Огурцов А.П. Паровые турбины ЛМЗ сверхкритических параметров

Подождите немного. Документ загружается.

Рисунок 13.1. Стационарное

температурное поле узла паро-

впуска ЦВД турбины К-300-

240 ЛМЗ при номинальной

нагрузке:

1—пароподводящий патрубок;

2—переходный патрубок;

3—наружный корпус.

В настоящее время для решения задач о тепловом и напряженно-

деформированном состоянии элементов энергооборудования при пере-

менном воздействии рабочих сред разработаны совместно ПО ЛМЗ,

НПО ЦКТИ, КИСИ, ИСЭП АН СССР методика и реализующий ее

единый комплекс программ и средств для детальных расчетов про-

странственных физических полей в конструктивных элементах слож-

ной формы при произвольных краевых условиях и с учетом физической

нелинейности.

На основе многочисленных температурных испытаний паровых

турбин в условиях эксплуатации получен обширный фактический ма-

териал по граничным условиям, позволяющий решить задачу тепло-

проводности в строгой математической постановке с большой степе-

нью точности.

Исследования проводятся на основе решения несвязанной задачи

термопрочности в квазистатической постановке, когда поля температур

в твердом теле при нестационарном теплообмене с рабочей средой оп-

ределяют возникающие в каждый момент времени температурные на-

пряжения и не зависят от поля деформаций тела.

Расчет напряженно-деформированного состояния произвольных

трехмерных тел при заданной термической нагрузке разработан приме-

нительно к ЭВМ типа БЭСМ-6 и ЕС-1060 на основе моментной схемы

метода конечных элементов (МСКЭ). Для учета температурных полей в

259

необходимых случаях применяются как метод аналогового моделиро-

вания на электроинтеграторе СЭИ-03, так и численные методы (вариа-

ционно-разностный метод и МСКЭ) на ЭВМ БЭСМ-6 и ЕС-1060.

Рисунок 13.2. Температурные поля и удлинения ротора и наружного

корпуса ЦВД турбины К-800-240 при пуске из холодного состояния:

1—без обогрева фланцев; 2— с обогревом фланцев (цифры в скобках соответ-

ствуют температурному полю фланцев при включенном обогреве);

——— —абсолютное удлинение ротора, - - - -абсолютное расширение

наружного корпуса, —•—•—относительное удлинение ротора.

Разработанные методы расчета теплового состояния элементов

энергооборудования позволяют обеспечивать задание точной геомет-

рии расчетной модели путем использования неравномерной сетки, а

также возможность решения методом аналогового электромоделирова-

ния задач теплообмена между поверхностью и рабочей средой, конвек-

цией и лучеиспусканием между ротором и корпусами на режимах ос-

тывания турбины.

260

Рисунок 13.3 Температурные поля и тепловые расширения ротора и корпуса

ЦСД турбины К-800-240 на номинальном режиме:

1-ротор; 2—наружный корпус; 3—внутренний корпус;

1—2—расширение ротора относительно внешнего корпуса

Отдельные составляющие и общая структура комплекса разраба-

тываются с учетом возможности создания на их основе функциональ-

но-самостоятельной подсистемы САПР энергетических турбоустано-

вок, включающей в себя расчеты теплового состояния, термопрочности

и малоцикловой повреждаемости проектируемого энергооборудования.

В настоящее время практически при проектировании всех новых

мощных паровых турбин производятся расчеты температурных полей,

напряжений и удлинений как роторов, так и корпусов при пусках, оста-

новках, сбросах электрической нагрузки и других переходных режи-

мах.

Результаты расчетов термонапряженного состояния используют-

ся при оценке намеченных графиков пуска и определении долговечно-

сти наиболее ответственных деталей—роторов и корпусов, работаю-

щих при высокой температуре.

Для этой цели проводились испытания на малоцикловую уста-

лость образцов из корпусной и роторной сталей. В результате были

получены надежные кривые малоцикловой усталости в диапазоне тем-

ператур от 20° С до рабочей для марки стали в целом с учетом разброса

ее механических свойств.

По результатам этих испытаний исследовалась кинетика дефор-

мирования материала в процессе нагружения и расчет упругопластиче-

ского состояния при нестационарных режимах производился по диа-

261

262

грамме упругопластического деформирования в стабильном цикле.

