Fiabilitatea testelor sistemelor de energie termică. Teste la disciplina „furnizare și încălzire cu căldură”. Proces de fractură ductilă

O întreprindere energetică modernă (centrală termică, boiler etc.) este un sistem tehnic complex format din unități separate conectate prin conexiuni tehnologice auxiliare.

Un exemplu de astfel de sistem tehnic este schema circuitului termic (PTS) a unei centrale termice, care include o gamă largă de echipamente principale și auxiliare (Fig. 5.1): un generator de abur (cazan de abur), o turbină, o condensare. unitate, un dezaerator, încălzitoare regenerative și de rețea, echipamente de pompare și tiraj și altele

Schema termică de bază a stației este elaborată în conformitate cu ciclul termodinamic utilizat al centralei electrice și servește la selectarea și optimizarea principalelor parametri și costuri ai fluidului de lucru al echipamentului instalat. PTS este de obicei descris ca o diagramă cu o singură unitate și o singură linie. Același echipament este prezentat în mod convențional o dată în diagramă, conexiunile tehnologice cu același scop sunt prezentate și ca o singură linie.

Spre deosebire de schema termică de bază, diagrama funcțională (completă sau extinsă) a unui TPP conține toate echipamentele principale și auxiliare. Adică, diagrama completă prezintă toate unitățile și sistemele (de lucru, de rezervă și auxiliare), precum și conductele cu fitinguri și dispozitive care asigură conversia energiei termice în energie electrică.

Schema completă definește numărul și dimensiunile echipamentelor principale și auxiliare, fitingurilor, liniilor de ocolire, sistemelor de pornire și de urgență. Acestea caracterizează fiabilitatea și nivelul de excelență tehnică a TPP și oferă posibilitatea de funcționare a acestuia în toate modurile.

În funcție de scopul funcțional și impactul asupra fiabilității funcționării unității de alimentare sau a TPP în ansamblu, toate elementele și sistemele diagramei funcționale pot fi împărțite în trei grupuri.

Primul grup include elemente și sisteme, a căror defecțiune duce la o oprire completă a unității de alimentare (cazan, turbină, conducte principale de abur cu fitingurile lor, condensator etc.).

Orez. 5.1. Scheme funcționale și structurale ale unității de putere turbinei cu abur: 1 - boiler; 2 - turbină; 3 - generator electric; 4 - pompe de condens; 5 - dezaerator; 6 - pompe de alimentare

Al doilea grup include elemente și sisteme, a căror defecțiune duce la o defecțiune parțială a unității de alimentare, adică o scădere proporțională a energiei electrice și a căldurii furnizate (ventilatoare, pompe de alimentare și de condens, cazane în circuite cu două blocuri etc. ).

A treia grupă include elemente a căror defecțiune duce la o scădere a eficienței unei unități electrice sau a unei centrale electrice fără a afecta generarea de energie electrică și termică (de exemplu, încălzitoare regenerative).

Fiabilitatea muncii tuturor acestor grupuri este interconectată.

Calculul indicatorilor cantitativi ai fiabilității sistemelor tehnice complexe, cum ar fi centralele termice, necesită pregătirea de diagrame structurale (logice), care, spre deosebire de cele funcționale, reflectă nu conexiuni fizice, ci logice.

Diagramele structurale vă permit să determinați un astfel de număr sau o astfel de combinație de elemente de circuit defectuoase care duc la defectarea întregului sistem.

De exemplu, în fig. 5.1 prezintă principalele scheme termice și structurale ale unei unități de putere cu turbină cu abur.

Gradul de detaliu al diagramei bloc este determinat de natura sarcinilor de rezolvat. Ca elemente ale diagramei bloc, este necesar să se aleagă un astfel de echipament sau un sistem care are un anumit scop funcțional și este considerat ca un întreg necompunebil care are date privind fiabilitatea.

Indicatorii cantitativi ai fiabilității centralelor termice pot fi obținuți prin calcularea caracteristicilor cunoscute ale fiabilității elementelor și diagramelor structurale funcționale sau prin prelucrarea datelor statistice privind funcționarea acestora.

În consecință, toate metodele de calculare a fiabilității echipamentelor de energie termică ale TPP-urilor și diagramele bloc ale acestora pot fi împărțite în trei grupuri:

• metode de analiză;
• metode statistice;
• metode fizice.

Din partea introductivă, reiese deja că obiectul principal de considerare în această secțiune este o centrală termică, ca sistem tehnic complex. Pentru a calcula indicatorii de fiabilitate ai unor astfel de vehicule, ținând cont de condițiile reale de funcționare a acestora, se folosesc metode structurale de calcul.

Prin urmare, în viitor, o atenție deosebită va fi acordată în mod special metodelor analitice de calcul.

Funcționarea cazanelor electrice este însoțită de procese fizice și chimice complexe în calea abur-apă, în calea gaz-aer, în metalul din care sunt realizate elementele echipamentelor de putere.

Procesele de ardere, transfer de căldură, coroziune, formarea depunerilor pe suprafețele de încălzire, modificările proprietăților și caracteristicilor metalului determină în mare măsură indicatorii de fiabilitate ai cazanelor.

Pe fig. 2.10 arată distribuția defecțiunilor echipamentelor cazanelor unităților de putere TPP. După cum se poate observa, cele mai mari daune aduse echipamentului cazanului au loc din cauza erorilor de funcționare. O proporție semnificativă a defecțiunilor apar din cauza defectelor de proiectare și a calității slabe a reparațiilor.

Defecțiunile tipice din cauza defectelor de proiectare ale cazanelor sunt scanările termice mari pe suprafețele de încălzire, uzura accelerată a cenușii. În procesul de fabricație a cazanelor, există încălcări ale procesului de îndoire, turnare, tratament termic al pieselor din oțel rezistent la căldură și sudare.

În timpul funcționării, este posibil ca caracteristicile reale ale cărbunilor să nu corespundă cu cele normative, ceea ce duce la o abatere de la valorile specificate ale volumelor de produse de ardere și ale temperaturii la ieșirea din cuptor. Consecința acestui lucru este o întrerupere a funcționării părții convective a cazanului și o creștere a uzurii cenușii a conductelor de schimb de căldură. Calitatea scăzută a apei și a aburului duce la o creștere bruscă a depunerilor, la creșterea temperaturii metalului conductelor și la arderea acestora.

Orez. 2.10.

Rata de eșec a elementelor principale ale unităților cazanului nu este aceeași. De exemplu, clasificarea deteriorării echipamentelor cazanelor a unităților de putere de 300 MW este următoarea (Tabelul 2.1).

Tabelul 2.1

Ponderea defecțiunilor principalelor elemente ale centralei de cazane a unității de putere de 300 MW

Din Tabel. 2.1 se poate observa că marea majoritate a defecțiunilor centralei cazanelor sunt asociate cu defecțiuni în funcționarea suprafețelor de încălzire.

Fiabilitatea, durabilitatea și alți indicatori ai fiabilității suprafeței de încălzire în sine depind de natura și intensitatea proceselor de ardere, transferul de căldură, coroziune, depuneri și modificări ale proprietăților metalelor. Mai mult decât atât, frecvența defecțiunilor în general pentru suprafața de schimb de căldură este distribuită destul de uniform pe suprafețele caracteristice (Fig. 2.11). Ceva mai des, tuburile de ecran și conductele supraîncălzitoarelor (KPP1 și KPP2) sunt deteriorate.

Conductele de ecran în funcțiune sunt expuse la energie radiantă, un mediu corosiv al produselor de ardere a combustibilului, care, la o rată scăzută de circulație și încălcări ale regimului apei, duce la deteriorarea acestora și defecțiuni în funcționarea cazanelor (Fig. 2.11).

Orez. 2.11.

prin elemente

Un efect vizibil asupra deteriorării țevilor cutiei de viteze este exercitat de câmpul de temperatură neuniform care duce la distorsiuni termice de-a lungul înălțimii conductei de gaz, în care se află supraîncălzitorul.

Supraîncălzitoarele sunt, de asemenea, deteriorate, deoarece pe perioade lungi de timp la temperaturi peste 500 ° C, structura metalică suferă modificări nedorite.

În timpul funcționării cazanelor cu combustibil solid, uzura conductelor de gaz de către cenușa zburătoare are loc datorită impactului particulelor sale asupra suprafeței. Ca urmare, pelicula de oxid de pe suprafețele de delimitare se descompune și se dezvoltă eroziune. Uzura este cel mai adesea neuniformă. Cea mai mare intensitate de uzură are loc în zonele cu viteză crescută și în debitele cu cea mai mare concentrație de cenușă.

Pentru a reduce uzura cenușii, viteza gazelor de ardere în coșuri este limitată la 7 ... 10 m/s. Pe de altă parte, la viteze sub 3 m/s, apar deplasări de cenușă, determinând o creștere a rezistenței și o deteriorare a transferului de căldură.

Rezistența sudurilor este afectată de schimbările de temperatură și procesele de coroziune. Cea mai intensă coroziune are loc în timpul arderii păcurului cu conținut ridicat de sulf. Fistulele (Fig. 2.12) apar în îmbinările sudate de contact din cauza nealinierii țevilor, ciupirea secțiunii interne, lipsa de fuziune, fisurile.

Orez. 2.12.

cu o cusătură defectă

Timpul de funcționare de la începerea funcționării sau reviziei până la formarea unei fistule depinde de natura și dimensiunea defectului și de condițiile de funcționare, de calitatea apei, ciclicitatea și amplitudinea fluctuațiilor în sarcina unității și de calitatea instalării. economizorul de apă.

În cele mai multe cazuri, atunci când apare o deteriorare într-o țeavă, îndoire sau sudură, jetul de apă care se scurge distruge și țevile adiacente. În momentul în care cazanul este oprit și răcit, mai multe conducte adiacente sunt deteriorate.

Orez. 2.13.

Deteriorările ecranelor care protejează pereții camerelor de ardere (superîncălzitor cu radiații și economizor de apă radiativă) sunt tipice pentru cuptoare.

Vederea conductei deteriorate a paravanului frontal este prezentată în fig. 2.13.

În tamburele cazanelor apar rupturi de cicloane, foi perforate și lambriute, elemente de fixare care, căzând în orificiile canalelor, le blochează. Viteza de mișcare a mediului abur-apă în ecrane scade, metalul țevilor se supraîncălzește și se prăbușește.

Sudurile din ecrane sunt deteriorate, se formează fistule.

În cazanele cu presiune supercritică, conductele supraîncălzitoarelor radiative sunt deteriorate din cauza coroziunii la temperaturi ridicate, ceea ce duce la uzura semnificativă a pereților pe partea de încălzire a focului. Acest lucru se întâmplă la sarcini termice mari. Distorsiunile termice sunt cauzate de un câmp de temperatură neuniform de-a lungul înălțimii coșului de fum.

Fluajul și deteriorarea însoțitoare a țevilor (microfisuri) apar mai intens în coturi decât în ​​țevile drepte. Acest lucru face necesară schimbarea periodică a elementelor individuale sau a etajelor întregi ale supraîncălzitorului.

Defecțiunile apar și din expansiunea neuniformă a țevilor, sarcini inegale de greutate - sudurile sunt într-o stare complexă de solicitare.

Fluctuațiile bruște ale încărcăturii cazanelor conduc, de asemenea, la apariția unor tensiuni inacceptabile în suduri și zone apropiate de sudare, provocând formarea de fisuri, rupturi în elementele de fixare și țevi.

Deteriorări la butoaie și conducte

Tamburele cazanului și coturile de conducte neîncălzite sunt de o importanță deosebită în asigurarea fiabilității cazanelor. Deși se acordă o mare atenție fiabilității tamburilor în proiectare, fabricare, exploatare și reparații, acestea suferă adesea deteriorări, ducând la opriri lungi ale cazanelor.

Orez. 2.14.

Acestea sunt fisuri situate în zona orificiilor de conductă, în metalul părții cilindrice a tamburului, pe suprafața interioară a fundului, în zona afectată de căldură de sudare a dispozitivelor intra-tambur la carcase (Fig. 2.14), precum și defecte ale principalelor cusături circumferențiale și longitudinale.

