Живучесть паропроводов стареющих ТЭС - Основные особенности режима пуска дубль-блока 300 МВт с котлами ТГМП—114

П5.4. Основные особенности режима пуска дубль-блока с ограниченным прогревом и без прогрева паропроводов горячего промперегрева
Основная задача исследования, выполненного ВТИ, ОРГРЭС и Костромской ГРЭС, определена так: выяснение возможности и уточнение области использования критериев, сформулированных для моноблока и определяющих границу применения режимов без прогрева ППГ и с ограниченным их прогревом (ниже для краткости пуски с ограниченным прогревом ППГ будем называть пусками с прогревом ППГ).
Для решения поставленной проблемы, в первую очередь, целесообразно рассмотреть основные факторы, которые могут вызывать различие в пуске моно- и дубль- блока с прогревом и без прогрева ППГ.
Существенное влияние на режимы остывания и прогрева ППГ моно- и дубль- блока оказывает то, что в первом случае паропроводы выполнены в виде двух ниток 0630 х 25 мм, а во втором — в виде четырех ниток 0426 х 17 мм. Это определяет температуру ППГ дубль-блока при остывании и большее снижение температуры пара на выходе из ППГ при пусках без прогрева ППГ.
Следующим важным различием является компоновка трубопроводов паровых байпасов промперегревателя: в отличие от моноблока паровой байпас дубль-блока содержит U-образный (не самодренирующийся) участок.
Рассмотрим исходное тепловое состояние паропроводов горячего промперегрева и ЦСД моно- и дубль-блока после двухсуточного простоя.
Концевые участки, примыкающие к котлу и ЦСД, не имеют на этих блоках существенного различия по температуре, составляющей 50-100 °C (рис. 2.9).
Температуры ЦСД, соответственно, также практически не различаются и составляют 210-230 °C.
Основная трасса ППГ моноблока имеет температуру, близкую к температуре ЦСД, и составляет 180-200 °C. Хотя уровень температуры этой трассы ППГ дубль- блока ниже 160-180 °C, он вполне достаточен, чтобы в соответствии с нормативными осуществить пуск без прогрева ППГ при температуре концевого участка ППГ перед ЦСД > 100 °C.
Основные характеристики всех экспериментальных режимов, проведенных с прогревом и без прогрева ППГ, приведены в табл. П5.4. Ниже детально рассмотрим наиболее характерные из них.

П5.4.1. Пуски после двухсуточного простоя

Пуск 31.05.76 проводился с прогревом ППГ. Прогрев концевых участков ППГ перед ЦСД, имевших температуру 55-75 °C, начинается до толчка турбины в процессе предварительного прогрева СК и первых перепускных труб высокого давления. На этом этапе прогрев концевых участков ППГ происходит за счет конденсации пара, проникающего в ППГ из сбросных линий БРОУ через неплотные обратные клапана сбросной задвижки (СЗГ) на линиях обеспаривания ППГ (открытие БВК и СЗГ на этих линиях произведено до растопки котла). В рассматриваемом пуске концевые участки прогрелись до 100 °C. При этом температура их нижних образующих меняется с изменением давления в ППГ, принимая значения, практически равные температуре насыщения в ППГ. Следовательно, на участках от дренажа за задвижкой ППГ до подъема к ЦСД в зоне нижних образующих находится влага.
Прогрев ППГ при частоте вращения 800 об/мин, по существу, не дал ощутимых результатов. С изменением вакуума наблюдалось соответствующее изменение (в диапазоне 70-90 °C) температуры нижних образующих. Следует отметить, что за 6 мин до окончания прогрева ППГ вакуум уже превысил 500 мм. рт. ст., что снизило эффективность прогрева. Открытие отсечных клапанов (ОКсд) сопровождалось выносом влаги из концевых участков ППГ в ЦСД, вызвавших характерное резкое и значительное захолаживание паровпуска цилиндра (табл. П5.4). При подъеме скорости вращения до п — 3 000 об/мин и выдержке на холостом ходу дальнейший вынос влаги был невелик. После включения турбогенератора в сеть при открытии ППБ произошло повторное резкое захолаживание паровпуска ЦСД. При этом температура нижней образующей концевого участка ППГ снизилась с 240 до 194 °C. Очевидно, этот опыт по пуску с прогревом ППГ следует рассматривать как негативный, что предопределялось, в основном, рассмотренными недостатками схемы дренажей паропроводов.
Пуск 24.05.76 проведен без прогрева ППГ (рис. П5.13, табл. П5.4). Как и в пуске 31.05.76, концевые участки ППГ, имевшие температуру 35-75 °C, прогрелись (на этапе предварительного прогрева СК и первых перепускных труб) до 90-100 °C. Этот прогрев вызван, в основном, конденсацией пара, попадающего из сбросных трубопроводов БРОУ (через открытый дренаж до задвижки ППБ и открытую ППБ) в ППГ. После закрытия дренажа ППБ (рис. П5.13, этап I) давление в ППГ уменьшается и температура концевых участков (рис. П5.13, т. 14-16, 21,) снижается до температуры насыщения (V — 520 мм. рт. ст., ts = 71 °C). Показания т. 15, вероятно, несколько занижены, в последующих опытах произошел ее «отказ».
Таблица П5.4. Основные характеристики захолаживания ЦСД

