Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы и постановка задач исследования 11
1.1. Направления и методы повышения эффективности работы выхлопных патрубков паровых турбин 12
1.2. Экспериментальные исследования выхлопных патрубков 19
1.3. Численное моделирование течения влажного пара в выхлопных патрубках паровых турбин 38
1.4. Выводы. Постановка задачи исследования 45
2. Исследование методами численного моделирования течения влажного пара в выхлопных патрубках паровых турбин ЗАО «УТЗ» 48
2.1. Численное моделирование течения влажного пара в выхлопном патрубке турбин серии Т-100 48
2.2. Исследование влияния направляющих ребер на эффективность выхлопных патрубков паровых турбин серии Т-100 56
2.3. Численное моделирование течения влажного пара в выхлопном патрубке турбин серии Т-250 60
2.4 . Исследование способов повышения эффективности выхлопных патрубков паровых турбин серии Т-250 69
2.5. Выводы 74
3. Разработка методики численного расчета на прочность и жесткость выхлопных патрубков паровых турбин 76
3.1. Методика численного расчета на прочность и жесткость ВП 76
3.2. Расчет на прочность и жесткость ВП турбин серии Т-100 82
3.3. Выводы 87
4. Разработка нового выхлопного патрубка для турбины Т-125/150-12,8 88
4.1. Расчет на прочность и жесткость ВП турбины Т-125/150-12,8 89
4.2. Исследование методами численного моделирования течения влажного пара в ВП турбины Т-125/150-12,8 101
4.3. Выводы 104
5. Технико-экономическое обоснование необходимости повышения эффективности выхлопных патрубков теплофикационных турбин 106
5.1. Режимы работы теплофикационных турбин ЗАО «УТЗ» 106
5.2. Результаты технико-экономического расчета повышения эффективности выхлопных патрубков 108
5.3. Выводы 113
Заключение 115
Список сокращений и условных обозначений 118
Список литературы 119
- Экспериментальные исследования выхлопных патрубков
- . Исследование способов повышения эффективности выхлопных патрубков паровых турбин серии Т-250
- Расчет на прочность и жесткость ВП турбин серии Т-100
- Исследование методами численного моделирования течения влажного пара в ВП турбины Т-125/150-12,8
Введение к работе
Актуальность темы и степень ее разработанности. Экономичность проточной части цилиндра низкого давления (ЦНД) паровых турбин за последние годы существенно повысилась. При этом значительным резервом увеличения КПД турбоустановок остается совершенствование работы выхлопных патрубков (ВП) ЦНД, в которых в настоящее время зафиксирован достаточно высокий уровень потерь энергии.
Потери энергии в ВП паровых турбин, обусловленные сложным характером течения рабочей среды, приводят к повышению давления за последней ступенью турбины, уменьшению располагаемого теплоперепада на турбину и соответствующему снижению экономичности турбоустановки в целом. Кроме того, ВП значительно влияют на условия работы последней ступени турбины, что существенно сказывается на экономичности и надежности ее работы. Так, например, окружная и радиальная неравномерности полей давления и скорости за последней ступенью, индуцируемые течением в патрубке, усложняют вибрационное состояние рабочих лопаток, а неравномерность поля скорости в выходном сечении патрубка делает условия работы конденсатора отличными от условий, принимаемых в расчетах.
Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованиям ВП, проблема снижения потерь энергии в системе подвода пара к конденсатору остается актуальной, так как для большинства паровых турбин коэффициент полных потерь ВП, характеризующий степень аэродинамического совершенства патрубка, находится на уровне 1,1…1,4.
Современное состояние паротурбинного оборудования, работающего на электростанциях России, характеризуется значительным физическим и моральным износом. Относительно современное оборудование с возрастом менее 20 лет составляет всего 13% всей установленной паротурбинной мощности ЕЭС России. Основной парк составляют турбины, изготовленные в 7080 гг. прошлого века, часть из которых можно сохранить в эксплуатации, только подвергнув модернизации. Улучшить экономические показатели модернизируемого и вновь изготавливаемого паротурбинного оборудования можно, в частности, за счет снижения потерь кинетической энергии потока, выходящего из последней ступени. Для этого необходимо повысить эффективность работы существующих ВП паровых турбин, обосновывая проектные решения результатами достоверных расчетов пространственного течения пара в патрубке.
