СОДЕРЖАНИЕSteam-, Gas-Turbine, and Combined-Cycle Power Installations, and Their Auxiliary Equipment Functioning Efficiency of Intermediate Coolers of Multistage Steam-Jet

СОДЕРЖАНИЕ

Номер 3, 2017

Общие вопросы энергетики

Комплексная оценка эффективных масштабов обновления тепловых электростанций при обосновании рациональной структуры генерирующих мощностей на перспективу до 2035 г.

Ф. В. Веселов, И. В. Ерохина, А. С. Макарова, А. А. Хоршев 5

Паротурбинные, газотурбинные, парогазовые установкии их вспомогательное оборудование

Эффективность функционирования промежуточных охладителей многоступенчатыхпароструйных эжекторов паровых турбин

К. Э. Аронсон, А. Ю. Рябчиков, Ю. М. Бродов, Н. В. Желонкин, И. Б. Мурманский 15

Модернизация пусковой схемы для снижения эрозии рабочих лопаток последних ступеней паровых турбин и предотвращения массовых обрывов стеллитовых пластин

В. В. Божко, А. В. Горин, И. В. Зайцев, И. А. Ковалёв, И. А. Носовицкий, В. Г. Орлик, С. Н. Ломагин, В. П. Чернов 22

Теплофикационные паровые турбины Siemens: новые решения

В. Ф. Касилов, С. В. Холодков 31

Энергосбережение, новые и возобновляемые источники энергии

Современная геотермальная энергетика: ГеоЭС с турбинами на геотермальном паре

Г. В. Томаров, А. А. Шипков 38

Оценка эффективности системы теплоснабжения на основе котельной и ветроустановки в условиях Севера

А. В. Бежан, В. А. Минин 51

Паровые котлы, энергетическое топливо, горелочные устройстваи вспомогательное оборудование котлов

Моделирование одностороннего нагрева цельносварных экранов паровых котлов

М. П. Курепин, М. Ю. Сербиновский 60

Оценка возможности перевода котлов ТП-108 на сжигание природного газа и мазута

А. Н. Тугов, В. М. Супранов, М. А. Изюмов, В. А. Верещетин, Ю. М. Усман, А. С. Натальин 68

Тепло- и массообмен, свойства рабочих тел и материалов

Газодинамические и силовые эффекты, связанные с твердотельной частичкой, в условиях ударной волны в воздухе

Л. Р. Обручкова, Э. Г. Балдина, В. П. Ефремов 77

Гидравлическое сопротивление плоских и кольцевых каналов с различной шероховатостью противоположных стенок

А. С. Корсун, К. В. Куценко, М. И. Писаревский, В. Н. Федосеев, Ю. Н. Балберкина 88

Водоподготовка и водно-химический режимКомплексные реагенты на основе аминов

С. Ю. Суслов, А. В. Кирилина, И. А. Сергеев, Т. В. Зезюля, Е. А. Соколова,Е. В. Еремина, Н. В. Тимофеев 92

Cдано в набор 16.01.2015 г. Подписано к печати 16.04.2015 г. Дата выхода в свет 30.06.2015 г. Формат 60 × 881/8Офсетная печать Усл. печ. л. 10.0 Усл. кр.-отт. 7.0 тыс. Уч.-изд. л. 10.0 Бум. л. 5.0

Тираж 666 экз. Зак. 275 Цена свободная

Учредители: Российская академия наук,Российское научно-техническое общество энергетиков и электротехников

Издатель: ООО МАИК “НАУКА/ИНТЕРПЕРИОДИКА”, 117997 Москва, Профсоюзная ул., 90Отпечатано в типографии ООО “Буки Веди”, 119415 Москва, просп. Вернадского, 37, корп. 1

Contents

Vol. 64, No. 3, 2017A simultaneous English language translation of this journal is available from Pleiades Publishing, Inc. Distributed worldwide by Springer. Thermal Engineering ISSN 0040-6015.

General Subjects of Power Engineering

Comprehensive Assessment of the Effective Scope of Modernization of Thermal Power Plantsto Substantiate the Rational Structure of the Generating Capacities for the Future until 2035

F. V. Veselov, I. V. Erokhina, A. S. Makarova, and A. A. Khorshev 5

Steam-, Gas-Turbine, and Combined-Cycle Power Installations, and Their Auxiliary Equipment

Functioning Efficiency of Intermediate Coolers of Multistage Steam-Jet Ejectors of Steam Turbines

K. E. Aronson, A. Yu. Ryabchikov, Yu. M. Brodov, N. V. Zhelonkin, and I. B. Murmanskii 15

Start-up Circuit Upgrading to Reduce the Erosion of the Rotor Blades of the Last Stagesof Steam Turbines and Prevent the Mass Strips of Stellite Plates

V. V. Bozhko, A. V. Gorin, I. V. Zaitsev, I. A. Kovalev, I. A. Nosovitskii, V. G. Orlik, S. N. Lomagin, and V. P. Chernov 22

Cogeneration Steam Turbines from Siemens: New Solutions V. F. Kasilov and S. V. Kholodkov 31

Energy Conservation, New and Renewable Energy Sources

Modern Geothermal Power: GeoPP with Geothermal Steam TurbinesG. V. Tomarov and A. A. Shipkov 38

Estimation of Efficiency of the Heat Supply System Based on a Boiler Houseand a Wind Turbine in the Northern Environment

A. V. Bezhan and V. A. Minin 51

Steam Boilers, Power-Generating Fuel, Burners, and Boiler Auxiliary Equipment

Simulation of One-Sided Heating of Boiler Unit Membrane-Type Water WallsM. P. Kurepin and M. Yu. Serbinovskiy 60

Assessment of the Potential for Conversion of TP-108 Boilers to Firing Natural Gas and Fuel Oil

A. N. Tugov, V. M. Supranov, M. A. Izyumov, V. A. Vereshchetin, Yu. M. Usman, and A. S. Natal’in 68

Heat and Mass Transfer and Properties of Working Fluids and Materials

Gas Dynamic and Force Effects of a Solid Particle in a Shock Wave in AirL. R. Obruchkova, E. G. Baldina, and V. P. Efremov 77

Hydraulic Resistance of Plane Channels and Annulus with Different Roughness on Opposite Walls

A. S. Korsun, K. V. Kutsenko, M. I. Pisarevsky, V. N. Fedoseev, and Y. N. Balberkina 88

Water Treatment and Water ChemistryComplex Amine-Based Reagents

S. Yu. Suslov, A. V. Kirilina, I. A. Sergeev, T. V. Zezyulya, E. A. Sokolova, E. V. Eremina, and N. V. Timofeev 92

Поправкак статье С. Е. Фрида, А. В. Арсатова, М. Ю. Ощепкова

“Технические решения для производства солнечных водонагревательных установок из полимерных композиционных материалов”, опубликованной

в № 6 журнала “Теплоэнергетика” за 2016 г.

Ссылку 1 к статье “Технические решения для производства солнечных водонагрева-тельных установок из полимерных композиционных материалов” (авторы: С. Е. Фрид,А. В. Арсатов, М. Ю. Ощепков) следует читать так:

1Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках ФЦП “Иссле-дования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологическогокомплекса России на 2014–2020 годы” (соглашение о предоставлении субсидии№ 14.607.21.0036, уникальный идентификатор RFMEFI60714X0036).

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА, 2017, № 3, с. 5–14

5

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНЫХ МАСШТАБОВ ОБНОВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ПРИ ОБОСНОВАНИИ

РАЦИОНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ГЕНЕРИРУЮЩИХ МОЩНОСТЕЙНА ПЕРСПЕКТИВУ ДО 2035 г.

© 2017 г. Ф. В. Веселовa, b, *, И. В. Ерохинаa, А. С. Макароваa, А. А. Хоршевa

aИнститут энергетических исследований РАН, 117186, Россия, Москва, Нагорная ул., д. 31, корп. 2bНациональный исследовательский университет “Высшая школа экономики”,

101000, Россия, Москва, Мясницкая ул., д. 20*е-mail: info@еriras.ru

Рассмотрена проблематика комплексного технико-экономического обоснования приоритетов имасштабов обновления действующих тепловых электростанций в России при разработке долго-срочных прогнозов развития отрасли. Проанализирована существующая ситуация с тенденциямиобновления мощности ТЭС. Представлены актуализированные исходные показатели капитальныхи эксплуатационных затрат и полученные оценки сравнительной эффективности разных типов ин-вестиционных решений по модернизации и замене оборудования на газомазутных и угольных ТЭСпо основным зонам национальной энергосистемы (ЕЭС России). На основе результатов вариант-ной оптимизации структуры генерирующих мощностей исследованы альтернативные стратегии об-новления ТЭС, различающиеся масштабами перехода на новые технологии, капиталоемкостью иэнергоэффективностью (снижением среднего удельного расхода топлива). Для их интегральнойэкономической оценки авторами модифицирован традиционный подход, основанный на опреде-лении суммарных дисконтированных затрат на энергоснабжение (least-cost planning), который до-полнен сопоставлением по средневзвешенной оптовой цене электроэнергии. Предложен методпрогнозирования оптовой цены исходя из прямого и двойственного решения оптимизационной за-дачи, адаптируемый к различным комбинациям механизмов оплаты электроэнергии и мощностина базе предельных и средних издержек. Энергоэкономический анализ показал, что изменение про-тивоположных по своему действию эффектов снижения капиталовложений и экономии топлива сростом масштабов перехода на более прогрессивные технологии производства электроэнергии наТЭС нелинейно. Таким образом, относительно суммарных затрат на энергоснабжение и оптовыхцен электроэнергии обосновано формирование рациональной стратегии обновления действующихэлектростанций, сочетающей в себе решения по модернизации и замене оборудования для действу-ющих электростанций разных типов, и приведены ее основные параметры на перспективу до 2035 г.

Ключевые слова: электроэнергетика, тепловые электростанции, модернизация, ресурс оборудова-ния, инвестиционные решения, эффективность, технико-экономическая оценкаDOI: 10.1134/S0040363617030109

В последние 5–7 лет произошло резкое усиле-ние инвестиционной активности в электроэнер-гетике России. Механизмы стимулирования ин-вестиций в виде договоров о предоставлениимощности позволили генерирующим компаниямреализовать несколько десятков инвестицион-ных проектов в теплоэнергетике с использовани-ем современного оборудования суммарной мощ-ностью около 20 млн кВт (при общем объеме вво-дов на ТЭС – 25 млн кВт) (табл. 1). Еще около5 млн кВт будет введено в период 2016–2018 гг.Около 50% этого объема приходится на новыеконденсационные энергоблоки; при этом около85% всей вводимой мощности ориентировано наиспользование газа.

Результатом масштабных инвестиций сталозаметное увеличение доли современного обору-дования в структуре ТЭС. Однако этот результатбыл достигнут в основном благодаря приростуновых, а не за счет обновления генерирующихдействующих мощностей. Как показано в табл. 1,за отчетную инвестиционную семилетку вводы наТЭС в 2.5 раза превысили объемы вывода из экс-плуатации существующего оборудования, а на га-зомазутных КЭС – в 7 раз.

В отличие от ценового стимулирования вводовновых мощностей, для действующих электро-станций были сформированы лишь минимальнонеобходимые экономические условия для под-

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭНЕРГЕТИКИ

14

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА № 3 2017

ВЕСЕЛОВ и др.

Comprehensive Assessment of the Effective Scope of Modernization of Thermal Power Plants to Substantiate the Rational Structure

of the Generating Capacities for the Future until 2035F. V. Veselova, b, *, I. V. Erokhinaa, A. S. Makarovaa, and A. A. Khorsheva

aInstitute for Energy Studies, Russian Academy of Sciences, Moscow, 117186 RussiabNational Research University Higher School of Economics, Moscow, 101000 Russia

*е-mail: info@еriras.ru

Abstract⎯The article deals with issues of technical and economic substantiation of priorities and scopes ofmodernizing the thermal power plants (TPPs) in service in Russia to work out long-term forecasts of the de-velopment of the industry. The current situation in the TPP modernization trends is analyzed. The updatedinitial figures of the capital and operation costs are presented and the obtained estimates of the comparativeefficiency of various investment decisions on modernization and equipment replacement at gas-and-oil-burning and coal-fired TPPs with regard to the main zones of the national Unified Power System (UPS) ofRussia are cited. The results of alternative optimization of the generating capacity structure underlie a studyof alternative TPP modernization strategies that differ in the scope of switching to new technologies, capitalintensity, and energy efficiency (decrease in the average specific fuel consumption). To provide an integraleconomic assessment of the above strategies, the authors modified the traditional approach based on deter-mination of the overall discounted costs of power supply (least-cost planning) supplemented with a compar-ison by the weighted average wholesale price of the electric energy. A method for prediction of the wholesaleprice is proposed reasoning from the direct and dual solutions of the optimization problem. The method canbe adapted to various combinations of the mechanisms of payment for the electric energy and the capacity onthe basis of marginal and average costs. Energy-efficiency analysis showed that the opposite effects of reduc-tion in the capital investment and fuel saving change in a nonlinear way as the scope of the switch to moreadvanced power generation technologies at the TPPs increases. As a consequence, a strategy for moderniza-tion of the operating power stations rational with respect to total costs of the power supply and wholesale pric-es for the electric energy has been formulated. The strategy combines decisions on modernization and re-placement of the equipment at the operating power stations of various types. The basic parameters of thestrategy for the future until 2035 are provided.

Keywords: electrical power generation, thermal power plants, modernization, service life of the equipment,investment decisions, efficiency, assessment of the technical and economic feasibility


15

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ОХЛАДИТЕЛЕЙ МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ ПАРОСТРУЙНЫХ

ЭЖЕКТОРОВ ПАРОВЫХ ТУРБИН1

© 2017 г. К. Э. Аронсон*, А. Ю. Рябчиков, Ю. М. Бродов, Н. В. Желонкин, И. Б. МурманскийУральский федеральный университет, 620002, Россия, г. Екатеринбург, ул. Мира, д. 19, а/я 3а

*е-mail: [email protected]

Представлен анализ конструктивного исполнения различных типов промежуточных охладителеймногоступенчатых пароструйных эжекторов, а также приведены оценки тепловой эффективности игазодинамического сопротивления охладителей. На основе результатов испытаний эжекторов полу-чены данные о количестве пара, конденсирующегося из паровоздушной смеси в охладителе I ступениэжектора. Установлено, что доля сконденсировавшегося в охладителе пара составляет 0.6–0.7 и прак-тически не зависит от давления рабочего пара (и, следовательно, расхода пара в охладитель) и количе-ства воздуха в паровоздушной смеси. Предложено оценивать долю конденсирующегося пара в охла-дителе I ступени на основе сопоставления расчетной и экспериментальной характеристик II ступени.Проведенные с учетом данной гипотезы расчеты для основных типов серийных многоступенчатыхэжекторов показывают, что в охладителе I ступени должно конденсироваться от 0.60 до 0.85 ко-личества пара, поступающего в охладитель. Для эжекторов с охладителями типа “труба в трубе”(ЭПО-3-200) и винтового (ЭО-30) доля сконденсировавшегося пара может достигать 0.93–0.98.Оценка газодинамического сопротивления охладителей показывает, что в охладителях со встроен-ным и выносным трубным пучком сопротивление с паровой стороны составляет 100–300 Па. Газо-динамическое сопротивление охладителей типа “труба в трубе” и винтового существенно (в 3–6 раз) выше, чем охладителей с трубным пучком. Однако производительность по “сухому” (атмо-сферному) воздуху при условии приблизительно одинаковых значений расходов рабочего параэжекторов с относительно высоким газодинамическим сопротивлением охладителей выше, чемэжекторов с невысоким сопротивлением.

Ключевые слова: эжектор, ступень, охладитель, характеристики, конденсация, потери давленияDOI: 10.1134/S0040363617030018

В последнее время с учетом потребностейрынка турбостроительные заводы России вынуж-дены расширять номенклатуру разрабатываемых(проектируемых) паровых турбин для использо-вания их в таких технологических системах, какпарогазовые, геотермальные, транспортные уста-новки и др. [1, 2]. Среди вспомогательного обору-дования вновь создаваемых турбин важное местозанимают эжекторы, обеспечивающие надежноеи эффективное функционирование работающихпод разрежением элементов турбоустановок.

Применяя активно развивающиеся в послед-нее время расчетные и экспериментальные сред-ства для разработки элементов энергетическогооборудования, можно улучшить характеристикиспроектированных в 60–70-х годах прошлого ве-ка многоступенчатых пароструйных эжекторов, втом числе отдельных элементов их конструкций.

Благодаря тому что промежуточные охладите-ли многоступенчатых пароструйных эжекторов

предназначены для конденсации пара, выходя-щего из ступеней пароструйных аппаратов, мож-но достичь высокой производительности эжекто-ров. В известных публикациях [3–5] эффектив-ность промежуточных охладителей определяласьтолько при проведении конструкторских расче-тов многоступенчатых эжекторов путем вычисле-ния коэффициента теплопередачи, фактическоеже влияние пароструйных аппаратов в методикахрасчета охладителей не учитывалось [5–8]. Припостроении эксплуатационных характеристикэжекторов для различных температур охлаждаю-щей воды на входе в охладитель влияние эффек-тивности промежуточных охладителей на длинурабочей характеристики I ступени (производи-тельность) эжектора не учитывается [3–5].

В данной статье изложены некоторые представ-ления авторов об особенностях функционированияпромежуточных охладителей многоступенчатыхэжекторов, сформулированные на основе их рас-четных и экспериментальных исследований.Эффективность функционирования охладите-лей определяется по доле пара (от его количества

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Правитель-ства РФ (постановление № 211, контракт № 02.А03.21.0006).

ПАРОТУРБИННЫЕ, ГАЗОТУРБИННЫЕ, ПАРОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИИ ИХ ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ


ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ОХЛАДИТЕЛЕЙ 21

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Паровые турбины и турбоустановки Уральского

турбинного завода / Г.Д. Баринберг, Ю.М. Бродов,А.А. Гольдберг, Л.С. Иоффе, В.В. Кортенко, В.Б. Но-воселов, Ю.А. Сахнин. Екатеринбург: Априо, 2010.

2. Федоров В.А., Мильман О.О. Конденсаторы паро-турбинных установок. М.: МГТУ им. Н.Э. Баума-на, 2013.

3. Шкловер Г.Г., Мильман О.О. Исследование и рас-чет конденсационных установок паровых турбин.М.: Энергоатомиздат, 1985.

4. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты.М.: Энергоатомиздат, 1989.

5. РД 34.30.105. Методические указания по расчету ипроектированию пароструйных эжекторов кон-денсационных установок турбин ТЭС и АЭС. М.:Минэнерго СССР, 1985.

6. Берман Л.Д., Фукс С.Н. Расчет поверхностныхтеплообменных аппаратов для конденсации параиз паровоздушной смеси // Теплоэнергетика. 1959.№ 7. С. 74–84.

7. Шкловер Г.Г. Расчет пароструйного эжектора сучетом конденсации пара в промежуточном охла-дителе // Энергомашиностроение. 1968. № 12.С. 19–21.

8. Сысоева В.А. К расчету охладителей эжекторов //Теплоэнергетика. 1972. № 7. С. 8–11.

9. Берман Л.Д., Зингер Н.М. Воздушные насосы кон-денсационных установок паровых турбин. М.; Л.:Госэнергоиздат, 1962.

10. РД 34.30.302-87. Методические указания по испы-танию и эксплуатации пароструйных эжекторовконденсационных установок турбин ТЭС и АЭС.М.: Минэнерго СССР, 1990.

11. Повышение эффективности и надежности тепло-обменных аппаратов паротурбинных установок /Ю.М. Бродов, К.Э. Аронсон, В.И. Брезгин,С.Н. Блинков, В.К. Купцов, М.А. Ниренштейн,П.Н. Плотников, А.Ю. Рябчиков, С.И. Хает,Д.В. Брезгин, Н.В. Желонкин / под общ. ред.Ю.М. Бродова. Екатеринбург: ООО УИПЦ, 2012.

12. Теплообменные аппараты технологических под-систем турбoустановок // Энциклопедия. Ма-шиностроение. Т. IV-10; под ред. Ю.М. Бродова,О.О. Мильмана, В.Е. Михайлова, В.А. Рассохина,Л.А. Хоменка. М.: Инновационное машино-строе-ние, 2016.

13. Миропольский З.Л., Шнеерова Р.И. Теплоотдачапри конденсации перегретого и насыщенного паравнутри труб // Теплообмен. Советские исследова-ния. М.: Наука, 1974. С. 298–304.

14. А. с. № 2016611885 РФ. Программный комплексдля ЭВМ “Конструкторский и поверочный расчетпароструйных эжекторов” / К.Э. Аронсон, И.Б. Мур-манский, Д.В. Брезгин, А.Ю. Рябчиков, А.А. Чуба-ров, Ю.М. Бродов // Открытия. Изобретения. 2016.№ 3.

15. Шкловер Г.Г., Росинский А.З., Герасимов А.В. Без-размерные характеристики пароструйных эжекто-ров КТЗ // Теплоэнергетика. 1966. № 9. С. 42–48.

Functioning Efficiency of Intermediate Coolers of Multistage Steam-Jet Ejectors of Steam Turbines

K. E. Aronson*, A. Yu. Ryabchikov, Yu. M. Brodov, N. V. Zhelonkin, and I. B. MurmanskiiUral State University, Yekaterinburg, 620002, Russia

*е-mail: [email protected]

Abstract—Designs of various types of intermediate coolers of multistage ejectors are analyzed and thermal ef-fectiveness and gas-dynamic resistance of coolers are estimated. Data on quantity of steam condensed fromsteam-air mixture in stage I of an ejector cooler was obtained on the basis of experimental results. It is estab-lished that the amount of steam condensed in the cooler constitutes 0.6–0.7 and is almost independent of op-erating steam pressure (and, consequently, of steam flow) and air amount in steam-air mixture. It is suggestedto estimate the amount of condensed steam in a cooler of stage I based on comparison of computed and ex-perimental characteristics of stage II. Computation taking this hypothesis for main types of mass producedmultistage ejectors into account shows that 0.60–0.85 of steam amount should be condensed in stage I of thecooler. For ejectors with “pipe-in-pipe” type coolers (EPO-3-200) and helical coolers (EO-30), amount ofcondensed steam may reach 0.93–0.98. Estimation of gas-dynamic resistance of coolers shows that resistancefrom steam side in coolers with built-in and remote pipe bundle constitutes 100–300 Pa. Gas-dynamic resis-tance of “pipe-in-pipe” and helical type coolers is significantly higher (3–6 times) compared with pipe bun-dle. However, performance by “dry” (atmospheric) air is higher for ejectors with relatively high gas-dynamicresistance of coolers than those with low resistance at approximately equal operating f low values of ejectors.

Keywords: ejector, stage, cooler, characteristics, condensation, pressure losses


22

МОДЕРНИЗАЦИЯ ПУСКОВОЙ СХЕМЫ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ЭРОЗИИ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ПОСЛЕДНИХ СТУПЕНЕЙ ПАРОВЫХ ТУРБИН

И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ МАССОВЫХ ОБРЫВОВСТЕЛЛИТОВЫХ ПЛАСТИН1

© 2017 г. В. В. Божкоa, А. В. Горинa, И. В. Зайцевa, И. А. Ковалёвa, И. А. Носовицкийa,В. Г. Орлик a, *, С. Н. Ломагинb, В. П. Черновс

aНаучно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудованияим. И.И. Ползунова (НПО ЦКТИ), 191167, Россия, Санкт-Петербург, Атаманская ул., д. 3/6

bФилиал ОАО “Генерирующая компания” Заинская ГРЭС, 423520, Россия, Республика Татарстан, г. Заинск, а/я 34сФилиал ПАО “Интер РАО” Черепетская ГРЭС, 301430, Россия, Тульская обл., г. Суворов, ул. Н. Островского, д. 1а

*e-mail: [email protected]

При пусках турбины на малых расходах пара в режиме холостого хода лопатки ротора низкого дав-ления потребляют энергию, вызывая вентиляционный нагрев ступеней и создавая в них более глу-бокое разрежение, чем в конденсаторе. Это приводит к обратным токам пара в выхлопе цилиндранизкого давления (ЦНД), снижающим нагрев из-за влаги пусковых сбросов и охладительныхвпрысков. Показано, что в результате модернизации с переходом на цельнофрезерованные бандаж-ные полки рабочих лопаток снижается разрежение в ступенях и уменьшается эффективность ихохлаждения из-за устранения упругого разворота лопаток под действием центробежных сил иуплотнения их по периферии. Нагрев рабочих лопаток последних ступеней превышает температур-ный порог стойкости пайки стеллитовых пластин (150°С), и начинаются их массовые обрывы.Предложена, внедрена и испытана на действующем энергоблоке пусковая схема, обеспечивающаякак удержание температуры последних ступеней ниже порога стойкости пайки вследствие пере-увлажнения сбросов до состояния насыщения, так и высокую степень удаления из сбросного параизбыточной эрозионно-опасной капельной влаги. Инвестиции в разработку и внедрение новойпусковой схемы окупаются в течение года благодаря гарантированному предотвращению обрывовстеллитовых пластин, повышающему ресурс рабочих лопаток последних ступеней, а также увеличе-нию лопаточного КПД вследствие резкого снижения эрозионного износа профилей и уменьшенияих поверхностной шероховатости. Это сокращает годовой расход условного топлива примерно на1000 т на каждые 100 МВт установленной мощности.

Ключевые слова: паровая турбина, последняя ступень, рабочая лопатка, каплеударная эрозия, стел-литовые пластины, пайка, ресурс, КПД, пусковые сбросы пара, модернизация, сепарация, инве-стиции, окупаемостьDOI: 10.1134/S004036361703002X

Самые распространенные турбины Ленин-градского металлического завода (ЛМЗ) типаК-200-12.8 и К-300-23.5 были спроектированы вконце 50-х годов для длительной работы в базо-вом режиме, при котором эрозионная опасностьопределяется конечной влажностью пара, наи-более высокой в турбинах сверхкритическогодавления. В турбинах мощностью 300 МВт прирасчетной нагрузке она достигает примерно12%, а в более мощных и экономичных турбинахона еще выше.

ПРИМЕНЕНИЕ СТЕЛЛИТОВЫХ ПЛАСТИН КАК ПРОТИВОЭРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ

ЛОПАТОК ПАРОВЫХ ТУРБИН

В течение многих десятилетий в мировом иотечественном паротурбостроении в качестве на-дежного средства защиты от каплеударной эро-зии используются пластины из кобальтовогосплава стеллит, припаянные к рабочим лопаткамсеребряным припоем [1]. По сопротивлению эро-зионному износу стеллит на порядок превосходитизвестные лопаточные стали и до сих пор остает-ся наиболее стойким из всех лопаточных матери-алов не только к каплеударному усталостному на-гружению, но и к коррозионному воздействию

1 Работа профинансирована ОАО “Генерирующая компа-ния”, Татарстан (договор № Д301-257, 08.06.2011), и Фон-дом “Энергия без границ” (договор № 2013-ИРАО-2.55,09.12.2013).


30


БОЖКО и др.

Start-up Circuit Upgrading to Reduce the Erosion of the Rotor Blades of the Last Stages of Steam Turbines and Prevent the Mass Strips of Stellite Plates

V. V. Bozhkoa, A. V. Gorina, I. V. Zaitseva, I. A. Kovaleva, I. A. Nosovitskiia, V. G. Orlika,*,S. N. Lomaginb, and V. P. Chernovc

aPolzunov Scientific and Development Association on Research and Design of Power Equipment (NPO TsKTI),St. Petersburg, 191167 Russia

bBranch of OAO Generating Company, Zainskaya State District Power Plant, Zainsk, 423520 Tatarstan, RussiacBranch of PAO Inter RAO, Cherepetskaya State District Power Plant, Suvorov, Tula oblast, 301430 Russia


Abstract⎯At turbine starts with low steam flow rates in idle mode, the low-pressure rotor blades consumeenergy, causing the ventilation heating of the stages and creating higher depression in them than in thecondenser. This leads to the return steam flows in the exhaust of the low-pressure cylinder (LPC), reducingthe heat due to the moisture of starting steam damps and cooling injections. It is shown that, as a result ofupgrading with the transition to fully milled shroud platforms of rotor blades, the depression in the stagesdecreases and their cooling efficiency is reduced due to the removal of an elastic turn of the rotor blades underthe action of centrifugal forces and seal of them by periphery. Heating the rotor blades of the last stagesexceeds the temperature threshold of soldering resistance of stellite plates (150°C), and their mass stripsbegin. The start-up circuit providing both the temperature retention of the last stages lower the solderingresistance threshold due to overwetting the steam damps up to saturation condition and the high degree ofremoval from the dump steam of excessive erosive-dangerous condensed moisture was proposed, applied,and tested at the operating power unit. The investment in the development and application of the new start-up circuit are compensated in the course of a year owing to guaranteed prevention of the strips of stellite platesthat lengthens the service life of the rotor blades of the last stages as well as increase of the rotor blade effi-ciency due to the sharp decrease of erosive wear of the profiles and reduction of their surface roughness. Thisreduces the annual consumption of equivalent fuel by approximately 1000 t for every 100 MW of installedcapacity.

Keywords: steam turbine, last stage, rotor blade, drop-impingement erosion, stellite plates, soldering, servicelife, efficiency, starting steam damp, upgrading, separation, investment, payback


31

ТЕПЛОФИКАЦИОННЫЕ ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ SIEMENS:НОВЫЕ РЕШЕНИЯ

© 2017 г. a, С. В. Холодковb, *aНациональный исследовательский университет “Московский энергетический институт”,

111250, Россия, Москва, Красноказарменная ул., д. 14bООО “Сименс”, 115184, Россия, Москва, Большая Татарская ул., д. 9


Представлена система проектирования и изготовления паровых турбин компании Siemens AG, на-зываемая “улучшенной платформой” (Enhanced Platform). В основу этой системы заложен ком-плекс организационно-технологических мероприятий, позволяющих создавать из стандартныхкомпонентов паротурбинные агрегаты различных типов электрической мощностью до 250 МВт.Особое внимание в процессе проектирования на основе Enhanced Platform уделяется показателямэкономичности, надежности и маневренности турбоагрегатов, а также увеличению межремонтногопериода и сокращению производственных затрат. Рассмотрены особенности конструкций паровыхтурбин SST-700 и SST-900. Турбина SST-700 применяется в паротурбинных установках (ПТУ) с про-тиводавлением или как цилиндр высокого давления (ЦВД) при формировании компоновки двух-цилиндровой конденсационной турбины с промежуточным перегревом пара. Показана конструк-ция одноцилиндровой турбины SST-700 с корпусом без горизонтального разъема, позволяющая по-высить маневренность турбоагрегата. Турбина SST-900 может быть использована в качествекомбинированного цилиндра среднего и низкого давления (ЦСНД) в паротурбинных и парогазо-вых энергоблоках с промежуточным перегревом пара. Приведены компоновки турбоагрегатов наоснове комбинации турбин SST-700 и SST-900, а также SST-500 и SST-800. Примерами такой ком-бинации являются соответственно парогазовые установки ПГУ-410 с конденсационной турбиной иПГУ-420 с теплофикационной турбиной. В состав основного оборудования ПГУ-410 входят газо-турбинная установка (ГТУ) SGT5-4000F и ПТУ, включающая в себя турбины SST-700 и SST-900RH.В паротурбинной части теплофикационного энергоблока ПГУ-420 реализована одновальная ком-поновка турбоагрегата с двумя турбинами SST-800 и одной турбиной SST-500, обеспечивающими вконденсационном режиме эксплуатации электрическую мощность Nэ ПТУ = 150 МВт.

Ключевые слова: Siemens AG, промышленная паровая турбина, турбины SST-700 и SST-900, компо-новка паротурбинных агрегатов, парогазовый энергоблок, тепловая схема паротурбинной установкиDOI: 10.1134/S0040363617030043

В. Ф. Касилов

За два последних десятилетия заметный вкладв развитие и модернизацию теплоэнергетики инекоторых других отраслей промышленностиРоссии внесли турбоустановки, спроектирован-ные на основе ГТУ и паровых турбин компанииSiemens AG (далее – Siemens). На рис. 1 приведе-ны реализуемые диапазоны электрической мощ-ности модельного ряда промышленных паровыхтурбин Siemens [1]. Сведения об использованиитурбин на электростанциях России и особенно-стях конструкций турбин SST-300, SST-500,SST-600 и SST-800, при проектировании и изго-товлении которых применяется система, называ-емая Enhanced Platform, представлены в [2].

Технологическая система Enhanced Platformосновывается на комплексе организационно-тех-нологических мероприятий, позволяющих созда-вать паротурбинные агрегаты электрическоймощностью до 250 МВт. При этом возможно из-

готовление паровых турбин различных типов синдивидуальным исполнением из стандартныхкомпонентов, представляющих собой набор раз-


Рис. 1. Модельный ряд промышленных паровых тур-бин Siemens

0.5 1 2 3 5 7 10 15 20 30 50 75 100 200 250SST-060 6SST-100SST-110 7SST-111SST-150SST-200 10SST-300 50SST-400SST-500 100SST-600 200SST-700 175SST-800 200SST-900 180

65

8.5

12

Модель Мощность, МВт

20


ТЕПЛОФИКАЦИОННЫЕ ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ SIEMENS 37

Cogeneration Steam Turbines from Siemens: New Solutionsa and S. V. Kholodkovb,*

aMoscow Power Engineering Institute (MPEI, National Research University), Moscow, 111250 RussiabООО Siemens, Moscow, 115184 Russia


Abstract⎯The Enhanced Platform system intended for the design and manufacture of Siemens AG turbinesis presented. It combines organizational and production measures allowing the production of various types ofsteam-turbine units with a power of up to 250 MW(el) from standard components. The Enhanced Platformdesigns feature higher efficiency, improved reliability, better f lexibility, longer overhaul intervals, and lowerproduction costs. The design features of SST-700 and SST-900 steam turbines are outlined. The SST-700 tur-bine is used in backpressure steam-turbine units (STU) or as a high-pressure cylinder in a two-cylinder con-densing turbine with steam reheat. The design of an SST-700 single-cylinder turbine with a casing withouthorizontal split featuring better f lexibility of the turbine unit is presented. An SST-900 turbine can be used asa combined IP and LP cylinder (IPLPC) in steam-turbine or combined-cycle power units with steam reheat.The arrangements of a turbine unit based on a combination of SST-700 and SST-900 turbines or SST-500 andSST-800 turbines are presented. Examples of this combination include, respectively, PGU-410 combined-cycle units (CCU) with a condensing turbine and PGU-420 CCUs with a cogeneration turbine. The mainequipment items of a PGU-410 CCU comprise an SGT5-4000F gas-turbine unit (GTU) and STU consistingof SST-700 and SST-900RH steam turbines. The steam-turbine section of a PGU-420 cogeneration powerunit has a single-shaft turbine unit with two SST-800 turbines and one SST-500 turbine giving a power outputof Nel. STU = 150 MW under condensing conditions.

Keywords: Siemens AG, industrial steam turbine, SST-700 and SST-900 turbines, steam-turbine unit ar-rangement, combined-cycle power unit, thermal cycle of steam-turbine unit

V. F. Kasilov


38

СОВРЕМЕННАЯ ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА:ГеоЭС С ТУРБИНАМИ НА ГЕОТЕРМАЛЬНОМ ПАРЕ

© 2017 г. Г. В. Томаров, А. А. ШипковООО “Геотерм-ЭМ”, 111250, Россия, Москва, ул. Лефортовский Вал, д. 24

e-mail: [email protected]

В первой части обзора представлены сведения о масштабах и особенностях развития геотермальнойэнергетики в различных странах мира. Предложена классификация технологических схем геотер-мальных электростанций (ГеоЭС) по фазовому состоянию первичного источника тепла (геотер-мального теплоносителя), термодинамическому циклу и применяемым турбинам. Рассмотреныособенности геотермальных электростанций с использованием сепарата и пара вторичного вскипа-ния в технологическом контуре, а также технологическая схема и термодинамический процесс пре-образования тепловой энергии геотермального флюида в электроэнергию на ГеоЭС наиболее рас-пространенного сегодня типа double-flash – с двумя давлениями сепарации. Показано, что удельнаямощность на единицу расхода геотермального теплоносителя энергоблоков с комбинированнымциклом на 20–25% превышает этот показатель на традиционных одноконтурных ГеоЭС. Дана ин-формация об основных химических компонентах и диапазонах их концентрации в геотермальномфлюиде различных месторождений мира. Определены три исторических этапа совершенствованиягеотермальных энерготехнологий, характеризующихся освоением геотермальных высокотемпера-турных ресурсов сухого (перегретого) пара, использованием двухфазного влажно-парового геотер-мального теплоносителя в энергоблоках ГеоЭС с одним или двумя давлениями расширения и разви-тием ГеоЭС с установками бинарного цикла. Отмечается современная тенденция более активногоприменения бинарных энергоустановок в технологических схемах геотермальных электростанций.Рассмотрены конструктивные особенности паротурбинных установок и сепарационных устройствГеоЭС, которые обусловлены использованием низкопотенциального геотермального насыщенногопара в качестве рабочей среды, отличающейся коррозионной агрессивностью и склонностью к обра-зованию отложений. Определены наиболее перспективные российские геотермальные энергетиче-ские проекты. Сформулирован перечень современных передовых технологий повышения эффек-тивности геотермальных турбоустановок. На примере конструкции паровой турбины, изготовлен-ной ОАО “Калужский турбинный завод” мощностью 25 МВт, показаны преимущества применениявнутриканальной сепарации влаги с использованием специальной турбинной ступени-сепаратора.

Ключевые слова: геотермальный теплоноситель, геотермальная электростанция, технологическаясхема, геотермальная турбоустановка, сепаратор, ГеоЭС с одним давлением сепарации, ГеоЭС сдвумя давлениями сепарации, химический состав геотермального теплоносителяDOI: 10.1134/S0040363617030080

Около 99% объема Земли имеет температуруболее 1000°С и только 0.1% – менее 100°С. Техни-ческий потенциал геотермальных ресурсов, при-годных для производства электроэнергии, равен118 ЕДж/год на глубине до 3 км и 1.1 ЕДж/год – до10 км. Геотермальные ресурсы, представляющиесобой теплоноситель в виде пара или воды, ис-пользуются для электрогенерации и теплопо-требления [1, 2]. Основные конкурентные пре-имущества геотермальной энергетики по сравне-нию с другими возобновляемыми источникамиэнергии:

высокий коэффициент использования установ-ленной мощности и возможность производстваэлектроэнергии при низкой ее себестоимости;

отсутствие влияния климатических условий наэксплуатацию ГеоЭС;

высокая экологичность (отсутствуют выбро-сы СО2).

ГЕОГРАФИЯ И МАСШТАБЫ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

К 2015 г. геотермальная энергия использоваласьв электрогенерирующих технологиях в 51 стране[3]. С 2010 г. суммарная установленная мощностьгеотермальных электростанций возросла на 16%и составляла 12635 МВт (эл.) с ежегодной выра-боткой 73549 ГВт · ч. Распределение общей уста-новленной мощности ГеоЭС по странам, в том

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ,НОВЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

50


ТОМАРОВ, ШИПКОВ

Modern Geothermal Power: GeoPP with Geothermal Steam TurbinesG. V. Tomarov and A. A. Shipkov

OOO Geoterm-EM, Moscow, 111250 Russiae-mail: [email protected]

Abstract⎯The first part of the review presents information on the scale and specific features of geothermalenergy development in various countries. The classification of geothermal power plant (GeoPP) flowsheetsby a phase state of the primary heat source (a geothermal f luid), thermodynamic cycle, and applicable tur-bines is proposed. Features of geothermal plants using methods of f lashing and steam separation in the pro-cess loop and a f lowsheet and thermodynamic process of a geothermal f luid heat-to-power conversion in aGeoPP of the most widespread type using a double-flash separation are considered. It is shown that, for com-bined cycle power units, the specific power-to-consumption geothermal f luid ratio is 20–25% higher thanthat for traditional single-loop GeoPP. Information about basic chemical components and their concentra-tion range for geothermal f luids of various formations around the world is presented. Three historic stages ofimproving geothermal energy technologies are determined, such as development of high-temperature geo-thermal resources (dry, superheated steam) and application of a two-phase wet-steam geothermal f luid inGeoPP power units with one or two expansion pressures and development of binary cycle GeoPPs. A currenttrend of more active use of binary power plants in GeoPP technological processes is noted. Design featuresof GeoPP’s steam turbines and steam separating devices, determined by the use of low-potential geothermalsaturated steam as a working medium, which is characterized by corrosion aggressiveness and a tendency toform deposits, are considered. Most promising Russian geothermal energy projects are determined. A list oftoday’s most advanced geothermal turbine performance technologies is presented. By an example of a 25 MWsteam turbine design, made by JSC Kaluga Turbine Works, advantages of the internal moisture separationwith a special turbine-separator stage are shown.

Keywords: geothermal f luid, geothermal power plant, f lowsheet, geothermal turbine, separator, single-flashGeoPP, double-flash GeoPP, geothermal f luid chemical composition


51

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯНА ОСНОВЕ КОТЕЛЬНОЙ И ВЕТРОУСТАНОВКИ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА

© 2017 г. А. В. Бежан*, В. А. Минин**Центр физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН,

184209, Россия, Мурманская область, г. Апатиты, ул. Ферсмана, д. 14* e-mail: [email protected]

** e-mail: [email protected]

Описывается методический подход к определению температуры воздуха внутри зданий, теплоснаб-жение которых обеспечивается энергокомплексом котельная + ветроэнергетическая установка(ВЭУ). Рассмотрен вариант теплоснабжения жилого дома в ветровых условиях г. Мурманска. Пока-зано, что в периоды с сильным ветром ВЭУ сможет в значительной мере или полностью обеспечитьпотребности в тепле, а иногда даже создать избыток энергии. При маловетреной погоде почти всянагрузка приходится на котельную. Рассмотрена возможность аккумулирования избытков энергии,полученной от ВЭУ при сильном ветре, путем повышения температуры воздуха в общем объеме зда-ния вплоть до 25°C и последующего использования запасенного тепла в период слабого ветра, когдатемпература в помещении может понизиться до 20°C. Это позволяет сэкономить органическое топ-ливо в котельной. Наглядно показано, как при использовании избыточной энергии ВЭУ может из-меняться в течение года температура воздуха в здании благодаря его теплоаккумулирующей способ-ности. Приведены результаты, свидетельствующие о положительном энергетическом эффекте отприменения ВЭУ совместно с котельной. Установлено, что вовлечение ВЭУ в покрытие графикаотопительной нагрузки способствует снижению участия котельной в теплоснабжении на 30–50%, аиспользование избыточной энергии ВЭУ и теплоаккумулирующей способности здания дает воз-можность в отдельные месяцы сократить участие котельной еще на 5–15%.

Ключевые слова: теплоснабжение, котельная, ветроэнергетическая установка, здание, тепловой ак-кумуляторDOI: 10.1134/S0040363616100015

Тепловые аккумуляторы применяются в сферетеплоснабжения уже давно. Их различные виды иконструкции могут использоваться как совмест-но с источником тепловой энергии, так и непо-средственно в системах отопления зданий и со-оружений [1–3]. Основное назначение тепловогоаккумулятора – накапливать избытки тепловойэнергии и далее, по мере необходимости, расхо-довать запасенное тепло, дополняя работу источ-ников тепловой энергии.

Любое жилое здание можно рассматривать в ка-честве аккумулятора тепловой энергии, в которомтеплоаккумулирующими материалами являютсявоздух, наружные и внутренние стены, перекры-тия, крыша и т.д. Все эти материалы способны какнакапливать в себе некоторое количество тепловойэнергии, так и постепенно его отдавать в окружаю-щую среду.

В районах с повышенным потенциалом ветратеплоснабжение потребителей может осуществ-ляться от энергокомплекса, содержащего котель-ную и ветроэнергетическую установку. В такой

схеме теплоаккумулирующую способность зда-ния можно использовать в периоды, когда име-ются избытки ветровой энергии (поступлениеветровой энергии превосходит потребности вней). Благодаря таким избыткам появляется воз-можность повысить температуру воздуха в поме-щениях от 20 до 25°C, а затем в периоды со сла-бым ветром, наоборот, снизить ее с 25 до 20°C.Поддержание температуры внутреннего воздуха вуказанном диапазоне не допускает перетопа зда-ния и соответствует комфортным условиям про-живания.

Расход тепла на отопление отдельного зданияопределяется исходя из его теплового баланса:

(1)

где – тепло, поступающее от котельной уста-новки и восполняющее тепловые потери, кДж/ч;

– потери тепла, кДж/ч.Теплопотери здания через наружные огражде-

ния можно вычислить по выражению [4]:

(2)

− =к 0 0,Q Q

кQ

0Q

= = −0 к зд в вн нар( ),Q Q qV k t t

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ, НОВЫЕИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

4*


ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ 59

Estimation of Efficiency of the Heat Supply System Based on a Boiler Houseand a Wind Turbine in the Northern Environment

A. V. Bezhan* and V. A. Minin**Center for Physicotechnical Problems of Power Engineering in the North, Kola Scientific Center, Russian Academy of Sciences,

ul. Fersmana 14, Apatity, Murmansk oblast, 184209 Russia*e-mail: [email protected]

**e-mail: [email protected]

Abstract⎯This article describes a methodological approach to defining indoor air temperature in buildingsheated by a power supply unit consisting of a boiler house and a wind-driven power plant (WDPP). Wediscuss a heating option for a residential building in the windy conditions of Murmansk city. We proved that,during the periods of strong wind, a WDPP can partially or fully satisfy the heat demand and sometimes evencreate a surplus of energy. During low wind weather, almost all loads are handled by the boiler house. Weconsidered a possibility to accumulate the surplus energy obtained from a WDPP during strong wind by in-creasing the temperature in the whole building up to 25°C and further using the accumulated heat during thelow-wind period when indoor air temperature may fall below 20°C. This allows saving organic fuel in the boil-er house. We demonstrated how indoor air temperature in the building may change throughout the year whenusing the surplus energy from the WDPP due to thermal storage capacitance of the building. We also providedthe results of study, showing favorable energy-related effects of using a WDPP along with the boiler house. Itwas determined that engaging a WDPP in fulfilling the diagram of heating loads promotes the decrease in theboiler house’s contribution to heat supply by 30 to 50%, and using the surplus energy from the WDPP andthermal storage capacitance of the building allows reducing the contribution of the boiler house by 5–15%more in certain months.

Keywords: heat supply, boiler house, wind-driven power plant, building, heat accumulator


60

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОДНОСТОРОННЕГО НАГРЕВА ЦЕЛЬНОСВАРНЫХ ЭКРАНОВ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

© 2017 г. М. П. Курепин, М. Ю. Сербиновский*ОАО “Таганрогский котлостроительный завод “Красный котельщик”, 347928, Россия, г. Таганрог, ул. Ленина, д. 220

*e-mail: [email protected], [email protected]

Представлены результаты моделирования поля температур и напряженно-деформированного со-стояния цельносварных газоплотных экранов котлов с использованием метода конечных элементов(МКЭ). Проанализированы методики аналитического и нормативного расчетов одностороннегонагрева плавниковых экранов лучистым тепловым потоком. Предложены методика и программныемодули расчета исходных данных для конечно-элементного моделирования, в том числе с учетомтермоупругих моментов, возникающих в сварных панелях в результате их одностороннего нагрева.Методика и программные модули использованы при моделировании экранов с помощью про-граммного комплекса ANSYS. Представлены результаты моделирования температурного поля, по-ля напряжений, деформаций и перемещений цельносварной панели экрана топки котла с помощьюМКЭ, а также результаты расчета температуры, напряжений и деформаций труб панели по извест-ным методикам. Проведено сравнение известных результатов физических экспериментов по нагре-ву и изгибу заданным моментом цельносварных экранов с результатами численного моделирования.Показано, что результаты численного моделирования практически совпадают с экспериментальны-ми данными. Относительная разность значений температур не превышает 1%. Относительная раз-ность экспериментальных значений угла взаимного поворота ребер, вызванного односторонним на-гревом лучистым потоком, и данных, полученных по МКЭ, не превышает 8.5% для несмещенных ре-бер и 7.0% для ребер со смещением. Для этих же ребер разность значений указанного угла,определенных теоретически и по МКЭ, не превышает соответственно 3 и 7.1%. Таким образом, про-ведена верификация предложенной методики и программных модулей для моделирования темпе-ратурного поля и напряженно-деформированного состояния экранов и доказана возможность ихприменения при реальном проектировании.

Ключевые слова: цельносварные газоплотные экраны, температура экранов, напряжения и деформа-ция экранов, моделирование экранов котлов, метод конечных элементов, поле температур, поле на-пряженийDOI: 10.1134/S0040363617030055

Современные расчеты паровых котлов базиру-ются на анализе напряженно-деформированногосостояния их конструкций, выполненном чис-ленными методами на основе МКЭ. Если ранееосновным видом прочностных и деформацион-ных расчетов конструкций были нормативныерасчеты, представленные в руководящей и нор-мативной документации, то в настоящее времянормативные методы расчета, численный анализнапряженного состояния и установление пре-дельных состояний и механики разрушения рас-сматриваются как равноправные и взаимно до-полняющие методы [1].

Особую роль при проектировании котлов иг-рает расчет его газоплотной конструкции, сва-ренной из трубных панелей экранов. При наибо-лее распространенной П-образной компоновкекотла такая конструкция включает в себя воронкуили под топки, шахту топки, переходной газоход

и конвективную шахту. Проблемы расчета цель-носварной экранной коробки котла возникают и успециалистов организаций, занимающихся диа-гностикой и анализом повреждений экранов илиотклонений поведения цельносварной экраннойконструкции от проектного.

Поверочный расчет на прочность цельносвар-ных экранов котлов включает в себя анализ раз-личных нагружающих факторов: силы тяжести,веса шлака, поясов жесткости и других элемен-тов, подвешенных к экранам ниже расчетного се-чения, внутреннего гидравлического давления,изгиба экранов от избыточного давления (разре-жения) в топке и хлопка, воздействия темпера-турных неравномерностей и др. В однокамерныхтопках цельносварные экраны воспринимают лу-чистый тепловой поток от факела, распределен-ный неравномерно по ширине и высоте топочнойкамеры.

