Результаты математического моделирования процесса прогрева тепловой изоляции оборудования ГТ-ТЭЦ

Пожарная безопасность

технологических процессов

УДК 614.841

РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОГРЕВА ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ ГТ-ТЭЦ

А. М. Крутов, В. Л. Страхов

ЗАО "Теплоогнезащита"

Н. В. Смирнов

Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС РФ

Проведено математическое моделирование процесса прогрева тепловой изоляции оборудования газотурбинных теплоэлектроцентралей (ГТ-ТЭЦ), строительство которых в настоящее время ведется на территории России. Основное оборудование ГТ-ТЭЦ, к числу которого относится газовая турбина и рекуперативный воздухоподогреватель (РВП), отличается повышенной теплонапряженностью и пожарной опасностью. Поэтому при расчетах его теплоизоляции необходимо использовать более точную методику по сравнению с методикой СНиП 2.04.14-88*. Результаты проведенного математического моделирования процесса прогрева тепловой изоляции РВП по уточненной методике достаточно убедительно свидетельствуют о том, что в зонах примыкания трубопроводов к корпусу РВП возможно возгорание покровных слоев ткани в тех случаях, когда температура воспламенения выделяющихся при нагреве материала этого слоя газов пиролиза ниже расчетной. Полученные результаты послужили основой для выявления причин загорания теплоизоляции РВП и разработки рекомендаций по их устранению, в частности по замене материала покровного слоя.

В настоящее время на территории России развернуто строительство быстровозводимых газотурбинных электростанций (теплоэлектроцентралей) нового поколения (ГТ-ТЭЦ). Отечественным разработчиком ГТ-ТЭЦ является ОАО "ЭНЕРГОМАШКОРПОРАЦИЯ". Теплоэлектроцентрали этого типа имеют значительно больший коэффициент полезного действия по сравнению с традиционными ТЭЦ. Кроме того, они занимают меньшую площадь и требуют значительно меньше обслуживающего персонала.

Основное оборудование ГТ-ТЭЦ, к числу которого относится газовая турбина и рекуперативный воздухоподогреватель (РВП), отличается повышенной теплонапряженностью. Температура газов на входе в турбину составляет 950°С, а на выходе из нее — 560°С. Рабочая температура наружной поверхности стенок рекуперативного воздухоподогревателя составляет 560°С.

На наружной поверхности основного оборудования ГТ-ТЭЦ устанавливается слой теплоизоляции, толщина которого определяется в соответствии со СНиП 2.04.14-88* из условия снижения до допустимого уровня тепловых потерь и температуры поверхности.

Высокие уровни температуры поверхности ГТ-ТЭЦ обуславливают повышенную пожарную опасность теплоизоляции — ошибки при проектировании последней могут привести к пожару. Так, например, при первом испытании оборудования ГТ-ТЭЦ в г. Вельске произошло загорание в зонах примыкания трубопроводов к корпусу РВП. Тушение пожара продолжалось в течение двух часов.

Общий вид рекуперативного воздухоподогревателя с обвязкой (системой трубопроводов) показан на рис. 1. Можно видеть, что корпус РВП, а также входной и выходной газоходы имеют ребра жесткости, выступающие над их наружной поверхностью. Основными элементами обвязки являются трубопроводы диаметром 630 и 467 мм, расположенные с обеих сторон РВП. Из приведенных на рис. 1 габаритно-присоединительных размеров следует, что минимальное расстояние между боковой поверхностью корпуса (по выступам ребер) и поверхностями трубопроводов составляет:

• для трубопроводов диаметром 467 мм, расположенных над трубопроводами диаметром 630 мм, — 145 мм;

• для трубопроводов диаметром 630 мм — 250 мм.

12

796

15

Обозначение Назначение

А Вход воздуха от турбоагрегата

Б, Выход воздуха на турбоагрегат

я1 Вход воздуха на блок РВП

г, Выход газа к котлу

Д1 Люк-лаз

Люк

Ж1 Дренаж трубного пространства

Дренаж межтрубного пространства

п1 Штуцер для монометров

М1 Штуцер для термопары

Н1 Штуцер для термопары

П1 Штуцер для вывода кабелей

19

15

Обозначение

л

Дх Е1

Ж1

М1 Н1

П1

Вход воздуха от турбоагрегата Выход воздуха на турбоагрегат Вход воздуха на блок РВП Выход газа к котлу Люк-лаз Люк

Дренаж трубного пространства Дренаж межтрубного пространства Штуцер для монометров Штуцер для термопары Штуцер для термопары Штуцер для вывода кабелей

к.

Позиция

Обозначение

Наименование

10 11 12

13

14

16

19

Сборочные единицы

ИЦТ 0016.12.00.000

ИЦТ 0016.14.00.000

ИЦТ 0016.15.00.000

ИЦТ 0016.18.00.000

ИЦТ 0010.00.00.000

ИЦТ 0016.20.01.000

ИЦТ 0016.20.02.000

ИЦТ 0016.20.03.000

ИЦТ 0016.20.04.000

ИЦТ 0016.20.06.000

ИЦТ 0016.20.07.000

ИЦТ 0016.20.10.000

Компенсатор газохода

Газоход входной

Газоход выходной

Клапан перепускной

Клапан перепускной

Рекуперативный воздухоподогреватель

Блок трубопровода

Блок трубопровода

Блок трубопровода

Блок трубопровода

Компенсатор сильфонный 0СК-350

Блок трубопровода

Блок трубопровода

Блок трубопровода

Кол-во

РИС.1. Общий вид рекуперативного воздухоподогревателя с обвязкой - системы трубопроводов: а — вид сбоку; б — вид сверху; в — вид со стороны турбины

4

Б

б

А

Б

к

я

к

п

15

Причем в зоне фланцевых соединений последнее расстояние уменьшается до 175 мм.

В рассматриваемой конструкции существуют зоны, для которых характерно примыкание к нагретой поверхности корпуса РВП с минимальным зазором поверхностей трубопроводов, нагретых до высоких температур.

Конструкция теплоизоляции корпуса РВП и трубопроводов обвязки двухслойная.

Первый (внутренний) слой состоит из матов, имеющих форму "подушек". Обшивка матов выполнена из базальтовой ткани марки ТБСр-750 (ТУУ 19019261.001-97). В качестве теплоизолирующего заполнителя использовано супертонкое базальтовое волокно БСТВст (ТУУ В2.7.88023.025-96) или базальтовые маты фирмы "Paroc" марки Paroc 100(80)VM. Маты первого слоя укладываются в ячейки, образованные ребрами корпуса РВП.

Маты второго слоя имеют большую площадь по сравнению с матами первого слоя. Они укладываются с перекрытием стыков между матами первого слоя. В первом варианте конструктивного исполнения теплоизоляции ГТ-ТЭЦ они имели покровный слой, выполненный из ткани с полимерным покрытием "Силотекс-98" (ТУ 8713-001-49984806-01).

Расчет требуемых толщин теплоизоляции проводился по методике СНиП 2.04.14-88* "Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов".

Анализ технической документации показал, что при разработке конструкции теплоизоляции и расчете ее толщины не учитывались такие факторы, как:

а) сложная теплопередача в зонах примыкания трубопроводов к корпусу РВП ("двухсторонний" нагрев покровного слоя теплоизоляции);

б) выделение горючих газов из материалов изоляции;

в) интенсивность воздухообмена в помещении ТЭЦ и ее влияние на температуру и состав газовой среды у поверхности оборудования.

Для выяснения причин возгорания теплоизоляции РВП было проведено математическое моделирование процесса нестационарного прогрева тепловой изоляции в зонах примыкания трубопроводов к корпусу РВП.

С этой целью использовалась методика, позволяющая учитывать неодномерность температурного поля в указанной зоне. Постановка и решение соответствующей краевой задачи нестационарной теплопроводности и основные положения методики описаны в статье [1].

Численные расчеты по разработанной методике проводились при следующих исходных данных.

Поскольку в зонах примыкания трубопроводов к корпусу РВП теплоизоляция находится в сжатом состоянии, для определения температурной зависимости ее теплопроводности использовались фор-

мулы, позволяющие учитывать в явной форме влияние сжатия на теплопроводность материала теплоизоляции [1]:

А=А'(1 -ф )1,5 Мк + А'ф 0,25 +0^(1 -е)Г;

= £ к (Ь0 + Ь{ГX

где А' — теплопроводность волокон; ф — пористость;

Мк — параметр контактного сопротивления между волокнами;

А" — эффективная теплопроводность газа, заполняющего поры;

0 — параметры лучистого теплопереноса; е — относительное сжатие теплоизоляции; Т — температура;

ек — коэффициент естественной конвекции; Ь0, Ь1 — параметры аппроксимации температурной зависимости теплопроводности газа (пара), заполняющего пространство между волокнами. Входящая в записанные выше формулы пористость ф определяется по известным значениям объемной плотности материала р0 и плотности его минеральной основы р'0 из соотношения [1]:

Ф = 1 -

Р 0

Р0

Значения А' и р 0 для базальтоволокнистых материалов приведены в работе [2].

Согласно разработанной методике [2] значения параметров Мк и 0 определяются путем согласования расчетов по приведенным выше формулам с имеющимися экспериментальными данными по теплопроводности конкретного материала.

С этой целью использовались экспериментальные данные по температурной зависимости в диапазоне 0-500°С теплопроводности теплоизоляционного материала Wired Mat 105 фирмы ROCK-WOOL DENMARK. Было установлено, что приведенные выше формулы хорошо аппроксимируют экспериментальные данные при следующих значениях параметров: р' = 2550 кг/м3, А' = 3,7 Вт/(м • К), Мк = 0,3,0 =1,75 • 10-10Вт/(м • К4). Эти значения параметров использовались при проведении расчетов температурных полей в рассматриваемой системе.

Необходимая для проведения численных расчетов температурных полей зависимость температуры стенок корпуса РВП и трубопроводов от времени принималась в соответствии с графиком рис. 2, построенным по данным работы [3].

Расчеты двумерных температурных полей в теплоизоляции проводились применительно к расчетным схемам, показанным на рис. 3, путем численного решения краевой задачи нестационарной теплопроводности, сформулированной в работе [1],

т, °с

500450400350300250

7Л 2

t, мин

РИС.2. Зависимость температуры корпуса рекуператора от времени в период, предшествовавший возгоранию изоляции: 1 — температура на входе (за турбиной); 2 — температура на выходе (перед котлом); 3 — момент загорания

с использованием перечисленных выше исходных данных.

Типичные результаты расчетов представлены на рис. 4, где показано распределение цветных изотерм (изополос, цвет которых соответствует температурной шкале) в плоскости поперечного сечения стенок РВП и трубопроводов с теплоизоляцией для зон примыкания трубопроводов к стенке РВП. Эти распределения даны для момента времени, предшествующего моменту загорания теплоизоляции рекуперативного воздухоподогревателя.

Видна существенная неравномерность температурного поля в рассматриваемых зонах, обусловленная сложной структурой расчетной области и неравномерной теплоотдачей от поверхностей, омываемых естественно-конвективным потоком воздуха.

Можно также видеть, что наибольшему нагреву подвергаются покровные слои ткани, расположенные в зоне примыкания теплоизоляции трубопроводов к теплоизоляции стенки РВП (см. точки, обозначенные римскими цифрами II и V на расчетных схемах рис. 3).

Значения температуры в характерных точках расчетной области, обозначенных римскими цифрами I- VI, в момент времени, предшествующий загоранию, сведены в таблицу.

Из анализа данных таблицы можно сделать следующие выводы:

а) значения максимальной температуры покровных слоев ткани в зоне примыкания трубопроводов к стенке РВП находятся в пределах 398-473°(С (точка V);

б) значения максимальной температуры поверхности покровного слоя в случае примыкания к стенке РВП верхнего воздуховода (точка IIнарасчетной схеме рис. 3, а) находятся в пределах 76-82°С;