Работа выполнена в соответствии с утвержденными на Федеральном уровне Приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники РФ (пункт 08 Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика) и Перечнем
критических технологий РФ (пункт 27 Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе).
Цель работы. На основе численного моделирования исследовать и разработать пути повышения эффективности выхлопных патрубков ЦНД теплофикационных турбин.
Для реализации цели исследования поставлены и решены следующие задачи:
выполнен критический обзор литературы по теме исследования, посвященный вопросам проектирования и модернизации ВП ЦНД паровых турбин, изучены взгляды ведущих ученых в области разработки и исследования ВП, ведущих отраслевых институтов, а также заводов-изготовителей паровых турбин; представлены в хронологическом порядке экспериментальные исследования ВП турбин УТЗ;
проведен анализ и определены наиболее значимые направления и методы повышения эффективности работы выхлопных патрубков ЦНД паровых турбин, а также методов численного моделирования течения пара в проточной части ВП;
на основе методов численного моделирования, по известным в настоящее время методикам, исследовано течение влажного пара в ВП паровых турбин УТЗ; получена количественная и качественная оценка работы выхлопных патрубков турбин серии Т-100 и Т-250; полученные результаты верифицированы с данными экспериментальных исследований;
в широком диапазоне режимов работы турбин определены пути повышения эффективности ВП турбин серии Т-100 и Т-250; разработаны проекты модернизации рассматриваемых патрубков;
разработана и верифицирована методика численного расчета на прочность и жесткость ВП ЦНД теплофикационных турбин УТЗ, с целью проектирования ВП ЦНД паровых турбин с меньшими трудозатратами и металлоемкостью; проведен количественный анализ напряженно-деформированного состояния ВП турбин серии Т-100;
разработана и исследована равнопрочная, удовлетворяющая условиям надежности конструкция нового ВП для турбины Т-125/150-12,8; определено влияние предложенных технических решений на надежность и эффективность работы ВП и влияние типа нагрузок паротурбинной установки на величину и распределение эквивалентных напряжений; оценена степень аэродинамического совершенства нового ВП для турбиныТ-125/150-12,8;
выполнен анализ режимов работы теплофикационных турбин УТЗ; проведен технико-экономический расчет повышения эффективности выхлопных патрубков УТЗ; рассчитан прирост мощности, суммарная экономия условного топлива и средств ТЭС при реализации представленных в настоящей работе проектов модернизаций выхлопных патрубков УТЗ.
Научная новизна заключается в следующем:
С помощью численного моделирования проведено исследование течения влажного пара в выхлопных патрубках турбин серии Т-100 и Т-250 паровых турбин УТЗ. На основе расчетных исследований физико-математических моделей получена количественная и качественная оценка работы ВП паровых турбин УТЗ. Разработаны и исследованы пути повышения их эффективности. Погрешность при расчете патрубков Т-100 и Т-250 составила 3…8% и 2 % соответственно. Коэффициент полных потерь ВП турбин серии Т-100 составил п=1,19. Коэффициент полных потерь ВП турбин серии Т-250 составил п=1,52.
Исследован и разработан вариант модернизации ВП турбин серии Т-100 с удалением двух направляющих ребер в верхней половине патрубка; демонтаж ребер позволяет снизить коэффициент полных потерь п на 11%. Прирост мощности при этом составил 250 кВт. Экономия топлива в результате модернизации ВП составляет 180 т у.т./г.
- Разработан и исследован вариант модернизации ВП турбин серии Т-250, свя
занный с увеличением внутреннего объема сборной камеры, заменой реберной си
ловой системы на стержневую систему, перепрофилированием канала диффузора,
изменением меридионального обвода камеры влагоудаления. Модернизация ВП
позволила снизить коэффициент полных потерь п для номинального режима рабо
ты паротурбинной установки на 29%, коэффициент неравномерности выхлопа
на 26%. Прирост мощности при этом составил 2,1 МВт. Экономия топлива в ре
зультате модернизации ВП составляет 1576 т у.т./год.
- Разработана и верифицирована с экспериментальными данными методика
численного расчета ВП ЦНД на прочность и жесткость с помощью метода конеч
ных элементов. Расчеты по разработанной методике позволили подтвердить воз
можность реализации проекта модернизации ВП турбин серии Т-100, связанной с
удалением направляющих ребер в верхней половине.
