Исследование эксплуатационных характеристик паротурбинной установки К-1200 240-ЗАО ЛМЗ на Костромской ГРЭС

В настоящее время отечественная теплоэнергетика развивается в новых условиях, оказывающих значительное воздействие на процессы ее функционирования и развития на всех уровнях: проектирование, сооружение и эксплуатация тепловых электростанций. Значительная часть теплоэнергетического оборудования исчерпала свой расчетный ресурс или приближается к нему. Резко снизился ввод новых энергетических мощностей, по ряду оценок, вплоть до уровня тридцатых годов.

Кризисные явления в экономике страны, которые проявляются в спаде промышленного производства и объемов капитального строительства, в замедлении процесса обновления и наращивания мощностей энергоисточников, и другие негативные последствия происходящих в России изменений позволяют прийти к заключению, что знергоснабжение промышленных и бытовых потребителей в нашей стране как в настоящее время, так и в ближайшей перспективе будет осуществляться в основном за счет существующего оборудования тепловых электростанций. При этом важнейшими проблемами становятся выявление резервов повышения его надежности, маневренности и экономичности.

В этой связи возрастает роль промышленных комплексных исследований. Комплексные промышленные исследования головных образцов турбин и паротурбинных установок в целом на электростанциях в период их освоения на начальном этапе опытно — промышленной эксплуатации являются неотъемлемым и завершающим этапом создания нового энергетического оборудования [1,-2]. На этом этапе выявляются конструкторские. технологические, системные и эксплуатационные недостатки, устранение которых на начальном этапе внедрения способствует улучшению технико-экономических показателей и улучшению эксплуатационных характеристик серийно выпускаемого оборудования.

Проведение комплексных исследований головных образцов турбин способствует сокращению сроков их освоения, а также быстрейшему запуску их в серию.

Так, например, если для головного блока ст. № 5 Запорожской ГРЭС от пуска блока до выхода на номинальные параметры потребовался один месяц, с момента работы на режиме уравновешенной тяги до перевода в режим работы котла под наддувом — три месяца, а до выхода на номинальную нагрузку — четыре месяца, то для последующих серийных блоков (ст. № 6 и № 7) эти периоды освоения сократились до одного месяца [3].

Проектный удельный расход условного топлива (325 г. у.т./кВт-ч) на блоке ст. № 5 был получен на одиннадцатом месяце его эксплуатации, то для последующих блоков (ст. № 6 и № 7) — на четвертом месяце после пуска. Для блоков ст. № 6 и № 7 вдвое было сокращено время для достижения нормативного коэффициента готовности.

Не менее важны промышленные исследования, которые проводятся на серийных турбинах. Это определяется необходимостью совершенствования действующего паротурбинного оборудования, повышения его технико-экономических показателей, продления ресурса, улучшения маневренных характеристик.

Как отмечалось выше, для энергетики России работы по совершенствованию оборудования, улучшению технико-экономических показателей и продлению службы приобретают особую актуальность.

Это обусловлено резким сокращением в последние годы строительства новых крупных электростанций (атомных, тепловых, гидравлических), использованием в прежние годы при техническом перевооружении ТЭС хотя и нового, но морально устаревшего оборудования, которое не повлияло в значительной степени на улучшение технико-экономических показателей ТЭС, длительном отставании ввода в действие новых мощных турбоустановок. Так, по ТЭС уже на 01.01.92 г. около 51% оборудования имеет износ более 50%, а полностью выработавшего свой ресурс более 5% оборудования (мощностью около 6,3 млн. кВт). Наверное, в обозримом будущем эта тенденция сохранится в связи с тем, что действующий парк турбин все более стареет, а обновление его затруднено.

Несмотря на экономическое благополучие в зарубежной энергетике, тенденция совершенствования действующего оборудования за счет внедрения новых технических решений наблюдается также у ведущих зарубежных энергомашино-строительных фирм таких, например, как Дженерал Электрик, Вестингауз, АББ, Сименс и т. д.