Motivul principal pentru formarea deteriorării este excesul de forță de curgere a materialului de către tensiunile care acționează, ceea ce duce la apariția unei deformări permanente. Tensiunile crescute apar din cauza prezenței unei diferențe de temperatură de-a lungul grosimii peretelui de-a lungul perimetrului și de-a lungul lungimii tamburului.

De o importanță deosebită în acest caz sunt schimbările ciclice de căldură pe straturile de suprafață ale metalului de pe partea interioară a pereților în timpul schimbărilor bruște de temperatură. Aceste moduri non-staționare ale cazanului sunt deosebit de periculoase atunci când pornește și se oprește.

Dezvoltarea fisurilor este facilitată de acțiunea apei corozive din cazan asupra metalului. Îmbunătățește procesele de coroziune-oboseală în metalul butoaielor.

Cele mai periculoase defecte ale sudurilor principale - creează pericolul de deteriorare majoră. Mai des decât altele, fisurile longitudinale și transversale se găsesc în sudarea de pe suprafața interioară. Se observă lipsă de penetrare, incluziuni de zgură, cochilii, pori.

Adâncimea fisurilor este diferită, dar sunt cazuri când în 1 an a ajuns la 70% din grosime.

Pe conducte, coturile sunt cel mai adesea deteriorate. Aici apar daunele provocate de coroziune-oboseală. Compensarea insuficientă a alungirilor termice determină tensiuni crescute.

Coturile conductelor de alimentare, de scurgere și de abur sunt casante, coturile conductelor de abur supraîncălzite care funcționează în condiții de fluaj sunt deformate în timpul distrugerii.

Articolul a fost întocmit pe baza materialelor culegerii de rapoarte a VI-a Conferință științifică și tehnică internațională „Fundamentul teoretic al alimentării cu căldură și gaz și ventilație” a NRU MGSU.

O analiză a funcționării sistemelor de alimentare cu căldură, efectuată de către angajații Laboratorului de Cercetare „Sisteme și instalații de energie termică și electrică” (NIL TESU) al UlSTU într-un număr de orașe rusești, a arătat că, datorită gradului ridicat de uzură fizică și uzură a rețelelor de căldură și a echipamentelor principale ale surselor de căldură, fiabilitatea sistemelor este în continuă scădere. Acest lucru este confirmat de datele statistice, de exemplu, numărul deteriorărilor în timpul testelor hidraulice în rețelele termice ale orașului Ulyanovsk a crescut de 3,5 ori în opt ani. În unele orașe (Sankt Petersburg, Samara etc.) au avut loc defecțiuni majore ale conductelor de căldură principale menținând temperaturi și presiuni ridicate în rețelele de încălzire, prin urmare, chiar și în înghețuri severe, temperatura lichidului de răcire la ieșirea sursei de căldură este nu este ridicată peste 90-110 ° C, atunci există surse de căldură care sunt forțate să funcționeze cu subrăcirea sistematică a apei din rețea la temperatura standard („subîncălzire”).

Costurile insuficiente ale organizațiilor de furnizare de căldură pentru renovarea și revizia rețelelor de căldură și echipamentelor surselor de căldură duc la o creștere semnificativă a numărului de avarii și la o creștere a numărului de defecțiuni ale sistemelor centralizate de alimentare cu căldură. Între timp, sistemele urbane de alimentare cu căldură sunt sisteme de susținere a vieții, iar eșecul lor duce la schimbări în microclimatul clădirilor care sunt inacceptabile pentru oameni. În astfel de condiții, proiectanții și constructorii din mai multe orașe refuză să furnizeze căldură noilor zone rezidențiale și au în vedere construirea de surse locale de căldură acolo: cazane pe acoperiș, bloc sau cazane individuale pentru încălzirea apartamentelor.

