Стартовая >> Архив >> Генерация >> Водно-химические режимы и надежность металла энергоблоков 500 и 800 МВт

Расчет температурных перемещений паропроводов мощных энергоблоков - Водно-химические режимы и надежность металла энергоблоков 500 и 800 МВт

Оглавление
Водно-химические режимы и надежность металла энергоблоков 500 и 800 МВт
Водное хозяйство блочных ТЭС
Способы обработки питательной воды
Изучение процесса образования отложений на теплопередающих поверхностях
Разработка новых схем обессоливания
Пути усовершенствования предочисток
Подготовка воды перед ионированием
Автоматизация установок предварительной очистки воды
Ионитное обессоливание добавочной воды
Термическое обессоливание добавочной воды
Загрязнение питательной воды энергоблоков продуктами коррозии
Способы и технологические схемы очистки турбинных конденсатов
Организация эксплуатационного химического контроля
Процесс формирования отложений по пароводяному тракту мощных энергоблоков
Химические очистки энергоблоков
Ускоренная отмывка энергоблоков при пуске из холодного состояния
Консервация оборудования
Солевые балансы  оборотных систем охлаждения
Предотвращение накипеобразования и коррозии в конденсаторах турбин
Коррозия медных  сплавов
Основные требования к материалам ответственных элементов энергооборудования блоков
Эксплуатационная надежность металла труб большого диаметра
Надежность металла поверхностей нагрева котлов
Структура и свойства материалов роторов мощных турбин
Конструктивно - технологическое оформление сварных соединений паропроводов
Эксплуатационная надежность сварных соединений паропроводов большого диаметра
Исследование и оценка надежности основного металла и сварных соединений центробежнолитых труб
Работоспособность сварных соединений литого корпусного энергооборудования
Ремон энергооборудования с применением сварки без последующей термообработки
Современные методы расчета на прочность оборудования энергоблоков
Влияние концентраторов напряжений на длительную прочность металла поверхностей нагрева и паропроводов
Конструкционная прочность сварных газоплотных панелей поверхностей нагрева энергоблоков 800 МВт
Работоспособность гибов трубопроводов большого диаметра
Расчет температурных перемещений паропроводов мощных энергоблоков
Обеспечение эксплуатационной надежности крупной пароводяной арматуры
Система контроля в процессе проектирования, изготовлении н эксплуатации
Современные методы неразрушающего контроля и их разрешающая способность
Совершенствование метода ультразвукового контроля дли оценки качества сварных соединений
Автоматизация контроля за сплошностью металла в условиях монтажа и эксплуатации
Разработка и внедрение перспективных методов контроля за сплошностью металла на электростанциях
Список литературы

8-7. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПАРОПРОВОДОВ МОЩНЫХ ЭНЕРГОБЛОКОВ И КОНТРОЛЬ ЗА НИМИ
Повышение единичных мощностей энергоблоков сопровождается возрастанием диаметров и толщин стенок ответственных станционных паропроводов, что значительно увеличивает массу погонного метра их длины, а удлинение паропроводных трасс в горизонтальном и вертикальном направлениях — их температурные перемещения. Оба эти фактора обусловливают увеличение действующих в трубопроводе усилий от массовой нагрузки и температурного расширения, что ставит перед проектировщиками дополнительные трудности по рациональному проектированию прочного и надежного в эксплуатации трубопровода.
Для оценки прочности трубопровода, определения перемещений его сечений при переходе из холодного в рабочее состояние, а также для определения усилий, передаваемых им в рабочем и холодном (нерабочем) состояниях на оборудование, требуется выполнение полного расчета трубопровода. Такой расчет складывается из ряда этапов, каждый из которых выполняется при определенных условиях нагружения (табл. 8-3). Как видно из таблицы, для оценки прочности высокотемпературных трубопроводов требуется выполнение этапов I, I.I и IV. При переходе трубопроводов из холодного состояния в рабочее и обратно необходимо учитывать температурные расширения (этап III). По этим значениям перемещений вычисляются усилия монтажной затяжки пружинных опор. Усилия воздействия трубопровода на оборудование должны определяться на основании этапов II и IV. Следует заметить, что расчет трубопровода на действие только нагрева без учета влияния промежуточных опор, т. е. на «чистую самокомпенсацию», не является достаточным для оценки прочности трубопровода, усилий воздействия его на оборудование и температурных перемещений.

