Огурцов А.П. Паровые турбины ЛМЗ сверхкритических параметров

Подождите немного. Документ загружается.

нение, сборных (с насадными дисками) роторов в ЦНД кроме обеспе-

чения высокой технологичности и низкой себестоимости их изготовле-

ния по сравнению с цельноковаными роторами дает возможность заме-

ны не только поврежденных лопаток, но и отдельных поврежденных

дисков ротора. Принцип ремонтопригодности оказывает влияние на

выбор размеров и конструкцию отдельных элементов многих узлов,

например диаметра штифтов (заклепок), которые крепят замковые ло-

патки или лопатки с вильчатым хвостовиком на диске ротора.

Важным принципом при создании паровых турбин является

обеспечение высокой технологичности конструкций при изготовлении.

Этому принципу ЛМЗ неуклонно следует при создании паровых тур-

бин, обеспечивая, таким образом, снижение трудоемкости и себестои-

мости их изготовления, высокий уровень качества изготавливаемых

турбин. Наряду с использованием типовых и унифицированных конст-

рукций с хорошо отработанной и проверенной практикой технологией,

инструментом, оснасткой и приспособлениями, конструкция многих

деталей и узлов разрабатывается вновь или совершенствуется приме-

нительно к новым прогрессивным технологическим методам и обору-

дованию.

Важнейшим принципом создания паровых турбин ЛМЗ является

тщательная расчетная, конструкторская и опытно-экспериментальная

отработка деталей и узлов, обеспечивающая высокую надежность и

экономичность паровых турбин ЛМЗ и турбоустановок с этими турби-

нами (табл. 1.4.), соответствие их по технико-экономическим показате-

лям высшему мировому техническому уровню. При проектировании

паровых турбин ЛМЗ широко используют современные методы расчета

на ЭВМ термодинамических параметров турбин и турбоустановок, га-

зодинамических характеристик потока пара в проточных частях тур-

бин, полей температур и напряжений в деталях турбин, как с учетом

упругих деформаций, так и с учетом ползучести материала деталей,

работающих в зоне высоких температур. С использованием ЭВМ опре-

деляются вибрационные характеристики рабочих лопаток, облопачен-

ных дисков, валопроводов турбины, при этом учитывается влияние раз-

личных факторов, таких, например, как упругость закрепления лопаток

на диске или податливость опор роторов. С использованием ЭВМ про-

изводится расчет статических и динамических характеристик системы

автоматического регулирования, а также расчет многих других деталей

и узлов.

Наиболее важные и ответственные узлы и детали проходят экс-

периментальную проверку на модельных и натурных установках и

стендах в лабораториях ЛМЗ и других организаций, прежде чем они

будут запущены в производство для новых турбин.

Таблица 1.4. Удельный расход теплоты турбоустановок СКД ЛМЗ при

гарантийных условиях, кДж/кВт*ч (ккал/кВт*ч)

Мощность турбины, %

Турбины

100 75 50

К-300-240-3

К-500-240-4

К-800-240-5

7710 (1840)

7626 (1820)

7647 (1825)

7919 (1890)

7823 (1867)

7835 (1870)

8233 (1965)

8149 (1945)

8107 (1935)

Необходимость решения широкого круга разноплановых вопро-

сов и задач в процессе создания паровых турбин требует привлечения

специалистов самого разного профиля и, как показывает опыт, не толь-

ко отечественных, но и ведущих зарубежных турбиностроительных

фирм, так как это не осуществимо силами только одного предприятия,

одной фирмы. Учитывая это, ЛМЗ при создании паровых турбин твер-

до придерживается принципа тесного творческого научно-техничес-

кого сотрудничества со многими предприятиями, проектными и науч-

но-исследовательскими организациями и институтами.

Характеристика последних ступеней ЦНД мощных турбин ЛМЗ.

Длина рабочей части, мм 960 960 1000 1200

Средний диаметр, мм

Торцевая площадь, м

Материал

Масса лопатки с хвостови-

ком, кг

Максимальная окружная

скорость, м/с

2480

7,48

Сталь

11,6

540

2480

7, 48

Титано-

вый сплав

6,9

540

2800

8,8

Сталь

21,6

597

3000

11,3

Сталь

16,51

660

2. ТЕПЛОВЫЕ СХЕМЫ

ТУРБОУСТАНОВОК.

2.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ.

Эксплуатация энергоблоков СКД с одним промперегревом в те-

чение почти 30 лет позволяет всесторонне оценить эффективность этой

ступени параметров. Повышение экономичности такого энергоблока,

по сравнению с энергоблоком с начальным давлением

12,7 МПа обеспечивает значительную экономию топлива. Только энер-

гоблоки мощностью 300 МВт (первые по времени их ввода в эксплуа-

тацию и наиболее многочисленные в энергосистемах СССР) за время

эксплуатации позволили сэкономить более 40 млн.т. условного топли-

ва.

Решение о переходе к сверхкритическому давлению 23,5 МПа,

минуя этап докритического давления 17-18 МПа, было принято вопре-

ки преимущественным тенденциям в мировом энергомашиностроении

того времени. Если бы повышение давления ограничилось уровнем 17

МПа, экономия топлива была бы существенно меньшей. Опыт показы-

вает, что несмотря на увеличенные затраты и сроки освоения головных

образцов повышенная экономичность серийных энергоблоков, которые

эксплуатируются около 30 лег, многократно окупает материальные за-

траты периода освоения новых параметров пара.

Параметры энергоблоков СКД (23,5 МПа, 540/540 С) стабилизи-

ровались и практически не изменяются уже и течение почти тридцати

лет.

При современном уровне металлургии возможности повышения

экономичности энергоблоков на органическом топливе за счет повы-

шения параметров пара весьма ограничены. В этих условиях ценность

оптимизации тепловых схем, направленной на повышение экономич-

ности, возрастает.

Приоритет показателей турбоустановки (экономичности, на-

дежности, маневренности, стоимостных) не однозначен и зависит от

назначения проектируемой турбоустановки, но при современном поло-

жении в области топливно-энергетических ресурсов экономичность

рассматривается как один из важных показателей. Учитывая вышеска-

занное, объединение подходит к разработке тепловых схем турбоуста-

новок как к одной из главных составляющих процесса проектирования,

определяющих высокую экономичность и надежность работы турбо-

установки.

В тепловую схему включаются собственно турбина с конден-

сатором, регенеративные подогреватели, питательные насосы с турбо-

приводами, конденсатные насосы, турбоприводы, т. е. все то, что по-

зволяет обеспечить непрерывный цикл работы турбоустановки.

Расчетную тепловую схему турбоустановки принято называть

принципиальной тепловой схемой, в отличие от развернутой тепловой

схемы всех паро- и конденсатопроводов, управляющей и защитной ар-

матуры.

На рисунке 2.1. представлена принципиальная тепловая схема

серии одновальных турбин СКД мощностью

800 МВт, разработанная на базе результатов «оптимизационных» рас-

четов.

Рис. 2.1. Структурная тепловая схема турбоустановки К-800-240.

2.2. ТЕПЛОВЫЕ СХЕМЫ ТУРБОУСТАНОВОК.

Турбоустановка с турбиной К-800-240-5. В тепловой схеме турбо-

установки с турбиной К-800-240-5 предусмотрена восьмиступенчатая

система подогрева питательной воды, которая состоит из сальниковых

подогревателей, четырех ПНД, деаэратора, трех ПВД (в две нитки) и

насосов.

