Введение к работе
Актуальность темы. Одним из важнейших факторов, определяющих экономические показатели тепловых и атомных электростанций, является охлаждение циркуляционной воды низкопотенциального комплекса в системе технического водоснабжения. На большинстве российских ТЭС и АЭС в качестве охладителей используются водоемы искусственного и естественного происхождения, что объясняется сравнительной дешевизной систем водоснабжения с водоемами-охладителями и высоким охлаждающим эффектом.
Основной задачей при проектировании и эксплуатации водоемов-охладителей является обеспечение оптимальной температуры охлажденной циркуляционной воды для достижения необходимого вакуума в конденсаторах. Обычно даже небольшое повышение фактического значения температуры циркуляционной воды против расчетного приводит к значительному перерасходу топлива и существенному снижению коэффициента полезного действия электростанции. Между тем в условиях возрастающего дефицита топливных ресурсов проблема экономии топлива приобретает важное народнохозяйственное значение.
Температура охлажденной циркуляционной воды зависит от параметров тепловой нагрузки электростанции, метеофакторов, а также схемы использования водоема-охладителя, характеризуемой расположением и конструкцией водовыпускных и водозаборных сооружений электростанции, струераспределительных и струенаправляющих дамб, других гидротехнических сооружений. Поэтому первостепенное значение имеет достоверное прогнозирование температурного режима водоема-охладителя при различных схемах использования и условиях эксплуатации.
Еще одним фактором, делающим проблему прогнозирования температурного режима водоемов-охладителей исключительно актуальной, является влияние сброса тепла с циркуляционной водой на окружающую среду. Повышение температуры водных объектов, используемых в качестве охладителей, изменяет гидрохимический и гидробиологический режим и может нарушить их экологически допустимое состояние. Поэтому при проектировании и эксплуатации водоемов-охладителей важной задачей является прогностическая оценка температуры воды в местах экологического контроля.
Прогнозирование температурного режима водоемов-охладителей осуществляется на основе физического и математического моделирования гидротермических процессов, причем в связи с интенсивным развитием вычислительной техники возможности применения математических моделей постоянно возрастают. По этой причине математическое моде-
лирование было выбрано автором в качестве основного инструмента исследований.
Вместе с тем как при физическом, так и при математическом моделировании приходится решать непростые проблемы, обусловленные сложностью исследуемых процессов. При физическом моделировании оказывается невозможным выполнить одновременно все условия подобия и требуется использование специальных приемов, позволяющих адекватно отразить на модели основные особенности гидротермического режима, (искажение геометрических масштабов модели, форсирование расхода воды и др.). Применение математических моделей наряду с трудностями численной реализации осложнено необходимостью оценки большого числа коэффициентов - входных модельных параметров. С точки зрения соответствия модели реальному аналогу наиболее последовательным способом оценки коэффициентов является решение обратной задачи с использованием данных натурных измерений (идентификация модели). Поэтому разработка алгоритмов идентификации моделей гидротермического режима водоемов-охладителей является актуальной научной задачей.
Серьезной проблемой моделирования гидротермических процессов в водоемах-охладителях является интерпретация результатов отдельных численных или физических экспериментов и их использование для оценки температурного режима в широком диапазоне условий эксплуатации. Обычно для пересчета модельных значений температуры циркуляционной воды на натурные условия применяют различные показатели, характеризующие схему использования водоема-охладителя. Однако оценка эффективности их применения на основе анализа погрешности определения температуры воды по модельным данным до сих пор не проводилась.
Увеличение единичных мощностей агрегатов и суммарной установленной мощности ТЭС и АЭС приводит к тому, что нередко водоем-охладитель не может обеспечить необходимое охлаждение циркуляционной воды. Если в этом случае прибегают к подключению дополнительного охладителя другого типа, то возникает малоизученная задача моделирования комбинированной системы охлаждения. К числу новых задач в области исследования водоемов-охладителей также можно отнести прогнозирование гидротермического режима в системе гидравлически связанных водоемов энергокомплексов смешанного типа, включающих наряду с ГЭС (АЭС) гидравлические и гидроаккумулирующие электростанции.
