Введение к работе
Актуальность темы диссертации. На современном этане развития топливно-энергетического комплекса страны в условиях ограниченных ресурсов повышение" надежности и -экономичности тепло энергетического оборудования тепловых электрических станций (ТЗС) путем замещения и совершенствования устаревших технологий и оборудования является актуальной научно-технической проблемой отрасли. В настоящее время на тепловых электростанциях концерна "Пелэнерго" свыше 50% оборудования морально устарело и -уже отработало свой расчетный ресурс, и к 2010 году потребуется его замена
Решении возникающих перед энергетикой задач, связанных с эффективным использованием мощности электростанций, реализацией программы технического перевооружения и реконструкции теплоэнергетическою оборудования ТЭС, встречают серьезные затруднения из-за недостаточной методической разработанности решения проблем надежности тепловых электрических станций на стадии их проектирования и в процессе эксплуатации. Это в значительной мере сказывается на глубине разработки подходов к обоснованию и принятию решений по оптимизации структурной надежности' энергоблоков и агрегатов ТЭС в условиях их эксплуатации, техперевобружения, реконструкции и продления срока их службы и. как следствие, вызывает нерациональное расходование ресурсов.
В решении проблемы надежности И экономичности ТЭС важное место принадлежит обоснованию методов оценки и прогнозирования этих показа-іелей на основе разработки детерминированных и верояїностньїх подходов с учетом процессов теплообмена в топочных камерах котельных аїрегатов. низкотемпературной коррозии в них и состояния проточной часі и паротурбинных установок.
Неоднозначность взаимозависимости экономичности и надежности работы котлов и турбин как составляющих системы тепловой электрической станции предопределяет актуальность рассматриваемой проблемы синтеза и анализа этих факторов на основе системного подхода с разработкой соответствующих математических моделей, алгоритмов и нсследованнем их при проектировании и эксплуатации.
Связь работы с крупными научными программами, темами.
Исследования по теме диссертационной работы выполнялись в рамках:
-
Комплексной республиканской программы «Интенсификация» (раздел «Энергия») на 1986-1990 Г.т., утвержденной Постановлением СМ БССР №179 от 13.06.86г.
-
Республиканской программы 72 0<1р «Разработать и внедрить технологические и организационные мероприятия, обеспечивающие повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в народ-
ном хозяйстве республики», утвержденной Постановлением СМ № 375 БССР от 29.10.91г.
-
Республиканской программа 71.02р «Энергосбережение».
-
Энергетической программы Республики Беларусь на период до 2010г., утвержденной Посгановлением Совмина РБ № 654 от 29.10.92г.
-
Межвузовской программы фундаментальных исследований «Приоритет», утвержденной Минобразованием РБ на период 1997-1999 г.г.
- 6. ГБ-86-31, Xsr.p. 01.860.086.71 «Повышение маневренности, надежности, оптимизация режимов и совершенствование контроля ТЭС и АЭС», утвержденной постановлением СМ БССР № 179 от 13.06.86 г.
7. ГБ-92-91 «Повышение экономичности, надежности, оптимизация режимов и совершенствование управления ТЭС с учетом экологических факторов» в 1994-1997 г.г.
Цель и задачи исследования. Цель работы состоит в решении важной научной проблемы синтеза надежности и экономичности основного теплоэнергетического оборудования ТЭС, разработке и исследовании комплекса теоретических и практических решений по повышению эффективности его работы, создании методик, моделей и критериев учета надежности и экономичности как комплексного фактора при оценке системного эффекта в энергосистеме, что в совокупности может послужить крупным вкладом в развитие энергетики. Для достижения указанной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
на основе современной теории надежности и системного анализа разработать алгоритмы и модели оценки технологической надежности и экономичности основного теплоэнергетического оборудования энергоблоков и агрегатов ТЭС, так называемый уровень «макропроектирования» как основу перехода к физико-техническим моделям уровня «микропроектирования»;
установить влияние факторов, определяющих безотказность теплоэнергетического оборудования ТЭС методом многомерного регрессионного анализа;
на основе методов системного анализа, теорий принятия решений и надежности разработать методические подходы к управлению структурной надежностью ТЭС, сочетающие детерминированные и вероятностные методы для выбора альтернативных решений по максимуму полезности (ценности);
разработать рекомендации по повышению надежности и экономичности газомазутных котлов при различных способах сжигания тоилнв и компоновке горелочных устройств с учетом уровня падающих тепловых потоков в топках, состава и прочностных свойств наружных отложений на поверхностях нагрева, коррозионной агрессивности продуктов сгорания и вызываемой ими коррозии;
оценить работоспособность математической уоделн про!позирования пагрубных отложений в коїлах. илниіоїцих па надежность их район,!,
- создать математическую модель, процессов .теплообмена и низкотем-
пературнон коррозии в рекуперативных яозлухонодоіроваїелях в условиях неоднородности температурных попей продукт or сюрапия и воздуха:
разработать расчетно-чкспернментяльную методику определения допустимо! о термонапряженного состояния радиационных поверхностей на ірена котлоаіреї агов,
используя новые подходы в теории вентиляционных ли пений разрз-ботзть теоретические основы расчета допустимых ра ли ревов <лементов ЧНД (ЦНД; и оценки вентиляционных потерь мощности, а также предложить математические зависимости для анализа тепловой іффектичипсти и чядежио-Ciii ниікоіїоіенниальной чшли париных іурбин.