В сальниковом подогревателе СП, типа ПС-220-1 (ПСП-1) для

нагрева основного конденсата используется теплота паровоздушной

смеси, поступающей из каминных камер лабиринтовых уплотнений

турбины. Подогреватели низкого давления ПНД-1 и ПНД-2—

смешивающего типа, вертикальные, выполнены по схеме с перекачи-

вающими насосами. Это позволило расположить оба аппарата под от-

меткой обслуживания турбины. Основной конденсат от КЭН-1 после

СП-1 поступает в ПНД-1 и откачивается из него в ПНД-2 конденсат-

ными насосами 2-й ступени. Из ПНД-2 конденсат откачивается насо-

сами 3-й ступени (КЭН-3) и подается через подогреватели ПНД-З и

ПНД-4 в деаэратор.

На участке тракта основного конденсата между ПНД-1 и ПНД-2

установлен поверхностный вертикальный сальниковый подогреватель

СП-2, предназначенный для охлаждения и конденсации пара, отводи-

мого из промежуточных камер концевых уплотнений ЦВД турбины.

Для предотвращения поступления конденсата или пароводяной

среды из подогревателей ПНД-1 и ПНД-2 в турбину (обратным ходом)

подогреватели оборудованы переливами в конденсатор (через гидроза-

творы), встроенными обратными клапанами и электрическими защита-

ми по повышению уровня конденсата в подогревателях. Применение

смешивающих ПНД позволяет обеспечить стабильный подогрев до

температуры насыщения в аппарате на всех нагрузках, и, как показыва-

ет опыт эксплуатации и результаты испытаний, это стабилизирует ра-

боту поверхностных подогревателей ПНД-З и ПНД-4 за счет исключе-

ния их перегрузок в работе, существенно повышает надежность их

работы.

Подогреватели низкого давления ПНД-З и ПНД-4—

поверхностного типа, камерные, вертикальные, имеют сварную конст-

рукцию, состоящую из водяной камеры, корпуса и трубной системы из

U-образных трубок, выполнены со встроенными охладителями пара.

Подогреватель ПНД-З имеет встроенный охладитель конденсата грею-

щего пара. Слив конденсата греющего пара выполнен каскадно.

Две группы ПВД, состоящих каждая из трех ПВД, включенных

последовательно по питательной воде, рассчитаны для нагрева пита-

тельной воды в количестве 105% максимального расхода пара на тур-

бину.

Подогреватели высокого давления—коллекторного типа. По-

верхность нагрева выполнена в виде плоских одноплоскостных спира-

лей из стальных трубок, привариваемых к раздающим и собирающим

коллекторам. В каждом аппарате имеются выделенные зоны охлажде-

ния пара, конденсации и охлаждения конденсата греющего чара. В

ПВД-6 установлен охладитель пара, охлаждающей водой которого

является питательная вода, отводимая после подогревателя ПВД-8.

Слив конденсата греющего пара из подогревателей—каскадный.

Из ПВД-6 конденсат отводится в деаэратор: при снижении нагрузки

предусматривается автоматическое переключение слива конденсата из

ПВД-6 в конденсатор, а из ПВД-7—в деаэратор.

Поддержание уровня конденсата греющего пара осуществляется

автоматическими электронными регуляторами. Группа ПВД оборудо-

вана групповым защитным устройством, которое ее отключает по пита-

тельной воде путем закрытия впускного клапана и перепуска воды по-

мимо ПВД.

Параметры отборов пара из турбины на подогреватели системы

регенерации при номинальном режиме работы даны в табл. 2. 1.

Таблица 2.1. Параметры пара в отборах при номинальном

режиме работы турбоустановок.

Потребитель пара

Давление, МПа Температура, С

Расход пара, т/ч

К-300-240-3

ПВД-8

ПВД-7

ПВД-6

Турбопривод

Деаэратор

ПНД-4

ПНД-З

ПНД-2

ПНД-1

6,25

4,00

1,56

1,03

0,50

0,23

0,085

0,015

349

293

422

366

276

230

114

64,9

95,1

37,2+1,6

108

14,4

37,9

23,6+6

45,6+0,8

26,5

К-500-240-4

ПВД-8

ПВД-7

ПВД-6

Турбопривод

Деаэратор

ПНД-4

ПНД-3

ПНД-2

ПНД-1

6,13

4,20

1,87

1,19

0,47

0,26

0,107

0,019

346

287

446

383

267

203

122

58,5

101,7

157,6

88,5

97,7

19 +13,7

60,4

73,8

50,6

К-800-240-5

ПВД-8

ПВД-7

ПВД-6

Турбопривод

Деаэратор

ПНД-4

ПНД-3

ПНД-2

ПНД-1

6,05

3,78

1,64

1,08

0,59

0,28

0,114

0,020

343

286

422

385

311

231

147

175

211

107

127

5+15,2

87,6

118,3

87,6

Турбоустановка с турбиной К-500-240-4. Тепловая схема аналогич-

на схеме турбоустановки К-800-240-5, но ПВД выполнены в одну нитку

и поэтому несколько перегружены. Как следствие, исключен охлади-

тель пара в ПВД-7 в целях увеличения поверхности зоны конденсации.

Подогреватели низкого давления ПНД-1 и

ПНД-2 однотипны, ПНД-З и ПНД-4 имеют уменьшенную поверхность

по сравнению с турбоустановкой 800 МВт. Турбоприводы питательных

насосов унифицированы, но при меньшей их мощности в установке 500

МВт подключение производится к четвертому отбору (в установке 800

МВт - к третьему отбору), что повышает КПД собственно турбоприво-

да и цикла турбоустановки.

Турбоустановка с турбиной К-300-240-3. По сравнению с установ-

ками 800 МВт схема имеет следующие отличия:

подогреватель ПНД-1 выполнен поверхностным, для того чтобы

исключить одну ступень конденсатных насосов (в турбине относитель-

но меньшей мощности это более обоснованно, чем установка дополни-

тельных насосов с резервированием);

привод питательного насоса—турбина с противодавлением;

с достаточными основаниями считается, что в турбине мощностью 300

МВт, тем более на сверхкритическое давление, турбинный привод пи-

тательных насосов более предпочтителен, чем электрический. При от-

носительно небольшой мощности (примерно 10 МВт при номинальном

режиме) КПД конденсационного турбопривода был бы значительно

ниже противодавленческого, а конструкция намного сложнее.

При противодавленческом турбоприводе необходима установка

пускорезервных насосов, но исключается конденсатор приводной тур-

бины.

2.3. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ТЕПЛОВЫХ СХЕМ МОЩНЫХ

ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Как видно из вышесказанного, принципиальные схемы ряда тур-

бин СКД одинаковы: ЗПВД+Д+4ПНД. Достаточно близки и внутрен-

ние схемы подогревателей. Косвенным признаком оптимальности схем

установок СКД объединения является их близость или совпадение со

схемами отечественных заводов (ХТЗ) или зарубежных фирм; если

число ступеней подогрева в зарубежных схемах меньше на одну, то это

для турбин с докритическим давлением.

В последнее время выдвигаются предложения по упрощению те-

пловых схем в целях снижения металлоемкости. Но уменьшение числа

ступеней регенеративного подогрева не уменьшает суммарную поверх-

ность теплообменников. Хотя число аппаратов может быть уменьшено,

но при фиксированном подогреве питательной воды масса металла те-

плообменников и общие затраты на реализацию сокращенной и разви-

той систем регенерации отличаются незначительно, а экономичность

снижается.

В установках большой мощности усложняется выполнение реге-

неративных подогревателей больших габаритов и обеспечение их на-

дежности в эксплуатации. Поэтому может стать неизбежным выполне-

ние теплообменника одной ступени подогрева в нескольких корпусах.

В таких случаях рациональной может оказаться организация двух сту-

пеней подогрева с использованием того же количества корпусов.