Возрастание требований к надежности и экологической безопасности систем технического водоснабжения ТЭС и АЭС вызывает необходимость повышения точности прогнозирования температурного режима
охладителей, которое может быть достигнуто путем учета при моделировании ранее не принимавшихся во внимание факторов. Так применяемые в настоящее время детерминистические методы оценки температурного режима водоемов-охладителей не учитывают случайный характер метеоусловий, стохастичность и неопределенность других исходных данных. Инженерные решения, принятые на основе таких оценок, могут привести либо к недостаточной надежности охлаждения, либо к неоправданному завышению охлаждающей способности и, как следствие, снижению экономических показателей. Поэтому разработка вероятностных моделей температурного режима представляется перспективным научным направлением. Полученные в результате вероятностного моделирования прогностические оценки температуры воды могут быть использованы для расчета фактических показателей надежности и экологической безопасности водоема-охладителя и системы технического водоснабжения в целом.
Очерченный круг вопросов исследования водоемов-охладителей стал предметом рассмотрения автора.
Целью диссертации являлось решение научной проблемы прогнозирования гидротермического режима водоемов-охладителей для повышения качества проектирования и эффективности эксплуатации систем технического водоснабжения тепловых и атомных электростанций.
Исходя из вышеизложенного в число основных задач исследований были включены:
анализ показателей эффективности схемы использования водоема-охладителя, применяемых для оценки температурного режима по данным модели;
разработка математических моделей гидротермических процессов для различных условий эксплуатации водоема-охладителя, их численная и программная реализация на основе метода конечных элементов (МКЭ);
разработка методики параметрической идентификации моделей, оценка параметров по имеющимся данным натурных измерений в водоемах-охладителях;
проведение численных экспериментов для определения эффективных схем использования водоемов-охладителей, изучение влияния различных факторов на охлаждающую способность;
анализ охлаждающей способности комбинированных систем охлаждения с водоемами-охладителями, разработка моделей для оценки их температурного режима;
проведение численных экспериментов для обоснования методики физического моделирования гидротермического режима водоема-охладителя;
- анализ случайных факторов и разработка вероятностных моделей
гидротермических процессов в водоеме-охладителе, формулировка зада
чи оценки его надежности и экологической безопасности, разработка де
ревьев технических и экологических отказов.
Методическую базу исследований составили математические модели гидротермических процессов, численные методы решения уравнений, основные положения методики физического моделирования водоема-охладителя, методы анализа случайных явлений и оценки надежности инженерных объектов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием известных физических законов и применением апробированных методов математического моделирования, подтверждается результатами решения тестовых примеров и сопоставлением результатов численного моделирования с данными натурных исследований реальных объектов.
Научную новизну работы определяют следующие элементы выполненных исследований:
- разработаны новые математические модели гидротермических про
цессов в водоеме-охладителе с численной и программной реализацией на
основе МКЭ;
предложена и реализована методика идентификации параметров плановой модели теплопереноса, по данным натурных исследований получены оценки параметров модели;
проведена оценка точности прогноза температуры воды в водоеме-охладителе при различных способах пересчета результатов моделирования на натурные условия;
на основе численных экспериментов проведена оценка положений методики физического моделирования водоемов-охладителей;
разработаны вероятностные модели температурного режима водоема-охладителя, выполнен анализ влияния различных факторов на результаты стохастического прогнозирования;
сформулирована задача оценки надежности и экологической безопасности водоема-охладителя, построены деревья его технических и экологических отказов.
Личный вклад автора состоит в формулировке целей и постановке задач исследований; разработке математических моделей, включая их численную реализацию; верификации моделей и разработке алгоритмов и программ для идентификации параметров; анализе методики физического моделирования; проведении численных экспериментов для решения практических задач; разработке методологии для оценки надежности и экологической безопасности.
Основные научно-практические результаты получены автором при выполнении исследований по научной тематике проблем ГКНТ СССР, Минтопэнерго России и РАО «ЕЭС России».
