Оцінка експлуатаційного ресурсу барабана котлоагрегату енергоблоку ТЕС, пошкодженого при його експлуатації
The methodology to estimate the service life of the drum of the boiler unit of a power plant with operational damages is considered. It developed on the basis of three-dimensional thermoelastic plasticity and the finite element method.
Gespeichert in:
| Datum: | 2023 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я. С. Підстригача НАН України
2023
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.fmmit.lviv.ua/index.php/fmmit/article/view/333 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Physico-mathematical modeling and informational technologies |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Physico-mathematical modeling and informational technologies| _version_ | 1867479699675938816 |
|---|---|
| author | Будз, Степан Будз, Ігор |
| author_facet | Будз, Степан Будз, Ігор |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Степан Будз",
"institution": null
},
{
"author": "Ігор Будз",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Будз, Степан |
| baseUrl_str | http://www.fmmit.lviv.ua/index.php/fmmit/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2024-10-19T19:01:15Z |
| description | The methodology to estimate the service life of the drum of the boiler unit of a power plant with operational damages is considered. It developed on the basis of three-dimensional thermoelastic plasticity and the finite element method. |
| doi_str_mv | 10.15407/fmmit2023.38.005 |
| first_indexed | 2026-06-09T01:10:25Z |
| format | Article |
| fulltext |
5
DOI 10.15407/fmmit2023.38.005
Оцінка експлуатаційного ресурсу барабана котлоагрегату
енергоблоку ТЕС, пошкодженого при його експлуатації
Степан Будз1, Ігор Будз2
1д. т. н., ст. н. с. Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я. С. Підстригача НАН України,
вул. Наукова, 3б, Львів, 79060, e-mail: budz.stepan@gmail.com
2к.ф.-м. н., доц. Національний університет "Львівська Політехніка", вул. С. Бандери, 12, 79013, м.Львів,
Україна,e-mail: ihorbudz@gmail.com
Запропоновано методику і проведено оцінку експлуатаційного ресурсу барабана
котлоагрегату енергоблоку ТЕС на основі тривимірної теорії неізотермічної
термопружно-пластичності з використанням методу скінчених елементів. Визначено
амплітуду напружень у кожній точці барабана, в кожен момент часу; встановлено
сумарну величину накопиченої пошкоджуваності і відповідний залишковий експлуатаційний
ресурс.
Ключові слова: залишковий ресурс; амплітуда максимальних напружень;
пошкоджуваність металу; режими експлуатації; циклічна довговічність.
Вступ. Розробка, розвиток і вдосконалення методів кількісної оцінки ресурсу
промислової експлуатації інженерних конструкцій є дієвим засобом для
вирішення важливої проблеми подовження термінів їх використання. Особливо
актуальною проблема визначення часу експлуатації діючого обладнання є для
підприємств теплової енергетики.
В даній статті запропонована методика оцінки експлуатаційного ресурсу
барабана котлоагрегату ТЕС, пошкодженого при режимах його експлуатації.
Визначено сумарну величину накопиченої пошкоджуваності і відповідний
залишковий експлуатаційний ресурс барабана.
1. Формулювання проблеми
Проблема продовження термінів експлуатації елементів енергетичного
обладнання належить до найважливіших у вітчизняній енергетиці. Одним із
основних елементів енергоблоку ТЕС є барабан високого тиску, як джерело
теплової енергії. Особливу увагу надійності барабана приділяють при його
експлуатації і ремонті. Оцінку залишкового ресурсу барабана виконують шляхом
визначення його стану за рівнем накопиченої пошкоджуваності металу. Точність
оцінки залишкового ресурсу барабана істотно залежить від достовірності
інформації про максимальні напруження в металі за різних режимів його
експлуатації.
УДК 539.3
Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології
2023, Вип.38, 5-10
6
Барабан котлоагрегату енергоблоку ТЕС, як джерело теплової енергії,
продукує пару високої температури і є одним із головних елементів енергоблоку
ТЕС. Він працює за дії високого тиску, підвищеної температури, повторно
змінних циклічних навантажень, впливу корозійно-активного середовища,
водно-парової суміші.
