності, серед яких виділені спряжені задачі теплообміну, що дозволяють враховувати взаємний вплив переносу теплоти як у твердому тілі, так й у навколишньому теплоносії. Дано огляд методів розв’язання спряжених задач теплообміну, виділені чисельні методи, у яких сформульована задача апроксимується дискретною моделлю, як правило, у вигляді алгебраїчних співвідношень, що дозволяють визначати чисельні значення шуканих величин. Зазначено, що граничні умови теплообміну в енергетичному обладнанні обумовлюються досить складними процесами, і дотепер вони визначалися як експериментально на модельних установках, так і розрахунковим шляхом із використанням розв’язків обернених задач теплообміну за результатами випробувань натурних об'єктів. Такі методи складні й трудомісткі, часто вимагають значних матеріальних витрат. У ряді випадків, як наприклад, у контейнерах зберігання ВЯП, їхнє застосування просто небезпечно, а отже, технологічно неможливо. Тому для розв’язання поставлених задач необхідно застосовувати чисельні методи розв’язання спряжених задач теплообміну.

Оскільки в елементах працюючих турбін, режими яких змінюються від холостого ходу до номінального при пусках з різних теплових станів, досить складно й дорого проводити експериментальні дослідження, а також одержувати температурні поля для різних тепловиділяючих об'єктів, що проектуються, доцільно застосувати чисельні методи розв’язку, які є менш дорогими й водночас більше інформативним. При такому підході, задаючи умови на границях області, що розглядається, й параметри для газоподібного середовища (пара – в ущільненнях, повітря – в об'єктах, розташованих на території станції), досить просто визначити тепловий стан елементів енергетичного обладнання, що розглядаються.

У другому розділі для поставленої задачі дослідження сформована математична модель, що включає в себе такі рівняння:

1) для газоподібного середовища:

– нерозривності (суцільності);

– руху в’язкого газу – рівняння Рейнольдса;

– енергії;

2) для твердого середовища – рівняння теплопровідності (рівняння Фур'є).

Для замикання система диференціальних рівнянь доповнюється рівнянням стану газоподібного середовища (наприклад, рівнянням Менделеєва-Клапейрона або іншою залежністю щільності середовища від температури й тиску). Для обчислення турбулентних складових, що входять у рівняння руху та енергії, необхідно використати одну з відомих моделей турбулентності. Фізичні характеристики, що входять у рівняння, приймаються згідно з табличними значеннями або аналітичними залежностями у вигляді функції температури й тиску. Розрахункова область задається у вигляді тривимірної сітки; залежно від задачі дослідження вибираються граничні й початкові умови.

Спряжені задачі теплообміну стосовно об'єктів теплоенергетики розглядаються з використанням двох видів систем диференціальних рівнянь:

– система рівнянь у двовимірній осесиметричній постановці – для ущільнень турбомашин;

– система рівнянь у тривимірній постановці – для контейнерів зберігання ВЯП.

Для задачі визначення теплового стану контейнерів зберігання ВЯП математична модель доповнена рівнянням променистого теплообміну.

Умовою спряження області газоподібного середовища, що рухається, і поверхні твердого тіла є рівність теплових потоків на кожній елементарній ділянці їхньої поверхні

.

На основі проведеного аналізу як метод розв’язання спряжених задач теплообміну обрано метод контрольного об’єму. Перевага цього методу в порівнянні з іншими чисельними методами, крім простоти реалізації, полягає в тому, що він забезпечує точне інтегральне виконання фізичних законів для будь-якої групи контрольних об’ємів та для всієї розрахункової області. Як наслідок з'являється можливість одержання досить точних і фізично обґрунтованих результатів розрахунку навіть на відносно грубих сітках з мінімальними витратами машинного часу й оперативної пам'яті ЕОМ.

Для дослідження актуальних об'єктів енергетики вибрано: кінцеві й діафрагмові ущільнення турбомашин (включно з термокомпенсаційними канавками) і контейнери зберігання відпрацьованого ядерного палива. Для термокомпенсаційних канавок в ущільненнях турбомашин визначався коефіцієнт тепловіддачі з використанням закону Ньютона-Ріхмана на підставі розв’язання спряжених задач теплообміну у двовимірній постановці:

,