Повышение безопасности эксплуатации и улучшение теплотехнических характеристик аппаратов с огневым обогревом, применяемых при транспортировке магистрального газа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.04, кандидат технических наук Свиридов, Антон Валерьевич

• Свиридов, Антон Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Свиридов, Антон Валерьевич

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАБОТ, СВЯЗАННЫХ С ИЗУЧЕНИЕМ ФАКТОРОВ УЛУЧШЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОБСЛУЖИВАЮЩЕГО ПЕРСОНАЛА И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ РАБОТЕ АППАРАТОВ С ОГНЕВЫМ ОБОГРЕВОМ.

1.1. Влияние токсичных веществ, образующихся при сжигании органического топлива, на организм человека.

1.2. Виды аппаратов с огневым обогревом, установленных на компрессорных станциях газотрубопроводного транспорта.

1.3. Естественная циркуляция в испарительных элементах. Выбор оптимальной геометрии испарительного канала по максимальным циркуляционным характеристикам.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫБРОСОВ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВ И

СПОСОБЫ ИХ УМЕНЬШЕНИЯ.

2.1. Описание экспериментального стенда для количественного определения концентрации токсичных газов в уходящих продуктах сгорания.

2.2. Методика определения выбросов токсичных газов при работе аппаратов с огневым обогревом.

2.2.1. Методика определения в продуктах сгорания окиси углерода (СО).>.

2.2.2. Методика определения в продуктах сгорания углекислого газа (СО2), диоксида серы ($02) и кислорода (О2).

2.2.3. Методика определения в продуктах сгорания азота (ИОх).

2.2.4. Методика определения состава продуктов сгорания с помощью газоанализатора <2 ШЫТОХ.

2.3. Анализ результатов исследований выбросов токсичных газов аппаратами с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем.

2.3.1. Анализ результатов исследований выбросов окиси углерода (СО).

2.3.2. Анализ результатов исследований выбросов оксидов азота (N0%).

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АППАРАТОВ С ОГНЕВЫМ ОБОГРЕВОМ.

3.1. Описание новой конструкции аппарата и экспериментальной установки для исследований испарительного элемента, выполненного по типу трубки Фильда.

3.1.1. Описание новой конструкции аппарата с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем.

3.1.2. Описание экспериментальной конструкции испарительного элемента.

3.1.3. Описание измерительных приборов экспериментального стенда.

3.2. Экспериментальные исследования циркуляционных характеристик

3.2.1. Методика проведения эксперимента.

3.2.2. Методика обработки опытных данных. Результаты экспериментальных исследований.

3.2.3. Оценка точности эксперимента.

3.2.4. Определение высоты экономайзерного участка опускной трубы

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛО-ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ АППАРАТОВ С ПОВЫШЕННЫМ КПД.

-4стр.

4.1. Определение геометрического параметра (f щ/fo) соответствующего максимальным циркуляционным характеристикам трубки Фильда.

4.2. Определение циркуляционных характеристик трубки Фильда соответствующих диапазону геометрического параметра /щ//о = 2^4.

4.3. Определение температурных пульсаций стенки внешней обогреваемой трубы при неустойчивом движении циркулирующих масс потока.

4.4. Расчет количества рядов трубок Фильда в новом теплооб-менном аппарате с огневым обогревом для различных тепловых нагрузок, при температуре уходящих газов tyx=130°C.

4.4.1. ПостроениеI-t- диаграммы.

4.4.2. Тепловой расчет жаровой трубы.

4.4.3. Тепловой расчет задней камеры.

4.4.4. Тепловой расчет газовых каналов.

4.5. Расчет экономии металла в новом теплообменном аппарате с конвективными поверхностями в виде газовых каналов с трубками Фильда.

4.5.1. Расчет удельного расхода металла газовых труб, используемых в качестве конвективных поверхностей во второй конструкции аппарата.

4.5.2. Расчет удельного расхода металла газовых каналов с трубками Фильда, используемых в качестве конвективных поверхностей в новой конструкции аппарата.

ВЫВОДЫ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение безопасности эксплуатации и улучшение теплотехнических характеристик аппаратов с огневым обогревом, применяемых при транспортировке магистрального газа»

В настоящее время в РФ широкое распространение получил трубопроводный транспорт, служащий для транспортировки природного газа от газовых месторождений до потребителей газообразного топлива. Обеспечение безопасности при эксплуатации магистральных газопроводов представляет собой важную научно-техническую задачу.

На компрессорных станциях магистральных газопроводов установлены аппараты с огневым обогревом, предназначенные для подогрева газа, идущего на сжигание в камеры сгорания турбогенераторов, приводящих в действие компрессоры.

Одной из важнейших проблем современности является обеспечение нормальной жизнедеятельности как людей, непосредственно обслуживающих энергетические аппараты с огневым сжиганием топлива, так и людей проживающих в непосредственной близости от них.

Работа установок, связанная с сжиганием органического топлива, всегда создает условия для выбросов с уходящими газами токсичных и крайне опасных для здоровья людей составляющих, таких как: окись углерода СО, диоксид серы Б02, триоксид серы Б03, оксидов азота ЫОх (монооксидов азота N0, диоксида азота Ы02 и др), а при сжигании твердых топлив опасными являются также золовые частицы с элементами стронция и ксенона.

В настоящей работе выполнены экспериментальные исследования выбросов из дымовых труб при сжигании в энергетических аппаратах газообразного топлива.

Стремление обеспечить минимальное количество вредных выбросов с уходящими газами ставит задачу нахождения тех режимов и условий работы аппаратов, при которых эти выбросы будут минимизированы.

Второй, важнейшей проблемой является создание аппаратов, которые имели бы минимальные тепловые потери и максимальный коэффициент полезного действия. При увеличении КПД существенно уменьшается расход топлива, а следовательно и снижается количество выбросов. Поэтому важной задачей является создание энергетических аппаратов с огневым обогревом с высоким КПД и уменьшенными количественными значениями выбросов.

В частности, существует необходимость модернизации энергетических аппаратов с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем, используемых на компрессорных станциях магистральных газопроводов, с целью улучшения их теплотехнических, а значит и экологических характеристик. Для интенсификации теплообмена в аппаратах данного типа предлагается использование парогенерирующих каналов с естественной циркуляцией кипящей жидкости.

Процесс естественной циркуляции кипящей жидкости в современной теплоэнергетике широко используется как для производства пара, так и для интенсификации теплообмена в энергетических аппаратах.

Характерной особенностью этого процесса является перемещение масс жидкости и парожидкостных масс в замкнутом контуре без дополнительной затраты энергии на перемещение циркулирующего потока. Импульсом движения масс внутри циркуляционного контура является подвод тепла и образование пузырьков пара в обогреваемых каналах. Характеристика процесса естественной циркуляции зависит от тепловых, геометрических и гидродинамических особенностей контура.

В последнее время на изучение процессов естественной циркуляции в контурах различной формы сосредоточены значительные усилия. Однако, ввиду сложности этих процессов и большого разнообразия условий циркуляции, количественные закономерности и их механизм изучены недостаточно полно.

В связи с этим, исследование теплогидродинамических процессов в парогенерирующих каналах, разработка методов расчета естественной циркуляции, а также выбор оптимальных геометрических размеров каналов представляет собой актуальную научно-техническую задачу.

В настоящей работе выполнены экспериментальные и аналитические исследования естественной циркуляции в испарительных элементах из трубок Фильда. Были получены новые уравнения для определения различных циркуляционных характеристик и выбраны оптимальные геометрические размеры каналов малой высоты.

Заключение диссертации по теме «Промышленная безопасность», Свиридов, Антон Валерьевич

ВЫВОДЫ

1. Впервые проведены исследования количества выбросов токсичных веществ аппаратами с огневым обогревом, и показано их негативное влияние на обслуживающий персонал компрессорных станций магистральных газопроводов.

2. Разработка новых конструкций аппаратов с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем способствует повышению промышленной безопасности газотрубопроводного транспорта.

3. Выполненные исследования позволили установить режимы работы аппаратов, концентрация окиси углерода в выбросах которых равна нулю. Это обстоятельство дает возможность значительно улучшить жизнедеятельность обслуживающего персонала компрессорных станций.

4. Количество выбросов окиси углерода СО в уходящих газах аппаратов однозначно определяется коэффициентом избытка воздуха а . Так, при увеличении а от 0,9 до 1,5 СО уменьшается от 9,9 до 0 %. При значении коэффициента избытка воздуха больше 1,5 или равным 1,5 СО = 0, т. е. при величине а >1,5 окись углерода в уходящих продуктов сгорания отсутствует, а значит и отсутствуют потери тепла от химического недожога

Исключение д3 из тепловых потерь аппаратов с огневым обогревом способствует увеличению их КПД, что приводит к уменьшению расхода топлива, а значит и снижению выбросов токсичных веществ в атмосферу.

5. Впервые были проведены исследования по определению выбросов токсичных оксидов азота, которые дают возможность оценить степень влияния этих выбросов на безопасные условия труда персонала станций.

6. Проведенные исследования выбросов токсичных оксидов азота выявили закономерность уменьшения концентрации ЫОх в уходящих продуктах сгорания при увеличении коэффициента избытка воздуха а. Так, при возрастании а от 1,25 до 3,75 концентрация оксидов азота уменьшается от 69,5 до 10,7 мг/м3. Подавляющую долю в оксидах азота ЫОх составляет монооксид азота N0, в то время как величина диоксида азота И02 практически во всех опытах была равна нулю. Максимальное значение ИОх в уходящих продуктов сгорания, полученное в опытах (ЫОх - 69,5 мг/м3), значительно меньше величины предельно-допустимого значения выбросов ЫОх, находящегося в пределах от 120 до 240 мг/м3. Это обстоятельство дает возможность выбора режимов работы аппаратов с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем с невысоким значением коэффициента избытка воздуха а.

7. Впервые проведены экспериментальные и аналитические исследования по изучению циркуляционных характеристик в парогенерирующих элементах из трубок Фильда малой высоты и низких давлений пара.

8. Температурные пульсации стенок наружной трубы испарительного элемента отсутствовали. Это обстоятельство предполагает долговечную работу газовых каналов с трубками Фильда в качестве конвективных поверхностей аппаратов с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем.

9. Получена новая расчетная инженерная зависимость для определения кратности естественной циркуляции испарительных элементов в виде трубок Фильда малой высоты и низких давлений пара.

10. Определен практический диапазон изменения геометрического параметра /щ I /о ~ 2*4, отвечающий максимальным циркуляционным возможностям испарительного элемента. Доказано незначительное изменение циркуляционных характеристик в диапазоне изменения геометрического параметра /щ!/о~ 2*4.

11. Получена зависимость для инженерных расчетов оптимального значения ( /щ / /0 ), соответствующего максимальным циркуляционным возможностям контура с естественной циркуляцией для малых длин испарительного канала.

12. Получено уравнение для определения высоты участка опускной трубы, необходимого для нагревания жидкости от температуры на входе в опускную трубу до температуры кипения.

13. Для обеспечения минимальных потерь тепла с уходящими газами, а значит и повышения КПД нового теплообменного аппарата с огневым обогревом и промежуточным теплоносителем, определено оптимальное количество рядов трубок Фильда в газовых каналах, в зависимости от подведенной к аппарату тепловой нагрузки.

14. Доказана экономическая эффективность новой конструкции аппарата с конвективными поверхностями в виде газовых каналов с трубками Фильда.

-143

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Свиридов, Антон Валерьевич, 2000 год

1. Беликов С. Е., Котлер В. Р. Малые котлы и защита атмосферы // Энергоатомиздат, 1996. 126с.

2. Котлер В. Р., Резниченко Ю. Г. Опыт фирмы EER (США) по снижению выбросав оксидов азота и сернистого ангидрида на пылеугольных котлах // Теплоэнергетика. 1993. - № 8. - С. 69-72.

3. Гигиенические критерии состояния окружающей среды: Оксиды азота. -Женева: ВОЗ, 1981. Вып. 1.

4. Mosher J. С. The distribution of contamination in the Los Angeles Basin resulting from atmospheric reaction and transport // JAPCA.- I970.-Vol. 20, № 7.- P. 35-42.

5. Справочник по осуществлению государственного контроля за охраной атмосферного воздуха. М. Санкт-Петербург: «Симэк», 1994.

6. Fenimore С. Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flames // 13th Symposium Inst. Combustion. - Salt-Lake Citi. - Pistburg, 1970. - P. 374-384.

7. Bowman C. Investigabion of nitric oxide formation kinetic and technology // Combustion Scence and technology. -1971. Vol. 3, № 2. - P. 37-45.

8. Сигал И. Я., Гуревич Н. А., Ляскоронский В. Г. Исследование минимального выхода оксидов азота в пламенях метана, окиси углерода и водорода // Использование газа в нородном хозяйстве. М.: ВНИИЭгазпром, 1980. № 1. -С. 23-27.

