Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ эксплуатационных особенностей СОВС 13
1.1 Роль СОВС в работе современных ТЭЦ .13
1.2 Проблемы эксплуатации напорных водоводов 19
1.3 Основные вопросы эксплуатации циркуляционных насосов СОВС 22
1.4 Особенности эксплуатации башенных градирен 23
1.4.1 Проблемы интенсивности теплообменных процессов в градирне 23
1.4.2 Эксплуатация башенных градирен в зимний период .24
Глава 2. Разработка методов интенсификции теплообменных процессов в башенной градирне 31
2.1 Факторы, влияющие на теплообмен в градирне 31
2.2 Влияние гидрофобизации внутренней поверхности градирни на теплообменные процессы .32
2.3 Влияние гидрофобизации на расход воздуха через градирню..36
2.4 Анализ влияния дисперсности воды на теплообмен в градирне 39
Глава 3. Разработка методов повышения надежности и эффективности эксплуатации башенных градирен за счет снижения интенсивности льдообразования 46
3.1 Лабораторный эксперимент по исследованию адгезии наледи к поверхностям с гидрофобными покрытиями .46
3.1.1 Методика проведения экспериментальных исследований 46
3.1.2 Определение степени гидрофобности поверхности образцов 47
3.1.3 Определение степени адгезии льда к поверхности образцов 49
3.1.4 Определение степени адгезии льда к поверхности образцов при наличии и в отсутствие защитных покрытий..51
3.1.5 Оценка защитного покрытия на основе ПАВ, фторопласта - 4 и эпилама .52
3.1.6 Исследование процесса образования инея на поверхностях конструкционных материалов 53
3.1.7 Влияние защитных покрытий на массу намораживаемого льда .54
3.1.8 Результаты проведенных экспериментов 54
3.2 Натурный эксперимент по мониторингу льдообразовательных процессов на градирне №7 ТЭЦ-23 ОАО
«Мосэнерго» 55
3.2.1 Технические характеристики градирен №5 - 7 ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго». .60
3.2.2 Результаты натурного эксперимента 61
3.2.3 Моделирование процесса обтеканием воздуха конструктивных элементов градирни 68
3.2.4 Результаты натурного эксперимента и выводы 72
3.3 Расчетные исследования движения потоков воздуха в области верхнего кольца жесткости градирни 73
Глава 4. Пути повышения надежности и эффективности циркуляционных насосов и водоводов СОВС 82
4.1 Определение влияния гидрофобизирующих покрытий поверхностей проточной части насоса на его напор и К.П.Д 82
4.2 Промышленная апробация модернизации по ПАВ-технологии центробежных насосов, эксплуатирующихся в действующих системах .86
4.2.1 Промышленная апробация модернизации центробежного насоса функционирующего в системе перекачки сточных вод на канализационной станции МУП «Щелковский водоканал» 86
4.2.2 Промышленная апробация модернизации центробежного насоса функционирующего в дренажной системе ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго».. 93
4.2.3 Влияние гидрофобизирующих покрытий на эксплуатацию циркуляционных насосов СОВС.. 96
4.3 Снижение гидравлического сопротивления напорного водовода СОВС 99
Заключение 106
Литература
- Основные вопросы эксплуатации циркуляционных насосов СОВС
- Анализ влияния дисперсности воды на теплообмен в градирне
- Определение степени адгезии льда к поверхности образцов
- Промышленная апробация модернизации по ПАВ-технологии центробежных насосов, эксплуатирующихся в действующих системах
Основные вопросы эксплуатации циркуляционных насосов СОВС
На долю тепловых и атомных электростанций приходится основная часть генерирующих мощностей энергетики РФ /19/. В структуре производства электрической энергии тепловые станции представлены ТЭЦ, ГРЭС и АЭС.
Важное значение в работе электрических станций выполняет техническое водоснабжение/1/, которое может быть прямоточным, оборотным или смешанным. Назначение этой системы – охлаждение конденсаторов энергоблоков.
