Введение к работе
Актуальность темы исследования. Основу энергетики нашей страны составляют тепловые электрические станции (ТЭС), основным оборудованием которых являются котлы и турбины. Главной функциональной частью котла служит гидравлическая система, которая представляет собой сложный многоуровневый комплекс теплообменников радиационного, полурадиационного и конвективного типа. После теплового, основными расчетами всех котлов являются гидравлические расчеты и оценка теплотехнической надежности поверхностей нагрева гидравлической системы. Данная работа направлена на развитие методов и моделей для этих расчетов, что приведет к повышению надежности трубных теплообменников, уменьшению металлоемкости, снижению гидравлических сопротивлений и к увеличению производительности труда проектировщиков, что в итоге служит экономии энергетических, материальных и трудовых ресурсов. Предстоящее крупномасштабное обновление энергетического парка страны необходимо реализовать с максимально возможной экономией различных ресурсов, чем и подтверждается актуальность данной работы.
Диссертация соответствует разделу «Энергетика и энергосбережение» из «Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации», утвержденных Президентом РФ (Пр - 843 от 21 мая 2006 г.); научному направлению ЮРГТУ (НПИ) «Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов и повышение эффективности работы электроэнергетических систем», переутвержденному 01.03.2006 г. на заседании ученого совета; теме г/б НИР №2.05 «Развитие теории тепломассообменных и электрофизических процессов в промышленных и энергетических установках и системах», входящей в тематический план научно-исследовательских работ ЮРГТУ (НПИ), выполняемой по заданию Федерального агентства по образованию в 2006 г. и утвержденной на заседании ученого совета ЮРГТУ (НПИ) (протокол №2 от 26.10.2005 г.).
Цель и задачи работы. Разработка методов и математических моделей поверочного и оптимизационного конструкторского гидравлического расчета прямоточных и барабанных котлов ТЭС, применение которых в практике проектирования приведет к экономии материальных, топливно-энергетических и трудовых ресурсов и к повышению надежности работы поверхностей нагрева котельных агрегатов.
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Сформулирована обобщенная проблема поверочных гидравлических расчетов прямоточных и барабанных котлов и разработана соответствующая обобщенная методика.
1 С 24.06.2013г приказом №482 Минобрнауки России федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» переименовано в федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»
-
Разработан методологический подход к построению расчетной гидравлической схемы котла с использованием ее декомпозиции.
-
Разработана топологическая математическая модель произвольных по сложности гидравлических систем котлов с любой организацией движения теплоносителя.
-
Разработаны графовые компонентные математические модели основных составных частей гидравлических систем котлов.
-
Получена зависимость для определения количества граничных условий (ГУ), необходимого для расчета гидравлической системы произвольной сложности с любым числом входов и выходов. Сформулировано правило непротиворечивости этих условий.
-
Разработан метод расчета циркуляционных контуров барабанных котлов в рамках обобщенной методики гидравлического расчета.
-
Разработаны математические модели оптимизации диаметров и количеств коммуникационных труб гидравлических систем котлов произвольной сложности. Из общих моделей получены аналитические зависимости для частного случае соединения компонентов.
-
Разработана общая модель стохастической оценки теплотехнической надежности поверхностей нагрева котельных агрегатов.
-
На основе общей модели разработана стохастическая модель топочного элемента котла сверхкритического давления (СКД) для оценки теплотехнической надежности с учетом процессов образования окалины и нарушения условия прочности.
10. На основе предложенных моделей разработаны компьютерные про
граммы.
Научная новизна. Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
предложена обобщенная методика гидравлического расчета котельных агрегатов, отличающаяся тем, что позволяет выполнять гидравлические расчеты котлов по одному и тому же алгоритму, независимо от способа организации движения теплоносителя и позволяет провести расчет при любых допустимых граничных условиях;
разработана многовариантная топологическая математическая модель для поверочного гидравлического расчета котлов ТЭС, отличающаяся от известных тем, что позволяет рассчитывать гидравлические системы произвольной сложности с возможностью появления отрицательных расходов и с неравномерной по энтальпии раздачей теплоносителя из узла, при однофазном и двухфазном теплоносителе с проверкой соблюдения второго закона термодинамики, а также генерировать различные системы нелинейных алгебраических уравнений для одного объекта;
получены компонентные математические модели для следующих многополюсников: «коллектор», «впрыскивающий пароохладитель», «барабан-выносной циклон», «барабан», «выносной циклон», которые отличаются от известных тем, что их структура представлена в виде внутренних и внешних графов - звездных деревьев с внутренним или внешним базисом;
впервые получена зависимость для необходимого количества граничных условий (массовый расход, давление, энтальпия) для произвольной гидравлической системы котельного агрегата, с любым количеством входов и выходов, разработано правило непротиворечивости этих условий в виде векторного неравенства;
впервые разработаны обобщенные оптимизационные модели для конструкторского гидравлического расчета барабанных и прямоточных котлов, позволяющие определить оптимальные диаметры или количества коммуникационных труб и коллекторов с минимизацией их массы или стоимости;
разработаны аналитические зависимости для оптимальных отношений диаметров и количеств коммуникационных труб, отличающиеся тем, что позволяют рассчитывать последовательное соединение компонентов с притоком и оттоком среды (переменный массовый расход) при однофазных и двухфазных потоках и с учетом всех составляющих перепада давления в трубах;
впервые разработана многоуровневая стохастическая модель оценки теплотехнической надежности, которая включает все поверхности нагрева пароводяного тракта котла и учитывает произвольное количество процессов, нарушающих теплотехническую надежность гидравлических систем котлов.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные научные результаты вносят вклад в теорию гидравлических систем котельных агрегатов при детерминированном и стохастическом моделировании, развивают методы оптимизации и оценки надежности компонентов пароводяного тракта котла, являются интеграцией знаний в рассматриваемой области.
