Изучение проблем температурной и вибрационной надежности последних ступеней цилиндров низкого давления мощных паровых турбин на малорасходных режимах. Описание технологии повышения тепловой мощности турбоустановки, системы заградительного охлаждения.
При низкой оригинальности работы "Повышение надежности последних ступеней и экономичности режимов паровых турбин", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Повышение надежности последних ступеней и экономичности режимов паровых турбинРазработанные в последние годы специалистами предприятия маневренные СЗО, работающие от сбросного паропровода, общестанционного коллектора или теплофикационного отбора, показали при длительной эксплуатации на турбинах Т-250/300-240 Минской ТЭЦ-4 высокую надежность, безопасность и экономичность охлаждения последних ступеней ЦНД. СЗО предназначена для поддержания допустимого теплового состояния последних ступеней и выхлопных патрубков с одновременной защитой корневых сечений выходных кромок рабочих лопаток от эрозионных повреждений на малорасходных режимах, включая теплофикационные режимы с одно-или двухступенчатым подогревом сетевой воды и ограниченным до минимальной величины расходом пара через проточную часть низкого давления. В режимах с полностью закрытыми регулирующими диафрагмами СЗО позволяет также многократно снизить динамические напряжения в рабочих лопатках последних ступеней. СЗО реализована в виде закрученной в сторону вращения лопаток кольцевой сверхкритической струи охлаждающего пара, расположенной в корневой зоне непосредственно за рабочими лопатками последних ступеней (рис. По мере удаления от кольцевой решетки скорость пара в струе уменьшается и примерно в средней части лопаток приближается к их окружной скорости, что создает благоприятные условия для проникновения охлаждающего пара в межлопаточные каналы рабочего колеса и глубокого охлаждения проточной части последней ступени под действием обратного перепада давления на рабочих лопатках.В заключение следует отметить, что создание новых и оптимизация существующих систем охлаждения должны осуществляться не только с учетом температурного состояния проточной части, но и с контролем эрозионного процесса рабочих лопаток последних ступеней.
Введение
Решение проблемы температурной и вибрационной надежности последних ступеней цилиндров низкого давления (ЦНД) мощных паровых турбин на малорасходных режимах надежно обеспечивается внедрением высокоэффективных систем заградительного охлаждения (СЗО) ЦНД и совмещенных систем эксплуатационного температурного и диагностического контроля. Для теплофикационных турбин использование таких систем также позволяет дополнительно решить проблему экономичности в режимах с максимальной выработкой тепловой энергии.
Разработанные в последние годы специалистами предприятия маневренные СЗО, работающие от сбросного паропровода, общестанционного коллектора или теплофикационного отбора, показали при длительной эксплуатации на турбинах Т-250/300-240 Минской ТЭЦ-4 высокую надежность, безопасность и экономичность охлаждения последних ступеней ЦНД. Важная особенность данных охлаждающих систем заключается в том, что они создаются и внедряются комплексно с совмещенными системами оперативной диагностики и эксплуатационного температурного контроля лопаточного аппарата, что обеспечивает надежную работу оборудования и предотвращает аварийные ситуации. Для теплофикационных турбин этот комплекс дополняется новой разработкой - поворотными регулирующими диафрагмами высокой плотности. Модернизация эксплуатирующихся регулирующих диафрагм теплофикационных турбин позволит снизить протечки пара на теплофикационных режимах до 2-3 т/ч и совместно с заградительным охлаждением добиться высоких экономических показателей теплофикационных режимов во всем диапазоне эксплуатационных параметров. Ниже приводятся краткие сведения о некоторых из выполненных разработок.
Система заградительного охлаждения температурный вибрационный турбоустановка тепловой
СЗО предназначена для поддержания допустимого теплового состояния последних ступеней и выхлопных патрубков с одновременной защитой корневых сечений выходных кромок рабочих лопаток от эрозионных повреждений на малорасходных режимах, включая теплофикационные режимы с одно- или двухступенчатым подогревом сетевой воды и ограниченным до минимальной величины расходом пара через проточную часть низкого давления. В режимах с полностью закрытыми регулирующими диафрагмами СЗО позволяет также многократно снизить динамические напряжения в рабочих лопатках последних ступеней.
СЗО реализована в виде закрученной в сторону вращения лопаток кольцевой сверхкритической струи охлаждающего пара, расположенной в корневой зоне непосредственно за рабочими лопатками последних ступеней (рис. 1).
На начальном участке скорость пара в струе значительно превышает окружную скорость лопаток, что обеспечивает надежную пародинамическую защиту выходных кромок лопаток от взвешенной влаги, поступающей из конденсатора, а также содержащейся в кольцевой струе пара собственного охлаждающего конденсата.
