Способ управления паротурбинной установкой в нестационарных режимах

повышении температуры пара ротор нагревается быстрее, чем корпус, из-за меньшей массы, больших поверхности взаимодействия с паром И интенсивности теплообмена. Это может привести К осевому задеванию в проточной части, так как ротор расширяется бь 1 стрее статора.Известен способ работы паротурбинной установки в нестационарных режимах (ее пуска), включающий подачу пара с заданными значениями температуры и давления на вход турбины, в ее проточную часть 1. При проведении исследований и наладочных работ турбомашины определяют среднестатистическую зависимость температуры металла ротора в зоне паровпуска турбины от величины абсолютного расширения ротора. Перед пуском по показаниям приборов и разработанной методике определяют температуру ротора. При пуске турбины для уменьшения относительного расширения ротора (ОРР) в проточную часть в зону паровпуска корпуса турбины подают пар с температурой, превь 1 шающей температуру ротора на определенную величину, установленную ранее при проведении исследований и пусконаладочных работ. Это улучшает режимы пуска, что повь 1 шает надежность работы установки и срок службы турбомашины.Недостатками данного способа являютсявозможность использования только при пуске турбиныдлительность процесса пуска турбины из-за медленного прогрева валавелики непроизводительные затраты топлива при пуске.Известен способ работы (пуска) мощной паротурбинной установки с трехцилиндровой турбиной с промежуточным перегревом пара в нестационарных режимах, включающий подачу пара на уплотнения вала без регулирования его температуры 2. При пуске к концевым уплотнениям цилиндров турбины подается пар. Происходит прогрев ротора,вращаемого валоповоротным устройством, и элемента статора. За счет большего прогрева ротора происходит его смещение по отношению к элементу статора и закрепленному в статоре гребню уплотнения. Затем подают рабочий пар в проточную часть турбины и повышают частоту вращения ротора до 25-30 номинальной величины. При этой частоте производят выдержку для прогрева ротора. После прогрева ротора увеличением расхода пара в проточную часть турбины повышают частоту вращения ротора до номинальной величины. Пар на уплотнения подается из уравнительной линии деаэраторов. Его давление поддерживается регулятором. Уплотнения валов ЦВД и ЦСД содержат по 4 камеры с каждой стороны вала. Крайние камеры этих уплотнений связаны с паровым пространством вакуумного сальникового подогревателя, в который отсасывается смесь уплотняющего пара и подсасываемого из машзала атмосферного воздуха. В камеру, соседнюю с крайней,подается уплотняющий пар под небольшим избыточным давлением. Уплотнения ЦНД содержат по 2 камеры с каждой стороны. Здесь также уплотняющий пар поступает во вторую камеру, а отводится в вакуумный сальниковый подогреватель из крайней камеры. Уплотняющий пар проходит также внутрь ЦНД, так как его давление выше, чем в последнем.Недостатками этого способа являютсямедленный (десятки часов) пуск турбины из холодного состояниябольшой переходный период при работе в нестационарных режимахбольшие пусковые потери топливанизкая эффективность турбины в этот период вследствие ее работы в нерасчетном режиме, отсюда большие затраты топлива на производство электроэнергии.Так, пусковые потери топлива для энергоблока мощностью 300 МВт составляют не менее 200 тонн.Известен способ работы паротурбинной установки в нестационарных режимах, включающий подачу на уплотнения паровой турбины пара с заданными значениями температуры и давления, где предусмотрены 2 отдельных коллектора уплотняющего пара для горячих и холодных уплотнений З.При пуске блока из холодного состояния уплотняющий пар подается из общестанционной магистрали через регулятор давления с температурой около 150 С. Для предотвращения укорочения вала при пуске турбины из горячего состояния к уплотнениям ЦВД и ЦСД предусмотрен временный подвод горячего, например острого, пара. Однако этот пар нельзя подать на уплотнения ЦНД, так как чрезмерный разогрев вала ЦНД может привести к ослаблению посадки дисков и втулок уплотнений и возникновению недопустимых вибраций турбины. В этой схеме нет устройства для изменения (регулирования) температуры пара.Недостатками этого способа являютсядлительное время, требуемое для осуществления плавного перехода при нестационарных режимахбольщие потери топлива при пуске турбины.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому нами способу является способ работы паротурбинной установки в нестационарных режимах, включающий подачу пара с заданными параметрами и расходами в проточную часть и на уплотнения паровой турбины 4, 5. При этом пар на уплотнения ЦНД подается из коллектора собственных нужд блока и проходит через щтатный пароохладитель, представляющий из себя трубу с несколькими форсунками для впрыска мелкораспыленной воды в проходящий по нему пар. Благодаря этому на уплотнения ЦНД паровой турбины подается влажный пар.