При прямоточном водоснабжении отработавшая теплая вода сбрасывается в реку, водохранилище, озеро или море на таком расстоянии от водоприемного сооружения, чтобы исключить возможность попадания в него теплой воды. При низких температурах речной воды водоснабжение электростанций из реки может быть осуществлено по системе с подмешиванием к речной воде в маловодные периоды года отработавшей на электростанции теплой воды.
При применении системы прямоточного водоснабжения не требуется больших капиталовложений на строительство, и обеспечиваются низкие и устойчивые температуры охлаждающей воды /84/. Однако расходы воды, достаточные для прямоточного водоснабжения мощной электростанции, могут быть получены только из больших рек, на которых размещение тепловых электростанций по совокупности технико-экономических показателей (топливоснабжение, выдача электроэнергии) оправдывается лишь в редких случаях. Возможность размещения электростанций на реках ограничивается также повышенными требованиями к условиям сброса воды в водоемы, связанными с тем, что изменение температурного режима реки оказывает большое влияние на происходящие в ней биологические процессы. Поэтому крупная теплоэнергетика развивается преимущественно с применением оборотного водоснабжения.
Существуют и системы смешанного водоснабжения электростанций, когда параллельно с прямотоком в маловодные периоды включаются в работу охладители (водохранилище-охладитель, градирни или брызгальные установки) либо параллельно с водохранилищем — градирни или брызгальные установки.
На ТЭЦ, располагаемых, как правило, вблизи потребителей теплоты в крупных городах, широко применяются системы оборотного водоснабжения с градирнями. Наиболее распространенными типами градирен в энергетике являются/44/:
В местностях с недостатком воды даже на восполнение безвозвратных потерь на испарение и капельный унос при обычных испарительных башенных градирнях, а так же в особых случаях по технико-экономическим и экологическим соображениям применяются радиаторные градирни, что делает системы охлаждения закрытыми.
В зарубежной практике/108,109,115/ в последние годы интенсивно начали применяться системы охлаждения конденсаторов турбин электростанций с комбинированными градирнями. При их применении снижается видимый выпар из градирни, достигается экономия добавочной воды и улучшаются теплотехнические параметры конденсаторов в сравнении с башенными «сухими».
В РФ радиаторные и гибридные градирни не нашли широкого распространения из-за относительно высокой стоимости и металлоемкости воздушных теплообменников и недооценки их преимуществ с экологической точки зрения/80,84/.
В 1950-60гг. в СССР было принято решение о преимущественном применении на ТЭС и АЭС башенных градирен. К тому времени северных районах Европы и США тоже активно применялись градирни такого типа, т.к. они являются более простыми и дешевыми в эксплуатации, чем вентиляторные, и могли быть установлены более компактно на территории станции. В соответствии с существующим в те годы советским законодательством расход электроэнергии на привод вентиляторов, составляющий 0,5-0,7% от вырабатываемой станцией мощности считался невыгодным.
Если говорить о современной ситуации, то изменились и условия возведения гидросооружений и законодательство. Появились более совершенные конструкции вентиляторов и других функциональных элементов градирен. Повысились и экологические требования. Поэтому на ТЭС и АЭС все чаще появляются вентиляторные градирни вместо башенных или совместно с ними, что улучшает маневренность водоохлаждения в зависимости от изменения нагрузки/84/. Тем не менее, в настоящее время продолжает эксплуатироваться огромный парк башенных безвентиляторных градирен.
На электростанциях бывшего РАО «ЕЭС России» в эксплуатации находится более 365 градирен площадью орошения 650 000 м2, единичной производительностью от 2000 до 36000 м3/ч и общей производительностью 4 550 000 м3/ч или 39 млрд. 312млн. м3/год /57/.
В настоящее время примерно 40% из общего числа градирен башенного типа, находящихся в эксплуатации на ТЭС, близки к исчерпанию своего ресурса. Снижение проектных показателей надежности градирен и всей системы оборотного водоснабжения является одной из причин ухудшения технико-экономических показателей электростанций.
