Влияние отклонений параметров в процессе пуска на термонапряженное состояние оборудования ТЭС

Полный текст

Введение Действующий в настоящее время руководящий документ[5] определяет порядок организации работ по анализу качества пусков (остановов) основного энергетического оборудования с барабанными и прямоточными котлами, конденсационными и теплофикационными турбинами, установленными на ТЭС в России. Оценка качества проведения пусковых режимов теплоэнергетического оборудования производится на основании соответствия пусковых параметров графикам-заданиям, типовым инструкциям, режимной карте, критериям надежности и их предельным значениям. При точном следовании этим документам нестационарные температурные напряжения не превышают предельно допустимых значений. Однако при различного рода отклонениях, неизбежных на практике, эти напряжения могут изменяться, даже превышая в отдельных случаях допустимые значения [1-3]. При этом критерии разделяются на основные и дополнительные. К основным критериям относятся те, при превышении которых не предусматривается действие технологических защит, но при их несоблюдении запрещается выполнять пуск оборудования либо требуется разгрузка работающего оборудование вплоть до его останова, а также критерии, несоблюдение которых свидетельствует о нарушениях правил проведения пусковых операций, регламентированных инструкциями по эксплуатации. К дополнительным критериям отнесены такие, влияние которых на надежность оборудования определяется временем и величиной нарушений этих критериев, то есть носит скорее накопительный характер. Современный эксплуатационный оперативный контроль параметров, позволяющий избежать превышения допустимых значений критериев надежности, может быть осуществлен с применением информационно-вычислительного комплекса АСУ ТП, локальной подсистемы диагностического контроля оборудования, например с использованием электрической части системы регулирования (ЭЧСР) турбины и т. п. Для энергоблоков, где отсутствует такой контроль, документ предлагает ряд предельно допустимых отклонений параметров от значений, предлагаемых графиками-заданиями и типовыми инструкциями. Справедливость предложенного подхода и приведенных значений допустимых отклонений параметров, по которым производится оценка качества проведения пусковых операций, проверена на примере положений, изложенных в РД 153-34.0-20.585-00. Для современных блочных паровых турбин с двухстенной конструкцией корпусов и эффективной системой обогрева фланцев высокотемпературных цилиндров высокого и среднего давления (ЦВД и ЦСД соответственно) наиболее нагруженными элементами являются роторы высокого и среднего давления (РВД и РСД), нестационарные температурные напряжения в которых ограничивают скорость переходных режимов. Нестационарные температурные напряжения в корпусных деталях (блоках клапанов, внутреннем и наружных корпусах ЦВД и ЦСД) ниже, чем в роторах; к тому же они более инерционны к изменениям режима работы турбин. Одним из основных критериев обеспечения надежности роторов является резкий прогрев или захолаживание (за время менее 10 минут) металла паровпуска ЦВД, которые определяются по показаниям температуры пара в камере регулирующей ступени (для турбин с сопловым парораспределением). Допустимые отклонения температуры пара в камере регулирующей ступени на начальных этапах пуска ограничиваются значением, меньшим 70 °С. Предполагается, что только при таких отклонениях температуры обеспечивается допустимый уровень температурных напряжений. При значениях, больших или равных заданной, ставится оценка «неудовлетворительно» за проведение пуска. 1. Моделирование термонапряженного состояния ротора при отклонении температуры пара Для проверки данного положения проведены расчеты термонапряженного состояния ротора высокого давления турбины Т-125/150-7,7 при увеличенной на 100 °С по отношению к графику-заданию температуре пара перед первой ступенью на начальном этапе пуска из холодного состояния на протяжении более 60 минут и на этапе нагружения турбины в течение 10 минут. Расчет проводился при помощи программного комплекса ANSYS, позволяющего совместно решать краевые задачи теплопроводности и механики сплошной среды. Расчетная объемная осесимметричная конечноэлементная модель ротора высокого давления, учитывающая его конструктивные особенности и схему движения пара, представлена на рис. 1. Пар в ЦВД движется сначала в сторону переднего подшипника (левый поток), затем совершает поворот на 180° и направляется между корпусами в ступени правого потока. Поэтому в модели оставлены первая и последняя (восьмая) ступени перед поворотом потока и последняя ступень после поворота потока. Эти ступени определяют характер термонапряженного состояния ротора высокого давления. Первая, регулирующая, ступень при переменных режимах эксплуатации испытывает наибольшие напряжения в галтелях, как со стороны промежуточного уплотнения, так и со стороны проточной части. Турбина снабжена паровыми концевыми и промежуточными уплотнениями. Коэффициент концентрации тепловых