Повышение надежности поверхностей нагрева котлов ТЭС: На основе исследования термогравитационных и магнитных явлений

Работоспособность тепловых электрических станций в значительной мере зависит от надежности котельного оборудования. Большинство отказов происходит из-за повреждений труб поверхностей нагрева. Основная причина повреждений в виде продольных трещин, вырывов, борозд и отдулин заключается в тепловой неравномерности, перегревах и ускоренном исчерпании запаса длительной прочности металла. Тепловая неравномерность является следствием неравномерности тепловосприятия, конструктивной нетождественности и гидравлической разверки. Неравномерность тепловосприятия связана с неоднородными распределениями температуры и скорости продуктов сгорания и циркулирующего теплоносителя. Локальное или общее увеличение теплоотдачи от продуктов сгорания и снижение теплоотдачи к теплоносителю вызывают режимы ухудшенного теплообмена и перегревы металла выше расчетной или предельно допустимой температуры. Перегревы носят кратковременный или длительный характер, перегревы и колебания температуры инициируют микроструктурные изменения в металле, потерю защитных свойств оксидной пленки, ползучесть и коррозию.

Изучение массовых повреждений трубных поверхностей нагрева испарительного тракта котлов дои сверхкритического давления показало, что неоднородное поле температуры в топочной камере, высокая тепловая нагрузка в стационарных режимах и набросы тепловой нагрузки при растопках порождают неизотермичность теплоотдачи к теплоносителю, термогравитационныые и кризисные явления. Имеющиеся зависимости для инженерных расчетов таких явлений в вертикальных трубах не обладают достаточной общностью и точностью. В этой ситуации определение диагностических признаков, разработка моделей и мероприятий для предотвращения повреждений затруднены.

Контроль тепловой неравномерности на ранней стадии с принятием превентивных эксплуатационных и ремонтных мер приобретает решающее значение в повышении надежности элементов. Существующая система контроля металла ТЭС в виде визуального и измерительного контроля диаметра и толщины стенки труб ориентирована не на выявление тепловой неравномерности на ранней стадии, а на поддержание работоспособности оборудования на этапе ненадежной эксплуатации. Тотальный температурный контроль металла реально невыполним для крупных котлов. В последнее время такой традиционный подход дополнен оценкой остаточного ресурса поверхностей нагрева паропе-регревательного тракта по условиям жаропрочности. Большая протяженность труб, короткий ремонтный период и отсутствие оперативных методов контроля тепловой неравномерности и несплошностей оксидной пленки труб на ранней стадии не позволяют решать проблему продления срока службы металла и профилактики повреждений по температурному состоянию.

Поиск оперативных средств неразрушающего контроля и диагностики поверхностей нагрева побудил обратить внимание на явление намагничивания котельных труб. Это явление было обнаружено в '70-х годах при исследовании причин повреждений элементов испарительного и паролерегревательного трактов. Исследованиями в отделении металлов Всероссийского теплотехнического научно-исследоЕатель-ского института (ВТИ) установлено, что намагничивание сталей 20, 12Х1МФ и 12Х18Н12Т металла вызвано температурой и напряжениями. Созданный метод контроля на основе, явления намагничивания прошел успешные промышленные испытания и рекомендован для использования в котлах ТЭС.

Зависимости для инженерных расчетов теплообмена в вертикальных обогреваемых трубах необходимы также для различных энергетических объектов, в том числе со сверхпроводниковыми устройствами. Сильно возрос интерес к сверхпроводникам е связи с открытием сверхпроводящих свойств у некоторых редкоземельных соединений на основе окислов меди, бария и иттрия при азотном уровне температур и перспективами их использования вместо сверхпроводников Nb-Ti и NbsSn гелиевого уровня температур. Азот дешев, не загрязняет окружающую среду, химически слабо активен и является хорошим электроизолятором.

При создании сЕерхпроводникоЕых устройств необходимо располагать зависимостями для инженерных расчетов статических и динамических характеристик токонесущих элементов в штатных и аварийных режимах работы. Конструкция устройств, тип криостатирования и режимные параметры криоагентов могут быть разнообразными. Теплот-дача к кипящим азоту и гелию в условиях свободного и вынужденного движения при плавном изменении тепловой нагрузки изучена достаточно подробно. Также хорошо изучен теплообмен при свободной и вынужденной конвекции однофазных криоагентов с постоянными и переменными теплофизическими свойствами. Значительно меньше исследовалась теплоотдача к кипящим криоагентам при ступенчатом набро-се тепловой нагрузки и однофазным криоагентам в околокритической области. Именно в этой области наиболее ярко происходит изменение теплофизических свойств криоагентоЕ и проявляются эффекты улучшенного и ухудшенного теплообмена. Критические параметры гелия (Ркр-0,229 МПа, Гкр-5,19 К) очень низкие. Поэтому е сверхпроводниковых устройствах с протяженными каналами давление циркулирующего криоагента часто может находиться в околокритической области. Критические параметры азота (ркр-3,599 МПа, ГкР-126,25 К) значительно выше. Поэтому необходимость применения азота сверхкритического давления может возникнуть лишь в устройствах с большим перепадом давления по циркуляционному тракту.

Выполненные в 70-х годах в Великобритании, СССР, США, Франции и Японии первые экспериментальные работы по исследованию теплоотдачи к азоту и гелию в однофазной околокритической области при вынужденном течении в трубах не дали конкретных ответов ни на один из вопросов, интересующих разработчиков систем криостатиро-вания. В это время во многих странах проводились глубокие исследования теплоотдачи к воде, воздуху и двуокиси углерода при дои сверхкритическом давлении. Были получены неожиданные результаты, свидетельствующие о весьма существенном влиянии на теплообмен не только изменений теплофизических свойств теплоносителей, но и архимедовых сил. Совместное действие вынужденной и свободной конвекции изучается достаточно давно. Но до того времени существовало устойчивое представление о влиянии архимедовых сил на теплообмен только при ламинарном режиме течения и об отсутствии влияния архимедовых сил при турбулентном течении. Исследования закономерностей теплообмена при турбулентной смешанной конвекции в вертикальных и горизонтальных каналах были инициированы эффектами снижения теплоотдачи, часто являющимися причинами повреждений оборудования. Обнаруженные особенности теплообмена нашли свое отражение в обобщающих зависимостях. Противоречие известных интерполяционных уравнений явно проявилось при смешанной конвекции в трубах.

В лаборатории гидродинамики и тепломассообмена Энергетического института им. Г. М. Кржижановского (ЭНИН) были проведены глубокие экспериментальные исследования теплоотдачи к однофазному гелию околокритических параметров при вынужденной и смешанной конвекции в ламинарной, переходной и турбулентной областях чисел Рейнольдса и к кипящему азоту при ступенчатом набросе тепловой.

— У нагрузки. Установлено отсутствие принципиальных различий в характеристиках теплоотдачи к криоагентам и теплоносителям, если опытные данные обработаны в критериальном виде. Разработаны зависимости для инженерных 'расчетов теплообмена в теплоносителях и кри-оагентах. Преимущество низкотемпературного эксперимента состоит в экономии на материалах, которая может превысить затраты на эксплуатацию .