Анализ влияния дисперсности воды на теплообмен в градирне
Зимняя эксплуатация башенных градирен является более сложной. Это
связано с трудностями регулирования в них расхода воздуха (башенного эффекта) и со значительно более неравномерным распределением воздуха по горизонтальному сечению из-за большей площади в сравнении с вентиляторными градирнями/66,63/. Обобщение методов предотвращения льдообразования в градирнях по опыту эксплуатации и литературным данным/63,87,100/ показывает, что эти методы сводятся в основном к следующему: 1. Перераспределение воды по площади градирни — повышение плотности орошения в центральной части оросителя за счет полного прекращения подачи воды на его периферийную часть. 2. Создание повышенной плотности орошения — «водяной завесы» на периферии оросителя с уменьшением или полным прекращением подачи воды на его центральную часть. 3. Установка против входных окон на 0,5–0,7 м над уровнем земли на расстоянии 1,5–2 м от градирни разбрызгивающих устройств, через которые подается часть (25-30%) поступающей на градирню нагретой воды. 4. Установка разбрызгивающих устройств над верхней кромкой входных окон внутри градирни. 5. Прокладка трубопровода с разбрызгивающими устройствами на уровне верхней кромки входных окон снаружи градирни при подаче в него части (25-30%) нагретой воды. 6. Установка защитного экрана входных окон на расстоянии примерно 2 м от градирни при размещении верхней кромки экрана на уровне или несколько ниже (на 0,5–1 м) верхней кромки входных окон и при установке разбрызгивающих устройств по п. 5. 7. Устройство обогревающего трубопровода по периметру входных окон и по стойкам несущего каркаса при подаче в него части нагретой воды, поступающей на градирню. 8. Расположение крайних стоек опорной конструкции оросительного устройства внутри градирни на расстоянии 1,5–2 м от вертикальной плоскости входных окон. 9. Устройство над входными окнами плотного козырька (навеса) для улавливания воды, стекающей по внутренней поверхности обшивки, и для отвода этой воды во внутрь градирни. 10. Устройство наружных тамбуров перед входными окнами градирен, навесных щитов, перекрывающих часть входных окон, поворотных щитов во входных окнах и внутреннего экрана вытяжной башни. 11. Подача всей охлаждаемой воды на часть секций градирен с полным отключением остальных, т. е. работа части секций с повышенными удельными гидравлическими нагрузками. 12. При остановке градирни — подача воды по байпасу в peзервуар градирни. 13. И др.
Степень эффективности перечисленных методов зависит от условий эксплуатации градирни, состояния ее конструкции и метеорологических факторов и каждый из методов не является радикальным для всех случаев. Один и тот же метод может оказаться эффективным при одних условиях эксплуатации градирни в одном регионе и не давать эффекта при этих же условиях в другом. Это обстоятельство обуславливает необходимость поиска методов борьбы с обмерзанием градирен на конкретных площадках, чем и объясняется большое их разнообразие. Следует отметить, что проблема предотвращения обмерзания градирен не проста и может быть решена только при определенных затратах за счет некоторого удорожания стоимости градирни и увеличения эксплуатационных затрат в зимнее время/3,47,48,97 /. ГЛАВА 2. Разработка методов интенсификации теплообменных процессов в башенной градирне. 2.1 Факторы, влияющие на теплообмен в градирне. На теплообменные процессы в градирне первоочередное влияние оказывают расход воздуха и воды, а также степень диспергирования последней/45,78,79/. Эффективное, не требующее затрат на переоборудование системы, воздействие на эти три фактора может быть оказано путем формирования гидрофобного структурированного покрытия на функциональных поверхностях элементов СОВС. В данной работе рассматривается эффект гидрофобизации следующих поверхностей: - внутренней поверхности оболочки градирни. - внутренней поверхности водоводов СОВС. - проточной части циркуляционных насосов СОВС. Для примера рассмотрим эффект влияния гидрофобности внутренней поверхности водоводов СОВС на теплообмен в градирне. Пусть до гидрофобизации: G0 - расход воды через градирню (кг/час), С – её теплоемкость (КДж/кг0С), срабатывался перепад температур t0. Тогда теплота, отведенная от конденсатора составит Q= G0 С t0 (КВт). После гидрофобизации расход воды увеличился до величины G1 (причины данного явления показаны в последющих главах настоящей работы), теплоемкость воды осталась той же, как и теплота которую необходимо отвести от конденсатора Q1= G1 С t1=Q (кВт).
