МОДЕЛИРОВАНИЕ ПУСКОВОГО РЕЖИМА ВОДОРОД-КИСЛОРОДНОГО ПАРОГЕНЕРАТОРА

 Водород-кислородный парогенератор является неотъемлемой частью водородного энергетического комплекса. В парогенераторе происходит преобразование энергии водородного топлива в процессе его окисления кислородом в тепловую энергию в виде водяного пара высоких калорических параметров. Этот пар используется для генерации электрической энергии в паровом турбогенераторе в пиковые часы графика электрических нагрузок. При этом в зависимости от требуемых условий давление и температура неохлажденного генерируемого пара может достигать 6 МПа и 3600 К соответственно. Другой особенностью условий работы водород-кислородного парогенератора является циклический режим, что означает пуск  и работу в течение нескольких часов в течение суток с последующим остановом  до следующих суток. Сочетание высоких температур и цикличности работы  оказывает существенное  влияние на ресурс парогенератора. Наиболее ресурсозатратным, с точки термических напряжений, является пуск парогенератора после ночного останова, когда имеют место наибольшие температурные градиенты в металле камеры сгорания, поэтому актуальным является исследование влияния пускового режима на ресурс парогенератора.

Температура генерируемого высокотемпературного водяного пара в основном будет определяться полнотой сгорания водородного топлива и давлением в паро генераторе. При этом эффективность сжигания в основном зависит от способа подвода горючего и окислителя, а также конструктивных и геометрических параметров камеры сгорания парогенератора. На рис. 1 показан трехмерный вид исследуемой камеры сгорания водород-кислородного парогенератора. Данный тип камеры сгорания применяется в экспериментальных исследованиях процессов горения водорода в кислороде, которые, например, проводятся  в ОИВТ РАН. При этом приняты следующие геометрические размеры:

1.                Длина – 700 мм

2.                Внутренний диаметр – 225 мм

3.                Толщина внутренней стенки – 3 мм

4.                Толщина корпуса – 5 мм

5.                Диаметр форсунок: топливо – 7 мм, окислитель – 30 мм

Для оценки термодинамических параметров продуктов сгорания и охлаждающей среды, температуры стенок камеры сгорания и моделирования процесса горения использовался конечно -элементный метод расчета с использованием CFD кода [1]. При этом использовалась модель диффузионного горения предварительно не перемешанных горючего и окислителя [3].

Как известно, возникновение термических напряжений обусловлено наличием градиентов температуры в теле металла при его нагреве. При подводе тепла всегда будет неравномерный пр огрев детали, обусловленный конечным значением теплопроводности, а также температурными градиентами рабочего тела и металла. С другой стороны, при нагреве металл имеет свойство расширяться и для характеристики этого явления введено понятие коэффициент температурного расширения. Соответственно наложение этих двух факторов и вызывает термические напряжения. Т.е. более прогретые слои расширяются больше, чем холодные, что приводит к возникновению напряжения на границе этих слоев. Наличие сложной геометрической формы детали (переходы диаметров для цилиндрических деталей) приводит к росту величины термических напряжений в таких местах, которые называются концентраторами напряжений. При  этом вызывающие термические напряжения температурные напряжения существенно меняются в течение времени пуска энергоустановки, снижаясь по мере прогрева металла. Поэтому было проведено моделирование нестационарного процесса нагрева металла камеры сгорания в процессе пуска парогенератора.

Как было сказано выше одним из факторов, влияющим на температурный режим парогенератора, являются также   теплофизические  свойства   металла  стенок камеры  сгорания. В расчетах использовался следующий цветной сплав (см. табл. 1).

Таблица 1. Теплофизические свойства металла [2]1

В качестве охлаждающей среды в данной камере сгорания используется охлаждающая вода с параметрами: скорость потока 5 м/с, температура 22°С.

В результате численного моделирования с использованием CFD кода применительно к вышеизложенным исходным данным были получены следующие показатели температурного режима металла стенок камеры сгорания водород-кислородного парогенератора (см. рис. 2). Как видно из рис. 2, по истечении 70 секунд с начала пуска минимальная и максимальная температура металла камеры сгорания изменяется в относительно небольших пределах, т.е. переходят в стационарный режим. При этом достигается максимальное значение температурного градиента.

1 Средние значения в диапазоне температур 22-600°С

Также видно, что использование цветных сплавов с большим коэффициентом теплопроводности позволяет эффективно отводить тепло от стенок камеры сгорания и удерживать температуру металла значительно ниже температуры плавления.

Как было сказано выше, максимальные напряжения будут возникать за счет выраженных температурных градиентов, вызванных значительным изменением температуры рабочего тела (продуктов сгорания) в единицу времени. Для расчета внутренних термических напряжений, возникающих в результате работы водород-кислородного парогенератора в режиме пуска из холодного состояния, применялся конечно-элементный метод расчета [4] в соответствии с принятыми геометрическими размерами и конструкцией камеры сгорания (см. рис. 1). В результате расчетов была получена следующая зависимость термических напряжений от времени пуска (см. рис. 3). Как видно из рис. 3 напряжения растут с ростом максимальной температуры м еталла, т.е. с ростом градиента температур. В данном случае максимальными напряжения наступают к 70 секунде. Последующей прогрев камеры сгорания приведет к уменьшению градиента температур и к снижению термических напряжений.

В результате моделирования пускового режима водород-кислородного парогенератора с использованием CFD кода построена зависимость изменения температуры и напряжения в металле камеры сгорания в процессе пуска парогенератора из холодного состояния. Показано, что по истечении 70 секунд после пуска температурный градиент принимает максимальное значение, что соответствует максимальным термическим напряжениям, возникающим в металле камеры сгорания.

Список литературы

1.               D. Anderson, Jr. Computational Fluid Dynamics. The basics with applications. McGraw-Hill,  Inc. 1995. 383 p.

2.               Жаропрочные стали и сплавы: Справочник / С.Б. Масленников - М.: Металлургия. 1983. 192 с.

3.               Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Д.А.Франк- Каменецкий. М.: Наука. 1987. 502с.

4.               Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: Справ. пособие. – М.: Машиностроение-1. 2004. 512 с.