Зниження термічних напружень і підвищення терміну служби елементів енергетичного обладнання шляхом використання стабілізаторних пальників
| dc.contributor.advisor | Черноусенко, Ольга Юріївна | |
| dc.contributor.author | Мороз, Олег Сергійович | |
| dc.date.accessioned | 2024-02-20T15:00:52Z | |
| dc.date.available | 2024-02-20T15:00:52Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Moroz O. Reduction of thermal stresses and increasing of the service life of power equipment elements by using stabilizer burners Thesis for the degree of Doctor of Philosophy in the specialty 144 Heat power engineering. – National Technical University of Ukraine Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute». Kyiv, 2023. The scientific and technical task that is being developed in the work is related with the investigation of the influence of the high-temperature field of the combustion products in the furnace space, which changes in the space and hours, on the characteristics of the strength, stress-strain condition and low-cycle power equipment fatigue characteristics, as well as the improvement of the efficiency and reliability of high-temperature elements of the power equipment by applying of new facilities and designs of combustion devices, which allow to use alternative gas fuels. The work shows the relevance of the topic, which is related to the fact that a significant number of energy and industrial objects - boilers, furnaces, heaters, dryers, gas turbine units, etc., used in the energy and industry of Ukraine, are characterized by significant moral and physical wear and tear and requires improvement of work efficiency. In the economic conditions of our country, modernization of installations is the most realistic way of increasing their efficiency at minimal costs. According to calculations, the amount of investments that make it possible to continue operation is 3-5 times less than the commissioning of new capacities. The most effective scheme for organizing the fuel process in the furnace must meet certain conditions of equipment operation. An overview of the workability of metals at high temperatures, reliability of work, characteristics of metal strength at high temperatures and work in non-stationary temperature conditions, including in conditions of temperature unevenness, were analyzed. The main sources of temperature unevenness in power equipment are considered. Based on the review of materials regarding the operating conditions of high-temperature elements of power and industrial equipment, conclusions were drawn and tasks were developed to conduct relevant research in order to analyze the condition of the equipment and measures to increase its reliability and efficiency. Currently, the existing methods, which are related to the determination of thermal stresses in high-temperature elements of power equipment, require long-term tests. Taking into account the achievements of modern computer technologies, it became possible to perform relevant research in a much shorter time, with lower costs and with the use of a minimum amount of research data. Taking into account the determining role of burner devices on the characteristics of the temperature field of gases in the furnace space, one of the priority areas of the work is the development of burner devices that allow influencing the formation of gas temperatures in order to reduce the unevenness of the temperature field and, thus, reduce the thermal stress of high-temperature elements. A promising direction is the use of burner devices of the stabilizer type. To expand the scope of use of alternative gas fuels in energy, one of the areas of work is the development of stabilizer burners for burning alternative gas fuels in order to reduce the consumption of precious imported natural gas. Experimental studies were performed using the equipment of the TAE department and measuring equipment. Factors affecting the thermally stressed state of high-temperature equipment are considered, and a methodology for calculating the residual resource of high-temperature elements is proposed. To study the thermal state of the boiler pipelines, a 3D spatial analogue of the furnace space was constructed. The modeling and analysis performed helped to prevent expensive and time-consuming experiments. A hydrogas-dynamic calculation was performed sequentially and a turbulence model was selected. Calculations were performed using the ANSYS Fluent software package. Before starting the calculations in ANSYS Fluent, the adopted turbulence model was defined. For this purpose, several models of turbulent flows were analyzed before conducting hydrodynamic calculations. The k-ε Realizable model was used in this work. An immediate advantage of the implemented k-ε model is that it provides improved predictions for the propagation speed of both flat and circular jets. Boundary conditions were determined during thermal calculations. The gas-dynamic and thermal structure of the flow in stabilizer burner devices was analyzed, and calculation studies of the thermal state of the nozzle were performed. At the next stage, calculation studies of the stressstrain state of the pipeline were carried out. Evaluation of low-cycle fatigue and static damage was performed taking into account the non-stationary stress-strain state. The obtained temperatures were used to calculate the number of cycles to failure. The temperature of the metal is calculated on the basis of the maximum stress over a set period of time at the corresponding points. Using the developed methodology, on the basis of measured or calculated temperatures, it is possible to approximately calculate the thermal stress state of power equipment and the period of operation before destruction. The created computer model made it possible to flexibly change and obtain the appropriate temperature field in front of the nozzle. The results of the conducted research can be used in the implementation of the developed recommendations in the large and small Ukrainian energy, industrial and gas transport systems, as well as in other fields of science and technology. The features of operation and changes in gas flow parameters during microdiffusion gas combustion in the stabilizer system are considered. During the analysis of changes in parameters of the work process - flow rate, concentration, completeness of combustion, temperature of gases, tests of stabilizer systems were carried out, The question of the formation of the isothermal flow velocity field in the stabilizer system, as well as the change in the flow rate, the coefficient of excess air and the completeness of combustion in the stabilizer system during combustion, is considered. At