Актуальность темы. В последние десятилетия в энергетике России произошли структурные изменения в потреблении тепловой и электрической энергии, что привело к существенному изменению режимов работы теплофикационных турбин, к частым пускам и остановам оборудования, которое проектировалось для работы преимущественно в базовых режимах. Новые, непредусмотренные при проектировании, условия работы приводят к уменьшению ресурса мощных теплофикационных турбоустановок, в том числе сетевых подогревателей горизонтального типа (ПСГ).
Наиболее повреждаемым элементом ПСГ является трубная система. Анализ эксплуатации ПСГ производства Уральского турбинного завода (АО “УТЗ”), проведенный станциями Москвы, Санкт-Петербурга, Киева совместно с научно-исследовательскими институтами МЭИ, ВТИ, НПО ЦКТИ, УрФУ показывает, что имеется коррозионное растрескивание трубок под напряжением, которое при плохом качестве сетевой воды приводит к полной замене трубных пучков через 5.7 лет работы. Заглушение поврежденных трубок приводит к уменьшению поверхности теплообмена и возрастанию гидравлического сопротивления, увеличению недогрева и, как следствие, к понижению экономичности всей турбоустановки.
В последнее время станции заказывают ПСГ на давление по воде 1,6...1,8 МПа, что фактически в 2 раза больше, чем в эксплуатируемых в настоящее время подогревателях на давление 0,8.. .1,1 МПа. Ведутся разработки ПСГ на давление 2,5 МПа по сетевой воде. Повышенное давление приводит к увеличению напряжений в трубных досках, трубках, корпусе, компенсаторе, а это требует новых конструктивных решений, которые должны быть обоснованы более точным учетом условий работы всех элементов ПСГ.
Поэтому совершенствование методов расчета на прочность трубной системы ПСГ с применением современных численных методов и исследование напряженно - деформированного состояния (НДС) всех элементов является актуальной задачей, решение которой позволит создавать оптимальные конструкции проектируемых подогревателей, а также повысить ресурс находящихся в эксплуатации.
Степень разработанности темы
Имеются опубликованные результаты исследований, проведенных на станциях, посвященных анализу повреждаемости трубной системы ПСГ, в том числе влиянию на нее режимов эксплуатации турбины. Для расчета трубных досок на заводах используются руководящие указания НПО ЦКТИ и ГОСТ Р 52857.7-2007, которые не учитывают прогиб трубных досок и не позволяют определить напряжения растяжения-сжатия трубок в зависимости от их расположения в трубном пучке.
Существующие методики расчета трубной системы ПСГ на вибрацию не учитывают напряжения растяжения-сжатия трубок, что может вносить значительную погрешность в результаты.
Цели и задачи исследования:
- Разработка уточненной методики расчета на прочность ПСГ как взаимосвязанной системы: трубные доски, трубки, корпус, компенсатор с применением метода конечных элементов (МКЭ).
- Исследование НДС всех элементов трубной системы ПСГ с целью повышения их надежности и увеличения ресурса.
- Оценка влияния неравномерности нагрева сетевой воды по ходам на напряжения в трубках ПСГ.
- Разработка новых конструктивных решений по повышению надежности трубной системы.
- Разработка программного комплекса по проектированию сетевых подогревателей и внедрение его в промышленную эксплуатацию в АО “УТЗ”
Научная новизна. В работе получен ряд новых результатов:
- Разработана уточненная методика расчета ПСГ как взаимосвязанной системы всех элементов МКЭ, дающая более точные результаты, чем раздельный расчет на прочность трубных досок, трубок, корпуса, компенсатора.
- Автоматизированным способом создана 3D модель ПСГ-4900, используемая для расчетов в ANSYS.
- Впервые исследован спектр собственных частот трубного пучка ПСГ с учетом имеющихся напряжений растяжения-сжатия в трубках. Доказано, что отстройка от резонанса на 50 Гц возможна только повышением первой собственной частоты трубок выше 60 Гц.
- Доказано, что при использовании влажного пара или перегретого на 30.50 0С и особенно при повышенных давлениях сетевой воды 1,6...1,8 МПа предпочтительнее бескомпенсаторная конструкция ПСГ или со встроенным в трубную доску компенсатором.
- Доказано, что при использовании перегородок между ходами водяных камер в качестве анкерных связей допустимо утонить трубную доску до толщины 60 мм, определяемой условиями прочности и плотности вальцовочного соединения трубок. При этом существенно уменьшаются максимальные растягивающие напряжения в трубках с 50.110 до 20.25 МПа и увеличивается их ресурс.