  Этапы расчета трубопроводов на прочность



этапа

Содержание этапа

Нагружающие факторы

Назначение этапа

I

Расчет на действие массовой нагрузки в рабочем состоянии

Внутреннее давление, массовая нагрузка; усилия промежуточных опор (рабочие нагрузки опор)
Внутреннее давление; массовая нагрузка; усилия промежуточных опор; температурное расширение (самокомпенсация) с учетом монтажной растяжки или саморастяжки

Оценка статической прочности на совместное действие массовой нагрузки, давления й усилий опор

II

  Расчет на совместное действие всех нагружающих факторов в рабочем состоянии

Оценка прочности на совместное действие всех нагружающих факторов (для трубопроводов, работающих в условиях ползучести); определение усилий воздействия на оборудование

III

Расчет на действие температурного расширения

Внутреннее давление; температурное расширение; усилия сопротивления промежуточных опор

Оценка усталостной прочности (для трубопроводов, работающих при умеренной температуре); определение температурных перемещений при переходе трубопроводов из холодного состояния в рабочее

IV

Расчет на совместное действие всех нагружающих факторов в холодном состоянии

Массовая Нагрузка; усилия промежуточных опор (нагрузки опор в холодном состоянии); монтажная растяжка или саморастяжка

Оценка прочности на совместное действие всех нагружающих факторов (для трубопроводов, работающих в условиях ползучести); определение усилий воздействия на оборудование

Расчеты на «чистую самокомпенсацию» целесообразно применять на стадии технического проектирования, когда решаются компоновочные задачи и определяется трассировка трубопроводов. Расчет трубопровода на самокомпенсацию (т. е. на безопасное восприятие им температурных и иных перемещений за счет собственной гибкости), несмотря на определенные сложности, не вызывает принципиальных трудностей. Классическая механика стержневых систем дает достаточное количество методов, позволяющих с необходимой точностью определять усилия в сложных пространственных конструкциях. Расчет трубопроводов на самокомпенсацию имеет ряд специфических особенностей: отсутствие внешних нагрузок, большую длину и сложность конфигурации, наличие криволинейных участков, жесткое закрепление концов. При расчете определяются опорные реакции, максимальные значения эквивалентных напряжений от самокомпенсацин и массовой нагрузки, наибольший размах местных напряжений изгиба в криволинейных элементах трубопровода, смещения трубопровода в характерных его сечениях. Трудоемкость расчета в основном зависит от порядка статической неопределимости системы и в меньшей степени от количества поворотов трассы, которым определяется общее количество расчетных элементов трубопровода. Наиболее простой системой является плоский трубопровод с двумя неподвижными опорами, для расчета которого необходимо определить три реакции (две силы и момент) одной из заделок. Задача расчета пространственного неразветвленного трубопровода шестикратно статически неопределима, так как требуется найти у одной из неподвижных опор шесть реакций — три силы и три момента. Вообще для разветвленного пространственного трубопровода с К неподвижными опорами порядок статической неопределимости равен 6(К—1). Совершенно очевидно, что решение таких сложных задач возможно лишь при помощи ЭВМ. Следует заметить, что система уравнений, которую приходится решать для раскрытия: статической неопределимости, может быть с помощью некоторых приемов существенно упрощена. Так, при неподвижном креплении в центре упругости системы момент реакции равен нулю, а поэтому, перенеся закрепление в центр упругости, можно принять соответствующие моменты равными нулю. В этом случае для расчета простого плоского трубопровода требуется решение системы уравнений второго порядка, а для расчета пространственного трубопровода — решение системы уравнений третьего порядка. При выполнении расчетов с помощью ЭВМ в таких приемах мет необходимости даже при расчете сложных трубопроводов.
К настоящему времени разработаны и внедрены следующие программы расчета трубопроводов на ЭВМ, в которых реализованы требования по всем четырем этапам полного расчета [8-4]:

Программа Т-24 (8-22] разработана для ЭВМ «Минск-22» и «Минск-32» в режиме совместимости с ЭВМ «Минск-22». Она осуществляет выбор пружинных опор и учитывает изменения их реакций при изменении температуры трубопровода. В результате расчета определяются и выдаются на печать:

реакции подвижных и неподвижных опор;
значения высот пружин опор в свободном состоянии и при расчетных нагрузках;
максимальные напряжения в ответвлениях;
перемещения характерных точек трубопровода.
При необходимости могут быть выданы в виде дополнительной печати моменты, силы, напряжения и углы поворота в промежуточных сечениях трубопровода, а также матрицы прогибов трубопровода от действия единичных сил, приложенных последовательно в точках установки опор. В расчетной схеме допускается не более одного замкнутого контура; количество неподвижных опор К не более 11 (т. е, не может быть более девяти от- ветвлений от основной трассы); количество элементов в основной трассе и каждом ответвлении не более 71; количество подвижных опор в делом по трубопроводу N не более 60; количество точек, для которых печатаются перемещения, не более 300, а количество точек, для которых могут быть напечатаны углы поворота, не более 170. В пределах ответвления температура и давление считаются постоянными. Большое внимание при разработке программы было уделено удобству, наглядности, простоте и однозначности толкования исходных данных и результатов расчета , несмотря на то, что эти требования вызывают дополнительный расход машинного времени на каждый расчет. Трубопровод рассматривается как стержневая статически неопределимая система. Раскрытие статической неопределимости при расчете трубопроводов на действие изменения температуры, массовой нагрузки и сосредоточенных сил осуществляется по методике ручного расчета трубопроводов, изложенной в справочной книге фирмы «Келлог». Используются формулы, учитывающие потенциальную энергию от перерезывающих и нормальных сил. Добавочная гибкость колен учитывается формулой Кармана во втором приближении при λ> 0,17

и формулой Кларка—Рейснера при λ<0,17
где К — коэффициент понижения жесткости колен, зависящий от безразмерной K=Rs/r2, называемой «коэффициентом трубы»; R — радиус изгиба трубы; s — толщина стенки трубы; г —  средний радиус трубы.

Машина вычисляет напряжения не более чем через метр  в прямолинейных элементах и в трех точках дугового элемента. Печатаются максимальные напряжения по каждому ответвлению и координаты точек, в которых они возникают.

  1. Программа М-32-75        [8-23] разработана для ЭВМ «Минск-32». В ней реализована методика, в основу которой положен метод начальных параметров в матричной форме в сочетании с методом перемещений. Полный расчет трубопровода выполняется непрерывно с одной установки перфоленты. В ходе расчета выбираются пружины упругих опор. Программой предусмотрена возможность учета влияния наклона тяг пружинных подвесок, возникающего при тепловых перемещениях трубопровода. При этом должны задаваться рабочие длины тяг подвесок. На ЭВМ, имеющей объем оперативной памяти 65 536, ячеек (четыре куба памяти), могу'т быть рассчитаны трубопроводные системы с количеством участков не более 55 и числом узлов не более 24. На ЭВМ, имеющей объем памяти 49 172 ячеек, могут быть рассчитаны трубопроводные системы, включающие не более 55 участков, но с числом узлов не более 15. Максимальное количество отрезков на участке 40. На участке может быть размещено до девяти пружинных опор и до шести опор скольжения или направляющих опор.
  2. Программа «Нева-40» [8-24] разработана для ЭВМ М-220 и может быть реализована на ЭВМ БЭСМ-3, БЭСМ-4 и М-222 с объемом памяти не менее 8192 ячеек и памяти на магнитных барабанах не менее 32 768 ячеек. Программа позволяет рассчитывать трубопроводы произвольного очертания, имеющие в своем составе сложные ответвления и замкнутые контуры. Расчет трубопровода производится с выбором пружин для промежуточных опор с одновременным определением их нагрузок в рабочем и холодном состояниях, а также определением их затяжек. Скользящие опоры задаются с помощью фиктивного ответвления. Количественные ограничения программы следующие:         максимальное число узлов не более девяти; максимально возможное число участков не более 18; максимальное количество отрезков в каждом участке не более 31; в пределах каждого участка может располагаться не более 10 упругих опор.
  3. Программа «Нева-43» [8-25] разработана как проверочный вариант программы «Нева-40» и предназначена для расчета трубопроводов с заданными промежуточными опорами. По ней может быть проведен комплексный расчет трубопровода на все четыре этапа, а также на каждый этап отдельно. Характеристика полностью соответствует программе «Нева-40».

