Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор состояния вопросов по разработке и оптимизации технологий режимов пуска паровых турбин 16
1.1. Возникновение проблем ограничения маневренности и надежности турбины при пусках по условиям малоциклового ресурса роторов и этапы исследований для их решения 16
1.2. Современные решения проблем оптимизации режимов пуска и эксплуатационного контроля по критическим элементам турбины 25
1.3. Постановка задач 27
2. Выбор методов для решения поставленных задач совершенствования режимов пуска турбоустановки 29
2.1. Цели автоматизации процесса пуска турбоустановки 29
2.2. Автоматизация дискретного управления 30
2.3. Автоматизация непрерывного управления 31
2.3.1. Реализации непрерывного управления по временным программам 32
2.3.2. Непрерывное управление при пусках по замкнутой схеме 33
2.3.3. Расчетное формирование управляющих воздействий 34
2.4. Математическое моделирование прогрева при переходных режимах 34
2.4.1. Аналитические методы 38
2.4.2. Моделирование на основе метода аналогий 41
2.4.3. Численные методы 42
2.5. Основные положения моделирования теплового и термонапряженного состояния роторов 46
2.6. Моделирование теплового и термонапряженного состояния РСД 50
Выводы к главе 56
3. Совершенствование технологии пуска дубль-блока мощностью 300 МВТ 62
3.1. Особенности нестационарного теплового состояния элементов конструкции турбины К-300-240-2 в составе дубль-блока 62
3.2. Анализ температурного и термонапряженного состояния РСД при пусках по типовой инструкции 67
3.3. Выбор пути по усовершенствованию технологии пуска блока 72
3.4. Новая технология пуска дубль-блоков мощностью 300 МВт 76
3.5. Анализ температурного и термонапряженного состояния РСД при пусках по новой технологии 80
3.6. Оптимизация режима пуска турбины по термонапряженному состоянию РСД 89
3.6.1. Определение задач оптимизации режима пуска турбины 89
3.6.2. Оптимизация графиков пуска турбины К-300-240-2 в составе дубль-блока из холодного состояния по новой технологии 90
Выводы к главе 99
4. Эксплуатационный контроль прогрева ротора среднего давления 100
4.1. Сравнительный анализ использования одно- и двухмерной моделей прогрева РСД 100
4.2. Разработка динамической модели теплового и термонапряженного состояния РСД 111
4.3. Разработка структурной схемы виртуальной модели прогрева РСД
для АСУ ТП энергоблока 124
Выводы к главе 135
Заключение 136
Библиографический список
- Современные решения проблем оптимизации режимов пуска и эксплуатационного контроля по критическим элементам турбины
- Реализации непрерывного управления по временным программам
- Анализ температурного и термонапряженного состояния РСД при пусках по типовой инструкции
- Разработка динамической модели теплового и термонапряженного состояния РСД
Введение к работе
В связи с серьезной реструктуризацией и реформированием энергетической отрасли России, ее переделом, а также изменением обстановки потребления электрической энергии, возникает и ставится задача сохранения экономичности и долговечности работы оборудования при достаточно большом количестве пусков энергоблоков после непродолжительных резервов на несколько суток.
Поэтому в настоящее время весьма актуальна проблема автоматизации и совершенствования технологии пуска энергетических блоков, так как повышаются требования к маневренности энергоблоков, надежности энергосбережения в условиях роста неравномерности графиков нагрузки энергосистем. Возрастает объем используемой информации и количество объектов воздействия для современных энергоблоков, поэтому традиционные средства не справляются с обеспечением необходимой надежности и оперативности контроля и управления. Вместе с тем, реальная продолжительность переходных режимов, как правило, больше предусмотренной инструкцией по пуску, а также имеются регулярные ограничения по показателям состояния и критериям надежности турбин [1].
Автоматизация технологических процессов включает в себя:
- создание средств автоматизации и формирование структуры АСУ;
- разработка, построение алгоритмов и программ автоматического управления (технологических основ автоматизации);
- подготовка оборудования к автоматизации.
Это положение отражается в ГОСТ 34.601-90 [2], предусматривающем в качестве отдельных этапов при создании АСУ ТП разработку общих решений по системе и ее частям, функционально-алгоритмической структуре системы, по функциям персонала и организационной структуре технических средств, по алгоритмам решения задач и применяемым языкам программирования, по организации и ведению информационной базы, системе классификации и кодировании информации, по программному обеспечению.
Одной из самых важных составных частей этапа создания алгоритмической структуры АСУ является разработка технологических основ автоматизации. Подготовленность технологической базы существенно влияет на успех и эффективность автоматизации. Разработчик проводит детальное изучение объекта автоматизации и необходимые научно-исследовательские работы, связанные с поиском путей и оценкой возможности реализации требований пользователей.
В свою очередь, средства реализации алгоритмов автоматизированного контроля и управления оказывают заметное влияние не только на форму, но и на содержание алгоритмов, на выбор объема и способов автоматизации.
