Помощь студентам в учебе
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ РОТОРА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ ДЛЯ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТУРБОУСТАНОВКИ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Актуальность проблемы. В настоящее время наблюдается тенденция к ужесточению требований, предъявляемых к надежности и маневренным характеристикам энергетических паровых турбин, что относится как к вновь проектируемым, так и находящимся в эксплуатации машинам. Можно выделить несколько причин данного явления.
Большая часть паровых турбин, эксплуатируемых в нашей стране близка к выработке своего ресурса. Для продления срока эксплуатации турбин и обеспечения их надежности необходимо принимать меры к снижению пусковых напряжений в деталях турбин, а также к снижению влияния человеческого фактора в наиболее ответственных переходных режимах работы турбоустановок.
В условиях нарастающего дефицита электроэнергии, турбоагрегаты, проектировавшиеся ранее как базовые, вовлекаются в покрытие переменной части суточного графика электрической нагрузки. В районах промышленных центров наибольшая часть генерирующих мощностей сосредоточена на крупных ТЭС, что обуславливает повышенные требования к маневренности мощных паровых турбин.
Активное проектирование и ввод в эксплуатацию новых парогазовых установок (ПГУ), выполненных по схеме с котлом-утилизатором, связано с предъявлением высоких требований к маневренности паровых турбин, что обусловлено необходимостью совместной работы с газотурбинной установкой (ГТУ), пуск которой осуществляется на порядок быстрее по сравнению с паротурбинной установкой (ПТУ).
Решение поставленных, во многом противоречивых, задач ведется за счет реализации новых конструктивных решений, ряда режимных мероприятий, а также за счет повышения степени автоматизации работы оборудования.
Для многих мощных паровых турбин, в том числе теплофикационных семейства Т-110/120-130 (далее по тексту Т-110), критическими (т е. ограничивающими скорость переходных процессов) элементами при пуске являются ротора высокого (РВД) или среднего (РСД) давления. В настоящее время штатные средства измерения температуры роторов не предусмотрены.
Целью работы является разработка и исследование методов моделирования термонапряженного состояния роторов паровых турбин в темпе технологического процесса на основе современных информационных технологий и вычислительной техники. Для этого решены следующие задачи:
1. Выполнен обзор современного состояния вопроса автоматизации переходных режимов работы паровых турбин. Выполнен обзор и сравнение методов моделирования термонапряженного состояния деталей паровых турбин, а также применения метода конечных элементов (МКЭ) в реальном времени в некоторых специфических областях техники.
2. Для моделирования процесса остывания ротора паровой турбины на примере турбины Т-110 разработано микропроцессорное устройство для формирования начальных условий и выбора оптимальной технологии пусковых операций.
3. Предложена методика и алгоритм разработки оптимизированной модели температурного состояния ротора паровой турбины, физико-математической основой которой является решение задачи нестационарной теплопроводности с помощью МКЭ в реальном времени на ограниченных вычислительных ресурсах. По данной методике и алгоритму сформулирована и реализована модель температурного состояния РВД турбины Т-110.
4. Разработана методика и алгоритм вычисления максимальных термических напряжений в роторе. Получены регрессионные зависимости, связывающие температурное поле модели ротора, полученной по указанной методике, с соответствующими термическими напряжениями.
5. В среде MATLAB Simulink реализована библиотека блоков, обеспечивающая разработку и тестирование моделей термонапряженного состояния роторов паровых турбин.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Предложен нетрадиционный подход к моделированию нестационарного температурного состояния ротора паровой турбины, заключающийся в использовании метода конечных элементов в реальном времени (ранее метод использовался лишь на этапе проектирования в конструкторском бюро). Доказана перспективность использования этого подхода в практике с точки зрения повышения точности моделирования по сравнению с традиционными методами.
2. Обоснованы, выбраны и исследованы наиболее значимые факторы при разработке и использовании данной модели, в том числе оптимизация модели, определение погрешности модели, определение частоты дискретизации для работы модели в реальном времени.
3. Введено понятие характерной разности температур, которое практически однозначно определяет максимальные температурные напряжения в критической зоне ротора (КЗР) паровой турбины.
4. Для паровой турбины Т-110 найдены характерные разности температур по телу ротора, однозначно определяющие температурные напряжения в КЗР — области регулирующей ступени (РС). Получены регрессионные зависимости, связывающие характерные разности температур и температурные напряжения в роторе, которые могут быть использованы при разработке алгоритмов автоматизации пусковых режимов рассматриваемой турбины.
Практическая значимость определяется тем, что: разработаны и реализованы технологии получения информации о термонапряженном состоянии ротора паровой турбины в реальном времени; определены пределы и перспективы использования методики для совершенствования систем автоматического управления паротурбинной установкой, а также проектирования современных тренажерных комплексов для эксплуатационного персонала паротурбинных энергоблоков.