Научная новизна работы состоит в следующем: разработана методика проведения в условиях электростанции экспериментальных исследований с увеличенным объемом и высокой точностью измерений, включая температуры при проведении тепловых испытаний, зазоров в проточных частях турбины, температур пара и металла, вибрации опор и вала турбоагрегата и т. п.- получены зависимости-для расчета погрешностей при экспериментальном определении показателей тепловой экономичности основных элементов турбины и ПТУ в целомпредложена методика исследования теплового состояния ЦНД на малорасходных режимахразработана методика исследования осевых и радиальных зазоров в проточных частях цилиндров в процессе эксплуатацииразработана методика исследования вибрационного состояния турбоагрегатаразработаны методы и технические решения для нормализации тепловых расширений мощных паровых турбин.

Практическая значимость диссертационной работы подтверждается внедрением разработанных мероприятий, технических решений и рекомендаций на Костромской ГРЭС, а также на АЭС с турбинами К-1200−240−3 ПО ЛМЗ, комплектующимися ЦНД, ротор которых имеет лопатку последней ступени длиной 1200 мм.

Достоверность и обоснованность результатов работы определены: полнотой исследования турбоагрегата на всех практически возможных режимах его работыповторяемостью результатов многочисленных опытов, выполненных в различное времядостаточной сходимостью результатов, проведенных в промышленных условиях экспериментальных исследований, с результатами, полученными на заводских стендах, а также сходимостью результатов экспериментальных и расчетных исследованийположительными результатами экспериментальных исследований в промышленных условиях, выполненных по разработанным методикам, а также положительными результатами при применении разработанных рекомендаций по совершенствованию конструкции турбоагрегата.

Автор защищает: результаты и методики экспериментальных исследований в промышленных условиях с необходимым объемом измерений параметров турбоагрегата и турбоустановки в целом:

• тепловой экономичности головной турбоустановки мощностью 1200 МВт с учетом расчетных величин погрешностей при определении КПД цилиндров и удельного расхода теплоты,.

• теплового состояния ЦНД турбины на малорасходных режимах, осевых и радиальных зазоров в проточных частях цилиндров, перемещений основных элементов турбоагрегата при изменении его теплового состояния с созданием средств для определения сил их взаимодействия,.

• разработкой мероприятий по предотвращению затрудненных перемещений элементов турбины,.

• результаты всестороннего вибрационного исследования турбоагрегата на всех этапах его освоенияразработанные на основе этих исследований режимы эксплуатации, конструкции отдельных узлов, усовершенствованную тепловую схему турбоустановки. систему опирания цилиндров, новые технологические методы, способы и приемы, обеспечивающие высокую экономичность, надежность, маневренность основных элементов турбоагрегата.

Личный вклад автора: заключается в непосредственном формировании им целей настоящей работы, постановке конкретных задач, в разработке программ комплексных исследований, методик комплексных исследований в промышленных условиях, создании систем экспериментального контроля с увеличенным объемом регистрации параметров, вибрационного состояния турбоагрегатав подготовке турбоагрегата к испытаниям, выполнении исследований в промышленных условиях: обобщении и анализе полученных экспериментальных данных и на их основе в разработке соответствующих научных и методических положений, конкретных рекомендаций по совершенствованию конструкции, тепловой схемы турбоагрегата, совершенствованию режимов эксплуатациивнедрении результатов и технических решений на турбоустановке.

В первой главе на основе изучения опубликованной литературы были определены цели и задачи комплексных экспериментальных исследований, результаты которых изложены в данной работе.

Во второй главе дано краткое описание объекта исследований, методики проведения экспериментальных исследований с указанием регистрируемых параметров.

В третьей главе изложены результаты исследования тепловой экономичности турбоустановки с анализом погрешностей определения показателей экономичности.

В четвёртой главе выполнено исследование теплового и термонапряженного состояния цилиндра низкого давления турбины.