Рис. 1. Принципова схема енергоблоку
Оцінку залишкового ресурсу барабана виконують шляхом визначення його
стану за рівнем накопиченої пошкоджуваності металу. При обчисленні
накопиченої пошкоджуваності барабана розглядаються різні режими його
промислової експлуатації. В даному випадку це стаціонарний режим з повільним
коливанням температури робочого середовища навколо температури
експлуатації (так зване термоциклування), режими планових пусків-зупинок,
гідравлічних випробувань та аварійних зупинок.
Точність оцінки залишкового ресурсу барабана істотно залежить від
достовірності про максимальні напруження в металі барабана за різних режимів
його експлуатації.
Для оцінки складного просторово тривимірного напружено-деформованого
стану барабану і залишкового експлуатаційного ресурсу загалом використовуємо
методику комп’ютерного моделювання процесів деформування барабана за
різних режимів його експлуатації з використанням методу скінчених елементів
[1, 2]. Для кожного із вищезгаданих режимів роботи барабана проводимо оцінку
його напружено-деформованого стану і визначаємо амплітуду зміни напружень
minmax5,0 a у кожній точці барабана і в кожен момент часу.
Для оцінки коефіцієнта накопиченої пошкоджуваності металу барабана
вибираємо максимальне значення амплітуди напружене a і зі співвідношення
[3]
r
r
Nn
b
Nn
aE
m
m
T
a
1
1
)4()4( 2
1
(1)
Степан Будз, Ігор Будз Оцінка експлуатаційного ресурсу барабана котлоагрегату енергоблоку
ТЕС, пошкодженого при його експлуатації
7
визначаємо максимально допустиму кількість циклів N з максимальною
амплітудою a зміни напружень в барабані за цикл розглядуваного режиму. Тут
maxmin /r – коефіцієнт асиметрії навантаження; min та max – відповідно
мінімальні і максимальні напруження у розглядуваному циклі навантаження; TE
– модуль пружності за температури розглядуваного режиму експлуатації
барабана; n – коефіцієнт запасу (найменше значення коефіцієнта запасу
приймають для барабана із сталі 16ГНМ рівним 3); 1m , 2m , a та b –
характеристики матеріалу, які визначаються через межу тимчасового опору
руйнуванню металу T
B
та відносне звуження металу T при температурі
експлуатації. Для металу барабана (сталь 16ГНМ) при температурі 350°С
460T
B МПА, %40T .
Сумарну величину накопиченої пошкоджуваності металу барабана
визначаємо за співвідношенням:
k
i i
i
N
n
A
1
, (2)
де in – фактична кількість циклів i го режиму роботи барабана за весь час
експлуатації; iN – допустима кількість циклів для i го режиму, отримана з
рівняння (1) відповідно до обчисленої амплітуди максимальних напружень a ;
k – кількість нестаціонарних режимів експлуатації.
За умови А<1 барабан вважають придатним до подальшої експлуатації.
Рис. 2. Фрагмент розрахункової моделі барабана
Барабан котлоагрегату є масивним циліндричним тілом, довжина якого L ,
внутрішній радіус 1R і зовнішній радіус 2R . Краї барабана закриті сферичними
днищами. У тілі барабана є періодичні ряди по 3, 4, 5 і 6 отворів в коловому
напрямі (див. рис. 2), віддалі між якими: zL2
в осьовому і L2 в коловому
напрямах відповідно.
2. Залишковий експлуатаційний ресурс барабана
Напружено-деформований стан розглядуваного циліндричного тіла за
умов, що відповідають експлуатаційним, визначено з повної системи рівнянь
Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології
2023, Вип.38, 5-10
8
неізотермічного термопружнопластичного течіння з використанням програмного
забезпечення, розробленого на основі методу скінченних елементів (для
апроксимації шуканих температурних та механічних полів за просторовими
змінними) та сімейства однокрокових багатопараметричних алгоритмів (для
апроксимації шуканих функцій за часом) [4-7].