În același timp, Legea federală nr. 190-FZ „Cu privire la furnizarea de căldură” prevede utilizarea prioritară a încălzirii centralizate, adică generarea combinată de energie electrică și termică pentru organizarea furnizării de căldură în orașe. În ciuda faptului că sistemele descentralizate de alimentare cu căldură nu au avantajele termodinamice ale sistemelor de încălzire, atractivitatea lor economică astăzi este mai mare decât cea centralizată din CHP.

În același timp, asigurarea unui anumit nivel de fiabilitate și eficiență energetică a furnizării de căldură către consumatori este una dintre cerințele principale care se aplică la alegerea și proiectarea sistemelor de încălzire în conformitate cu Legea federală nr. 190-FZ „Cu privire la furnizarea de căldură” și SNiP. 41-02-2003 „Rețele de căldură”. Nivelul normativ de fiabilitate este determinat de următoarele trei criterii: probabilitatea de funcționare fără defecțiuni, disponibilitatea (calitatea) alimentării cu căldură și capacitatea de supraviețuire.

Fiabilitatea sistemelor de alimentare cu căldură poate fi îmbunătățită fie prin îmbunătățirea calității elementelor din care sunt compuse, fie prin redundanță. Principala trăsătură distinctivă a unui sistem neredundant este că defecțiunea oricăruia dintre elementele sale duce la defectarea întregului sistem, în timp ce într-un sistem redundant probabilitatea unui astfel de fenomen este redusă semnificativ. În sistemele de alimentare cu căldură, una dintre modalitățile de redundanță funcțională este funcționarea în comun a diferitelor surse de căldură.

Pentru a îmbunătăți fiabilitatea și eficiența energetică a sistemelor de alimentare cu căldură, NIL TESU UlSTU a creat tehnologii pentru funcționarea sistemelor combinate de căldură și energie cu surse de căldură de vârf centralizate principale și locale, care combină elementele structurale ale sistemelor de alimentare cu căldură centralizate și descentralizate.

Pe fig. Figura 1 prezintă o diagramă bloc a unui sistem combinat de căldură și energie electrică cu conexiune în serie a surselor de căldură de vârf centralizate principale și locale. Într-un astfel de sistem de alimentare cu căldură, CCE va funcționa cu eficiență maximă la un coeficient de alimentare cu căldură de 1,0, deoarece întreaga sarcină termică este furnizată prin extracția de căldură a aburului din turbină către încălzitoarele de rețea. Cu toate acestea, acest sistem oferă doar o rezervă a sursei de căldură și o creștere a calității alimentării cu căldură datorită reglării locale a încărcăturii de căldură. Posibilitățile de creștere a fiabilității și eficienței energetice a sistemului de încălzire în această soluție nu sunt utilizate pe deplin.

Pentru a elimina deficiențele sistemului anterior și pentru a îmbunătăți în continuare tehnologiile de furnizare combinată de căldură, sunt propuse sisteme de încălzire combinată, cu includerea paralelă a surselor de căldură de vârf centralizate și locale, care, atunci când presiunea sau temperatura scade sub nivelul setat, permit izolarea hidraulică a sisteme locale de alimentare cu căldură din cel centralizat. Modificarea sarcinii termice de vârf în astfel de sisteme se realizează prin reglementare cantitativă locală pentru fiecare dintre abonați prin modificarea consumului de apă din rețea care circulă prin sursele autonome de căldură de vârf și sistemele locale de abonat. În caz de urgență, sursa locală de căldură de vârf poate fi folosită ca bază, iar circulația apei din rețea prin aceasta și sistemul local de alimentare cu căldură se realizează cu ajutorul unei pompe de circulație. Analiza fiabilității sistemelor de alimentare cu căldură se realizează din punctul de vedere al capacității acestora de a îndeplini funcțiile specificate. Capacitatea sistemului de încălzire de a îndeplini funcțiile specificate este determinată de stările sale cu nivelurile corespunzătoare de putere, performanță etc. În acest sens, este necesar să se facă distincția între o stare sănătoasă, o defecțiune parțială și o defecțiune completă a sistemului în ansamblu.

NIL TESU UlSTU a creat tehnologii pentru funcționarea sistemelor combinate de căldură și energie electrică cu surse de căldură de vârf centralizate principale și locale.