Разработка технологических основ автоматизации включает в себя:
- анализ объекта управления;
- исследование рабочих процессов объекта;
- формулировку задач управления;
- необходимую для проектных задач реконструкцию объекта;
- построение математических моделей объекта автоматизации;
- исследование динамических характеристик объекта;
- разработку информационного и алгоритмического обеспечения АСУ. Этой части в общем комплексе работ по созданию АСУ ТП паровых турбин энергоблоков ТЭС и АЭС уделяет меньше внимания по сравнению с вопросами разработки структуры и средств автоматизации.
Увеличение функциональных возможностей, улучшение характеристик современных средств автоматики и компьютерной техники дают возможность повышать уровень автоматизации.
В связи с этим, задача формирования подходов к разработке технологических основ автоматизации становится актуальной. Методы, которые используются при этом, в частности эксплуатационный контроль за состоянием оборудования, построения алгоритмов и программ автоматического управления могут быть использованы для проработки переходных режимов энергоблоков.
Турбинное оборудование в большей степени обуславливает скорость и характер технологических процессов при пусках энергоблоков.
В автоматизации упразления пусками паровых турбин в составе энергоблока можно выделить три составные части:
- автоматизация контроля за состоянием оборудования и ходом технологического процесса;
- автоматизация дискретного управления;
- автоматизация непрерывного управления - пускового регулирования.
Автоматизация контроля дает возможность своевременно получать текущую информацию о состоянии оборудования и ходе управляемых процессов.
Автоматизация дискретного управления предусматривает автоматизированное воздействие на объекты управления с дискретным изменением состояния.
Непрерывное управление предполагает изменение в реальном времени параметров работы оборудования по программе, реагирующей на состояние оборудования в процессе пуска.
При реализации усовершенствований АСУ ТП энергоблоков и внедрении их на электростанциях можно выделить такие наиболее важные потенциальные источники экономии:
- повышение экономичности работы оборудования вследствие роста коэффициента полезного действия выработки электроэнергии в стационарных режимах и сокращения потерь теплоты при переходных режимах ввиду меньшего износа уплотнений турбин, в частности, нас интересует сокращение пусковых потерь из-за уменьшения длительности пусков (предотвращение пластических деформаций разъемов цилиндров);
- повышение надежности работы оборудования, предотвращение аварийных ситуаций и повреждение оборудования;
- сокращение численности оперативного эксплуатационного персонала. Автоматизация управления пусками имеет особое значение по сравнению с автоматизацией других переходных режимов. При пуске энергоблока осуществляется управляемое изменение (программное пусковое регулирование) большого числа параметров в широком диапазоне - от начального, предпускового, до номинального уровня, а также дискретное изменение состояния наибольшего числа объектов. При этом существует вероятность совершения оперативным эксплуатационным персоналом ошибок, которые могут задержать пуск, вызвать аварийное отключение энергоблока или привести к выходу из строя оборудования.
Поэтому автоматизация управления пусковыми режимами позволяет реализовать последовательность выполнения пусковых операций, обусловленную только требованиями технологии без учета способностей персонала, а также своевременно осуществить необходимые воздействия и проконтролировать их выполнение.
Все вышесказанное свидетельствует о необходимости постоянного совершенствования технологии режимов пуска турбины в составе энергоблока, решая задачи переработки пусковых схем, графиков-заданий и последовательности технологических операций.
В данной диссертационной работе произведено исследование температурного и термонапряженного состояния РСД турбины К-3 00-240-2 в процессе прогрева при пуске блока по различным вариантам технологий пуска из холодного и неостывшего состояний с сопоставлением результатов моделирования с экспериментальными данными. По результатам исследования проведена проработка и выбор конкретной технологии пуска. Также в рамках работы выполнена разработка динамической модели и схемы прогрева данного ротора.
Актуальность работы. Повышение маневренных характеристик мощных паровых турбин при обеспечении надежности работы и высоких технико-экономических показателей стал центральным вопросом с момента ввода их в эксплуатацию.
На сегодняшний день, в условиях нарастающего дефицита электроэнергии при массовом старении установленного на электростанциях основного оборудования, срок службы оборудования может быть продлен, если оно будет эксплуатироваться в щадящих условиях.
В ближайшие четыре-пять лет все блоки сверхкритического давления мощностью 300 МВт, которые вводились в эксплуатацию в 60-70-е годы прошлого века, выработают свой ресурс.
Типовые технологии пусковых режимов не отвечают современным требованиям к маневренности. С учетом практически отсутствия традиционных средств регулирования температуры пара промперегрева на блоках сверхкритического давления мощность 300 МВт с турбинами ХТЗ, встала проблема по устранению недопустимых температурных напряжений в "критических" элементах турбины. Для этого необходимо разработать, проверить усовершенствованную технологию пуска, а также решить вопросы организации эксплуатационного контроля прогрева ротора среднего давления, как "критического" элемента данной турбины.