Объект и предмет исследования. Объект исследования- - тепловые электрические станции, от надежной и экономичной работы структурных частей которых всецело зависит устойчивое функционирование энергосистемы. Предмет исследования - вероятностно-математические зависимости, а также процессы, протекающие в газоходах паровых котлов и проточной части турбин, влияющие на надежность и экономичность отдельных деталей, узлов, агрегатов, блоков и ТЭС в целом.
Методология и методы проведенного исследования. Принятая в лиссертапипнной работе методология исследований обусловлена системностью подхода к объекту и предмету исследования, сочетанием уровня «макропроектирования» и «микропросктпровапия» и базируется На:
методах и моделях, основанных на элементах теории системною анализа и синтеза надежности с использованием теории вероятностей и математической стагистнки. обшей теории надежности и прикладной теории множеств, теории моделирования и оптимизации:
методах натурного эксперимента и математического моделирования с использованием прикладной математики для обработки экспериментальных данных и получения аналитических зависимостей, описывающих исследуемые процессы и механизмы;
методах общих измерений параметров рассматриваемых в диссертации процессов в котлах и турбинах, базирующихся на существующих нормах и правилах.
В работе использована часть экспериментального материала о распределении падающих тепловых потоков в топке котлов и скорости коррозии воздухоподогревателей, изложенного в кандидатской диссертации автора, послужившего информационной базой для создания соответствующих математических моделей.
Научная нопизыа и значимость получении* результатов. Представленная работа содержит новые научно обоснованные теоретические л экспериментальные результаты, полученные методами системною подхода, натурного и вычислительного эксперимента, математического моделирования и комплексного многоуровневого анализа процессов. Полученные результаты являются новыми в решении важной научно-технической проблемы повышения надежности и экономичности теплоэнергетического оборудования ТЭС, что является крупным достижением в развитии энергетики. При этом получены следующие новые научные результаты:
разработана и обоснована концепция обеспечения надежности различных технологических звеньев энергоблоков и агрегатов ТЭС, базирующихся на случайных марковских прцессах, сочетании детерминистических и вероятностных критериев, чго позволило предложить аналитические зависимости, учитывающие надежность н экономичность структурных частей энергоблоков и ТЭС с поперечными связями;
на основе анализа физических процессов и экспериментального материала разработана математическая модель для определения коррозионное агрессивности продуктов сгорания, учитывающая комплекс режимных факторов; '
методом вычислительного эксперимента исследован механизм теплообмена в рекуперативном воздухоподогревателе, учитывающий неоднородность температурных полей теплоносителей при наличии отложений на т еплообменной поверхности;
усовершенствована математическая модель для анализа причин и следствий течения низкотемпературной коррозии в ТВП с учетом их конструкции, наличия коррозионно-агрессивной среды и условий теплообмена;
предложена новая конструкция горелочного устройства (а.с. № 964350) для организации двухступенчатого сжигания природного газа и мазута, в которой внутренняя рециркуляция продуктов сгорания способствует сниженной генерации оксидов азота. Разработаны новые схемы надежного охлаждения предвключенных циклонных камер сгорания котлов (а.с. №№ 827884, 909420);
получены новые аналитические зависимости для неразрушающего контроля термонапряжений в трубах радиационных поверхностей нагрева котлов;
развита теория вентиляционных процессов, что позволило предложить зависимость для определения вентиляционных потерь мощности при работе паровых турбин в беспаровом и малорасходном режимах, включающую в себя в отличие от существующих, осевую ширину зоны активной вен тнляцни рабочих лопаток и конструктивную функцию вентиляции.
