Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы и перспективы производства электроэнергии на тепловых электростанциях 7
1.1. Пути снижения затрат на производство электроэнергии тепловыми электростанциями 7
1.2. Описание системы маслоснабжения турбины как объекта исследования 15
1.3. Возможные нарушения нормальной эксплуатации маслосистем паровых турбин 24
1.4. Анализ специфики конструкции подшипников и режимов работы турбогенератора, приводящих к взаимным
перетокам масла и конденсата 27
1.5. Выводы по первой главе 30
2. Влияние обводнения масла на эксплуатационные процессы и состояние энергоблоков. способы стабилизации характеристик масла 32
2.1. Производственные и экологические проблемы обводнения масла 32
2.2. Обобщение материалов по способам стабилизации эксплуатационных характеристик масла 36
2.3. Оценка эффективности регламентного контроля обводнения масла 40
2.4. Статистические исследования результатов контроля влажности масла, эксплуатируемого на Новочеркасской ГРЭС 42
2.5. Постановка задачи по разработке средств автоматического контроля обводнения турбинного масла и защиты турбогенератора от взаимных перетоков рабочих жидкостей 52
2.6. Выводы по второй главе 54
3. Теоретические исследования электрофизи ческих свойств эмульсий типа «вода в масле» 56
3.1. Формирование основных принципов автоматического контроля влажности масла в турбогенераторе 56
3.2. Исследование диэлектрического метода измерения влажности веществ. Выбор информативного параметра и частотного диапазона измерения 59
3.3. Анализ теории комплексной диэлектрической проницаемости гетерогенных систем. Математическое описание соотношений между составом и электрофизическими свойствами разбавленной эмульсии типа «вода-масло» 65
3.4. Стабилизация состава эмульсии в гидродинамических условиях сливного трубопровода подшипника 71
3.5. Оптимизация принципа, структуры и режимов измерения влажности масла 75
3.6. Выводы по третьей главе 78
4. Экспериментальные исследования диэлектриче ского метода контроля влажности турбинного масла 81
4.1. Физическое моделирование процесса движения масла в сливном маслопроводе подшипника 81
4.2. Исследование метрологических характеристик емкостного датчика 84
4.2.1. Анализ измерительного поля датчика 84
4.2.2. Исследование зависимости емкости датчика от влажности и температуры : 86
4.3. Частотный первичный преобразователь для эксплуатационных условий 91
4.4. Испытания частотного первичного преобразователя влагомера на имитаторе объекта 94
4.5. Испытания частотного первичного преобразователя в эксплуатационных условиях 97
4.6. Разработка и исследование узла пробоподготовки , 104
4.7. Выводы по четвертой главе 111
5. Разработка опытно-промышленного образца системы контроля обводнения турбинного масла 112
5.1. Постановка задачи оптимального проектирования системы 112
5.2. Функциональная схема влагомера турбинного масла с выходом на контроллер РемиконтР-130 114
5.3. Алгоритмическая структура контроллера Ремиконт Р-130 для влагомера турбинного масла 117
5.4 Анализ результатов опытно — промышленных испытаний влагомера турбинного масла 121
5.5. Перспективы использования влагомера в системе управления качеством турбинного масла 126
5.6. Выводы по пятой главе 132
Заключение 134
Литература
- Описание системы маслоснабжения турбины как объекта исследования
- Обобщение материалов по способам стабилизации эксплуатационных характеристик масла
- Исследование диэлектрического метода измерения влажности веществ. Выбор информативного параметра и частотного диапазона измерения
- Исследование метрологических характеристик емкостного датчика
Введение к работе
Надежность работы маслонаполненного энергетического оборудования, увеличение межремонтного периода, трудозатраты на его ремонт и эксплуатацию в значительной мере зависят от состояния турбинного масла, залитого в систему смазки и регулирования тепломеханического оборудования. Поэтому основная задача эксплуатации энергетических масел — обеспечить сохранение на определенном уровне требуемых показателей качества масла в течение длительного периода времени. Проблема сохранения качества масла усугубляется еще и тем, что на всех энергопредприятиях резко сократилось поступление свежих масел из-за уменьшения выпуска отдельных видов отечественных масел (особенно огнестойкого турбинного) и сокращения закупок импортных масел [ 1 ].