Традиционные средства не справляются с обеспечением необходимой надежности и оперативности контроля и управления. Эффективность автоматизации управления в значительной степени зависит от технологической обоснованности и знаний свойств объекта управления. Значительное повышение производительности вычислительных инструментов дало возможность использовать сложные модели и сложные постановки задач для адекватного описания физических процессов, ранее недоступных для моделирования.
Актуальность проведенных исследований подтверждает и тот факт, что разработка новых безопасных и экономичных режимов предпускового прогрева, разворота и нагружения турбины требует обязательного изучения состояния высокотемпературных и массивных элементов объекта, наиболее опасным из которых является РСД. Результаты исследования циклической прочности паровых турбин мощностью 160-300 МВт, проводимые Харьковским филиалом ЦКБэнерго совместно с ВТИ, показали, что при существующем режиме работы за весь срок эксплуатации обеспечена циклическая прочность роторов и корпусов этих турбин, за исключением РСД турбины К-3 00-240 ХТЗ, на поверхности которого в зоне ПКУ не исключено появле ниє трещин малоцикловой усталости [3]. Эти выводы подтверждаются обнаружением трещин на поверхности РСД в зоне ПКУ при проведении ремонтов.
Цель работы. Основной целью диссертационной работы являлось исследование теплового состояния РСД турбины в пусковых режимах и разработка принципов по снижению уровня температурных разностей и напряжений, возникающих в роторе ЦСД в процессе разворота и начального нагру-жения турбогенератора после включения в сеть.
Настоящая работа посвящена численной проверке и отработке предлагаемой усовершенствованной технологии пуска дубль-блока с турбиной К-3 00-240-2 путем моделирования ротора среднего давления, как самого термонапряженного элемента данной турбины в переходных режимах. Целями работы, в том числе, является исследование возможности использования различных моделей ротора для целей выявления "критических" сечений, отработки графиков пуска, к тому же подтверждение результатов проведенных испытаний. Одной из конечных задач работы является обоснование выбора типа и разработка динамической и виртуальной модели прогрева РСД при пуске для целей эксплуатационного контроля, основывающегося на проведенном анализе динамики изменения ведущих показателей текущего и прогнозируемого состояния РСД при изменении частоты вращения ротора (п), мощности турбогенератора (Ж,), и температуры пара на входе в ЦСД (tnn).
Научную новизну заключается в следующем:
- доказана возможность использования одномерной модели РСД, с учетом специфики конструкции ЦСД с внутренним корпусом и прямоточной схемой движения пара в проточной части, только в первом приближении;
- определено влияние характера течения пара в переднем концевом уплотнении (ПКУ) цилиндра среднего давления (ЦСД) изношенного промежуточного уплотнения на прогрев РСД в зоне паровпуска;
- обоснована последовательность применения известных методов математического моделирования для оптимизации технологии пуска турбины в составе блока по критическим элементам;
- на основе математических моделей прогрева, выполненных в комплексе ANSYS, и данных о реальных пусках энергоблоков с турбинами К-3 00-240-2 исследованы тепловые и термонапряженые состояния РВД и РСД; в основу разработанных моделей легло подробное моделирование полной геометрии роторов с тепловыми канавками, дисками с галтелями, а также подробное задание начальных и граничных условий на каждом характерном участке роторов, соответствующих каждой пусковой операции;
- получены и обоснованы экспериментальные данные по благоприятному термонапряженному состоянию РСД при пуске по новой технологии; по результатам исследования оптимизированы графики пуска такой технологии;
- разработана модель прогрева РСД, учитывающая двухмерность температурного поля с использованием метода передаточных функций; впервые опробована методика расчета, входящих в динамическую модель прогрева РСД, коэффициентов и так называемых "функций положения" на базе расчетов температурных полей ротора при характерных (регулярных) режимах прогрева; разработана структурная схема виртуальной модели РСД для эксплуатационного контроля теплового состояния в темпе процесса, входящей в состав АСУ ТП энергоблоков.