- Разработана и исследована равнопрочная, удовлетворяющая условиям надеж
ности, конструкция нового ВП турбины Т-125/150-12,8. Определено влияние пред
ложенных технических решений на надежность и эффективность работы ВП. Пред
ложенные конструктивные решения позволяют получить снижение металлоемкости
и трудоемкости на 20% и снизить коэффициент полных потерь п на 35 %. Прирост
мощности в случае использования модернизированного патрубка составляет
1,0 МВт. Экономия топлива при этом составляет 930 т у.т./г.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается корректным применением общепризнанных методик проектирования и моделирования, математических методов и алгоритмов. В работе использовано сертифицированное программное обеспечение ANSYS, используемое инженерами и учеными во всем мире,
в том числе и для моделирования течения в выхлопных патрубках паровых турбин. Моделируемые узлы выполнены с учетом реальной геометрической формы по чертежам завода-изготовителя. Результаты, полученные в настоящей работе, соответствуют экспериментальным данным, а также данным, приведенным в работах других исследователей.
Практическая значимость заключается в том, что разработанные и представленные в диссертационной работе проекты модернизации выхлопных патрубков ЦНД паровых турбин УТЗ позволяют повысить эффективность их работы. Применение разработанной методики численного расчета на прочность и жесткость позволяет уверенно проектировать ВП ЦНД паровых турбин с меньшей трудоемкостью и металлоемкостью их изготовления. Полученные результаты одинаково применимы как для ВП теплофикационных турбин, так и для ВП конденсационных турбин других заводов-изготовителей.
Реализация результатов работы. Результаты, представленные в работе, уже использованы в конструкции изготовляемых ВП турбин серии Т-100 и турбин с аналогичным выхлопным патрубком. Патрубки с предложенными изменениями отгружены или изготавливаются на турбины: Т-60/65-8,8 УТЗ зав.№29801 Аргаяш-ская ТЭЦ (отгружен); Т-95/105-8,8 УТЗ зав.№31007 Петропавловская ТЭЦ-2 (отгружен); Т-120/130-12,8 УТЗ зав.№31206 Астанинская ТЭЦ-3 (в эксплуатации); К-65-12,8 УТЗ зав.34601, 34602 Сахалинской ГРЭС-2 (отгружен); К-65-12,8 УТЗ зав. 34603, 34604, 34605 Приморской ТЭС (изготавливаются). Кроме того, результаты, представленные в работе, использованы в проекте модернизации ВП турбин серии Т-250 для ПАО «Мосэнерго», а также в рабочем проекте ВП паровой турбины Т-125/150-12,8 УТЗ.
Автор защищает:
результаты численного моделирования течения влажного пара в выхлопных патрубках турбин серии Т-100 и Т-250 производства УТЗ;
результаты исследования проекта модернизации ВП турбин серии Т-100, позволяющего снизить коэффициент полных потерь п на 11%, получить прирост мощности 250 кВт и экономию удельного топлива 180 т у.т./г;
результаты исследования проекта модернизации ВП турбин серии Т-250, позволяющего снизить коэффициент полных потерь п на 29%, получить прирост мощности 2,1 МВт и экономию удельного топлива 1576 т у.т./г;
методику численного расчета ВП ЦНД на прочность и жесткость с помощью метода конечных элементов, позволяющую проектировать ВП с меньшей металлоемкостью и трудоемкостью их изготовления;
конструкцию нового ВП турбины Т-125/150-12,8 с меньшей металлоемкостью и трудоемкостью изготовления (на 20%) и на 35% меньшим коэффициентом полных потерь п.
Апробация работы. Основные материалы и результаты настоящей диссертационной работы докладывались на 14-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов (Магнитогорск, 2013 г.); VIII Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (Екатеринбург, 2013 г.); ХХ Всероссийской научно-технической конференции (Томск, 2014 г.); десятой международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Иваново, 2015 г.); IX Семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (Казань, 2015 г.). Получен патент на полезную модель «Выхлопной патрубок теплофикационной турбины» (№157430).
Публикации. Основные положения и выводы изложены в 11 печатных работах, в том числе в четырех публикациях в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК; патенте на полезную модель.