Кроме того, наряду с дефицитом масел, возникла новая проблема - огромный рост стоимости свежих масел. Цена турбинного нефтяного масла возросла многократно, а огнестойкого и того более. А если к этому добавить дополнительные трудности — необходимость получения лицензий, задержки прохождения платежей при расчетах с поставщиками масел в других государствах СНГ, постоянно растущие затраты на транспортировку, то все это выдвигает работы по восстановлению отработанных масел, рациональному использованию и удлинению срока службы эксплуатационных масел в разряд первоочередных задач.
Срок службы масла при хорошей организации эксплуатации составляет 5 - 10 лет и снижается до 1 года при плохой.
Недостаточное внимание к качеству масла в системе смазки и регулирования турбоагрегатов влечет за собой увеличение расхода свежего масла на нужды эксплуатации, превышая нормативную потребность на 20-30 %, а иногда достигает еще больших величин. Кроме того, существенно увеличиваются трудозатраты персонала, вынуждая регулярно включать в работу маслоочистительную машину, чаще дренировать воду, скапливающуюся в нижней части маслобаков турбин и питательных насосов, чаще выполнять
перезарядку фильтров тонкой очистки. А при ремонтах это в 2-3 раза увеличивает трудозатраты на очистку маслосистемы от шлама и отложений, а также удлиняет время капитальных ремонтов. Согласно статистическим данным [2, 3] приблизительно 20-25 % всех вынужденных простоев турбоагрегатов на электростанциях происходит вследствие выхода из строя (отказа) подшипников, причем доля неисправностей опор скольжения, обусловленная загрязнением смазочного материала, составляет 50-55 %. Из-за неисправностей элементов маслосистемы происходит до 10 % всех отказов турбоагрегатов [4]. Это показывает, что качество турбинного масла является важнейшим фактором повышения надежности работы турбоагрегатов и снижения эксплуатационных затрат. Сокращение же объема использования свежих масел достигается путем проведения очистки, регенерации, стабилизации свойств масел вводом присадок, снижением вместимости масляных баков и постоянным контролем за качеством масла.
Реализация мероприятий по повышению уровня эксплуатации энергетических масел позволяет не менее чем на 30 % сократить потребление свежих масел [5].
Описание системы маслоснабжения турбины как объекта исследования
Маслосистема обеспечивает надежную и устойчивую работу подшипников скольжения паровой турбины, генератора, питательных турбо-(ТПН) и электронасосов (ПЭН), а также гидромуфты ПЭН и водородных уплотнений вала генератора. Основным требованием к маслосистемам должна быть обеспечение надежности ее работы. Известно [6, 7], что примерно половина аварийных остановов паровых турбин происходит из-за неполадок в маслосистемах. При этом продолжительность простоев по этой причине превышает в 1,5 раза простои по всем другим причинам аварийных ситуаций, происходящих на паровых турбинах. В табл. 1.2. приводятся данные по остановам паровых турбин энергоблоков Новочеркасской ГРЭС за период с 2000 г. до 2002 г. Там же даны сведения по остановам из-за повреждений подшипников, работа которых напрямую зависит от качественной работы системы маслоснабжения турбоагрегатов.
Согласно статистических данным ВТИ количество всех вынужденных простоев турбоагрегатов на электростанциях России, происходящих вследствие выхода из строя (отказа) подшипников, узлов и агрегатов гидравлических систем основного и вспомогательного оборудования, работающих на турбинном масле, доходит до 30 - 40 %. Из этого числа отказов доля неисправностей, обусловленная загрязнениями масел, используемых для смазки трущихся частей подшипников, в системах автоматического регулирования и уплотнения вала турбоагрегатов составляет 50 — 55 %. Таким образом, до 15 - 20 % всех отказов в работе турбоагрегатов на ТЭС вызвано загрязнением турбинных масел.
