Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Особенности работы насосного оборудования в условиях эксплуатации энергетических объектов 11
1.1. Анализ работоспособности насосного оборудования 11
1.2. Характеристики работы теплотехнического оборудования на энергетических объектах 17
1.3. Задачи исследования 28
ГЛАВА 2 Анализ влияния водородного показателя рабочей среды на энергетические и кавитационные свойства центробежного насоса 30
2.1. Экспериментальное оборудование и методики измерения основных параметров 30
2.1 Л. Энерго-кавитационный стенд МЭИ 30
2.1.2. Методика определения рН среды 37
2.2. Методика проведения эксперимента и порядок обработки экспериментальных данных 39
2.3. Оценка точности экспериментальных результатов 41
2.4. Тестовые энерго-кавитационные испытания насоса 4К-12а 54
2.5. Качественные кавитационные испытания насоса 4К-12а при различных кислотно-щелочных показателях рабочей жидкости 57
2.6. Качественные энергетические испытания насоса 4К-12а при
различных кислотно-щелочных показателях рабочей жидкости 59
2.7. Качественный эксперимент насоса КМ 40-32-180 при различных рН рабочей среды 61
2.8. Многофакторный эксперимент насоса 4К-12а 64
2.8.1. Методика планирования эксперимента 64
2.8.2. Составление греко-латинского квадрата 68
2.8.3. Вывод зависимости влияния кислотно-щелочных показателей рабочей жидкости на кавитационные свойства центробежных насосов 69
2.9. Выводы по главе 2 84
ГЛАВА 3 Анализ влияния рн рабочей среды на кавитационные свойства гидравлического оборудования на примере исследований канонической области типа трубы вентури 85
3.1. Особенности геометрических параметров канонической области 85
3.2. Методика экспериментальных исследований трубы Вентури 94
3.3. Визуализация течения в исследуемом объекте 95
3.4. Экспериментальные количественные исследования кавитационных процессов в трубе Вентури 98
3.5. Выводы по главе 3 100
ГЛАВА 4 Расчетно-теоретические исследования работы бустерного насоса пд-650-160 с учетом влияния рн рабочей среды 101
4.1 .Анализ расчетно - теоретических методов исследования насосного оборудования 101
4.2. Характеристика 3-D метода МЭИ 104
4.2.1. Постановка трехмерной гидродинамической задачи 105
4.2.2. Математическая модель трехмерной гидродинамической задачи 108
4.3. Анализ гидродинамических качеств бустерного насоса ПД-650-160 с использованием 3-D метода МЭИ 110
4.4. Развитие 3-D метода МЭИ по учету влияния рН рабочей среды на кавитационные свойства гидромашины 116
Заключение 120
Список литературы
- Характеристики работы теплотехнического оборудования на энергетических объектах
- Методика проведения эксперимента и порядок обработки экспериментальных данных
- Методика экспериментальных исследований трубы Вентури
- Постановка трехмерной гидродинамической задачи
Введение к работе
Контроль состояния водных режимов теплоносителя на электростанциях является одной из важнейших задач, решаемых персоналом ТЭС. Анализ работы технологических циклов данных объектов показывает, что на один из основных параметров жидкости как давление насыщенного пара, существенным образом влияет водородный показатель жидкости - рН. Проводимые ранее работы по влиянию рН рабочей среды были связаны с процессами протекаемыми в турбине, конденсаторе, парогенераторе. Эти исследования выявили существенные изменения рН среды по всем поверхностям исследуемого оборудования, а так же значительное влияние-водородного показателя среды на работу и надежность этого оборудования. В рамках комплексного рассмотрения всего теплотехнического оборудования, ставится задача установления влияния рН рабочей среды на устойчивую работу насосного оборудования, которое так же подвергается воздействиям со стороны рабочей жидкости.
8 Цель работы. Экспериментальные и расчетно-теоретические исследования энерго-кавитационных процессов в центробежных насосах при различных кислотно-щелочных показателях рабочей жидкости с целью прогнозирования надежности функционирования насосного оборудования. Основные задачи работы.