Conceptul de defecțiune este esențial pentru evaluarea fiabilității unui sistem de alimentare cu căldură. Ținând cont de faptul că centralele și sistemele termice sunt obiecte recuperabile, defecțiunile elementelor, ansamblurilor și sistemelor ar trebui împărțite în defecțiuni de operabilitate și defecțiuni de funcționare. Prima categorie de defecțiuni este asociată cu tranziția unui element sau sistem la momentul t de la o stare operabilă la o stare inoperabilă (sau parțial inoperabilă). Defecțiunile de funcționare se datorează faptului că sistemul la un moment dat t nu asigură (sau nu asigură parțial) nivelul de alimentare cu căldură specificat de consumator. Este evident că defectarea operabilității unui element sau sistem nu înseamnă o defecțiune a funcționării. Și, invers, o defecțiune a funcționării poate apărea chiar și în cazul în care nu s-a produs o defecțiune a operabilității. Având în vedere acest lucru, se face alegerea indicatorilor fiabilității sistemului.

Indicatorii cunoscuți pot fi utilizați ca indicatori individuali ai fiabilității elementelor sau sistemelor de alimentare cu căldură în ansamblu: λ(τ) este intensitatea (parametrul debitului de defecțiune) defecțiunilor; μ(τ) este intensitatea recuperării; P(τ) este probabilitatea de funcționare fără defecțiuni în perioada de timp τ; F(τ) este probabilitatea de recuperare pe o perioadă de timp τ .

Să comparăm fiabilitatea sistemelor tradiționale și combinate de căldură și energie electrică cu aceeași sarcină termică de 418,7 MW, din care sarcina de bază de 203,1 MW este asigurată de o cogenerare cu o turbină T-100-130 (consumul de apă în rețea este de 1250 kg /s), iar sarcina de vârf este de 215,6 MW de surse de căldură de vârf. Cogenerarea și consumatorul sunt conectate printr-o rețea de încălzire cu două conducte cu o lungime de 10 km. Într-un sistem tradițional de termoficare, întreaga sarcină termică este asigurată de CET. Într-un sistem combinat, sursa de căldură de vârf este instalată în serie cu cea centralizată (Fig. 1), în celălalt - în paralel (Fig. 2).

În camera de cazane a consumatorului sunt instalate trei cazane de încălzire a apei, dintre care una de rezervă.

După cum se poate observa din fig. 1 și 2, orice sistem de încălzire este o structură complexă. Calcularea indicatorilor de fiabilitate ai unor astfel de sisteme multifuncționale este o sarcină destul de consumatoare de timp. Prin urmare, pentru a calcula indicatorii de fiabilitate ai unor astfel de sisteme, se utilizează metoda de descompunere, conform căreia modelul matematic pentru calcularea indicatorilor de fiabilitate a sistemului este împărțit într-un număr de submodele. Această diviziune se realizează în funcție de caracteristicile tehnologice și funcționale. În conformitate cu aceasta, în sistemul de încălzire sunt alocate sursa principală de căldură (CHP), un sistem de transport de căldură de la CHP către consumatori, o sursă de căldură de vârf descentralizată și un sistem de rețea de distribuție pentru acoperirea sarcinilor de încălzire. Această abordare permite calcularea indicatorilor de fiabilitate pentru subsisteme individuale în mod independent. Calculul indicatorilor de fiabilitate a întregului sistem de încălzire se efectuează ca pentru o structură în serie paralelă.

Din punct de vedere al fiabilității, unitatea de încălzire a unui CHPP este o structură complexă de elemente conectate în serie: o unitate de cazan, o turbină și o centrală de încălzire. Pentru o astfel de diagramă bloc, defecțiunea uneia dintre unități duce la defectarea întregii instalații. Prin urmare, factorul de disponibilitate al unității de încălzire este determinat de formula:

Unde k d CHP, k g k, k g t și k rtu sunt factorii de disponibilitate ai întregului CET, centrală termică, turbină și respectiv centrală termică.

Valori staționare ale factorului de disponibilitate k r pentru elementele corespunzătoare ale circuitului se determină în funcţie de intensitatea restaurărilor }