Практическая значимость. Результаты работы легли в основу корректировки станционной инструкции (Рефтинской ГРЭС) по пуску энергоблоков с турбиной К-300-240-2 из различных тепловых состояний. Практическая ценность работы также определяется возможностью использования ее результатов (моделей, алгоритмов их программной реализации, результатов расчетов) при решении ряда прикладных задач, положенных в основу разработок инструкций по эксплуатации турбин заводов-изготовителей и рекомендаций по корректировке станционной инструкции по пуску блока из различных тепловых состояний на конкретной ГРЭС, ТЭС, ТЭЦ.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается корректным применением используемых методик расчета и обусловлена глубокой проработкой методики исследования; использованием при выполнении работы результатов экспериментов, проведенных ранее по общепризнанной отработанной методике с применением современной измерительной техники; обеспечивается использованием в работе руководящих технических материалов; а также применением для расчетных исследований сертифицированного, лицензионного пакета программ Water Steam Pro (регистрационный код: BF6B6005) и сертифицированного, лицензионного программного комплекса ANSYS (лицензионное соглашение № 00106919); сопоставлением своих результатов с результатами, полученными другими авторами по оригинальным методикам, приведенными в доступных источниках информации. Автор защищает:
- результаты исследования теплового и термонапряженного состояния РСД при пусках из различных тепловых состояний;
- усовершенствованную технологию пуска турбины К-3 00-240-2 из холодного и неостывшего состояний, характеризуемая толчком и разворотом ротора турбины до частоты вращения 900...1000 об/мин и последующим прогревом на этой частоте за счет подачи пара в ЦСД из расширителя Р-20 и с учетом теплового состояния РСД;
- рациональную последовательность применения известных методов математического моделирования для оптимизации технологии пуска турбины в составе блока;
- алгоритм математического моделирования прогрева ротора для целей эксплуатационного контроля в темпе процесса;
- двухмерную модель теплового и термонапряженного состояния РСД в процессе прогрева для "on-line" контроля, входящего в состав АСУ ТП энергоблока.
Апробация работы. Основные положения и материалы диссертационной работы докладывались на следующих семинарах, конференциях и научно-технических сессиях: научно-технические семинары кафедры "Турбины и двигатели" ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2004-2007); VII, VIII, X и XI отчетные конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2004-2007); Международная научно-техническая конферен ция «Состояние и перспективы развития энерготехнологии», XII и XIV Бенардосовские чтения (Иваново, 2005, 2007); VII Всероссийская научно-техническая конференция «Наука. Промышленность. Оборона» (Новосибирск, 2006); XXVI и XXVII Российская школа по проблемам науки и технологий (Миасс, 2006, 2007); XVI Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках" (Санкт-Петербург, 2007); V международная научно-практическая конференция «Совершенствование теплотехнического оборудования» (Екатеринбург, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ [4-16], в том числе 2 работы по списку ВАК.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (120 наименований). Общий объем диссертации 149 страниц, включая 36 рисунков.
Во введении изложена общая характеристика диссертационной работы, показана ее актуальность, сформулирована цель работы, отражена научная новизна и практическая ценность.
В первой главе описываются предпосылки к появлению интереса в совершенствовании технологии пуска турбин, решении тепловых задач и математическом моделировании. Глава содержит обзор работ по вопросам темы работы по литературным источникам. Из проведенного литературного обзора следует, что вопрос совершенствования технологии пуска турбин является актуальным и интенсивно исследуется экспериментальными и численными методами. Подведены итоги изучения рассматриваемых вопросов на современном этапе и сформулированы основные задачи исследований.
Вторая глава посвящена рассмотрению методических вопросов и описанию математических и приборных методов, используемых при автоматизации пусков турбин и, в частности, для моделирования роторов турбин в процессе пуска. В этой главе диссертационной работы проводится сравнение и обоснование использования набора методов, как составных частей методики исследовательского моделирования и контроля теплового состояния элементов турбины в переходных режимах. Рассмотрены основные функциональные зависимости, используемые для расчета и задания граничных условий теплообмена в процессе пуска блока.
В третьей главе изложены основные варианты пускового регулирования температуры пара промперегрева, с целью обоснования необходимости в новой технологии пуска дубль-блоков мощностью 300 МВт, ввиду того, что при реализации типовой технологии в процессе разворота и начального на-гружения турбины происходит резкий рост температуры пара на выходе промежуточного пароперегревателя и обусловленного им интенсивного прогрева ротора ЦСД с возникновением в последнем и других элементах этого цилиндра чрезмерных температурных напряжений. Также здесь описывается новая предлагаемая технология пуска лишенная недостатков типовой технологии. Показано благоприятное состояние РСД в процессе пуска по усовершенствованной технологии.
В этой главе приводится процесс оптимизации режима пуска турбины К-3 00-240-2 в составе энергоблока по новой технологии с такими основными качественными критериями:
минимизация общей длительности пуска при обеспечении надежности оборудования энергоблока;
предельно допустимое термонапряженное состояние ротора ЦСД, как потенциально критического элемента мощных паровых турбин.
В четвертой главе представлен сравнительный анализ результатов моделирования при помощи одномерной и двухмерной модели. Показано, что одномерная модель для РСД является приближенной и пригодна только в качестве первого приближения. Вместе с тем простота этой модели позволяет сравнительно легко произвести отладку или выбрать достаточно узкий диапазон подбираемых параметров для дальнейшей проработки режимов пуска.
Рассмотрены принципы создания динамической модели прогрева ротора методом "функций положения" и представлены результаты расчета полей значений частных функций для ротора ЦСД путем проработки последовательности нахождения последних с учетом принятия начальных условий.
