Главная  —  Тесты  —  Тепловые

Тестирование барабанного блока 200 МВт.

В начало >>>

5. Опыты

5.1 Теплообмен от газов к металлу при опыте останова котла с последующим пуском из горячего состояния

Задачей этого опыта было показать, как моделируется газовый тракт котла.

Рассматривались параметры дымовых газов и металла в конвективном перегревателе котла 1-ой ступени.

На графиках можно увидеть, как в процессе опыта менялись следующие переменные:

BMAZSC – расход мазута в котел (кг/сек)
OXIG – содержание кислорода в уходящих газах (проценты)
FDI14M – расход пара с котла по нитке А (тон/час)
RA11T2 – температура острого пара в паропроводе острого пара за котлом (°С)
TGMKH1 – температура газов в КПП-1 (°С) (средняя)
KH1Tma – средняя температура металла теплообменников в районе КПП-1 (°С)
TZMKH1 – средняя температура загрязненной стенки теплообменников в районе КПП-1 (°С)
WGKH1 – скорость газового потока в районе КПП-1 (метр/сек)
ALKKH1 – коэффициент теплоотдачи конвекцией к чистому металлу (ккал/(м2×ч×°С))
KH1Nu – коэффициент кинематической вязкости газов КПП-1 (n×10⁶, м2/сек )
KH1Li – коэффициент теплопроводности для газов КПП-1(l×10², ккал/(м×час×°С)
KH1Pr – критерий Прандтля для газов в КПП-1
BLKH1 – степень черноты газового потока в районе КПП-1
ALLKH1 – коэффициент теплоотдачи излучением газов к чистому металлу (ккал/(м2×ч×°С))
ALGKH 1 – общий коэффициент теплоотдачи от газов к загрязненному металлу (ккал/(м 2×ч×°С))

Опыт был построен следующим образом. Сразу же после начала опыта сработала защита, которая остановила котел и турбину. Оператором была произведена вентиляция топки после останова, которая заняла около 10 минут. После этого блок был законсервирован с тем, чтобы сохранить тепло для последующего пуска.

Через 1 час после останова оператор начал пуск котла. В момент времени 1 час 3 минуты началась вентиляция топки перед розжигом. В 1 час 20 минут был осуществлен розжиг котла.

Опыт продолжался около 4 часов, хотя графики покрывают только первые 3 часа опыта.

Результаты опыта представлены 3 парами графиков, каждый из которых содержит по 5 переменных. В каждой паре рисунок с индексом a ) показывает изменение выбранных переменных в первые 90 минут опыта, а рисунок с индексом b ) показывает изменения тех же переменных в следующие 90 минут опыта.

Как изменялись выбранные переменные?

В процессе вентиляции топки после останова (время 1-10 минут) через котел проходило относительно много воздуха, необходимого для вентиляции. Массовый расход воздуха был даже несколько больше, чем расход воздуха в номинальном состоянии, однако скорость газов в районе КПП-1 ( WGKH 1) значительно упала по сравнению с номинальным значением: в процессе вентиляции топки скорость газов в районе КПП-1 ( WGKH 1) была около 2.6 метров в секунду (рисунок 1-б), в то время как при номинальной нагрузке котла скорость была равна 8.8 метров/секунду. Это обусловлено тем, что температура газов в районе КПП-1 (TGMKH1) в процессе вентиляции была значительно ниже, чем при номинальной нагрузке.

В это же время происходило следующее:

• температура газов в районе КПП-1 ( TGMKH 1) снизилась с номинального значения 1000 °С до значения примерно 220 °С и стабилизировалась (рисунок 1-а)
• средняя температура металла теплообменников в районе КПП-1 (KH1Tma) плавно падала с номинального значения 490 °С до 370 °С (рисунок 2-а)
• температура пленки загрязнения поверх чистого металла ( TZMKH 1) также падала, и все время была меньше температуры чистого металла (KH1Tma) - рисунок 2-а
• коэффициент кинематической вязкости газов в районе КПП (KH1Nu) упал с номинального значения 172.5 до 34 и стабилизировался (рисунок 2-а)
• коэффициент теплопроводности газов в районе КПП (KH1Li) упал с номинального значения 9.6 до 3.6 и стабилизировался (рисунок 3-а)
• критерий Прандтля для газов в КПП-1 (KH1Pr) вырос с номинального значения 0.58 до значения 0.66 (рисунок 3-а)
• коэффициент конвективной теплоотдачи (ALKKH1) упал с номинального значения 57 до значения 32;
• степень черноты газов в КПП-1 (BLKH1) упала с номинального значения 0.14 до значения 0.06, что соответствует отсутствию продуктов сгорания при температуре 200-250°С (рисунок 3-а)
• лучистый коэффициент теплоотдачи (ALLKH1) упал с номинального значения 33 практически до нуля
• общий коэффициент теплоотдачи (ALGK H 1) от газов к металлу с учетом загрязнения металла упал с номинального значения 57 до значения 20 (рисунок 3-а)

Коэффициент конвективной теплоотдачи зависит от коэффициента теплопроводности в первой степени и от частного при делении скорости газов на коэффициент кинематической вязкости в степени 0.65, кроме того он зависит еще и от критерия Прандтля в степени 0.33.

