Оценка влияния конструкции конденсаторных установок автономных источников энергоснабжения на надежность их работы

УДК 620.98

Оценка влияния конструкции конденсаторных установок автономных источников энергоснабжения

на надежность их работы

О. В. Высокоморная,

Национальный исследовательский Томский политехнический университет,

кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры теоретической и промышленной теплотехники

В. С. Высокоморный,

Национальный исследовательский Томский политехнический университет,

инженер лаборатории

П. А. Стрижак,

Национальный исследовательский Томский политехнический университет,

доктор физико-математических наук, профессор кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов, заведующий лабораторией

Представлена модель, позволяющая определить интегральные характеристики работы типичных автономных источников электроснабжения в различных режимах эксплуатации. По результатам численного исследования с использованием представленной модели определены предельные расстояния между трубками конденсатора автономной энергоустановки, работающей по органическому циклу Ренкина, которые обеспечивают требуемые выходные параметры рабочего потока.

Ключевые слова: энергоснабжение, численное моделирование, автономная энергоустановка, конденсация.

Функционирование предприятий, имеющих на своём балансе удалённые промышленные площадки, зачастую связано с вопросами выбора надёжного и наименее затратного варианта подвода энергии к таким объектам. Особенно актуальными вопросы энергоснабжения технологических потребителей являются для предприятий, объекты которых расположены на значительном удалении от централизованных систем энергоснабжения. К ним прежде всего можно отнести предприятия, деятельность которых связана с разведкой, добычей и транспортом углеводородов. Наиболее острой проблема энергоснабжения удалённых объектов является для компаний, расположенных в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке России, поскольку в этой части страны находятся обширные территории со слаборазвитой энергетической инфраструктурой либо с полным её отсутствием [1, 2]. При этом, например, функционирование магистрального газопровода предусматривает наличие десятков и даже сотен малых потребителей электроэнергии: линейных пунктов телемеханики, газораспределительных станций, крановых узлов, узлов запуска и приёма очистных устройств и пр. Организовывать централизованное энергоснабжение на такой территории экономически невыгодно, поэтому целесообразно использование автономных источников энергоснабжения.

Для предприятий, осуществляющих транспорт углеводородов, одним из требований к автономным энергоустановкам является возможность функ-

ционирования на транспортируемом сырье. Так на магистральных газопроводах единой газотранспортной системы России, расположенных на территории полуострова Камчатка, применяются более 100 энергоустановок мощностью до 4 кВт с замкнутым органическим циклом пара, в которых в качестве топлива используется природный газ [3, 4].

При этом на рассматриваемых удалённых объектах ежегодно регистрируются десятки аварийных технических происшествий, связанных с отказами в работе автономных энергоустановок [3, 4]. Основными причинами останова энергоустановок являются обрыв пламени горелочного устройства (около 21 % от всего количества отказов), механическая неисправность турбоагрегата (около 25 %) и предельно высокая температура в конденсаторе (около 20 %). Любое, даже кратковременное прекращение подачи электроэнергии технологическим потребителям, обслуживающим газопровод, может поставить под угрозу функционирование единой газотранспортной системы.

Целью настоящей работы является численное исследование влияния взаимного расположения трубок воздушного конденсатора автономной энергоустановки на режимы охлаждения органического рабочего вещества и, соответственно, на надёжность работы автономного источника энергии.

Автономная энергоустановка функционирует по следующему принципу (рис. 1). Энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, расходуется на

нагрев и испарение органического рабочего вещества (дихлорбензола) в парогенераторе. Рабочее вещество в виде пара поступает на лопатки турбины, приводя её во вращение. На одном валу с турбиной находится электрогенератор, вырабатывающий переменный ток. Рабочее вещество направляется в трубки воздушной конденсаторной установки, где охлаждается и переходит в жидкую фазу. Затем рабочее вещество насосом возвращается в парогенератор, попутно смазывая подшипники турбогенератора, и цикл повторяется.

Воздушный конденсатор энергоустановки представляет собой два ряда оребренных трубок внутренним диаметром Din=38 мм, объединённых коллекторами (рис. 2). Давление рабочего вещества в конден-

саторе ниже атмосферного, поэтому при эксплуатации энергоустановки периодически возникает необходимость проведения дегазации через специальный вакуумный клапан. Дегазация производится специальным вакуумным насосом, чтобы исключить попадание воздуха во внутреннее пространство конденсатора. Расстояние между трубками конденсатора в ряду составляет L«0,15D¿n, что позволяет сделать предположение о наличии менее благоприятных условий конденсации для трубок, находящихся в середине ряда, а также о значительном влиянии расстояния между трубками на протекающий в них фазовый переход.

