РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ НА ОСНОВЕ ВНЕДРЕНИЯ
НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Семинар в «Ленэкспо» - сентябрь 2010 г.
Повышение надёжности последних ступеней и экономичности
теплофикационных режимов турбины Т-250/300-240
, И.,
Т е з и с ы в ы с т у п л е н и я
на семинаре 28 сентября 2010
(15 минут)
Проблема температурной, эрозионной и вибрационной безопасности последних ступеней турбин Т-250/300-240 на пусковых и теплофикационных малорасходных режимах многие годы являлась одной из самых актуальных, определяющей надёжность и ресурс энергетического оборудования.
В 1981 году Уральский турбомоторный завод организовал и приступил совместно с ЦКТИ, ВТИ и Мосэнерго к развёрнутым исследованиям и разработкам по этой сложной проблеме.
Базовой являлась ТЭЦ-23 Мосэнерго, где выполнен основной комплекс исследований с применением уникального экспериментального оборудования, обеспечившего высокое качество, достоверность и полноту опытной информации.
В последующие годы испытания по отдельным этапам на ТЭЦ-26 и других электростанциях, внесшие существенный вклад в решение проблемы.
В 1982 ÷ 1984 гг. ТМЗ провёл на натурном стенде завода принципиально важные исследования температурных полей рабочих лопаток последней ступени с прямым измерением температуры металла, а совместно с ЦКТИ - обстоятельные газодинамические зондовые исследования в проточной части низкого давления турбины Т-250/300-240 в широком диапазоне малорасходных режимов.
За прошедшие 30 лет проблема по основным направлениям успешно решена. Разработаны высокоэффективные средства обеспечения эксплуатационного регламента рабочих лопаток последних ступеней. Станциям предоставлена возможность оптимального выбора методов и средств, отвечающих условиям эксплуатации.
Мы с вами пройдём эти тридцать лет коротким, простым путём за пятнадцать минут и убедимся, вопреки расхожим домыслам, в результативности решения проблемы.
В том, что сложная, многофакторная проблема успешно решена, главная и основная заслуга принадлежит Турбомоторному заводу, его сотрудникам, которые проводили испытания и создавали новые конструкции и которых, к сожалению, на заводе уже нет.
Итак, что представляет собой объект исследований? Это ЦНД Т-250 с очень сложной газодинамической структурой на малорасходных режимах, сопряженной с тепловыми и каплеударными процессами. На рис. 1 показана диаграмма рабочих режимов ЦНД, определяющая основные требования эксплуатации. Увеличение тепловой мощности на теплофикационных режимах ограничением расхода пара в проточную часть низкого давления прикрытием регулирующих диафрагм целесообразно до наступления режима нулевой мощности. За ним следует неблагоприятная область с обширными неустойчивыми вихревыми зонами в проточной части, которые ухудшают температурные и вибрационные условия рабочих лопаток последних ступеней. Интенсивность воздействия этих факторов на лопатки возрастает с увеличением давления в конденсаторе. Поэтому область таких режимов при закрытии регулирующих диафрагм следует проходить последовательно и без задержек.
За критической областью располагается область минимальных температурных и вибрационных воздействий, где и следует поддерживать работу ЦНД на длительных теплофикационных режимах с закрытыми регулирующими диафрагмами.
На рис. 2 наглядно показано, что в критической области подъём температуры в последних ступенях резко возрастает, что не отражают средства штатного контроля и не беспокоит службу эксплуатации.
На рис. 3 показано влияние вибрационных нагрузок в этой области на разрушение 12-ти последних ступеней. Во всех случаях повреждения имели усталостный характер и зависели не столько от общей наработки лопаток, но прежде всего – нахождение их в критической зоне, о чем свидетельствуют зоны разрушений 110 и 320 мм. Поскольку аварийная ситуация наступала независимо от общего срока работы аппарата, специалисты ремонтно-механического завода считают причиной аварии разрушение демпферных связей из ВТ-5. Работа лопаток в опасной зоне не упоминается. По-видимому, о ней не знают.
На рис. 4 показан величина тепловентиляционных потерь ЦНД при закрытых диафрагмах. Поскольку потери растут пропорционально давлению в конденсаторе, для увеличения экономичности режимов следует поддерживать предельно достижимый вакуум в конденсаторе.
На рис. 5 – диаграмма практического действия, ограничивающая область активного регулирования расхода пара в ЦНД. По давлению в нижнем отборе и в конденсаторе легко устанавливается та величина прикрытия диафрагм, после которой полное закрытие следует производить быстро и без задержек.
Экономичность теплофикационных режимов с закрытыми диафрагмами определяется двумя показателями: протечками через закрытые диафрагмы и расходом пара на охлаждение последних ступеней. На рис. 6 видно, что разработанная и применяемая ТМЗ технология уплотнения диафрагм с увеличением гибкости поворотного кольца позволяет в полтора раза снизить протечки. Ещё больший результат достигается при уплотнении по методу высокой плотности, разработанному ЦКТИ и Энергосервисом. На рис.7 – при увеличении гибкости поворотного кольца возникают благоприятные условия для оснащения диафрагм секторным влагоудалением, разработанным Энергосервисом для турбин Т-250/300-240.