Пі'чк-меїеокая и экономическая значимость інілучсг.пі.іх речульїа тон.
Методология оценки пока ш елей б?чошпноеги. р.ч.'оніо.чршп/ч-о-гти и гопвноіди чтергетич'уэтг? б"оков (ягреппг'Р) электростанций рекомендована С! К! РІТР'.Х- специалистам cv.+ o. за,чи\<тно:шілея обоснованием решений по повышению надежности іеплозік-рістнческого оборудования !'Х
Рззрабопінм программа; расчета показателей на;» чпосіп ">нчч"б.чо-ков и агрегатов неблочных ГЭС, инструкции ііильзоьагел>і к ми.'.. 13 виде грігт,я>"'Н!.г" мчтрриягіпй перелянм на ряд ТЭС РБ в распоряжение служб !! ГО Укячянные прімраммьі мої vi Оьаь лию-Д^сьлды е і;г*гсгтг? '-~му»«»*є-ского продукта.
Разработанная методика оценки показателе!') надежности теплоэнергетического оборудования блочных ТЭС и ТЭС с поперечными связями используется инспекцией по эксплуатации электрических станций і; сетей концерна «Еелэнерго» для анализа нарушений в работе оборудования электростанций. Предложенную методику можно нспо.чъзовать для оценки работоспособности и перспективного прогнозирования надежности основного оборудования тепловых электростанций, для создания баз данных, по статистике повреждении и износа узлов, анализа надежности. прогі;,із;'рог;;;ні;т О'Ги.с.чон ремонтов и выбора оптимальною соляна обпречовация
По Минской ТЭЦ-4 реализовано изменение -. іїліловпіі схеме очереди 14 МПа. заключающееся в установке дополните ч.чого к<чпо RK4-420-140ПГМ (ст. №"/), Обоснование данного решения ирнит-дено с \чеи>м раз-рзбочнжтыч с участием диссегтлпп; алгоритмов и программ, л %оіаііовки кот.из привела к увеличению коэффициент эквивалентно» тотовносли 'мой опереди пи З'1 Ь Годовой «кономичсский -ффекг при «том составил 6.R8 тыс. рч-блей (в ценах \--)Я\ юта)
Полученные в резульїаіе обрабоїки экспериментально; о маїернала математические зависимости по определению величины падающих тепловых потоков позволил!! создать методику -4114)44) на,:с>ьл-ч"п; р;<иоты радиационных поверхностей наїрева коїлчп М-. n -н-.к» і']»:рч.і!;н;і в чндс сМеїодиче-ских рекомендаций по контролю состояния экранных поверхностей наїрева котлов с естественной циркуляцией», которые рекомендованы ГП «БелТЭИ» для практического использования и используются на ряде ТЭС концерна «Белэнерго».
І'азрабоїаньї и внедрены і стрелочные устройства циклонною типа для сжигания природного газа и мазута в котле паропроизводшедьностыо 25 кг.'с (Минска ТЭЦ-2, ко!ел № 5). Экономический эффект составил 148.8 1ыс руб. в год (и исках <Q91 года). Положительный оиыг. приобретенный при комплексных испытаниях этого реконструированною котла, в частности, образование рыхлых натрубных отложений и снижение \ ровня шпкотсмле-
ратурной коррозии, получил расширенное применение. Так, Дальневосточным государственным техническим университетом переведены на циклонный способ сжигания мазута 50 котлов 14 типов, что позволило продлить рабочую кампанию котлов на 10+12 лет. Получанная диссертантом зависимость для определения прочности отложений может быть использована при расчете систем очистки поверхностей нагрева.
Предложенная методика расчета скорости коррозии металла низкотемпературных поверхностей нагрева, учитывающая неравномерность газовоздушных сред и уровень коррозионной агрессивности продуктов сгорания, позволяет оценить надежность их работы и спрогнозировать срок службы. Пакет программ и инструкция пользователя, позволяющий рассчитать скорость низкотемпературной коррозии при различных режимных факторах котлоагрегата и конструктивных параметрах рекуперативного воздухоподогревателя, используются для планирования ремонтов и корректировки режима работы котлов на ряде ТЭЦ концерна «Белэнерго». Методика может быть внедрена на ТЭС и котельных, эксплуатирующих газомазутные котлы.