Приведены результаты изучения "функций положения" подтверждающие необходимость использования двухмерной модели прогрева РСД исследуемого объекта для организации эксплуатационного контроля. Представлена разработанная соответствующая структурная схема виртуальной модели прогрева РСД.
В заключении обозначены выводы проведенной работы по совершенствованию режимов пуска турбины К-3 00-240-2 в составе энергоблока и сформулированы основные выводы представленной диссертационной работы.
Работа выполнена на кафедре "Турбины и двигатели" ГОУ ВПО "Уральского государственного технического университета - УГЛИ" и ЗАО "Уральский турбинный завод".
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю Похорилеру Валентину Леонидовичу и научному консультанту Голошумовой Вере Николаевне за постоянную поддержку и помощь в работе, а также Баринбергу Григорию Давидовичу за содействие в работе и полезные замечания.
Современные решения проблем оптимизации режимов пуска и эксплуатационного контроля по критическим элементам турбины
Современный этап расчетов и оптимизации энергооборудования и режимов работы можно охарактеризовать появлением возможности организации исследований узлов и процессов в "пользовательских" пакетах расчета и моделирования, поэтому все более доступным становится проведение исследований с учетом большего числа факторов. Но принципы исследовательской работы в рассматриваемом бурно развивающемся направлении остаются теми же, что связано с правильным анализом свойств исходной информации, постановкой задачи, решением, получением результатов и выборкой полезных данных. Для решения задач необходимо привлекать эвристические методы, использующие интуитивные знания и опыт.
В Институте проблем машиностроения (г. Харьков, Украина) и на сегодняшний день под руководством А.Л. Шубенко и Д.А. Переверзева [64, 65] идет работа по вопросам рационализация режимов прогрева-нагружения турбин и повышение их маневренности.
В рамках этой работы разработан метод решения задач управления тепловым состоянием наиболее термонапряженных узлов цилиндров паровых турбин в процессе их эксплуатации в пиковых и полупиковых режимах. Он позволяет минимизировать продолжительность этапа прогрева-нагружения при выдерживании термонапряженного состояния узлов, несущих основную нагрузку, на предельно допустимом уровне в течение всего переходного процесса. Для турбины К-3 00-240 ХТЗ в качестве узла, лимитирующего продолжительность этапа прогрева-нагружения, выбран также участок РСД в зоне первой ступени части среднего давления.
Из материалов, представленных на интернет-сайте института, видно, что расчетный остаточный ресурс РВД турбин К-3 00-240 блоков №1, №2, №3, №4 Запорожской ТЭС по результатам оценки накопленной поврежденности и определения живучести, с точки зрения трещиностойкости, больше ресурса РСД данных блоков, соответственно, в 4,3; 3,8; 3,6; 3,2 раза. Такие данные подтверждают правильность выбора РСД в качестве "критического" элемента турбины при ведении пусковых режимов энергоблоков с данной турбиной.
В работах сотрудников ОАО "НПО ЦКТИ" рассмотрена организация режимов эксплуатации и ремонтов энергооборудования по его фактическому и прогнозируемому состояниям. Диагностика и управление тепловым состоянием турбины рассматриваются как взаимнообусловленные оптимизационные задачи комплексного обеспечения показателей маневренности, надежности и ресурса энергоблока в их функциональной взаимосвязи с конструктивными характеристиками оборудования [66]. Рассмотрены вопросы повышения надежности РСД мощных паровых турбин применением систем принудительного парового охлаждения наиболее термонапряженных участков [67-69] и проведением других мероприятий по повышению маневренности и ресурса турбин в целом [70].
В ЦКТИ разработана и внедрена на блоках мощностью 300МВт информационно-диагностическая система турбоустановки ИДС "Ментор", предназначенная для повышения надежности и безопасности при эксплуатации турбоустановки, улучшения ее технико-экономических показателей, продления ресурса оборудования [71, 72]. Система обеспечивает автоматический контроль параметров и сопоставление их с допустимыми значениями и критериями надежности. Система фиксирует и предупреждает эксплуатационный персонал о превышении нормативных показателей, например скоростей прогрева, термонапряжений, расширений, вибрации и других величин, требующих контроля, позволяет персоналу оперативно реагировать, выяснять причины и принимать своевременные меры по нормализации ситуации. В ряде случаев программа выдаст оператору рекомендации по приведению параметра в норму. В данной системе можно провести расчет фактических термических напряжений по реальным параметрам турбоустановки. Могут рассчитываться термические напряжения в клапанах, корпусах и в роторах высокого и среднего давления. Особенность предлагаемой системы заключается в том, что она позволяет рассчитать оптимальные условия пуска из любого конкретного температурного состояния с учетом температур корпусов ВД и СД, а также коробок стопорных и регулирующих клапанов. Однако может быть проведена оценка выработанного ресурса роторами на момент установки системы.