the next stage, attention was paid to determining the regularity of the formation of the temperature field of combustion products in the stabilizer burner device in the cross section of the stabilizer burner and along the stabilizer, as well as the combined effect on the change in the gas temperature field in the furnace. It is shown that the length of the fire space, on which the velocity field, temperature field, and components of the combustion reaction in the cross section are equalized, depends on the shading coefficient and the excess air coefficient. It was established that the nature of gas temperature formation and the intensity of fuel burning depend on the relative pitch of the gas holes along the height of the stabilizer. When tg/dg < 7.0, the intensity of the mass transfer processes in the jets decreases and the intensity of the fuel combustion process decreases with possible underburning at the end of the combustion space. In order to expand the use of alternative gases in energy and industry, microflare stabilizer burners for burning ballasted gas fuels were developed and researched. Alternative types of fuels, as a rule, consist of a mixture of highly reactive gas such as methane, and ballast impurities - air, carbon dioxide, nitrogen, bio-additives, etc., which, as a rule, worsen the combustion characteristics of fuel gas, and this happens to a greater extent, the higher ballast admixture content in fuel. This creates certain difficulties in the practical use of ballasted gases as fuel, to which are added two more circumstances: gases of different types and different fields have different ballast content; in many cases, the composition of gases can change over time; the gas-ballast mixture may exceed the concentration limits of combustion. This makes it impossible to burn gas-ballast mixtures using traditional technologies and burner devices. It is shown that a promising method of solving the problem of burning low-calorie alternative fuels, the composition of which exceeds the concentration limits of combustion, is the use of combined fuel supply, in which high-temperature stabilizing torches ignite low-calorie fuel. The method and constructions of stabilizer burner devices have been developed, which ensure an increase in the stability of the burning of ballasted fuel at a concentration of impurities from 0% to 100% (absence of fuel - supply of ballast). For this, a combined fuel supply is adopted, in which jets of low-reactivity fuel pass through high-temperature torches and a constant process of burning of both fuels occurs, regardless of the concentration of impurities from the ballasted fuel. The power of the burner is maintained due to the increase in fuel consumption, which is fed to the stabilizing torch. The stability and length of the total flame is determined by the characteristics of the ignition flame Three variants of stabilizer burner modules with different supply schemes of alternative and stabilizing fuels have been developed. A two-niche burner device has been developed and studied, in which, practically without changing the design, it is possible to adjust the characteristics of the stability and length of the torch depending on the operating conditions of the energy facility. The scientific novelty of the obtained results is that. - for the first time, the calculated estimate of the service life of high-temperature elements in stationary and variable modes was obtained, according to the developed program for determining the thermal and thermal-stressed state of high-temperature elements of power equipment in the ANSYS; - experimental data were supplemented and the possibility of adjusting the characteristics of the gas flow in the furnace space by changing the structural parameters of the stabilizer burners was shown; - the technology of burning ballasted low-reaction gas fuels in stabilizer burners was proposed for the first time; - models of stabilizer burners for burning alternative low-reactivity gas fuels were developed and researched for the first time; - received experimental data and obtained generalized dependencies regarding the characteristics of the working process of burning gases of different composition, which can significantly change during operation. Scientific novelty of the obtained results: - with the help of the Ansys Fluent software package for the first time the program for the definition of thermal and thermo-stressed conditions and for the estimation of the term of operation of high-temperature elements of the energy equipment when working in stationary and changing modes was developed; - the possibility of influencing on the characteristics of the gas flow in the furnace space by using stabilizer burner devices with a variable supply system of gas fuel and oxidizer is shown; - for the first time the design of the module of burner devices of the stabilizer type with the possibility of using alternative types of gas fuels was developed. Practical significance and implementation of research results: The proposed method of calculating of the thermal stress state allows determining the service life of power equipment elements under the conditions of high-temperature gas flow in variable modes; - the proposed method of regulating of the temperature field of the gas flow by changing the gas supply system and oxidizer in stabilizer burner devices makes it possible to reduce the thermal stress of high-temperature elements and increase their service life; - The introduction of the developed and researched sample of the stabilizer burner device will allow the effective use of alternative types of gas fuels. | |
| dc.format.extent | 172 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64802 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | пошкодження | |
| dc.subject | модель | |
| dc.subject | ремонт | |
| dc.subject | термін служби | |
| dc.subject | граничні умови | |
| dc.subject | газифікація | |
| dc.subject | котлоагрегат | |
| dc.subject | пальник | |
| dc.subject | струмінь | |
| dc.subject | газове паливо | |
| dc.subject | термонапруженість | |
| dc.subject | біомаса | |
| dc.subject | damage | |
| dc.subject | model | |
| dc.subject | repair | |
| dc.subject | service life | |
| dc.subject | boundary coditions | |
| dc.subject | gasification | |
| dc.subject | boiler | |
| dc.subject | burner | |
| dc.subject | jet | |
| dc.subject | gas fuel | |
| dc.subject | thermal stress | |
| dc.subject | biomass | |
| dc.subject.udc | 662.767.2 | |
| dc.title | Зниження термічних напружень і підвищення терміну служби елементів енергетичного обладнання шляхом використання стабілізаторних пальників | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: