О надежности и безопасности промышленных паропроводов, спроектированных для транспортировки перегретого пара, но эксплуатирующихся в условиях транспортировки влажного пара

Размещено на http://www.allbest.ru/

О надежности и безопасности промышленных паропроводов, спроектированных для транспортировки перегретого пара, но эксплуатирующихся в условиях транспортировки влажного пара

К.т.н. А.Б. Попов, ведущий специалист

ОАО «Энел ОГК-5», г. Москва

Введение

тепловой электростанция перегретый пар

Снижение уровня промышленного потребления пара является известным фактом и серьезной проблемой тепловых электростанций, поскольку это делает проблематичной полноценную загрузку турбин, спроектированных специально для этих целей (например, турбин типа ПТ-60 и ПТ-80). Столь же серьезно проблема стоит и для владельцев сетевых паропроводов, т.к. транспортировка малых расходов влажного пара через большие проходные сечения существующих паропроводов весьма убыточна, и приводит к значительным потерям пара и конденсата.

В настоящее время в нормативной документации отсутствует сформировавшееся представление об особенностях и критериях безопасности таких режимов эксплуатации. Поэтому владельцы паропроводов, будучи связанными юридическими обязательствами, вынуждены продолжать эксплуатацию существующих паропроводов в малорасходных режимах.

1. Особенности подхода к проектированию и эксплуатации паропроводов влажного и перегретого пара

Проектирование паропроводов, предназначенных для обеспечения паром в промышленных масштабах, как правило, первоначально проводилось в предположении, что транспортироваться будет именно перегретый пар. Поскольку в нынешних условиях транспортируется влажный пар, целесообразно выяснить, в чем состоят наиболее существенные особенности подхода к проектированию паропроводов влажного и перегретого пара (см. таблицу).

Таким образом, основные различия особенностей проектирования паропроводов влажного и перегретого пара концентрируются вокруг условий отвода конденсата, а также в особенностях сведения теплового баланса.

Для паропроводов влажного пара все вопросы дренирования продумываются заранее, а для паропроводов, спроектированных для транспортировки перегретого пара, но используемых для транспортировки влажного пара, их приходится решать «как получится». В последнем случае удовлетворительное решение является весьма затруднительным и затратным, поскольку существующие паропроводы уже вписаны в техническую инфраструктуру, внесение изменений в которую (например создание условий для возврата конденсата) весьма проблематично. Кроме того, не все потребители готовы оплачивать безвозвратные потери, сопровождающие транспортировку влажного пара, если это не было предусмотрено исходными договорными отношениями.

Использование паропроводов перегретого пара для транспортировки влажного пара на практике выглядит следующим образом: во время эксплуатации все дренажные линии паропровода частично открываются и образующийся конденсат постоянно сливается в ливнестоки или промышленную канализацию. Если паропровод проходит по открытой местности, то надежное использование на нем конденсатоотводчиков (особенно при неравномерном суточном графике потребления пара) становится проблематичным, поскольку зимой они легко обмерзают и выходят из строя, допуская при этом существенный «проскок пара» в атмосферу.

Степень открытия дренажных линий проверяется и корректируется обслуживающим персоналом вручную один раз в полторы-две недели. Процесс корректировки осуществляется изменением положения запорных органов дренажных линий «на слух» - по специфическим шумовым характеристикам истечения. В силу этого процесс регулировки носит субъективный характер и зависит от текущего расхода пара к потребителям и квалификации персонала, проводящего обход. По существу, для обслуживающего персонала регулировка является лишь изменением проходного сечения задвижки: стабильное истечение обеспечивает степень открытия, при которой из дренажа идет пароводяная смесь с расходом, практически не зависящим от положения управляющего органа в достаточно широком диапазоне его перемещений. При дальнейшем увеличении проходного сечения задвижки из дренажа появляется большое количество пара, что считается браком в регулировке.

Распределение удаляемых объемов конденсата через отдельные узлы дренирования по длине паропровода неравномерно и зависит, по существу, от размеров участков, где осуществляется сбор конденсата, а эти размеры, в свою очередь, определяются рельефом местности, по которой проложен паропровод.

