автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Исследование эксплуатационных характеристик паротурбинной установки К-1200 240-ЗАО ЛМЗ на Костромской ГРЭС

Костромская ГРЭС, РАО «ЕЭС России»

На правах, рукописи

РЕМЕЗОВ

Александр Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ К-1200-240-3 АО ЛМЗ НА КОСТРОМСКОЙ ГРЭС

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции (тепловая часть)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук Куличихин В.В.

Научный консультант доктор технических наук Хоменок Л.А.

Москва - 1998

Реферат

Диссертация 167 стр., 16 табл., 46 рис., 86 библ.

Исследование эксплуатационных характеристик паротурбинной установки, повышение экономичности, маневренность, надёжность.

Объектом исследований является паротурбинная установка К-1200-240-3 АО ЛМЗ.

Целью работы являлись комплексные исследования эксплутацион-ных характеристик уникальной паротурбинной установки мощностью 1200. МВт, выявление и реализация резервов повышения ее экономичности, маневренности и надежности на основе анализа и обобщения результатов экспериментальных исследований.

Разработана методика проведения экспериментальных исследований с увеличенным объемом и высокой точностью измерений.

Выработаны методики: •исследования теплового состояния ЦНД на малорасходных режимах, •исследования осевых и радиальных зазоров в проточных частях цилиндров в процессе эксплуатации,

•исследования вибрационного состояния турбоагрегата, •нормализации тепловых расширений мощных паровых турбин.

Разработаны режимы эксплуатации, конструкции отдельных узлов, усовершенствованная тепловая схема, система опирания цилиндров, новые технологические методы, способы и приемы, обеспечивающие высокую экономичность, надежность, маневренность основных элементов турбоагрегата.

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

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение....................................................................................................................В

Глава 1.Современное состояние вопроса...........................................................14

1.1 .Обзор литературы...................................................................................14

1.2.Постановка целей и задач исследований............................................21

Глава 2. Объект и методика экспериментальных исследований..................22

2.1 .Объект исследований..............................................................................22

2.2.Методика исследований тепловой экономичности паротурбинной установки...................................................................25

2.3.Методика определения энергетических характеристик турбопитательных насосов..................................................................32

2.4.Методика измерения основных параметров......................................34

2.4.1.Измерение электрической мощности.......................................36

2.4.2.Измерение температур.................................................................37

2.4.3.Измерение давлений.....................................................................50

2.4.4.Измерение расходов пара и воды..............................................51

2.5.Методика исследования теплового состояния ЦНД на малорасходных режимах......................................................................53

2.6.Методика исследования зазоров в проточной части

турбины....................................................................................................53

2.7.Методика исследования сил взаимодействия корпуса

турбины и фундамента в процессе эксплуатации............................67

2.8.Методика исследования вибрационного состояния турбины........73

Глава 3. Исследование тепловой экономичности паротурбинной

установки К-1200-240-3.........................................................................74

3.1.Оценка погрешности определения экономичности паровых

турбин.......................................................................................................74

3.2.Результаты исследования тепловой экономичности

турбоустановки К-1200-240-3..............................................................77

3.2.1 .Исследование экономичности ЦВД и ЦСД турбины

К-1200-240-3 в межремонтный период....................................93

3.3. Выводы по главе...................................................................................106

Глава 4.Исследование теплового и термонапряжённого состояния ЦНД. 108

4.1 .Исследование теплового состояния ЦНД на малорасходных

режимах..................................................................................................108

4.2.Расчет температурных полей и напряжений в рабочих лопатках

последней ступени ЦНД.....................................................................114

4.3.Определение потерь мощности на трение и вентиляцию..............119

4.4.Выводы по главе....................................................................................121

Глава 5.Исследование зазоров в проточной части турбины

К-1200-240-3......................................................................................122

5.1 .Определение взаимных смещений осей ротора и статора.............122

5.2.Результаты проведенных исследований............................................123