В турбинах большой мощности возможности развития схемы ре-

генерации и выполнения необходимого числа отборов ограничены. Ве-

личина отборов и, следовательно, размеры патрубков и трубопроводов

возрастают примерно пропорционально мощности, тогда как размеры

корпусов цилиндров турбины меняются относительно мало. Это за-

трудняет вывод отборов пара, и, для того чтобы не уменьшать число

ступеней подогрева и не снижать экономичность, в турбине мощно-

стью 1200 МВт, пришлось чередовать отборы из цилиндров низкого

давления.

Отказ от какого-либо отбора в установках связан с заметной по-

терей экономичности и должен быть обоснован.

В каждой ступени подогрева питательная вода подогревается

примерно на 30, в ПНД-2 на 40, в ПВД-7 примерно на 50 С. Относи-

тельно меньший подогрев, примерно на 20 С, в ПНД-1. По-видимому,

именно это вызвало отдельные предложения исключить подогреватель

ПНД-1 из схемы. Тем не менее, его включение целесообразно по ряду

соображений. При наличии этого отбора обеспечивается удаление час-

ти крупнодисперсной влаги перед последней ступенью. Наблюдения за

состоянием последних ступеней турбины К-300-240 не показали суще-

ственного различия в эрозионном износе последней ступени потока

низкого давления в ЦНД, перед которой нет отбора на ПНД-1 и по-

следними ступенями ЦНД, перед которыми отбор производится. Но

отбор улучшает структуру потока перед решеткой диафрагмы послед-

ней ступени на участке наибольшего меридионального раскрытия про-

точной части и уже поэтому оправдан. Кроме того, при отказе от ПНД-

1 в 1,5—2 раза (в зависимости от температуры охлаждающей воды)

потребовалось бы увеличить отбор на ПНД-2—наиболее нагруженный

отбор. Параметры отбора на ПНД-2 соответствуют первой ступени по-

догрева сетевой воды и другим схемам отборов для различных целей, и

перегрузка его нежелательна или недопустима по условиям обеспече-

ния надежности рабочих лопаток.

Из восьми ступеней подогрева установок СКД параметры вклю-

чения части подогревателей в схеме определяются общими требова-

ниями к турбоустановке, конструкцией котла и турбины. Так, напри-

мер, параметры первого отбора на ПВД-8 определяются заданием тем-

пературы питательной воды, подаваемой в котел; для

ПВД-7—требуемым давлением промежуточного перегрева в котле,

ПНД-З—естественным» включением отбора на перепуске пара из ЦСД

в ЦНД; отбор на деаэратор характеризуется заданием давления в нем;

отборы на ПНД-1 и ПНД-2 обоснованы выше.

Таким образом, упрощение схемы могло бы быть осуществлено

только за счет исключения ПВД-6 и ПНД-4. Совместная эффективность

этих двух ступеней подогрева составляет 0,75% (55 кДж/(кВт-ч)) от

удельного расхода теплоты турбоустановки, и примерно одинакова для

каждой отдельной ступени: 0,4% (30 кДж/(кВт-ч)) для ПНД-4; 0, 45%

(35 кДж/(кВт-ч)) для ПВД-6.

Эффективность ПВД-6 определяется еще и тем, что он оборудо-

ван усовершенствованной схемой использования теплоты перегрева

пара отбора, а ПНД-4 вытесняет отбор на деаэратор с повышенным

дросселированием пара.

Приведенные данные характеризуют эффективность регене-

ративных подогревателей и могут использоваться для оценки потерь

при выходе из строя аппарата. Тем не менее, известны рекомендации

ряда исследовательских работ по сокращению числа подогревателей,

например, до шести или семи при низких ценах топлива. Представляет-

ся, что это результат упрощенного рассмотрения условных схем, хотя и

в этих работах нет явных выводов в пользу упрощенных схем.

