Расчетно-экспериментальное исследование параллельной работы секций вакуумного конденсатора паротурбинной установки в условиях неравномерного теплосъема

Актуальность темы диссертационного исследования определяется магистральными направлениями развития энергетической отрасли народного хозяйства Российской Федерации в контексте национальных целей развития Российской Федерации на период до 2030 года и на перспективу до 2036 года, определенных Указом Президента Российской Федерации от 7 мая 2024 г. № 309, целями и задачами Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 9 июня 2020 г. № 1523-р. В этом аспекте особую актуальность приобретает решение комплекса научно-технических проблем, связанных с повышением эффективности отечественной теплоэнергетики и, в частности, действующих тепловых электрических станций (ТЭС). Как свидетельствует проведенный теоретический анализ специальной литературы и исследований, совершенствование работы конденсационных устройств паротурбинных установок (ПТУ) является одним из важных резервов повышения эффективности на ТЭС. Проектирование вакуумных конденсаторов паротурбинных установок осуществляется на расчетных условиях, когда все части конденсатора охлаждаются одинаково, расходы охлаждающей воды (воздуха – для воздушных конденсаторов) и присосы воздуха также одинаковы. Отклонение от расчетного режима работы может возникать по ряду причин, например, неравномерного охлаждения теплообменной поверхности конденсатора вследствие ее загрязнения, либо изменения характеристики вентилятора (в случае воздушных конденсаторов), наличия локальных присосов воздуха и пр. Поиск путей решения этих проблем основывается на различных способах: углубления вакуума при очистке теплообменных поверхностей конденсаторов от отложений; совершенствования системы отсоса паровоздушной смеси; повышение эффективности работы эжекторов. Теоретический анализ показал, что проблема работы конденсаторов на режимах неравномерного теплосъема недостаточно изучена, проведение специальных мероприятий по повышению эффективности работы достаточно трудоемко и требует значительных затрат. Особенно это существенно для воздушно – конденсационных установок с большим числом вентиляторов. Научной и научно-технической разработке вариантов и способов совершенствования работы конденсационных установок посвящено много работ российских и зарубежных ученых: Л.Д. Бермана, О. О. Мильмана, В.А. Федорова, Г.Г. Шкловера, Ю.М. Бродова, К.Э. Аронсона, И.И. Гогонина, В.И. Гомелаури, Г.И. Канюка, В. А. Меркулова, И.Б. Мурманского, M. Joviс, M. Lakovic, J. Bogdanovic–Jovanovic, M. Walker и других. В настоящем исследовании изучены особенности работы вакуумного конденсатора пара в условиях неравномерного теплосъема и предложен новый способ повышения его эффективности, основанный на внедрении системы дросселей в линию удаления ПВС перед газоудаляющим устройством в русле научной школы Заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, доктора технических наук, профессора О.О. Мильмана. Объект исследования – вакуумный конденсатор пара с газоудаляющим устройством. Предмет исследования - особенности работы вакуумных конденсаторов паротурбинных установок в условиях неравномерного теплосъема. Цель исследования – проведение расчетно – экспериментального исследования совместной работы конденсатора и газоудаляющего устройства в условиях неравномерного теплосъема и обоснование технических решений по повышению эффективности работы конденсационной установки. Задачи исследования: 1) проанализировать влияние различных видов неравномерности на эффективность конденсаторов паротурбинных установок; 2) провести расчетно-экспериментальное исследование эффективности применения дроссельных вставок в системе газоудаления паровоздушной смеси вакуумных конденсаторов с объемными газоудаляющими устройствами при неравномерном охлаждении теплообменной поверхности и наличия присосов воздуха в различных зонах; 3) экспериментально определить величину оптимального диаметра дросселей для исследуемой системы; 4) проанализировать полученные экспериментальные данные; 5) разработать и обосновать техническое решение по повышению эффективности работы системы удаления паровоздушной смеси из конденсатора на основе внедрения дроссельных вставок при совместной работе вакуумных конденсаторов и пароструйных эжекторов; 6) разработать рекомендации по расчету оптимального диаметра дросселей для многосекционных систем вакуумных конденсаторов, в том числе и воздушно – конденсационных установок с большим числом вентиляторов. Методология и методы исследования. В организации и проведении диссертационного исследования реализована методология системного подхода к исследованию сложных технических систем, позволяющая, в частности, в соответствии с объектом, предметом, целью и задачами исследования получить объективное знание о внутренних взаимосвязях параметров, процессов и характеристик совместной работы конденсатора и газоудаляющего устройства в условиях неравномерного теплосъема, о внешних связях данной технической системы, а также обосновать технические решения, необходимые и достаточные для повышения эффективности работы конденсационной установки. В