9.3 Исследование возможностей совершенствования характеристик маневренности турбоагрегата к-300-240
Одним из основных показателей маневренности мощных энергоблоков является продолжительность пусковых режимов турбоагрегатов после остановок различной продолжительности.
Важной составляющей общего времени пуска турбоагрегата является продолжительность этапа прогрева-нагружения турбины (от толчка ротора до набора номинальной нагрузки).
Продолжительность указанного этапа в решающей мере зависит от термонапряженного состояния лимитирующих узлов. В данной работе в качестве таковых были рассмотрены участки роторов, фланцев наружного и внутреннего корпусов в зонах паровпуска ЦВД и ЦСД. Выбор указанных узлов, в качестве лимитирующих обусловлен их геометрическими характеристиками (толщина стенок, наличие концентраторов напряжений и т.д.), а также их взаимодействием с рабочей средой максимальных параметров.
Для оценки времени достижения турбиной номинальной нагрузки в данной работе использованы приближенные закономерности изменения температуры среды во времени. Они получены на основе решения задач рационального управления нестационарным тепловым состоянием лимитирующих узлов при ограничении на уровень, возникающих в них термических напряжений на предельно допустимом уровне в течение всего переходного процесса. Такая постановка задачи позволяет получить значение минимальной продолжительности этапа прогрева-нагружения.
Предпусковое тепловое состояние лимитирующих узлов ЦВД и ЦСД после остановки различной продолжительности, их геометрические характеристики и максимальные значения температур сред и коэффициентов теплоотдачи представлены в табл.9.1 и 9.2. Римскими цифрами здесь обозначены различные варианты режимов остывания, исследованные в предыдущем разделе.
Учитывая, что в
лимитирующих узлах имеются концентраторы
напряжений (в виде термокомпенсационных
канавок, придисковых галтелей, вырезов
и выточек для крепления диафрагм и обойм
и пр.), допустимые термические напряжения
принимались с запасом по отношению к
пределу текучести материалов. Были
рассмотрены варианты, когда коэффициенты
концентрации напряжений
(своего рода условные коэффициенты
запаса) равнялись: для участков роторов
3 и 5; для участков фланцев 1,5 и 2.
Окончательные результаты исследований
приведены в табл. 9.3. Их анализ показывает,
что во всех рассмотренных случаях узлом,
определяющим продолжительность
нагружения турбины, является участок
ротора среднего давления в зоне паровпуска
при значении
.
Если на участках РВД и РСД (в зоне их
паровпусков) коэффициенты концентрации
напряжений не будут превышать 3, то
продолжительность нагружения турбины
после остановок длительностью до 48
часов будет по-прежнему определять РСД,
а при остановках свыше 48 часов лимитирующим
узлом будет служить участок ФНК ЦВД в
зоне паровпуска при
.В
свою очередь, если во фланцевых соединениях
горизонтальных разъемов ЦВД и ЦСД
коэффициенты концентрации напряжений
не будут превышать 1,5, то лимитирующим
узлом для всех рассмотренных вариантах
будет по-прежнему оставаться РСД в зоне
паровпуска.