Сразу после толчка турбины начинается заметный прогрев концевых участков ППГ. При этом нижняя образующая участка до задвижки ППГ (рис. П5.13, т. 14) сперва прогревается насыщением, но уже при частоте вращения п = 800 об/мин начинается конвективный прогрев этой зоны. Ниже образующие всех ниток ППГ на участке за задвижкой (т. 18, 20-22) четко реагируют на давление в ППГ (рппг), изменяющееся в соответствии с изменением частоты вращения. Об этом свидетельствует слияние всех четырех кривых (т. 18, 20-22) в одну, монотонно возраставшую (с ростом η до 1000 об/мин) до 95 °C , а затем (при снижении η до 800 об/мин) снизившуюся до 80 °C. Отсюда видно, что влага, находившаяся до задвижки ППГ, либо сконденсировалась, либо переместилась в зону перед подъемным участком к ЦСД.
На этапе прогрева ППГ при η = 800 об/мин произошло плановое захолаживание ЦСД без выноса влаги, однако повышение п до 3000 об/мин сопровождалось резким, значительным захолаживанием паровпуска ЦСД (рис. П5.13, табл. П5.4).
Последний вынос в ЦСД влаги, накопленной до задвижки ППБ, произошел после ее открытия при N = 12 МВт (рис. П5.13, этап V).
Возможность попадания влаги в ППГ через дренажи байпасов ППБ была исключена в пуске 19.07.76. С этой целью дренажи байпасов ППБ были закрыты, а задвижки ППБ «подорваны», чтобы исключить скопление влаги на участке до этой задвижки. Однако в рамках действовавшей пусковой схемы не было возможности исключить при сборке схемы слив в ППГ влаги, скопившейся в ППГ во время работы, через постоянно действующий дренаж, выполненный перед СЗГ-1.
Снижение температуры т. 20, 22 в процессе слияния температур всех нижних образующих ППГ на участке за задвижкой ППГ, вероятно, объясняется перетоком влаги (из-за различия давления в нитках) через объединенные дренажи ППГ ниток А, Г, Б и В.