Теоретическая и практическая значимость работы:
- Разработанная автором методика реализована в виде комплекса программ по автоматизированному и оптимальному проектированию ПСГ в АО «УТЗ».
- Показана возможность частичной компенсации напряжений за счет утонения края трубной доски.
- При работе ПСГ на перегретом паре предложен односторонний компенсатор, который работает при повышенных температурах пара.
- Для уменьшения габаритов компенсатора предложен компенсатор, располагаемый между корпусом и трубной доской, а также его комбинация с компенсатором, встроенным в корпус, что уменьшает вес трубной доски.
- Обоснована необходимость повышения первой частоты трубок выше 60 Гц и предложен для этого один из способов реализации - двойные перегородки.
- Разработана конструкция водяных камер с анкерными связями, в качестве которых выступают перегородки между ходами, что позволяет заменить эллиптические днища на плоские и приводит, при неизменной поверхности теплообмена, к существенному сокращению длины ПСГ (до 1,2 м), утонению трубной доски, уменьшению напряжений в трубках и увеличению их ресурса.
Методология и методы диссертационного исследования базируются на применении научно обоснованной теории механики деформированного твердого тела, метода конечных элементов, численных методов решения систем уравнений и определения собственных значений, использовании сертифицированного программного обеспечения ANSYS.
На защиту выносятся:
- Обоснование и результаты разработки уточненной методики расчета на прочность ПСГ как взаимосвязанной системы: трубные доски, трубки, корпус, компенсатор с применением МКЭ.
- Результаты исследования спектра собственных частот трубного пучка ПСГ с учетом имеющихся напряжений растяжения-сжатия в трубках. Доказано, что отстройка от резонансов возможна только повышением первой собственной частоты выше 60 Гц.
- Исследование влияния компенсатора на напряжения растяжения-сжатия в трубках. Обоснование бескомпенсаторной конструкции при использовании влажного пара или перегретого на 30...50 0С и особенно при повышенных давлениях сетевой воды 1,6...1,8 МПа, которая приводит к меньшим напряжениям в трубках и повышению их ресурса.
- Результаты исследования и обоснование конструкции водяных камер с перегородками между ходами, используемыми в качестве анкерных связей, что уменьшает изгибные напряжения в трубной доске и позволяет уменьшить ее толщину, а также уменьшает напряжения в трубках и увеличивает их ресурс.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается применением апробированных методов расчета на прочность, в том числе метода конечных элементов, проведением многочисленных тестов по известным решениям задач колебания стержней, изгиба перфорированных пластин.
Были выполнены расчеты ПСГ в осесимметричной постановке, а также со смещением трубного пучка и различных температур трубок по ходам в 3D постановке с помощью комплекса ANSYS, подтверждена обоснованность принятых упрощений при инженерных расчетах.
Были проведены экспериментальные измерения напряжений в корпусе и периферийных трубках при гидроиспытаниях ПСГ-2200 с латунными (ЛО70-1) трубками турбины Тп-100/110-90. Получено соответствие расчетных и экспериментальных максимальных напряжений с точностью 10% (2 МПа), что находится в пределах погрешности тензометрирования.
Реализация результатов. Комплекс программ и полученные результаты исследований используются в АО «УТЗ». Разработанная методика расчета трубных досок утверждена НПО ЦКТИ. Проведено исследование и обоснование конструкции ПСГ, спроектированных и изготовленных АО «УТЗ»:
- ПСГ-2200-3-16 на повышенное давление по воде 1,6 МПа без компенсатора для турбины Тп-100/110-90, установленной на Сибирском химическом комбинате.
- ПСГ-1250-3-18 на повышенное давление по воде 1,8 МПа без компенсатора для турбины Т-95/105-8,8, установленной на Петропавловской ТЭЦ-2 (Казахстан).
- Модернизированного ПСГ-4900-3-11,4, работающего на перегретом паре, с утонением трубной доски, имевшей толщину 135 мм, на 30 мм, и уменьшением веса ПСГ на 5 тонн для турбины Т-295/335-23,5 ТЭЦ-22 ПАО «Мосэнерго».
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на: Международной научно-технической конференции «Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования» (Харьков, 2006 г., 2009 г.); Всеукраинской научно-технической конференции (Харьков, НТУ «ХПИ», 2013 г.); XXXXV Всероссийском симпозиуме по механике и процессам управления (Миасс, 2015 г); Второй научно-технической конференция молодых ученых Уральского энергетического института (Екатеринбург, 2017 г.)