Ввиду того что конденсат в паропроводе находится на линии насыщения, его сброс через приоткрытую дренажную линию в окружающую среду приводит к вскипанию и резкому повышению паросодержания. Это, в свою очередь является причиной резкого изменения физических свойств потока дренажа. В частности, существенно изменяется характеристика, которая определяет темп эвакуации конденсата из паропровода, - скорость звука. Величина скорости звука задает величину предельного расхода конденсата через минимальное проходное сечение дренажной линии. На рис. 1 приведены известные экспериментальные данные по зависимости скорости звука а от объемного расходного паросодержания двухфазного потока в. Здесь скорость звука а=1500 м/с соответствует воде на линии насыщения, скорость звука а=330 м/с - насыщенному пару. В промежутке между значениями объемного паросодержания в=0,2-0,8 скорость звука резко снижается - ориентировочно до 20 м/с. Этот показатель не является стабильным и зависит от структуры двухфазного потока. При этом в отдельных случаях скорость звука может снижаться до 5-10 м/с.

Вопрос о том, что дренажные линии, работающие в критическом режиме истечения вскипающего конденсата, могут быть «узким местом» при транспортировке влажного пара в непредназначенных для этого паропроводах, ранее не поднимался, и общепринятых норм для оценки этого фактора не существует. Но, как будет показано ниже, эта особенность дренирования является значимой при рассмотрении эксплуатационной надежности и безопасности паропроводов.

Известно, что паропроводы влажного пара имеют следующие особенности эксплуатации, влияющие на их надежность и безопасность.

1. При возникновении дисбаланса между притоком и оттоком конденсата им в первую очередь заполняются участки паропроводов с более низкими геодезическими отметками.

2. Возникновение волн на поверхности ручья конденсата (при его достаточно высоком уровне) может привести к полному перекрытию проходного сечения трубопровода и возникновению конденсатной пробки. Такая водяная пробка, двигаясь со скоростью пара, обладает огромной кинетической энергией, которая высвобождается при встрече с препятствием (например гибом или запорным органом); в результате возникает явление гидравлического удара, который может привести к повреждению или разрушению паропровода или его отдельных элементов.

3. Явления, близкие к гидравлическим ударам, более вероятны при встречном направлении движения пара и конденсата, когда волны, образующиеся на поверхности потока, захватываются встречным потоком пара.

4. Если уровень расходного паросодержания в паропроводе снижается до значения 0,3, возможно возникновение снарядного режима течения конденсата, которое по своему воздействию на паропровод аналогично продолжительной серии гидравлических ударов.

5. Возникновение снарядного режима течения возможно также в протяженных дренажных линиях, связывающих узлы отвода конденсата с ливнестоками, что может привести к повреждению штуцеров в зонах присоединения дренажных линий к основному паропроводу.

Если арматура дренажных линий в условиях эксплуатации осуществляет пропуск критических расходов конденсата, то при неравномерном суточном потреблении пара, а также при изменении температуры окружающей среды, возможно возникновение условий, при которых темп притока конденсата и темп его эвакуации будут существенно отличаться.

Дисбаланс между притоком и оттоком конденсата с учетом возможности его накопления может стать причиной полного или частичного заполнения отдельных участков паропровода конденсатом и, как следствие, - возникновения гидравлических ударов.

Под условиями накопления конденсата следует понимать профиль прокладки паропровода, при котором на трассе имеется участок относительно небольшой протяженности, в котором уровень конденсата может полностью или частично перекрыть проходное сечение трубы. Это может быть участок между двумя вертикально расположенными компенсаторами или участок с уклоном и контруклоном, или участок с уклоном, ограниченный вертикальным компенсатором.

Пример

Рассмотрим пример конкретного паропровода общей протяженностью около 5 км, на котором длина одного из участков сбора конденсата Ду500 мм, ограниченного уклоном и контруклоном, составляет примерно 1 км.