Можно сделать вывод, что по трубопроводу с модифицированной поверхностью возможно пропускать значительно больший расход теплоносителя, и для отвода того – же количества теплоты потребуется меньший перепад температур оборотной воды в градирне, что наиболее актуально в летний период эксплуатации градирни, когда температура наружного воздуха наиболее близка к температуре воды на входе в градирню.
В следующих разделах представлены результаты исследований степени влияния гидрофобизации различных поверхностей на теплообменные процессы, что весьма актуально в плане интенсификации этих процессов и повышения эффективности эксплуатации энергоблоков в реальных условиях.
Известно, что гидрофобные поверхности возможно создавать посредством формирования плотноупакованных, упорядоченных, молекулярных слоев ПАВ. Формирование молекулярных слоев осуществляется за счет адсорбции молекул ПАВ на металлические и иные поверхности из водной среды или аэрозольным методом /51 /. Особенностью строения молекул большинства высокомолекулярных ПАВ является наличие у них поверхностно-активных свойств. Молекулы состоят из 2-х частей - полярной группы и неполярного углеводородного радикала. Благодаря такому строению при определенных условиях молекулы ПАВ за счет сил электростатического притяжения вертикально выстраиваются на металлической поверхности, образуя так называемый “частокол Лэнгмюра”. По аналогичному механизму происходит формирование последующих слоев. В результате, на функциональных поверхностях образуются плотноупакованные, упорядоченные, молекулярные слои ПАВ, которые обуславливают появление эффекта гидрофобности (рис. 2.1.а).
О степени гидрофобности поверхности можно судить по краевому углу смачиваемости поверхности (рис. 2.1.б) /91/. Краевой угол зависит от того, какое вещество в твердом состоянии и какая жидкость соприкасаются. Для керосина на поверхности стекла = 00 - полное смачивание. Для ртути на поверхности стекла = 1800 - полное несмачивание
Определение степени адгезии льда к поверхности образцов
С целью разработки подходов к снижению обмерзания элементов башенных градирен было решено оценить эффективность новых, а так же давно применяемых в энергетике защитных покрытий как металлических, так и неметаллических. Был осуществлен целый комплекс лабораторных исследований и испытаний с привлечением современных методик с целью разработки способа и технологических основ снижения массы и скорости нарастания льда на элементах градирни. Для проведения гидродинамических расчетов использовался программный комплекс Flow Vision.
Для сравнительных испытаний покрытий использовались образцы конструкционных материалов применяемых в энергетике/43,67/. Покрытия на основе ПАВ формировались с использованием специальной установки для приготовления высокоэффективной эмульсии ПАВ с последующей сорбцией молекул вещества на поверхности экспериментальных образцов и специальной вакуумной установки.
Покрытие на основе эпилама (фторсодержащий ПАВ) формировалось погружением образцов в раствор защитного покрытия в соответствии с рекомендациями фирмы-производителя.
Испытания по воздействию низких температур на защитные покрытия проводились в морозильной камере позволяющей поддерживать температуру до -180С. В ходе исследований качество сформированных защитных покрытий (ПАВ, эпилам) на образцах оценивался по степени гидрофобности поверхности образцов. Оценка стойкости к обмерзанию осуществлялась по следующим показателям по сравнению с образцами без защитного покрытия:
Степень гидрофобности поверхности образцов определялась как визуально, так и при помощи передового измерительного комплекса Kruss GH11 «MobilеDrop» (Германия) (рис.3.1), позволяющего осуществлять измерение краевого угла смачивания 6 с высокой точностью. Рис. 3.1. Kruss GH11 «MobilеDrop».
Форма поверхностного натяжения вблизи места ее контакта с твердым телом зависит от характера смачивания. Напомним, что гидрофильная жидкость принимает форму, показанную на рис. 3.2, а гидрофобная - форму, показанную на рис. 3.3. Данные иллюстрации получены в результате обработки измерений при помощи комплекса Kruss GH11 «MobilеDrop». Рис. 3.2. Поверхность экспериментального образца с исходной поверхностью (угол смачивания 6=700)
Значительное влияние на количество образовавшегося льда на поверхности элементов градирни оказывает величина сцепляемости (степень адгезии) льда с этой поверхностью. Например, за счет значительной шероховатости поверхности бетона массы льда, которые могут образоваться, значительны. Но на сегодняшний день существуют несколько способов, позволяющих исключить контакт внешней среды с поверхностью. Таким способом может быть создание своего рода «щита» между поверхностью бетона и внешней средой, который обладал бы минимальной степенью адгезии льда к своей внешней поверхности.