Новыми сведениями существенно дополнена теория вентиляционных явлений, возникающих в проточной части паровых турбин, что позволяет:
а) производить оценку вентиляционных потерь мощности с использо
ванием штатной измерительной аппаратуры;
б) определять предельный разогрев элементов ЦНД (ЧНД) проекти
руемых и находящихся в эксплуатации турбин.
Результаты исследований вентиляционных процессов были использованы при проектировании турбин Т-П'5'125-130 АО иТурбомогорный завод» в двухцилиндровом исполнении для замены морально устаревших и физически изношенных турбин типа ВПТ-25-90, Т-50-130, Т-100-130, имеющихся в том числе на электростанциях Республики Беларусь. Установка новых агрегатов ббльшей мощности на существующие фундаменты, позволяет сэкономить около 30% инвестиционных вложений.
Идея двухступенчатого сжигания мазута и природного газа в горелке (ас. №964350) использована для внедрения на различных котлах с целью снижения генерации оксидов азота. Установка подобных горелок позволяет повысить КПД котлов (в среднем на 1;5%) и надежность работы экранных поверхностей нагрева, а также снизить выбросы оксидов азота.
Полученные в диссертации научные и практические результаты, методические подходы и материалы используются при подготовке инженеров-теплоэнергетиков в Белорусской государственной политехнической академии и за ее пределами.
Оспонные положении диссертации, ныноашые на защиту:
разработка концепции синтеза показателей надежности и экономичности при выборе оптимального варианта лнергоисточника. разработанные
VMri.Toix --оделен и алгоритмов анализа и счнгем наделкг елі тепло'iscjve-лтег.логтг оборудования-Т^О. - метлики - расчета - показателей належьосіи інг.ріоблоков (агреіатов) злсктрост опций- огличакліпчсі п имеющихся теч. -но информационней Ганон яі>;тои:і реальные время посапьовлення рлГ-л-тспосоПш'СП! ц наработки определенные in аналіпа ретроспективных лен-пых об отказах С учетом точечных опенок или вероятностных распределений параметров надежноеги компонент разработанные меюднки позволяют
'!роИЗР(>ЛЧИ. леГермННИрОВЯННЫе ИЛИ ІН'р'іЯІНИСТН! !'.' 01ІЄПКИ ОЗЛСЛ1.НМХ нс-
.а і-тгедгй н:і;іе;кносш;
цикл экспериментальных и теоретических работ по нераэрушакчцему ічоні>.>о;ио іі-столшя р2ді~щ:сттт,гг '' орєнкч по.щттечности низкогемпера-лурльіХ П05:рхногтсіі ннгр~Р". котлов;
конструкция горелки (а.с. №964350) для организации двухступенчатого сжигания мазута н природного газа, имеюпгую вспомогательное устройство для организации внутренней рециркуляции дымовых газов, что позволяет получить короткий газовый факел и снизить генерацию оксидов азота;
математическая модель по определению величины КАП С в зависимости от таких факторов, как нагрузка котла и температура стенки металла дополнительно к ранее учитываемым серосодержанню и коэффициенту избытка воздуха:
разработанная математическая модель расчета теплообмена в pevy-;ер:нинном воздухоподогревателе, обеспечивающую vmct неоднородности іомперчт\рш>іх полей продуктов сгорания ч воздуха с учетом имеющихся загрязнении на теплообменник поверхности, реализованная в виде комплекса прикладных программ;
обобщенные результаты теоретических и экспериментальных нес целований, математические алгоритмы и программы, результаты натурных промышленных испытаний и лабораторного анализа, изволившие расширить и углубить представление о низкотемпературной коррочнн с учетом коррозионной агрессивности пролуктов сгорания, теплообмена в трубчаюм воздухоподогревателе и его конструктивных и режимных параметров;
методику определения допустимых раюгреиов проточной части и других элементов ЧПД (ЦНД) паровых турбин при возникновении вентиляционных течений, отличнуго от существующих учетом осевой ширины зоны активной вентиляции рабочих лопаток. Личный вклад соискателя.
Анализ состояния проблемы, формирование концепций работы, постановка задач исследоватшя и разработка методологии и методик их решения.
Постановка и непосредственное участие в проведении экспернмен-тов, обработка и анализ результатов исследований, обобщение экспериментального материала.
Разработка алгоритмов ц математических моделей, участие в создании программ расчета на ПЭВМ к проведении вычислительного эксперимента, интерпретация и обобщение полученных результатов.
