Зниження термічних напружень і підвищення терміну служби елементів енергетичного обладнання шляхом використання стабілізаторних пальників
Вантажиться...
Дата
2023
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Мороз О.С. Зниження термічних напружень і підвищення терміну служби елементів енергетичного обладнання шляхом використання стабілізаторних пальників. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 – Теплоенергетика. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2023.
Дисертаційна робота присв′ячена дослідженню впливу змінного в просторі і часі високотемпературного поля продуктів згоряння в топковому просторі на характеристики міцності, напружено-деформований стану, мало цикловій втомленості, пошкодження енергетичного обладнання, а також підвищенню ефективності та надійності елементів, які мають високу температуру, шляхом використання нових схем і конструкцій пальникових пристроїв, які також дозволяють використовувати альтернативні види газових палив. В роботі показана актуальність теми, яка пов′язана з тим, що значна кількість енергетичних та промислових об′єктів – котлів, печей, підігрівачів, сушил, газотурбінних установок тощо, які використовуються в енергетиці та промисловості України, характеризується значною моральною та фізичною зношеністю, вимагає ремонту і покращення ефективності роботи. . В економічних умовах нашої країні модернізація установок є найбільш реальним шляхом підвищення їх ефективності при мінімальних затратах. За розрахунками, сума вкладень, що дають можливість продовження експлуатації, в 3–5 разів менше, чим введення в дію нових потужностей. Певним умовам експлуатації обладнання повинна відповідати найбільш ефективна схема організації паливного процесу в топці. Виконано огляд роботоспроможності металів при високих температурах, надійність роботи, проаналізовано характеристики міцності металу при високих температурах і робота в нестаціонарних температурних умовах, в тому числі в умовах температурної нерівномірності. Розглянуті основні джерела температурної нерівномірності в енергетичному обладнанні. З проведеного огляду матеріалів щодо умов роботи високотемпературних елементів енергетичного та промислового устаткування зроблені висновки і розроблені завдання по проведенню відповідних досліджень з метою аналізу стану обладнання та заходів щодо підвищення його надійності та ефективності. На даний час існуючі методи, які пов'язані з визначенням термічних напружень в високотемпературних елементах енергетичного обладнання, вимагають проведення тривалих випробувань. З урахуванням досягнень сучасних комп'ютерних технологій з'явилась можливість виконання відповідних досліджень за значно коротший термін, з меншими затратами і з використанням мінімальної кількості дослідних даних. Враховуючи визначальну роль пальникових пристроїв на характеристики поля температур газів в топковому просторі одним з напрямків пріоритетних завдань роботи визначено розробку пальникових пристроїв, які дозволяють впливати на формування температури газів з метою зменшення нерівномірності поля температур і, таким чином, зниження термічної напруженості високотемпературних елементів. Перспективним напрямком є використання пальникових пристроїв стабілізаторного типу. Експериментальні дослідження виконувались з використанням обладнання кафедри ТАЕ і відповідної вимірювальної апаратури. Розглянуто фактори, які впливають на термонапружений стан високотемпературного обладнання і запропонована методика розрахунку залишкового ресурсу високотемпературних елементів. Для дослідження теплового стану трубопроводів котла виконувалась побудова 3D просторового аналога топкового простору котлоагрегату. Виконане моделювання і аналіз допомогли запобігти дорогим і тривалим експериментам. Були послідовно виконані гідрогазодинамічний розрахунок і вибрана модель турбулентності. Розрахунки виконувались з використанням програмного комплексу ANSYS Fluent. Перед початком розрахунків в ANSYS Fluent була визначена прийнята модель турбулентності. Для цього перед проведенням гідродинамічних розрахунків були проаналізовані декілька моделей турбулентних течій. В даній роботі була використана модель k-ε Realizable. Безпосередньою перевагою реалізованої моделі k-ε є те, що вона забезпечує покращені прогнози щодо швидкості поширення як плоских, так і круглих струменів. При теплових розрахунках були визначені гранічні умови. Була проаналізована газодинамічна та теплова структура потоку в стабілізаторних пальникових пристроях і виконані розрахункові дослідження теплового стану патрубку. На наступному етапі були проведені розрахункові дослідження напружено-деформованого стану трубопроводу. Оцінка малоциклової втомленості та статичної пошкоджуваності виконувались з урахуванням нестаціонарного напружено-деформованого стану. Отримані температури використовувались для розрахунку кількості циклів до руйнування. На основі максимального напруження за встановлений період часу у відповідних точках розраховується температура металу. Користуючись розробленою методикою, на підставі замірених або розрахованих температур, можна орієнтовно розрахувати термонапружений стан енергетичного обладнання і термін експлуатації до руйнування. Створена комп’ютерна модель дозволила гнучко змінювати і отримати відповідне поле температур перед патрубком. Результати проведених досліджень можуть бути використані при реалізації розроблених рекомендацій у великій і малій українській енергетичній, промисловій і газотранспортній системі, а також в інших галузях науки і техніки. Розглянуті особливості роботи