Аналитическое решение уравнения простейшего контура естественной циркуляции рабочего тела в паровом котле

Константин [Konstantin] Александрович [A.] Плешанов [Pleshanov]; Александр [Aleksandr] Владимирович [V.] Лукьянов [Lukyanov]

doi:10.24160/1993-6982-2023-5-86-93

Константин [Konstantin] Александрович [A.] Плешанов [Pleshanov]
Александр [Aleksandr] Владимирович [V.] Лукьянов [Lukyanov]

DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2023-5-86-93

Keywords: two-phase flow, evaporation, pressure drop, steam quality, boiler, furnace, drum, economizer, downcomers, furnace waterwalls

Abstract

Determining the pressure drops during the flow of a two-phase steam-water mixture in natural circulation circuit elements is a complex engineering problem. The conditions under which each element is have a significant influence on the operation of the entire system as a whole, and a large scope of empirical data is required to determine the flow parameters. Modern numerical methods for analyzing two-phase flows have significant limitations and require the phase interface boundary to be specified, which depends on the flow regime and initial conditions. As a consequence, it can be specified only approximately provided that a reliable regime prediction methodology is available. Currently, there are only a few examples of solving problems in the fluid flow mechanics by numerical methods in a formulation with which the interaction between the liquid and gas phases is not specified, but is determined in the course of solving the problem. In view of this circumstance, the studies of different researchers are based on experiments and presented in the form of engineering calculation methods with a limited range of initial conditions. The proposed approach to solving the circulation equation is to find its analytical solution with taking into consideration the empirical data obtained in earlier studies and assessing their influence on the calculation results as a whole.

In the future, this approach will be generalized to a wider class of initial conditions and to loops of a complex configuration to optimize the calculation procedure stipulated by a standard method and elaborate more detailed recommendations for designing the evaporation loops of boilers with natural circulation.

The new approach was used as a basis for studying the effect the evaporator heat absorption has on the loop operation with the same loop design. It has been found that a maximum flow rate is observed in the loop. The flow rate limitation depends on the loop design, the fluid physical properties, and the phase slip.

Information about authors

Константин [Konstantin] Александрович [A.] Плешанов [Pleshanov]

Ph.D. (Techn.), Head of Modeling and Design of Power Installations Dept., NRU MPEI, e-mail: PleshanovKA@mpei.ru

Александр [Aleksandr] Владимирович [V.] Лукьянов [Lukyanov]

Ph.D.-student of кModeling and Design of Power Installations Dept., NRU MPEI, design Engineer of the 1^st Category, JSC «ZiO», e-mail: LukyanovAlV@mpei.ru