процессе исследования использовались методы системного анализа, используемые при изучении и моделировании теплоэнергетических установок и систем. Научная новизна результатов исследования: – выполнен анализ работы секционных конденсаторов паротурбинных установок при условиях неравномерного теплосъема; – проведено экспериментальное исследование режимов работы макета вакуумного конденсатора пара при неравномерном охлаждении части теплообменной поверхности и наличия присосов воздуха в пар; – разработана технология повышения экономичности и надежности совместной работы вакуумных конденсаторов и пароструйных эжекторов, основанная на установке в линию эжектирования паровоздушной смеси дроссельных вставок; – экспериментально установлено наличие оптимального размера дроссельной вставки для заданных условий работы конденсатора; – разработана методика расчета оптимального диаметра дросселя для многосекционных конденсаторов. Теоретическая значимость исследования заключается в том, что результаты, полученные при её выполнении, вносят значительный вклад в понимание и теоретическое обоснование процессов работы конденсаторов паротурбинных установок в условиях неравномерного теплосъема и способа борьбы со снижением тепловой эффективности, возникающей вследствие неравномерного охлаждения и локальных присосов воздуха. Они могут быть использованы для: оценки влияния факторов неравномерности на показатели работы конденсационной установки; повышения эффективности работы конденсаторов при отклонении от расчетных условий. Практическая значимость диссертационного исследования состоит в том, что в диссертации разработаны новые технические решения, обеспечивающие повышение эффективности работы вакуумного конденсатора пара за счет внедрения дроссельных вставок в линию эжектирования ПВС. Предложенная методика позволяет рассчитать оптимальный диаметр дросселей для любых систем секционных вакуумных конденсаторов, в том числе и воздушно – конденсационных установок с большим числом секций. Основные результаты и выводы: 1) Выполнен анализ технической и патентной литературы в области эффективности работы вакуумных конденсаторов пара. Подтверждена актуальность исследований влияния неравномерности отвода тепла от различных частей конденсатора на его общие показатели, сформулированы цель и задачи диссертационной работы. 2) Рассмотрены основные причины и источники возникновения неравномерного теплосъема при работе конденсационных устройств с воздушным или водяным охлаждением. 3) Описаны основные характеристики многосекционного конденсатора пара для условий работы при неравномерном теплосъеме, а также их изменение при установке дросселей в линии удаления ПВС. 4) Разработана методика определения дополнительного объема паровоздушной смеси при неравномерном теплосъеме секций конденсатора пара ПТУ; введены обобщенные характеристики параметров для теплообменного модуля и дросселя. 5) Создан экспериментальный стенд для исследования макета конденсатора при неравномерном теплосъеме, приведено описание его элементов и принцип работы; разработаны методика проведения эксперимента и методика обработки полученных экспериментальных данных. 6) Выполнена оценка погрешности измерений: расход пара (критическое сопло) – 1.2%; расход охлаждающей воды (стандартные диафрагмы) – 1,5 %; расход воздуха через ротаметр – 1,5 %; давление пара– 0,2 %; перепад давлений на диафрагмах охлаждающей воды – 0,25 %; температура пара, конденсата, воздуха – 0,5°C. Для рабочих значений давления и температуры пара среднеквадратичное отклонение σ составило около 0,2%, и 0,03% соответственно. 7) Проведены экспериментальные исследования макета конденсатора из двух параллельных каналов при ухудшенном охлаждении одного из них, получены данные о положительном влияний дросселей, установленных за каждым каналом на линии эжектирования паровоздушной смеси, на работу системы. 8) Сделан вывод о том, что с увеличением неравномерности охлаждения макета конденсатора располагаемая разность температур Δ растет, и работа конденсатора ухудшается. В диапазоне изменения расходов охлаждающей воды одного из каналов от 100% до 50% рост Δ слабо выражен; при дальнейшем уменьшении расхода воды Δ начинает быстро возрастать. Например, при установке на макете конденсатора дросселей диаметром 3,5 мм и уменьшении расхода воды на первый канал до =11% располагаемый перепад температур в конденсаторе увеличивается не так сильно, как в вариантах без дросселей, и разница составляет 3,5°С для режимов без присосов воздуха и 2,8°С для режимов с моделированием присосов воздуха в конденсатор. 9) При моделировании присосов воздуха с массовой доле воздуха в паре от 0 до 1,6% в систему конденсатора в условиях неравномерного охлаждения =25% и установленных дросселях диаметром 3,5 мм располагаемая разность температур Δ уменьшается примерно на 1°С. 10) По результатам испытаний с дросселями, имевшими разные диаметры отверстий 2,7; 3,5; 4,9 мм, установлено наличие оптимального диаметра отверстия для данного макета секционного конденсатора в диапазоне 3 – 4 мм. 11) Расчет оптимального диаметра дросселя для многосекционного воздушного конденсатора пара из 10 секций по разработанной методике показал снижение расхода пара в эжектор на 35% относительно режима без дросселя при размере дросселя 100 мм. 12) Результаты данной работы вносят вклад в понимание процессов работы конденсационных установок ПТУ, в частности ВКУ, в условиях неравномерного теплосъема, возникающего вследствие неравномерного охлаждения из-за воздействия ветра, режимов работы вентиляторов и т.