ПАРОВЫЕ КОТЛЫ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО, ГОРЕЛОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

И ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ КОТЛОВ


МОДЕЛИРОВАНИЕ ОДНОСТОРОННЕГО НАГРЕВА 67

Simulation of One-Sided Heating of Boiler Unit Membrane-Type Water WallsM. P. Kurepin and M. Yu. Serbinovskiy*

JSC Taganrog Boiler-Makinq Plant Krasny Kotelshchik, Taganrog, 347928 Russia*e-mail: [email protected], [email protected]

Abstract⎯This study describes the results of simulation of the temperature field and the stress-strain state ofmembrane-type gastight water walls of boiler units using the finite element method. The methods of analy-tical and standard calculation of one-sided heating of fin-tube water walls by a radiative heat f lux are ana-lyzed. The methods and software for input data calculation in the finite-element simulation, including ther-moelastic moments in welded panels that result from their one-sided heating, are proposed. The method andsoftware modules are used for water wall simulation using ANSYS. The results of simulation of the tempera-ture field, stress field, deformations and displacement of the membrane-type panel for the boiler furnace wa-ter wall using the finite-element method, as well as the results of calculation of the panel tube temperature,stresses and deformations using the known methods, are presented. The comparison of the known experi-mental results on heating and bending by given moments of membrane-type water walls and numerical sim-ulations is performed. It is demonstrated that numerical results agree with high accuracy with the experimen-tal data. The relative temperature difference does not exceed 1%. The relative difference of the experimentalfin mutual turning angle caused by one-sided heating by radiative heat f lux and the results obtained in thefinite element simulation does not exceed 8.5% for nondisplaced fins and 7% for fins with displacement. Thesame difference for the theoretical results and the simulation using the finite-element method does notexceed 3% and 7.1%, respectively. The proposed method and software modules for simulation of the tempera-ture field and stress-strain state of the water walls are verified and the feasibility of their application in prac-tical design is proven.

Keywords: membrane-type gastight water walls, water wall temperature, water wall deformation and stress,simulation of boiler water walls, finite element method, temperature field, stress field

5*


68

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕВОДА КОТЛОВ ТП-108НА СЖИГАНИЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА И МАЗУТА

© 2017 г. А. Н. Туговa, *, В. М. Супрановb, М. А. Изюмовb,В. А. Верещетинa, Ю. М. Усманa, А. С. Натальинa

aОАО “Всероссийский теплотехнический институт”, 115280, Россия, Москва, Автозаводская ул., д. 14bНациональный исследовательский университет “Московский энергетический институт”,

111250, Россия, Москва, Красноказарменная ул., д. 14*e-mail: [email protected]

Котлы ТП-108, первоначально спроектированные для работы на фрезерном торфе, в 80-е годы про-шлого века были реконструированы в целях перевода их на сжигание также и природного газа. Од-нако в процессе эксплуатации таких котлов на природном газе возникли проблемы, обусловленныенизкой температурой перегрева вторичного пара и большими присосами воздуха в топку. В статьеприведены описания проектного варианта котла и его ранее осуществленной реконструкции, пред-ложены мероприятия по дальнейшей модернизации котлов ТП-108, направленные на устранениеуказанных проблем и позволяющие сжигать в них только природный газ и мазут. Тепловые расчеты,выполненные с помощью специально разработанной адаптированной модели (АМ), показали, чтопосле демонтажа существующих и установки новых, газомазутных, горелок и паро-паровых тепло-обменников (ППТО), проведения уплотнения газового тракта котла экономичность работы котластановится довольно высокой: при сжигании природного газа могут быть достигнуты параметры,типичные для газомазутных котлов. Установлено, что, применяя ППТО, возможно обеспечить про-ектное значение температуры перегрева вторичного пара, хотя такое решение нехарактерно длякотлов с естественной циркуляцией и промежуточным перегревом. Котел, укомплектованныйППТО, может работать как на мазуте, так и на природном газе, как с рециркуляцией продуктов сго-рания, так и без нее. Кроме того, работа котла с рециркуляцией дымовых газов в воздушный коробв сочетании с организацией ступенчатого сжигания позволяет обеспечить требуемые экологиче-ские показатели.

Ключевые слова: топка, котел, газ, мазут, температура пара промежуточного перегрева, тепловыерасчеты котла, паро-паровой теплообменникDOI: 10.1134/S0040363617030092

Котлы ТП-108, спроектированные и изготов-ленные ОАО “Красный котельщик” для работына фрезерном торфе, а также смеси мазута и тор-фа, эксплуатируются в энергоблоках с турбинамиК-200-12.8.

Котел выполнен двухкорпусным. Корпуса сим-метричные, могут работать независимо один отдругого. Каждый корпус представляет собой од-нобарабанный вертикально-водотрубный котелП-образной компоновки с естественной циркуля-цией (рис. 1), предназначенный для работы с урав-новешенной тягой.

Котел имеет призматическую топку открытоготипа с твердым шлакоудалением, ее сечение в пла-не по осям труб составляет 8.624 × 13.67 м. Нафронтовой стене топки в один ярус установленывосемь эжекционных горелок (по две на каждуюмолотковую мельницу) для сжигания торфа в си-стеме плоских параллельных струй, разработанной

в МЭИ. На боковых стенах топки по схеме “тре-угольник вершиной вверх” скомпоновано шестьмазутных горелок.

Фронтовая стена топки экранирована трубамиНРПП (типоразмер труб 38 × 6 мм, шаг S = 41 мм,материал – сталь 12Х1МФ), а остальные верти-кальные стены топки – испарительными экрана-ми (трубы 60 × 6 мм, S = 64 мм, сталь 20). Верхняячасть заднего экрана для улучшения обтеканияширм дымовыми газами имеет аэродинамиче-ский выступ.

Пароперегреватель высокого давления (ППВД)состоит из радиационных, полурадиационных иконвективных ступеней, расположенных в топке исоединительном газоходе. Пар проходит черезНРПП, затем по трубам 32 × 5 мм (сталь 12Х1МФ)вдоль потолка топки, через Ш1, Ш2, вдоль потолкасоединительного газохода и поворотной камерыи, наконец, через выходную конвективную сту-

ПАРОВЫЕ КОТЛЫ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО,ГОРЕЛОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

И ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ КОТЛОВ

76


ТУГОВ и др.

Assessment of the Potential for Conversion of TP-108 Boilers to Firing Natural Gas and Fuel Oil

A. N. Tugova,*, V. M. Supranovb, M. A. Izyumovb, V. A. Vereshchetina,*,Yu. M. Usmana,*, and A. S. Natal’ina,*

aOAO All-Russia Thermal Engineering Institute, Moscow, 115280 RussiabMoscow Power Engineering Institute National Research University (MPEI NIU), Moscow, 111250 Russia


Abstract⎯TP-108 boilers were initially designed to burn milled peat. In the 1980s, they were reconstructedfor conversion to burning natural gas as well. However, operation of these boilers revealed problems due tolow reheat temperature and great air inleakage in the furnace. The initial design of the boiler and its subse-quent reconstruction are described in the paper. Measures are presented for further modernization of TP-108boilers to eliminate the above-mentioned problems and enable natural gas or fuel oil only to be burned inthem. Thermal design calculations made using a specially developed adapted model (AM) suggest thatreplacement of the existing burners with new oil/gas burners, installation of steam-to-steam heat exchangers(SSHE), and sealing of the boiler gas path to make it gas tight will allow the parameters typical of gas-and-oilfired boilers to be attained. It is demonstrated that SSHEs can yield the design secondary steam reheat tem-perature, although this solution is not typical for natural circulation boilers with steam reheat. The boilerequipped with SSHEs can operate on fuel oil or natural gas with f lue gas recirculation or without it. Moreover,operation of the boiler with f lue gas recirculation to the air duct in combination with staged combustionenables the required environmental indicators to be attained.

Keywords: furnace, boiler, fuel oil, reheat steam temperature, boiler thermal design, steam–steam heatexchanger


77

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ И СИЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ,СВЯЗАННЫЕ С ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ЧАСТИЧКОЙ,

В УСЛОВИЯХ УДАРНОЙ ВОЛНЫ В ВОЗДУХЕ© 2017 г. Л. Р. Обручковаa, *, Э. Г. Балдинаb, c, В. П. Ефремовa

aОбъединенный институт высоких температур РАН, 125412, Россия, Москва, Ижорская ул., д. 13, стр. 2bОбъединенный институт ядерных исследований , 141980, Россия, Московская обл., г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, д. 6

cИнститут перспективных исследований “ОМЕГА”, 141982, Россия, Московская обл., г. Дубна, Университетская ул., д.19, оф. 407


Проведено численное моделирование взаимодействия ударной волны c адиабатической твердой ча-стичкой микронных размеров. Ударные волны в расчетах задавались распадом гидродинамическогоразрыва при мгновенном исчезновении диафрагмы между камерами высокого и низкого давления.Расчеты проводились в двумерной постановке с использованием уравнения состояния идеальногогаза. Левый торец трубы был непроницаемым, по правому – истечение допускалось. Частичка рас-сматривалась как неподвижная, непроницаемая и адиабатическая, а расчеты выполнялись для от-резков времени, меньших времени скоростной и температурной релаксации частичек. Для каждогоразмера твердых частичек с учетом сходимости была выбрана различная численная сетка. Проведе-но сравнение расчетного значения коэффициента гидравлического сопротивления, описывающегосиловое воздействие частички на поток, с аналитической формулой Стокса. Обнаружено, что воз-можно использование формулы Стокса для расчета гидравлического сопротивления неподвижнойчастички в условиях ударно-волнового обтекания. Исследовано влияние диаметра частичек на мо-дификацию обтекающего потока за фронтом ударной волны. Рассчитаны удельные разогревы по-тока перед частичкой и предложена их простая оценка. При анализе результатов вся область разо-грева была разделена звуковой линией на сверхзвуковую и дозвуковую области. Показано, что ос-новной запас тепла, генерируемого частичкой в потоке, сосредоточен в дозвуковой областиобтекания. Расчеты выполнены с использованием двух различных двумерных гидродинамическихпрограмм. Полученное в присутствии частички энерговыделение сравнивали с максимально воз-можным разогревом при полной остановке потока. Результаты исследования могут быть использо-ваны для оценки возможности зажигания газа перед частичкой в условиях прохождения ударнойволны с амплитудой, недостаточной для инициирования детонации без частички.