Методика оценки степени адгезии: Намораживался лед равной массы на образцах при температуре -5С. Оттаивание происходило в помещении при температуре 15С. Образцы размещены под углом 45. Оценка проводилась по времени оттаивания льда и времени схода льда с поверхности образцов;
Образцы помещались в холодильную камеру с температурой равной -18С, где замораживались в течение 2-х часов. За это время образцы успевали охладиться до температуры -16С. Одновременно с этим охлаждалась дистиллированная вода и вспомогательное оборудование (шприц - для нанесения водяного осадка, каркас-форму для создания водяного осадка и т.д.) до температуры +2С. После охлаждения, образцы помещались в каркас для создания на образцах водяного осадка. В каркас шприцем заливалась охлаждённая вода. Далее каркас замораживался в течение 12-ти часов до температуры -18С, после чего помещался в камеру для оттаивания с температурой воздуха +4С, где образцы с намороженной водой извлекались из каркаса. Измерялись габариты водяного осадка и его температура. Образцы крепились горизонтально намороженным льдом вниз и далее к нему, постепенно до момента его отрыва от образца, добавлялся груз. После отрыва осадка от образца, взвешивалась общая масса груза. По полученным данным, зная габариты водяного осадка и общую массу груза, определялась адгезия льда на металлических поверхностях.
Адгезия = Масса оторвавшегося груза g , (Н/см2) гдев =9,81 (м/с2) - ускорение свободного падения. 3.1.4 Определение степени адгезии льда к поверхности образцов при наличии и в отсутствие защитных покрытий.
С целью оценки защитных свойств рассматриваемых образцов с защитными покрытиями на специальном стенде на их поверхность намораживался лед при температуре -50С. Оттаивание льда происходило в помещении при температуре 150С, масса намороженного льда 20 г. Оценка проводилась по времени оттаивания льда и времени схода льда с поверхности.
Промышленная апробация модернизации по ПАВ-технологии центробежных насосов, эксплуатирующихся в действующих системах
Как показано в главе 1.4 данной работы, проблема эффективности эксплуатации насосного оборудования СОВС влияет и на эффективность всей ТЭС/16,18/. Одним из перспективных методов улучшения их эксплуатационных качеств является модификация элементов их проточных частей при помощи ПАВ/25,34,35,36/.
Для подтверждения возможности использования ПАВ применительно к насосному оборудования СОВС был проведен ряд экспериментальных исследований на центробежных насосах/26/. В ходе исследований решались задачи: разработка технологии нанесения ПАВ на поверхности элементов проточной части ценробежного насоса; сравнительный анализ влияния наличия гидрофобного покрытия, образованного ПАВ, на энергетические и кавитационные характеристики центробежного насоса.
Основной целью являлось подтверждение эффективности использования гидрофобного покрытия на поверхности проточной части центробежного насоса при безусловном удовлетворении показателей работоспособности, то есть обеспечение напора (Я) при заданном расходе (0, а также удовлетворение условию бескавитационной работы насоса.
Исследования проводились на стенде НИУ МЭИ /25/. В качестве объекта исследования был выбран консольный насос 4К-12а, близкий по коэффициенту быстроходности (ns) к циркуляционным насосам (ns=136), используемым в СОВС. Энергетические испытания проводились в соответствии с ГОСТ 6134-87 («Методы испытаний динамических насосов») до и после нанесения на рабочее колесо насоса гидрофобного покрытия. Предел погрешности определения разности соответственных характеристик составил 0,3% от абсолютной величины измеряемого параметра. Для разности К.П.Д. характеристик в рабочей зоне насоса этот предел, отнесенный к данной разности, составил 13%. Достоверность результатов обосновывалась повторными измерениями и опытами, а также статистической обработкой данных.