Система маслоснабжения всех агрегатов одного энергоблока выполняется централизованной (рис. 1.1) [6]. Из чистого отсека маслобака масло проходит фильтры и поступает на всас маслонасосов переменного (рабочие) и постоянного (аварийные) электроснабжения для надежности. Затем масло прокачивается через систему маслоохладителей (5 шт.), установленных параллельно. После маслоохладителей масло поступает в напорный коллектор, откуда направляется на смазку всех подшипников турбины, генератора и возбудителя. Из этого же коллектора масло направляется по линии 6 на смазку подшипников ТПН, ПЭН и резервного возбудителя, а также на всас насосов, повышающих давление масла в системе уплотнений вала генератора.
Слив масла из подшипников турбогенератора осуществляется самотеком через сливной коллектор в грязный отсек главного масляного бака. Сюда же поступает масло из подшипников ПЭН и ТПН, гидромуфт и от маслосбрасьтвающих клапанов 13 по отдельным коллекторам. Сливные маслопроводы от подшипников имеют смотровые стекла для визуального контроля.
Маслосистема энергоблока имеет также аварийную систему смазки подшипников, с помощью напорного бака, установленного на высоте, обеспечивающей смазку подшипников самотеком.
На рис. 1.2. представлена схема подачи масла на уплотнения вала генератора. Насосами подкачки масло направляется на фильтры 2 и дифференциальный регулятор 3 и затем в демпферный бак 4, из которого масло попадает на уплотнения. Слив масла из уплотнений осуществляется через гидрозатворы 5 в общий коллектор 6 генератора до петлевого гидрозатвора 7. В этом же месте осуществляется отсос паров масла, воздуха и водорода через расширитель-сепаратор 8 и вентилятор 9 (эксгаустер).
На рис. 1.3. представлена схема отсоса воздуха из различных точек маслосистемы. Отсос воздуха из всасывающих коллекторов направляется в выходное устройство, установленное на 300-500 мм ниже нормального уровня в маслобаке. Из верхних точек корпусов маслонасосов и маслоохладителей воздух удаляется в коллектор, расположенный выше уровня масла в маслобаке. Из верхних точек масляного и аварийного баков воздух отсасывается вентилятором-эксгаустером через сепаратор-расширитель. Для устранения воздуха и газов из различных агрегатов маслосистемы используются также ряд конструктивных мероприятий, которые способствуют активной деаэрации воздуха и газов из масла.
Система автоматического ввода резерва обеспечивает непрерывность подачи масла при подключении резервных насосов, поскольку подшипники должны обеспечиваться необходимым количеством масла и в аварийных ситуациях.
Для маслохозяйства паровой турбины большое значение имеют уровневые отметки установки маслобака и напорных бачков, которые должны обеспечивать свободный слив отработавшего масла из подшипников в маслобак и на подшипники из напорных бачков при аварийных ситуациях в маслосистеме.
Обобщение материалов по способам стабилизации эксплуатационных характеристик масла
Проблема сохранения качества масла требует критической оценки основных элементов, из которых слагается эксплуатация нефтяных турбинных масел: условий эксплуатации, влияющих на состояние масла; мероприятий, обеспечивающих сохранение качества масла на требуемом уровне; системы контроля качества масла.
Реализация мероприятий по повышению уровня эксплуатации энергетических масел позволит не менее чем на 30 % сократить потребление свежих масел. Согласно табл. 1.1 эта экономия в рублях будет выражаться суммой 760-770 тыс. р. По состоянию 2001 г.
Турбинные масла нуждаются в улучшении антиокислительных, антикоррозионных, деэмульгирующих и противопенных свойств. Для этой цели вводят различные химические соединения — присадки, которые были известны еще более 100 лет назад, но только за последние 30-40 лет стали активно применяться в стационарных паровых турбинах. Однако любая даже высококачественная присадка может дать эффект в том случае, если базовое масло хорошо очищено, имеет оптимальный углеводородный состав, хорошо подготовлено к вводу и использованию присадок [30, 36, 37].