Личный вклад автора заключается в выполнении критического обзора литературы по теме исследования, в постановке задач исследования; в анализе и определении наиболее значимых направлений и методов повышения эффективности ВП; в проведении численного моделирования течения влажного пара в ВП турбин серии Т-100; в верификации всех полученных в работе результатов; в разработке путей повышения эффективности ВП турбин серии Т-100 и Т-250; в разработке проектов модернизации рассматриваемых патрубков; в разработке методики численного расчета на прочность и жесткость выхлопных патрубков паровых турбин; в оценке напряженно-деформированного состояния ВП турбин серии Т-100; в разработке и исследовании нового ВП турбины Т-125/150-12,8; в определении влияния предложенных технических решений на надежность и эффективность работы ВП и влияния типа нагрузок паротурбинной установки на величину и распределение эквивалентных напряжений; в анализе режимов работы теплофикационных турбин УТЗ; в результатах технико-экономического расчета повышения эффективности выхлопных патрубков УТЗ; в обобщении результатов исследований.
Структура и объем диссертации. Квалификационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и списка литературы из 148 наименований. Весь материал изложен на 143 страницах, содержит 28 рисунков, 23 таблицы и 5 приложений.
Экспериментальные исследования выхлопных патрубков
Применение диффузора с отрицательной перекрышей. В работе [50] представлены мероприятия по повышению экономичности проточной части паровых турбин, в том числе и за счет снижения потерь в ВП. Как показано в [51], реализовать диффузорный эффект в этой части турбины при существующем поле скоростей за последней ступенью при традиционном расположении за ней осерадиального диффузора в большинстве случаев не представляется возможным. Проблема может быть решена путем установки за ступенью внешнего обвода с отрицательной перекрышей [52], т.е. когда диффузор располагается ниже периферийного сечения рабочей лопатки последней ступени. В этом случае диффузор воспринимает сравнительно равномерный поток, что обеспечивает эффективное преобразование кинетической энергии в потенциальную. Высокоскоростная струя, выходящая из радиального зазора, движется по внешней части обвода диффузора и не оказывает отрицательного влияния на процесс преобразования энергии в самом диффузоре.
Установка разделительных ребер (перегородок) [5366]. Как правило, в конструкции ВП паровых турбин используется система ребер или перегородок. Ребра обеспечивают необходимую жесткость конструкции и служат для организации отвода влажного пара на выходе из диффузора. Правильное расположение ребер (перегородок) позволяет получить полное распределение потока влажного пара по всему выходному сечению патрубка.
Недостатком данного решения является то, что ребра вносят дополнительные аэродинамические потери, вызванные трением и ударами влажного пара о них.
Установка направляющих лопаток, обтекателей, дефлекторов [6776]. На расчетном режиме течение в осерадиальном диффузоре безотрывное (в случае правильного его профилирования). При отклонении режима работы ступени от расчетного форма течения в диффузоре ВП, положение точки отрыва потока от внутреннего обвода диффузора и размеры циркуляционной зоны определяются сложным взаимодействием таких факторов, как закрутка потока, распределение расходной составляющей скорости вдоль радиуса, величины углов скоса потока в меридиональной плоскости за последней ступенью турбины. Установка дефлекторов, направляющих лопаток или обтекателей приводит к изменению характера течения в диффузоре.
В случае применения дефлектора на периферии входного сечения диффузора скорость несколько уменьшается, а в центральной зоне увеличивается. Применение дефлектора позволяет более чем в два раза уменьшить потери с выходной скоростью, доля которой составляет более 80% от п. Однако взаимодействие потока с дефлектором приводит к увеличению внутренних потерь.
Кроме того, еще одним недостатком данного решения является то, что при работе турбины на режимах с пониженным расходом влажного пара возникают неустойчивые течения в самом патрубке, что, в свою очередь, приводит к неоптимальному натеканию влажного пара на направляющие лопатки, обтекатели и дефлекторы, а, следовательно, к росту дополнительных потерь.
Установка экрана на пути влажного пара [77]. Организация на пути влажного пара экрана с механизмом, позволяющим изменять расстояние от рабочих лопаток последних ступеней до экрана, позволяет увеличить длительность эксплуатации рабочих лопаток последних ступеней, а также получить повышение эффективности работы ВП на малорасходных режимах.