1700

Рис. 1. Схема энергоустановки, работающей по замкнутому циклу пара:

I — подвод топлива; 2 — панель управления подачей горючего; 3 — горелка; 4 — термостат; 5 — органическая

жидкость; 6 — парогенератор; 7 — пар; 8 — турбина; 9 — генератор переменного тока; 10 — насос;

II — подача пара в конденсатор; 12 — конденсатор;

13 — вывод конденсата; 14 — дымовая труба; 15 — кабели входа переменного тока к выпрямителю; 16 — электрический щит

Рис. 2. Конструкция конденсатора: а — фронтальный вид; б — вид сверху

При постановке задачи были сделаны следующие допущения: рассмотрена система из двух трубок. Такое допущение введено вследствие идентичности диаметра всех трубок и постоянства расстояния между нами (рис. 2). Считалось, что рабочее вещество поступает в конденсатор в состоянии сухого пара, поскольку его входная температура и давление соответствуют этому состоянию [5]; коэффициент теплоотдачи при конденсации пара, вычисленный по зависимостям [6], считался постоянным. Анализ показывает, что учёт измене-

ния а1_2 по длине трубки конденсатора приведет к существенному усложнению модели при минимальном изменении результатов. Паровая фаза рабочего вещества считались идеальным газом. В связи с отсутствием соответствующих датчиков в конденсаторной установке трудно определить параметры дихлорбензола в конденсаторе и в первом приближении целесообразно рассматривать его как идеальный газ. Тепло-физические характеристики парожидкостной смеси рабочего вещества вычислялись в соответствии с правилом аддитивности.

Принята следующая схема процессов тепломассо-переноса в рассматриваемой системе (рис. 3). Предполагалось, что рабочее тело в парообразном состоянии при температуре насыщения Ts поступает в трубки конденсатора. За счёт теплообмена с внешней средой через стенки трубок от протекающих внутри конденсатора со скоростью V! паров рабочего вещества отводится тепло. Начинается процесс фазового перехода. При этом на внутренней поверхности трубок образуется плёнка конденсата. По мере продвижения пара через трубки толщина плёнки конденсата 5 увеличивается, а доля пара в парожидкостной смеси фу уменьшается. При завершении фазового перехода (фу=0) дальнейший отвод тепла от рабочего тела сопровождается снижением его температуры.

Процесс конденсации считался завершённым при достижении доли пара в парожидкостной смеси рабочего вещества нормативного значения, заявленного заводом-изготовителем [5].

у, мм "

У\ъ. У12 У11 У10

У9 У8 У7

Уб У5-У4 Уз

V 2

VI

4

0<Х<Х1, У2<У<У4, У9<У<Уп):

сТ,

-+К

ВТ,

(/

йг ду

Ну-Й

ду2 ) Ч Й

Уравнение теплопроводности для рабочего вещества вне зоны конденсации

(т1<тs, 0<X<Xl, Уl<У<У2, У4<У<У5, У8<У<У9,

уи<у<у12):

-+1'\

П

(1

ёх~ ду'

Уравнение теплопроводности для стенки

(0<г<г, 0<у<уь у5<у<у6, У7<У<У8, У12<У<У1з): д/

Уравнение движение потока рабочего вещества

г-" Чй^' V/

(Тг<Т3, О<Х<ХЬУ^<У<У5,УЪ<У<У12):

Начальные условия:

*=0; ^^ ф=1.

Граничные условия:

- на границах «парожидкостная смесь - плёнка конденсата»: 0<х<хъ у=у2, у=У4, у=У9, у=уи:

- на границе «плёнка конденсата - внутренняя поверхность трубы»: 0<х<хъ у=у1, у=у5, у=у8, у=у12:

сту

- на границе «наружная поверхность трубы -воздух» 0<Х<Х1, у=0, у=у6, у=у7, у=у1з:

0 4 *1 х,мм

Рис. 3. Схема области решения задачи тепломассопереноса при конденсации:

1 — пары рабочего вещества; 2 — конденсат;

3 — стенка трубки конденсатора;

4 — окружающий воздух

Математическая модель

Нестационарные дифференциальные уравнения, описывающие процесс конденсации рабочего тела в трубках конденсаторной установки (рис. 3) и соответствующие сформулированной физической постановке задачи, в декартовой системе координат имеют следующий вид [7].