Рис. П5.13. Характеристики прогрева паропроводов горячего промперегрева и паровпуска ЦСД при пуске после 51 ч простоя 24.05.76. Операции: I — закрыт дренаж ППБ; II — прикрыт ДЗ; III — закрыт ППБ; IV — отключен обогрев фланцев ЦСД; V — открыт полностью ППБ, закрыт дренаж ППБ
В этом пуске, проведенном без прогрева ППГ, была предпринята безуспешная попытка догреть нижние образующие концевых участков ППГ до 100 °C за счет увеличения продолжительности выдержки при п — 800 об/мин до 40 мин. Температура нижней образующей на участке за задвижкой ППГ не превышала 83 °C. При повышении частоты вращения до 3000 об/мин произошел вынос влаги в ЦСД. Величина захолаживания ЦСД была при этом меньше, чем в пусках 31.05.76 и 24.05.76. Наибольшее значение (43 °C), отмеченное паровой термопарой в зоне верхней части паровпуска ЦСД, нельзя считать приемлемым.
Для исключения попадания влаги в ППГ через постоянно действующие дренажи ППБ, врезанные в зоне верхних образующих перед задвижками ППГ ниток Л и Г, было предложено завести эти линии непосредственно в расширитель дренажей среднего давления (РДсд), установив на них вентили. При реализации предложения в связи с возникшими у ремонтников трудностями, связанными со сроком и объемом выполняемых работ, эти дренажи врезали до задвижки ППГ ниток А и Г (в дренажную линию между клапанами).
Проведенный после этого пуск (01.11.76) без прогрева ППГ (рис. П5.14) показал, что даже частичная реализация предложенных мер дала положительные результаты. Хотя концевые участки ППГ, как и прежде, прогреваются насыщением, на этапе повышения п до 800 об/мин и последующей выдержки выноса влаги в ЦСД не было, происходило плавное захолаживание ЦСД. При подъеме п с 800 до 3000 об/мин отмечается незначительный вынос влаги (рис. П5.14, т. 18, 901, 904). При этом максимальное снижение температуры, зафиксированное по паровой термопаре в зоне верхней части ЦСД, составило 12 °C.
Решение, направленное на улучшение условий удаления влаги, собирающейся в концевых участках ППГ, заключалось в переносе дренажей за задвижкой ППГ как можно ближе к подъемному участку ППГ перед ЦСД. Реализация этого решения встретила ряд объективных трудностей: переносу дренажей в нужные места мешали подвесные опоры ППГ; выполнение этих работ на верхних нитках В и Б затруднено из-за особенностей компоновки трубопроводов. В связи с этим, а также с учетом трудоемкости работ и ограниченного срока, которым располагали ремонтники, дренажи перенесены лишь на нижних нитках А и Г (соответствующие данные приведены на рис. 2.1, 2.2).
В проведенных режимах отмечалось резкое и значительное захолаживание концевых участков ППГ при останове блока, вызванное сливом конденсата из ППБ при открытии дренажей до задвижки ППГ, производившемся при сборке схемы паропроводов. В последующих режимах при сборке схемы первые по ходу пара дренажные вентили до задвижки ППГ не открывались, осуществлялось лишь дренирование ППБ.
Проведенные после реконструкции дренажей концевых участков ППГ пуски с прогревом ППГ (14.02.77 и 11.04.77) дали, в основном, положительные результаты. Вынос влаги в ЦСД наблюдался в этих пусках только в момент открытия защитного клапана ЗКсд и был весьма незначителен. Максимальное снижение температуры в ЦСД, отмеченное при этом паровой термопарой в верхней части паровпуска ЦСД, составляло 17 °C (14.02.77) и 20 °C (11.04.77). Концевой участок за задвижкой ППГ, как и в предшествующих режимах, прогревался насыщением. Следует отметить, что в пуске 14.02.77 вынос влаги происходит, очевидно, из ППБ. Подтверждением этого могут служить результаты, полученные в пуске 11.04.77, также фиксируется вынос влаги при повышении скорости вращения до номинальной. Однако в режиме 11.04.1977 г. отмечено существенно меньшее снижение температуры.