Пар от ТЭЦ имеет начальное давление 1,37 МПа и температуру 250 ОС. Паропровод первоначально рассчитывался на пропуск примерно 35 кг пара в секунду. Этот расход обеспечивал сохранение перегрева на всей протяженности паропровода от ТЭЦ до потребителей. В настоящее время реальный расход пара составляет 7-10 кг/с, при этом на большей длине паропровода транспортируется влажный пар. Расчетная схема рассматриваемого паропровода приведена на рис. 2.

Конкретная задача для рассматриваемого паропровода сформулирована следующим образом. Предположим, что положение запорных органов дренажной линии при начальных условиях теплообмена с окружающей средой и некотором заданном потреблении пара обеспечивает полную эвакуацию образующегося конденсата (нулевой баланс между его притоком и стоком). Необходимо получить ответ на вопрос: может ли при изменившихся условиях теплообмена с окружающей средой или условиях потребления пара за интервал времени между очередными проверками в паропроводе скопиться достаточное количество конденсата, чтобы полностью или частично (на 50-70%) перекрыть его проходное сечение?

2. Теплогидравлический расчет рассматриваемого паропровода

Теплогидравлический расчет рассматриваемого паропровода проводился в следующих приближениях:

¦ в соответствии с рекомендациями СНиП 41-03-2003, а также в соответствии с данными визуально-измерительного контроля при проведении расчетов вводился поправочный коэффициент на ухудшение свойств тепловой изоляции Кл=1,8;

¦ поправочный коэффициент на местные тепловые потери принимался равным в=1,15;

¦ толщина тепловой изоляции на участках трубопровода Ду400, Ду500 и Ду600 мм принималась равной 100 мм; на Ду150, Ду200 и Ду250 мм - 80 мм;

¦ принято, что трубопровод покрыт теплоизоляцией из минеральной ваты с коэффициентом теплопроводности лиз=0,045+0,00021чtм, где л - температура металла трубы;

¦ в двухфазной области поток пара принимался равновесным и гомогенным, что позволяло использовать в качестве одной из основных характеристик потока расходное паросодержание х;

¦ термическое сопротивление теплоотдаче от пара к стенке трубы определялось по формуле:

Rn=1/(р*бn*d),

где бn - коэффициент теплоотдачи от пара к стенке; d - внутренний диаметр трубопровода;

¦ термическое сопротивление тепловой изоляции подсчитывалось по формуле:

Rиз=ln[(D+2д)/D]/(2рлиз),

где D - внутренний диаметр трубопровода; д - толщина слоя тепловой изоляции;

¦ термическое сопротивление теплоотдаче от поверхности тепловой изоляции к воздуху принималось равным Rв=1/[рбв(D+2д)], где бв - коэффициент теплоотдачи от поверхности тепловой изоляции к воздуху; принимался равным 29 Вт/(м2.^ОС).

¦ суммарное термическое сопротивление:

R=Rп+Rиз+Rв;

¦ удельные тепловые потери паропровода определялись по формуле: q=Дt/R, где Дt - разница между температурой пара и температурой воздуха;

¦ тепловые потери Q участка паропровода длиной l определялись по формуле:

Q=qx/x в,

где в - коэффициент местных тепловых потерь;

¦ количество конденсата, выпавшего на участке паропровода единичной длины в единицу времени, определялось по формуле:

Gк=qЧlЧв/r,

где r - скрытая теплота парообразования;

¦ массовое расходное паросодержание потока корректировалось с учетом Gк;

¦ коэффициент трения принимался равным значению 0,004, что учитывало как потери давления в местных сопротивлениях, так и состояние внутренней поверхности трубопровода.

Система дифференциальных уравнений, описывающих изменение давления и энтальпии на каждом шаге по длине трубы, решалась методом Рунге-Кутта. Предварительно определялась величина минимального шага, для которой конечный результат решения отличался от варианта вдвое большего шага не более чем на 5%.

Физические свойства воды и водяного пара рассчитывались на основе известных полиномиальных аппроксимаций экспериментальных данных, приведенных в [1].