Прежде чем рассматривать вторую составляющую экономичности теплофикационных режимов с закрытыми диафрагмами – процессы охлаждения последних ступеней, - обратим внимание на рис. 8, где вполне правдоподобно изображена газодинамическая картина в последней ступени. Количественные характеристики такого течения определяются объёмным расходом пара. Эти характеристики формируют температурное поле в рабочих лопатках. На рис. 9 – уникальные исследования ТМЗ с прямыми измерениями температуры вдоль лопатки.
Самый простой способ охлаждения ЦНД – прикрытием диафрагм – ограничением расхода, при котором температура лопаток остаётся в пределах регламента, определяемого прочностью стеллитового протектора и вибрационным уровнем ЦНД. При увеличении температуры лопаток с 150 до 200 0С ресурс буферного слоя снижается с 200 до 100 часов.
На рис. 10 показано нарастание температур элементов проточной части и предельная величина расхода пара. Обычно это от 60 до 90 т/ч.
Рис. 11 подтверждает сильное влияние температурного уровня выхлопов на вибрационное состояние подшипников РНД.
Разработан и исследован способ уменьшения расхода активного пара на охлаждение ЦНД путём многоступенчатого увлажнения его в перепускных трубах с использованием аэродинамической фильтрации капельных структур – рис. 12. Влияние этого способа на тепловое состояние последних ступеней весьма существенно - рис. 13 и влечет сокращение расхода пара. На теплофикационных режимах, когда расход регулируется диафрагмами, их прикрытие усиливает сепарацию в камере паровпуска и при повышенных параметрах в нижнем отборе ухудшает экономичность.
Следующий способ охлаждения выхлопных патрубков – обратными потоками – рис. 14. Они подхватывают капельную влагу в патрубке конденсатора и транспортируют её в выхлопной патрубок к рабочим лопаткам. Однако проникновение охлаждающего потенциала в проточную часть ограничено большими отрицательными углами взаимодействия лопаток с этими потоками. На рис. 15 показан опыт в экстремальной постановке для определения практически достижимой степени охлаждения проточной части. На ступени с лопатками 1200 мм и впрыском конденсата форсунками в корневую зону, т. е. в условиях максимального воздействия обратных потоков, - температура перед лопатками снижалась менее чем на 250С и только в корневой половине лопаток. Для лопаток 940 мм этот эффект ограничивается несколькими градусами.
При охлаждении обратными потоками другая сторона процесса – каплеударные нагрузки на выходные кромки лопаток. На рис. 16 показано, что для лопаток 940 мм избежать или существенно уменьшить эрозионные нагрузки можно только дроблением жидкости сверхкритическим паровым потоком.
Для пусковых режимов заводом предусмотрена система охлаждения выхлопов впрыском конденсата форсунками в патрубок конденсатора - рис. 17. Транспортирование влаги в выхлопные патрубки осуществляется обратными потоками. Совместные исследования показали, что при расходе конденсата на форсунки 140 т/ч можно добиться предельно низких температур в выхлопных патрубках, но эрозионная нагрузка на лопатки возрастает многократно. Поэтому завод по результатам системных опытов сократил количество форсунок в два раза и рекомендовал включение системы возможно реже.
Другим источником охлаждения на пусковых режимах являются пароприемные устройства – рис 18. Хотя они спроектированы для приёма пара от ПСБУ, однако их участие в процессах охлаждения заметно и может достигать 20 – 220С.
На рис. 19 показана типичная картина повреждения выходных кромок лопаток обратными потоками, а на рис. 20 – совместное действие температурного и эрозионного процессов. На режимах с дефицитом охлаждения лопатки потеряли периферийный стеллит, после чего процессная влага испортила профиль лопатки, а на режимах с избыточным увлажнением обратными потоками на выходных кромках – обширные зоны эрозионного повреждения металла.
На рис. 21 – первая модификация ТМЗ системы охлаждения ЦНД на теплофикационных режимах. Трубопровод охлаждающего пара берёт пар из верхнего отбора и после двух ступеней увлажнения и сепарации подает в камеру паровпуска при закрытых ресиверных задвижках. На рис. 22 - трубопровод поднимается с нулевой отметки, где установлены две ступени увлажнения и одна ступень сепарации, до девятой отметки и после второй ступени сепарации подключается к камере паровпуска с левой стороны.
По результатам подробных исследований охлаждающего контура было разработано компактное и маневренное устройство с плавным регулированием расхода пара и конденсата – рис. 23. Функционально оно представляет байпасный контур по отношению к ресиверным задвижкам. В работу включается автоматически при закрытии ресиверных задвижек.
Рациональная организация смесеобразования в байпасном контуре – нисходящий поток вблизи камеры паровпуска и плавное регулирование расхода – были использованы заводом на следующем этапе разработки при создании второй модификации охлаждающей системы – рис. 24. Пар из камеры паровпуска при закрытых регулирующих диафрагмах, которые выполняют функции запорных органов при отсутствии ресиверных задвижек, подаётся после увлажнения в камеру десятого отбора. Во избежание эрозии охлаждение проточной части осуществляется только сухим или слабо перегретым паром.