Кроме перечисленных, имеются другие программы расчетов трубопроводов на самокомпенсадию для серийных отечественных ЭВМ в энергетической, нефтяной, газовой, химической, судостроительной и других отраслях промышленности.
Анализ напряженно-деформированного состояния трубопроводов может проводиться с различной степенью точности. Помимо вышеперечисленных аналитических программ расчета, в некоторых самых простых случаях при экспресс-оценке гибкости предварительной трассировки трубопровода, а также при расчете неразветвленных вспомогательных трубопроводов небольшого диаметра (импульсные, дренажнопродувочные и байпасные линии) находит применение ряд приближенных ручных методов. В таких случаях определение тепловых перемещений может выполняться по правилу подобия прямоугольных треугольников или методом куба консолей (плеч). Допущения, положенные в основу этого метода, следующие; 1) неразветвленный трубопровод состоит из прямолинейных труб одинаковых диаметров и толщины, соединенных под прямыми углами; 2) все участки параллельны        осям координат;
3) тепловое расширение в данном направлении поглощается только участками, перпендикулярными этому направлению; 4) значение термического расширения, которое может быть воспринято данным участком, обратно пропорционально его жесткости. Так как все участки имеют одинаковое поперечное сечение, то их жесткость изменяется пропорционально кубу длины; 5) изгиб участков трубопровода происходит, как у направляемой консоли, т. е. свободный конец перемещается параллельно самому себе без поворота.

Согласно допущениям 3 и 4 отдельные участки компенсируют следующее значение теплового расширения, скажем, в направлении оси х, равное действительному прогибу δχί рассматриваемого участка в данном направлении:
»
гдe\L,· — длина рассматриваемого участка; Δ* — общее тепловое удлинение трубопроводной системы в направлении оси х; 2Z,3y-|-EL3z — сумма кубов плеч, перпендикулярных рассматриваемому направлению (в данном случае участков, параллельных осям у и г).
Аналогичные уравнения могут быть написаны для боковых прогибов в направлении осей у иг.
Наиболее полно вопрос приближенной оценки компенсирующей способности трубопроводов разработан в {8-26]. По этому методу необходимо вычисление двух параметров:
геометрического

температурного

Рис. 8-10. Область изменения критерия с а- мокомпенсации.
где L — развернутая длина трубопровода между опорами; а —-расстояние между опорами; Е — модуль упругости; [σοκ]—допустимое напряжение самокомпенсации; б = = aAt — относительное температурное удлинение; а — коэффициент линейного расширения материала;. At — приращение температуры.
В зависимости от соотношения· параметров β и η с помощью расчетной номограммы (рис. 8-10) определяется одна из трех категорий гибкости данного трубопровода:

  1. данная температура компенсируется трубопроводом (зона А);
  2. данная температура не компенсируется трубопроводом (зона С);
  3. требуется уточненный поверочный расчет (зона В).

Особое место занимают компромиссные методы расчета, находящиеся в промежуточном положении между прикидочными и исчерпывающими расчетами. К числу таковых, получивших широкое распространение в отечественном трубопроводостроении до внедрения расчетов на ЭВМ, относятся метод упругого центра и его модификации с определением перемещений путем использования единичных сил, а также расчет температурных перемещений трубопроводов с приближенным учетом упругого сопротивления промежуточных пружинных креплений.

