Введение к работе
Актуальность работы. Паровые турбины (ПТ) тепловых электростанций, а также турбоагрегаты, входящие в состав парогазовых установок (ПГУ), являются базовым генерирующим оборудованием, обеспечивающим более 60% вырабатываемой электроэнергии и почти 32% тепловой мощности для отопления потребителей жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) России. Такие же тенденции и пропорции в тепловой энергетике останутся в ближайшие годы.
В то же время, существенная часть эксплуатирующегося паротурбинного оборудования тепловых электрических станций выработала свой ресурс или выработает его в ближайшее время. Анализ показывает, что к 2015 году более 64% установленных мощностей исчерпают свой парковый ресурс.
Учитывая, что большая часть паровых турбин, введенная в строй в 50-е годы, с параметрами острого пара Ро=90атм, Т0=540С находится за гранью исчерпания ресурса, по удельным показателям не соответствует современным требованиям и в ближайшей перспективе будет выведена из эксплуатации, актуальным становится вопрос проведения модернизаций паровых турбин с параметрами острого пара Ро=130-К240атм, То=540-565С. Кроме этого, планируемый ввод новых мощностей требует внедрения технических решений, позволяющих улучшить экономические показатели в целом по паротурбинному блоку, а также повысить надежность и ремонтопригодность элементов проточной части.
На основании изложенного, наиболее представительным и перспективным классом для проведения модернизации являются паровые турбины критического давления мощностью 60-К200МВт, а также сверхкритического давления мощностью 300МВт и более. В совокупности это наиболее крупная серия паровых турбин (916 шт. и 131 шт., соответственно), изготовленных «ЛМЗ» филиал ОАО «Силовые машины».
Кроме этого, количество турбоагрегатов мощностью 40-К300МВт, выпущенных ЗАО «УТЗ» и находящихся в эксплуатации в энергосистемах России составляет ориентировочно около 300 единиц.
Одним из важных направлений работ по повышению надежности и экономичности паротурбинного оборудования являлась модернизация элементов проточных частей, в т.ч. усовершенствование надбандажных и концевых уплотнений. В последнее десятилетие был выполнен ряд работ по созданию различных видов конструкций сотовых уплотнений для их использования в проточных частях паровых турбин. В основном это касалось установки сотовых уплотнений в ЦВД паровых турбин мощностью 30МВт. В конце 90-х годов в ряде энергосистем, в т.ч. ОАО «Мосэнерго», были предприняты попытки использовать уплотнения сотовой конструкции для влагоулавливания с периферии безбандажных ступеней ЦНД турбин класса ПТ-80, Т-100, К-200, Т-175, Т-250. В те же сроки на турбинах Т-250 применены задние концевые уплотнения сотовой конструкции на РСД-2, а в начале нашего столетия установлено экспериментальное концевое уплотнение на блоке К-500-65/3000 Смоленской АЭС.
Необходимо отметить, что данные работы носили опытно-экспериментальный характер, ограничились единичным внедрением и не нашли широкого серийного применения в проточных частях паровых турбин большой мощности на критические и сверхкритические параметры пара.
В связи с изложенным, тема данной работы - «разработка и применение усовершенствованных конструкций сотовых уплотнений в проточных частях паровых турбин большой мощности» - несомненно, является актуальной.
Цель работы: создание усовершенствованных конструкций сотовых уплотнений для различных типов паровых турбин, в том числе большой мощности 60^-1200МВт, позволяющих повысить эксплуатационные характеристики проточных частей и отвечающих современным требованиям по экономичности, надежности и ремонтопригодности.
Задачи исследования.
1. Проведение стендовых экспериментальных исследований конструкций со
товых уплотнений, определение их расходных и силовых характеристик, сравнение
с аналогичными характеристиками, определенными для традиционно применяю
щихся типов уплотнений.
Разработка и внедрение экспериментально обоснованных унифицированных конструкций надбандажных сотовых уплотнений, взаимозаменяемых с существующими осерадиальными «корытообразными» вставками, применяемыми в настоящее время на турбоагрегатах мощностью 30(Н800МВт .