III 0630 7

f II-

>X

РИС.3. Расчетная схема теплового состояния теплоизоляции в зоне примыкания трубопроводов обвязки к корпусу РВП (а — вариант 1/ примыкание верхнего трубопровода; б — вариант 2/ полость между стенкой корпуса и двумя трубопроводами): 1 — внутренняя полость РВП; 2 — стенка корпуса РВП; 3 — теплоизоляция корпуса РВП; 4 — газовая среда помещения; 5 — теплоизоляция патрубка; 6 — стенка патрубка; 7 — плоскость симметрии; Tf — температура газов, воздействующих на внутреннюю поверхность корпуса и трубопровода; Те—температура газовой среды помещения; Т„0л—температура газов в полости, образованной наружной поверхностью стенки и примыкающими к ней поверхностями трубопроводов; lK — длина зоны контакта теплоизоляции корпуса и трубопровода; l — расстояние между центром трубопровода и стенкой РВП (l = 145 и 250 мм по выступам ребер корпуса, l = 190 и 295 мм по впадинам между ребрами для варианта 1 и 2 соответственно); I-VI—точки расчетной области, для которых строится зависимость температуры от времени

в) значения максимальной температуры поверхности покровного слоя в случае примыкания к стенке РВП нижнего воздуховода (точ-

каIIна расчетной схеме рис. 3, б) находятся в

*

пределах 371-376°С ;

г) значения температуры поверхности участков покровного слоя, расположенных на достаточном удалении от зон примыкания трубопроводов к поверхности РВП (точка IV для обеих схем и точки III, IVи VI для первой схе-

Столь значительная разница между температурами в сходственных точках первой и второй расчетных схем объясняется тем, что во втором случае поверхность покровного слоя обращена в полость, теплообмен которой с окружающей средой затруднен.

а

á

Значения температуры в характерных точках расчетных схем рис. 3 в момент времени, предшествующий моменту загорания

ОНИ

РИС.4. Температурное поле (°С) в зоне примыкания трубопроводов обвязки к корпусу РВП: а — вариант 1: примыкание верхнего трубопровода; расстояние между стенками трубопровода и РВП 145 мм; б — вариант 2: полость между стенкой корпуса и двумя трубопроводами; расстояние между стенками трубопровода и РВП 250 мм

Расчетная Минимальное расстояние между Значения температуры, °С, в точках расчетной области

схема трубопроводом и стенкой РВП, мм I II III IV V VI

Рис. 3, а 145 508 82 42 42 473 29

190 508 76 42 42 405 29

Рис. 3, б 250 509 376 383 55 433 356

295 509 371 383 55 398 353

мы), составляют 42,55 и 29°С, что удовлетворительно согласуется с результатами расчетов теплоизоляции, проведенных по методике СНиП 2.04.14-88*.

Полученные результаты свидетельствуют, в частности, о том, что расчеты по методике СНиП 2.04.14-88* дают недопустимую погрешность для зон примыкания трубопроводов к стенке РВП.

Результаты математического моделирования процесса прогрева тепловой изоляции рекуперативного воздухоподогревателя ГТ-ТЭЦ достаточно убедительно свидетельствуют о том, что в зонах примыкания трубопроводов к корпусу РВП возможно возгорание покровных слоев ткани в тех случаях, когда температура воспламенения выделяющихся при нагреве материала этого слоя газов пиролиза ниже расчетной.

Полученные результаты послужили основой для выявления причин загорания теплоизоляции РВП и разработки рекомендаций по их устранению, в частности по замене материала покровного слоя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Крутов А. М. Постановка и решение краевой задачи нестационарной теплопроводности в зоне примыкания трубопроводов обвязки к корпусу рекуперативного воздухоподогревателя ГТ-ТЭЦ // Пожарная безопасность. 2003. №6.

2. Страхов В. Л., Крутов А. М., Давыдкин Н. Ф. Огнезащита строительных конструкций / Под ред. Ю. А. Кошмарова. — М.: Информационно-издательский центр "ТИМР", 2000. — 433 с. (Руководство по пожарной безопасности подземных сооружений: В 5-ти т.; Т. 2).

3. Исследование причин загорания теплоизоляции в процессе испытаний турбогруппы №1 на ГТ-ТЭЦ в городе Вельске / Научно-технический отчет ЗАО "Теплоогнезащита", ВНИИПО МЧС РФ. — Сергиев Посад, 2003. — 65 с.

Поступила в редакцию 20.01.04.