В пятой главе изложены результаты исследований измерения зазоров в проточной части турбины при различных режимах эксплуатации.

В шестой главе представлены результаты исследований тепловых расширений турбины и силового взаимодействия ее элементов.

В седьмой главе изложены результаты исследований вибрационного состояния турбины.

В заключении работы изложены основные выводы по диссертации, приведен список использованной литературы.

Диссертационная работа выполнена в РАО «ЕЭС России» и на Костромской ГРЭС под руководством доктора технических наук Куличихи-на В. В. Научным консультантом диссертационной работы являлся доктор технических наук Хоменок Л.А.

Публикации по работе. Основное содержание выполненных исследований изложено в 4 журнальных статьях, тезисах и докладах на конференциях и совещаниях, список которых приведен в конце автореферата.

Апробация работы. Основные результаты работы, излагаемые в настоящей диссертационной работе были представлены на Международной конференции в г. Дрезден в 1998 г., отдельные разделы диссертационной работы обсуждались на научно-технических советах ПО ЛМЗ. НПО ЦКТИ, ВТИ в 1988;1993 гг., на научно-методических семинарах кафедры ТЭС ИГЭУ в 1996;1998 гг.

Структура и объём диссертации: диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников, включающего наименований. Общий объём: 166 страниц машинописного текста, 46 рисунков.

5.Результаты исследования тепловой экономичности головной паротурбинной установки К-1200−240−3 ЛМЗ позволили разработать конструктивные мероприятия по повышению экономичности ЦВД и ЦСД (замена надбандажных уплотнений), внедрить режим скользящего давления, уменьшить протечки через концевые уплотнения головной турбины, насосов, улучшить работу системы регенерации, оптимизировать тепловую схему в части вспомогательного оборудования (перевод питания турбин воздуходувок котла паром 5-го отбора).

6.Исследования теплового состояния ЦНД турбины К-1200−240−3 с лопаткой 1200 мм на малорасходных режимах позволили установить низкую эффективность исходной системы охлаждения ЦНД, ее опасность для эрозийного повреждения рабочих лопаток.

Результаты исследований позволили разработать принципиально новые мероприятия по эффективному и безопасному охлаждению ЦНД мощных паровых турбин ТЭС и АЭС, а также определить влияние температурной неравномерности рабочей среды на термонапряженное состояние поверхностного слоя рабочих лопаток.

7.Анализ результатов выполненных в работе экспериментальных и расчетных исследований по определению потерь мощности на трение и вентиляцию в ступенях с лопатками предельных удлинений позволяет рекомендовать расчетные зависимости, дающие наибольшую сходимость с экспериментом.

8. Выполненные исследования зазоров в проточных частях цилиндров головной турбины мощностью 1200 МВт с помощью комплексных систем измерений, включающих измерение параметров среды в проточных частях цилиндров, температур металла статоров в наиболее характерных точках, комплекс измерительной аппаратуры для определения осевых и радиальных зазоров (включая их динамическую составляющую), позволили провести анализ состояния зазоров практически на всех основных эксплуатационных режимах и разработать рекомендации по их оптимизации.

9. Выполненные промышленные исследования тепловых перемещений и силового взаимодействия корпусов цилиндров и подшипников турбины мощностью 1200 МВт подтвердили многофакторность проблемы и впервые в отечественной и мировой практике позволили:

• получить данные о величине действующих в трех взаимно перпендикулярных плоскостях усилий в узлах связи корпусов цилиндров ВД и СД и подшипников на характерных эксплутационных режимах;

• выявить возможность заклинивания лап на штатных поперечных шпонках, которая приводит к развороту в горизонтальной плоскости корпусов подшипников и их перемещению по продольным шпонкам с перекосом, а также возникновение значительных боковых сил, прижимающих корпуса подшипников к боковым поверхностям вертикальной и продольной шпонок;

• установить существенное влияние теплового состояния турбоагрегата, темпа его изменения, присоединенных трубопроводов и их опорно-подвесной системы на величину и характер изменения сил взаимодействия корпусов цилиндров и подшипников;

• убедиться в том, что податливость разрезных поперечных шпонок способствует улучшению возможностей системы опирания цилиндров с точки зрения нормализации их тепловых перемещений.