S Установить влияние рН рабочей среды на работу центробежных насосов
S Вывести зависимость допустимого кавитационного запаса центробежных насосов в зависимости от рН рабочей среды Ahdoa = /(рН).
S Исследовать в канонической области, типа трубы Вентури, процессы возникновения кавитации в зависимости от рН рабочей среды.
S Осуществить расчетно-теоретический анализ гидродинамических качеств бустерного насоса типа ПД 650-160 с использованием 3D - метода МЭИ.
S Расширить 3-D метод МЭИ, с учетом влияния рН рабочей среды на кавитационные свойства центробежных насосов. Научная новизна работы состоит в следующем:
S Установлено влияние рН рабочей среды на энергетические и кавитационные свойства центробежных насосов.
S Выведена зависимость (ЛА^ = f{pH)) на основе серии экспериментов с использованием теории планирования эксперимента, позволяющая прогнозировать изменение кавитационных характеристик центробежного насоса при отклонении рН рабочей среды от нейтральных значений.
S Проведена серия экспериментов по исследованию влияния рН рабочей среды на развитие кавитационных процессов в канонической области типа трубы Вентури.
Практическая ценность.
S Определено влияние водородного показателя рабочей среды на кавитационные свойства центробежных насосов с получением новой
9 зависимости, позволяющей прогнозировать поведение насосного агрегата в зависимости от изменения рН от нейтральных значений.
S Получена более достоверная информация о состоянии насосного оборудования в условиях эксплуатации с учетом реальных характеристик рабочей среды.
S Показана необходимость учета влияния рН рабочей среды для гидравлического оборудования в целом.
S Осуществлено расширение 3-D метода МЭИ, с использованием выведенного критерия, позволяющее учитывать изменение получаемых характеристик с учетом переменных рН рабочей среды. Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается:
S использованием апробированных методик проведения исследований, современного оборудования и средств измерений;
S удовлетворительной сходимостью результатов исследований при многократных повторениях;
S согласованием отдельных результатов с данными других авторов. Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на:
S На заседаниях кафедры «Гидромеханики и гидравлических машин» МЭИ (ТУ), 2003 и 2004 г.
S На заседаниях НЦ «Износостойкость» МЭИ (ТУ), 2002-2004 г.
S Московской студенческой научно-технической конференции «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» (Москва, МЭИ (ТУ), 2002)
S V и VI Международной научно-практической конференции «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы и решения» (Пермь, 2002, 2003 гг.),
S Международной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2003 г.),
S Международной технической конференции «Насосы. Проблемы и
решения», проводимой в рамках Междунарднои специализированной
выставки «Насосы - 2003» Международного форума «Насосы. Компрессоры.
Арматура» (Москва 2003)
V Международной технической конференции «Гидромашиностроение. Настоящее и будущее», проводимой в рамках Международной специализированной выставки «Насосы - 2004» Международного форума «Насосы. Компрессоры. Арматура» (Москва 2004)
S Работа премирована на конкурсе на соискание премий Правительства Москвы молодым ученым города в области технических, естественных и гуманитарных наук, проводимым Департаментом науки и промышленной политики ОАО «Московский комитет по науке и технологиям» в 2004 г. Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 тезисов научных докладов и статей, а так же выполнено 6 отчетов по завершенным НИР. Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Работа содержит 131 стр., включая 40 рисунков и 16 таблиц. Список литературы состоит из ПО наименований.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры ГГМ МЭИ (ТУ): доценту А.И. Давыдову и ст. преподавателю С.Н. Панкратову за помощь в работе.
. * 11
Характеристики работы теплотехнического оборудования на энергетических объектах
Водные режимы конденсатопитателъного тракта Для уменьшения скоростей коррозии на конденсатопитательном тракте применяются два принципиально отличных водных режима, которые в соответствии с используемыми значениями рН называют нейтральными и щелочными /21. Нейтральный режим предусматривает поддержание значения рН в КПТ в пределах 6,9-7,3 за счет соответствующего выбора отношения анионита и катионита в конденсатоочистке или за счет добавления микроколичеств аммиака в конденсат, в который после конденсатоочистки вводят окислитель - газообразный кислород или раствор перекиси водорода. Этот режим применяют также и для КПТ при выполнении определенных обязательных условий. К ним относятся высокая чистота воды (удельная электрическая проводимость % = ОД 5 - - 0,30 мкСм/см) и отказ от применения латуней в конденсати ом тракте.