На кафедре "Турбины и двигатели" под руководством В.Л. Похорилера разработан алгоритм решения построения модели прогрева РВД и РСД [73-75], который реализован в системах АСУ ТП энергоблоков различной мощности. В том числе в рамках текущей работы проведены исследования и разработки в соответствии с договорами по выполнению рекомендаций для корректировки существующей инструкции по пуску из различных тепловых состояний дубль-блока с турбиной К-3 00-240-2.
Реализации непрерывного управления по временным программам
Значительное место в инженерном анализе занимает моделирование -основной метод кибернетики. Под моделью обычно понимают условный образ какого-либо объекта. Модель представляет собой систему, неотличимую от моделируемого объекта (оригинала) в отношении некоторых свойств. Всякая модель отражает только определенные аспекты, свойства, характеристики оригинала. Модель может быть как абстрактная (математическая), так и физическая (материально реализованная). Отображая или воспроизводя объект исследования, модель способна замещать его так, что ее изучение дает необходимую информацию об объекте.
Физически подобные модели имеют ту же физическую природу, что и оригинал. Математически подобные модели основываются на идентичности математического описания процессов в модели и оригинале.
Выбор типа модели и ее построение являются процессом творческим и исключительно важным. Модель должна отражать только основные интересующие нас черты процесса, при этом не быть чрезмерно сложной и загроможденной второстепенными, малосущественными для анализа подробностями. В благоприятных случаях проводится как математическое, так и физическое, либо полунатурное моделирование, что позволяет наиболее полно исследовать проектируемую систему управления [76].
Процесс проектирования систем управления итеративен, при этом на каждом шаге итерации разработчик системы пытается найти более совершенные решения. На первых этапах исходные предпосылки еще недостаточно четко определены, поэтому используются приближенные методы, расчеты и испытания. Когда будут изучены и поняты главные явления, в анализ следует включить и второстепенные, ранее не учтенные факторы, чтобы обеспечить уверенность в том, что на последующих этапах проектирования не возникнет никаких неожиданностей и в целом будут получены наиболее удовлетворительные результаты.
Исследование термонапряженного состояния основных элементов турбины при пусках показывает, что в качестве параметров, ограничивающих изменение температуры свежего пара, могут выступать: - термические напряжения в РВД; - термические напряжения в РСД; - температурные напряжения в стопорном клапане; - осевые зазоры в проточной части ЦВД, определяемые относительными расширениями РВД; - термические напряжения во фланцевом соединении корпуса ЦВД.
Современные мощные турбины выполняются с двухстенным, трех стенным ЦВД с уменьшенными толщинами стенок и ограниченными размерами фланцевого соединения. Следовательно, для таких турбин, термические напряжения в РВД при одинаковых изменениях температуры свежего пара всегда достигают быстрее допустимого значения, чем термические напряжения в корпусе ЦВД. При формировании задания на изменение температуры свежего пара ведущим показателем является эффективная разность температур в РВД. Графики-задания пуска энергоблоков могут быть построены из условия ограничения уровня пусковых температурных напряжений в роторах ЦВД и ЦСД.
Разработка технологических основ автоматизации пусков предполагает предшествующее проведение на турбине исследований, необходимых для правильной организации и рационализации пусковых режимов. Для задания технологии пусковых режимов, выделения самых термонапряженных элементов конструкции турбины, анализа и оптимизации их прогрева важно иметь предпусковое состояние турбины, соотношение температур основных конструктивных элементов при пусках после простоев. Для корпусных деталей используют непосредственное термометрирование. Так как непосредственное термометрирование металла РВД отсутствует, то основным источником сведений о распределении температур является решение задачи нестационарной теплопроводности при задаваемых краевых условиях прогрева.
На различных этапах исследования и анализа режимов работы турбин могут оказаться эффективными различные методы изучения температурных полей: - моделирование явлений на аналоговых установках; - аналитическое решение уравнения теплопроводности; - численное решение уравнения теплопроводности.
Организация математического моделирования прогрева роторов является важной задачей автоматизации контроля за состоянием турбины при пусках. Задание граничных условий прогрева роторов при математическом моделировании основывается на штатных измерениях температуры и давления пара на входе в соответствующие цилиндры [45, 77].
Анализ температурного и термонапряженного состояния РСД при пусках по типовой инструкции
Для изучения прогрева РСД принято изменение параметров по графику-заданию при пуске дубль-блока из холодного состояния по типовой инструкции (см. рис. 3.2).
В результате получена картина изменения температурного и термонапряженного полей расчетной модели РСД при прогреве в процессе пуска турбины по графикам типовой инструкции.
Наибольшие температурные напряжения возникают на дне тепловых канавок в зоне ПКУ и ДУ 2-й ступени. Максимальные значения достигаются к 10-й минуте разворота на дне 4 и 6-й тепловых канавках по счету от диска 1-й ступени, а также в придисковых галтелях той же ступени.