Е работе принято следующее построение. В гл. 1 приведены сведения о состоянии исследований теплообмена и гидродинамики при вынужденной и смешанной конвекции теплоносителей и криоагентов в трубах. Акцент сделан на однофазную область околокритических параметров, азот, воду, гелий и двуокись углерода с термодинамически сходными теплофизическими свойствами. В гл. 2 описаны экспериментальная установка и рабочий участок для исследования теплоотдачи к гелию при вынужденной и смешанной конвекции в вертикальной обогреваемой трубе, техника измерения режимных параметров, обработка результатов измерения, порядок проведения экспериментов. Здесь также содержится информация о погрешностях измерения режимных параметров и расчета коэффициента теплоотдачи, приведены результаты квалификационных экспериментов, даны характеристики основных экспериментальных серий. Представлены результаты опытое в виде распределений температуры стенки, коэффициента теплоотдачи и относительной теплоотдачи по высоте рабочего участка е турбулентной области чисел Рейнольдса. В исследованных режимах обнаружена зависимость характеристик теплоотдачи от изменений теплофизичес-ких сеойств криоагента. На основании обобщения данных для вязкостно-инерционного течения установлена закономерность теплоотдачи при турбулентной вынужденной 'конвекции. В гл. 3 приведены распределения температуры стенки и относительной теплоотдачи в условиях подъемного и опускного движения гелия в ламинарной, переходной и турбулентной областях чисел Рейнольдса при влиянии на характеристики теплообмена изменений теплофизических свойств кри-оагента и архимедовых сил. Обоснована форма параметра смешанной конвекции, позволившая установить границу начала влияния термогравитации на теплообмен в гелии и получить зависимость для теплоотдачи турбулентной смешанной конвекцией. Разработаны расчетные зависимости, проведена их проверка на данных по теплоотдаче вынужденной и смешанной конвекцией азота, воды и двуокиси углерода. Выполнен сопоставительный анализ применимости известных интерполяционных уравнений для расчета теплообмена при вынужденном течении гелия. Описана экспериментальная установка для исследования теплоотдачи к кипящему азоту в условиях ступенчатого наброса тепловой нагрузки. Показано, что при нагрузке значительно ниже критической существуют ухудшенные режимы теплоотдачи.

Следующие три главы (гл. 4−6) посвящены анализу массовых повреждений труб паооперегревательного и испарительного трактов котлов ТЭС из-за перегревов и колебаний температуры, определению диагностических признаков повреждений в виде продольных трещин, вырывов фрагмента, эрозионно-коррозионных борозд и отдулин, разработке моделей и рекомендаций для предотвращения повреждений, явлению намагничивания котельных труб и созданию метода магнитного контроля труб поверхностей нагрева из сталей 20, 12Х1МФ и 12Х18Н12Т. В гл. 4 рассмотрены статистика и причины повреждений, пути снижения тепловой неравномерности элементов и состояние системы контроля металла. Дана информация о явлении намагничивания котельных труб и показано, что намагничивание металла вызвано температурным магнитным (ТМГ) и магнитоупругим (МУР) гистерезисом в слабых полях. Описана экспериментальная установка для изучения.

ТМГ и МУГ котельных сталей, рабочий участок и измерительная техника. Приведены данные магнитных измерений, доказывающие эту концепцию. В гл. 5 обоснована зависимость нормальной составляющей вектора магнитной индукции или напряженности поля труб из ферромагнитных сталей в условиях котла от температуры эксплуатации металла. Вероятностная обработка результатов магнитных измерений позволила идентифицировать тепловую неравномерность элементов и разверенные трубы. Даны примеры совместного использования магнитного и металлографического анализа для оценки работоспособности металла. В гл. 6 описан способ выявления труб из параи ферромагнитных сталей с дефектами сплошности окалины и металла по магнитному полю рассеяния на несплошностях. Приведены характеристики разработанного диагностического комплекса МДКС для магнитных измерений, обработки и печати результатов контроля.

Цель работы заключается е снижении повреждений поверхностей нагрева котлов ТЭС из-за перегревов и колебаний температуры, что достигается экспериментальным решением следующих задач:

— исследование и разработка зависимостей для инженерных расчетов теплообмена при подъемном и опускном движении однофазной жидкости околокритических параметров в вертикальных обогреваемых трубах в ламинарной, переходной и турбулентной областях чисел Рейнольдса;

— изучение условий потери устойчивости режима пузырькового кипения на вертикальной пластине в большом объеме при ступенчатом набросе тепловой нагрузки;

— определение диагностических признаков и разработка моделей типичных повреждений труб;

— исследование явления намагничивания и разработка магнитного метода и приборного обеспечения для контроля тепловой неравномерности, несшюшностеи оксиднои пленки и металла труб поверхностей нагрева котлов ТЭС.