Положение экрана зависит от объемного расхода пара. Экран на пути влажного пара, индивидуально для каждого из режимов, создает канал, по которому влажный пар направляется в конденсатор по наиболее короткой траектории, обеспечивая тем самым максимальную эффективность. Кроме того, исключаются эрозионно-опасные обратные токи к рабочим лопаткам последних ступеней.
Установка угловых косынок [78,79]. Установка угловых косынок в сборной камере ВП (между боковыми и торцевыми стенками) позволяет ликвидировать вихревые течения в угловых областях. Выходное поле скоростей при этом выравнивается. В итоге потери энергии влажного пара в патрубке сокращаются. Кроме того, угловые косынки можно использовать и в качестве сепаратора влаги. Для этого в косынках выполняются влагоулавливающие щели. Рабочий поток под действием центробежных сил перемещается в радиальном направлении, и влага оседает на стенках косынок с образованием пленок, которые улавливаются влагоулавливающими щелями.
Угловые косынки выполняют также функции элементов жесткости патрубка, при этом они могут заменить устанавливаемые в патрубках угловые стержневые стяжки.
Установка противовихревых устройств [8082]. При модернизации ВП необходимо стремиться к такой организации течения в корпусе патрубка, чтобы приблизить максимальные локальные скорости влажного пара к их среднерасходным значениям.
Основные нарушения равномерности полей скоростей связаны с возникновением в верхней части патрубков двух основных вихревых шнуров [83], существование которых приводит к тому, что эффективная выходная площадь с положительным значением расходной составляющей оказывается существенно меньше соответствующей геометрической площади.
В качестве противовихревых устройств предполагается использовать пластинчатые противовихревые решетки, устанавливаемые в нижней половине патрубка. Следует отметить, что при разрушении вихревого движения в замкнутом объеме происходит существенное увеличение эффективной проходной площади, и соответственно заметно снижаются максимальные значения локальных скоростей. В результате добавочные потери, связанные с разрушением вихревого движения, в значительной степени компенсируются снижением сопротивления, обусловленным более равномерным распределением скоростей в плоскости горизонтального разъема, где имеется максимальное геометрическое сужение проходной площади патрубка.
. Исследование способов повышения эффективности выхлопных патрубков паровых турбин серии Т-250
Подробное расчетное моделирование течения производилось в пространстве патрубка, ограниченном его входным и выходным сечениями. Расчетная область была дополнена протяженным диффузором, расположенным за патрубком. Роль этого дополнительного диффузора состоит в том, чтобы максимально достоверно смоделировать обратные течения и распределения скоростей и расходов в выходном сечении собственно патрубка.
Численное моделирование течения в патрубке проводилось по методу конечных объемов. В расчетной области строились неструктурированные сетки в виде призм вблизи стенок и четырехгранников на удалении от них. Призматические элементы сетки, уложенные в несколько слоев, предназначались для учета потерь на трение в результате вязких пристеночных эффектов. Основные расчеты выполнялись с использованием k модели на сетке размерностью примерно 2150 тыс. узлов с помощью ANSYS CFX-11 (коммерческий программный комплекс; предназначен для решения широкого спектра задач динамики жидкости и газа; в настоящее время полностью интегрирован в расчетную среду ANSYS Workbench). Численной схемой был задан второй порядок точности при решении всех базовых уравнений. Итерационный процесс считался завершенным при расхождении результатов не более чем на 0,1%.
В работе [118] проводилось трехмерное численное моделирования течения в ВП. Данные исследования были выполнены в Западно-Чешском университете. Моделировалась только одна половина патрубка. Расчетная сеть содержала 500000 ячеек. Сеть создана с помощью GAMBIT 2.0 (коммерческий программный комплекс, позволяющий создавать сетки конечных объемов различной конфигурации). Для численного моделирования использовался FLUENT 6.1.18 (коммерческий программный комплекс, предназначен для решения широкого спектра задач динамики жидкости и газа; является аналогом ANSYS CFX; в настоящее время полностью интегрирован в расчетную среду ANSYS Workbench). Проведен ряд расчетов с целью получения результатов, которые бы в максимальной степени соответствовали результатам экспериментов [119].