По мере удаления от кольцевой решетки скорость пара в струе уменьшается и примерно в средней части лопаток приближается к их окружной скорости, что создает благоприятные условия для проникновения охлаждающего пара в межлопаточные каналы рабочего колеса и глубокого охлаждения проточной части последней ступени под действием обратного перепада давления на рабочих лопатках. При этом полностью исключаются эрозионные процессы на выходных кромках лопаток, поскольку высокая скорость пара в струе дробит впрыскиваемый в него конденсат на капли безопасной для эрозионного воздействия величины, а скорость соударения капель с металлом лопаток оказывается ниже пороговой.
В режимах пуска и холостого хода пар в СЗО подается из сбросного паропровода (от пускобросного устройства в конденсатор) или из общестанционного коллектора в зависимости от типа турбины, а в режимах комбинированной выработки тепловой и электрической энергии - из верхнего или нижнего теплофикационного отбора.
Процесс охлаждения ЦНД осуществляется по однопараметрическому алгоритму, согласно которому при постоянном расходе пара в кольцевой струе необходимый для поддержания регламентированного температурного уровня последних ступеней расход охлаждающего конденсата определяется и задается температурой пара перед рабочими лопатками. Это создает благоприятные условия для полной автоматизации управления системой охлаждения. При этом сохраняется возможность дистанционного управления СЗО с блочного щита или автономного пульта управления.
СЗО повышает надежность турбины за счет поддержания на всех режимах регламентированного температурного состояния выхлопных патрубков и последних ступеней ЦНД и уменьшения продолжительности режимов с высокими эрозионными нагрузками. Эффективность использования СЗО может быть существенно увеличена применением новой разработки - поворотных регулирующих диафрагм высокой плотности, управляемых алгоритмом с тремя последовательными диапазонами: первый - область активного регулирования расхода пара через ЦНД; второй - область повышенных вибрационных нагрузок рабочих лопаток; третий - положение полного закрытия. Разработанная конструкция регулирующих диафрагм по своим характеристикам не имеет аналогов среди известных конструкций регулирующих диафрагм с функциями запорного органа, исключает износ уплотняющих контактных поверхностей и обладает дополнительным качеством - влагоудалением, снижающим эрозию рабочих лопаток ЦНД на конденсационных и теплофикационных режимах с влажным паром в камере паро- впуска.
Реальный экономический результат внедрения СЗО подтвержден многолетней эксплуатацией трех турбин Т-250/300-240 Минской ТЭЦ-4, оснащенных в период ремонтных кампаний 2000-2003 гг. заградительным охлаждением.
При включении заградительного охлаждения тепловая мощность блока Т-250/300-240 увеличилась в среднем на 30 Гкал/ч (на 10%), что дает возможность легче проходить зимний максимум и обходиться без пиковых мощностей. Снижение удельного расхода топлива на отпуск электрической энергии составило до 200 г/КВТЧ, а на отпуск тепловой энергии - до 168,84 кг/Гкал.
Мероприятия по модернизации системы охлаждения позволили сэкономить до 5400 т у.т./год на одну турбину и отказаться от развития пиковых тепловых мощностей на ТЭЦ, увеличилась маневренность энергоблоков, повысилась надежность и экономичность работы турбин.
Срок окупаемости затрат на внедрение заградительного охлаждения по результатам эксплуатации составил два года, что позволяет рассматривать проведенную модернизацию турбин в качестве эффективного энергосберегающего мероприятия.
Затраты на создание мощностей по увеличению тепловой выработки в расчете на 1 Гкал, при внедрении СЗО паровых турбин, в десятки раз меньше, чем при строительстве новых тепловых мощностей энергоблоков.
На режимах пуска и холостого хода в проточной части низкого давления паровых турбин возникают обширные вихревые течения, которые создают зоны с высокой температурой, приводящие к короблению элементов ЦНД, разрушению стеллитовой защиты рабочих лопаток, повреждению демпферных связей и ухудшению вибрационного состояния турбоагрегата. Эти явления опасны при длительном холостом ходе в период проведения регламентных испытаний генератора и других видов наладочных работ. Аналогичная газодинамическая картина возникает при комбинированной выработке, когда для увеличения тепловой нагрузки снижают расход пара в ЦНД прикрытием регулирующих диафрагм до достижения разрешенного инструкцией температурного уровня в выхлопных патрубках.
Возможность применения заградительного охлаждения на турбинах различного типа показана на рис. 2. По скоростному параметру область целесообразного внедрения СЗО простирается от окружной скорости в корневой зоне до критической скорости в кольцевой струе пара, заштрихованной на рисунке.