Основные результаты и их научная новизна.

1. Исследованы рост и снижение относительной теплоотдачи при чисто вынужденной турбулентной конвекции однофазной жидкости околокритических параметров.

2. Исследована теплоотдача при подъемном и опускном движении однофазной жидкости околокритических параметров в вертикальной обогреваемой трубе в условиях влияния переменных теплофизических свойств и архимедовых сил в ламинарной, переходной и турбулентной областях чисел Рейнольдса.

3. Определена граница начала влияния архимедовых сил на теплоотдачу к турбулентному потоку жидкости с переменными свойствами при подъемном и опускном движении в вертикальных трубах.

4. Разработаны зависимости для инженерных расчетов теплообмена при вынужденной и смешанной конвекции однофазной жидкости околокритических параметров в условиях подъемного и опускного движения в вертикальных обогреваемых трубах.

5. Изучены условия потери устойчивости режима пузырькового кипения на вертикальной пластине в большом объеме при ступенчатом набросе тепловой нагрузки.

6. Определены диагностические признаки и разработаны модели повреждений труб в виде продольных трещин, вьгоыеов, борозд и от-дулин.

7. Исследованы явление намагничивания, температурный магнитный и магнитоупругий гистерезис котельных сталей в слабых полях.

3. Разработан магнитный метод контроля тепловой неравномерности, несплошностей оксидной пленки и металла труб поверхностей нагрева из сталей 20, 12Х1МФ и 12Х18Н12Т.

— 13.

Практическая значимость работы.

Зависимости для инженерных расчетов теплообмена использованы при разработке мероприятий для предотвращения повреждений труб котлов ТЭЦ-23 и Каширской ГРЭС-4 МОСЭНЕРГО, Костромской ГРЭС, Новгородской ТЭЦ и Тверской ТЭЦ-4. Методические указания по магнитному контролю металла труб поверхностей нагрева котлов ТЭС (РД 34.17.451−98) согласованы Госгортехнадзором России и утверждены Департаментом стратегии развития и научно-технической политики РАО «ЕЭС России». Магнитный контроль Енедрен в КУЗБАССЭНЕРГО, МОСЭНЕРГО и ТВЕРЬЭНЕРГО.

На защиту выносятся следующие основные положения:

— результаты исследования и зависимости для расчета теплоотдачи при подъемном и опускном движении жидкости околокритических параметров в вертикальных обогреваемых трубах;

— закономерности потери устойчивости режима пузырькового кипения на вертикальной пластине в большом объеме при ступенчатом набросе тепловой нагрузки;

— диагностические признаки и модели повреждений труб е виде продольных трещин, вырывоЕ, борозд и отдулин;

— результаты изучения явления намагничивания, температурного магнитного и магнитоупругого гистерезиса сталей ?0, 12Х1МФ и 12X1SH12T в слабых полях;

— магнитный метод контроля тепловой неравномерности, несп-лошностей оксидной пленки и металла трубных поверхностей нагрева котлов ТЭС.

ОБОЗНАЧЕНИЯ.