Предлагаемый способ обеспечил снижение времени переходных процессов, сократил непроизводительные потери топлива при пуске.Недостатками данного способа - подачи влажного насыщенного пара на уплотнения являютсячастое появление вибраций ротора, превыщающих допустимые пределыпопадание холодной воды в уплотнения, что приводит к термощокам металла.Задачей настоящего изобретения является создание способа управления паротурбинной установкой в нестационарных режимах, обеспечивающего дещевое, быстрое и безопасное осуществление переходных, нестационарных процессов.В результате рещения данной задачи достигается новый технический результат, заключающийся в возможности повыщения эффективности и надежности работы всей энергоустановки при существенном сокращении топливных, материальных и трудовых затрат.Данный технический результат достигается тем, что в способе управления паротурбинной установкой в нестационарных режимах, включающем подачу пара с заданными параметрами и расходами в проточную часть и на уплотнения паровой турбины, в соответствии с изобретением на уплотнения турбины подают осушенный пар, причем температура пара, подаваемого на уплотнения турбины при ее разогреве, на 10-15 С выще текущей температуры металла уплотнений, а температура пара, подаваемого на уплотнения турбины при ее охлаждении, на 5-10 С ниже текущей температуры металла уплотнений,при этом давление осущенного пара, подаваемого на уплотнения турбины, на 3-5 выще атмосферного давления. При этом подаваемый на уплотнения турбины пар осущают перед входом в уплотнения турбины путем отбора влаги фильтровальными материалами или в поле центробежных сил.Подача сухого пара полностью исключает попадание капель влаги в уплотнения и из них в проточную часть турбины и обеспечивает уменьщение до допустимых пределов неравномерности относительного расщирения ротора и статора турбины. Экспериментальная проверка показала, что вышеуказанные пределы изменения температур являются оптимальными. Если при разогреве турбины перепад температур между сухим паром на входе в уплотнения и самими уплотнениями будет ниже 10 градусов, то не исключена его конденсация вблизи выхода пара из уплотнения, проход капель влаги в проточную часть ЦНД. В уплотнениях при пуске из холодного состояния пар, по мере прохождения уплотнения, охлаждается и при определенных условиях может сконденсироваться. От влагипроисходит эрозия концевых лабиринтных уплотнений б. Влага в проточной части турбины вызывает эрозионный износ рабочих лопаток, уменьшение КПД турбины. Поэтому пар даже на выходе из уплотнений ЦНД в проточную часть ЦНД должен быть слегка перегреть 1 м над пограничной кривой (хотя бы на 3-5 С). Подача пара на уплотнения с перепадом температур более 15 градусов может привести К превышению допустимых пределов относительного расширения ротора и статора. При охлаждении турбины подача пара с разностью температур между паром и уплотнениями менее 5 градусов удлиняет процесс ее охлаждения, а при подаче пара с перепадом температур более 10 градусов могут быть нарушены допустимые пределы относительного расширения ротора и статора. Давление пара, подаваемого на уплотнения, выбирают на 3-5 выше атмосферного давления, что также подтвердила экспериментальная проверка. При превышении давления не исключено попадание пара в машинный зал, в корпуса стоящих рядом подшипников, обводнение их масла. При меньших давлениях атмосферный воздух проходит в ЦНД, ухудшая вакуум в конденсаторе. Это приводит к уменьшению мощности турбины.Благодаря этому техническому решению в тракте подачи вышеуказанного пара полностью исключаются термошоки металла, обеспечивается допустимая по существующим нормам скорость изменения напряжений деталей турбины и отсутствие касаний торцами вала турбины ее статора, поддерживается уровень вибраций вала турбины в допустимых границах, достигаются условия для уменьшения на 13-20 времени, требуемого для осуществления переходных режимов. Следствием технических улучшений являютсяуменьшение на О,1-О,15 расхода топлива, потребляемого энергоблоком в среднем за год работы при сохранении прежней мощности и выработки электроэнергииповышение на 1-1,3 коэффициента использования установленной мощности, возможность увеличения на столько же количества вырабатываемой в год электроэнергииповышение надежности работы энергоблокауменьшение количества его внеплановых останововуменьшение затрат на эксплуатацию энергоустановкипонижение себестоимости выработанной электроэнергииуменьшение затрат топлива на каждый выработанный кВт/ч электроэнергии.