Для определения необходимого запаса долговечности исследо-

валось влияние асимметрии и неизотермичности нагружения на кине-

тику деформирования и малоцикловую усталость.

Характеристики длительной прочности были получены в резуль-

тате статистической обработки данных по длительной прочности и экс-

траполяции на время 2*10

ч. с учетом испытаний на ползучесть.

Допустимый срок службы определялся из условия линейного

суммирования повреждаемостей от действия циклического нагружения

и ползучести. Правомерность применения правила линейного сумми-

рования проверялась по результатам испытаний на малоцикловую ус-

талость с выдержками.

В результате расчета долговечности по данным термонапряжен-

ного состояния с использованием кривых малоцикловой усталости и

длительной прочности определяется допустимый срок службы детали

до зарождения в ней трещины при заданных режимах эксплуатации

турбины.

13.2. РЕЖИМНЫЕ ИСПЫТАНИЯ.

Работы по маневренности паровых турбин, выполняемые на ста-

дии проектирования, как правило, дополняются режимными испыта-

ниями головных образцов турбин на электростанциях.

На всех головных турбинах мощностью 300, 500 и 800 МВт был

проведен комплекс пусконаладочных работ и испытаний, направлен-

ных на обеспечение и повышение маневренных свойств турбин и энер-

гоблоков. Непрерывно совершенствуется методика таких испытаний.

При этом основное внимание уделяется исследованию нестационарных

температурных полей, деформаций и напряжений.

Режимные испытания позволили выявить общие закономерности

прогрева элементов турбин, выявить индивидуальные особенности ка-

ждого типа турбин и разработать обоснованные режимы их пуска из

различных тепловых состояний.

Работы по обеспечению и повышению маневренности паровых

турбин СКД потребовали существенного расширения сведений о пове-

дении турбин на различных режимах. К моменту ввода в эксплуатацию

первых турбин мощностью 300 МВт ЛМЗ уже имел отработанную ме-

тодику режимных испытаний турбин. На турбинах СКД эта методика

получила свое дальнейшее развитие. Здесь, в первую очередь, необхо-

димо отметить создание методики термооснастки проточных частей

ЦВД, ЦСД и ЦНД турбин. Проведенные с помощью такой оснастки

измерения температур пара и металла в проточной части значительно

расширили знания о процессах, происходящих внутри корпусов турбин

на различных режимах.

Рисунок 13.4. Схема расположения термопар в проточной части ЦНД:

●-термопары для измерения температуры металла; О- термопары для измере-

ния температуры пара.

Термопары для измерения температуры металла внутри цилинд-

ров турбин располагались на направляющих лопатках и в теле диа-

фрагм, на обоймах, а пара—в межлопаточных канавках в осевых и ра-

диальных зазорах. Схема расположения таких термопар в ЦВД, ЦСД и

ЦНД турбины К-300-240 представлена на рис. 13.4.

Конструкцию экспериментальных термопар и способы уста-

новки их в турбине иллюстрирует рис. 13.5, на котором представлен

чертеж установки паровых термопар в проточной части турбины. С

помощью термопар, установленных в проточной части ЦВД, были ис-

следованы так называемые «беспаровые» режимы работы ЦВД. Испы-

тания, проведенные на ЦВД турбин мощностью 300 МВт, позволили

определить температурное состояние его проточной части при работе в

таком режиме и разработать способы длительной работы ЦВД на рабо-

чей частоте вращения без подачи пара по нормальной схеме. На основе

применения беспарового режима ЦВД была отработана технология

пуска турбин, установленных в двухбайпасных пусковых схемах, путем

подачи пара в ЦСД с подключением ЦВД при выходе из малорасходно-

го режима. Эта технология принята ЛМЗ и используется на всех экс-

портных турбинах и при установке турбин в таких схемах в СССР.

263

Рисунок 13.5. Конструкция и установка термопар для измерения

температуры пара в проточной части турбины:

а—в диафрагме ЦВД; б—в диафрагме ЦНД;

I-термопарный кабель; II-прокладка.