Ключевые слова: ударные волны, обтекание частиц сверхзвуковым потоком, разогрев среды микро-частицамиDOI: 10.1134/S0040363616100064

Двухфазная среда (газ и твердые частицы) воз-никает в условиях крупных техногенных аварий ипри извержении вулканов. Анализ микровозмуще-ний, связанных с частицами, требуется, например,для расчетов безопасности полетов сверхзвуковыхлетательных аппаратов в атмосфере. Общая задачамоделирования течения двухфазной среды вклю-чает в себя силовое воздействие потока на частич-ки и анализ выделения тепла при обтекании части-чек потоком.

Экспериментальных работ в этой области не-много. Например, в [1–3] проведено экспери-ментальное исследование турбулентных двухфаз-ных потоков с различными параметрами газовогопотока и частичек. В частности, показано распре-деление скоростей потока и частичек [1, 2] и при-

ведены результаты измерений флуктуаций скоро-сти [3]. Эксперименты показали, что движениедисперсной фазы (частичек или капелек) можетотличаться от движения непрерывной фазы (не-сущей жидкости или газа) и что движение обеихфаз может быть очень сложным, особенно в усло-виях турбулентного потока. Авторы делают вы-вод, что моделирование этих движений представ-ляет собой очень сложную задачу даже при ис-пользовании мощных суперкомпьютеров.

Сложность задачи обусловливает направлен-ность данной работы: моделирование силового итеплового влияния тела на поток при ударно-вол-новом обтекании отдельной частички газом. Осо-бенный интерес представляла нагретая область,непосредственно примыкающая к частичке, что-

ТЕПЛО- И МАССООБМЕН,СВОЙСТВА РАБОЧИХ ТЕЛ И МАТЕРИАЛОВ


ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ И СИЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ 87

ЮУрГУ. Сер. Математическое моделирование ипрограммирование. 2013. Т. 6. № 1. С. 56–71.

13. Бедарев И.А., Федоров А.В., Фомин В.М. Числен-ный анализ течения около системы тел за проходя-щей ударной волной // Физика горения и взрыва.2012. Т. 48. № 4. С. 83–92.

14. Федоров А.В., Хмель Т.А. Характеристики и крите-рии воспламенения взвесей частиц алюминия вдетонационных процессах // Физика горения ивзрыва. 2012. Т. 48. № 2. С. 76–88.

15. Время задержки воспламенения метановоздушнойсмеси в присутствии частиц железа / Д.А. Тропин,А.В. Федоров, О.Г. Пенязьков, В.В. Лещевич //Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50. № 6. С. 11–20.

Gas Dynamic and Force Effects of a Solid Particle in a Shock Wave in AirL. R. Obruchkovaa, *, E. G. Baldinab, c, and V. P. Efremova

aJoint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences, ul. Izhorskaya 13, build. 2, Moscow, 125412 RussiabJoint Institute for Nuclear Research, ul. Joliot-Curie 6, Dubna, Moscow oblast, 141980 Russia

cOMEGA Institute for Advanced Studies, ul. Universitetskaya, 19, of. 407, Dubna, Moscow oblast, 141982 Russia*e-mail: [email protected]

Abstract⎯Shock wave interaction with an adiabatic solid microparticle is numerically simulated. In the sim-ulation, the shock wave is initiated by the Riemann problem with instantaneous removal of a diaphragmbetween the high- and low-pressure chambers. The calculation is performed in the two-dimensional formu-lation using the ideal gas equation of state. The left end of the tube is impermeable, while outflow from theright end is permitted. The particle is assumed to be motionless, impermeable, and adiabatic, and the simu-lation is performed for time intervals shorted than the time of velocity and temperature relaxation of the par-ticle. The numerical grid is chosen for each particle size to ensure convergence. For each particle size, the cal-culated hydraulic resistance coefficient describing the particle force impact on the f low is compared with thatobtained from the analytical Stokes formula. It is discovered that the Stokes formula can be used for calcula-tion of hydraulic resistance of a motionless particle in a shock wave f low. The influence of the particle diam-eter on the f low perturbation behind the shock front is studied. Specific heating of the f low in front of theparticle is calculated and a simple estimate is proposed. The whole heated region is divided by the acousticline into the subsonic and supersonic regions. It is demonstrated that the main heat generated by the particlein the f low is concentrated in the subsonic region. The calculations are performed using two different 2D hy-dro codes. The energy release in the f low induced by the particle is compared with the maximum possibleheating at complete termination of the f low. The results can be used for estimating the possibility of gas igni-tion in front of the particle by a shock wave whose amplitude is insufficient for initiating detonation in theabsence of a particle.

Keywords: shock waves, particle streamline by a supersonic f low, medium heating by microparticles


88

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПЛОСКИХИ КОЛЬЦЕВЫХ КАНАЛОВ С РАЗЛИЧНОЙ ШЕРОХОВАТОСТЬЮ

ПРОТИВОПОЛОЖНЫХ СТЕНОК1

© 2017 г. А. С. Корсун, К. В. Куценко, М. И. Писаревский*, В. Н. Федосеев, Ю. Н. БалберкинаНациональный исследовательский ядерный университет “Московский инженерно-физический институт”,

115409, Россия, Москва, Каширское шоссе, д. 31*e-mail: [email protected]

Предложен новый метод расчета гидравлического сопротивления в плоских и кольцевых каналах с раз-ной шероховатостью стенок при турбулентном течении жидкости. Несмотря на актуальность данноговопроса, в настоящее время в научно-технической литературе результатов исследований по гидродина-мике в таких каналах опубликовано крайне мало, а методы их расчетов отсутствуют. В данной работе дляописания течения в каналах с разной шероховатостью стенок использовалась полуэмпирическая теориятурбулентного пограничного слоя Прандтля. Поток жидкости в поперечном сечении канала условноразбивался на два не взаимодействующих между собой слоя разной толщины и омывающих стенки сразличной шероховатостью. Основные балансовые соотношения записаны для плоского канала. Дляполучения условия сшивки профилей скоростей двух слоев использован логарифмический профильскорости. Получена замкнутая система уравнений, позволяющая рассчитывать гидравлическое сопро-тивление плоских каналов при заданной различной шероховатости противоположных стенок. Делаетсявывод о том, что полученные соотношения можно использовать для расчета гидравлического сопротив-ления и в кольцевых каналах. Эксперименты проводились на кольцевых каналах, через которые прока-чивалась вода. Каждый кольцевой канал представлял собой трубу с гладкими стенками, в которую коак-сиально устанавливался стержень, на поверхность которого была нанесена искусственная шерохова-тость двух типов (трапециевидная и резьбовидная). Проведено сравнение результатов расчета иэкспериментальных данных, которое подтвердило справедливость предлагаемого метода. Данный методможет быть использован при расчетах гидравлических трактов различных энергетических установок.

Ключевые слова: коэффициент гидравлического сопротивления, логарифмический профиль скоро-сти, искусственная шероховатость, эффективный диаметрDOI: 10.1134/S0040363617020047

В энергетических установках для интенсифика-ции теплообмена нередко используют искусствен-ную шероховатость поверхности [1]. Возможныслучаи турбулентного течения теплоносителя применяющейся по периметру канала шероховатости.В качестве примера можно привести теплообмен-ник типа “труба в трубе” с различной шероховато-стью противоположных стенок. Гидродинамикатаких каналов практически не изучена. В даннойработе предложен метод расчета гидравлическогосопротивления в плоских и кольцевых каналах сразной шероховатостью противоположных стенокпри турбулентном течении жидкости.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. ПОЛУЧЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ СООТНОШЕНИЙ

Рассматривается турбулентное течение в плос-ком канале. Из-за различия трения на стенках

максимум скорости (линия нулевого касательно-го напряжения) сместится относительно центраканала. Канал высотой h можно представить каксовокупность двух невзаимодействующих плос-ких слоев толщиной y1 и y2 (рис. 1). Плоские слоиэквивалентны плоским каналам шириной 2y1 и2y2 с одинаковыми условиями на стенках, но сразной шероховатостью. В канале 1 стенки имеютшероховатость , в канале 2 – шероховатость .Гидравлические диаметры каналов 4y1 и 4y2.

Рассматривая течение в канале как целое и вкаждом плоском слое отдельно, можно констати-ровать, что

(1)

где Δp – перепад давления на длине l; , u1, u2 –средние скорости в канале как целое и в каждомслое отдельно; , , – коэффициенты гидрав-лического сопротивления в канале как целое, в

1 Исследование выполнено при финансовой поддержкеРоссийского научного фонда (проект № 16-19-10548).

Δ1 Δ2

Δ = = =2 221 2

1 21 2

ξ ξ ξ ,ρ 4 8 8

u uр ul h y y

u

ξ 1ξ 2ξ

ТЕПЛО- И МАССООБМЕН,СВОЙСТВА РАБОЧИХ ТЕЛ И МАТЕРИАЛОВ


ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ 91

имеют погрешность, которая может достигать±(5–10)%. Согласно расчетным исследованиям,шероховатость приводит к увеличению сопротив-ления по сравнению с гладкой стенкой в 2 раза иболее. Экспериментальное подтверждение такогоэффекта с погрешностью 10–18% следует считатьболее чем убедительным свидетельством работо-способности методики.

В экспериментах максимальная погрешностьизмерения коэффициента гидравлического сопро-тивления канала составляла 10%, а максимальнаяпогрешность числа Рейнольдса – 3.5%.

Таким образом, разработана и апробирована ме-тодика расчета коэффициента гидравлического со-противления при турбулентном течении жидкостив плоских и кольцевых каналах с различными ше-роховатостями противоположных стенок. Даннаяметодика может быть использована в расчетах гид-равлических трактов ядерных энергетических уста-новок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Lanjewar A.M., Bhagoria J.L., Agrawal M.K. Reviewof development of artificial roughness in solar air heaterand performance evaluation of different orientations fordouble arc rib roughness // Renewable and SustainableEnergy Reviews. 2015. V. 43. P. 1214–1223.

2. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.:Дрофа, 2003.

3. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим со-противлениям. М.: Машиностроение, 1992.

4. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А. Теплооб-мен в ядерных энергетических установках. М.:Энергоатомиздат, 1986.

5. Справочник по теплогидравлическим расчетам вядерной энергетике / П.Л. Кириллов, В.П. Бобков,А.В. Жуков, Ю.С. Юрьев. М.: Энергоатомиздат,2010.