Зона перехода от свойств перегретого пара к свойствам насыщенного пара определялась в итерационном процессе с десятикратным уменьшением шага по длине трубы.

Программа проведения расчета режима транспортировки была написана на языке VBA.

Анализ документации по профилю прокладки рассматриваемого паропровода показал, что для перекрытия значительной части сечения трубы Ду500 мм достаточно ее заполнения конденсатом на длине паропровода порядка 150 м. Это соответствует объему около 30,6 м3 или (при плотности с=872 кг/м3) примерно Ркр=26683 кг конденсата.

Если расход конденсата g1, полученного на рассматриваемом участке, полностью удаляется из паропровода в критическом режиме истечения (т.е. при истечении через установленное при регулировке проходное сечение задвижки), а изменившийся расход конденсата равняется g2 и g2>g1, то разница Дg=g2-g1 будет характеризовать скорость заполнения паропровода конденсатом. Отметим также, что при g2<g1 и неизменном положении запорных органов появляется возможность «проскока» части основного расхода пара в атмосферу.

Поставленная задача является многопараметрической. В частности, расход пара от ТЭЦ определяется не только потребностями его потребителей. На пути до них пар теряет давление, температуру и становится влажным. Изменение этих характеристик зависит от начального расхода пара, его распределения по потребителям и температуры наружного воздуха. Часть пара конденсируется и отводится через дренажные линии. Расход отводимого конденсата, в свою очередь, зависит от распределения расходов между потребителями и температуры наружного воздуха.

Если интервал времени t между осмотрами и регулировкой дренажной системы равен 10 суткам (что составляет 240 ч или 864 тыс. с), то массу скопившегося в паропроводе за это время конденсата можно определить по формуле:

P=c^g.

Таким образом, для выполнения условия Р>Ркр для рассматриваемого паропровода необходимо и достаточно, чтобы выполнялось условие:

Дgкр>Pкр/ф=26683/864000=0,030883 (кг/с).

С другой стороны, значение критического расхода двухфазного потока конденсата ДКР можно определить из зависимости, характеризующей условия его истечения из задвижки с заданным проходным сечением F0 [1]:

g_кр=м Rd роWкр,

где м - коэффициент, зависящий от условий истечения: для относительно плавного сужения и расширения канала, характерного для седла запорного органа, м=2,4 (при скачкообразном изменении профиля течения значение м выше); ро - плотность потока пароводяной смеси за задвижкой, зависящая от расходного паросодержания потока x; wkf, - скорость звука в пароводяной смеси. Из результатов теплогидравлических расчетов, некоторые из которых будут приведены ниже, следует, что расход конденсата через дренажную линию на рассматриваемом участке в среднем составляет g=0,3 кг/с.

Проходное сечение задвижки представим круглым отверстием с эквивалентным диаметром 0кр, тогда при wkf,=20 м/с получим:

dкр=[4gкр/(мPоWкрр)]0,5=(0,007956/со)0,5.

Для оценки значения 0кр рассмотрим три случая:

1. x=0,9 (во вскипающем потоке преобладает пар), тогда ро=0,65589 кг/м3 и 0кр1=0,1101 м (110,1 мм);

2. x=0,5 (во вскипающем потоке половина пара и половина воды), тогда ро=1,18 кг/м3 и 0кр2=0,08211 м (82,11 мм);

3. x=0,1 (во вскипающем потоке преобладает вода), тогда ро=5,87 кг/м3 и 0кр3=0,0368 м (36,8 мм).

Дренажные трубопроводы на рассматриваемом паропроводе выполнены в основном из труб Ду150 мм. На это же проходное сечение рассчитаны и установленные задвижки. Как видно из приведенных данных, полученные критические проходные сечения лежат в пределах регулировочного диапазона проходного сечения задвижек. Таким образом, возникновение критического режима истечения из дренажных линий с последующим накоплением конденсата возможно.