Таким образом, структурная схема турбоустановок СКД, исходя

из современных представлений, является наиболее оптимальной. При

одинаковой структуре схемы установок отличаются внутренней схемой

регенеративных подогревателей, которая за время выпуска турбин СКД

подверглась некоторым видоизменениям. Наиболее существенными

являются переход к смешивающим подогревателям в зоне вакуумных

отборов. Упрощены схемы использования теплоты перегрева пара от-

бора, различные в турбинах ЛМЗ и ХТЗ, деаэратор с постоянным дав-

лением переведен на многих электростанциях в режим работы при

скользящем давлении, проработаны и находятся в опытной эксплуата-

ции бездеаэраторные схемы.

Охладители конденсата отборного пара предусмотрены в каж-

дом ПВД, но эффективен по существу только охладитель в ПВД-7. При

расчетных разностях температур ввод его в схему повышает экономич-

ность на 0,25% (19 кДж/(кВт-ч)), тогда как охладители всех ПВД дают

прирост экономичности лишь несколько более 0,3%

(22 кДж/(кВт-ч)). Охлаждение конденсата отбора необходимо для ус-

тойчивой работы регуляторов уровня подогревателей, но для ПВД-8 и

ПВД-6 возможно перераспределение поверхностей между зонами теп-

лообмена.

Целесообразно развить поверхность зоны конденсации за счет

зоны охлаждения конденсата, уменьшив тем самым недогрев питатель-

ной воды до температуры насыщения в ПВД-8, наиболее влияющей на

удельный расход теплоты турбоустановки.

2.4. ПРЕИМУЩЕСТВА СТУПЕНЧАТОЙ

КОНДЕНСАЦИИ.

Из новых схемных решений, используемых в последние годы,

следует выделить секционирование конденсационных устройств в тур-

боустановках СКД мощностью 500, и 800 МВт. При незначительных

затратах и усложнении конструкции конденсатора заметно повышается

экономичность установок. При последовательном пропуске охлаж-

дающей воды секции с разным давлением образуются корпусами кон-

денсационного устройства при поперечном расположении конденсато-

ров или водяными камерами в продольно расположенном конденсато-

ре. Единственным конструктивным усложнением является устройство

для перелива конденсата отработавшего пара из «холодной» секции

(первой по ходу охлаждающей воды) в «горячую».

Разделение конденсатора на секции (в пределе по числу выхло-

пов) обеспечивает повышение экономичности, которое определяется, в

частности, подогревом всего конденсата отработавшего пара до темпе-

ратуры конденсата в секции с наибольшим давлением и соответствую-

щим вытеснением части отбора пара в подогреватель

ПНД-1.

На этот положительный при всех условиях эффект накладывает-

ся влияние последней ступени, в зависимости от характеристик кото-

рой эффект ступенчатой конденсации может увеличиваться или

уменьшаться. Например, в двухступенчатом конденсаторе давление в

первой секции ниже, а во второй выше давления в не секционирован-

ном конденсаторе. Поэтому средний (точнее, средневзвешенный, так

как расходы пара потоков ЧНД и через последние ступени в общем

случае могут быть не одинаковыми) КПД может оказаться выше или

ниже КПД последних ступеней турбины с не секционированным кон-

денсатором. Все эти составляющие достаточно точно учитываются де-

тальным расчетом. Тепловые потоки и их баланс рассчитываются с

высокой точностью на ЭВМ, а КПД последней ступени с рабочей ло-

паткой длиной 960 мм достоверен со степенью точности многочислен-

ных к настоящему времени модельных и натурных исследований.

Рис. 2.2. Выигрыш в мощности турбоаг-

регата при многоступенчатой конденса-

ции, по сравнению с одноступенчатой, в

зависимости от температуры охлаж-

дающей воды и кратности охлаждения.

1-конденсатор разделен на две секции

2-конденсатор разделен на три секции

сплошная линия – m=50, штриховая –

m=40