Рис. П5.14. Характеристики прогрева паропроводов горячего промперегрева и характеристики прогрева паровпускных органов ЦСД при пуске после 50 ч простоя 01.11.76

В пуске 11.04.77 на этапе предварительного прогрева при давлении 50-54 кгс/см2 в СК наблюдалось превышение давления в РДсд над давлением в ППГ. Аналогичное явление отмечено и в пуске после суточного простоя 28.03.77. В это время возможно попадание влаги из РДсд, ее переток через дренажи в ППГ.
В пуске 06.06.77, проведенном без прогрева ППГ, выноса влаги в ЦСД, сопровождающегося характерным резким снижением температуры, практически не отмечалось. На этапе подъема до η = 800 об/мин и последующей выдержки температура в ЦСД плавно снижалась.

В этом режиме, как и во всех предшествующих пусках после двухсуточного простоя, концевой участок за задвижкой ППГ прогревался насыщением при η < 800 об/мин.

П5.4.2. Пуски после суточного простоя

Исходное тепловое состояние в режимах 21.06.76 и 28.03.77 позволило бы осуществить пуск без прогрева ППГ в соответствии с нормативами, если бы не низкая (80-90 °C) температура нижних образующих концевых участков. Дело в том, что при остановах блока в этих режимах возникало отмеченное ранее явление — попадание в ППГ влаги через дренажи до задвижки ППБ. Так, 27.03.77 в 14:30 температура в рассматриваемой зоне ППГ снизилась за один цикл измерений с 222 до 100 °C. Хотя критерий по догреву концевого участка ППГ до 100 °C не был соблюден, оба эти пуска проведены без прогрева ППГ. Выноса влаги в ЦСД на этапе повышения скорости вращения и соответствующих выдержек не наблюдалось, происходило

Представляет интерес сравнение последних режимов пуска без прогрева после суточного и двухсуточного простоя (28.03.77 и 06.06.77). Режим 28.03.77 можно рассматривать как второй опыт, подтверждающий возможность пуска дубль-блока после двухсуточного простоя по рассматриваемой моноблочной (рис. 2.1) пусковой схеме без прогрева ППГ. Действительно, в этом режиме различие температур основной трассы ППГ и ЦСД было больше, чем в режиме 06.06.77 (110 и 75 °C, соответственно), а в концевых участках ППГ на этапе повышения частоты вращения отмечено наличие влаги в обоих режимах. С учетом этого в пуске после суточного простоя вынос влаги в ЦСД при более высоком уровне температуры цилиндра мог проявиться сильнее, чем в режиме 06.06.77. Однако этого не произошло. Вероятно, это определялось, в основном, тем, что в последних пусках состояние пусковой схемы и технология осуществления режимов без прогрева ППГ обеспечивает исключение выноса в ЦСД заметного количества влаги.
В пуске 21.06.76 (после суточного простоя) при открытии ППБ наблюдался вынос влаги из ППБ в ППГ и ЦСД. В режиме 28.03.77, произведенном после реализации отмеченных выше предложений, это явление уже не наблюдалось.
При останове блока на ночь и в процессе последующего пуска 01.04.77 (рис. П5.15) не наблюдалось попадания влаги в ППГ и выноса ее в ЦСД. Величины плавного снижения температур пара в ЦСД в этом режиме были близки к наблюдавшимся в последних пусках после суточного и двухсуточного простоев. Максимальная величина составила в этом случае 56 °C (табл. П5.4).
Проведенный анализ показывает, что для исключения выноса влаги из ППГ в ЦСД и обеспечения конвективного прогрева всех участков ППГ необходимо полностью выполнить рекомендации ОРГРЭС и ВТИ по изменению схемы дренажей и улучшению теплоизоляции ППГ. В частности, необходимо завести постоянно действующие дренажи ППБ непосредственно в расширитель дренажей среднего давления, установив на них вентили, а дренажи за задвижкой ППГ на всех четырех нитках ППГ должны быть перенесены в нижние точки трассы непосредственно перед подъемным участком к ЦСД.
Теперь, после анализа наиболее характерных пусковых режимов, проведенных с прогревом и без прогрева ППГ, необходимо перейти к решению вопроса об уточнении области применения режимов без прогрева ППГ, а также критериев, определяющих допустимость для дубль-блока режимов пуска с прогревом и без прогрева ППГ. Для решения этого вопроса рассмотрим критерии, разработанные и принятые для моноблока, с целью их уточнения, с учетом специфики дубль-блока.
Условие, определяющее начальную разность температур ЦСД и основной трассы ППГ соблюдение которого необходимо для пуска моноблока без прогрева ППГ, записано в виде:

(П5.8)
Это условие получено, исходя из современных положений в области малоцикловой термической усталости, заключающихся, в частности, в недопущении (для турбоагрегатов, работающих в режиме частых пусков и остановов) в зоне наиболее опасных концентраторов суммарной относительной повреждаемости ∑η >0,6.
Ниже, в рамках этой консервативной прочностной позиции получим для дубль- блока критерий типа

(П5.9)

Как показали исследования ВТИ, наиболее опасным концентратором в РСД турбины К-300-240 ЛМЗ является придисковая тепловая канавка 14-й ступени. Оценка долговечности критической зоны РСД при ежедневных (после ночного) и еженедельных (после двухсуточного простоя) пусках показала, что прочностные критерии в этом случае удовлетворяются. Существенным моментом является то, что в проведенных расчетах максимальная величина отрицательной разности температур по радиусу ротора ΔtРСД=55 °C и возникала при температуре РСД в зоне концентратора tРСД=270 °C. Величина отклонения температуры пара от значений, предусмотренных в графиках-заданиях, составляла при этом ±20 °C.

Рис. П5.15. Изменение температуры паропроводов горячего промперегрева и ЦСД при пуске после 8 ч простоя (01.04.77)

Расчеты проведены для проектных радиусов кривизны тепловой канавки в зоне диафрагменного уплотнения 14-й ступени. Следует отметить, что для Костромской ГРЭС, на всех турбинах которой РСД и РВД имеют обновленный поверхностный слой концентратора, допустимая величина отрицательной разности температур по радиусу ротора может быть существенно увеличена.
Для проектной формы концентратора при произвольной температуре РСД величина допустимой отрицательной разности температур может, в первом приближении, определяться выражением:
(П5.10) где σ0,2 — предел текучести стали Р2М.
Для пусков после двухсуточного простоя температура РСД в момент максимального его захолаживания заведомо меньше 270 °C. Примем величину Δ/рсд = 55 °C в качестве консервативного значения допустимой величины разности температур по радиусу РСД при пусках после простоя 2 сут. и более.

Следовательно, допустимая величина снижения температуры пара в зоне придисковой тепловой канавки 14-й ступени РСД на этапе от толчка до синхронизации турбоагрегата при пусках из любых тепловых состояний определяется соотношением
(П5.12)
Для пусков после двухсуточного простоя определено допустимое снижение температуры пара в зоне диафрагменного уплотнения 14-й ступени ЦСД.
(П5.13)
Следует отметить, что в пусках дубль-блока рассматриваемое снижение температуры пара в ЦСД происходит не на холостом ходу, как при пусках моноблока, а при η = 800 об/мин. Это обстоятельство приводит к дополнительной консервативности критерия (П5.9) и, следовательно, (П5.11) и (П5.12).
Принципиальным моментом здесь является то, что выражения (П5.11), (П5.12) определяют значения снижения температуры пара в ЦСД в условиях, исключающих вынос влаги в проточную часть ЦСД из ППГ.
Для оценки допустимости рассматриваемых режимов пуска с прогревом и без прогрева ППГ необходимо знать величину допустимого снижения температуры пара