Основными аспектами улучшения очистки масла являются нормирование чистоты масла, очистка и контроль качества очистки. ГОСТ 17216-71, классифицирующий чистоту смазочной жидкости по гранулометрическому составу, устанавливает 19 классов чистоты жидкости. Характерными для промышленных систем являются классы 5 и 6, но практически все энергопредприятия работают на масле 10-13 класса, а часто и выше [38]. Американская фирма HIAC, собравшая и обобщившая данные о чистоте масла 85 объектов в восьми странах (США, Канада, Япония, Австрия, Великобритания, ФРГ, Швеция, Франция) рекомендует для систем смазки турбин класс NAS 5, что соответствует уровню 8-9 классов ГОСТ 17216-71. Чтобы достичь указанного уровня чистоты в системах смазки и регулирования турбин, за рубежом используют следующие методы очистки: осаждение и центрифугирование; фильтрацию; адсорбцию или улавливание частиц загрязнения с помощью магнитных фильтров [39-41].
В отечественной теплоэнергетике маслосистемы турбоагрегатов имеют обычно две ступени полнопоточного фильтрования масла: - при сливе масла в бак; - перед чистыми отсеками главного масляного бака. Эта фильтрация в две ступени обеспечивает тонкость очистки масла до 100 мкм. Существуют также три ступени частично поточного фильтрования: - в системе водородных уплотнений вала электрогенератора; - после насосов гидроподъема шеек валопровода; - в контуре рециркуляции через очистительную машину типа ПСМ. Последние три ступени частично-поточной фильтрации доочищают масло от загрязнения крупнее 35-45 мкм [42,43].
В настоящее время активно внедряются новые установки по очистке масла. Такие установки имеют дополнительно систему подогрева масла и вакуумную камеру.
Для полнопоточного фильтрования турбинного масла обычно применяют сдвоенные плоские вертикальные сетки, закрепленные в рамах и установленные в шандорах масляного бака с возможностью периодической выемки их через люк наружу для очистки от осадка. Очистка фильтров от осадка представляет собой неприятную ручную операцию, эффективность которой незначительна. Для повышения чистоты турбинного масла Урал ВТИ по заданию РАО «ЕЭС России» разработал конструкцию полнопоточного напорного фильтра с развитой поверхностью, которая состоит из мелкоячеистой (25-60 мкм) фильтрующей перегородки из нержавеющей стали. Такой фильтр может использоваться для автоматической поочередной промывки (регенерации) каждого из большого числа цилиндрических фильтроэлемен-тов обратным током фильтра без перерыва общего процесса очистки турбинного масла [44,45].
Частично поточная очистка масла от примесей осуществляется в центробежных сепараторах (центрифугах), пресс-фильтрах, ватных фильтрах, адсорберах, молекулярных ситах и др. В зарубежной практике на непрерывную очистку и регенерацию подается до 10-20 % общего объема масла в системе [46]. В отечественной теплоэнергетике чаще используются маслоочи-стительные машины ПСМ 1-3000, в которых очищается 1-2 % общей подачи масла главными насосами. Используют их в основном в предпусковые и поел епусковые периоды, в остальных случаях периодичность работы ПСМ1-3000 зависит от результатов визуального контроля чистоты масла. Центробежная сепарация масла применяется для удаления воды, шлама, смолистых и асфальтовых примесей, золы, песка. Незначительно обводненное масло (0,1-0,3 %) очищают способом кларификации, т.е. без непрерывного отвода воды; при сильном обводнении - способом пурификации. Вакуумные центрифуги ускоряют обезвоживание масла по сравнению с обычными в четыре раза. Но этот метод связан с довольно значительными затратами энергии.
Исследование диэлектрического метода измерения влажности веществ. Выбор информативного параметра и частотного диапазона измерения
Графическая интерпретация зависимостей e [f) и tgS воды (а) и масла (б) показаны на рис. 3.2. Из графика видно, что є воды в диапазоне частот 0-Н О8 Гц сохраняет некоторое квазистатическое значение є =64,8 (при t= 65 С). При дальнейшем росте частоты, когда период переменного поля оказывается соизмеримым со временем релаксации [64], є воды уменьшается до величины 50. Тангенс угла диэлектрических потерь воды в области квазистатической диэлектрической проницаемости уменьшается пропорционально росту частоты, а затем увеличивается, достигая максимума в области аномальной дисперсии є . Частотные зависимости є {/) и tgS масла (рис. 3.2,6), как неполярного диэлектрика выражены существенно слабее, чем у воды. Поэтому, при выборе частоты, следует руководствоваться только зависимостью (/) воды. Температурная зависимость є воды в этом диапазоне составляет 0,005 ед. е на 1 С, є масла - 0,006 ед. на 1 С. Учитывая, что объем масла в пробе в 100 раз больше чем воды, температурный коэффициент е смеси определяется температурным коэффициентом е масла. Сравнение этих данных и величины чувствительности є к обводнению (0,03 ед. е на 1 % воды (п. 2.4)) показывает, что изменение температуры потока на 10 С эквивалентно увлажнению масла на 0,1 %.Это недопустимо большая погрешность для распознавания места обводнения. Следовательно, при разработке измерительной схемы надо вводить компенсацию по температуре.