Расчеты показали несколько меньшие потери, чем те, которые были получены в ходе экспериментов. По результатам расчета подтвердился эффект отрыва потока от стенки диффузора.
В работе [7] вычисления для проектирования ВП К-175-180-12,8 выполнялись с помощью ANSYS CFX-11. При течении в ВП основная доля потерь, возникающих вследствие диссипации кинетической энергии, локализована в вихревых структурах, потери же в пограничном слое сравнительно невелики. Поэтому в качестве замыкающей модели турбулентности автор использовал высокорейнольдсовую версию k модели. Тот факт, что при вычислении потерь в пограничном слое эта модель не предусматривает подробного разрешения поля осредненной скорости во внутренней области слоя, а использует пристеночные функции, не может заметно снизить точность расчета.
В работе [7] во всей расчетной области строились неструктурированные сетки (1…3 млн. ячеек), состоящие из тетраэдров на удалении от стенок и призм (10 слоев) вблизи стенок. Все верификационные и проектные расчеты ВП выполнены для режимов, близких к номинальному, когда окружная неравномерность параметров потока при входе в патрубок сравнительно невелика. Применяемые методы расчета проточной части турбины (одномерный расчет и расчет невязкого осесимметричного течения) не дают информации об окружной неравномерности параметров потока. Опытные данные, которые были использованы для сравнения с результатами верификационных расчетов, также не содержали замеров, по которым можно было бы достоверно судить об окружной неоднородности потока во входном сечении. Поэтому в выполненных расчетах поля всех параметров на выходе в патрубок принималось осесимметричными. При этом не вводилось никаких ограничений по радиальной неравномерности параметров. Влияние окружной неоднородности течения, что особенно важно для анализа нерасчетных режимов работы турбины, можно учесть, решая сопряженную задачу, т.е. сращивая данные расчета на выходе из отсека, составленного из нескольких последних ступеней цилиндра, с данными расчета во входном сечении патрубка [7].
Для исключения влияния выходного граничного условия на неоднородность течения в патрубке проточная часть ВП была дополнена протяженным диффузорным каналом, на выходе из которого задавалось постоянное по сечению давление, обеспечивающее пропуск номинального расхода пара. Граничные условия на входе в патрубок определялись по программе ВТИ [120]. Турбулентная вязкость рассчитывалась с использованием SST-модели турбулентности [121]. Термодинамические и транспортные свойства вблизи кривой насыщения определялись согласно стандартной модели термодинамически равновесной среды [122].
Для обеспечения термодинамических свойств рабочего тела использовалась как модель эквивалентного идеального газа с молекулярной массой и газовой постоянной, рассчитанными для локальной области изменения параметров состояния насыщенного пара, так и опция программного комплекса ANSYS CFX-11, позволяющая вести расчет с использованием табличных значений термодинамических свойств водяного пара. Расчет проводился без учета теплообмена с наружной поверхностью и внутренними элементами ВП.
В результате расчетов по данной методике авторам удалось достичь расхождения (относительного) экспериментальных и расчетных значений коэффициентов потерь в 2% для патрубка с низким коэффициентом потерь и от 8,7% до 0,6% (в зависимости от режима) для патрубка с высоким коэффициентом полных потерь.
Расчет на прочность и жесткость ВП турбин серии Т-100
Течение в расчетных подобластях ступени и патрубка, в процессе численного моделирования серийной конструкции ВП ЦНД турбины Т-250/300-240, описано системой нестационарных уравнений Навье-Стокса, осредненных по числу Рейнольдса. Расчетные подобласти аппроксимировались тетраэдральными сетками, пограничные слои описаны призматическими элементами. Исследование выполнено совместно с ИПМаш (г. Харьков) с помощью MTFSoftware (научно-прикладной программный комплекс для расчета трехмерных вязких турбулентных течений жидкостей и газов в областях произвольной формы) с использованием разностной схемы [137] 2-го порядка точности по пространству. Авторами и правообладателями программного комплекса являются Солодов В.Г., Стародубцев Ю.В. (г. Харьков) [134136]. Учет сжимаемости для низкоскоростных течений выполнялся в соответствии с рекомендациями [138]. Свойства рабочего тела задавались полиномиальной зависимостью по таблицам водяного пара. Все расчеты проводились в рамках односкоростной модели без учета движения капель влаги и переохлаждения.