Практическая значимость работы заключается в том, что применение разработанных математических моделей, методов расчета и соответствующих компьютерных технологий позволяет:
с единых методологических позиций проводить гидравлический расчет прямоточных и барабанных котлов;
более эффективно решать конструкторские задачи и создавать более совершенные гидравлические системы;
аппроксимировать сложные системы более адекватными расчетными схемами;
решать новые вычислительные задачи, отражающие различные практические ситуации;
снизить металлоемкость при заданном гидравлическом сопротивлении и выполнении требований теплотехнической надежности;
снизить затраты на прокачку теплоносителя при заданной металлоемкости коммуникационных труб;
более адекватно оценивать надежность поверхностей нагрева и соответственно снизить количество конструктивных теплотехнических отказов.
Все это приводит к экономии материальных, топливно-энергетических и трудовых ресурсов. Созданные компьютерные программы используются при проектировании и реконструкции котлов ТЭС.
Результаты диссертационной работы внедрены: в ОАО «ЭМАльянс», г. Таганрог; в ОАО «ЮГК ТГК-8» (Ростовская ТЭЦ-2), г. Ростов-на-Дону; в учебный процесс ЮРГПУ(НПИ).
Методология и методы исследования. Методология исследования основана на системном подходе с разбиением объекта на иерархические уровни. Объектом исследования данной работы являются гидравлические тракты котельных агрегатов ТЭС, как прямоточных, так и с многократной естественной и принудительной циркуляцией. На каждом уровне декомпозиции (для системы в целом и для любого компонента) выделены внешние параметры и непротиворечивые граничные условия (фазовые переменные).
В работе применялись следующие методы: матричный и векторный анализ, теория графов, теория множеств, теория вероятностей и математическая статистика, дифференциальное и интегральное исчисление, методы решения систем нелинейных алгебраических уравнений, нелинейное программирование, метод множителей Лагранжа, метод линеаризации и статистических испытаний Монте-Карло, унифицированный язык моделирования UML.
Положения, выносимые на защиту.
-
Обобщенная методика гидравлического расчета котельных агрегатов, основанная на едином методологическом подходе к моделированию прямоточных и барабанных котлов ТЭС.
-
Многовариантная топологическая математическая модель гидравлической системы котла любой сложности для поверочного гидравлического расчета, основанная на иерархическом построении расчетных схем с использованием составных, сложных и простых компонентов.
3. Компонентные (графовые) математические модели для следующих
многополюсников: «коллектор», «впрыскивающий пароохладитель», «барабан-
выносной циклон», «барабан», «выносной циклон» с их представлением в рас
четной схеме в виде внутренних и внешних графов.
-
Зависимость для необходимого количества граничных условий (массовый расход, давление, энтальпия) в произвольной гидравлической системе, с любым числом входов и выходов и правило непротиворечивости этих условий в виде векторного неравенства.
-
Обобщенные оптимизационные модели для конструкторского гидравлического расчета барабанных и прямоточных котлов, где в качестве функций цели служат масса или стоимость коммуникационных труб и коллекторов, а оптимизируемые параметры - диаметры или количества коммуникационных труб и диаметры коллекторов.
-
Аналитические зависимости для оптимальных отношений диаметров и количеств коммуникационных труб при однофазных и двухфазных потоках при последовательном соединении компонентов с притоком и оттоком среды.
-
Многоуровневая стохастическая модель оценки теплотехнической надежности, которая включает все поверхности нагрева пароводяного тракта котла и учитывает произвольное количество процессов, нарушающих теплотехническую надежность котельных агрегатов.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность научных результатов диссертации подтверждается корректным применением фундаментальных законов сохранения энергии, импульса, массы и методов ряда разделов математики; сравнением результатов расчета по новым методам с признанными в промышленности программами в области пересечения их возможностей; использованием в стохастических расчетах данных эксплуатации действующих котлов и вероятностных характеристик геометрических размеров трубных элементов.
Основные результаты работы докладывались на: XX, XXI, XXII, XXIII Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (Ярославль, 2007; Саратов, 2008; Псков, 2009; Саратов, 2010); XXI, XXIII, XXIV сессии семинара «Энергоснабжение промышленных предприятий» (Новочеркасск, 2000, 2001, 2002); III междунар. науч.-практ. конф «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими» (Новочеркасск, 2003); IV междунар. науч.-практ. конф. «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2004); IV, V, VI, VII междунар. науч.-техн. конф. «Повышение эффективности производства электроэнергии» (Новочеркасск, 2003, 2005, 2007, 2009); VI, VII междунар. науч.-техн. конф. (Новочеркасск, 2007, 2009); XX, XXII, XXVI, XXVIII, XXXII сессии Всерос. семинара «Диагностика энергооборудования» (Новочеркасск, 1999, 2000, 2004, 2006, 2010).
Основное содержание работы отражено в 61 научной публикации, включая 13 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК и одного свидетельства о регистрации программного продукта.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложений. Изложена на 358 страницах и включает 131 рисунок, 33 таблицы, 291 литературных источников и 5 приложений.