По предложенным автором методикам разработано программное обеспечение в средах MATLAB и ANSYS, облегчающее и автоматизирующее разработку моделей термо НДС деталей турбины. В среде MATLAB Simulink разработана библиотека блоков для апробации данных моделей. В условиях эксплуатации данные модели могут быть реализованы на имеющихся контроллерах, либо на выделенных компьютерах, даже не обладающих большой вычислительной мощностью.
Разработано и верифицировано микропроцессорное устройство для моделирования процесса остывания ротора паровой турбины.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается корректным применением общепризнанных методик проектирования и моделирования, математических методов и алгоритмов. В работе использовано сертифицированное программное обеспечение: ANSYS, MATLAB, используемое инженерами и учеными во всем мире. Моделируемые узлы выполнены с учетом реальной геометрической формы по чертежам завода-изготовителя турбин, учтены нелинейности при задании свойств материалов. Результаты, полученные в настоящей работе, соответствуют экспериментальным данным, а также данным, приведенным в оригинальных работах других исследователей.
На защиту выносятся:
• математическая модель температурного состояния роторов паровых турбин и соответствующий алгоритм, физико-математической основой которых является решение задачи нестационарной теплопроводности с помощью МКЭ в реальном времени;
• методика разработки и оптимизации конечно-элементной модели ротора паровой турбины для работы в реальном времени;
• зависимости, позволяющие перейти от температурного поля РВД турбины Т-110 к соответствующим термическим напряжениям;
• алгоритм и соответствующая блок-схема Э1тиИпк модели термонапряженного состояния РВД турбины Т-110 при пуске;
• разработанное на основании исследований микропроцессорное устройство для контроля остывания ротора паровой турбины в темпе процесса.
Апробация работы. Основные материалы и результаты настоящей диссертационной работы докладывались на XVI и XVIII международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники (Екатеринбург, 2009 г.); V Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2010 г.); VI международной научно-практической конференции (Иваново, 2011 г.); Энерго - и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Всероссийская научно-практическая конференция (Екатеринбург, 2011 г.); I Объединенная научно-техническая конференция специалистов энергетического комплекса Свердловской области (Ново-Свердловская ТЭЦ, 2013 г.); Национальный конгресс по энергетике (Казань, 2014 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 ра-боты в журналах, рекомендованных ВАК для публикации диссертационных исследований.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений, списка литературы (144 наименования) и 6 приложений. Весь материал изложен на 154 страницах, включая 36 рисунков и 8 таблиц. В приложениях даны исходные тексты разработанных программ.
Большая часть паровых турбин, эксплуатируемых в нашей стране близка к выработке своего ресурса. Для продления срока эксплуатации турбин и обеспечения их надежности необходимо принимать меры к снижению пусковых напряжений в деталях турбин, а также к снижению влияния человеческого фактора в наиболее ответственных переходных режимах работы турбоустановок.
В условиях нарастающего дефицита электроэнергии, турбоагрегаты, проектировавшиеся ранее как базовые, вовлекаются в покрытие переменной части суточного графика электрической нагрузки. В районах промышленных центров наибольшая часть генерирующих мощностей сосредоточена на крупных ТЭС, что обуславливает повышенные требования к маневренности мощных паровых турбин.
Активное проектирование и ввод в эксплуатацию новых парогазовых установок (ПГУ), выполненных по схеме с котлом-утилизатором, связано с предъявлением высоких требований к маневренности паровых турбин, что обусловлено необходимостью совместной работы с газотурбинной установкой (ГТУ), пуск которой осуществляется на порядок быстрее по сравнению с паротурбинной установкой (ПТУ).
Решение поставленных, во многом противоречивых, задач ведется за счет реализации новых конструктивных решений, ряда режимных мероприятий, а также за счет повышения степени автоматизации работы оборудования.
Для многих мощных паровых турбин, в том числе теплофикационных семейства Т-110/120-130 (далее по тексту Т-110), критическими (т е. ограничивающими скорость переходных процессов) элементами при пуске являются ротора высокого (РВД) или среднего (РСД) давления. В настоящее время штатные средства измерения температуры роторов не предусмотрены.
Целью работы является разработка и исследование методов моделирования термонапряженного состояния роторов паровых турбин в темпе технологического процесса на основе современных информационных технологий и вычислительной техники. Для этого решены следующие задачи:
1. Выполнен обзор современного состояния вопроса автоматизации переходных режимов работы паровых турбин. Выполнен обзор и сравнение методов моделирования термонапряженного состояния деталей паровых турбин, а также применения метода конечных элементов (МКЭ) в реальном времени в некоторых специфических областях техники.
2. Для моделирования процесса остывания ротора паровой турбины на примере турбины Т-110 разработано микропроцессорное устройство для формирования начальных условий и выбора оптимальной технологии пусковых операций.