References

1. Плешанов К.А., Стерхов К.В., Князьков В.П., Квривишвили А.Р. Разработка и исследование технологии пуска твёрдотопливного котла Е-240-13,8-560 АО «ЗИО» // Электрические станции. 2018. № 4(1041). С. 15—23.
2. Двойнишников В.А., Супранов В.М., Князьков В.П. Унификация проектных решений для двух групп барабанных газовых котлов с различными паропроизводительностью и параметрами пара // Теплоэнергетика. 2019. № 4. С. 45—59.
3. Двойнишников В.А., Изюмов М.А., Супранов В.М., Щелоков В.И., Евдокимов С.А. Обоснование и выбор основных проектных решений по котлу E-160-3,9-440 для ГЭС-1 АО «Мосэнерго» // Теплоэнергетика. 2003. № 12. С. 26—32.
4. Арманд А. А. Исследование механизма движения двухфазной смеси в вертикальной трубе // Гидродинамика и теплообмен при кипении в котлах высокого давления. М.: Изд-во АН СССР, 1955. С. 21—34.
5. Балдина О.М., Кветный М.А. О расчёте напорных паросодержаний в вертикальных испарительных трубах и пароотводящих трубах паровых котлов // Теплоэнергетика. 2000. № 8. С. 26—29.
6. Арманд А.А. Сопротивление при движении двухфазной системы по горизонтальным трубам // Известия ВТИ. 1946. № 1. С. 16—23.
7. Росляков П.В., Плешанов К.А., Стерхов К.В. Исследование естественной циркуляции в испарителе котла-утилизатора с горизонтальными трубами // Теплоэнергетика. 2014. № 7. С. 3—10.
8. Федоров А.И. Исследование гидравлики и распределения примесей в циркуляционных контурах и барабане (чистый отсек) котла высокого давления // Теплоэнергетика. 2004. № 2. С. 52—57.
9. Федоров А.И. Исследование циркуляции в мощном паровом контуре, замкнутом на выносной циклон // Электрические станции. 1992. № 2. С. 14—21.
10. Гидравлический расчет котельных агрегатов (нормативный метод) / Под ред. Локшина В.А. и др. М.: Энергия, 1978.
11. РД 24.035.05—89. Тепловой и гидравлический расчет теплообменного оборудования АЭС.
12. Steam its Generation and Use / Ed. by Kitto J.B., Stults S.C. Ohio: The Babcock & Wilcox Company, 2005.
13. VDI Heat Atlas. N.-Y.: Springer, 2010.
14. Балунов Б.Ф. и др. Истинное объемное паросодержание в вертикальных трубах при низком давлении пароводяного потока // Теплоэнергетика. 2012. № 1. С. 22—26.
15. Лабунцов Д.А., Ягов В.В. Механика двухфазных систем. М.: Изд-во МЭИ, 2000.
16. Стырикович М.А., Мартынова О.И., Миропольский З.Л. Процессы генерации пара на электростанциях. М.: Энергия, 1969.
---
Для цитирования: Плешанов К.А., Лукьянов А.В. Аналитическое решение уравнения простейшего контура естественной циркуляции рабочего тела в паровом котле // Вестник МЭИ. 2023. № 5. С. 86—93. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-5-86-93
#
1. Pleshanov K.A., Sterkhov K.V., Knyaz'kov V.P., Kvrivishvili A.R. Razrabotka i Issledovanie Tekhnologii Puska Tverdotoplivnogo Kotla E-240-13,8-560 AO «ZIO». Elektricheskie Stantsii. 2018;4(1041):15—23. (in Russian).
2. Dvoynishnikov V.A., Supranov V.M., Knyaz'kov V.P. Unifikatsiya Proektnykh Resheniy dlya Dvukh Grupp Barabannykh Gazovykh Kotlov s Razlichnymi Paroproizvoditel'nost'yu i Parametrami Para. Teploenergetika. 2019;4:45—59. (in Russian).
3. Dvoynishnikov V.A., Izyumov M.A., Supranov V.M., Shchelokov V.I., Evdokimov S.A. Obosnovanie i Vybor Osnovnykh Proektnykh Resheniy po Kotlu E-160-3,9-440 dlya GES-1 AO «Mosenergo». Teploenergetika. 2003;12:26—32. (in Russian).
4. Armand A. A. Issledovanie Mekhanizma Dvizheniya Dvukhfaznoy Smesi v Vertikal'noy Trube. Gidrodinamika i Teploobmen pri Kipenii v Kotlakh Vysokogo Davleniya. M.: Izd-vo AN SSSR, 1955:21—34. (in Russian).
5. Baldina O.M., Kvetnyy M.A. O Raschete Napornykh Parosoderzhaniy v Vertikal'nykh Isparitel'nykh Trubakh i Parootvodyashchikh Trubakh Parovykh Kotlov. Teploenergetika. 2000;8:26—29. (in Russian).
6. Armand A.A. Soprotivlenie pri Dvizhenii Dvukhfaznoy Sistemy po Gorizontal'nym Trubam. Izvestiya VTI. 1946;1:16—23. (in Russian).
7. Roslyakov P.V., Pleshanov K.A., Sterkhov K.V. Issledovanie Estestvennoy Tsirkulyatsii v Isparitele Kotla-utilizatora s Gorizontal'nymi Trubami. Teploenergetika. 2014;7:3—10. (in Russian).
8. Fedorov A.I. Issledovanie Gidravliki i Raspredeleniya Primesey v Tsirkulyatsionnykh Konturakh i Barabane (Chistyy Otsek) Kotla Vysokogo Davleniya. Teploenergetika. 2004;2:52—57. (in Russian).
9. Fedorov A.I. Issledovanie Tsirkulyatsii v Moshchnom Parovom Konture, Zamknutom na Vynosnoy Tsiklon. Elektricheskie Stantsii. 1992;2:14—21. (in Russian).
10. Gidravlicheskiy Raschet Kotel'nykh Agregatov (Normativnyy Metod). Pod Red. Lokshina V.A. i dr. M.: Energiya, 1978. (in Russian).
11. RD 24.035.05—89. Teplovoy i Gidravlicheskiy Raschet Teploobmennogo Oborudovaniya AES. (in Russian).
12. Steam its Generation and Use. Ed. by Kitto J.B., Stults S.C. Ohio: The Babcock & Wilcox Company, 2005.
13. VDI Heat Atlas. N.-Y.: Springer, 2010.
14. Balunov B.F. i dr. Istinnoe Ob'emnoe Parosoderzhanie v Vertikal'nykh Trubakh pri Nizkom Davlenii Parovodyanogo Potoka. Teploenergetika. 2012;1:22—26. (in Russian).
15. Labuntsov D.A., Yagov V.V. Mekhanika Dvukhfaznykh Sistem. M.: Izd-vo MEI, 2000. (in Russian).
16. Styrikovich M.A., Martynova O.I., Miropol'-skiy Z.L. Protsessy Generatsii Para na Elektrostantsiyakh. M.: Energiya, 1969. (in Russian)
---
For citation: Pleshanov K.A., Lukyanov A.V. Analytical Solution for the Equation of the Simplest Natural Circulation Loop of Working Fluid in a Steam Boiler. Bulletin of MPEI. 2023;5:86—93. (in English). DOI: 10.24160/1993-6982-2023-5-86-93