9. Thomas J. Т., Shaw А. С. Oxides of Nitrogen in Relation to the Combustion of Coal // Paper presented at Conference on Coal Science. Prague, 1968. - № 6.

10. Reduction of Atmospheric Pollution by the Application of Fluidized Bed Combustion // A. A. Jonke e. a. Argone National Laboratory, Annual Report. -1969, July.- 1970.

11. И.Крутиев В. А., Горбаненко А. Д. Изучение влияния азотосодержащих присадок к топливу на образование оксидов азота // Теплоэнергетика. 1976. -№ 10. - С. 72-75.

12. Shaffstall D. R., Larson D. Н. Aerodinamic characteristics and pollution emissions from scaled industrial burners // AICHE Sumposium Series. 1975. -Vol. 71,№148.-P. 8-18.

13. Кашицкий Ю. А., Игнатьев M. П., Федоров JI. Ф., Воропаева Э. Н.

14. Теплотехнические исследования аппарата с огневым обогревом ипромежуточным теплоносителем // Газовая промышленность. 1996. - № 34. - С. 60-61.

15. Федоров Л. Ф., Некрасов А. В. Исследование циркулящюнных характеристик испарительного элемента, выполненного по типу трубки Фильда с естественной циркуляцией // Теплофизика высоких температур. -1965. -№3. С. 10-12.

16. Федоров Л. Ф., Некрасов А. В. Исследование теплогидродинамики парогенерирующего элемента трубки Фильда // Сб. Физико-энергетический институт. т. 4. - Обнинск, 1963.

17. Федоров Л. Ф., Титов В. Ф., Рассохин Н. Г. Парогенераторы атомных электростанций // Энергоатомиздат, 1992. -312с.

18. Федоров Л. Ф. Экспериментальное исследование естественной циркуляции в парогенераторе // Исследования и расчет теплообмена. М.: Машгаз, 1961.

19. Федоров Л. Ф., Шорин С. Н. Характеристики циркулярного потока в испарительных аппаратах // Химическое машиностроение. -1961. № 3.

20. Федоров Л. Ф., Попов В. Г., Воропаева Э. Н. Влияние схемы движения греющего теплоносителя на циркуляционные характеристики испарительного канала // Теплоэнергетика. -1978. № 8.

21. Федоров Л. Ф., Попов В. Г. Выбор оптимальной геометрии испарительного канала по максимальным циркуляционным характеристикам // Теплоэнергетика. 1976. - № 2. - С. 22-24.

22. Seban R. A., Shimazaki Т. Т. Heat transfer to a fluid flowing turbulently in a smooth pipe with walls at constant temperature // Trans. ASME. 1951. - № 6. -V. 73.

23. Попов В. Г. Оптимизация конструкции обратного элемента теплообменных аппаратов // Изв. вузов СССР. М.: Энергетика, 1987. - С. 79-83.

24. Федоров Л. Ф., Попов В. Г. К вопросу оптимизации систем испарительного охлаждения силовых полупроводниковых приборов // Вопросы теплообмена и гидродинамики транспортных и промышленных установок. М.: МИИТ, 1979.-Вып. 634.-С. 10-17.

25. Шенк X. Теория инженерного эксперимента.- М.: Мир, 1978. С. 381.

26. Линевег Ф. В. Измерение температур в технике // Справочник. М.: Металлургия, 1980. - с. 589.

27. Михеев М. А. Основы теплопередачи. М.: Энергоиздат, 1956.-145

28. Стерман JI. С., Стюшин H. Е. Влияние скорости циркуляции на теплообмен при кипении // Теплопередача и аэродинамика. М.: Высшая школа, 1951.

29. Кутателадзе С. С., Боришанский В. М. Справочник по теплопередаче. М.: Госэнергоиздат, 1959.

30. Graetz L. Uber die Warmeleitungsfahigkeiten der Flüssigkeiten // Annalen der Physik u. Chemie. 1883. -№ 18.

31. Leveque M. Les lois de la transmission de la chaleur // Annales des Mines, Avril 1928.

32. Noms R., Steid D. Laminar flow heat transfer coefficients for ducts // Trans. ASME. 1940. - № 6.

33. Федоров Л. Ф., Покровский С. M. Тепловой расчет парогенератора // Методические указания к курсовому и дипломному проектированию. М.: МИИТ, 1982.