10. Выполнение разработки разрезных поперечных шпонок для многоцилиндровых мощных паровых турбин ТЭС и АЭС и их промышленная длительная апробация на турбине К-1200−240−3 показали их работоспособность и существенные преимущества перед штатными неразрезными в части нормализации тепловых расширений и тем самым улучшению эксплутационных характеристик турбин.

11. Рекомендуется применение разрезных поперечных шпонок как в случае затрудненности тепловых расширений, так и для улучшения маневренных характеристик и надежности турбоагрегатов.

12. Накопленный опыт эксплуатации турбины К-1200−240−3 с разрезными шпонками позволил их усовершенствовать с точки зрения повышения их эксплуатационной надежности при нерасчетных режимах эксплуатации.

13. Силоизмерительные разрезные поперечные шпонки позволяют организовать диагностический контроль в процессе эксплуатации силового взаимодействия корпусов цилиндров и подшипников, состояния опорно-подвесной системы присоединенных паропроводов, ее подналадку при изменении проектных характеристик.

14. Вибрационные исследования чугунных опор валопровода выявили их недостаточную жесткость. На основании результатов исследований были разработаны стальные корпуса подшипников РНД (№№ 5+10).

15. Выполненные вибрационные исследования турбины в период опытно-промышленной эксплуатации позволили:

• провести дополнительную балансировку роторов НД в собственных подшипниках;

• выявить наличие поперечной трещины в роторе генератора;

• проверить эффективность замены опор РНД, а также ротора генератора;

• разработать мероприятия по улучшению тепловых перемещений корпусов ЦВД и ЦСД, проверить их эффективность;

• выполнить на различных этапах эксплуатации подбалансировку роторов турбины и генератора, а также изменить распределение статических нагрузок на подшипниках турбины;

• ужесточить корпуса аварийных масляных бачков подшипников №№ 6+10.

16. С целью повышения надежности и экономичности турбины К-1200−240−3 рекомендуется разработать и внедрить автоматизированную систему вибрационной диагностики турбоагрегата.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1 .Выполненный комплекс исследований, содержащий совокупность научных и методических положений, научно обоснованных технических и технологических решений, прошедших длительную промышленную апробацию на турбине К-1200−240−3 направлен на решение важной научной и технической проблемы — повышение экономичности, надежности, маневренности головной паровой турбины К-1200−240−3.

2.Разработана и реализована в промышленных условиях методика экспериментальных исследований с рациональным объемом и повышенной точностью измерений (температур при проведении тепловых испытаний, зазоров в проточных частях турбоагрегатов, сил взаимодействия основных элементов турбины, вибрационного состояния турбоагрегата, и т. п.), что позволило получить новые данные о закономерности изменения параметров, характеризующих экономичность мощных паротурбинных установок, состоянии зазоров в проточных частях турбины, силах взаимодействия узлов и деталей в системе «турбина-основание-фундамент», вибрационном состоянии турбоагрегата и выявить лимитирующие факторы, уточнить критерии экономичности, надежности, маневренности, разработать и внедрить технические решения по их улучшению.

3. Под руководством и при непосредственном участии автора настоящей работы были выполнены исследования тепловой экономичности головного образца мощной перспективной паротурбинной установки К-1200−240−3 ПО ЛМЗ с помощью специально созданной системы экспериментального контроля.

4. Исследования тепловой экономичности способствовали ускорению освоения головного паротурбинного блока мощностью 1200 МВт. Они позволили проверить совершенство расчетных методик, целесообразность принятых конструктивных решений, качество изготовления и монтажа энергооборудования, а также разработать рекомендации и наметить пути совершенствования серийно выпускаемого оборудования.