Разработка унифицированных технических решений для проведения модернизаций проточных частей ЦВД и ЦСД турбин на критические параметры пара мощностью 6(Н200МВт за счет установки надбандажных сотовых уплотнений.
Проведение экспресс-испытаний турбоагрегата класса К-300-240 с целью определения эффективности работы сотовых надбандажных уплотнений в течение межремонтного периода эксплуатации.
Промышленное освоение в производстве и эксплуатации сотовых уплотнений для различных классов паровых турбин мощностью 6(Н1200МВт.
Разработка маршрутно-технологических карт для доработки проточных частей турбоагрегатов под установку сотовых уплотнений в условиях энергоремонтных предприятий.
Научная новизна работы заключается:
в комплексе научно-технических решений по разработке сотовых уплотнений проточных частей ЦВД, ЦСД и ЦНД, включая высоконагруженные ступени с реактивным и активным облопачиванием паровых турбин широкого мощностного ряда от 60 до 1200МВт ТЭС и АЭС;
в экспериментальном исследовании силовых и расходных характеристик различных типов сотовых уплотнений,анализе и разработке рекомендаций по назначению оптимальных зазоров, позволяющих обеспечить повышение экономичности и безопасности эксплуатации турбоагрегатов, в том числе на сверхкритические параметры пара;
в экспериментальном определении величины неконсервативной составляющей аэродинамической силы (АС), а также характеристик вихревого потока в над-бандажной камере сотового уплотнения;
в получении экспериментальных данных по экономической эффективности сотовых уплотнений при промышленных исследованиях на электростанциях паровых турбин мощностью 300МВт;
в экспериментальном исследовании и получении опытных данных по стабильности характеристик сотовых уплотнений в процессе длительной эксплуатации на турбинах широкого мощностного ряда;
в получении результатов промышленных исследований по оценке работоспособности элементов проточных частей цилиндров паровых турбин (ротор, элементы статора, с установленными сотовыми уплотнениями) при возникновении нерасчетных режимов;
Достоверность результатов и выводов обеспечивается:
- положительными результатами натурных испытаний и их совпадением с рас
четными данными, полученными заводами-изготовителями паровых турбин ЛМЗ
филиал ОАО «Силовые машины» и ЗАО «УТЗ», подтверждающих повышение эко
номичности проточных частей паровых турбин широкого мощностного ряда при их
оснащении сотовыми надбандажными и концевыми уплотнениями;
опытом эксплуатации, подтверждающим повышение надежности и безопасности работы турбоагрегатов с сохранением работоспособности узлов проточных частей (ротор, детали статора с установленными сотовыми уплотнениями) при возникновении нештатных ситуаций;
результатами проведенных стендовых испытаний натурных моделей сотовых уплотнений, подтверждающих способность уплотнений данного типа подавлять возбуждающие аэродинамические силы;
подтверждением стабильности характеристик сотовых уплотнений с точки зрения минимизации над бандажных протечек в проточной части ЦВД, и как
следствие сохранение экономического эффекта в течение межремонтного периода эксплуатации на турбоагрегатах мощностью 60-КЗ00МВт;
положительными результатами вибрационных испытаний паровых турбин на сверхкритические параметры пара класса К-300-240 с точки зрения отсутствия возникновения низкочастотной вибрации (НЧВ) при установке надбандажных сотовых уплотнений в проточных частях ЦВД и ЦСД;
положительными результатами доработки проточных частей турбоагрегатов при установке сотовых уплотнений в условиях энергоремонтных предприятий, а также заводов-изготовителей паровых турбин.
Практическая значимость работы заключается:
- в разработке унифицированной конструкции сотовых уплотнений, позволяю
щей осуществлять их установку практически на все типы паровых турбин мощно
стью от 60 до 1200МВт производства «ЛМЗ» филиал ОАО «Силовые машины»
г. Санкт-Петербург, а также ЗАО «УТЗ» г.Екатеринбург и ОАО «Турбоатом»
г.Харьков;
- в повышении надежности и безопасности эксплуатации турбоагрегатов мощ
ностью 60-К300МВт во всём эксплуатационном диапазоне работы;
- в обеспечении прироста относительного внутреннего КПД цилиндра ЦВД
на 1,2-1,7% к нормативному значению при его незначительном снижении во время
эксплуатации в течение межремонтного периода;
- в уменьшении пропаривания через концевые уплотнения с обеспечением нормализации ра
боты эжекторов и, как следствие, устранением обводнения масляной системы;
- в сокращении времени пусковых операций при использовании концевых сото
вых уплотнений;
- в снижении затрат на проведение ремонтов сотовых уплотнений в течение не
менее 2-КЗ межремонтных периодов.