д. Они могут быть использованы для оценки влияния факторов неравномерности на показатели работы конденсационной установки и пути повышения эффективности работы конденсаторов. Достоверность результатов исследования обеспечена системным характером организации исследования, корректной постановкой цели и задач работы, личным участием соискателя в планировании эксперимента на всех его этапах и в обработке и интерпретации экспериментальных данных, использованием измерительных приборов, имеющих необходимый уровень точности в диапазоне измеряемых величин. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и получили высокую оценку профессионального сообщества на 12 международных и всероссийских научных и научно-технических конференциях: Седьмой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ– 7) (Москва, 2018 г.), III Всероссийской научной конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (Ялта, 2018 г), конференции Национального Комитета РАН по тепло – и массообмену «Фундаментальные и прикладные проблемы тепломассообмена», XXII Школе– семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Москва, 2019 г.), III международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (МЭИ, г. Москва, 2020 г.), V Всероссийской научной конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (Ялта, 2020 г.), XXIII Школе – семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Екатеринбург, 2021 г.), Международном симпозиуме «Устойчивая энергетика и энергомашиностроение – 2021: SUSE – 2021» (Казань, 2021 г.), Международной научно – практической конференции "Экология – Энергетика– Энергосбережение", посвященной 30 – летию со дня образования НПВП "Турбокон" (Калуга, 2021 г.); Восьмой Российской национальной конференции по тепломассообмену РНКТ–8 (МЭИ, 2022 г.); XXIV Школе – семинаре молодых учёных и специалистов «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Казань, 2023 г.). По материалам диссертации опубликовано около 20 работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах из Перечня ВАК по научной специальности 2.4.7 – Турбомашины и поршневые двигатели. 6 статей опубликованы в журналах, входящих в международные базы данных Scopus и Web of Science. Получен 1 патент РФ на полезную модель. Соответствие паспорту научной специальности. Диссертация является научно – квалификационной работой, соответствует паспорту специальности 2.4.7 – Турбомашины и поршневые двигатели: пункт 2 - Разработка физико – математических программ, цифровых двойников, методов экспериментальных исследований, теоретические и экспериментальные исследования с целью повышения эффективности, надежности и экологичности рабочих процессов турбомашин, поршневых двигателей, их систем и вспомогательного оборудования в составе объектов применения. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка (82 наименования). Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели и задачи работы, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов. В первой главе представлен обзор особенностей работы конденсационных установок и газоудаляющих устройств. Рассмотрены методы расчета основных теплофизических и гидравлических параметров конденсационной установки, приведены основные методики расчета коэффициента теплопередачи. Описаны причины возникновения неравномерного теплосъема в вакуумных конденсаторах пара паротурбинных установок и способы борьбы с ним. Во второй главе проанализированы основные источники и причины возникновения неравномерного теплосъема в конденсаторах. Отклонение от расчетного режима работы возникает по ряду причин, одна из которых загрязнения теплообменной поверхности (рис.2), разрушения части теплообменной поверхности или наличие локальных присосов воздуха, нарушение в распределении расхода охлаждающей среды. В третьей главе приведено описание экспериментального стенда макета вакуумного конденсатора пара, созданного на базе МНИЛ им. В.А. Федорова, методик проведения экспериментальных исследований, обработки данных и оценка погрешности. В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований влияния неравномерности охлаждения, расходов воздуха и размеров дросселей на параметры работы макета конденсатора пара. В пятой главе представлены результаты выполненного расчета многосекционного конденсатора пара с трехходовыми теплообменными модулями в условиях неравномерного теплосъема на основании методики, изложенной во второй главе. Приведен расчет выбора такого диаметра дросселя, чтобы в итоге получить более низкое давление конденсации при заданной неравномерности теплосъема в одном из модулей. В Заключении приводятся основные результаты и выводы, обозначаются перспективы дальнейшего научного поиска. Общий объём диссертации составляет 151 страницу, включая 47 рисунков, 15 таблиц и 13 страниц приложения.