Стартовая >> Архив >> Генерация >> Повышение надежности роторов ВД и СД турбин К-210-130 ЛМЗ

Повышение надежности роторов ВД и СД турбин К-210-130 ЛМЗ

Хоменок Л. А., доктор техн.наук, Шаргородский В. С., Розенберг С. Ш., кандидаты техн. наук,
Короп Н. П., Тужаров И., Димитров А., Митев Д., Стоянов И., инженеры
АООТ “НПО ЦКТИ” (РФ) - Энергоремонт Варна АД - ТЭЦ “Марица Восток-2” (Болгария)

В настоящее время на ТЭЦ Болгарии находятся в эксплуатации 17 паротурбинных агрегатов различных модификаций К-210-130 производства АО ЛМЗ. Большинство из них выработали или приближаются к выработке расчетного срока службы, но по своим эксплуатационным характеристикам и технико-экономическим показателям еще далеки от полного морального старения. Перевод этих турбоагрегатов в щадящий режим эксплуатации (снижение уровня температур свежего и вторично перегретого пара и др.) приведет к существенному снижению технико-экономических показателей и поэтому, естественно, неприемлем.
Как показано в [1 - 7], наиболее эффективным и оптимальным техническим решением, направленным на комплексное решение проблем повышения надежности, продления срока службы, улучшения маневренных характеристик и технико-экономических показателей является введение принудительного парового охлаждения наиболее термонапряженных участков роторов высокого и среднего давления (РВД и РСД).
Зависимость числа циклов и показателей малоцикловой усталости от температуры металла
Рис. 1. Зависимость числа циклов и показателей малоцикловой усталости от температуры металла и термических напряжений [1]

Преимущество этого решения перед другими известными мероприятиями (применение новых более жаропрочных материалов, изменение режимов эксплуатации, снижение параметров пара и др.) очевидно, так как ни одно из указанных мероприятий не способно эффективно, с малыми затратами комплексно решить весь круг проблем.
В [3] показано, что выработка ресурса роторов проявляется в снижении как прочностных характеристик при длительной эксплуатации, так и показателей малоцикловой термической усталости при пусках, разгружениях или других переменных режимах работы турбины. На рис. 1 показана зависимость допустимого числа циклов и показателя малоцикловой усталости от температуры металла и уровня термических напряжений. Из рис. 1 видно, что снижение температуры металла с 525 до 500°С при ut = 20 кгс/мм2 приведет к увеличению в 2 раза числа циклов (с 2000 до 4000) и снижению повреждаемости также в 2 раза с 0,5 до 0,25% за один пуск [1]. В [3] отмечено, что при снижении уровня температур ротора, изготовленного из стали Р2МА, с 525 до 475°С и сохранении неизменным уровня пусковых термонапряжений или скорости прогрева допустимое число циклов по условиям малоцикловой усталости увеличится в зависимости от принятых допустимых рабочих напряжений в 2 - 3 раза.
Кроме этого, одним из проявлений выработки ресурса роторов является возникновение и развитие в процессе длительной эксплуатации, так называемого, прогрессирующего прогиба роторов, причиной возникновения и развития которого является неравномерность физических и механических свойств поковки ротора (гипотеза В. С. Шар- городского). Результаты ремонтных обследований роторов СД турбин мощностью 200 - 800 МВт ТЭС РФ подтверждают эту гипотезу.
Результаты ремонтных обследований РСД турбин К-210-130 ЛМЗ некоторых ТЭЦ в Болгарии свидетельствуют о том, что эта проблема также актуальна и для турбин К-210-130, установленных на этих ТЭЦ.
Схема подвода пара на охлаждение роторов
Рис 2. Схема подвода пара на охлаждение роторов ВД и СД турбины К-210-130-3 (ст. № 5) ТЭЦ “Марица Восток-2"