При
в роторе ЦСД продолжительность нагружения
турбины после остановки турбины на 12,
24, 48 и 72 часа соответственно равна 1,57;
2,54; 3,78 и 4,47. Снижение коэффициента
концентрации до уровня 3 позволит
сократить
Геометрические характеристики, температуры и к.т.о. сред, предпусковое тепловое состояние лимитирующих узлов ЦВД Таблица 9.1
|
Узлы конструкции и их характеристики (R, м; tC, °С; α, Вт/м2∙°С) |
Время остывания, ч |
Предпусковая температура узлов t0, °С | |||
|
I |
II |
III |
IV | ||
|
Ротор R1 = 0,07; R2 = 0,305; α = 19330; tcM = 540 |
12 |
405 |
405 |
406 |
410 |
|
24 |
360 |
365 |
380 |
385 | |
|
48 |
300 |
310 |
345 |
350 | |
|
72 |
260 |
270 |
310 |
315 | |
|
ФНК R = 0,375; α1 = 1286; tc1M = 396,4; α 2 = 250; tc2M = 386,4 |
12 |
350 |
350 |
375 |
385 |
|
24 |
305 |
315 |
360 |
365 | |
|
48 |
250 |
255 |
330 |
340 | |
|
72 |
205 |
215 |
300 |
305 | |
Геометрические характеристики, температуры и к.т.о. сред, предпусковое тепловое состояние лимитирующих узлов ЦСД
Таблица 9.2
|
Узлы конструкции и их характеристики (R, м; tC, °С; α, Вт/м2∙°С) |
Время остывания, ч |
Предпусковая температура узлов, °С | |||
|
I |
II |
III |
IV | ||
|
Ротор R1 = 0,07; R2 = 0,41; α 2 = 4523; tcM = 513 |
12 |
400 |
405 |
405 |
410 |
|
24 |
355 |
360 |
375 |
380 | |
|
48 |
290 |
305 |
340 |
345 | |
|
72 |
255 |
267 |
308 |
312 | |
|
ФНК R = 0,275; α1 = 540; tc1M = 403,3; α 2 = 250; tc2M = 393,3 |
12 |
345 |
350 |
370 |
375 |
|
24 |
300 |
315 |
355 |
360 | |
|
48 |
240 |
250 |
320 |
335 | |
|
72 |
195 |
210 |
290 |
300 | |
Результаты оценки продолжительности пусковых режимов турбины
Таблица 9.3
|
Узлы
конструкции и значения коэффициентов
концентрации |
Режимосты-вания |
Время набора (ч) номинальной нагрузки после остановки на: | ||||||||
|
12 ч |
24 ч |
48 ч |
72 ч | |||||||
|
ЦВД |
ЦСД |
ЦВД |
ЦСД |
ЦВД |
ЦСД |
ЦВД |
ЦСД | |||
|
Ротор |
|
I |
0,18 |
0,41 |
0,49 |
1,01 |
0,86 |
1,77 |
1,11 |
2,19 |
|
II |
0,18 |
0,34 |
0,46 |
0,96 |
0,80 |
1,62 |
1,04 |
2,05 | ||
|
III |
0,18 |
0,34 |
0,35 |
0,75 |
0,59 |
1,20 |
0,80 |
1,57 | ||
|
IV |
0,14 |
0,26 |
0,32 |
0,69 |
0,56 |
1,14 |
0,78 |
1,54 | ||
|
|
I |
0,73 |
1,57 |
1,25 |
2,54 |
1,85 |
3,78 |
2,25 |
4,47 | |
|
II |
0,73 |
1,45 |
1,20 |
2,44 |
1,76 |
3,53 |
2,15 |
4,24 | ||
|
III |
0,73 |
1,45 |
1,02 |
2,12 |
1,41 |
2,85 |
1,76 |
3,46 | ||
|
IV |
0,67 |
1,32 |
0,98 |
2,02 |
1,35 |
2,76 |
1,71 |
3,40 | ||
|
ФНК |
|
I |
0 |
0 |
0,26 |
0 |
0,99 |
0,66 |
1,58 |
1,20 |
|
II |
0 |
0 |
0,13 |
0 |
0,93 |
0,54 |
1,44 |
1,03 | ||
|
III |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,33 |
0,05 | ||
|
IV |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,26 |
0 | ||
|
|
I |
0 |
0 |
0,65 |
0,35 |
1,69 |
1,32 |
2,47 |
2,10 | |
|
II |
0 |
0 |
0,51 |
0,11 |
1,60 |
1,21 |
2,27 |
1,87 | ||
|
III |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,78 |
0,53 | ||
|
IV |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,65 |
0,35 | ||
Результаты оценки продолжительности набора турбиной номинальной мощности при пуске из холодного состояния, ч
Таблица 9.4
|
Цилиндр турбины |
Лимитирующие узлы и коэффициенты концентрации | |||
|
Ротор |
ФНК | |||
|
|
|
|
| |
|
ЦВД |
2,47 |
4,15 |
3,42 |
4,97 |
|
ЦСД |
4,40 |
8,10 |
2,83 |
4,28 |
это время после
остановок указанной продолжительности
соответственно на 1,2; 1,53; 2 и 2,28 часа, т.е.