5.3.Выводы по главе....................................................................................129

Глава 6.Исследование тепловых расширений турбины К-1200-240-3... 131

6.1. Исследование силового взаимодействия элементов турбины К-1200-240-3..........................................................................................131

6.2.Выводы по главе....................................................................................137

Глава 7.Исследование вибрационного состояния турбины

К-1200-240-3..........................................................................................140

7.1 .Реконструктивные работы на подшипниках турбины..................140

7.2.Результаты исследование вибрационного состояния турбины... 141

7.3.Выводы по главе....................................................................................155

Заключение............................................................................................................1 56

Список использованной литературы................................................................160

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И

СОКРАЩЕНИЯ

Условные обозначения

1. Параметры и характеристики паротурбинных установок и их элементов

О - массовый расход рабочего тела; N - мощность;

М - момент на валу турбины;

Но - располагаемый теплоперепад; Н - использованный теплоперепад;

1 - энтальпия:

<3 - количество подведенной теплоты;

q - удельный расход теплоты;

Ь - удельный расход условного топлива;

п - частота вращения;

т| - КПД ступени (цилиндра);

ф - коэффициент скорости соплового аппарата;

р - степень реактивности;

8 - степень парциальности.

2. Геометрические характеристики проточных частей турбин и их элементов

I], 2, г - оси координат, соответствующие направлению окружной

скорости и, оси турбины ъ и радиусу г; Б - диаметр ступени;

1 - длина лопатки вдоль радиуса.

3. Кинематика потока

С - абсолютная скорость;

\¥ - относительная скорость;

и - окружная скорость;

Со - условная скорость, рассчитанная по полному изоэнтро-пийному перепаду на ступень.

4. Критерии и газодинамические параметры потока Re - число Рейнольдса;

Nu - число Нуссельта;

X - относительная скорость (отношение скорости потока к

критической скорости); Р - давление;

Т, t - температура [К, °С]; р - плотность;

R - газовая постоянная;

к - показатель изоэнтропии.

5. Индексы

в - внутренний;

и - окружной;

opt - оптимальный; min - минимальный; шах - максимальный; t - теоретический;

ср. - средний; к - корневое сечение;

п - периферийное сечение;

пр. - профильные потери; I - суммарные потери;

* - полные параметры;

- относительный; е - эффективный;

oi - внутренний относительный;

бр. - брутто;

нет. - нетто. 6. Сокращения

НПО ЦКТИ - Научно - производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И.Ползунова;

ХТГЗ - Харьковский турбогенераторный завод;

ЛМЗ - Ленинградский металлический завод;

УТМЗ - Уральский турбомоторный завод;

ЛПИ - Ленинградский политехнический институт;

ВТИ - Всероссийский теплотехнический институт;

ТЭС - тепловая электростанция;

АЭС - атомная электростанция;

ЦВД, ЦСД, ЦНД - цилиндры соответственно высокого, среднего и низкого давлений;

ВПУ - валоповоротное устройство;

ПТУ - паротурбинная установка;

ПВД. ПНД - поверхностные подогреватели соответственно высокого и низкого давления;

ПКУ, ЗКУ - концевое уплотнение соответственно переднее и заднее.

ВВЕДЕНИЕ

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 целом;

— предложена методика исследования теплового состояния ЦНД на малорасходных режимах;

— разработана методика исследования осевых и радиальных зазоров в проточных частях цилиндров в процессе эксплуатации;

— разработана методика исследования вибрационного состояния турбоагрегата;

— разработаны 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 работы;

— повторяемостью результатов многочисленных опытов, выполненных в различное время;

— достаточной сходимостью результатов, проведенных в промышленных условиях экспериментальных исследований, с результатами, полученными на заводских стендах, а также сходимостью результатов экспериментальных и расчетных исследований;

— положительными 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 освоения;

— разработанные 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 турбоагрегата; в 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 эксплуатации; внедрении 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 п