Hydraulic Resistance of Plane Channels and Annulus with Different Roughness on Opposite Walls

A. S. Korsun, K. V. Kutsenko, M. I. Pisarevsky*, V. N. Fedoseev, and Y. N. BalberkinaNational Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute), Moscow, 115409 Russia


Abstract⎯A new method for prediction of hydraulic resistance for a turbulent f low in plane channels and an-nulus is proposed. In spite of the importance of this issue, only very few publications devoted to the investi-gation into hydrodynamics in these channels are available, and there are no methods for predicting hydraulicresistance of a f low in these channels at all. The flow in channels with different roughness on the walls isdescribed using the Prandtl semiempirical theory of a turbulent boundary layer. The flow in a channel cross-section is divided into two noninteracting layers of different thickness f lowing along the walls with differentroughness. The basic balance correlations are derived for a plane channel. To match the velocity profiles ofboth layers at the interface point, a logarithmic velocity profile is used. This yields a closed system of equa-tions for predicting hydraulic resistance in plane channels with a given different roughness on opposite walls.It is demonstrated that the obtained correlation may be used for predicting hydraulic resistance in annulus aswell. Experiments were carried out with a water f low in an annulus. Each annuli consisted of a pipe having asmooth wall into which a rod with artificial roughness on the surface was inserted coaxially. Two types ofroughness were investigated: trapezoid and threadlike ones. Comparison of the predictions with the experi-mental data confirmed the validity of the proposed method. It can be used in designing f lowpaths of variouspower installations.

Keywords: hydraulic resistance factor, hydraulic resistance factor, logarithmic velocity profile, artificialroughness, effective diameter


92

КОМПЛЕКСНЫЕ РЕАГЕНТЫ НА ОСНОВЕ АМИНОВ© 2017 г. С. Ю. Суслов*, А. В. Кирилина**, , Т. В. Зезюля, Е. А. Соколова,

Е. В. Еремина , Н. В. ТимофеевОАО “Всероссийский теплотехнический институт”, 115280, Россия, Москва, Автозаводская ул., д. 14

*e-mail: [email protected]**e-mail: [email protected]

Применение аминов для ведения водно-химических режимов (ВХР) на электростанциях имеет дав-нюю историю. Однако использование комплексных реагентов, являющихся смесью нейтрализую-щих и пленкообразующих аминов, в которой могут также присутствовать и другие органическиекомпоненты, вызывает множество споров. В основном это происходит из-за отсутствия достовер-ной информации об этих компонентах. Способность любого амина эффективно защищать метал-лические поверхности зависит от нескольких факторов, рассмотренных в статье. Представлены ре-зультаты применения комплексных реагентов для защиты поверхностей нагрева в промышленныхусловиях и расчетные прогнозы поведения разных реагентов при ведении ВХР на котлах-утилиза-торах с различной тепловой схемой. На примере двухбарабанного котла-утилизатора с последова-тельной схемой расположения барабанов приведены расчетные значения рН для различных марокреагентов при одинаковых условиях. Анализ работы с различными марками реагентов позволил со-здать композицию, наиболее полно удовлетворяющую условиям применения на котлах-утилизато-рах разных давлений. По результатам выполненных испытаний нового аминосодержащего реагентана энергоблоке ПГУ было установлено, что данный реагент является базовой разработкой для даль-нейшего развития реагентов на основе комплексных аминов. Приведен пример испытаний новогокомплексного реагента, созданного с участием авторов по программе импортозамещения, и пока-зана возможность его использования для ведения ВХР энергоблоков парогазовых установок (ПГУ)и ТЭС. Оценено соответствие применяемых реагентов требованиям норм водно-химического ре-жима и защиты поверхностей нагрева. Применение аминосодержащих реагентов на энергоблокахТЭС позволяет решать комплексные задачи по обеспечению очистки в щадящем режиме поверхно-стей нагрева от отложений, выполнение консервации и ведение водно-химического режима на обо-рудовании ТЭС.

Ключевые слова: комплексный аминосодержащий реагент, коэффициент распределения, рН, котлы-утилизаторы, опытно-промышленные испытанияDOI: 10.1134/S0040363617030067

Для создания защитной пленки на поверхно-сти металла пароводяного контура энергетиче-ских котлов используют комплексные реагенты,основным компонентом которых служат пленко-образующие амины (ПОА). Механизм образова-ния пленки зависит от типа амина и температуры,при которой происходит реакция.

На рис. 1 показан пример схемы образованиягидрофобной защитной пленки с участием пленко-образующего амина N-октадеценилпропан-1.3 диа-мин [1–4]. Благодаря наличию неподеленных парэлектронов на атомах азота происходит адсорб-ция амина на поверхности металла, с которым онконтактирует. При этом длинные углеводород-ные “хвостики” пленочного амина ориентируют-ся перпендикулярно поверхности металла и обра-зуют своеобразный плотный частокол (частоколЛенгмюра), который препятствует проникнове-

нию к поверхности металла не только воды, но ирастворенных газов.

Такой гидрофобный защитный слой можетбыть образован только при низкой температуре(до 160°С). При более высоких температурах гид-рофобные “хвостики” исчезают или частично раз-рушаются, но защитная пленка сохраняется.

Опыт работы с реагентами различных марокпоказывает, что не все они в равной мере обес-печивают стойкость защитных пленок. На рис. 2представлены поляризационные кривые двухобразцов труб испарителя высокого давления(ИВД) котла-утилизатора, на котором поддер-живался водно-химический режим с использо-ванием хеламина марки Helamin 906H. Котел-утилизатор находился в резерве, но периодиче-ски на нем проводили переконсервацию тем жереагентом. После появления свищей в ИВД были

И. А. Сергеев

ВОДОПОДГОТОВКА И ВОДНО-ХИМИЧЕСКИЙРЕЖИМ

96


СУСЛОВ и др.

Таким образом, опыт лаборатории водно-хи-мических режимов ОАО ВТИ, полученный привнедрении и наладке аминных водно-химическихрежимов с использованием реагентов различныхмарок, а также проведенные лабораторные иссле-дования и опытно-промышленные испытанияпозволяют рекомендовать комплексные реагентымарки ВТИАМИН для ВХР энергоблоков ПГУ итрадиционных паросиловых энергоблоков ТЭС сбарабанными котлами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Dimethylamine as a replacement for ammonia dosing in

the secondary circuit of an advanced gas-cooled reactor(AGR) power station / C. Armstrong, A. Bull,M. Mitchell, G.P. Quirk, A. Rudge, I.S. Woolsey //3rd Intern. conf. interaction of organics and organicPlant Cycle treatment chemicals with water, steam, andmaterials. Heidelberg, 2012.

2. Experiences using neutralizing amines to control pHand minimize FAC in a combines-cycle power plant /R. Kluck, J. Torres, A. Antompietri, J. Rivera // Powerplant chemistry. 2011. № 13. V. 2. P. 94–103.

3. Суслов С.Ю. Исследование комплексных реаген-тов на основе аминов для ведения водно-химиче-ского режима и защиты поверхностей нагреваэнергетических котлов ТЭС и котлов-утилизато-ров энергоблоков ПГУ: дис. … канд. техн. наук.2013 г. Иваново.

4. Суслов С.Ю., Кирилина А.В. О выборе реагентовпри ведении аминных режимов // Энергетик. 2011.№ 1. С. 39–44.

5. Poyilath Varieth Balakrishnan. Volatility of amines usedfor water treatment in steam generating systems // Can.J. Chem. 1978. V. 56. № 20. P. 2620–2623.

6. Нейтрализующая способность аминов и Kр.[Электронный ресурс.] http://www.watertreater.net/amines.php

7. Betz Handbook of Industrial Water Conditioning //Betz Laboratories, Inc. 9th ed. BetzDearbom, divisionof Hercules, Inc., Trevose, PA, 1991. P. 82–83, 149–150.

8. Voges N., Hater W. Distribution ratio and average sur-face coverage of film-forming amines // Power PlantChemistry. 2010. № 12 (3). P. 132–138.

9. СТО 70238424.27.100.013-2009. Водоподготови-тельные установки и водно-химический режимТЭС. Условия создания. Нормы и требования.

Complex Amine-Based ReagentsS. Yu. Suslov*, A. V. Kirilina**, , T. V. Zezyulya, E. A. Sokolova,

E. V. Eremina, and N. V. TimofeevOJSC All-Russia Institute of Thermal Engineering, Moscow, Russia

*e-mail: [email protected]**e-mail: [email protected]

Abstract⎯Amines for a long time have been applied to maintaining water chemistry conditions (WCC) atpower plants. However, making use of complex reagents that are the mixture of neutralizing and the film-forming amines, which may also contain other organic components, causes many disputes. This is mainly dueto lack of reliable information about these components. The protective properties of any amine with regardto metal surfaces depend on several factors, which are considered in this article. The results of applyingcomplex reagents to the protection of heating surfaces in industrial conditions and estimated behavior fore-casts for various reagents under maintaining WCC on heat-recovery boilers with different thermal circuits arepresented. The case of a two-drum heat-recovery boiler with in-line drums was used as an example, for whichwe present the calculated рН values for various brands of reagents under the same conditions. Work with dif-ferent reagent brands and its analysis enabled us to derive a composition best suitable for the conditions oftheir practical applications in heat-recovery boilers at different pressures. Testing the new amine reagentperformed at a CCPP power unit shows that this reagent is an adequate base for further development ofreagents based on amine compounds. An example of testing a complex reagent is shown created with theparticipation of the authors within the framework the program of import substitution and its possible use isdemonstrated for maintaining WCC of power-generating units of combined-cycle power plants (CCPP) andTPP. The compliance of the employed reagents with the standards of water chemistry conditions and protec-tion of heating surfaces were assessed. The application of amine-containing reagents at power-generatingunits of TPP makes it possible to solve complex problems aimed at ensuring the sparing cleaning of heatingsurfaces from deposits and the implementation of conservation and management of water chemistry condi-tion on the TPP equipment.

Keywords: complex amine reactant, distribution ratio, рН, heat-recovery boilers, pilot-plant testing

I. A. Sergeev

СОДЕРЖАНИЕSteam-, Gas-Turbine, and Combined-Cycle Power Installations, and Their Auxiliary Equipment Functioning Efficiency of Intermediate Coolers of Multistage Steam-Jet

Documents