При стаціонарній експлуатації барабана з урахуванням коливання
температури водно-парової суміші в околі номінальної робочої температури ST =
340°С, яка повільно змінюється в межах 5°С з певною частотою
(термоциклування), початкова температура 0T
барабана рівна номінальній
температурі ST , на внутрішній поверхні барабана задано тиск p =15,5 МПа.
Внутрішня поверхня циліндра і поверхня отворів контактує з водно-паровою
сумішшю, а зовнішня поверхня циліндра теплоізольована і вільна від силового
навантаження. На торцевій поверхні zLz
циліндра задано напруження розтягу
)/( 2
1
2
2
2
10 RRPRzz , що моделює вплив тиску на днища.
Обчислювальний експеримент показав, що максимальне значення
амплітуди напружень при стаціонарному режимі експлуатації розглядуваного
барабана котла високого тиску системи ТП-100 з урахуванням термоциклування
tc
a ≤ 30 МПа. (3)
Тоді за співвідношенням (1) для сталі 16ГНМ (n = 3), кількість циклів
навантаження [Ntc] > 1012 . Із цих результатів на основі формули (2) випливає, що
tcA = 0, тобто внесок термоциклування з амплітудою 5°С під час стаціонарного
режиму експлуатації барабана практично не впливає на накопичену
пошкоджуваність металу.
При аварійній зупинці котлоагрегату барабан перебуває в жорстких умовах,
коли в нього, в гарячому стані, вливається водно-парова суміш з температурою
240°С. У цьому випадку після повного охолодження у приповерхневих шарах
металу (з внутрішньої поверхні і отворів) барабана виникають стискальні
залишкові напруження на рівні межі пластичності. Тому для отримання
кількісної оцінки накопиченої пошкоджуваності металу барабана при аварійній
зупинці приймаємо, що амплітуда максимальних напружень az
a = B
(460 МПа).
Відповідно, за співвідношенням (1) кількість циклів аварійної зупинки [Naz] =
1877. Накопичена пошкоджуваність металу барабана за співвідношенням (2), що
відповідає циклу «аварійної зупинки», буде
056,0
1877
105
az
az
az
N
n
A . (4)
Тут azn - кількість аварійних зупинок барабана, який відпрацював 250 000 год.
При плановому пуску початкова температура барабана 0T =20°С;
температура середовища ST з швидкістю 5°С/хв. монотонно зростає у часі
Степан Будз, Ігор Будз Оцінка експлуатаційного ресурсу барабана котлоагрегату енергоблоку
ТЕС, пошкодженого при його експлуатації
9
відповідно від початкової температури до температури стаціонарного режиму
експлуатації (340°С). Внутрішній тиск зі швидкістю 0,1 – 0,15 МПа за хвилину
зростає від нульового до номінального робочого (15,5 МПа). За планової зупинки
0T =340°С, а температура і тиск спадають з тими ж швидкостями, що і при
запуску.
Максимальна зміна амплітуди напружень під час планового пуску 1s
a = 169
МПа. За формулою (1) відповідно до цієї зміни амплітуди напружень кількість
циклів навантаження [Ns1] = 11311. Накопичену пошкоджуваність металу, що
відповідає циклу планових пусків, кількість яких ns1=1315, зафіксованих за
250 000 год., для розглядуваного барабана котла системи ТП-100
116,0
11311
1315
][ 1
1
1
s
s
s
N
n
A . (5)
Амплітуда коливань максимальних напружень за цикл планової зупинки
котла становить 180,7 МПа. Відповідна допустима кількість циклів планових
зупинок 8459][ 2 sN , а коефіцієнт, що характеризує накопичену
пошкоджуваність металу за цикли планових зупинок
155,0
8459
1315
2
2
2
s
s
s
N
n
A . (6)
Під час гідравлічних випробувань початкова і крайові умови збігаються з
умовами при стаціонарному режимі експлуатації (без урахування
термоциклування). Внутрішній тиск при цьому 4,19p МПа. При збільшенні
внутрішнього тиску на 25% у порівнянні з експлуатаційним і після
розвантаження рівень стискальних залишкових напружень сягає 80% від межі
пластичності. Внаслідок пластичного деформування матеріал в околі отвору
зміцнюється і в подальшому - при номінальному навантаженні p =15,5 МПа за
стаціонарної експлуатації деформується винятково пружно. Амплітуда
напружень ht
a = 324 МПа (що відповідає циклу гідравлічних випробувань).