Попробуем на основе имеющихся графиков подтвердить, что в тестируемом тренажере коэффициент конвективной теплоотдачи рассчитывается по формуле:

Alfa = k×l×(w/n)^0.65×Pr^0.33

где k – постоянный коэффициент, зависящий от конструкции газохода КПП-1,
l - коэффициент теплопроводности газов
w – скорость газов
n - коэффициент кинематической вязкости газов
Pr - критерий Прандтля для газов

В номинальном состоянии имеем:

l×(w/n)^0.65×Pr^0.33=9.6×(8.8/172.5)^0.65×0.58^0.33=1.1593

Номинальное значение коэффициента конвективной теплоотдачи (ALKKH1) равно 57. Если наше предположение верно, то k=57/1.1593=49.2

Тогда наше предположение звучит так: в тестируемом тренажере коэффициент конвективной теплоотдачи рассчитывается по формуле:

Alfa = 49.2×l×(w/n)^0.65×Pr^0.33

Исходя из имеющихся на рисунках 1-3 данных, в момент времени 7 минут имеем:

49.2×l×(w/n)^0.65×Pr^0.33=49.2×3.7×(2.7/33)^0.65×0.665^0.33=31.3

На рисунке 2-а видим, что в момент времени 7 минут коэффициент конвективной теплоотдачи (ALKKH1) был примерно равен 32 – наше предположение подтверждается.

Продолжим анализ опыта.

Оператор закончил вентиляцию и закупорил котел для того, чтобы сохранить тепло для предстоящего пуска. Начался процесс естественного остывания.

При этом температура металла в районе КПП-1 (KH1Tma) стала уменьшаться очень медленно (рисунок 1-а), поскольку этот участок находится внутри котла, который был закупорен. В это же время температура пара в паропроводе острого пара ( RA11T 2) падала гораздо активней (рисунок 1-а), поскольку у паропровода есть потери тепла через изоляцию.

Отметим, что в это время температура загрязняющей пленки на поверхности металла РПП-1 (TZMKH1) сравнялась с температурой самого металла (KH1Tma) (рисунок 2-а).

Скорость газа в районе КПП-1 (WGKH1) упала практически до 0 (рисунок 1-а), в результате чего коэффициент конвективной теплоотдачи (ALKKH1) также значительно снизился (рисунок 2-а).Температура газов (TGMKH1) поднялась до 345°С (рисунок 1-а), а температура металла (KH1Tma) стала равна 350°С (рисунок 2-а) – при отсутствии расхода газов их температура становится равной температуре металла.

Коэффициент кинематической вязкости газов (KH1Nu) установился на новом значении чуть меньше 50, что также соответствует новой температуре газов 350°С.

Вслед за увеличением температуры газов:

• коэффициент теплопроводности газов (KH1Li) также увеличился до нового значения 4.5 (рисунок 3-а)
• критерий Прандтля для газов (KH1Pr) уменьшился до значения 0.65 (рисунок 3-а)

В момент времени 1 час оператор приступил к растопке котла.

В период времени от 1 час 5 минут до 1 час 15 минут производилась вентиляция котла перед растопкой. Эта вентиляция производилась при меньшем расходе воздуха по сравнению с вентиляцией в период с 1-ой по 10 минуты после остановки блока. В результате в процессе этой новой вентиляции:

• скорость газов в районе КПП-1(WGKH1) поднялась до 1.6 м/сек, в то время как во время первой вентиляции она была 2.6 м/сек (рисунок 2-а)
• температура газов в районе КПП-1 (TGMKH1) упала до уровня 250°С, но это выше чем при первой вентиляции, поскольку расход воздуха при второй вентиляции был меньше (рисунок 1-а)
• температура острого пара в паропроводе ( RA11T 2) стала уменьшаться более активно потому, что к процессу естественного остывания добавился процесс падения давления в паровом тракте котла в результате вентиляции (рисунок 1-а)
• температура металла КПП-1 (KH1Tma) стала снижаться более активно, поскольку в газоходе КПП-1 появился расход относительно холодного воздуха (рисунок 2-а)
• температура пленки загрязнения поверх чистого металла ( TZMKH 1) стала ниже температуры металл КПП-1а (KH1Tma) – рисунок 2-а
• все другие переменные также отреагировали реалистично