Обоснование и разработка практических рекомендаций по повышению надежности и экономичности основного теплоэнергетического оборудования ТЭС в віще методических указаний и инструкций пользователя, внедрение результатов исследования.
В диссертации приводятся также совместно полученные и опубликованные результаты исследований, выполненных диссертантом с участием коллег по работе и его учеников. Во всех случаях использования результате^ других(ого) авторов(а) приводятся соответствующие ссылки.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы докладывались на XXXIII-XXXIX научно-технических конференциях преподавателей и работников промышленности в БПИ (г.Минск, 1977-1983гг.), межвузовском научном семинаре «Повышение эффективности и оптимизации теплоэнергетических установок» в СПИ (г.Саратов, июль 1980 г.), Ill Всесоюзной конференции «Влияние минеральной части энергетических топлив на условия работы парогенераторов» в ТПИ (г.Таллин, октябрь 1980 г.), Всесоюзной конференции по теории и практике циклонных технологических процессов в металлургии и других ог-раслях промышленности в ДМТИ (г.Днепропетровск, сентябрь 1982 г.), научно-техническом семинаре кафедр «Промышленная теплоэнергетика», «Тепловые электрические станции» и «Котельные установки и охрана окружающей среды» БПИ (г.Минск, декабрь 1982 г.), совещании «Сокращение выбросов вредных веществ в атмосферу и утилизация отходов производства» (г.Челябинск, 1983 г.), республиканской конференции «Проблемы загрязнения и очистка наружных поверхностей нагрева паровых котлов» (г.Батуми, 1988 г.), XX коллоквиуме по тепловым процессам ТЭС В Дрезденском техническом университете (г.Дрезден, ГДР, октябрь 1988 Г.), научно-практической конференции «Актуальные задачи энергопроизводства и энергопотребление в Беларуси» (г.Минск, 1988 г.), 50-й научно-технической конференции БГПА (г.Минск, 1994 г.), семинаре «Перспективные парогенераторы с высоким к.п.д.» в Эссенском Доме техники (г.Эссен, ФРГ, март 1994 г., per. № 82977), второй научно-технической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов» (г.Челябинск, РФ, сентябрь 1996 г.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов БГПА (г.Минск, 1991-1996 гг.), Всесоюзном научном семинаре «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» по теме «Надежность систем энергетики: экономические и информационные аспекты» (г.Санкт-Петербург, апрелі К'97 г.). Международной 52-й научно-технической конференции професго-.;.>, препод, чателей, нг^чкых работников, аспирантов и студентов ВГГ/Ч
-«Іехннческне вузы— -()С.-ц>0:;Ц!-ї» (і. ч'пм.-к. ногіу?.. .- '. . "-'і'" -'b^i л-н--:ї'.і.-юіі'л-:.'. ccMiiruipe «Природные'p-ScytKhf.'rk>-,<-f,}'^-r"'-;-,v,^ «с-очннки энер-іс!іі, окружающая средне при Минском междчмроддоч о-'>раювагслш<*ч нентре (г. Минск, февраль 199? г., октябрь 1999 ь>, келсдулародном семинаре (Теплотехника—9%>- по теме еПсрснекіивіше ліеріотехнолопіи в энер-ісіикс и промышленности» (і. Киев, май 1998 г.). XXX коллоквиуме \w энер-ооГкр\"юванИ'0 -»;к;і(Гростаиці'й «Турбомашини ллп электростанций: проблемы развития, предпосылки, конструкции ч пуги прличіі'Мспа» ?. Дреї-денском техническом университете (г. Дрезден, Германия. октябрь l'W8 ;.). Мсждунаоолной конференции «Эиергоэффектнвиые технолпгии н возобновляемые иешчшші онерппг» (г Мн?гск, сентибрь 1959 і.).
Опубликованного» результатом. По маїсриалам диссертации публиковано 40 работ, в том числе I монография, 2 книги, 23 статьи в научных журналах и сборниках, 2 депонированные статьи, 9 тезисов докладов и выступлений на конференциях, 3 авторские свидетельства на изобретения. Общий объем опубликованных материалов — 331 с, в том числе без соавторов — 253 с.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы. 6 глав основной части, заключения, списка ічтю-члованньїх источников из 307 наименований тгп 25 с. Работа представлена на 343 с . включая 73 иллюстрации на 15 с, 54 таблицы на 36 с, 8 приложений на 60 с