Публикации. Основные положения и выводы изложены в 14 печатных работах, в том числе в трех публикациях в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК; двух патентах на изобретение; трех патентах на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 104 наименований. Весь материал изложен на 135 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 18 таблиц, 1 приложение.
1. Разработана уточненная методика расчета для определения напряжений в элементах ПСГ теплофикационных турбин в осесимметричной постановке как взаимосвязанной упругой системы: трубный пучок, трубная доска, компенсатор, корпус. Разработан алгоритм расчета МКЭ, который реализован в виде комплекса программ. Проведены исследования НДС ПСГ как взаимосвязанной системы, так и отдельных элементов ПСГ: трубной доски, компенсатора, корпуса, трубок.
2. Разработана методика расчета собственных частот колебаний трубок с учетом продольных усилий растяжения-сжатия, которая реализована в виде комплекса программ с применением МКЭ. Установлен частотный спектр и формы колебаний трубок ПСГ.
3. Проанализировано влияние компенсатора на НДС трубной системы ПСГ в зависимости от режима эксплуатации турбины и материала трубной системы. На режимах работы ПСГ на влажном паре или паре, перегретом на 30...50 0С, оптимальной будет бескомпенсаторная конструкция, а на режимах с перегревом пара более чем на 30.50 ОС необходим компенсатор, работающий только на сжатие.
4. Расчетами показано, что латунные трубки ПСГ имеют напряжения от минус 26 до 51 МПа в зависимости от радиуса их расположения, а стальные от минус 51 до 110 МПа. При этом спектр собственных частот колебаний трубок получается сплошным и часть трубок ПГС при эксплуатации может находится в резонансе с оборотной частотой турбины 50 Гц, что может являться одной из причин их повреждаемости.
5. Установлено, что отстройка трубной системы ПСГ от резонанса с оборотной частотой турбины 50 Гц осуществима только при увеличении первой собственной частоты колебаний трубок выше 60 Гц. Это можно реализовать уменьшением средних пролетов трубок из латуни до 725...750 мм, а из стальных - до 850...900 мм. В этом случае динамические коэффициенты уменьшаются, а запас по устойчивости увеличивается.
6. Разработан новый способ ужесточения трубок с целью повышения первой частоты выше 60 Гц. Предлагается реализовать защемление в средних пролетах установкой двух перегородок на расстоянии 50... 60 мм.
7. Разработана конструкция водяных камер с перегородками, используемыми в качестве анкерных связей, позволяющая заменить эллиптические днища на плоские и уменьшить толщину трубной доски. Также уменьшаются растягивающие напряжения в периферийных трубках на 25.30 % и увеличивается их ресурс.
8. Реализовано автоматизированное построение 3D моделей ПСГ с использованием баз данных для передачи их в комплекс ANSYS.
9. 3D модель ПСГ использовалась в ANSYS для исследования различных факторов на НДС: смещение перфорированной зоны, различной температуры труб по ходам, рационального расположения анкерных связей и др. Рекомендуется для многовариантных проектировочных расчетов использовать осесимметричную постановку, а для поверочного расчета ANSYS.
10. Проведено исследование и обоснование новых конструкций ПСГ, спроектированных и изготовленных АО «УТЗ»:
- ПСГ-2200-3-16 на повышенное давление по воде 1,6 МПа без компенсатора для турбины Тп-100/110-90 , установленной на Сибирском химическом комбинате.
- ПСГ-1250-3-18 на повышенное давление по воде 1,8 МПа без компенсатора для турбины Т-95/105-8,8, установленной на Петропавловской ТЭЦ- 2 (Казахстан).
- Модернизированного ПСГ-4900-3-11,4 на перегретом паре, с утонением трубной доски, имевшей толщину 135 мм, на 30 мм, и уменьшением веса ПСГ на 5 тонн для турбины Т-295/335-23,5 ТЭЦ-22 ПАО «Мосэнерго».
Дальнейшими перспективами научного исследования являются:
• проектирование конструкций ПСГ-2300-3-8, ПСГ-1300-3-8, ПСГ-1250- 3-11,4, ПСГ-4900-3-11,4 с повышенным ресурсом и снижением металлоемкости за счет:
- оптимизации конструкции компенсатора для ПСГ, работающих на перегретом паре и применение бескомпенсаторных конструкций ПСГ, работающих на влажном паре;
- установки анкерных перегородкок в водяных камерах и утонения трубных досок;
- отстройки трубной системы от резонанса с повышением первой собственной частоты выше 60 Гц;
• дальнейшее совершенствование методик расчетов ПСГ с уточнением температурных полей на режимах пуска и останова с учетом малоцикловой усталости.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