В расчетах твердые стенки приняты адиабатическими, на них налагалось условие прилипания и равенства нулю эффективной вихревой вязкости. Интенсивность турбулентности на входе в отсек принята равной 5%. Турбулентные эффекты учитывались комбинированно с помощью дифференциальных моделей турбулентности Спаларта-Аллмараса (область патрубка и камеры) и SST Ментера (каналы ступени и диффузора). Переключение моделей реализовано с использованием масштаба, составляющего 1% длины хорды соплового профиля на среднем радиусе. При газодинамическом моделировании отсека «ступень ВП» для обеспечения интерфейса между ступенью и патрубком использован секторный подход [134,135], который предполагает разбиение подключенной ступени на несколько секторов с осреднением входных и выходных параметров потока на интерфейсе в окружном направлении в рамках одного сектора. В данном исследовании, ввиду слабого обратного влияния патрубка на течение в последней ступени, основные расчеты выполнены для патрубка с 1 сектором интерфейса «ступень ВП».
Расчеты течения в отсеке проводились с использованием данных тепловых расчетов турбины на рассматриваемых режимах. Интегральные газодинамические и энергетические характеристики элементов проточной части отсека вычислялись в характерных сечениях: на входе в ступень, в межвен-цовом зазоре, за рабочей решеткой ступени, а также в выходном и промежуточных сечениях ВП. Осреднение параметров в этих сечениях выполнялось по расходу в соответствии с методикой [139]. Область вихря в сечении при осреднении исключалась из рассмотрения.
В типовых расчетах отсека численная модель патрубка содержала 28,0…32,0 миллионов ячеек, в зависимости от заполнения проточной части внутренними элементами. При этом около 55% ячеек приходилось на пространство патрубка и 27% на область регулирующего колеса. Пространства камеры и двойной крышки моделировались без специального описания пограничных слоев. Сеточное разбиение для максимального конденсационного режима в модели ступени обеспечило переменную пограничного слоя [140] y+ 2,0, на проволочном бандаже переменная пограничного слоя y+ 4,0, в патрубке переменную пограничного слоя y+ 5,5.
В исследовании рассматривалась серия конденсационных режимов с широким диапазоном массового расхода G острого пара. Поток на входе направлен без углов атаки кромок диафрагмы. Основные исследования по влиянию различных элементов внутреннего пространства патрубка выполнялись на режиме 100% G, который является максимально нагруженным режимом для ВП. На этом режиме среднерасходное число Маха за рабочей решеткой составляет 0,61…0,737 в зависимости от степени заполнения пространства ВП внутренними элементами. Струя пара, проходящая через кольцевую периферийную щель (межвенцовый зазор) над рабочим колесом, отрывается от обечайки диффузора и в виде вихревой пелены направляется практически горизонтально в направлении торцевой стенки. Последнему в значительной мере способствует геометрия периферийного обвода ступени. Максимальное значение числа Маха за зазором достигает 2,5. Наибольшая влажность в ступени не превосходит 12% и наблюдается в струе протечки вблизи рабочей лопатки. Структура течения пара в периферийной зоне и струя протечки представлены на (рисунок.2.9). Числа Маха даны в неподвижной системе отсчета в плоскостях патрубка и в среднеканальной поверхности ступени.
По результатам расчетов выявлено, что последняя ступень ЦНД в составе серийного отсека имеет значительную радиальную и окружную неравномерность, относительные потери в сопловой решетке составляют 1,8%, в рабочей решетке 6%; относительные потери с выходной скоростью 20%. В результате закрутки потока за последней ступенью нарушается симметрия потока в ВП.
Измерительное сечение располагалось на расстоянии 1/3 ширины рабочей лопатки от кромки рабочего колеса. С целью анализа влияния внутренних элементов на структуру течения ВП на режиме 100% объемного расхода острого пара был рассмотрен в шести различных вариантах конструкции. Результаты расчета в виде коэффициентов полных потерь и параметров потока на входе в диффузор ВП для основного течения и струи периферийной протечки представлены в табл. 2.6.