При проведении теплогидравлических расчетов рассматриваемого паропровода учитывалось, что расход пара к потребителю № 5 незначителен и равен примерно 5% расхода к потребителю № 4 (см. рис. 2).

Для наглядного представления некоторые результаты расчетов для контрольного участка представлены в графическом виде на рис. 3. Как следует из этих данных, в значительном диапазоне расходов пара от ТЭЦ количество конденсата, образующегося на контрольном участке, зависит только от температуры окружающего воздуха и не зависит от распределения нагрузки между потребителем № 1 и суммарной нагрузки потребителей № 5 и 4. Эта часть диапазона паровых нагрузок в принципе может быть отслежена сотрудниками компании-владельца паропровода и учтена при выборе момента для проведения регулировки в том случае, когда температура воздуха снижается. Однако, начиная с расхода пара от ТЭЦ порядка 8 кг/с, количество образующегося конденсата начинает существенно зависеть от перераспределения паровой нагрузки между потребителем № 1, с одной стороны, и потребителями № 5 и 4 - с другой. Это перераспределение не может быть отслежено по внешним признакам в условиях, когда общий расход пара от ТЭЦ сохраняется, а температура воздуха остается стабильной.

Из результатов расчетов также следует, что при расходе пара 10 кг/с и выше в месте разветвления потока к потребителю № 1 и потребителями № 5 и 4 пар сохраняет перегрев. Во всех остальных режимах в точке разветвления находится влажный пар.

При минимальном расходе пара от ТЭЦ, равном 7 кг/с, доле общего расхода на потребителей № 5 и 4, равной 0,4, и температуре воздуха 20 ОС расходное паросодержание x в потоке к потребителю № 4 равно примерно 0,2. По существу, это поток пароводяной смеси, движущейся в снарядном режиме. Близкая характеристика расходного паросодержания получается для этого режима и при -10 ОС. Во всех остальных режимах пар у потребителя № 4 сохраняет относительно приемлемые характеристики расходного паросодержания.

Рассмотрим случай зимнего режима потребления пара, когда эвакуация конденсата на контрольном участке задана при исходном расходе пара 10 кг/с, доле расхода на потребителей № 5 и 4, равной 0,7, и температуре окружающего воздуха 5 ОС (зависимости для этой температуры на рис. 3 не показаны. - Прим. ред.). Этому случаю соответствует расход конденсата на контрольном участке, равный g1=0,2702 кг/с. При снижении расхода пара от ТЭЦ до 9 кг/с при той же доле расхода к потребителям № 5 и 4, и той же температуре наружного воздуха расход конденсата на контрольном участке увеличится до g2=0,32719 кг/с. Для этого случая Дg=0,05699 кг/с, т.е. больше Дgкp=0,030883 кг/с.

Рассмотрим случай летнего режима потребления пара, когда эвакуация конденсата на контрольном участке задана при расходе пара 9 кг/с, доле расхода на потребителей № 5 и 4, равной 0,5, и температуре окружающего воздуха 20 ОС. Этому случаю соответствует расход конденсата, равный g1=0,24798 кг/с. При снижении расхода пара от ТЭЦ до 8 кг/с, при той же доле расхода к потребителям № 5 и 4, и той же температуре воздуха расход конденсата увеличится до g2=0,29481 кг/с. Для этого случая Дg=0,04683 кг/с, т.е. больше Дgкp.

Заключение

Таким образом, результаты выполненных теплогидравлических расчетов подтверждают реальную возможность возникновения опасных режимов эксплуатации паропроводов, спроектированных для транспортировки перегретого пара в малорасходных режимах с конденсацией. Кроме того, на нескольких гибах рассмотренного выше контрольного участка паропровода при визуальном контроле были обнаружены трещины на растянутых образующих, а также смещения некоторых скользящих опор со своих оснований в направлении движения потока пара, что является прямым свидетельством имевших место опасных режимов.

Литература

1. М.П. Вукалович, С.Л. Ривкин, А.А. Александров. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. - М.: Изд-во стандартов, 1969. - 408 с.

2. Е.И. Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с.

Размещено на Allbest.ru