практически в 2 раза. После 72 часов
остывания дополнительное сокращение
времени набора турбиной номинальной
мощности может быть получено при условии,
что во ФНК ЦВД коэффициент концентрации
будет равен 1,5. Еще большего сокращения
продолжительности этого времени можно
достигнуть изоляцией опорных лап
(вариант III). В этом случае, при
в РСД и РВД и
во ФНК ЦВД и ЦСД время набора номинальной
нагрузки после остановок продолжительностью
12, 24, 48 и 72 часа соответственно равно
0,34; 0,75; 1,2 и 1,57 часа. Дальнейшего сокращения
указанных времен можно достичь за счет
реализации мероприятий по усилению
тепловой защиты патрубков трубопроводов
(вариант IV). В этом случае время набора
номинальной нагрузки турбиной после
остановок указанной продолжительности
будет соответственно равно: 0,26; 0,69; 1,14
и 1,54 часа.
Нулевые значения времени набора номинальной мощности, приведенные в табл. 9.3, означают, что в рассмотренных условиях при всех временах, напряжения в узле меньше ограничения.
Продолжительность
набора номинальной мощности при пусках
турбины из холодного состояния (t0=25°С;
табл. 9.4) определяется РСД в зоне паровпуска
при
значении
(в
этом случае время достижения номинальной
нагрузки равно 8,1 ч).
Снижение
коэффициента концентрации напряжений
в этом узле до уровня равного 3 позволяет
уменьшить
время достижения номинальной нагрузки
до 4,97 часа
(в этом случае лимитирующим узлом
является ФНК ЦВД при значении
).
В свою очередь обеспечение во фланцевом
соединении
позволяет сократить время набора
турбиной номинальной нагрузки до 4,4
часа (при значении коэффициента
концентрации напряжений в роторе равном
3).
Техническим заданием на проектирование модернизируемых турбин типа К-300-240 (несущих не только базовые, но и полупиковые нагрузки) предусмотрена следующая продолжительность пусков турбины из различных тепловых состояний (от толчка ротора до набора номинальной нагрузки):
– холодное состояние – 5 часов;
– неостывшее состояние (простой 36 … 48 часов) – 2,5 часа;
– неостывшее состояние (простой 15 … 36 часов) – 1,5 часа;
– горячее состояние (простой 6 … 10 часов) – 1 час.
Сопоставление указанных данных с результатами, приведенными в табл.9.4, показывает, что для обеспечения требований технического задания на маневренные характеристики турбины необходимо, чтобы коэффициенты концентрации напряжений во фланцевых соединениях наружных корпусов ЦВД и ЦСД не превышали уровня 1,5, а в РСД и РВД уровня 3. Если такой уровень коэффициентов концентрации напряжений обеспечить будет невозможно, тогда необходимо будет осуществить мероприятия по усилению тепловой защиты патрубков трубопроводов и опорных лап цилиндров.
В частности, на патрубки внешних корпусов можно поставить электронагревательные элементы (в виде спиралей переменного сопротивления), мощности которых легко подбираются по величине тепловых потоков, отводимых через патрубки в начальные моменты процесса. После завершения пускового режима электрообогрев отключается. Электрообогрев может быть поставлен и на лапах, если на них не удается нанести надежную изоляцию. В этом случае для предохранения корпусов опорных подшипников от недопустимого перегрева на лапах должна быть установлена усиленная экранная защита. Мощности электронагревателей здесь подбираются по такому же принципу, как и для патрубков.
От опорных лап и патрубков ЦВД и ЦСД турбин типа К-300-240 на первых этапах остывания отводится приблизительно 335 кДж/ч. Поэтому, для их электрообогрева необходима мощность около 95 кВт. Для электрообогрева только патрубков требуется всего лишь 25 кВт. Причем в процессе остывания турбины эти мощности должны уменьшаться, учитывая снижение температурного уровня деталей.
Поскольку при определении продолжительности времени набора турбиной номинальной нагрузки были использованы приближенные одномерные математические модели управления тепловым состоянием лимитирующих узлов, полученные результаты должны проверяться и уточняться последующими исследованиями и разработками на этапах технического и рабочего проектирования.
Тем не менее, и на вышерассмотренной стадии разработок одномерные модели позволяют выявить узлы, оказывающие решающее влияние на маневренные характеристики турбины, и рекомендовать мероприятия, обеспечивающие эти характеристики на должном уровне. Это может быть достигнуто путем уменьшения коэффициентов концентрации напряжений или полное устранение концентраторов напряжений в лимитирующих узлах за счет увеличения радиусов придисковых галтелей и закруглений в термокомпенсационных канавках роторов или полное устранение этих канавок; усиления тепловой защиты цилиндров, интенсификацией фланцевого обогрева и пр.