Существует еще один близкий к нейтральному, но слабощелочной водный режим КПТ, который также требует высокой чистоты конденсата, но допускает применение латунных ПНД. При этом режиме в конденсат вводят гидразин.
За рубежом наиболее распространенным является высокощелочной режим. При поддержании рН=9,5.,.9,6 (за счет введения аммиака) конечные результаты получаются столь же хорошими, как и при нейтральных режимах. Но такая высокая щелочность допустима только при отказе от латунных ПНД. В нашей стране все еще распространено применение латунных ПНД и это не позволяет принимать требуемые для рН=9,5...9,6 количественные значения дозировки аммиака, так как в сочетании с наличием в воде некоторого количества кислорода это может привести к интенсивной коррозии латуней. Полностью обескислородить конденсат вводом в него гидразина невозможно, так как при низких температурах реакция между кислородом и гидразином практически не протекает и в воде сохраняется и кислород, и избыток гидразина, а при этом коррозия латуни усугубляется.
Большим преимуществом высокощелочного режима при рН=9,5...9,6 является возможность его применения при любом качестве конденсата и питательной воды, в то время как нейтральный режим с дозированием окислителей, как указывалось, требует высокочистой воды. Водный режим барабанных котлов
Нормирование водного режима по правилам технической эксплуатации (ПТЭ) включает в себя нормы качества пара, питательной и котловых вод. Для барабанных котлов проводится нормирование качества перегретого пара после устройств, используемых для регулирования перегрева /54/. Соответствующие нормы ПТЭ для стационарной эксплуатации приведены в табл. 1.1.
Барабанные котлы ТЭС и ТЭЦ работают в широком интервале давлений /6/. Пар на турбины подается при давлениях 3,0-13,8 МПа, т.е. барабанные котлы работают не только при средних (3,0 МПа), но и при высоких (9,8 МПа) и сверхвысоких (14,8 МПа) давлениях. Соответственно давления в парообразующей системе барабанных котлов составляют 3,9; 11,0 и 15,5 МПа.
Высокие требования к чистоте пара не могут быть обеспечены без соответствующей чистоты питательной воды. Нормы качества ее по ПТЭ приведены в табл. 1.2 и 1.3, из которых следует, что водный режим барабанных котлов предусмотрен щелочным во всех случаях, в том числе и при обессоливании добавочной воды. Щелочная реакция достигается за счет амминирования питательной воды (ввод NH3 ограничен до 1000 мкг/кг).
Предусматривается обработка питательной воды также и гидразином с избыточными концентрациями в пределах 20-60 мкг/кг (в периоды пусков и остановов допускается до 3000 мкг/кг).
Методика проведения эксперимента и порядок обработки экспериментальных данных
Точность эксперимента по определению критического кавитационного запаса зависит как от точности использованных приборов, так и от точности регулирования расхода на заданном уровне. Причем постоянные (системные) и случайные отклонения от заданных величин во время опыта по разному влияют на точность конечного результата. Данные вопросы, а также вопрос повышения точности эксперимента рассмотрены в настоящем подразделе, Для доверительной погрешности измерения напора в соответствии с (2.4) и с учетом Vn = Vj имеем 8НД = /SM +5V +5Cj, (2.17) где 5Сд - доверительная погрешность определения размера С, которую можно принять равной 0,05 м.
В основном погрешность 6Нд определяется погрешностью показаний манометра. После пересчета значения напора на стандартное число оборотов по (2.11) получим 8н;=,(5Нд)2 + gH ъ.4 I п ; (2.18) 6НСЛ =Л (5НСЛ)2 + (2.19) где 5пд - доверительная погрешность определения числа оборотов, 5псл - случайная составляющая 5пд, Можно принять 6пд = 2об/мин, 5псп = 1,5 об/мин, п 2900об/мин. Тогда для основной относительной доверительной погрешности можно записать
Её максимальное значение получим при минимальном напоре, который соответствует максимальному расходу. В кавитационных испытаниях Qmax = Ю00м3/ч и Hmin = 24м.
В рассматриваемых экспериментах точность отсчета по манометру составляет 5Мпрш -± 0,01 кгс/см , по вакуумметру - 5Vnp0T = ± 0,0025 кгс/см ( половина деления шкалы прибора). Для случайной составляющей доверительной погрешности измерения напора, полагая худший вариант, а именно то, что погрешность 5С целиком является случайной, имеем 5HM = ,/SML+SV +5C Напор определяется при определенном расходе. Действительных расход отличается от показаний расходомера на величину 8Q„3 погрешность измерения. Показания расходомера в течение опыта изменяются и отличаются от учтённого в конечном итоге значения Q на величину отклонения SQOT, определяемого точностью регулировки. Суммарная доверительная погрешность определения расхода Q по (1) равна V п. (2.20) По классу точности расходомера BQma = 0,01- QMaH = 1м3/ч. Доверительное значение отклонения 5QOT,fl по условиям эксперимента равно 1м /ч,тогда получим ( 100 ] мХ 8Q =Jl2+l,52 + .2900; Рассматриваемую зависимость Н = f(Q ) разложим в ряд Тейлора, заменив дифференциалы величинами погрешности н =н»+ (2.21) где Н 0 - значение Н при SQ-0 (т.е. при точном значении Q ). Относительная доверительная погрешность величины Н 0 указана выше (она обозначена через ( 6Hf Л Н \.П1ШП J и является основной погрешностью для напора Н ). Ы Погрешность — 5Q - является дополнительной погрешностью при 5Q рассмотрении зависимости Hf = f(Qr). Итоговый предел погрешности величины Н равен ( 5Н И 4nmin J laQ H min (2.22) Максимальное значение имеет место при H min и dO/ Н равно 110"2ч/м3.
Основной вклад дает погрешность измерения расхода. Случайная составляющая 50/сл погрешности 50/д определенный интерес ввиду того, что отдельный опыт по определению значения ДЬкр критического кавитационного запаса производится при постоянном заданном расходе QV Действительный расход 0/д во время опыта можно представить следующим тождеством: О/д = О/з + (0/ср.д -Q 3) + (Q-д - Q cp-л), (2.23) где 0/ср.д - средняя величина действительного расхода во время опыта, 0/ср.д -Q 3 = 50/сис — постоянная разность для данного опыта, которую условно можно назвать систематической погрешностью отдельного опыта, Q д - Q ср.д = SQ eap - случайная величина, максимум и минимум которой является вариацией действительного расхода относительно его среднего значения (в плюс и в минус от 0/ср,д) доверительный интервал данной вариации условно можно назвать случайной составляющей 50/сл доверительной погрешности 50/д.
Отклонение 5Q = 50/д - 80/з входит в (2.21) и имеет уже использовавшийся выше доверительный интервал 50/д. Тождество (2.23) перепишем в следующем виде: 50/ = 60/ + 50/ (2.24) В эксперименте значение ДЬкр определяется по по величине АН трех процентного снижения напора Н , при Q = const. Так как данное снижение мало, то коэффициент —- можно считать постоянным и в соответствии с (2.21) записать
Методика экспериментальных исследований трубы Вентури
При исследовании течения в трубе с помощью визуализации потока по описанной выше методике, на одном и том же режиме течения в трубе, проводилась фотосъемка потока, но каждый раз при различных кислотно-щелочных показателях среды (рН=6, рН=8, рН=10).
Фотографии потока при различных показателях рН рабочей среды приведены на рис. 3.6. На данных фотографиях представлены кавитационные каверны в трубе Вентури. При проведении данного эксперимента необходимо было иметь атмосферное давление в баке для введения необходимого количества кислоты и щелочи при установившейся картине течения в трубе. В связи с этим давление перед трубой понижалось задвижкой, что не противоречит ГОСТу 6134-87 «Насосы динамические. Методы испытаний», а для выравнивания потока перед трубой, в процессе проектирования закладывался необходимый прямолинейный участок перед трубой.