В момент времени 1 час 20 минут был произведен розжиг котла. Появился расход мазута в топку (B MAZSC ), содержание кислорода (OXIG) стало около 12 процентов. Появился расход пара с котла. Напомним, что в первой части опыта с одной стороны 2 раза проводилась вентиляция топки, а с другой стороны, в силу того, что котел был закупорен, не было расхода пара с котла. Как результат этих факторов, металл внутри обогреваемой зоны котла охладился значительно сильнее, чем металл необогреваемых паропроводов, охлаждение которых состояло только в естественном остывании. Поэтому перед началом растопки котла пар в необогреваемых паропроводах был значительно горячее пара внутри котла. В результате, как только после розжига котла появился расход в главный паропровод относительно холодного острого пара, то температура пара в паропроводе резко упала. Все эти явления хорошо видны на рисунке 2-а.

Кроме этого произошло следующее:

• в результате горения топлива температура газов в районе КПП-1 (TGMKH1) возросла до уровня 600°С (рисунок 2-б)
• вследствие повышения температуры газов (TGMKH1) и увеличения их количества возросла скорость газов (WGKH1) - рисунок 2-б
• как следствие главным образом повышения скорости газов, возрос коэффициент конвективной теплоотдачи (ALKKH1) – рисунок 2-б
• температура метала (KH1Tma) стала увеличиваться, при этом температура загрязняющей пленки на поверхности металла (TZMKH1) стала выше температуры металла – рисунок 2-б
• коэффициент кинематической вязкости газов (KH1Nu) увеличился вследствие увеличения температуры газов – рисунок 2-б
• изменилась чернота потока газов (BLKH1) вследствие того, что в дымовых газах появились продукты сгорания – рисунок 3-б
• как следствие главным образом изменения температуры газов (TGMKH1), возрос коэффициент лучистой теплоотдачи (ALLKH1) – рисунок 3-б
• коэффициент теплопроводности (KH1Li) и критерий Прандтля (KH1Pr) для газов отреагировали адекватно – рисунок 3-б

Давайте для момента времени 1 час 30 минут подсчитаем по графикам значение выражения

49.2×l×(w/n)^0.65×Pr^0.33=49.2×6.4×(2.2/90)^0.65×0.61^0.33=23.96

По графику на рисунке 2-б в это же время значение коэффициента конвективной теплоотдачи (ALKKH1) равно примерно 24. Таким образом, можно сделать теперь уже подтвержденный вывод, что в тестируемом тренажере коэффициент конвективной теплоотдачи от дымовых газов к металлу во всех режимах рассчитывается по формуле:

k×l×(w/n)^0.65×Pr^0.33

Стоит отметить, что при разработке тестируемого тренажера коэффициент k был определен не на основе наблюдения за поведением реального объекта, а по конструктивным данным котла. Существует специальная технология определения коэффициент k для перегревателя любого типа для котла любого типа. Российская фирма "Тренажеры для электростанций" владеет этой технологией.

Значительная часть приведенных здесь переменных не поддается аппроксимации и верификации по результатам проведения испытаний на реальном оборудовании просто потому, что эти переменные на реальном оборудовании не измеряются. В то же время для расчета теплообмена между дымовыми газами и металлом на основе фундаментальных физических законов и критериальных уравнений теплообмена некоторые из приведенных здесь переменных необходимы. Если разработчик тренажера не в состоянии продемонстрировать на достаточно сложных опытах реалистичные графики изменения большинства из представленных в этом тесте переменных, или их аналогов, то скорее всего, данный разработчик не применяет критериальных уравнений теплообмена для вычисления теплоотдачи от дымовых газов к металлу.

Выводы из данного опыта.

Тестируемый тренажер во всех режимах работы блока правильно рассчитывает:

1. температуру газов в газоходах котла
2. обогреваемые поверхности котла и его необогреваемые поверхности, без объединения этих поверхностей в единое целое
3. температуру металла теплообменников котла, при этом учитывается загрязнение металла отложениями продуктов сгорания
4. скорость движения дымовых газов в газоходах котла с учетом изменения температуры и расхода дымовых газов.
5. теплообмен от дымовых газов к металлу на основе критериальных уравнений теплообмена; аппроксимация не применяется

Рисунок 1-а

Рисунок 1-б

Рисунок 2-а

Рисунок 2-б

Рисунок 3-а

Рисунок 3-б

 
Дальше >>>

 
Опыт 5.2 >>>
Опыт 5.3 >>>
Опыт 5.4 >>>
Опыт 5.5 >>>
Заключение >>>