3. Предложена методика и алгоритм разработки оптимизированной модели температурного состояния ротора паровой турбины, физико-математической основой которой является решение задачи нестационарной теплопроводности с помощью МКЭ в реальном времени на ограниченных вычислительных ресурсах. По данной методике и алгоритму сформулирована и реализована модель температурного состояния РВД турбины Т-110.
4. Разработана методика и алгоритм вычисления максимальных термических напряжений в роторе. Получены регрессионные зависимости, связывающие температурное поле модели ротора, полученной по указанной методике, с соответствующими термическими напряжениями.
5. В среде MATLAB Simulink реализована библиотека блоков, обеспечивающая разработку и тестирование моделей термонапряженного состояния роторов паровых турбин.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Предложен нетрадиционный подход к моделированию нестационарного температурного состояния ротора паровой турбины, заключающийся в использовании метода конечных элементов в реальном времени (ранее метод использовался лишь на этапе проектирования в конструкторском бюро). Доказана перспективность использования этого подхода в практике с точки зрения повышения точности моделирования по сравнению с традиционными методами.
2. Обоснованы, выбраны и исследованы наиболее значимые факторы при разработке и использовании данной модели, в том числе оптимизация модели, определение погрешности модели, определение частоты дискретизации для работы модели в реальном времени.
3. Введено понятие характерной разности температур, которое практически однозначно определяет максимальные температурные напряжения в критической зоне ротора (КЗР) паровой турбины.
4. Для паровой турбины Т-110 найдены характерные разности температур по телу ротора, однозначно определяющие температурные напряжения в КЗР — области регулирующей ступени (РС). Получены регрессионные зависимости, связывающие характерные разности температур и температурные напряжения в роторе, которые могут быть использованы при разработке алгоритмов автоматизации пусковых режимов рассматриваемой турбины.
Практическая значимость определяется тем, что: разработаны и реализованы технологии получения информации о термонапряженном состоянии ротора паровой турбины в реальном времени; определены пределы и перспективы использования методики для совершенствования систем автоматического управления паротурбинной установкой, а также проектирования современных тренажерных комплексов для эксплуатационного персонала паротурбинных энергоблоков.
По предложенным автором методикам разработано программное обеспечение в средах MATLAB и ANSYS, облегчающее и автоматизирующее разработку моделей термо НДС деталей турбины. В среде MATLAB Simulink разработана библиотека блоков для апробации данных моделей. В условиях эксплуатации данные модели могут быть реализованы на имеющихся контроллерах, либо на выделенных компьютерах, даже не обладающих большой вычислительной мощностью.
Разработано и верифицировано микропроцессорное устройство для моделирования процесса остывания ротора паровой турбины.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается корректным применением общепризнанных методик проектирования и моделирования, математических методов и алгоритмов. В работе использовано сертифицированное программное обеспечение: ANSYS, MATLAB, используемое инженерами и учеными во всем мире. Моделируемые узлы выполнены с учетом реальной геометрической формы по чертежам завода-изготовителя турбин, учтены нелинейности при задании свойств материалов. Результаты, полученные в настоящей работе, соответствуют экспериментальным данным, а также данным, приведенным в оригинальных работах других исследователей.
На защиту выносятся:
• математическая модель температурного состояния роторов паровых турбин и соответствующий алгоритм, физико-математической основой которых является решение задачи нестационарной теплопроводности с помощью МКЭ в реальном времени;
• методика разработки и оптимизации конечно-элементной модели ротора паровой турбины для работы в реальном времени;
• зависимости, позволяющие перейти от температурного поля РВД турбины Т-110 к соответствующим термическим напряжениям;
• алгоритм и соответствующая блок-схема Э1тиИпк модели термонапряженного состояния РВД турбины Т-110 при пуске;
• разработанное на основании исследований микропроцессорное устройство для контроля остывания ротора паровой турбины в темпе процесса.
Апробация работы. Основные материалы и результаты настоящей диссертационной работы докладывались на XVI и XVIII международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники (Екатеринбург, 2009 г.); V Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2010 г.); VI международной научно-практической конференции (Иваново, 2011 г.); Энерго - и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Всероссийская научно-практическая конференция (Екатеринбург, 2011 г.); I Объединенная научно-техническая конференция специалистов энергетического комплекса Свердловской области (Ново-Свердловская ТЭЦ, 2013 г.); Национальный конгресс по энергетике (Казань, 2014 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 ра-боты в журналах, рекомендованных ВАК для публикации диссертационных исследований.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений, списка литературы (144 наименования) и 6 приложений. Весь материал изложен на 154 страницах, включая 36 рисунков и 8 таблиц. В приложениях даны исходные тексты разработанных программ.