канавок в уплотнениях рассчитывался в соответствии с РТМ 108.021.1093-85[6]. а б Рис. 1. Конечноэлементная модель ротора высокого давления турбины Т-150-7,4: а - общий вид модели; б - модель ротора в зоне регулирующей ступени Figure 1. Finite element model of the T-150-7.7 turbine high-pressure rotor: a - model view illustration; б - rotor model in the control stage zone Напряжение, МПа Stress, МР Частота вращения ротора, 1/с / Rotor speed, 1/sМощность паровой турбины / Power of steam turbineТемпература пара перед 1-й ступенью, принятая в расчете / The steam temperature before the 1st stage, taken into accountИнтенсивность напряжений по Мизесу, мин / Mises stress intensity, МРВремя, мин / Time, min а б Рис. 2. Результаты расчета термических напряжений в роторе высокого давления турбины Т-125/150-7,7 при пуске из холодного состояния с превышением температуры пара перед первой ступенью на 100 ⁰С: а - изменение значений интенсивности напряжений в галтели первой ступени со стороны промежуточного уплотнения; б - поле напряжений в галтелях первой ступени турбины Т-125/150-7,7 при пуске из холодного состояния Figure 2. The results of the thermal stress calculation in the turbine T-125/150-7,7 high-pressure rotor during cold start-up with an excess of steam temperature before the first stage by 100 ⁰C: a - change in the stress intensity values in the first stage fillet on the side of intermediate seal; б - the stress field in the turbine T-125/150-7,7 first stage during cold start-up Зонами максимальных напряжений при нагружении и разгружении являются галтели первой ступени и первый отсек промежуточного уплотнения. В расчетах учитывалось изменение температуры пара, протекающего через лабиринты уплотнений, за счет дросселирования и теплообмена с ротором при переменных режимах. Учет этого явления проводился по хорошо апробированной методике из [4]. Границы элементов выбраны таким образом, чтобы они совпадали с сечениями подвода или отвода пара, что позволяет учесть изменение температуры греющего пара (или воздуха). Задача механики решалась в условиях закрепления в осевом направлении левого торца ротора турбины, правый торец был свободен. Вал ротора высокого давления турбины, цельнокованый, изготовлен из стали 25Х1М1ФА (Р2МА). Теплофизические и механические свойства этой стали, принятые при расчете напряжений, заданы в соответствии с [5-7] линейно зависящими от температуры. К числу критических с точки зрения малоцикловой усталостной прочности элементов относится также поверхность центрального осевого канала, где велико влияние ползучести на номинальном режиме эксплуатации. Как показали проведенные расчеты, при повышении температуры пара перед первой ступенью во время пуска из холодного состояния максимальные по абсолютной величине значения интенсивности напряжений возникают в галтели регулирующей ступени со стороны промежуточного уплотнения. Их величина составляет σi = 475 МПа. Результаты расчета представлены на рис. 2. 2. Расчет циклической прочности ротора Расчет циклической прочности показал, что этим напряжениям соответствует 21 300 допускаемых циклов по теоретической кривой малоцикловой усталости. Согласно СТО 70238424.27.100.016-20093,[7] оборудование парогазовых установок (ПГУ) (кроме газотурбинных установок, ГТУ) должно быть рассчитано на не менее чем 10 000 пусков-прерываний за весь срок службы. При этом количество пусков из холодного состояния должно составлять не менее 20 % от общего количества пусков. Полученное значение допускаемого числа пусков из холодного состояния с превышением на 100 °С температуры перед первой ступенью отвечает этим требованиям, и такое превышение параметров относительно графика-задания не подлежит оценке. Отклонение температуры пара в 100 °С в течение 10 минут перед первой ступенью на этапе нагружения турбины, когда ротор уже достаточно прогрет привело к возникновению в галтели первой ступени напряжений, интенсивность которых равна 391,5 МПа. Допускаемое число таких режимов, как показали расчеты циклической прочности, составляет 22 200. Как и в предыдущем случае, такое превышение параметров по отношению к графику-заданию не подлежит оценке. Что касается котлоагрегата, то был рассмотрен резкий прогрев или захолаживание на 100 °С и более температуры металла выходных коллекторов ВД. Число таких нарушений критерия пуска более 15 раз оценивается как неудовлетворительное. Рассматривался выходной коллектор пароперегревателя высокого давления типоразмером 426×34 мм, широко применяемый в ПГУ-450, работающий при начальной температуре металла 50 °С, температуре пара 400 °С, которая поддерживается неизменной на протяжении двух минут, затем скачком температура пара повышается до 500 °С и поддерживается неизменной в течение 10 минут. Далее скачком температура пара понижается до исходного значения 400 °С. В первом варианте расчета при начальном расходе пара 20 кг/с и давлении 3,5 МПа коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по формуле теплоотдачи при турбулентном течении пара [8] , (1) где - критерий Нуссельта , где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2∙К); - характерный размер, в данном случае внутренний диаметр, м; - коэффициент теплопроводности Вт/(м∙К); Re - критерий Рейнольдса; , где w - характерная скорость, м/с; ν - кинематическая вязкость среды, м2/с; d - гидравлический диаметр, м; Pr - критерий Прандтля, составивший α = 500-506 Вт/(м2∙К). Максимальное значение амплитуды интенсивности напряжений при этом равно 167 МПа. Допустимое число таких режимов составляет 10 960, и данный режим не должен подлежать оценке. Результаты расчета представлены на рис. 3 в виде зависимости от времени амплитуды интенсивности напряжений на внутренней поверхности коллектора, температур пара и металла. Даже если принять значение коэффициента теплоотдачи α = 1000 Вт/(м2∙К), то расчет циклической прочности показал, что допустимое количество таких скачкообразных изменений температуры пара на начальных этапах пуска составляет 3354, что отвечает требованиям к маневренности парогазовых установок и не должно подлежать оценке. Если рассмотреть график-задание пуска ПГУ-450 из холодного состояния (рис. 4) и принять, что скачкообразный подъем температуры происходит в процессе пуска в интервале от 450 до 490 °С с последующей выдержкой при этой температуре в течение 10 минут и скачкообразным снижением температуры до исходного значения 450 °С, а также что начальная температура металла составила 440 °С, рассчитанный коэффициент теплоотдачи равен α = 1010 Вт/(м2∙К), что соответствует расходу пара, равному 0,7 от номинального значения G = 65 кг/с, давлению - р = 5,39 МПа, то максимальное значение амплитуды интенсивности напряжений - 35,7 МПа. Число таких режимов не ограничено и оценке подлежать не должно. Температура пара, °С / The steam temperature, °СТемпература металла, °С / Metal temperature, °СВремя, с / Time, sАмплитуда интенсивности напряжений, МПа / Amplitude of stress intensity, МРaТемпература, °С / Temperature, °СНапряжение, МПа / Stress, МР Рис. 3. Результаты расчета термонапряженного состояния выходного коллектора пароперегревателя ВД типоразмера 426×34 со скачкообразным повышением температуры Figure 3. The results of the HP superheater output header of size 426×34 thermal stressed state calculation with a temperature spike Рис. 4. График-задание пуска ПГУ-450 из холодного состояния: 1 - частота вращения ротора ГТ, 1/мин; 2 - температура газов за ГТУ, °С; 3 - температура свежего пара, °С; 4 -мощность ГТУ, МВт; 5 - мощность ПТ, МВт; 6 - индикатор положения БРОУ; 7 - давление свежего пара, кГ/см2; 8 - частота вращения ротора ПТ, 1/мин Figure 4. CCPP-450 cold start-up schedule: 1 - GT rotor speed, 1/min; 2 - gas temperature of gas turbine downstream, °С; 3 - live steam temperature, °С; 4 - gas turbine power, MW; 5 - steam turbine power, MW; 6 - bypass station position indicator; 7 - live steam pressure, kg/cm2; 8 - steam turbine rotor speed, 1/min Заключение Подводя итог всему, можно сделать следующие выводы: 1. Оценка качества проведения пусковых режимов должна проводиться на основе расчета циклической прочности критических элементов энергоустановки. Выставление оценок по превышению значений контрольных параметров без учета конкретного времени возникновения этого превышения по отношению к графику-заданию, температурного состояния рассматриваемого элемента, расхода пара и т. д. не позволяет судить о выполнении критериев надежности. 2. Наиболее точная оценка качества проведения режима может быть получена посредством мониторинга работы турбины и котлоагрегата и автоматического управления работой энергоустановки по термонапряженному состоянию ее критических элементов. Это позволит не только контролировать соблюдение критериев надежности, но и не допустить их превышения.

Об авторах

Юрий Анатольевич Радин

ПАО «Мосэнерго»; Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: RadinYA@mosenergo.ru
ORCID iD: 0009-0008-5895-5578
SPIN-код: 7058-4682
Scopus Author ID: 6602835955

доктор технических наук, главный специалист службы вибродиагностики и наладки, Инженерное управление, ПАО «Мосэнерго», ; заведующий кафедрой энергетического машиностроения, инженерная академия, Российский университет дружбы народов

Российская Федерация, 119526, Москва, пр-кт Вернадского, д. 101, корп. 3; Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Татьяна Савельевна Конторович

ПАО «Мосэнерго»

Email: kontorovich_ts@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-0084-2674
SPIN-код: 4894-0720
Scopus Author ID: 6505938504

кандидат технических наук, ведущий специалист, Инженерное управление

Российская Федерация, 119526, Москва, пр-кт Вернадского, д. 101, корп. 3

Виктория Умедовна Мнацаканян

Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»

Email: artvik@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-9276-7599
SPIN-код: 8693-8313
Scopus Author ID: 6603501339

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры горного оборудования, транспорта и машиностроения

Российская Федерация, 119049, Москва, Ленинский пр-кт, д. 4, стр. 1

Список литературы