Практическая и научная значимость диссертации заключается в разработке эффективных математических моделей для исследования гидротермического режима водоемов-охладителей, адекватно отражающих условия эксплуатации и учитывающих воздействие всех важнейших факторов; программной реализации моделей с использованием современных численных методов; обосновании принципиальных положений методов математического и физического моделирования водоемов-охладителей. Все это должно привести к существенному повышению качества прогнозирования гидротермического режима водоемов-охладителей, что, в свою очередь, позволит обеспечить надежное функционирование систем технического водоснабжения при допустимом воздействии на окружающую среду, повысит эффективность инженерных решений при проектировании и эксплуатации ТЭС и АЭС.
Результаты работы внедрены при проектировании и эксплуатации систем технического водоснабжения отечественных и зарубежных энергетических объектов: Карагандинской, Пермской, Печорской, Сургутской, Ургальской и Уренгойской ГРЭС, Башкирской, Ленинградской, Костромской, Нововоронежской и Южно-Украинской АЭС, АЭС в Сирийской Арабской Республике. Материалы диссертации использованы при разработке «Методических указаний по оценке надежности и экологической безопасности систем технического водоснабжения ТЭС».
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 37 работ, в том числе монография. Основные положения выполненных исследований были представлены:
на Всесоюзной конференции по гидротехнике (Ленинград, 1980);
на XVI и XVII конференциях молодых научных работников (Ленинград, 1982 и 1984 гг.);
на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Опыт строительства, проектирования и строительства объектов Южно-Украинского энергокомплекса и перспективы создания энергокомплексов» (Харьков, 1984);
- на Всесоюзном научно-техническом совещании
«Гидроаэротермические исследования и проектирование охладителей
тепловых и атомных электростанций» (Нарва, 1984);
на III республиканской конференции по прикладной гидромеханике (Киев, 1984);
на Всесоюзном научно-техническом совещании "Основные направления совершенствования исследований и проектирования энергетических объектов (ТЭС и АЭС)" (Нарва - Йыэсуу, 1991);
на IV Международной научно-технической конференции Ядерного общества «ЯЭ - 93. Ядерная энергия и безопасность человека» (Нижний Новгород, 1993);
на Международной конференции «Средства математического моделирования» (Санкт-Петербург, 1997);
на заседаниях Ученого совета ОАО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева», научных семинарах и научно-технических совещаниях в региональных отделениях институтов «Атомтеплоэлектропроект», «Гидропроект», «Атомэнергопроект», в институте повышения квалификации специалистов Минэнерго СССР (1985-1996).
На защиту выносятся:
результаты анализа показателей, применяемых для оценки эффективности схемы использования водоема-охладителя и пересчета результатов моделирования температурного режима с модели на натуру;
балансовая модель температурного режима водоема-охладителя, ее численная и программная реализация, модификации балансовой модели для условий комбинированной системы охлаждения и водоемов энергокомплексов;
плановые модели гидротермических процессов в водоемах-охладителях для различных условий эксплуатации, численная и программная реализация моделей на основе МКЭ, результаты решения тестовых задач;
методика идентификации плановой модели теплопереноса, ее численная и программная реализация на основе МКЭ, оценка параметров модели по натурным данным;
результаты численного моделирования гидротермического режима водоемов-охладителей для проектируемых и действующих ТЭС и АЭС;
математическая модель гидротермического режима водоема-охладителя при его совместной работе с брызгальными устройствами, ее численная и программная реализация на основе МКЭ;
анализ охлаждающей способности комбинированных систем охлаждения с водоемами-охладителями, рекомендации по их оптимизации;
анализ методики физического моделирования гидротермического режима водоема-охладителя, результаты численных экспериментов по оценке влияния параметров физической модели на качество моделирования;
вероятностные модели температурного режима водоема-охладителя, результаты стохастического моделирования реальных объектов;
формулировка задачи оценки надежности и экологической безопасности водоема-охладителя, деревья его технических и экологических отказов.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы из 204 наименований, приложения. Диссертация изложена на 271 странице, содержит 58 иллюстраций, 13 таблиц.