Исследование методами численного моделирования течения влажного пара в ВП турбины Т-125/150-12,8
Теплофикационные турбины более половины рабочего времени работают на режиме с полностью закрытой или прикрытой диафрагмой с минимальным пропуском пара в ЧНД, поэтому в большинстве случаев вопрос модернизации ВП рассматривался применительно только к конденсационным турбинам, имеющим существенные расходы пара в ЧНД. Тем не менее, доля установленной мощности теплофикационных турбин (типа Т или ПТ) на территории РФ составляет более 55%. В настоящий момент на территории РФ находится в эксплуатации 430 паровых турбин производства ЗАО «УТЗ» установленной мощностью 39 032 МВт. Это 27,5% установленной мощности всех паровых турбин в единой энергосистеме РФ [3]. Для паровых турбин производства ЗАО «УТЗ» процент теплофикационных турбин составляет 87 %.
В сегменте от 80 до 120 МВт ЗАО «УТЗ» занимает первое место по установленной мощности, 197 турбины (64% от общего парка турбин), в сегменте от 225 до 330 МВт третье место по установленной мощности, 22 турбины (22% от общего парка турбин).
Приведенные данные обусловлены тем, что в сегменте мощности от 80 до 120 МВт ЗАО «УТЗ» поставляет самую распространенную теплофикационную турбину на территории бывшего СССР турбину серии Т-100. В сегмент мощности от 225 до 330 МВт входит самая мощная теплофикационная турбина серии Т-250. Турбины этой серии установлены на мощных ТЭЦ и обеспечивают электроэнергией, теплом и горячей водой крупнейшие города. Суммарная мощность турбин серии Т-100 и Т-250 составляет 27720 МВт (71% от всей установленной мощности ЗАО «УТЗ»).
Учитывая вышесказанное, технико-экономическое обоснование повышения эффективности выхлопных патрубков теплофикационных паровых турбин будет рассмотрено на примере турбин серии Т-100 и Т-250.
Обзор коэффициентов рабочего времени отопительных отборов (Хро) относительно общего времени работы, рассчитанных по формуле (1), по данным опросных листов электрических станций за последние 5 лет показал, что турбины серии Т-100 и Т-250 в среднем работают на конденсационных режимах 52% и 43% от общего календарного времени, соответственно. Кро = Т , (1) где Го.о суммарное время работы отопительных отборов турбин; Тк общее календарное время работы турбины; Тпр время простоя турбины, m количество учтенных турбин.
Кроме того, заметна ежегодная динамика к уменьшению времени работы на теплофикационных режимах. Аналогичная тенденция прослеживается для всех теплофикационных турбин. Это связано с падением спроса на тепловую энергию ввиду снижения объемов производства, повышения энергоэффективности существующих промышленных предприятий и ряда других факторов. Зафиксирован также избыток электрической и тепловой электроэнергии в большинстве регионов Российской Федерации [146].
В среднем 15% турбин серии Т-100 и 13% турбин серии Т-250 проходит ежегодно капитальный ремонт со средней продолжительностью 1900 часов и 2400 часов соответственно. Таким образом, суммарная средняя продолжительность работы всех турбин серии Т-100 на конденсационных режимах с существенным расходом пара в ЧНД составляет более 800 тысяч часов в год, для турбин Т-250 более 80 тысяч часов в год. Учитывая вышеска 108 занное, вопрос модернизации ВП теплофикационных турбин является не менее актуальным, чем вопрос модернизации ВП конденсационных турбин.
Повышение эффективности ВП позволяет снизить коэффициент полных потерь, тем самым увеличивая срабатываемый теплоперепад на последней ступени турбины. Прирост мощности ЧНД в данном случае определяется по следующему соотношению [147]: С2 AN = G(A\исх - А/гмод)ч = G (п исх - п мод)ц, (2) где G расход влажного пара через последнюю ступень; относительный внутренний КПД последней ступени с учетом влажности; С2 абсолютная скорость на выходе из ступени.
По формуле (2) были проведены расчеты конструктивно отличных ВП с учетом данных одного потока ЧНД с максимальным расходом пара на конденсационном режиме. Расчет коэффициента полных потерь для всех ВП проводился с шагом А п = писх -пмод=0,1, Результаты расчета прироста мощности турбины в зависимости от коэффициента полных потерь для рассмотренных ВП представлены в табл.5.1 для п = 0,1.