Уравнение теплопроводности для рабочего вещества в зоне конденсации

- на оси симметрии трубопровода:

0<х<хъ y=yз, у=уп:

В уравнениях (1)-(9) приняты следующие обозначения:

T - температура, К;

Тs - температура насыщения рабочего вещества, К; x, у - координаты декартовой системы координат, м; t - время, с;

V - скорость потока рабочего вещества, м/с; a - коэффициент температуропроводности, м2/с; Wc - объёмная скорость конденсации рабочего

вещества, м3/с; Qc - скрытая энергия фазового перехода, Дж/кг; c - массовая теплоёмкость, Дж/(кг-К); р - плотность, кг/м3; P - давление рабочего вещества, Н/м2;

2

4

3

2

3

фу - доля пара в парожидкостной смеси дихлор-бензола;

X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); То - температура рабочего вещества в начальный момент времени, К; g - ускорение свободного падения, м/с2; П - динамический коэффициент вязкости, м2/с; Din - внутренний диаметр трубопровода, м; индексы «1», «2», «3» соответствуют парожидкост-ной смеси рабочего вещества, жидкой фазе рабочего вещества, материалу труб конденсатора, воздуху.

Плотность паров рабочего вещества

Объёмная скорость конденсации определялась из выражения

где в - безразмерный коэффициент испарения;

к - безразмерный коэффициент, равный 0,4;

Рп - давление насыщенных паров дихлорбензола, Н/м2;

Rt- универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К);

М - молярная масса дихлорбензола, кг/кмоль.

Система нестационарных дифференциальных уравнений (1)-(4) решалась методом конечных разностей [8]. Разностные аналоги дифференциальных уравнений (1)-(4) решались локально-одномерным методом [8]. Для решения одномерных разностных уравнений применялся метод прогонки с использованием неявной четырехточечной схемы [8]. Для решения нелинейных уравнений применялся метод простых итераций [9]. Методика оценки достоверности результатов выполненных численных исследований основана на проверке консервативности применяемой разностной схемы [10].

Результаты и обсуждение

Численные исследования выполнены при типичных значениях параметров рассматриваемой системы (рис. 3): начальная температура рабочего вещества на входе в конденсатор Т1=426 К; температура наружного воздуха Т4=303 К; тепловой эффект конденсации дихлорбензола Qc=311,7 кДж/кг; размеры области решения Нж=150 мм, Яу=1500 мм; молекулярная масса дихлорбензола М=147 кг/кмоль; безразмерный коэффициент испарения в=0,1; скорость движения рабочего тела в конденсаторе У^=0,01 м/с; коэффициент теплоотдачи при конденсации паров дихлор-бензола в канале конденсатора а1_2=650 Вт/(м2-К). Теплофизические характеристики дихлорбензола, стали, воздуха приведены в [11-13].

На рис. 4 а представлены типичные изотермы системы с двумя трубками конденсатора при расстоянии между ними L=6 мм. Показано, что температура внешней среды на оси симметрии между двумя

трубками изменяется от 305 до 345 К при температуре наружного воздуха Т4=303 К. Такой эффект обусловлен взаимным влиянием оттока тепла от расположенных рядом трубок на интенсивность теплоотдачи в межтрубном пространстве. Повышение температуры воздуха может значительно повлиять на процесс конденсации рабочего вещества, так как основным фактором, влияющим на интенсивность тепломассопереноса в рассматриваемой системе (рис. 3) является градиент температур между двухфазным потоком рабочего вещества внутри трубок конденсатора и средой, омывающей трубки конденсатора снаружи. Последствием ухудшения условий теплообмена может быть рост значения температуры на выходе из конденсаторной установки сверх нормативной, установленной заводом-изготовителем. Это, в свою очередь, приводит к аварийному останову источника энергоснабжения и прекращению подачи электроэнергии потребителям. Предельно высокая температура двухфазного рабочего потока является причиной порядка 20 % общего количества аварийных технических происшествий при эксплуатации автономных энергоустановок с замкнутым циклом пара [3, 4].

х, мм

1500 1312,5 1125 937,5 750 562.5 375 187,5

а

350 - Т4, мм

340

330

320

310

300

290

б

Рис. 4. Изотермы рассматриваемой системы при Т4=303 К, 1=6 мм (а) и значения температуры внешней среды в межтрубном пространстве при Т4=303 К (б): 1 —1=6 мм; 2 —1=9 мм; 3 —1=12 мм

ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / mw.mdf.nt

№ 1 (55) 2014, январь-февраль

На рис. 4 б приведены результаты численного моделирования процесса конденсации в трубках на разном удалении друг от друга. Как и можно было предположить, меньшее значение температуры воздуха между трубками конденсатора соответствует большему расстоянию между соседними трубками (L=12 мм). При этом увеличение расстояния между каналами конденсатора на каждые 3 мм соответствует снижению температуры воздуха в межтрубном пространстве в среднем на 5 К (рис. 4 б). Можно утверждать, что процесс конденсации двухфазного рабочего потока будет протекать наиболее интенсивно при удалении трубок конденсатора друг от друга на расстояние не менее L»0,5Din.