Характерным примером сказанному являются результаты обследования ротора СД турбины К-210-130 ЛМЗ (ст. № 6) ТЭЦ Варна. При выполнении на ЛМЗ тепловой пробы ротор нагревался на 575°С и бой составлял 0,04 мм. После наработки 88 000 ч (1993 г.) бой РСД в районе думмиса составил 0,15 мм, а при наработке 112 000 ч (2000 г.) он достиг 0,24 мм. Другим примером являются результаты обследования роторов СД турбин К-210-130 (ст. № 5 и 6) ТЭЦ “Марица Восток-2”. Бой РСД турбины № 5 после наработки 91 325 ч составил 0,22 мм, а бой РСД турбины № 6 после наработки 92 601 ч составил 0,22 - 0,23 мм. Эти результаты свидетельствуют о стабильной тенденции к развитию прогрессирующих прогибов роторов СД в процессе эксплуатации и о необходимости решения этой актуальной проблемы. Что же касается прогибов РВД турбин К-210-130, то они также имеют место, их значения несколько меньше, чем у РСД. Так, например, прогиб ротора ВД турбины К-210-130 (ст. № 5) ТЭЦ “Марица Восток-2” после наработки 112 000 ч составил 0,12 - 0,13 мм. Развиваются прогибы РВД несколько медленнее, чем прогибы РСД, но снижение температур металла в зоне паровпуска окажет, несомненно, положительный результат.
Накопленный АООТ “НПО ЦКТИ” в течение последних 15 лет опыт создания и внедрения систем принудительного парового охлаждения (СППО) более чем на 30 паровых турбинах мощностью 200 - 800 МВт [2 - 7] позволил в сжатые сроки создать и внедрить с обеспечением необходимого снижения уровня температур в высокотемпературных зонах РВД и РСД на турбине К-210-130-3 ЛМЗ (ст. № 5) ТЭЦ “Марица Восток-2” комплексную систему охлаждения роторов ВД и СД.
Создание и внедрение комплексной СППО роторов потребовали решения большого числа проблем: определение температур и расходов омывающих роторы потоков охлаждающего пара, обеспечивающих охлаждение металла в наиболее высокотемпературных частях роторов; выбор оптимальных источников охлаждающего пара, с точки зрения их охлаждающей способности и экономичности турбины; определение оптимальных мест ввода охлаждающего пара, не вызывающего переохлаждение элементов турбины; расчет гидравлики потоков в районе охлаждаемых ступеней; проведение расчетов теплового состояния роторов в районе охлаждения, в том числе сравнительных - с охлаждением и без него; определение влияния охлаждения на относительные расширения и осевые усилия; определение допустимых расходов с точки зрения турбины; проведение обследования роторов в период капитального ремонта и измерение геометрии расточек роторов в высокотемпературных зонах, что является начальной точкой отсчета при контроле скорости ползучести металла роторов.
На рис. 2 показана схема подачи охлаждающего пара на роторы ВД и СД турбины К-210-130-3 (ст. № 5) ТЭЦ “Марица Восток-2”. Охлаждение РСД осуществляется паром, отбираемым из паропровода первого отбора ЦВД.

Схема температурного контроля за работой комплексной СППО роторов турбины
Рис. 3. Схема температурного контроля за работой комплексной СППО роторов турбины К-210-130-3:
расположение термопар: 1 - в камере за соплами ЦВД (t1); 2 - при выходе из первой обоймы ПКУ ЦВД (t2); 3 - на входе ПКУ ЦВД (t3); 4 - в районе диафрагменного уплотнения второй ступени ЦВД (t4); 5 - в камере между первой и второй обоймами ЦСД (t5); 6 - на входе в первую обойму ЦСД (t6); 7 - на выходе из первой обоймы ПКУ ЦСД (t7); 8 - в теле диафрагмы 14-й ступени ЦСД (t8); 9 - в районе диафрагменного уплотнения 14-й ступени ЦСД (t9, температура пара); I - ХПП на выходе из ТОБ; II- ХПП на входе в ТОБ; III- ОП на выходе из ТОБ; IV- ОП на входе в ТОБ