Резкое изменение температуры в проточной части турбины и ее уплотнениях может привести к образованию нестационарных температурных полей. При этом детали турбины получают разную температуру, их тепловое расширение во времени отличается, и поэтому возникает опасность затруднения свободного теплового расширения одних деталей относительно других, появляется возможность задевания вращающихся деталей о неподвижные, ослабления крепления и даже освобождения отдельных деталей на валу. Так, подача слишком горячего пара на уплотнения цилиндра низкого давления может привести к временному или постоянному ослаблению посадки дисков и втулок уплотнений и возникновению недопустимых вибраций турбины. Из взаимных деформаций деталей турбины при переменных режимах наиболее важны продольное расширение или сокращение ротора относительно статора, тепловой изгиб ротора, деформация корпуса из-за несимметричного нагрева. При повышении температуры пара в проточной части турбины ротор нагревается быстрее, чем корпус, что может привести к осевому задеванию.Еще более опасно более быстрое сокращение длины ротора относительно сокращения длины статора, происходящее при подаче в проточную часть турбины пара с температурой более низкой, чем температура ее деталей. Такое возможно при останове турбины,уменьшении мощности или изменении расхода пара и его параметров. Это связано с тем,что осевые зазоры между рабочим колесом и находящейся перед ним диафрагмой всегда меньше, чем между колесом и стоящей за ним диафрагмой.Другая опасность - в деталях вследствие неравномерного прогрева или охлаждения возникают температурные напряжения, приводящие при их циклическом повторенииТак как для надежной и безопасной работы энергоблока всегда должно быть соответствие температур пара и металла отдельных узлов, особую опасность для роторов представляют пуски из холодного состояния, если они производятся слишком быстро и ротор не успевает прогреться или температура пара не регулируется. В этом случае металл по сечению ротора прогревается неравномерно температура внешних слоев растет быстрее,чем внутренних. Из-за этого возникают температурные напряжения, сжимающие внешние слои и растягивающие внутренние. К растягивающим напряжениям от центробежных сил прибавляются растягивающие температурные напряжения. Это может привести к появлению в роторе трещин усталости, их развитию и, наконец, хрупкому разрушению. Трещины в роторе могут появиться в процессе эксплуатации в результате ползучести и исчерпания длительной прочности. Таким образом, оказывается, что при слишком быстром пуске турбины из холодного состояния, когда предел вязкостного разрушения металла ротора мал, а напряжения велики, даже небольшой дефект, совершенно неопасный при нормальной работе, может привести к внезапному хрупкому разрушению ротора. При работе паровых турбин было несколько случаев таких аварий, которые влекут за собой полное разрушение турбины, серьезные повреждения другого оборудования, а иногда и человеческие жертвы.Важным для надежной работы турбины элементом являются концевые уплотнения вала. В области высоких давлений уплотнения ограничивают выход пара из турбины, а в областях, где давление меньше атмосферного, препятствуют подсосу атмосферного воздуха в турбину и конденсатор, обеспечивая их нормальную работу. Концевые уплотнения должны исключать попадание пара в машзал даже в самых малых количествах, так как при этом теряется не только рабочее тело, но и повышается влажность в зале. При неправильной работе уплотнений, когда в их уплотнительные камеры подается пар слишком большого давления, происходит выброс избыточного пара из камер. Пар при этом может проникать в корпуса подшипников, вызывая обводнение масла и его порчу. При недостаточном давлении уплотнительного пара атмосферный воздух поступает в ЦНД, ухудшая вакуум в конденсаторе, что приводит к падению мощности и эффективности работы энергоблока.Попытки регулировать температуру пара, подаваемого на уплотнения турбины, делались неоднократно, но пока что не увенчались успехом из-за технических сложностей их осуществления. Рассматривалось несколько вариантов1. Смешение холодного (после ЦВД, температура около 300 С) потока пара, идущего в котел на промежуточный перегрев, и пара после промперегрева (температура около 550 С) 7. Полученный таким образом пар может быть использован только для подачи на концевые уплотнения вала ЦВД. К тому же система сложна в управлении.2. Электроподогрев пара. Начальная температура пара - 300 С, давление - 0,7 МПа(до регулятора). Система может быть использована только для уплотнений ЦВД и переднего концевого уплотнения ЦСД 8. Требуются громоздкие теплообменники (из-за малой плотности пара) и дополнительные затраты на электроэнергию. При малых расходах пара возможен термический пережег нагревательных элементов и теплообменных поверхностей.3. Для подогрева пара, подаваемого на уплотнение ЦВД и ЦСД, предлагается использовать вихревую трубу, работающую на эффекте Ранка, согласно которому при подаче закрученного потока газа в длинную трубу происходит разделение его по температурам в центре более холодный поток, а по периферии более горячий 8. В этой системе оказалось трудным получить нужную температуру пара. Система инерционная и сложная в управлении.