При расчете пространственного неразветвленного трубопровода на самокомпенсацию методом упругого центра раскрытие статической неопределимости (определение проекций опорной реакции Рх, Ру, Pz) сводится к решению системы уравнений:

где 1ху, Ixz, Iyz — моменты инерции всей системы относительно плоскости, проходящей через центр тяжести и соответствующей подстрочному индексу;
Ixyiyz), lxz(yz) — центробежные моменты инерции всей системы относительно двух плоскостей, соответствующих подстрочным индексам, также проходящих через центр тяжести, а / — момент инерции поперечного сечения трубы.
Упругий прогиб трубопровода в рабочем состоянии (полные тепловые перемещения) складывается из двух составляющих:   прогиба трубопровода в холодном состоянии, вызванного небалансом массы и реакций опор, и «видимых» температурных перемещений (с учетом упругого сопротивления промежуточных опор). При правильной регулировке опор и отсутствии защемлений фактический упругий прогиб трубопровода в рабочем состоянии и его составляющие должны быть равны расчетным. Всякого рода защемления, вызываемые неисправностью опор либо ограничением перемещения из-за расположения вблизи оборудования или строительных конструкций, а также неотрегулированность промежуточных опор могут привести к резкому возрастанию уровня дополнительных напряжений и тем самым к снижению надежности трубопровода. С учетом этого «Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей» и «Правилами устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды» на всех электростанциях предусмотрен контроль за температурными перемещениями паропроводов с внутренним диаметром 150 мм и более и температурой пара 300°С и выше [8-27].
Таким образом, применительно к энергоблокам контроль за перемещениями осуществляется на главных паропроводах и паропроводах промперегрева, причем в достаточно большом объеме. В то же время ответственные трубопроводы питательной воды от ПВД до котла, а также ответвления на БРОУ, РОУ и предохранительные клапаны с внутренним диаметром менее 150 мм остаются без средств контроля за тепловыми перемещениями. Поэтому для головных энергоблоков, а также энергоблоков, предназначенных для отработки пусковых режимов, необходим полный объем температурного контроля и контроля за температурными перемещениями трубопроводов, включая питательные трубопроводы и ответвления с Пу<150 мм.
Для серийных энергоблоков следует ограничиться минимально необходимым выборочным контролем в наиболее представительных точках паропроводов (не более двух- трех на каждую магистраль) для возможности выполнения анализа правильности компенсации температурного расширения паропроводов его отдельными участками.

Схема размещения индикаторов на паропроводах свежего пара
Рис. 8-11. Схема размещения индикаторов на паропроводах свежего пара блока 800 МВт Углегорской ГРЭС.
я —индикатор температурных перемещений трубопроводов; 6 — предохранительный клапан; в —переход; г —пусковой впрыск; д — задвижка; е — отметка оси трубопровода. Цифрами обозначены номера индикатора.

Целями этого контроля являются выявление и устранение защемлений; оценка и обеспечение соответствия фактических температурных перемещений паропроводов расчетным; оценка исправности промежуточных опор; регистрация и устранение отклонений режимов работы (забросы воды в горячие паропроводы, гидравлические удары, вибрация и т. п.) от нормальных.
Средством наблюдения за температурными перемещениями паропроводов в настоящее время являются специальные индикаторы (нормаль НО-24-3-201-67), устанавливаемые на всех прямолинейных участках указанных паропроводов и обслуживаемые по месту при каждом пуске и останове энергооборудования. Схема размещения индикаторов на паропроводах свежего пара одного из блоков 800 МВт представлена на рис. 8-11.

/ — расчет на цифровых ЭВМ от воздействия температуры; // — расчет методом «куба плеч»; ///— расчет на ЭВМ от воздействия температуры с учетом упругого сопротивления опор; IV — фактические тепловые перемещения; V — фактические тепловые перемещения с учетом упругой деформации трубопровода б.
Перемещения паропроводов по опорам для различных Еарнантов, мм


Рис. 8-12. Вертикальные перемещения главного  паропровода блока 300 МВт Каширской

Упругий прогиб паропроводов в вертикальной плоскости, помимо индикаторов, можно контролировать по изменению зазоров между траверсами и несущими тягами блоков пружин. В дальнейшем полученные данные измерений по индикаторам и опорам используются для анализа правильности уравновешивания массовой нагрузки и компенсации температурных расширений паропроводов его отдельными участками. В качестве примера такого анализа на рис. 8-12 приведены графики расчетных и фактических вертикальных прогибов и температурных перемещений главного паропровода одного из энергоблоков на сверхкритические параметры пара.
К сожалению, индикаторам существующей конструкции присущи следующие недостатки: небезопасность их обслуживания при работающем оборудовании; невозможность оперативного контроля за температурными перемещениями паропроводов при их прогреве и расхолаживании и сопоставления с фактическим температурным состоянием отдельных участков паропроводов; необходимость повторного закрашивания пластин индикаторов, при каждом пуске; невысокая точность измерений.