Охлаждающий пар по двум трубопроводам диаметром 42/34 мм, на которых установлены ограничители расхода, имеющие байпасные линии с вентилями ^у = 20 мм, подводится в зону переднего концевого уплотнения (ПКУ) ЦСД и через специальные устройства (паровые форсунки) в полость между диском 13-й ступени ЦСД и диафрагмой 14-й ступени. Устройства подвода охлаждающего пара выполнены в виде коллекторов и паровых форсунок и установлены таким образом, чтобы обеспечить равномерный по окружности подвод охлаждающего пара.
Охлаждение РВД осуществляется подводом охлаждающего пара также в две области: в зону ПКУ ЦВД и в полость между диском регулирующей ступени и диафрагмой второй ступени ЦВД. Здесь также предусмотрены коллекторы и паровые форсунки, которые обеспечивают равномерную по окружности подачу определенного расхода охлаждающего пара по двум трубам диаметром 42/34 мм, на которых установлены ограничительные шайбы, имеющие байпасные линии с регулировочными вентилями. Подготовка охлаждающего пара для ЦВД осуществляется в паро-паровом теплообменнике, в который противотоком подается пар из линии холодного промперегрева и свежий пар, отбираемый за первым регулирующим клапаном. Паро-паровой теплообменник состоит из 34-х U-образных секций, объединенных четырьмя коллекторами: два коллектора высокого давления (труба диаметром 76/64 мм) и два коллектора среднего давления (труба диаметром 108/99 мм).
Проектная характеристика паро-парового теплообменника представлена далее.
Тип                                             Труба в трубе
Рабочая среда                       Перегретый водяной пар
Схема движения среды                 Противоток
Площадь теплообмена, м2                  7,0
Охлаждающая среда:                Пар из линии ХПП
расход, т/ч                                      10,2
параметры: на входе:
давление, кгс/см2                       25,0
температура, °С                         320
на выходе:
давление, кгс/см2                     22,0
температура, °С                        430
Протекает по тракту
Охлаждаемая среда:                                                         
высокого давления
расход, т/ч                                      8,6
параметры:
на входе:
давление, кгс/см2                      120,0
температура, °С                          540
на выходе:
давление, кгс/см2                      110,0
температура, °С                         430
Паро-паровой теплообменник оснащен системой дренирования паропроводов.
Все паропроводы, подходящие к паро-паровому теплообменнику, к турбине и от турбины, имеют уклоны не менее 15°. Это же относится и к паропроводам подвода охлаждающего пара от первого отбора ЦВД к ЦСД.
Система охлаждения ротора СД выполнена без вентилей, поэтому охлаждающий пар из первого отбора подается в зону ПКУ и второй ступени ЦСД сразу, как только свежий пар попадает в ЦВД. По мере прогрева и набора нагрузки его расход и параметры увеличиваются как в точке отбора охлаждающего пара, так и в зонах его подачи.
Вентили на байпасных линиях ограничителей расхода служат для настройки СППО при проведении пуско-наладочных работ или при необходимости увеличения расхода охлаждающего пара.

Результаты испытаний СППО РВД и РСД на турбине К-210-130-3 (ст. № 5) ТЭЦ “Марица Восток-2”
Результаты испытаний СППО РВД и РСД на турбине
* Данные АООТ “НПО ЦКТИ”, полученные на турбинах К-210-130 ЛМЗ ТЭС РФ.

Пар на охлаждение ротора ВД начинает поступать из паро-парового теплообменника в ЦВД с открытием регулирующего клапана РК-1. По мере прогрева и нагружения турбины параметры и расход охлаждающего пара в зоны его подачи увеличиваются, так как при проектировании СППО был заложен принцип автомодельности.
На турбине К-210-130-3 (ст. № 5) был установлен экспериментальный контроль пара и металла элементов турбины в зонах охлаждения роторов, а также установлены контрольно-измерительные приборы, позволяющие контролировать работу паро-парового теплообменника (рис. 3). Термопары 1 и 5 были установлены в гильзы, которые были вварены в наружные корпуса ЦВД и ЦСД. Их высокая надежность позволяет организовать контроль за работой СППО в процессе всего межремонтного периода, эти термопары могут быть включены в схему измерений АСУ ТП блока.
Пуск и нагружение турбины (также как и останов), оснащенной СППО РВД и РСД, осуществляются в соответствии с заводской инструкцией по эксплуатации турбины и никаких ограничений или дополнительных действий от эксплуатационного персонала не требуют. Единственное требование по обслуживанию СППО при пусках - открытие дренажей на коллекторах паро-парового теплообменника. После достижения номинальной нагрузки и номинальных параметров пара производилось регулирование расходов охлаждающего пара с помощью вентилей на байпасных линиях ограничителей расходов. После обеспечения проектных (или близких к ним) показателей по уровню температур в зоне ПКУ ЦВД и ЦСД и их вторых ступеней вентили были опломбированы.
Система принудительного парового охлаждения роторов ВД и СД была изготовлена силами “Энергоремонт Варна АД”, ремонтно-механическим цехом ТЭЦ “Марица Восток-2” по чертежам, разработанным АООТ “НПО ЦКТИ”. Монтаж СППО был осуществлен силами персонала “Энергоремонт Варна АД” в период капитального ремонта в мае - августе 2000 г. Авторский контроль осуществляли специалисты АООТ “НПО ЦКТИ”.
После пуска турбины 16 августа 2000 г. система охлаждения РСД была сразу же включена в работу.
Система охлаждения РВД была включена в работу 5 октября 2000 г. при работе турбины с нагрузкой N = 200 МВт и параметрах свежего и вторично перегретого пара, близких к номинальным.
Температуры пара, омывающего ротор в зоне паровпуска и ПКУ ЦВД при работе турбины с отключенной системой охлаждения РВД на номинальной нагрузке и номинальных параметрах свежего пара, составили: t1 = 530°С, t4 = 510°С (см. таблицу).
При введении охлаждения эти температуры снизились: t1 = 508°С, t4 = 460°С. При этом вся высокотемпературная зона ротора ЦВД в районе ПКУ и регулирующей ступени снизилась примерно на 40 - 50°С, что хорошо согласуется с уменьшением относительного расширения ротора (ОРР) ЦВД на 0,33 - 0,35 мм, а изменение осевого сдвига (ОС) на 0,05 мм свидетельствует о некотором изменении осевого усилия. В зоне диафрагмы второй ступени ЦВД температура пара снизилась на 50°С.
Охлаждение РСД в зоне ПКУ и 14-й ступени осуществлялось также достаточно хорошо. Температура пара в зоне ПКУ снизилась на 60-65°С, а в зоне 14-й ступени примерно на 50°С. Это привело к уменьшению ОРР ЦСД на 0,5 мм (с 1,7 мм уменьшилось до 1,2 мм). Кроме этого, при введении охлаждения уменьшилась температура баббита колодок упорного подшипника на 2 - 2,5°С.
Ухудшения вибрации подшипников № 1 - 3 при введении охлаждения роторов не наблюдалось.
Изменения температуры баббита вкладышей опорных подшипников не наблюдалось. В таблице приведены результаты измерений основных параметров при работе турбины с включенной и отключенной СППО РВД и РСД.
Введение охлаждения роторов ВД и СД благоприятно сказалось на тепловой экономичности турбоустановки в целом. По данным АСУ ТП “Марица Восток-2” удельный расход теплоты до введения охлаждения ротора ВД составил 2060 - 2080 ккал/(кВт-ч); после введения в работу комплексной системы охлаждения роторов ВД и СД этот показатель составил 2020 - 2030 ккал/(кВт-ч).

