Актуальность проблемы. В соответствии со стратегией развития энергетики в Российской Федерации приоритетным инновационным направлением в строительстве новых энергетических объектов являются парогазовые установки (ПГУ) утилизационного типа - наиболее эффективная и экономичная технология получения тепловой и электрической энергии на сегодняшний день. В связи с этим все отечественные и зарубежные турбостроительные заводы ведут интенсивную разработку проектов и производство оборудования для ПГУ.
В частности, только на ЗАО «Уральский турбинный завод» (УТЗ) разработано более 50 эскизно-технических проектов теплофикационных паровых турбин, предназначенных для работы в составе парогазовых энергоблоков. В основу конструкции данных паровых турбин, а также в технологию их эксплуатации заложены как стандартные решения, отработанные на теплофикационных паровых турбинах для теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), так и новые решения, обусловленные спецификой работы паровых турбин в составе парогазового энергоблока. Поэтому унификация узлов теплофикационных паровых турбин для ПГУ, а также разработка оптимальной технологии их эксплуатации являются важными и актуальными задачами.
Продолжительность пуска мощных ПГУ в зависимости от теплового состояния оборудования может занимать более трех часов и определяется главным образом длительностью пуска паровой турбины. Поэтому одной из основных задач при комплексной оптимизации пусковых режимов ПГУ является разработка оптимальной технологии пуска паровой турбины с учетом сложных технологических связей между газотурбинной установкой (ГТУ), котлом- утилизатором (КУ) и паротурбинной установкой (ПТУ). Решение данной задачи осложняется еще и тем, что ПГУ в нашей стране стали реализовываться сравнительно недавно, количество действующих установок невелико, поэтому пусковые режимы работы паровых турбин, работающих в их составе, недостаточно изучены и технология их пуска неоптимальная.
Целью работы является проведение исследований, необходимых для оптимизации пусковых режимов работы теплофикационных паровых турбин УТЗ для ПГУ. Объектом исследований является теплофикационная паровая турбина Т-53/67-8,0, уже работающая в составе ПГУ-230 Минской ТЭЦ-3. В качестве пусковых режимов работы данной паровой турбины автором рассматриваются графики пуска турбины из холодного и неостывшего состояний, разработанные УТЗ и ОАО «ВТИ» (ВТИ).
Одной из основных причин, ограничивающих маневренные характеристики паровой турбины при пусковых режимах работы, являются температурные напряжения, возникающие в высокотемпературных элементах ее конструкции. С учетом этого, в рамках данной диссертационной работы поставлены и решены следующие задачи:
- анализ возможных мест возникновения и методов вычисления недопустимых температурных напряжений в элементах конструкции теплофикационной паровой турбины для ПГУ;
- определение граничных условий теплообмена в проточной части теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0;
- моделирование температурного и термонапряженного состояния ротора высокого давления (РВД) теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0;
- моделирование температурного и термонапряженного состояния корпуса цилиндра высокого давления (ЦВД) теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0;
- определение «критических» элементов конструкции теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0, ограничивающих ее маневренные характеристики по условию термопрочности;
- разработка средств непрерывного контроля и автоматического ограничения недопустимого термонапряженного состояния «критических» элементов конструкции теплофикационной паровой турбины для ПГУ;
- разработка технологии автоматизированного пуска теплофикационной паровой турбины для ПГУ с учетом текущего термонапряженного состояния «критических» элементов ее конструкции.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- разработаны модели нестационарной теплопроводности при переменных во времени и пространстве граничных условиях теплообмена и напряженно-деформированного состояния (НДС) высокотемпературных узлов теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0 с учетом их реальной геометрической конфигурации и изменения механических и теплофизических свойств стали в зависимости от температуры;
- выполнено комплексное исследование температурного и термонапряженного состояния высокотемпературных узлов теплофикационной паровой турбины для ПГУ;
- определено, что «критическим» элементом конструкции теплофикационной паровой турбины для ПГУ, ограничивающим ее маневренные характеристики и, как следствие, характеристики парогазового энергоблока в целом, является корпус ЦВД;
- установлена нелинейная стохастическая связь (регрессионная модель) между температурными напряжениями в «критических» зонах корпуса ЦВД и температурами металла в его точках, позволяющая контролировать термонапряженное состояние корпуса ЦВД при пусковых режимах работы теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0;
- разработаны алгоритмы непрерывного контроля и автоматического ограничения недопустимого термонапряженного состояния «критических» элементов конструкции паровой турбины с учетом их дальнейшей реализации на основе микропроцессорной техники;
- представлена концепция автоматизированной технологии пуска теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0 по текущему термонапряженному состоянию «критических» элементов ее конструкции.