Для определения конкурентоспособности заградительного охлаждения по сравнению с другими способами и средствами охлаждения ЦНД турбин в таблице приведены данные по девяти показателям восьми видов охлаждения. Эти данные наглядно демонстрируют очевидные преимущества заградительного охлаждения и подтверждают перспективность его широкого внедрения. Результаты сравнения позволяют доказательно сделать оптимальный выбор устройства при наличии проблемы температурного регламента ЦНД на малорасходных режимах.
Из результатов многолетних исследований очевидны следующие выводы: с точки зрения надежности лопаточного аппарата последних ступеней и экономической эффективности при комбинированной выработке работа ЦНД с закрытыми диафрагмами и включенной СЗО более предпочтительна, нежели с другими охлаждающими устройствами;
в отличие от штатных охлаждающих устройств заградительное охлаждение снижает или полностью устраняет эрозионные нагрузки на выходные кромки рабочих лопаток последних ступеней при малорасходных режимах ЦНД;
на режимах пуска и холостого хода СЗО эффективно охлаждает последние ступени, снижая в них температуру с 210-220 до 100-115 ОС, что невозможно достичь другими охлаждающими средствами.
Парковый ресурс турбин Т-250/300-240 по указанным показателям может быть увеличен до 300 тыс. ч, а число пусков до 900 при условии выполнения регулярного контроля за состоянием элементов проточной части низкого давления и соблюдением правил эксплуатации заградительного охлаждения.
Технология повышения тепловой мощности турбоустановки
Ниже представлена оценка целесообразности и возможности внедрения на турбинах Т-100/120-130-4 технологии эксплуатации турбин на теплофикационных режимах, обеспечивающей повышение тепловой мощности турбоустановки.
При существующей технологии эксплуатации турбин Т-100/120-130-2 на теплофикационных режимах повышение тепловой мощности турбоустановки ограничено, при прочих неизменных условиях, необходимостью пропуска части активного пара через проточную часть ЦНД для соблюдения температурного регламента, в первую очередь, последних ступеней. Среднее значение этого пропуска пара, устанавливаемое регулирующими диафрагмами, составляет от 17 до 30 т/ч.
Новая технология эксплуатации турбоустановки в режиме комбинированной выработки с максимальной тепловой нагрузкой включает следующие мероприятия: модернизация поворотных регулирующих диафрагм по методу высокой плотности;
установка на последних ступенях ЦНД разработанной системы эксплуатационного контроля температурного состояния последних ступеней, включающей регистрацию температуры перед и за последними рабочими лопатками;
установка СЗО на последних ступенях ЦНД, работающей на паре нижнего отопительного отбора;
на режимах с закрытыми регулирующими диафрагмами ЦНД давление в конденсаторе следует поддерживать на минимально достижимом уровне.
Мероприятия по модернизации регулирующих диафрагм, установке на ЦНД заградительного охлаждения и совмещенных систем контроля и диагностики выполняются в период капитального ремонта.
По технико-экономическим расчетам при модернизации системы охлаждения ЦНД, тепловая мощность турбоагрегатов (Т-100/120130-2; Т-110/120-130-4; Т-87-90 (ранее К- 100-90) и т.п.) может быть увеличена в среднем на 20 Гкал/ч, что особенно важно при прохождении зимних максимумов энергопотребления.
При оценке общей результативности следует принимать во внимание и другие положительные факторы: повышение надежности рабочих лопаток последних ступеней на теплофикационных режимах с полностью закрытыми диафрагмами, когда сверхкритическая кольцевая струя заградительного пара улучшает вибрационные показатели лопаточного аппарата, а устойчивое тепловое состояние ЦНД - общую вибрационную картину турбоагрегата.
В результате оснащение турбины Т-100/120130 системой заградительного охлаждения с совмещенными системами решает основные задачи.
При длительной работе в режиме комбинированной выработки с закрытыми регулирующими диафрагмами: повышение экономической эффективности турбоустановки за счет снижения расхода пара из нижнего теплофикационного отбора на охлаждение ЦНД до 3-5 т/ч;
повышение экономической эффективности турбоустановки за счет сокращения протечек пара через закрытые регулирующие диафрагмы по методу высокой плотности до 2-4 т/ч;
повышение надежности последних ступеней и ЦНД в целом;
защита сверхкритической кольцевой струей охлаждающего пара выходных кромок рабочих лопаток последних ступеней от эрозионного повреждения и увеличение срока их службы;
повышение надежности ЦНД оптимизацией режимов эксплуатации и предотвращение аварийных ситуаций применением системы оперативного контроля и диагностики состояния рабочих лопаток и демпферных связей последних ступеней в режиме валоповорота.
На режимах пуска и длительного холостого хода: повышение надежности за счет поддержания теплового состояния ЦНД в регламентированном диапазоне системой заградительного охлаждения во всем диапазоне пускового вакуума при отборе охлаждающего пара с расходом 3-5 т/ч из коллектора собственных нужд;
повышение надежности рабочих лопаток последних ступеней за счет предотвращения кольцевой струей пара эрозионных повреждений выходных кромок.