Размерные величины: В — магнитная индукция, Тлср — удельная теплоемкость при постоянном давлении (изобарная теплоемкость), Дж/(кг•К) — ср — (Ьс-Ьж)/(Тс-Тж) — средняя теплоемкость, Дж/(кг-К) — D — наружный диаметр трубы, мd — внутренний диаметр трубы, мЕ — модуль упругости, МПа;

F — jr (Z7z-d2)/4 — площадь поперечного сечения трубы, м~;

G — pw ж d~/4 — расход, кг/сg — ускорение силы тяжести, м/с2;

И — напряженность магнитного поля, А/м;

Ис ~ коэрцитивная сила, А/мh — глубина, мм и удельная энтальпия, Дж/кг;

I — намагниченность, А/м;

J — xr (i7i-d4)/64 — осевой момент инерции поперечного сечения трубы, м4- 1 — длина, мр — давление, МПаq — плотность теплового потока, Вт/м2- г — радиус трубы, м и теплота парообразования, Дж/кгs — толщина и шаг, м;

Т и t — температура, К и °Си — внутренняя энергия кристалла, Дж/м3;

V — объем, м3- v — скорость коррозии, мм/чw — скорость движения, м/сх — расстояние от начала обогреваемого участка трубы, мсе — Яс/(ТС~ТЖ) — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К), сс — коэффициент температурного удлинения, К-1- 3 — - 1/р (ф/оТ)р — коэффициент объемного расширения, К-1;

5 — прогиб трубы и толщина отложений, м;

Л — коэффициент молекулярной теплопроводности, Вт/(м-К) — |л — динамический коэффициент вязкости, Н-с/м~- v — р/р — кинематический коэффициент вязкости, м2/ср — плотность, кг/м3- pw — средняя массовая скорость, кг/(м2-с);

6 — коэффициент поверхностного натяжения, Па, механическое напряжение, МПа и среднее квадратическое отклонение, А/их. — время, с и ресурс, чг, — математическое ожидание, А/м.

Безразмерные величины: Gr — g (1 — рс/рж) d3/v:?r, Grq — g Зж <7e с! А/(>жг Xj, Огд — Grq/(4 Pr Re) — числа Грасгофа;

N — количество труб (пакетов) и центральный коэффициент размагничивания — Nu — ос а/ж — число НуссельтаРг — м-ж срж ~ число ПрандтляRaq — Grq Pr, RaA — GrA Pr — числа РэлеяRe — pw d/^ - число РейнольдсаSt — Nu/(Re Pr) — число Стантонаx — массовое паросодержаниеX — х/(Re Pr d) — приведенная длинаФ — 1+0ж (Tq-Тж.) ~ параметр неизотермичностиА — магнитострикция или относительная деформацияji — магнитная проницаемостьт] - коэффициент заполненияг, — коэффициент сопротивления трения.

Индексы.

Нижние индексы: а — относится к начальной магнитной проницаемостиЕр — вращение границвх и вых — значение на входе и выходе обогреваемой трубыг — относится к температуре продуктов сгоранияд — относится к работе деформацииж — относится к средней массовой температуре жидкостиисп — относится к использованному ресурсук — относится к концу эксплуатационного периодакр — критическое значениекор — коррозия;

М — максимальное из значениймин — минимальное значениенар — значение на наружной поверхности трубыном — номинальное значениео — относится к течению с постоянными свойствами без влияния термогравитации, к исходному и образцовому состояниюок — окалинаост — относится к остаточному времени до разрушенияотд — относится к отдулинеотл — относится к отложениюп — относится к течению с тепловой турбулентностьюпк — относится к пузырьковому кипениюпл — относится к пленочному кипениюпр — предельное значениер — относится к времени до разрушенияс — значение на внутренней поверхности трубыск — относится к свободноконвективному течениюсм — смещение границср — среднее значениет — относится к пределу текучести и турбулентному течению с переменными свойствами без влияния термогравитацииф — относится к температуре факелаэ — относится к условиям эксплуатацииэкв — эквивалентное значениеd — относится к энергии деформациие — внешнее поле- 1 — внутреннее полек — относится к температуре точки Кюрит — псевдокритическое значениеп — нормальная составляющая вектораq — относится к энергии кристаллографической анизотропииs — относится к состоянию насыщенияst — относится к стабилизированному тепловому потоку во времениt — тангенциальная (параллельная) составляющая вектора;

0 — относится к абсолютному нулю температуры;

1 и 2 — относится к первой и второй критической тепловой нагрузке.