Полученные кавитационные каверны при одном и том же режиме в трубе, показывают, что при кислотном режиме (рН-6), данная каверна более выражена по сравнению с исходной, близкой по составу к нейтральным значениям (рН=8), а при щелочной среде (рН=10), кавитационные процессы в трубе резко снизились, что показывает аналогичность результатов, полученных при испытаниях насосов.
Кавитационные характеристики, приведенные на рис. 3.8, полученные после проведения количественного эксперимента на трубе Вентури при различных значениях рН рабочей среды, показали аналогичные изменения кавитацнонных процессов, как и при эксперименте, использующем визуализацию потока. Данный кавитационный эксперимент проводился аналогично эксперименту с насосом 4К-12а. В качестве движителя жидкости использовался насос 4К-12а, а при эксперименте контролировались давления на входе и выходе из трубы, а так же давление в горле. Понижение давления перед трубой создавалось снижением давлением в баке с помощью вакуум-насосов.
Сравнение результатов, полученных после кавитацнонных испытаний проводимых с насосным оборудованием и с трубой Вентури, показало, что кавитационные свойства гидравлического оборудования существенно снижаются при перекачивании кислых сред, и увеличиваются, если эти среды являются щелочными.
Кавитационное развитие процессов в трубе Вентури подтвердило аналогичность процессов в сравнении с центробежными насосами и показывает необходимость учета изменения рН свойств среды для оценки работы элементов гидравлического оборудования.
Основной задачей гидродинамических расчетов является создание высокоэффективной проточной части, обеспечивающей требуемые показатели качества лопастных гидромашин. Решение этой задачи невозможно без теоретического и экспериментального исследования рабочего процесса.
Сложные формы лопастной системы значительно затрудняют расчет течения жидкости в рабочем колесе гидротурбины или насоса, поскольку реальное течение значительно трехмерно, турбулентно и нестационарно. Поэтому в теории гидромашин рассматриваются упрощенные методы течения, позволяющие получать приближенное решение задачи.
В настоящее время имеются различные методы решения прямой задачи /21, 66, 67/. Расчетные данные используют для анализа гидродинамических характеристик и оценки показателей работоспособности качеств рабочего колеса и отбора лучших расчетных вариантов для их последующей экспериментальной проверки.
Исторически простейшей является модель, основанная на применении методов одномерной (струйной) теории. В основе ее лежат следующие допущения:
Течение жидкости в проточной части проходит по заданным осесимметричным поверхностям, имеющую общую ось, совпадающую с осью гидромашины. Течение на каждой осесимметричной поверхности рассматривается изолированно, без учета взаимодействия течений на этих поверхностях. Поток удовлетворяет условию осевой симметрии, т.е. лопастная система имеет бесконечно большое бесконечно тонких лопастей.
При таком подходе параметры потока на каждой поверхности тока зависят только от одной координаты, например, длины дуги, отсчитываемой вдоль меридианной линии тока.
Значительным шагом вперед являлось решение двухмерных задач гидродинамики турбомашин, основными из которых являются задачи осесимметричного течения жидкости. При этом в задачах осесимметричного течения не учитывается неравномерность потока по окружной координате, что приводит как и в одномерной теории, к схеме бесконечно большого числа бесконечно тонких лопастей.
Трудности постановки практической реализации трехмерного течения даже для идеальной жидкости привели к разработке расчета трехмерного течения в турбомашинах By на основе квазитрехмерной модели течения.
Викторов Г.В., в рамках теории псевдоаналитических функций, предложил метод трехмерного расчета ЛС гидромашин, сводящийся к удобной для реализации на ЭВМ совокупности интегральных соотношений и регулярных, либо сингулярных уравнений относительно потенциала скорости или ее составляющих /20/.
В современной теории решеток, в связи с необходимостью увеличения достоверности получаемых результатов разрабатываются методы решения собственно пространственных задач дозвуковых, трансзвуковых и сверхзвуковых течений в проточных частях гидромашин. Расчетные модели данных подходов базируются на использовании непосредственно дифференциальных уравнений движения сплошной среды, вариационных принципов механики, математического изоморфизма, методов особенностей, скалярного и векторного потенциалов.