Таким образом, исходя из частотных зависимостей составляющих є воды, информативным параметром метода следует выбрать е в связи с тем, что она сохраняет неизменным высокое значение в широком диапазоне частот до области дисперсии (10 Гц). Для того чтобы уменьшить влияние tgS, частота измерения должна находиться в области высоких частот этого диапазона (106- 108 Гц).
При измерении на частотах 10 - 10 Гц активные потери в пробе будут определяться лишь сквозной проводимостью. Эквивалентная схема конденсаторного датчика при этом упрощается и принимает вид, показанный на рис. 3.3.
Как следует из приведенных формул, ни в одну из них не включен размер частиц, т.е. степень диспергирования. Сведения по этому вопросу противоречивы: Эме Ф. [62], ссылаясь на работу Пиекара, приводит данные о том, что с увеличением степени диспергирования приращение є при вводе дисперсной фазы растет и может вдвое превысить величину, рассчитанную по предложенной им формуле. А.А.Абрамзон [12] утверждает, что влияние размеров частицы на диэлектрические свойства слишком мало и сделать определенных выводов по этому поводу невозможно.
Все вышеперечисленные формулы для расчета е гетерогенных систем выведены для квазистатического состояния, т.е. без учета динамики потока. Кроме того, электропроводность реальных диэлектриков также влияет на величину измеряемого параметра, связанного с е вещества. Оба фактора определяют величину поляризации межфазной поверхности и, следовательно, результирующую є системы.
В теории комплексной диэлектрической проницаемости гетерогенных дисперсных систем явлению поляризации поверхности раздела фаз уделено особое внимание. Результат поляризации характеризуется появлением дисперсии в частной зависимости є . Дисперсия е , вызванная гетерогенностью, отличается от дисперсии Е\ обусловленной поведением полярных молекул в электрическом поле (теория Дебая). Главное отличие состоит в том, что дисперсия є , вызванная молекулярной структурой, наблюдается в оптическом диапазоне частот (1010 - 1013 Гц), тогда как дисперсия є , вызванная гетерогенностью наблюдается в низкочастотном диапазоне (103 — 107 Гц), Следовательно, при определении частоты измерения руководствоваться результатами анализа общей теории диэлектриков недостаточно. Необходимо уточнить частоту измерения, анализируя поведение є конкретной гетерогенной системы в ориентировочно выбранном частотном диапазоне. Максвелл объяснил диэлектрическую дисперсию бинарной системы с помощью слоистой модели (рис. 3.4).
Эквивалентная электрическая схема такой системы показана на рис. 3.4,6. Общая комплексная емкость с и проводимость G определяются соотношениями:
Исследование метрологических характеристик емкостного датчика
Приступая к разработке технических средств реализации диэлектрического метода контроля обводнения турбинного масла, прежде всего, необходимо учитывать массовость потребителей этой аппаратуры в теплоэнергетике.
В России работает 450 электростанций. Если считать, что среднее количество турбогенераторов на электростанции пять, то их общее количество составляет 2250. Можно предположить, что потребуется такое же количество и приборов. Поэтому, вопросу оптимизации по совокупности показателей качества и цены должно быть уделено особое внимание.
Известно [76], что для оптимизации измерительной системы непрерывного контроля непосредственно в транспортных технологических потоках необходима достоверная информация, как в статических режимах, так и о динамике изменчивости параметров объекта контроля в виде модели случайной функции, описывающей измеряемые и влияющие величины в условиях за-шумленного нестационарного процесса.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что из-за ограничения объема статистического материала по вариации измеряемой и влияющих величин, произвести обычно используемый системный информационный подход (через модель измерительного процесса) не представляется возможным.