На рис. 3.3 представлено распределение касательных 7& осевых JZ, радиальных сгг и эквивалентных сгэкв (по Мизесу) температурных напряжений на дне тепловых канавок на рассматриваемом участке ротора. Из рисунка видно, что в начале разворота (к 4-й минуте) максимальные температурные напряжения возникают в сечениях 4...9-й тепловых канавок, но в дальнейшем значения напряжений в сечении придисковой галтели со стороны ПКУ превышают их, и к моменту возникновения максимальных напряжений и радиальных разностей температур металла ротора (см. рис. 3.4) достигают величины сгтахгал =417 МПа (см. рис. 3.5). Величина таких температурных напряжений с учетом таких факторов как, напряжения от центробежных и других механических сил вблизи перехода от галтели к полотну диска, накопленные на донной поверхности канавок повреждения от ползучести на стационарных режимах и предела текучести стали ротора равного оь,2[400 С]=590 МПа, свидетельствует о возникновении неблагоприятного, с точки зрения опасности малоцикловой усталости и снижения ресурса, состояния РСД.
Опыт эксплуатации мощных паровых турбин показал, что концентрация деформаций в зоне тепловых канавок роторов решающим образом сказывается на их долговечности [20].
Из рис. 3.4 видно, что на исследуемом участке возникают значительные величины радиальных температурных разностей, достигающие 170... 185 С, что превышает величину 90..100 С, обычно принимаемую для таких роторов в качестве допустимой.
В реальности осуществление пуска дубль-блока из холодного состояния по типовой инструкции практически невозможно, ввиду описанных выше причин осложняющих регулирование температуры пара промперегрева, и поэтому температура пара перед ЦСД в процессе разворота турбины быстро возрастает до 420...440 С даже при пусках блока из холодного состояния, что приводит к интенсивному прогреву наружной поверхности ротора при сравнительно низкой температуре внутренних слоев металла, расположенных вблизи поверхности осевой расточки. При этом разность температур металла ротора по его радиусу возрастает до 200...220 С, что более чем в два раза превышает величину разности (90...100 С), обычно принимаемую для таких роторов в качестве допустимой.
Поэтому возникает необходимость в принципиально другой технологии пуска.
Выбор технологии пуска данной турбины в составе энергоблока основывается на снижении разности температур "пар - металл" и стабилизации теплового состояния элементов ЦСД, что позволяет, соответственно, снизить уровень разностей температур и напряжений, возникающих в РСД в процессе разворота и начальной стадии нагружения, а также предотвратить возникновение недопустимых значений относительного расширения ротора. Предполагалось использовать несколько технологий, позволяющих усовершенствовать пуск блока из холодного и неостывшего состояний. Принципиальная пусковая схема блока приведена на рис. 3.6.
Первый вариант технологии заключается в том, что пар после ЦВД делится на два потока, примерно одинаковый по расходу: один поток поступает в тракт промперегревателя 12 растапливаемого котла и нагревается, поэтому его можно назвать "горячим", а другой поток по трубопроводу 29 поступает в ППП второго корпуса котла, который на этой стадии не растапливался и находился в резерве. Последний поток пара в тракте 111111 не нагревается и его можно назвать "холодным". Смешивание двух потоков происходит в блоке клапанов промперегрева, что должно обеспечить сниженный уровень температуры пара промперегрева на входе в ЦСД. Недостаток данного варианта связан с возможным нахождением не растапливаемого корпуса котла в ремонте.
Второй вариант основывается на толчке паром, подводимым на паровые впрыски до 11111-1, с температурой 250 С после ЦВД работающего соседнего блока, путем подачи его в ЦСД при закрытых клапанах ЦВД. Начальный толчок ротора производится путем подачи пара на впрыски. После 35..40 минут выдержки на частоте 800...900 об/мин поднимаются обороты до 2200 об/мин и делается выдержка 25...30 минут. Повышение частоты вращения до 3000 об/мин производится с открытыми пусковыми впрысками в промперегрев и подачей пара в ЦВД открытием регулирующих клапанов. Недостатком варианта, помимо описанных выше сложностей конструкции и схемы, является ограниченный расход пара через форсунки, к тому же который берется из КСН, где его зачастую не хватает.
Также были проанализированы и экспериментально опробованы варианты пуска блока с разворотом турбины до 1000...1200 об/мин и прогревом ЦСД на этой частоте производимым посторонним паром, подаваемым помимо ЦВД из системы КСН. Как вариант используется пар из КСН с температурой 250
Разработка динамической модели теплового и термонапряженного состояния РСД
При оптимизации графиков-заданий пуска по новой технологии основывались на оптимизации процесса прогрева РСД в зоне паровпуска. Задача поставлена таким образом: по известному температурному полю t(p, и, т) в данный момент времени необходимо определить требуемое изменение температуры пара, поступающего в проточную часть в последующие моменты времени при условии, что изменение обеспечит минимизацию времени прогрева, а обусловленные им температурные напряжения не выйдут за пределы допустимых значений [ т]; яри этом должны быть также учтены ограничения, налагаемые на возможность изменения температуры пара.