Реализация работы.
Разработанные технические решения по модернизации проточных частей турбоагрегатов большой мощности за счет установки сотовых уплотнений воплощены в конструкторской документации НПП «АРМС» и согласованы с заводом-изготовителем паровых турбин «ЛМЗ» филиал ОАО «Силовые машины». Разработки, выполненные под руководством автора и при его непосредственном участии, внедрены на эксплуатирующихся турбинах мощностью 60-КЗООМВт в ОАО «Мосэнерго» (ТЭЦ-9, ТЭЦ-16,ТЭЦ-26, ТЭЦ-23),в ОАО «Татэнерго» («Казанская ТЭЦ-3», «Нижнекамская ТЭЦ-1», «Набережно-Челнинская ТЭЦ»), в ОГК-1 («Каширская ГРЭС», «Ириклинская ГРЭС»), в ОГК-2 («Сургутская ГРЭС-1»), в ОГК-5 («Конаковская ГРЭС»), на «Лукомльской ГРЭС» (Республика Беларусь), при этом суммарное количество модернизированных паровых турбин в различных энергосистемах составляет более 100 единиц.
Положительный опыт внедрения различных видов сотовых уплотнений подтвержден длительной безаварийной эксплуатацией паровых турбин в течение 10 лет.
О завершенности реализации работы свидетельствует освоение в эксплуатации турбоагрегатов с установленными сотовыми уплотнениями с подтверждением заявленных гарантийных показателей, а также внедрением разработанных технологий доработки проточных частей турбин на ряде энергоремонтных предприятий, в том числе: ЦРМЗ филиал ОАО «Мосэнерго», «Камэнергоремонт» филиал ОАО «Татэнерго», ОАО «Уралэнергоремонт».
Результаты работы широко используются как на действующих турбоагрегатах различной мощности ЗО-КЗООМВт, так и при разработке новых паровых турбин мощностью 660^-1200МВт, в том числе для атомных электростанций (Белоярская АЭС, Нововоронежская АЭС, Ленинградская АЭС).
На защиту выносятся следующие положения:
1. Результаты стендовых экспериментальных исследований расходных и силовых характеристик сотовых уплотнений, их сравнение с характеристиками типовых уплотнений, применяемых в проточных частях паровых турбин.
Разработка, обоснование и применение конструкций сотовых надбандажных уплотнений при оснащении проточных частей паровых турбин мощностью 6(Н1200МВт, основанное на результатах экспериментальных исследований.
Результаты натурных тепловых испытаний турбоагрегата К-3 00-240 с установленными сотовыми уплотнениями в ЦВД.
Разработка и обоснование использования концевых сотовых уплотнений в ЦСД-2 и ЦНД на турбинах класса Т-250/300-240.
5. Результаты промышленного внедрения в эксплуатацию сотовых надбан
дажных и концевых уплотнений на турбоагрегатах мощностью 60-КЗ00МВт.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на заседаниях и совещаниях:
Заседание подсекции «Тепломеханическое оборудование» НТС ОАО РАО «ЕЭС России» по теме: «Повышение эффективности паровых турбин за счет внедрения сотовых уплотнений», г.Москва, «Фирма ОРГРЭС», 25 апреля 2005г.
Заседание НТС (Протокол № 11 от 27.06.2011г.) кафедры «Турбиностроение и средства автоматики» ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский институт машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ).
Заседание кафедры (Протокол № 5 от 23.06.2011г.) «Турбинные двигатели и установки» Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей, получено 10 патентов на изобретения и полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка публикаций из 6 наименований. Работа содержит 169 страниц, включая 84 рисунка и 20 таблиц.