Значительную роль в повышении точности расчетов сыграло

экспериментальное изучение температурного состояния цилиндров,

диафрагм и других элементов турбин, проведенное во время режимных

испытаний головных образцов практически всех турбин завода мощно-

стью от 25 до 1200 МВт. Накопленный опыт режимных испытаний по-

зволил поставить задачу экспериментального исследования темпера-

турного состояния ротора современной мощной паровой турбины при

работе ее на различных эксплуатационных режимах. Актуальность

изучения температурного и напряженного состояния роторов мощных

264

265

паровых турбин особенно возросла в связи с появлением сообщений в

зарубежной печати об образовании трещин в роторах паровых турбин в

процессе эксплуатации.

Испытания по определению температурного состояния роторов

проводились на турбине К-300-240 Литовской ГРЭС. Выбор типа тур-

бины определился тем, что конструкция ЦВД и РВД является типичной

для всех турбин завода мощностью 300, 500 и 800 МВт, а также все

возрастающими требованиями к маневренности и надежности турбин

типа К-300-240. Измерения температур в РВД были проведены как в

стационарных, так и в переменных режимах.

В процессе подготовки термооснастки ротора был решен ряд но-

вых и важных задач: по созданию термостойких уплотнений токовыво-

дов от термопар в осевую расточку вала, по разработке специальной

системы регулирования, обеспечивающей вывод измерительного кабе-

ля через передний блок, по разработке измерительной схемы, установке

и трассировке термопар на роторе. После оснастки ротор был установ-

лен в турбину Литовской ГРЭС в период очередного капитального ре-

монта. Для контроля за тепловым состоянием ЦВД, а также для сопос-

тавления его с тепловым состоянием РВД дополнительная термоосна-

стка была установлена также по проточной части ЦВД.

Термопары, выведенные в осевую расточку ротора, подключа-

лись к многоточечному переключателю, который обеспечивал пере-

дачу термо-ЭДС от всех термопар, установленных на роторе, к прибо-

рам с помощью соединительных проводов и щеточного токосъемника

на 20 контактных колец.

Многоточечный переключатель позволяет подключать термопа-

ры, установленные на роторе, к токосъемному устройству автоматиче-

ски с периодичностью 2 мин при всех режимах работы турбины. От

переключателя жгут термопарных и силовых проводов проходил через

осевое сверление в автомате безопасности и по полым валикам систе-

мы регулирования турбины через весь передний блок регулирования—

к токосъемной головке. От токосъемного устройства измерительный

кабель был проложен к вторичным приборам, смонтированным на спе-

циальном измерительном щите.

Для измерения температур в статорной части ЦВД были уста-

новлены паровые термопары в концевых уплотнениях, в камере регу-

лирующей ступени, в диафрагме шестой ступени, на входе в седьмую

ступень, в диафрагме двенадцатой ступени и на выходе. На лопатках

диафрагмы двенадцатой ступени также были установлены термопары.

Кроме измерения температуры пара и металла турбины во время

испытаний производилась запись параметров пара в ряде мест, темпе-

ратуры масла на подшипниках, а также режимных характеристик: час-

тоты вращения, нагрузки, абсолютных и относительных удлинений,

осевого сдвига ротора, вибрации и т. д.

Рисунок 13.6. Распределение температур в РВД турбины К-300-240:

а—при работе на полной нагрузке (в скобках—расчетные значения тем-

ператур); б—по осевой расточке при работе на различных нагрузках;

I—ХV—сечения ротора, в которых производились измерения температуры

Измерения температур в РВД турбины К-300-240 проведены на

следующих режимах: стационарном тепловом режиме при полной и

частичной нагрузках; остывания; пусков из различных тепловых со-

стояний; изменения нагрузки в пределах регулировочного диапазона.

На рис. 13.6 приведено температурное поле РВД турбины

К-300-240 в стационарном режиме при работе на полной нагрузке, по-

лученное во время испытаний, а также при расчетах по методике завода

на ЭЦВМ. Сравнение экспериментальных и расчетных температур по-

казывает их достаточно близкое соответствие по регулирующей ступе-

ни и расточке; расхождения в зоне шестой и двенадцатой ступеней дос-

тигают 20° С.