Для расчетной оптимизации графиков пуска из холодного и неостыв-шего состояний использован метод последовательных приближений путем перебора, в данном случае, температур пара промперегрева и длительность этапов разворота и нагружения турбины до номинальной мощности в составе энергоблока.
Первоочередным вопросом является выбор сечений в той самой зоне возникновения наибольших температурных напряжений для задания ограничения по допустимому значению напряжений.
Эта задача решена при проведении анализа термонапряженного состояния РСД по результатам моделирования прогрева в процессе пуска по графикам-заданиям и графикам реальных пусков по типовой и новой технологиям.
Анализ полученных температурных и термонапряженных полей РСД в процессе различных пусков показал, что "опасными" являются сечения в зоне ПКУ и диафрагменного уплотнения 2-й ступени данного цилиндра с возникающими в них наибольшими разностями температур металла наружной поверхности ротора и осевой расточки At = tHapop и соответствующими максимальными напряжениями на дне тепловых канавок и придисковых галтелей диска 1-й ступени. Эти участки ротора омываются паром достаточно высокой температуры при значительных коэффициентах теплоотдачи, а примыкающие зоны значительно более холодным паром.
Для контроля допустимых значений напряжений выбраны узлы элементов на дне 7-й тепловой канавки и придисковой галтели со стороны ПКУ. Анализ показал, что с достаточной точностью можно "вести" значения максимальных напряжений именно по этим узлам и соответствующим им сечениям модели ротора для расчета температурных разностей.
Следующей задачей является предпусковое температурное состояние, определение которого происходит по результатам остывания после останова и простоя в случаях пуска из различных тепловых состояний. Начальное состояние при моделировании прогрева таких пусков задается по данным реальных замеров.
Для целей изучения предварительного прогрева РСД в зоне ПКУ выполнено моделирование последнего с начальной температурой металла равной температуре воздуха в машинном зале 30 С.
Температура пара на входе в ПКУ существенно зависит от подмешивания пара из соседних полостей и практически не поддается расчетной оценке, поэтому необходимо опираться на экспериментальные данные.
В процессе расчета граничных условий в зоне ПКУ рассмотрены результаты расчета утечек пара в концевых уплотнениях на конденсационном режиме турбин по схемам концевых уплотнений К-300-240-2 и К-310-23,5-3.
При расчете параметров пара предпускового предварительного прогрева и разворота турбины учтено, что режим работы концевых уплотнений ЦВД и ЦСД в связи с возрастанием давления пара в корпусах, начиная от вакуума, претерпевает изменения. Параметры рассчитаны на каждый временной шаг моделирования прогрева для возможности организации их линейного изменения в рамках шага.
Для задачи моделирования предварительного прогрева ротора в зоне ПКУ выбрана расчетная схема течения пара в концевых уплотнениях турбины К-300-240-2 с расходами пара для случая проектных зазоров в лабиринтовом уплотнении. Схема концевых уплотнений с параметрами пара на конденсационном режиме приведена на рис. 3.12.
Задача выполнена с учетом процесса конденсации пара с постепенно уменьшающейся при наборе вакуума температурой насыщения. Моделирование выполнено с постепенным снятием конденсации по поверхностям модели ротора при достижении температуры прогреваемого металла в контролируемых зонах температуры насыщения, которая, в свою очередь, уменьшается (см. рис. 3.13).
При анализе результатов данной задачи пришли к выводу, что при пуске из долгого простоя в процессе предварительного прогрева устанавливается равномерное по радиусу температурное состояние в зоне ПКУ и первых ступеней ЦСД, близких к сечению прогрева и относящихся к "критическим" элементам, равное 75 С к 3-му часу прогрева (см. рис. 3.14) и с последующим ее повышением к 7-му часам прогрева до 90 С. Следовательно, к окончанию выполнения необходимых технологических операций (3 часа) устанавливается равномерное по радиусу поле температур. Данный уровень температуры металла после предтолчкового прогрева роторов соответствует опыту эксплуатации турбины в составе энергоблока [44,34].
Для дальнейшего моделирования идеализированного пуска с момента разворота будем задаваться начальной температурой металла ротора ЦСД tpca(0)=15 С. Определившись с уровнем предпускового температурного состояния в практических целях и задавшись им для задач моделирования, делаем первый шаг к решению одной из основных задач разработки графика пуска турбины по новой технологии, так как теперь переходим к выбору задаваемых начальных предпусковых параметров пара, при которых допускается подача пара в турбину.
Похожие диссертации на Совершенствование режимов пуска турбины К-300-240-2 в составе энергоблока