і зміни параметрів газового потоку при мікродифузійному спалюванні газу в системі стабілізаторів. При аналізі зміни параметрів робочого процесу – швидкості потоку, концентрації, повноти згоряння, температури газів були проведені випробування систем стабілізаторів, Розглянуто питання формування поля швидкості ізотермічного потоку в системі стабілізаторів, а також Зміна швидкості потоку, коефіцієнту надлишку повітря і повноти згоряння в системі стабілізаторів при горінні. На наступному етапі увага приділялась визначенню закономірності формування поля температур продуктів згоряння в стабілізаторному пальниковому пристрої в поперечному перерізі стабілізаторного пальника і вздовж стабілізатора, а також комбінований вплив на зміну поля температур газів в топці. Показано,що довжина вогневого простору, на якій відбувається вирівнювання поля швидкостей, поля температур і компонентів реакції горіння у поперечному перерізі залежить від коефіцієнту затінення і коефіцієнту надлишку повітря. В мікрофакельних стабілізаторних пальниках є можливість впливати на профіль температури газів в повздовжньому і поперечному перерізах конструктивними засобами – зміною кроку стабілізаторів та їх ширини, зміною (або прикриттям) подачі газу на окремі стабілізатори, відносним зміщенням стабілізаторів вздовж і поперек потоку. Встановлено, що характер формування температури газу і інтенсивність горіння палива залежить від відносного кроку газових отворів вздовж висоти стабілізатора. При tг/dг < 7,0 зменшується інтенсивність процесів масообміну в струменях і відбувається зниження інтенсивності процесу вигоряння палива з можливим недопалом в кінці топкового простору. З метою розширення використання альтернативних газів в енергетиці і промисловості були розроблені і дослідженні мікрофакельні стабілізаторні пальники для спалювання забаластованих газових палив. Альтернативні види палив, як правило, складаються з суміші високореакційного газу типу метану, і баластових домішок - повітря, двоокису вуглецю, азоту, біодобавок тощо, які, як правило, погіршують характеристики горіння паливного газу, причому відбувається це тим в більшій мірі, чим вище вміст баластової домішки в паливі. Це породжує певні труднощі практичного використання забаластованих газів як палива, до яких додаються ще дві обставини: гази різних видів і різних родовищ мають різний вміст баласту; у багатьох випадках склад газів може змінюватися в часі; газобаластова суміш може виходити за концентраційні межі горіння. Це робить неможливим спалювання газобаластових сумішей за традиційними технологіями і пальниковими пристроями. Показано, що перспективним методом вирішення проблеми спалювання низькокалорійних альтернативних палив, склад яких виходить за концентраційні межі горіння, є застосування комбінованої подачі палив, при якому низькокалорійне паливо підпалюється високотемпературними стабілізуючими факелами. Розроблено метод і конструкції стабілізаторних пальникових пристроїв, які забезпечують підвищення сталості горіння забаластованого палива при концентрації домішок від 0 % до 100 % (відсутність палива - подача баласту). Для цього прийнята комбінована технологія подачі палив, при якій струмені низькореакційного палива проходять через високо температурні факели і відбувається сталий процес горіння обох палив незалежно від концентрації домішки з забаластованому паливі. Потужність пальника підтримується за рахунок збільшення витрати палива, яке подається на стабілізуючий факел. Сталість і довжина загального факелу визначається характеристиками запалюючого факелу Розроблено три варіанти модулей стабілізаторних пальників з різними схемами подачі альтернативного і стабілізуючого палив. Розроблено і досліджено двонішевий пальниковий пристрій, в якому, практично без зміни конструкції є можливість регулювати характеристики сталості і довжини факелу в залежності від умов роботи енергетичного об′єкту. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що . - вперше за допомогою комплексу ANSYS Fluent розроблена програма визначення термічного і термо-напруженого стану високотемпературних елементів енергетичного обладнання; - розроблена програма розрахункової оцінки терміну експлуатації високотемпературних елементів в стаціонарних і змінних режимах; - доповнені експериментальні дані і уточнені залежності щодо вирівнювання характеристик газового потоку в топковому просторі при використанні стабілізаторних пальників; - показана можливість регулювання поля температур газів в топковому просторі зміною конструктивних параметрів стабілізаторних пальників; - вперше запропонована технологія спалювання забаластованих низько реакційних газових палив в стабілізаторних пальниках; - вперше розроблено і досліджено моделі стабілізаторних пальників для спалювання альтернативних низько реакційних газових палив; - отримані експериментальні дані та одержані узагальнюючі залежності стосовно характеристик робочого процесу горіння газів різного складу, який може суттєво змінюватись під час роботи.
Опис
Ключові слова
пошкодження, модель, ремонт, термін служби, граничні умови, газифікація, котлоагрегат, пальник, струмінь, газове паливо, термонапруженість, біомаса, damage, model, repair, service life, boundary coditions, gasification, boiler, burner, jet, gas fuel, thermal stress, biomass
Бібліографічний опис
Мороз, О. С. Зниження термічних напружень і підвищення терміну служби елементів енергетичного обладнання шляхом використання стабілізаторних пальників : дис. … д-ра філософії : 144 теплоенергетика / Мороз Олег Сергійович. – Київ, 2023. – 172 с.