Консервативность принятых критериев определяется, в частности, и тем, в какой мере представительно показание штатной термопары, измеряющей температуру пара в паровпуске ЦСД, для контроля.
Из рис. П5.15 и табл. П5.4 очевидно,
что в процессе повышения частоты вращения ротора эта термопара фиксирует наиболее низкие температуры пара в паровпуске ЦСД. Такой эффект закономерен, он определяется тем, что штатная термопара установлена в зоне нижней образующей ЦСД, а термопары ВТИ — приблизительно под углом 30° к плоскости горизонтального разъема.
Таким образом, в качестве удобного для эксплуатационного персонала критерия, определяющего допустимую величину захолаживания ЦСД, целесообразно принять разность минимальной (на этапе повышения частоты вращения) температуры пара измеряемой штатной термопарой, расположенной в нижней половине ЦСД в зоне паровпуска, и температуры верха ЦСД перед толчком ротора. Для пусков после односуточного и более простоя в качестве консервативного значения этого критерия может быть принято
(П5.14)
При измерении штатной термопарой температуры пара в паровпуске ЦСД минимальное значение отношения(табл. П5.4). Следовательно,
условие (П5.14) определяет величину отрицательной разности температур в зоне 14-й ступени:не более 63 °C. В этом случае максимальная величина отрицательной разности температур по радиусу РСД в зоне придисковой тепловой канавки 14-й ступени с учетом (П5.10) не превысит 47 °C, что, безусловно, вполне приемлемо в пределах ранее принятых допущений.
Для уточнения допустимого диапазона режимов пуска без прогрева ППГ выполнена серия расчетов, в которых рассматривались пуски после суточного и двухсуточного простоев с различной исходной температурой трассы ППГ. Расчеты проведены по программе «Аккумуляция-2» (автор А. Ш. Лейзерович), позволяющей определять температуру пара на входе в ЦСД с учетом кусочно-линейного закона изменения tППГ=f(l), где l— длина паропровода, GППГ=f(τ) и т. д.

Рис. П5.16. Оценка допустимого диапазона режимов пуска

Сначала были рассчитаны реальные режимы 28.03.77 и 06.06.77. При этом решалась задача моделирования без прогрева ППГ: (а) пуск после 53 ч простоя (28.03.77); (б) пуск после 53 ч простоя (06.06.77). Захолаживания 80... 180 соответствуют расчетам с постоянной по длине ППГ температурой паропроводов, равной 80-180 °C поведения паровой термопары в паровпуске ЦСД. Получено практическое совпадение соответствующих кривых изменения температуры θ(τ) в расчете и эксперименте для зоны паровпуска ЦСД при реальном распределении tппг =f(l). Затем проведены серии расчетов, в которых варьировалась только температура ППГ. Другие изменения в краевые условия при этом не вносились. Результаты этих расчетов приведены на рис. П5.16. Основной вывод, вытекающий из этих расчетов, заключается в допустимости пусков без прогрева ЦСД при температуре ППГ>100 °C практически без ограничения разности температур корпуса ЦСД и ППГ. При этом имеются в виду пуски после односуточного и более простоев. Этот вывод не распространяется на случай пусков из горячего состояния с паропроводами ППГ, расхоложенными до 100 °C.

Вывод о допустимости пусков без прогрева ППГ при простое сутки и более, если исходная температура ППГ>100 °C, не является неожиданным. Он получен с учетом результатов расчетных и экспериментальных исследований. Весьма убедительным экспериментальным подтверждением корректности принятой расчетной схемы является пуск без прогрева ППГ после двухсуточного простоя 04.02.74 (рис. 2.9). В этом режиме температура практически всей трассы ППГ находилась в диапазоне 68-82 °C, а tцcд = 200 °C. Причиной этого явилось попадание воды в ППГ через пусковые впрыски (при подключении ПЭН). В этом пуске был отмечен лишь незначительный вынос влаги в ЦСД. Максимальное снижение температуры пара в ЦСД не превышало при этом 20 °C.
Условие, исключающее вынос влаги в ЦСД, заключается в том, что температура металла концевых участков ППГ перед ЦСД менее 100 °C. Ревизии этого условия для дубль-блока не требуется. Если это условие не выполнено, то необходим прогрев паропроводов горячего промперегрева до tппг ≥ 100 °C.