4 ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. В энергетике и других отраслях промышленности многие технологические среды загрязнены примесями, среди которых практически всегда присутствуют частицы железа и его соединений, зачастую - как доминирующая фракция. При этом постоянными и весьма активными «источниками» таких примесей являются состояние оборудования, его коррозия и износ (особенно в условиях исчерпывающегося ресурса работы, после вынужденного простоя, в процессе размола и дробления сырьевых компонентов), последствия механической и термической обработки, ремонта и обслуживания оборудования и т.д. Снижая качество сред, эти примеси к тому же являются серьезным дестабилизирующим фактором производства, так как уменьшают надежность и долговечность работы оборудования, в том числе энергетического, и нередко приводят к чрезвычайным ситуациям.
В частности, отложения железосодержащих примесей на трубах газомазутных и пылеугольных парогенераторов обусловливают ухудшение теплопередачи и увеличение температуры труб сверх допустимой (как установлено - согласно временной зависимости, близкой к кубической), что приводит к частым пережогам, разрывам труб, аварийным остановкам оборудования. Столь же опасны железосодержащие (металломагнитные) примеси, присутствующие в сырьевых компонентах производств пищевых продуктов, керамических, пластмассовых изделий, так как они приводят к частым, в том числе аварийным, остановкам энергетического оборудования этих производств. Кроме того, наличие таких примесей именно в пищевых продуктах, создавая угрозу здоровью человека, способствует искрообразованию в элементах энергетического оборудования (в частности при размоле муки), что сопряжено с возможностью взрыва большой мощности.
Для удаления подобного рода примесей, обладающих способностью к магнитному осаждению (захвату), используют магнитные очистные аппараты: сепараторы, фильтры, ловушки и пр., потребность в которых для оснащения и переоснащения различных производств неуклонно возрастает. Однако
5
большинство таких аппаратов, созданных без надлежащего изучения параметров и режимов работы, не удовлетворяют все ужесточающимся требованиям, предъявляемым к качеству технологических (жидких, газообразных, сыпучих) сред целого ряда производств, энергетическое оборудование которых весьма «чувствительно» к этим примесям. В определенной мере это сдерживает их широкое, а, главное, - эффективное применение.
Следовательно, для разрешения нарастающих противоречий между существующим недостаточным теоретико-экспериментальным уровнем проработки аппаратов магнитной очистки и возможностью широкого, эффективного их применения необходимо выполнить комплекс работ по совершенствованию имеющихся и созданию новых очистных устройств этого типа с оптимальными режимными параметрами.
Цель работы: исследование режимных параметров магнитных очистных аппаратов, разработка и внедрение аппаратов и систем магнитной очистки жидких и сыпучих сред для предупреждения чрезвычайных ситуаций (аварий, взрывов) при эксплуатации энергетического оборудования, а также предотвращения попадания вредных примесей в организм человека.
Задачи исследования:
1. Исследовать влияние относительного габарита рабочей зоны фильтра соленоидного типа на удельную энергоемкость, уровень и степень перераспределения генерируемого поля, среднюю индукцию поля в фильтр-матрице. Получить соответствующие зависимости как основу для тестирования эксплуатируемых (выявления причин разноречивости результатов работы) и разработки новых аппаратов магнитной очистки.
2. Провести экспериментальные и теоретические исследования характера поглощения примесей магнитным фильтром. Обобщить полученные и имеющиеся «разнорежимные» опытные данные по МФ-очистке воды теплосети, производственного и турбинного конденсата, питательной воды энергоблока и др.
6
3. Расширить возможности экспериментально-расчетных методов определения доли М-фракции примесей и коэффициента поглощения (как обобщающего режимного параметра МФ-очистки), основанных на использовании модели и двух экспериментальных точек поглощающего экрана. Получить соответствующие номограммы.
4. В рамках модели самоотключающихся постаккумулированных зон-ловушек и ячеек фильтр-матрицы обобщить временные зависимости МФ-очистки производственных сред для разработки графо-аналитического метода определения номинального и полного фильтроцикла.
5. Провести экспериментальные и теоретические исследования по влиянию температуры производственного конденсата на эффективность его МФ-очистки. Получить частные уравнения очистки (с учетом температурного фактора), а также выражения для кризисной скорости очистки.
6. Разработать и внедрить аппараты для магнитной очистки производственных сред с целью повышения их качества, предотвращения чрезвычайных ситуаций (аварий, взрывов) при эксплуатации энергетического оборудования, а также попадания примесей в организм человека.
Методы исследования. Проводились экспериментальные и теоретические исследования, расчеты и обобщения, анализ и развитие физических моделей работы магнитных очистных устройств. Многие опытные и теоретические данные обрабатывались в координатах, позволявших непосредственно получать и использовать зависимости степенного, экспоненциального и логарифмического вида.
Достоверность научных положений и полученных результатов обеспечивалась точностью измерительной аппаратуры, необходимым объемом и согласием экспериментальных и теоретических данных, использованием таких специально преобразованных параметров, которые явно указывали на функциональный вид исследуемой зависимости, наличие переходных, кризисных областей и пр.
7 Научная новизна работы.
Найдена функциональная зависимость прироста массы отложений железосодержащих примесей на парогенерирующих трубах и сверхнормативного прироста температуры труб от времени работы пылеугольных и газомазутных парогенераторов (на основании обработки обобщенных данных их эксплуатации). Показано, что сверхнормативный прирост температуры труб идет опережающими темпами (примерно в пять раз) по сравнению с приростом массы этих отложений.
Исходя из выражений для энергии и напряженности магнитного поля в соленоиде, основываясь на таком принципиально важном (критериальном) параметре фильтра соленоидного типа как относительный габарит рабочей зоны:
- показано, что существовавшее мнение о низком общем уровне поля в «коротком» соленоиде фильтра повышенной производительности является преувеличенным;
- получены и аппроксимированы экспоненциальной зависимостью ослабленные значения средней относительной напряженности поля в приосевой зоне соленоида;
- установлен не отмечавшийся ранее степенной вид параметра «расслоения» кривых индукции в матрице-насадке (для практических значений относительного габарита);
- получено уточненное выражение для индукции поля в матрице-насадке соленоидного фильтра как базовое условие для разработки и создания фильтров такого типа.
На основании анализа и развития модели намагниченной фильтр-матрицы, как экспоненциального (одно-, двух- и трехэкспоненциального) поглощающего экрана, обобщены едиными зависимостями многочисленные, в том числе дополнительно полученные, опытные и опытно-промышленные «разнорежимные» данные.
Экспериментально и теоретически изучено интенсифицирующее влияние температуры среды на эффективность ее МФ-очистки. Получены модифицированные уравнения очистки, в которых роль температуры проявляется в явном виде.
Сформулированы основные положения модели самоотключения постаккумулированных ячеек намагниченной фильтр-матрицы. Выявлены специфичные координаты обобщения многочисленных временных зависимостей МФ-очистки и проведено такое обобщение для различных сред.
Предложен и реализован экспериментально-расчетный метод определения критических значений скорости потока и числа Рейнольдса в фильтр-матрице как вычисляемую аналитически «точку пересечения» характерных степенных (функционально описанных) участков скоростной зависимости потерь напора. Получены выражения для кризисной скорости (с учетом температурного фактора).
Практическая ценность работы.
Проведено тестирование эксплуатируемых в промышленности соленоидных фильтров, исходя из фактических (установленных) значений относительного габарита рабочей зоны, удельной энергоемкости, общего и локального уровня генерируемого поля, уровня индукции поля в фильтр-матрице. Показано разительное отличие технических данных и режимных параметров фильтров различной производительности, тем самым вскрыта одна из причин разноречивости ряда эксплуатационных данных.
Расширены возможности методов определения доли М-фракции примесей (как обобщающего режимного параметра). Приведены удобные на практике номограммы. Предложен графо-аналитический метод обработки временных зависимостей эффективности очистки для определения коэффициента поглощения, номинального и полного фильтроцикла.
Показано, что выбор места установки магнитного фильтра в технологической схеме может и должен производиться с учетом температуры
9
очищаемой среды как параметра, влияющего на эффективность и кризисную скорость очистки. Предложены формулы для их расчета.
Осуществлены внедрения магнитных очистных аппаратов, основу которых составляют выполненные научно-технические разработки, в том числе технические решения, подтвержденные патентом РФ. Реализация установленных режимных параметров исключает возможность работы в «провальных» условиях.
Апробация работы, внедрения, публикации, принадлежность темы диссертации к фундаментальным исследованиям в области технических наук.
Результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях ААИ (FISITA) (Москва, МГТУ «МАМИ», 2002, 2005 гг.), на 8-й международной конференции «Multiphase Flow in Industrial Plants» (Альба, Италия, 2002 г.), использованы при разработке свыше 20-и внедренных в промышленности магнитных очистных аппаратов, а также в 3-х учебных курсах (спецкурсах), читаемых на кафедре «Экология и безопасность жизнедеятельности» МГТУ «МАМИ».
По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы (в том числе патент РФ).
В диссертации использовались результаты НИР, выполнявшиеся автором (как соисполнителем) в 2001-02 гг. в МГТУ «МАМИ» по гранту Минобразования РФ: «Разработка теоретических основ очистки жидкостей от продуктов износа и коррозии машин и оборудования в электромагнитных фильтрах» (ТОО-13.0-711) по фундаментальным исследованиям в области технических наук.
10
ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ДАННЫХ О МАГНИТНЫХ АППАРАТАХ ДЛЯ ОЧИСТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД ОТ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ПРИМЕСЕЙ, ВЛИЯЮЩИХ НА РАБОТУ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
1.1. Железосодержащие примеси как дестабилизирующий фактор работы энергетического оборудования (о сфере применения магнитных очистных устройств)
Многие технологические среды (жидкие, газообразные, сыпучие) в большей или меньшей мере загрязнены примесями, среди которых практически всегда присутствуют частицы железа и его соединений, зачастую - как доминирующая фракция примесей. При этом постоянными и весьма активными «источниками» таких примесей являются состояние оборудования, прогрессирующие во времени коррозия и износ этого оборудования (в том числе при осуществлении процессов размола и дробления сырьевых компонентов), последствия механической и термической обработки, ремонта и обслуживания оборудования и т.д. Именно эти примеси нередко являются серьезным дестабилизирующим фактором работы энергетического оборудования и производства в целом [14,15] (особенно в пусковые периоды после ремонта и остановки оборудования), уменьшая надежность и долговечность работы оборудования, снижая качество сред, ухудшая протекание технологических процессов, вызывая чрезвычайные ситуации, связанные с аварийными остановками (и ремонтом) оборудования, возможностью взрывов и т.д. Можно привести целый ряд примеров, подтверждающих сказанное, из тепловой энергетики и других производств.
Пароводяной контур тепловой электростанции. В конденсате и паре постоянно присутствуют частицы окислов железа, преимущественно продукты коррозии, которые образуют отложения на трубах парогенератора [1-16,78] (точнее - подавляющую долю всех отложений), уменьшающие теплопроводность и вызывающие рост температуры металла труб. Как показывают многочисленные данные [9-15] (рис.1.1), удельная масса т таких отложений и превышение температуры металла At сверх номинальной (430-
11
Масса отложений, отнесенная к единице площади парогенермрующихтруб т, г/м2
300
200
100
0
о
о о о < Оф ¦ /о
° ¦
о ^^ ¦ О а)
4 6 8 10
Время работы т, тыс. час
Превышение температуры металла парогенерирующих труб (сверх нормативной)/Ц°С
100
50
2 4 6 8 10
Время.работы г, тыс, час
Рис. 1.L Влияние времени работы парогенератора на удельную массу ж-елезосодержащих отложений (а), приводящих к превышению температуры металла этих труб сверх допустимой (б). Затушеванные и пезатушеванпые точки - соответственно пылеугольные и газомазутные парогенераторы (данные для семи тепловых электростанций 19-15]).
о
•о/
Л ¦fbo с t 0 б)
Рис. 1.2. Разрывы труб как следствие их термического пережога из-за наличия Ж'елезоокисиых отложений.
12
480°С) по мере продолжительности работы т заметно увеличиваются (как это показано в гл.2, имеется возможность для получения функционального вида зависимостей т от г и At от г). Уже за г=6...7 тыс. часов работы парогенератора, когда масса отложений составляет 150-180г/л/2 (рис.1.\а), неблагоприятное превышение температуры металла труб достигает значений At = 80...100V и более (рис. 1.16), что превышает допустимую температуру (по условиям прочности). В конечном счете, это приводит к пережогам и даже разрывам труб (рис. 1.2), перерасходу топлива, чрезвычайным ситуациям - внеплановым (аварийным) остановкам оборудования, простоям в ремонте и пр. А те железосодержащие примеси, которые переходят из котловой воды в пар, образуют отложения на лопатках турбин, вызывая снижение мощности турбогенератора на 1,5...3% [16] и существенную недовыработку электроэнергии. При этом железосодержащие примеси вод электростанций, отлагающихся на парогенерирующих трубах и переходящих в пар -высокодисперсны [17,18] (рис. \.3a-e): от долей до единиц и десятковмк.м.
Энергетическое оборудование керамического производства. При размоле сырьевых компонентов в технологические среды (суспензии, шликер, ангоб) и в готовую продукцию попадает значительное количество так называемого аппаратурного железа, размеры частиц железа (и его соединений) составляют преимущественно доли и единицы мм. Как результат, увеличивается выход бракованной продукции [15,23] и такую продукцию пониженной сортности (из-за несоответствия нормам качества), как правило, подвергают дроблению и размолу, способствуя тем самым интенсивному износу дробилок и других узлов оборудования, их частому выходу из строя [15]. Значит, в реальных условиях керамического производства всегда существует сильный дополнительный «источник» пиковых поступлений металломагнитных примесей в технологический процесс, причем примесей широкого спектра крупности (рис. 1.4а), в том числе частиц-предметов размерами даже до единиц см . Таким образом, налицо своеобразный порочный круговорот металломагнитных примесей в технологическом процессе [15].
Юмкм
X2500
Puc.1.3. Частицы железосодержащих примесей в поле зрения электронного микроскопа [17,18]: а,б,в) питательная вода ГРЭС, г) дренажный конденсат АЭС, д) пар ТЭЦ, е) турбинный конденсат ГРЭС, oic) оборотная вода прокатного стана, з,и) аммиак, к) аммиачная вода.
б)
Рис. 1.4. Осадок металломагнитных примесей, образующийся на рабочих элементах магнитных сепараторов, после эксплуатационного цикла очистки дробленой керамики (а) и муки (б) [15].
14
Энергетическое оборудование хлебопекарных комбинатов. Уже в самых различных сырьевых компонентах (мука, сахар, соль, дробленый орех, изюм, мюсли, горячий шоколад и пр.) и, как следствие, - в готовой продукции присутствуют разнообразные металломагнитные включения: от сравнительно мелких частиц окалины до малых и средних металлических предметов. Соответственно размеры таких включений (рис. 1.46) - от долей мм до единиц мм и см [15, 30, 31]. Естественно, с точки зрения обеспечения жизнедеятельности человека такая продукция, как непригодная для питания и наносящая вред здоровью, должна отбраковываться (что не всегда осуществляется). При этом зачастую нарушается и сам техпроцесс, так как металломагнитные включения приводят к повреждению рабочих органов оборудования и нарушению его нормальной работы. Более того, металломагнитные включения, как источник искрообразования при приеме и переработке зерна, могут создавать чрезвычайные ситуации: возгорание продукта и взрыв большой мощности [31,71]. Так, из-за попадания в приемные нории крупных металломагнитных примесей в 1971-89гг. произошли взрывы на Иркутском и Саранском комбикормовых заводах, Белогорском, Читинском и Армавирском КХП [30].
Энергетическое оборудование производства пластмассовых изделий. Разнообразные металломагнитные включения (как и в предыдущем случае - от сравнительно мелких частиц окалины до малых и средних металлических предметов размерами соответственно от долей мм до единиц см), привносятся в технологию производства пластмассовых изделий преимущественно вторичным, «грязным» сырьем (в результате размола и дробления бракованных и бывших в употреблении пластмассовых изделий). Эти примеси-включения приводят к поломкам и периодическому выходу из строя дорогостоящего оборудования [15] (литьевая машина, каландр, экструдер и др.), простоям и ремонтам оборудования, снижению качества и браковке продукции (например, тонкой пленки).
15
Имеется также много других примеров, когда присутствие примесей железа и его соединений в жидких, газообразных и сыпучих средах крайне нежелательно и где эти примеси наносят существенный вред энергетическому оборудованию, технологии, качеству продукции и экологии [14,19-29].
Отличительной особенностью таких примесей является то, что они обладают ферромагнитными (ферримагнитными) свойствами, т.е. способностью к магнитному осаждению (захвату). На этом принципе основана работа магнитных очистных аппаратов: сепараторов, фильтров, ловушек, решеток, железоотделителей и пр., потребность в которых для оснащения и переоснащения различных производств в самых различных отраслях промышленности неуклонно возрастает. В связи с этим ведется интенсивная работа по совершенствованию существующих и созданию новых очистных устройств этого типа, изучению оптимальных режимов магнитной очистки, конечно же, в зависимости от характеристик очищаемой среды и присутствующих в ней примесных частиц, условий того или иного производства и пр.
Учитывая, что такого рода примеси склонны к магнитному осаждению, а многие используемые в промышленности магнитные очистные аппараты (фильтры, сепараторы, ловушки, решетки и т.д.) обладают принципиальными недостатками, целесообразно выполнить специальные исследования с целью совершенствования конструкций этих аппаратов и режимов их работы.
1.2. Факторы «короткой» рабочей зоны фильтров соленоидного типа, применяемых в энергетике
1.2.1. Основные параметры соленоидных фильтров
Среди большого разнообразия магнитных очистных устройств (а также широко известных магнитных сепараторов [66-70,77], используемых для обогащения руд и углей) заметное место занимают так называемые магнитные фильтры, получившие наибольшее применение в энергетике [5,14,32-
16
58,79,120]. Принцип работы магнитного фильтра внешне прост (рис.1.5а,б): взвесенесущий очищаемый поток пропускают сквозь ферромагнитную или ферримагнитную пористую среду (фильтр-матрицу), которая находится в магнитном поле. Это поле создается катушкой (соленоидом) с током или магнитной системой на базе электромагнитов, либо постоянных магнитов, либо комбинированных узлов намагничивания. В качестве намагничиваемой фильтр-матрицы (рис. 1.6) используются засыпки шаров, дроби, дробленой стружки, дробленого феррита, «стальная вата» (провод-нить малого диаметра); применяются также засыпки мелких кусков рубленой проволоки, пакеты стержней, сеток, перфорированных листов, пластин, лент и т.д. [14,17,54,56-58,74-76,119,121,122].
Некоторые из типичных и апробированных в промышленности конструкций магнитных очистных аппаратов, в которых реализован именно принцип «магнитного фильтрования», показаны на рис.1.7 [14,17]. «Магнитно-сорбционным» рабочим органом, непосредственно контактирующим с очищаемой средой и напрямую воздействующим на осаждаемые примеси, является здесь фильтр-матрица, находящаяся внутри фильтрационной камеры (корпус, секция или канал многокамерного варианта аппарата) и занимающая всегда привилегированное положение по отношению к внешней намагничивающей системе: в соленоиде, между полюсами электромагнитов или блоков постоянных магнитов.
Классической, наиболее распространенной и в определенной мере базовой (модульной) конструкцией магнитного фильтра является фильтр соленоидного типа (рис. 1.8-1.10). Его рабочая зона - это намагничивающая катушка 1 (соленоид) с расположенной внутри фильтр-матрицей 2 (насадкой) как своеобразным, пористым сердечником. Катушка-соленоид с током создает магнитное поле и это поле намагничивает (активирует) фильтр-матрицу: она
17
ТУЧ'
Рис. 1.5. Принципиальная схема магнитного фильтрования. Фильтр-матрица находится: а) в катушке-соленоиде (по проводу намотки пропускается постоянный электрический ток), б) между полюсами намагничивающей системы (электромагниты, постоянные магниты, комбинированные узлы намагничивания).
э)
б)
е)
Рис. 1.6. Некоторые виды пористых сред, используемых в качестве намагничиваемых фильтр-матриц: а) шары; б,в) дробленая стру.Ж'ка из нержавеющей магнитной стали (сразличной степенью дробления); г) дробь; д) дробленый феррит; е) «стальная вата» (нерэ/савеющая ферромагнитная сталь или сплав). |