Практическая значимость проведенного исследования заключается в разработке комплекса решений по повышению надежности теплофикационных паровых турбин для ПГУ при пусковых режимах работы. Энергоблок ПГУ-230 Минской ТЭЦ-3 является первым энергоблоком с теплофикационной паровой турбиной УТЗ. Поэтому результаты настоящей работы фактически являются базой для разработки и проектирования подобных энергетических объектов и основой для создания проектов паровых турбин УТЗ для ПГУ. С учетом того, что в проектах паровых турбин для ПГУ используется ряд унифицированных решений, полученные результаты могут быть применены при проектировании и модернизации серийных теплофикационных паровых турбин УТЗ для ТЭЦ.
Разработана технология пуска теплофикационной паровой турбины для ПГУ, позволяющая перейти от временных графиков пуска паровой турбины к автоматизированному пуску турбины по текущему термонапряженному состоянию «критических» элементов ее конструкции, что, в свою очередь, обеспечит оптимальный режим эксплуатации оборудования по условию термопрочности.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается:
- применением современных инструментов построения геометрических моделей при помощи лицензионного, сертифицированного программного комплекса Creo Parametric;
- применением современных численных расчетных методов, реализованных в сертифицированном, лицензионном программном комплексе ANSYS;
- использованием современных апробированных методов планирования эксперимента и статистических методов обработки экспериментальных результатов при помощи сертифицированного, лицензионного программного комплекса MathCAD, а также лицензионного программного продукта Microsoft Excel.
Результаты диссертационной работы получены на основе общепризнанных отработанных методик с использованием руководящих технических материалов и проектно-конструкторской документации УТЗ и хорошо согласуются с аналогичными расчетными и экспериментальными данными, полученными другими авторами.
Личный вклад автора заключается в научно-техническом обосновании поставленных целей и задач исследования, разработке моделей прогрева и НДС элементов конструкции теплофикационных паровых турбин для ПГУ, проведении расчетных исследований, анализе и обобщении их результатов, разработке средств контроля и ограничения недопустимых температурных напряжений в элементах конструкции теплофикационных паровых турбин и корректировке существующей технологии пуска теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0.
На защиту выносятся следующие положения:
- двухмерная осесимметричная конечно-элементная модель прогрева и НДС РВД теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0, учитывающая охлаждение пара в переднем концевом уплотнении (ПКУ) и реальную геометрическую конфигурацию в зоне лабиринтовых уплотнений (без использования эмпирических коэффициентов концентрации напряжений);
- трехмерная конечно-элементная модель прогрева и НДС верхней половины корпуса ЦВД теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0 с учетом билинейного упругопластического поведения материала;
- результаты расчетного исследования температурного и термонапряженного состояния РВД теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0;
- результаты расчетного исследования температурного и термонапряженного состояния корпуса ЦВД теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0;
- результаты исследований по определению «критических» элементов конструкции теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0, ограничивающих ее маневренные характеристики по условию термопрочности;
- результаты регрессионного анализа, устанавливающего стохастическую связь между температурными напряжениями в «критических» зонах корпуса ЦВД и температурами металла в его точках;
- алгоритмы непрерывного вычисления температурных напряжений в «критических» зонах корпуса ЦВД;
- алгоритмы автоматического ограничения недопустимых температурных напряжений в «критических» зонах корпуса ЦВД;
- автоматизированная технология пуска теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0 по текущему термонапряженному состоянию «критических» элементов ее конструкции.
Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались на следующих семинарах, симпозиумах и конференциях: XVI Уральская международная конференция молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и технологии (Екатеринбург, 2009); научно-технические семинары кафедры «Турбины и двигатели» ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (Екатеринбург, 2010-2012); научно-технические семинары ЗАО «Уральский турбинный завод» (Екатеринбург, 2010-2012); VI Международный симпозиум по фундаментальным и прикладным проблемам науки (Миасс, 2011); VI Международная научно-практическая конференция «Повышение эффективности энергетического оборудования» (Иваново, 2011); II Международная научно-практическая конференция «Современная наука: теория и практика» (Ставрополь, 2011); II Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Современная российская наука глазами молодых исследователей» (Красноярск, 2012); Всероссийская молодежная научно-практическая конференция с международным участием «Инженерная мысль машиностроения будущего» (Екатеринбург, 2012); VIII Международная научная конференция «Проблемы энергосбережения Украины и пути их решения» (Харьков, 2012); X Международная научно-практическая интернет- конференция «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (Орел, 2012); Всероссийская молодежная конференция «Пути совершенствования работы теплотехнических устройств» (Владивосток, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 5 по списку Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка (162 наименования). Общий объем диссертации 155 страниц, включая 52 рисунка и 14 таблиц.
1. В рамках диссертационной работы разработаны следующие модели прогрева и НДС высокотемпературных элементов конструкции теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0:
- двухмерная осесимметричная конечно-элементная модель прогрева и НДС РВД, учитывающая охлаждение пара в переднем концевом уплотнении и реальную геометрическую конфигурацию в зоне лабиринтовых уплотнений;
- трехмерная конечно-элементная модель прогрева и НДС верхней половины корпуса ЦВД.
2. Разработанные модели позволили получить полные температурные поля, а также температурные напряжения в РВД и корпусе ЦВД для пусков теплофикационной паровой турбины Т-53/67-8,0 из холодного и неостывшего состояния по графикам УТЗ и ВТИ.
На основании полученных результатов установлено:
- в РВД не возникает температурных напряжений, превышающих предел текучести его стали;
- термонапряженное состояние РВД не является фактором, ограничивающим маневренные характеристики паровой турбины;
- в корпусе ЦВД возникают температурные напряжения, превышающие предел текучести стали;
- «критическими» зонами корпуса ЦВД, ограничивающими маневренные характеристики паровой турбины, являются область паровпуска в зоне радиусного перехода (зона «А») и зона приварки Г-образных полуколец к корпусу турбины (зона «Б»);
- возникновение в корпусе ЦВД температурных напряжений, превышающих предел текучести стали, может стать причиной появления и развития трещин, а также снижения его ресурса.
3. Методами регрессионного анализа проведена статистическая обработка результатов исследования температурного и термонапряженного состояния корпуса ЦВД.
На основе полученных результатов установлен оптимальный вид регрессионной зависимости между температурными напряжениями в «критической» зоне «А» и разностями температур по толщине и по оси стенки корпуса ЦВД.
Показано, что для построения системы контроля за термонапряженным состоянием корпуса ЦВД целесообразно использовать зону «А».
Установлено, что максимальные погрешности вычисления температурных напряжений по принятой регрессионной зависимости для зоны «А» не превышают 20 %.
Показано, что для организации контроля за температурными напряжениями в зоне «А» необходима установка трех термопар, а также разработка и включение дополнительных алгоритмов в состав ЭЧСРиЗ паровой турбины.
4. В составе ЭЧСРиЗ разработаны алгоритмы, позволяющие непрерывно контролировать и автоматически ограничивать недопустимое термонапряженное состояние корпуса ЦВД:
- модуль, позволяющий получать непрерывные сведения о термонапряженном состоянии корпуса ЦВД путем расчета температурных напряжений в его «критических» зонах по полученным регрессионным зависимостям;
- модуль, формирующий коррекцию задания темпа нагружения паровой турбины в зависимости от термонапряженного состояния корпуса ЦВД;
- модуль, формирующий блокировки на увеличение частоты вращения или мощности паровой турбины при превышении температурными напряжениями в «критических» зонах корпуса ЦВД допустимого предела;
- предохранительный регулятор, автоматически разгружающий паровую турбину при превышении температурными напряжениями в «критических» зонах корпуса ЦВД допустимого предела.
5. Разработана технология пуска теплофикационной паровой турбины для ПГУ, позволяющая перейти от временных графиков пуска паровой турбины к автоматизированному пуску турбины по текущему термонапряженному состоянию «критических» элементов ее конструкции, что, в свою очередь, обеспечит оптимальный режим эксплуатации оборудования по условию термопрочности.
ОСНОВНЫЕ
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