Таблица 8-4

 Видимые  температурные перемещения магистрали Г главного паропровода блока 300 МВт Каширской ГРЭС в точках крепления подвесок при различных этапах их регулировки, мм

Как показывает опыт, надлежащий контроль за температурными перемещениями паропроводов на электростанциях проводится в основном только в первый период эксплуатации энергоблоков с целью оценки качества монтажа и регулировки пружинных креплений, а так- же выявления различного рода защемлений, препятствующих температурному расширению паропроводов.
Влияние различной степени отрегулированности пружинных креплений на фактические «видимые» температурные перемещения главного паропровода одного из энергоблоков 300 МВт при номинальных параметрах его работы показано в табл. 8-4.
При дальнейшей эксплуатации вследствие большого объема контроля, трудоемкости и опасности обслуживания индикаторов по месту, а также отсутствия стационарных площадок обслуживания этот контроль осуществляется нерегулярно и с большими погрешностями в измерениях, что не способствует своевременному выявлению различных нарушений в работе паропроводов (увеличение сил трения в скользящих опорах, сползание трубопровода с опор, просадка металлоконструкций и несущих колонн, разрушение подвесок, заклинивание опор и т. д.).
Однако и при отсутствии нарушений в работе паропроводов очень часто наблюдается большое расхождение между расчетными и стабильными фактическими значениями перемещений, особенно в горизонтальной плоскости. Это объясняется как влиянием неучитываемых расчетом факторов (монтажные и производственно-технологические отступления от расчетных условий, податливость неподвижных опор, силы трения в скользящих и направляющих опорах, горизонтальные составляющие реакций подвесок, неудовлетворительная регулировка пружинных креплений и т. д.), так и погрешностью производимых измерений.
Из-за отсутствия разработанных методик и программ поверочных расчетов напряженного состояния трубопроводов по данным показаний индикаторов не представляется возможным оценить прочность трубопроводов при отклонениях, превышающих допускаемые (±20% при абсолютном значении перемещений более 50 мм и ±10 мм при абсолютном значении перемещений менее 50 мм), которые учитывают лишь допуски на жесткость трубопроводов и пружин и не учитывают наличия фактических запасов прочности. Кроме того, существующие программы расчетов; трубопроводов не учитывают возможность неравномерного распределения температуры стенки трубопроводов по длине и периметру, что всегда имеет место при нестационарных режимах работы, при которых, как правило, наблюдается максимальный размах действующих напряжений. Так, например, расчетный анализ напряженного· состояния паропроводов одного из. блоков 300 МВт показал, что с учетом разности температур в 100°С между верхней и нижней образующими трубы дополнительные напряжения достигают 10,0— 13,0 кгс/мм2 для главного паропровода и 8,0—10,0 кгс/мм2 для горячих магистралей промперегрева (8-28].


Рис. 8-.13. Эпюра горизонтальных тепловых перемещений главного паропровода блока 300 МВт Каширской ГРЭС в месте установки индикатора.
А — 20°С; Б - 565'С.
На рис. 8-13 представлена эпюра фактических перемещений паропровода, зафиксированная на одном из индикаторов энергоблока 300 МВт Каширской ГРЭС при пуске. Характер перемещений паропроводов говорит в основном о неравномерном прогреве паропровода по всей длине от котла до турбины, вследствие чего отдельные участки паропровода подвергаются дополнительному короблению, изгибу и кручению, что требует необходимости оперативного сопоставления фактических смещений паропроводов с их температурным состоянием и осуществления режима прогрева паропроводов с постоянным контролем за разностью температур между верхом и низом горизонтальных участков, а также между начальным .и конечным его участками.



 
« Внедрению установок для шариковой очистки конденсаторов паровых турбин   Возможность эксплуатации котла ТП-170 на пониженных параметрах перегретого пара »
электрические сети