Выводы

  1. Испытания показали, что применение СППО РВД и РСД на турбине К-210-130-3 (ст. № 5) ТЭЦ “Марица Восток-2 позволяет снизить температуру пара, омывающего РВД в зоне первых ступеней, примерно на 50°С, РСД также на 50°С, а в зонах ПКУ ЦВД - примерно на 40 - 45°С, ПКУ ЦСД - на 60 - 65°С.
  2. Испытания и опыт эксплуатации не выявили каких-либо противопоказаний применения СППО РВД и РСД.
  3. Положительные результаты проведенных работ и испытаний позволили руководству ТЭЦ “Марица Восток-2” принять решение о внедрении этой системы на остальных трех турбинах К-210-130 ЛМЗ. Эти работы планируется выполнить в  2001- 2002 гг.
  4. Внедрение СППО РВД и РСД может быть рекомендовано для внедрения на турбинах К-210-130 ЛМЗ, установленных на ТЭС РФ, странах СНГ, а также на турбинах блоков СКД мощностью 300 - 800 МВт.
  5. Применение данной системы целесообразно и на турбине мощностью 525 МВт ЛМЗ вновь создаваемого в России пылеугольного энергоблока на повышенные параметры свежего и вторично перегретого пара (t0 = гпп = 600°С, Р0 = 300 кгс/см2).

Список литературы

  1. Сафонов Л. П., Селезнев К. П., Коваленко А. Н. Тепловое состояние высокоманевренных паровых турбин. Л.: Изд-во Машиностроение, 1983.
  2. Внедрение систем принудительного охлаждения элементов турбин мощностью 200 - 800 МВт / Сафонов Л. П., Шар- городский В. С., Коваленко А. Н. и др. - Тяжелое машиностроение, 1996, № 1.
  3. Повышение технического уровня паровых турбин при внедрении систем принудительного парового охлаждения роторов / Шаргородский В. С., Хоменок Л. А., Розенберг С. Ш. и др. - Электрические станции, 1999, № 1.
  4. Улучшение эксплуатационных характеристик турбины Т-250/300-240 АО ТМЗ ТЭЦ-22 АО Мосэнерго / Шаргородский В. С., Ковалев И. А., Хоменок Л. А. и др. - Электрические станции, 2000, № 10.
  5. Хоменок Л. А. Разработка и внедрение оптимальных решений по повышению технического уровня мощных паровых турбин на основании результатов промышленных исследований. Автореф. дис. на соиск. учен. степени доктора техн.наук. С.-Пб., 1997.
  6. Пат. 2037051 (РФ). Устройство охлаждения элементов проточной части паровой турбины.
  7. Пат. 2154168 (РФ). Устройство для охлаждения элементов проточной части паровой турбины.
 
« Повреждаемость зубцовых зон крайних пакетов стали сердечников статоров турбогенераторов   Повышение надежности сварных соединений подогревателей питательной воды »
электрические сети