Верхние индексы: ' - относится к жидкости на линии насыщения- '' - относится к пару на линии насыщения.

ВЫВОДЫ.

1. Создана экспериментальная база из установок «ГЕЛИКС», «АЗОТ» и «МАГНИТ» для исследования теплоотдачи к гелию сверхкритического давления при вынужденной и смешанной конвекции в вертикальной обогреваемой трубе, условий потери устойчивости устойчивости режима пузырькового кипения азота на пластине в большом объеме при ступенчатом набросе тепловой нагрузки и явления намагничивания металла труб поверхностей нагрева котлов ТЭС, на которых решены методические проблемы прецизионных измерений.

2. Изучена локальная теплоотдача при подъемном и опускном движении однофазной жидкости околокритических параметров в ламинарной, переходной и турбулентной областях чисел Рейнольдса. В исследованных режимах обнаружена зависимость характеристик теплообмена от изменений теплофизических свойств и термогравитации.

3. Экспериментальные данные при вязкостно-инерционном течении обобщены соотношениями (2.10) и (2.11) с поправками на неизо-термичность и ф из интерполяционных уравнений для теплоотдачи к воде, двуокиси углерода и гелию сверхкритического давления.

4. Установлена граница 10%-ного влияния термогравитации на теплоотдачу к турбулентному потоку жидкости в однофазной околокритической оласти, определяемая значением параметра смешанной конвекции K-GrA/Re2-lCT5 для подъемного и /(=6 -10″ 5 для опускного движения.

5. Экспериментальные данные при вязкостно-инерционно-гравитационном течении обобщены уранениями (3.2)-(3.5). Соотношение для подъемного движения предсказывает существование трех областей: Ж Ю-0, 10~5<а<3−10~4 и а>3−10~4. Соотношение для опускного движения предсказывает существование двух областей: А'<6−1СГ5 и А'>6−10~5.

6. Установлено существование свободноконвективного предела теплоотдачи смешанной конвекцией жидкости с переменными свойствами при подъемном и опускном движении в вертикальных трубах. Обнаружена общность уравнений (3.2)-(3.5) проверкой данными для воды, двуокиси углерода и азота сверхкритического давления в диапазоне исследованных параметров.

7. Изучены условия потери устойчивости режима пузырькового кипения на вертикальной пластине в большом объеме при ступенчатом набросе тепловой нагрузки. Показано, что при <7с^<7кр1 существуют неустойчивые режимы, переходящие в устойчивые режимы пузырькового или пленочного кипения.

S. Определена основная причина повреждений труб поверхностей нагрева котлов ТЭС, заключающаяся в ускоренном исчерпании запаса длительной прочности металла. Перегревы и колебания температуры приводят к микроструктурным изменениям в металле, повышенному окалинообразованию и нарушению сплошности защитной оксидной пленки. Определены диагностические признаки и разработаны модели повреждений труб в виде продольных трещин, вырывов, борозд и отдулин.

9. Изучена зависимость магнитных характеристик труб из сталей 20, 12Х1МФ и 12Х18Н12Т от температуры и напряжений в слабых полях. Исследования показали, что явление намагничивания металла поверхностей нагрева вызвано температурным магнитным и магнитоуп-ругим гистерезисом.

10. Разработан магнитный метод контроля тепловой неравномерности элементов, несплошностей оксидной пленки и металла труб поверхностей' нагрева из сталей 20, 12Х1МФ и 12Х18Н12Т.

11. Создан диагностический комплекс МДКС, включающий цифро.

— ?76 вой феррозондовый магнитометр, сканирующее устройство и программы для обработки и печати результатов магнитных измерений и контроля 12. Результаты исследований использованы при анализе повреждений, разработке мероприятий по продлению срока службы и эксплуатационном контроле металла труб поверхностей нагрева котлов ТЭС.