В реальных условиях эксплуатации конструкция конденсатора типичной автономной энергоустановки, работающей на базе органического цикла Ренкина, предусматривает два расположенных друг над другом ряда из 16 трубок (рис. 2). Из этого следует, что на практике снижение интенсивности теплоотдачи от конденсирующегося дихлорбензола значительнее, поскольку каждая трубка (кроме крайних в ряду) находится под влиянием температурного поля, формируемого тремя соседними каналами. Таким образом, целесообразно увеличение шага между трубками конденсатора до L=18 мм. Учитывая ограничения по размерам конденсаторных установок [3, 4], можно рекомендовать выдерживать минималь-

ное расстояние между трубками. В частности, для рассматриваемых установок, как показали численные исследования, минимальные удаления трубок относительно соседних должны быть не меньше 6 мм.

Выполненные с использованием разработанной модели численные исследования позволили оценить влияние расстояния между трубками конденсаторной установки автономного источника энергоснабжения на условия теплообмена. Показано, что соседние каналы конденсатора значительно влияют на формирование температурного поля внешней среды в межтрубном пространстве, а удаление трубок друг от друга заметно снижает интенсивность влияния этого фактора. Полученные результаты свидетельствуют о целесообразности удаления каналов конденсаторной установки на расстояние L«0,5D¿n для обеспечения надёжной работы автономного источника электроснабжения. Так, например, для наиболее типичных конденсаторных установок паротурбогенератора с замкнутым циклом 20AG_48_ARC С/А-НТ [5] значения L должны быть не меньше 6 мм.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (государственный контракт № 2.80.2012).

Литература

1. Высокоморный В. С., Сярг Б. А. Реализация инновационных технологий энергообеспечения автономных объектов газотранспортной системы / / Новые технологии газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи: Сборник трудов XX международного технологического конгресса. Иркутск, 23-26 августа 2011. - М.: Академия технологических наук РФ, 2012. - С. 164-168.

2. Высокоморный В. С. Повышение надежности энергообеспечения удаленных объектов транспорта нефти и газа путем использования автономных источников энергоснабжения / / Энергетическое обследование как первый этап реализации концепции энергосбережения: Матер. междунар. молодёжной конференции. Томск, 3-4 декабря 2012. - Томск: Томский политехнический университет, 2012. - С. 190-192.

3. Правила технической эксплуатации электростанций собственных нужд объектов ОАО «Газпром» ВРД 39-01.10-071-2003 / / ООО «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий -ВНИИГАЗ». - М., 2003.

4. Регламент технического обслуживания и ремонта объектов ОАО «Газпром». Приказ № 251 от 10.10.2008. 32 с.

5. Eps operation&maintenance manual (powered by CCVT). - 2006. - Part 2. - P. 600.

6. Справочник по теплообменникам / Пер. с англ. В 2 т. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - Т. 1. - 561 с.

7. Пасконов В. М., Полежаев В. И., Чудов Л. А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М.: Наука, 1984. - 277 с.

8. Самарский А. А. Теория разностных схем. - М.: Наука, 1983. - 616 с.

9. Коздоба Л. А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. - М.: Наука, 1975. - 227 с.

10. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Численное решение задачи воспламенения жидкого пожароопасного вещества одиночной «горячей» частицей / / Физика горения и взрыва. - 2009. - № 5. - С. 42-50.

11. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: ООО «Старс», 2006. - 720 с.

12. Лариков Л. Н., Юрченко Ю. Ф. Тепловые свойства металлов и сплавов: Справочник. - Киев: Наукова думка, 1985. - 439 с.

13. Исаченко В. П. Теплообмен при конденсации. - М.: Энергия, 1977. - 239 с.

Assessment of condensers' construction impact on reliability of autonomous power installations О. V. Vysokomornaya,

National Research Tomsk Polytechnic University, PhD, senior lecturer V. S. Vysokomorny,

National Research Tomsk Polytechnic University, lab engineer P. A Strizhak,

National Research Tomsk Polytechnic University, D.S., Professor

We present the model that allows to define integrated characteristics of typical autonomous sources working for power supply in their various modes of operation. By results of numerical research based on the presented model we calculate limit distances between tubes of the condenser of the autonomous power installation working on the Rankine cycle which provide demanded output parameters of the working stream.

Keywords: energy supply, digital modeling, autonomous power installation, condensation.