266

Рисунок 13.7. Графики остывания РВД турбины К-300-240

после остановки турбины:

1-поверхность осевой расточки и сечении паровпуска; 2—нижняя поло-

вина наружного цилиндра в сечении паровпуска; 3-поверхность осевой расточ-

ки в сечении шестой ступени; 4—наружный корпус в сечении шестой ступени;

5—поверхность ротора на переднем лабиринтовом уплотнении в сечении вто-

рого отсоса пара; 6—среда в камере второго отсоса переднего уплотнения;

7—поверхность ротора в районе двенадцатой ступени; 8-наружный корпус в

сечении двенадцатой ступени; 9—поверхность ротора в зоне заднего лабирин-

тового уплотнения в сечении камеры второго отсоса;

10—среда в камере второго отсоса

На рис. 13.7 представлены экспериментальные графики осты-

вания РВД турбины К-300-240 при остановке после длительной работы

турбины на номинальной нагрузке. Продолжительность разгрузки от

300 МВт до отключения генератора от сети составила 58 мин, выбег—

26 мин. Непрерывное вращение роторов ВПУ продолжалось в течение

8 ч. За начало отсчета времени остывания металла ротора принято на-

чало разгрузки. Как видно из графика, за время разгружения наиболее

интенсивно остывающими элементами ротора явились V—Х (см. рис.

13.6), скорость остывания по которым составила 35—40° С. За время

работы на валоповороте снижение температуры ротора происходило

значительно медленнее и составляло по сечениям II-VIII около 6° С/ч,

т.е. в этот период наиболее быстро остывала передняя часть ротора.

Темп дальнейшего остывания РВД, замеренный в течение 45 ч, при-

мерно одинаков и составляет 1—1,5

С/ч, причем наиболее медленно

остывает зона последних ступеней (сечения Х—XV).

Совместное рассмотрение температур ротора и корпуса ЦВД по-

казало, что температура ротора в сечении паровпуска на номинальной

нагрузке превышает температуру наружного корпуса на 100° С. Однако

уже через 10 ч остывания эта разность сократилась до 30° С, в основ-

ном за счет замедления темпа охлаждения корпуса.

267

По сечениям переднего и заднего концевых уплотнений сравне-

268

ние температур при остывании проводилось между поверхностью вала

и паром в камерах отсосов. Исходное состояние сравниваемых элемен-

тов при номинальной нагрузке, а также темпы их остывания при раз-

гружении были практически одинаковыми. Через 2 ч остывания проис-

ходит как в одном, так и в другом сечении повышение температуры до

45° С. При дальнейшем остывании эта разность несколько снижается.

Полученные при испытаниях температурные поля РВД турбины

К-300-240 в стационарных и нестационарных режимах, а также при

остывании были использованы как при оценке надежности турбины

при работе в стационарных режимах и пусках, так и для уточнения ме-

тодики расчетов температурных полей роторов мощных паровых тур-

бин.

С помощью термопар, установленных в проточной части ЦНД

первой одновальной турбины мощностью 800 МВт, была получена за-

висимость температуры пара в сопловом аппарате последней ступени

ЦНД (Т) от температуры пара на входе в ЦСД (t) и вакуума на выходе

из ЦНД при работе турбины на холостом ходу (рис. 13.8). Эта зависи-

мость используется при назначении режима работы турбины при дли-

тельном холостом ходе во время электрических испытаний генератора.

Во время режимных испытаний ЦНД турбин ЛМЗ использует

кроме температурного контроля также смотровые окна, которые позво-

ляют визуально оценивать состояние среды в зоне последних ступеней

(рис. 13.9). Обычно устанавливается рядом два таких окна: через одно

идет осмотр, а через другое производится освещение внутренних эле-

ментов ЦНД.

Наличие смотровых окон позволяет изучать причины появления

избыточной влаги в выходных патрубках ЦНД турбины и разрабаты-

вать способы ее устранения. Обширные испытания в этом направлении

были проведены ЛМЗ и Донтехэнерго на одной из первых турбин

К-800-240-3 Углегорской ГРЭС.

Во время этих испытаний были установлены следующие источ-

ники избыточной влаги в зоне последней ступени при пусках турбины

и работе ее на холостом ходу.

1. Избыточные впрыски в паросбросные устройства (ПСБУ) энер-

гоблока. При температуре пара за ПСБУ 80

С и закрытых конечных

впрысках конденсата в пароприемных устройствах конденсатора на-

блюдался поток крупнодисперсной влаги от пароприемных устройств в

верхней части ЦНД с попаданием крупных капель на выходные кромки

рабочих лопаток последних ступеней. Уменьшение впрысков воды в

ПСБУ и повышение температуры за ним до 115

С привело