Допустима кількість циклів ][ htN = 1863 за формулою (1). За час експлуатації
барабана 250 000 год. було зафіксовано 9 аварійних зупинок. Тому коефіцієнт
накопиченої пошкоджуваності
005,0
1863
9
][
ht
ht
ht
N
n
A . (7)
Сумарне значення коефіцієнта накопиченої пошкоджуваності металу
барабана
332,021 htssaztc AAAAAA . (8)
Відповідно залишковий експлуатаційний ресурс барабана становить 66,8%.
Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології
2023, Вип.38, 5-10
10
Висновки. Наявність надійного програмного забезпечення, розробленого на
основі уточнених математичних моделей і методів, дає можливість в стислі
терміни проаналізувати поведінку того чи іншого конструктивного елемента
діючого енергетичного обладнання за умов експлуатації та адекватніше оцінити
його залишковий ресурс і можливість його подальшого використання, а також
встановити умови та терміни його безпечної подальшої експлуатації.
Література
[1] Дробенко Б.Д., Будз С.Ф. Оцінка міцності та експлуатаційного ресурсу елементів
енергообладнання з урахуванням деградації матеріалу, пошкоджень та технології
ремонту. – Львів: Інститут прикладних проблем механіки і математики
ім. Я.С. Підстригача НАН України, 2021. – 368 с.
[2] Будз С.Ф., Дробенко Б.Д., Михайлишин В.С. Компьютерное моделирование термо-
упругопластического поведения механических систем // ИППММ АН УССР. –
1992. – Препринт 34-89. – 60 с.
[3] Інструкція СОУ 40.1-21677681-02:2009. Порядок продовження терміну експлуата-
ції барабанів котлів високого тиску. – К.: Об’єднання енергетичних підприємств
«Галузевий резервно-інвестиційний фонд розвитку енергетики», 2009. – 56 с.
[4] Гачкевич О. Дробенко Б. Математичне моделювання термомеханічних процесів в
осесиметричних електропровідних тілах за електромагнітних навантажень //
Машинознавство. – 2003, № 4 (70). – С. 3-7.
[5] Гачкевич О.Р., Дробенко Б.Д. Особливості числового розв’язування зв’язаних
задач про визначення електромагнітних, теплових і механічних полів у
деформівних термочутливих електропровідних тілах за квазіусталених
електромагнітних навантажень // Мат. методи та фіз.-мех. поля. – 2007. – 50, № 3.
– С. 166-177.
[6] Drobenko B., Hachkevych O. Thermomechanics of electroconductive solids / In
Encyclopedia of Thermal Stresses. Ed. by Richard B. Hetnarski. –Springer Dordrecht,
Heidelberg, New York, London. – 2014, vol.11. –P. 6052-6063.
[7] Drobenko B.D. Computational experiment for determination of the cyclic durability of a
boiler drum of a thermal power plant / Materials Science. – 2012. – 48, No. 1. – P. 76-
82.
Assessment of the operational resource of the drum of the boiler
unit of the TPP power unit damaged during its operation
Stepan Budz, Ihor Budz
The methodology to estimate the service life of the drum of the boiler unit of a power plant with
operational damages is considered. It developed on the basis of three-dimensional thermoelastic
plasticity and the finite element method.
Keywords: residual resource; amplitude of maximum stresses; metal damage;
modes of operation; cyclic durability.