Суть проблемы состоит в следующем. После одной серии опытов с трехкратным принудительным обводнением до 0,5 % маслосистемы турбогенератора мощностью 300 МВт для восстановления качества масла потребовались значительные затраты (осушка, чистка и добавка присадок). При этом была получена лишь статическая характеристика преобразования. Чтобы получить достоверные значения дисперсий для оценки разрешающей способно сти и погрешности, а также динамических характеристик измерений, наблюдения необходимо выполнить не менее 200 раз [76],
Учитывая сложившуюся ситуацию, структура внедряемой в опытную эксплуатацию системы, ее элементы и режимы должны обладать необходимой гибкостью для того, чтобы иметь возможность для совершенствования их в реальных условиях работы турбоагрегата на этапе промышленного освоения, не прибегая к кардинальным переделкам.
Таким образом, по результатам экспериментальных исследований и анализа принципов системной оптимизации не только измерительных средств, но и процесса их разработки, были сформулированы следующие технические требования к автоматическому влагомеру турбинного масла:
- устройство должно иметь структуру, позволяющую простым добавлением каналов задействовать необходимое количество точек контроля от 1 до 8: при одной точке контроля оценивается величина и скорость обводнения маслосистемы в целом; при организации точки контроля на каждом сливе из подшипника появляется возможность обнаружения источника обводнения;
- для обработки и индикации информации, а также формирования команд по управлению средствами очистки масла целесообразно использовать внедренный на электростанциях микропроцессорный контроллер типа Реми-конт. Несмотря на то, что возможности этого контроллера в системе далеко не полностью задействованы, использование его на этапе промышленного освоения вполне оправдано из-за гибкости и простоты перепрограммирования; - программа обработки информации должна обеспечивать индикацию следующих сигналов и параметров: 1) текущее значение влажности и температуры масла; 2) скорость нарастания влажности; 3) сигнал о превышении влажности некоторой пороговой величины; 4) исключение ложных сигналов в нестационарных режимах.
Исходя из принципа измерения влагосодержания, заложенного в приборе, а также необходимости производить расчет коррекции выходной величины по температуре, была разработана система преобразования и обработки информации, функциональная схема которой представлена на рис.5.1.
Схема содержит 8 первичных преобразователей (ПП) Д1...Д8, один восьмиканальный вторичный преобразователь (ВП) и микропроцессорный контроллер Ремиконт Р-130. Над каждым датчиком Д1...Д8 размещен термопреобразователь сопротивления R±1...R±8. Принцип работы одного канала влагомера турбинного масла заключается в следующем. В блоке ПП конструктивно совмещены емкостный датчик и высокочастотный генератор (/=1500+1600 кГц). Датчик подключен к колебательному контуру генератора. Генератор на своем выходе формирует две частоты /оп и fpag (опорная и рабочая соответственно), максимальная разность между которыми составляет 20 кГц. Это достигается путем поочередного подключения к колебательному контуру генератора постоянной опорной емкости Соп и емкости датчика С&. Подключение той или иной емкости к контуру осуществляется при помощи электромагнитного реле, управляемого от ВП. Использование в ПП двух частот на общей элементной базе позволяет устранить погрешность от нестабильности частоты генератора, обусловленную изменением температуры или старением его элементов.
Вторичный преобразователь предназначен для управления датчиками измерения разности частот Л/и преобразования этой разности в стандартный токовый сигнал 0 + 5мА, Схема ВП включает в себя 8 одинаковых преобразователей «частота - аналог» и общую схему управления. Функционально каждый ПП совместно с преобразователем «частота — аналог» ВП образует самостоятельный канал контроля влагосодержания масла, поэтому влагомер турбинного масла может содержать от одного до восьми каналов. С выхода ПП частотные сигналы и fpas по высокочастотному кабелю поочередно подается на вход ВП. Разность частот Af fpa6 /о»ъ каждом канале ВП получается с помощью инвертора НЕ, двух схем совпадения И], И2 и реверсивного счетчика PC. Целесообразность такого преобразования обусловлена необходимостью убрать неизменяющуюся величину сигнала.