Постановка трехмерной гидродинамической задачи
Так как конструктивное исполнение РК сетевых насосов выполнено по схеме "Д" то, учитывая симметрию рассматривалась только одна половинка РК.
Анализ гидродинамических качеств рассматриваемых колес производился по широкому спектру интегральных и локальных показателей качества и характеристик для оптимального режима ( Qopt= 650 м /час ) и режимов соответствующих 90 %, 110 % , 120 %, 130 % от Qopt . Рассматриваемые режимы работы насоса сравнивались по широкому спектру интегральных показателей представленных в таблице 4.1. (насос ПД 650-160 по результатам расчета программ PTNCL - расчет потенциального течения и VISC - расчет вязкого течения потоков рабочей жидкости). Данные представленные в таблицах взяты по результатам расчета 5 (пятой) итерации, в которой расчетная процедура завершила процесс сходимости. Q - расход воды Ht - теоретический напор развиваемый насосом GS- циркуляция вокруг лопасти , создаваемая рабочим колесом SGM - коэффициент кавитации, аналог коэффициента Тома ( отношение кавитационного запаса к величине развиваемого напора ) Htrac - потери в ближнем следе, обусловленные неравномерностью сработки циркуляции поперек лопасти Hi - потери на лопастях рабочего колеса Не - потери на вращающейся части обводов НЬ - величина суммарных потерь трения в рабочем колесе
Рассматривая интегральные показатели представленные в таблице 1 отметим: 1. Отмечается устойчивое понижение теоретического напора в зависимости от увеличения подаваемого расхода, что полностью согласуется с паспортными данными насосов. 2. С ростом расхода отмечается увеличение коэффициента кавитации SGM . 3. Сработка циркуляции в колесе насоса ПД 650-160 достаточно неравномерна, поэтому величина потерь в ближнем следе Htrace имеет значительное значение. 4. Потери на трение в колесе НЬ увеличиваются в соответствии с ростом расхода и частоты вращения, поэтому эта величина для насоса ПД 650-160 превосходит аналогичный показатель колеса насоса ПД 650-160
Наибольший интерес для исследования развития кавитационных процессов в проточной части насоса представляют распределения коэффициента давления на поверхности колеса. Результаты проведенных расчетных исследований показывают устойчивую тенденцию расширения области пониженных давлений в зависимости от увеличения расхода перекачиваемого насосом. Результаты данного анализа представлены на рис. 4.6-4.8.
Распределение давления на тыльной стороне лопасти рабочего колеса для режимов 90 % ( вариант -А) и оптимального ( вариант -Б )
Представленные результаты проведенных расчетных исследований распределения давлений на поверхности лопасти рабочего колеса бустерного насоса ПД 650-160 достаточно наглядно показывают область проточной части , которая подвергается кавитационным воздействиям , связанным со значительным увеличением расхода , отличающегося от расчетного. Кроме того данные результаты дают объяснение повышенным вибрациям, имеющим место при работе насосов на неоптимальных режимах, значительно правее оптимальной точки.
Все существующие расчетные методы имеют некоторую идеализацию. С целью повышения точности решения и расширения возможностей 3-D метода МЭИ, было осуществлено расширение данного метода, заключающееся в разработке блока коррекции, позволяющего учитывать реальные свойства рабочей среды. Блок коррекции позволяет уточнять получаемые результаты по распределению коэффициента давления с учетом критерия зависимости ДЛ от рН рабочей среды.
Имея решение задачи МЭИ для идеальной жидкости и используя блок коррекции, схема применения которого представлена на рис 4.9, можно прогнозировать поведение расчетных параметров применительно к реальной жидкости, а именно жидкости с различными значениями рН рабочей среды.
Для этой цели, конечная информация решения задачи, представленная распределением коэффициента давления по лопасти рабочего колеса пересчитывается с учетом критерия, полученного в главе 2. В результате этого пересчета получаем новое решение 3-D задачи, которое с использованием дополнительного программного обеспечения можно представить в графическом виде.