Отримано 21.08.23
УДК 539.3
|
| id | oai:ojs2.www.fmmit.lviv.ua:article-333 |
| institution | Physico-mathematical modeling and informational technologies |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-09T01:10:25Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я. С. Підстригача НАН України |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwfmmitlvivua/5f/fb58a52cbd14a6d826eb083371b87b5f.pdf |
| spelling | oai:ojs2.www.fmmit.lviv.ua:article-3332024-10-19T19:01:15Z Assessment of the operational resource of the drum of the boiler unit of the TPP power unit damaged during its operation Оцінка експлуатаційного ресурсу барабана котлоагрегату енергоблоку ТЕС, пошкодженого при його експлуатації Будз, Степан Будз, Ігор залишковий ресурс; амплітуда максимальних напружень; пошкоджуваність металу; режими експлуатації; циклічна довговічність. укр The methodology to estimate the service life of the drum of the boiler unit of a power plant with operational damages is considered. It developed on the basis of three-dimensional thermoelastic plasticity and the finite element method. Запропоновано методику і проведено оцінку експлуатаційного ресурсу барабана котлоагрегату енергоблоку ТЕС на основі тривимірної теорії неізотермічної термопружно-пластичності з використанням методу скінчених елементів. Визначено амплітуду напружень у кожній точці барабана, в кожен момент часу; встановлено сумарну величину накопиченої пошкоджуваності і відповідний залишковий експлуатаційний ресурс. Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я. С. Підстригача НАН України 2023-12-23 Article Article application/pdf https://www.fmmit.lviv.ua/index.php/fmmit/article/view/333 10.15407/fmmit2023.38.005 PHYSICO-MATHEMATICAL MODELLING AND INFORMATIONAL TECHNOLOGIES; No. 38 (2023): PHYSICO-MATHEMATICAL MODELLING AND INFORMATIONAL TECHNOLOGIES; 5-10 ФІЗИКО-МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ТА ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ; № 38 (2023): ФІЗИКО-МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ТА ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ; 5-10 2617-5258 1816-1545 10.15407/fmmit2023.38 uk https://www.fmmit.lviv.ua/index.php/fmmit/article/view/333/293 Авторське право (c) 2023 Степан Будз, Ігор Будз (Автор) |
| spellingShingle | залишковий ресурс амплітуда максимальних напружень пошкоджуваність металу режими експлуатації циклічна довговічність. Будз, Степан Будз, Ігор Оцінка експлуатаційного ресурсу барабана котлоагрегату енергоблоку ТЕС, пошкодженого при його експлуатації |
| title | Оцінка експлуатаційного ресурсу барабана котлоагрегату енергоблоку ТЕС, пошкодженого при його експлуатації |
| title_alt | Assessment of the operational resource of the drum of the boiler unit of the TPP power unit damaged during its operation |
| title_full | Оцінка експлуатаційного ресурсу барабана котлоагрегату енергоблоку ТЕС, пошкодженого при його експлуатації |
| title_fullStr | Оцінка експлуатаційного ресурсу барабана котлоагрегату енергоблоку ТЕС, пошкодженого при його експлуатації |
| title_full_unstemmed | Оцінка експлуатаційного ресурсу барабана котлоагрегату енергоблоку ТЕС, пошкодженого при його експлуатації |
| title_short | Оцінка експлуатаційного ресурсу барабана котлоагрегату енергоблоку ТЕС, пошкодженого при його експлуатації |
| title_sort | оцінка експлуатаційного ресурсу барабана котлоагрегату енергоблоку тес, пошкодженого при його експлуатації |
| topic | залишковий ресурс амплітуда максимальних напружень пошкоджуваність металу режими експлуатації циклічна довговічність. |
| topic_facet | залишковий ресурс амплітуда максимальних напружень пошкоджуваність металу режими експлуатації циклічна довговічність. укр |
| url | https://www.fmmit.lviv.ua/index.php/fmmit/article/view/333 |
| work_keys_str_mv | AT budzstepan assessmentoftheoperationalresourceofthedrumoftheboilerunitofthetpppowerunitdamagedduringitsoperation AT budzígor assessmentoftheoperationalresourceofthedrumoftheboilerunitofthetpppowerunitdamagedduringitsoperation AT budzstepan ocínkaekspluatacíjnogoresursubarabanakotloagregatuenergoblokutespoškodženogoprijogoekspluatacíí AT budzígor ocínkaekspluatacíjnogoresursubarabanakotloagregatuenergoblokutespoškodženogoprijogoekspluatacíí |