Одновременно с исследованием рассмотренных охлаждающих устройств завод развернул работу по созданию системы заградительного охлаждения – рис. 25. Это был первый в отечественной и, пожалуй, мировой практике опыт. Совместные исследования первой – с вертикальной - и второй – с наклонной сверхкритической струей пара на ТЭЦ-23 показали высокую охлаждающую и заградительную эффективность – рис. 26. Крупные капли обратных потоков разрушались струей, а температура в выхлопном патрубке снижалась до уровня насыщения при расходе охлаждающего пара менее 1,5 т/ч.
В то же время проникновение охлаждающего потенциала в проточную часть по-прежнему ограничивали отрицательные углы взаимодействия пара кольцевой струи с лопатками.
Чтобы преодолеть это препятствие, на следующем этапе разработок сверхкритическая струя была закручена и впервые испытана на ТЭЦ-26 – рис. 27. К сожалению, к этому и последующим этапам разработки Турбомоторный завод не проявил интереса и систему заградительного охлаждения доводить до промышленного образца пришлось ЦКТИ.
На рис. 28 наглядно виден потрясающий охлаждающий эффект заградительной струи: температура перед лопатками снижается до уровня насыщения. Потенциал охлаждения был настолько велик, что полностью подавлял влияние штатной системы охлаждения выхлопов и конечного впрыска.
По результатам длительных и обстоятельных испытаний был создан промышленный образец заградительного охлаждения, который с 2000 года работает на турбинах Т-250/300-240 Минской ТЭЦ-4 – рис. 29.
Начиная с этого этапа и во всех последующих – вплоть до настоящего времени – принимает активное и ведущее участие в разработке высокоэффективных средств охлаждения, эрозионной безопасности, эксплуатационного температурного и диагностического контроля последних ступеней, в конечном счёте – в решении отраслевой проблемы.
Усовершенствованная система парообеспечения заградительного охлаждения на пусковых режимах работает от сбросного паропровода ПСБУ, а на теплофикационных режимах – от нижнего отбора. При падении в нём давления ниже минимальной величины (0,5 кгс/см2) система одной задвижкой подключается к верхнему отбору – рис. 30.
Эффективность заградительного охлаждения на холостом ходу показана на рис. 31. Система способна снижать температуру перед лопатками до уровня 1000С. Даже без собственных впрысков она способна поддерживать устойчивое тепловое состояние последних ступеней на допустимом уровне.
Такая же высокая эффективность заградительного охлаждения на теплофикационных режимах с закрытыми регулирующими диафрагмами – рис. 32 – как с одно - так и с двухступенчатым впрыском в пароохладители.
Принципиальный вопрос – экономичность систем охлаждения. На рис. 33 приведены экспериментальные расходные характеристики систем первой и второй модификации ТМЗ, байпасного контура и заградительного охлаждения Минской ТЭЦ-4. Поскольку ресиверные задвижки демонтированы, байпасный контур из дальнейшего рассмотрения исключается. На рис. 33 расход пара на заградительное охлаждение в 3 – 4 раза меньше, чем в системах первой и второй модификации ТМЗ.
На рис. 34 приведены сравнительные характеристики для восьми средство охлаждения по девяти показателям. Электростанции, где актуальна проблема охлаждения ЦНД на малорасходных режимах, могут по этой таблице сделать оптимальный выбор для своих условий эксплуатации.
А мы рассмотрим вариант замены первой и второй модификации ТМЗ на заградительное охлаждение. Из рис. 35 видно преимущество последнего. Оно тем более очевидно, если принять во внимание, что системы завода работают только на теплофикационных режимах, а для пусков требуются другие средства.
Завершим экскурс по проблеме экономическими показателями работы турбин Т-250/300-240 с заградительным охлаждением Минской ТЭЦ-4. Они представлены на рис. 36. Более чем убедительно. Лишено смысла калечить последнюю ступень и устраивать лопаткам обрезание до 830 мм, что предусмотрено проектом ВТИ по модернизации Т-250. Рис. 36 показывает очевидную нецелесообразность такого направления модернизации для существующих климатических условий, не говоря о других отрицательных сторонах этого мероприятия.
И последнее – об эрозионной безопасности заградительного охлаждения. На рис. 37, 38, 39, 40 показано состояние лопаток турбины ст. № 6 Минской ТЭЦ-4 после шести лет эксплуатации. Эрозия выходных кромок, вопреки расхожим домыслам и амбициозным декларациям некоторых организации и лиц, перестала быть фактором, определяющим ресурс лопаток или необходимость ремонтно-восстановительных работ.
Завершим путешествие по проблеме практическим действием. Реализацию заградительного охлаждения на электростанциях в комплекте с поставкой эксплуатационных и диагностических систем контроля в настоящее время выполняет . Пакет мероприятий содержит четыре раздела. Он - на рис. 41.