На завершающих стадиях проектирования целесообразно использовать двухмерные и, по возможности, трехмерные математические модели управления термонапряженным состоянием лимитирующих узлов. Таким узлом, например, в роторе будет диск первой ступени с прилежащими участками концевых и диафрагменных уплотнений, в наружном и внутреннем корпусах – фланец со стенкой (четверть поперечного сечения корпуса) и т.п. Полученные здесь результаты, помимо прочего, могут быть использованы также для коррекции и совершенствования одномерных математических моделей управления термонапряженным состоянием узлов, лимитирующих пуски.
В целом по результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. В настоящее время, в связи с отсутствием специализированных блоков, для покрытия полупиковых и даже пиковых нагрузок энергосистем регулярно стали использовать блоки СКД мощностью 300 МВт, созданные для несения только базовых нагрузок. Это, естественно, снижает экономичность и надежность их работы.
2. Поскольку на Украине в обозримой перспективе не предусматривается создание специализированных пиковых и полупиковых блоков, целесообразно в модернизируемых блоках с турбоустановками типа К-300-240 осуществить конструктивные и режимные изменения, позволяющие: наряду с несением регулярных базовых нагрузок, использовать их также в качестве пиковых и полупиковых блоков; работать с предельно малыми нагрузками, а также с остановками на ночь, на выходные и праздничные дни.
3. Для покрытия пиковых нагрузок наиболее надежным и экономичным представляется быстрый переход блока от работы при малых нагрузках (25-30%) на номинальную нагрузку (100%), осуществляемый благодаря регулированию скользящим давлением в котле, при котором на всем диапазоне нагрузок (от 25-30% до 100%) температура пара после первичного и вторичного перегрева выдерживается практически одинаковой (номинальной, максимальной).
4. При остановках, последующее время прогрева-нагружения энергоблоков в значительной мере будет зависеть от уровня предпускового температурного состояния всех систем энергоблока (трубопроводов, клапанов, отсеков турбин и др.), обусловленного процессами их остывания.
5. Результаты проведенных исследований процессов остывания цилиндров высокого и среднего давления турбины типа К-300-240 показали, что температурные поля деталей и узлов, возникающие в них при остановках различной продолжительности, в основном обусловлены отводом тепла в подшипниках роторов, с открытых участков наружных корпусов (опорные лапы, поверхность изоляции) и через патрубки к трубопроводам подвода и отвода пара.
6. Усиление тепловой защиты в указанных зонах (электрообогрев, экранирование и пр.) позволяет повысить температурный уровень деталей и существенно уменьшить неравномерности предпусковых температурных полей цилиндров, что, в конечном счете, приведет к созданию более благоприятных предпосылок для организации быстрых пусков турбины после остановок различной продолжительности.
7. Основным узлом, определяющим продолжительность пускового режима турбины, является участок ротора среднего давления в зоне паровпуска (диск 1-й ступени с прилежащими участками концевых и диафрагменных уплотнений, где в термокомпенсационных канавках и придисковых галтелях происходит значительная концентрация напряжений).
8. При выдерживании коэффициентов концентрации напряжений в термокомпенсационных канавках и придисковых галтелях на уровне, равном 3, время набора номинальной нагрузки при пуске турбины из горячего состояния можно довести до 0,4 ч, а из неостывшего (после 48-часового простоя) – до 1,8 ч; это на 0,6-0,7 ч меньше, чем предусмотрено у создаваемых в настоящее время базово-полупиковых блоков типа К-300-240.
9. Усиление тепловой
защиты лап и патрубков при остывании
турбины (экранирование, электрообогрев
и пр.) позволит исключить фланцевые
соединения наружных корпусов из числа
узлов, лимитирующих пуски, и дополнительно
сократить времена нагружения турбины
(при
в роторах) из горячего и неостывшего
состояния, соответственно, на 0,15 ч и
0,6 ч.
10. Полученные результаты исследований в значительной мере зависят от достоверности теплофизических и механико-прочностных характеристик материалов, из которых выполнены детали и узлы турбины. Пока все работы в этом направлении базируются на результатах исследований материалов более чем 50-летней давности, которые были использованы еще при создании турбин, уже давно отработавших свой запланированный ресурс. В этой связи, представляется целесообразным выполнение полномасштабных исследований по определению действительных прочностных характеристик материалов в условиях высоких температур на образцах взятых из деталей, которые в настоящее время находятся в эксплуатации.