Существует методика формирования гидрофобного покрытия на основе ПАВ одновременно как на внутритрубные поверхности циркуляционной системы, так и на поверхности проточной части насоса без разборки самого насоса, что является существенным преимуществом предлагаемого метода в условиях реальной эксплуатации на ТЭЦ ОАО «Мосэнерго». Соответствующие исследования, проведенные на консольном моноблочном насосе КМ 40-32-180, подтвердили, указанное выше, влияние ПАВ на К.П.Д. насоса.
Промышленная апробация модернизации по ПАВ-технологии центробежных насосов, эксплуатирующихся в действующих системах. Промышленная апробация модернизации центробежного насоса, функционирующего в системе перекачки сточных вод на канализационной станции МУП «Щелковский водоканал».
Задачей данного экспериментального исследования является определение удельных затрат электроэнергии центробежного насоса на прокачку сточных вод до и после модернизации проточной части по ПАВ-технологии. Исследование проводилось на насосе СМ 100-65-200 (1), который функционирует в системе перекачки сточных вод (рис. 4.5) из сточной камеры (3) параллельно с резервным насосом (2) на канализационной насосной станции (КНС) населенного пункта Жигалово, входящей в состав МП «Щелковский Водоканал».
Для нахождения величины удельных затрат электроэнергии потребляемой насосом измерялись потребляемая им электрическая мощность и объем перекачанной среды за определенный интервал времени.
Измерения проводились переносным ультразвуковым расходомерным устройством «ВЗЛЕТ ПР» и монитором электрической мощности «Энергомонитор-3.3Т1». Датчики ультразвукового расходомера монтировались на трубопровод со стороны напорного патрубка. Выбранный участок трубы подвергался предварительной подготовке. Наружная поверхность трубопровода зачищалась от лакокрасочного покрытия и коррозионных отложений. После чего на зачищенную поверхность для обеспечения акустического контакта между излучающей поверхностью датчиков расходомера и стенкой трубопровода наносился слой контактной смазки «Литол-24» и монтировались датчики (Рис. 4.8 и 4.9). Проводилась настройка прибора на параметры трубопровода и перекачиваемой среды.
Из данной зависимости можно сделать вывод, что прирост К.П.Д. для агрегатов из Таблицы 4.6 после модификации их проточной части лежит в диапазоне 0,5 – 1,2%, а для машин с рабочим колесом типа Д прогноз прироста К.П.Д. ожидается на уровне 1,8 – 2,2 %. 4.3 Снижение гидравлического сопротивления напорного водовода СОВС при помощи поверхностно активных веществ.
Наиболее перспективным способом снижения гидравлического сопротивления трубопроводов является гидрофобизация их внутренней поверхносити при помощи ПАВ/51/. В работе Раженкова А.В. /91/ показано исследование гидравлического сопротивления с помощью ПАВ на специальном стенде НИУ МЭИ . В качестве физической модели гидрофобизируемой поверхности использовались различные образцы стальных трубопроводов, которые устанавливались в замкнутый гидравлический контур. Измерялись расход воды и перепад давлений на сменных моделях трубопровода. Перепад давлений измерялся двумя образцовыми манометрами (класс точности 0,5), а также U-образным двухжидкостным дифманометром. В качестве рабочей жидкости в дифференциальном манометре использовался тетрабромэтан. Погрешность измерения перепада давления составила ± 2,7 мм водного столба. Поскольку используемые ПАВ не образуют растворов с водой, единственным способом равномерного распределения молекул ПАВ по объему теплоносителя является их эмульгирование. Для этой цели использовалась специальная установка, позволяющая создавать высокодисперсную эмульсию с ПАВ. Концентрация ПАВ в теплоносителе определялась по специальной методике с использованием анализатора жидкости тензометрического. На первом этапе были проведены исследования, цель которых - определение влияния скорости потока теплоносителя на гидравлическое сопротивление трубопровода в процессе формирования на внутритрубной поверхности молекулярных слоев ПАВ. Измерения проводились в диапазоне характерных для СОВС скоростей (от 0,5 до 2,5 м/с).