Окупаемость капитальных вложений при реализации данных мероприятий (учитывается только экономия топлива) составит два года.
Решение проблемы разрушения стеллитовой защиты рабочих лопаток турбоустановки
Проблема надежности стеллитовой защиты с использованием процессов напайки пластин на входные кромки рабочих лопаток последних ступеней турбин К-800-240-5 и К-300-240 показывает, что отрыв стеллитовых пластин связан с ползучестью пайки, возникающей при повышенных температурах. При температуре 150 ОС и выдержке в течение 200 ч при номинальной нагрузке в лопатке наблюдается снижение прочности паяного соединения, а при температуре 200 ОС уже через 100 ч выдержки под нагрузкой в припое начинают интенсивно развиваться трещины.
Установлено, что при давлении в конденсаторе в пределах до 0,08 кгс/см2 и температуре в выхлопном патрубке по штатным замерам 80100 ОС температура металла рабочих лопаток последних ступеней может достигать 200 ОС на входной кромке и 130 ОС на выходной кромке.
Данные эксплуатации и ремонтных кампаний, в частности, турбин К-800-240-5 предыдущего 15-летнего периода показывают, что проблема надежности лопаточного аппарата и ЦНД в целом, возникшая в связи с привлечением энергоблоков к выполнению переменной части графика нагрузок и ростом количества пусков и остановов, до настоящего времени остается актуальной.
В частности, по данным Пермской ГРЭС на 2008 г., только на одной турбине К-800-240-5 ежегодная утрата стеллитовых пластин достигает почти 100 шт.
Разрушение стеллитовой защиты ведет к сокращению срока службы рабочих лопаток в два- три раза, что при сегодняшней стоимости комплекта рабочих лопаток последних ступеней турбины равной почти 50 млн руб. приводит к крупным (даже без учета стоимости ремонтных работ) финансовым затратам, которые можно избежать при нормальной эксплуатации оборудования.
Представляется целесообразным решение этой проблемы одним из двух или двумя путями одновременно: усовершенствованием традиционной заводской технологии крепления стеллитовой защиты с заменой пайки на сварку по методу ЦКТИ, длительное время применяющемуся при ремонте рабочих лопаток различной длины, включая длину 960 мм;
переход от пассивного метода охлаждения лопаток последних ступеней обратными потоками к активному с использованием СЗО.
Вывод
В заключение следует отметить, что создание новых и оптимизация существующих систем охлаждения должны осуществляться не только с учетом температурного состояния проточной части, но и с контролем эрозионного процесса рабочих лопаток последних ступеней. Такая организация работ позволит принимать обоснованное решение о широком внедрении в эксплуатацию лучших средств и систем охлаждения.
Применение видеокомпьютерных средств оперативного контроля и диагностики состояния входной кромки и специальных электроннооптических устройств измерений микрорельефа и анализа износа выходной кромки, отработанных и используемых на электростанциях, в том числе на закрытом ЦНД, позволит уже через 1-1,5 года эксплуатации определять на ранних стадиях износа эффективность охлаждающих систем и оптимизировать условия их работы.
Список литературы
Перельман Р.Г., Пряхин В.В. Эрозия элементов паровых турбин. М.: Энергоатомиздат. 1986, 184 с.
Иванов С.Н., Хаимов В.А., Храбров П.В., Бакурадзе М.В., Воропаев Ю.А., Камнев В.И. Новая система охлаждения ЦНД турбины Т-250/300-240 // Теплоэнергетика. 1989. № 6. С. 64 -66.
Алексо А.И., Марков К.Я., Кудрявый В.В. Охлаждающие устройства ЦНД теплофикационных турбин // Теплоэнергетика. 1989. № 6. С. 67-71.
Жученко Л.А., Ермолаев В.В., Кортенко В.В. Вибрационные исследования рабочих колес части низкого давления турбин ОАО «Турбомоторный завод»//Теплоэнергетика. 2001. № 4. С. 62-67.
Хаимов В.А., Котляр О.Е., Мякас В.И., Гайдис И.И. Пароприемные устройства турбин К-300-240 ЛМЗ // Теплоэнергетика. 1994. № 3. С. 46-51.
Воропаев Ю.А., Хаимов В.А. О принципах оптимизации систем охлаждения ЦНД турбин Т-250/300-240 // Электрические станции. 1989. № 4. С. 83-86.
Хаимов В.А., Воропаев Ю.А., Лукин С.В. Встроенная система охлаждения ЦНД турбины Т-250/300-240 // Электрические станции. 1994. № 7. С. 32-36.
