Анализ режима прогрева К-300-240 при пусках из разных температур

Анализ режима прогрева турбоустановки К-300-240 при пусках из различного температурного состояния

Шаргородский В. С.,   Хоменок Л. А.,  Божко В. В., Коновалов В. К., Еремин В. А.

Обеспечение надежности и безопасности энергетических установок на электростанциях, наряду с повышением их экономичности, маневренности и срока службы, остается одной из главных задач развития энергетики и энергетического машиностроения. Одним из факторов, определяющих сохранение высоких показателей работы турбоустановок, является обеспечение оптимальных условий работы турбины на пусковых режимах.
Важной проблемой эксплуатации турбоустановки является обеспечение необходимого температурного режима элементов турбоустановки на различных этапах эксплуатации. Принятые конструктивные и схемные решения, а также методика (технология) пуска, с одной стороны, должны позволить осуществлять по возможности быстрые пуски с целью сокращения непроизводительных пусковых расходов топлива, с другой стороны, обеспечить высокую надежность оборудования с учетом требований его длительной эксплуатации как на переменных, так и на стационарных режимах.
В последние годы в НПО ЦКТИ проводились работы по созданию информационно-диагностической системы поддержки оператора турбоустановки “Ментор” (ИДС “Ментор”), позволяющей вести контроль и диагностику наиболее важных процессов, характеризующих общее состояние турбоустановки. Одним из разделов в ИДС “Ментор” является диагностика эксплуатации на переменных температурных режимах: пуска, маневрирования по нагрузкам, останова и расхолаживания.
В целом внедрение ИДС “Ментор” на турбоустановке позволяет:
рассчитывать графики оптимальных параметров пара и критериев, характеризующих надежность турбины при пусках (остановах) турбоагрегата с учетом малоцикловой термической повреждаемости элементов турбины и ее тепловой экономичности;
при необходимости корректировать прогнозные графики пуска турбоагрегата при значительном отклонении фактических параметров от ранее прогнозируемых;
в автоматическом режиме следить за соблюдением всех требований инструкций по пуску (останову) турбоагрегата;
предупреждать оперативный персонал о приближении того или иного параметра к допустимому пределу;
выдавать при необходимости рекомендации оператору по приведению параметров в норму; оптимизировать режимы эксплуатации котла; просматривать в архиве любые параметры за любой промежуток времени как в табличном, так и в графическом виде;
в процессе пуска анализировать качество пусковых операций по расчетным термонапряжениям и тепломеханическим параметрам;
быстро выводить любую справочную информацию;
вести протоколы и ведомости; получить обобщенный объективный анализ качества пуска по его окончанию.
Положительной особенностью ИДС “Ментор” является и то, что она устанавливается на турбоустановку как при отсутствии на ТЭС АСУ ТП, так и при ее наличии и использует, в основном, только штатные датчики турбоустановки.
В статье на основе данных, полученных с помощью ИДС “Ментор”, приводится анализ качества пусков с позиции температурного нагружения при пусках турбоустановки К-300-240 Каширской ГРЭС. Турбина пускалась в соответствии с требованиями инструкции по эксплуатации.
Перед началом пуска на экран монитора ИДС “Ментор” в зависимости от фактического температурного состояния турбины выводятся прогнозные графики изменения параметров пара и других характеристик пуска, которые в процессе пуска автоматически сравниваются с фактическими. Периодически проводится оценка скоростей прогрева в контрольных точках, рассчитываются фактические термонапряжения в роторах высокого и среднего давления (РВД и РСД), а после завершения пуска производится оценка выработки ресурса оборудованием за пуск.

Рис. 1. Пусковая схема:
--------- существующая схема;------------- дополнение к схеме

В том случае, когда скорости прогрева металла в контрольных точках или термонапряжения в РСД и РВД достигают предельно допустимых значений, на экране появляется предупреждение оператору.
Принятая пусковая схема на блоке № 4 Каширской ГРЭС схематично показана на рис. 1. Особенностью данной схемы является отсутствие специальных РОУ для прогрева линий холодного и горячего промперегрева. Отсутствие пусковых РОУ не позволяет вести какой-либо прогрев ЦВД и вторых перепускных труб ЦВД. Кроме того, в схеме отсутствуют байпасы главной паровой задвижки (ГПЗ).
Применительно к данной схеме инструкцией по эксплуатации предусматривается следующая технологическая цепочка порядка прогрева турбины: при закрытых ГПЗ и открытом пускосбросном устройстве (ПСБУ) осуществляется повышение температуры и давления острого пара и соответственно прогрев линии острого пара на участке от котла до ГПЗ. Причем, к концу прогрева и давление, и температура острого пара достигают уровня, близкого к их значению перед толчком;
при достижении указанного давления и температуры острого пара открывают ГПЗ и начинается прогрев участка паропровода от ГПЗ до регулирующих клапанов ЦВД, а также прогрев стопорного и регулирующего клапанов ЦВД. Причем, давление пара, которое было перед ГПЗ, очень быстро выравнивается по всему тракту острого пара;
после достижения определенной температуры острого пара и металла корпусов стопорных клапанов (СК) производят открытие РК (регулирующих клапанов) ЦВД, повышают обороты турбины до 800 об/мин и на этих оборотах делают выдержку для прогрева корпусов цилиндров высокого и среднего давления, паропроводов вторых перепускных труб острого пара (от РК ЦВД до корпуса ЦВД), а также паропроводов промперегрева, отсечных и регулирующих клапанов ЦСД;
последней стадией прогрева является режим прогрева при работе турбины на холостом ходу и под нагрузкой при переменных параметрах и расходе пара.

Рис. 2. Окно пусковых графиков ИДС “Ментор”:
тонкие линии - прогноз, толстые - фактические параметры; 1 - температуры острого пара; 2 - температуры горячего промперегрева; 3 - частота вращения; 4 - давления острого пара; 5 -            нагрузки; 6 - термонапряжения в роторе ВД; 7 - термонапряжения в роторе СД; 8 - допустимые термонапряжения

Анализируя сказанное, можно констатировать, что на ГРЭС применяется методика последовательного прогрева турбоустановки как по времени, так и по участкам. На рис. 2 показаны графики изменения основных параметров при пуске турбины К-300-240 Каширской ГРЭС-4 ст. № 4. Там же приводятся прогнозные графики, т.е. расчетные оптимальные графики изменения этих же параметров. Наблюдаемые в процессе пуска отклонения фактических параметров от их прогнозных значений в существенной мере определились выполненной пусковой схемой блока, а также принятой на ГРЭС методикой прогрева на различных этапах пуска.
При расчете прогнозных графиков изменения параметров в качестве исходных данных принимались данные фактических замеров температур металла перед началом прогрева:
температуры металла стопорных клапанов ЦВД и ЦСД;
температуры металла паровпуска корпусов цилиндров высокого и среднего давления;
температуры пара и металла в сечении регулирующей ступени ЦВД и первой ступени ЦСД.
Кроме того, при построении прогнозных графиков еще до начала пусковых операций вводились требования эксплуатационного персонала на конечную нагрузку и необходимые технологические выдержки по набору нагрузки. При построении прогнозных графиков изменения параметров на предтолчковом этапе прогрева принималось, что в схеме имеются ранее апробированные на других турбинах решения, позволяющие обеспечить требуемое повышение температуры пара через паропроводы холодного и горячего промперегрева, т.е. предполагалось, что в схеме имеются РОУ или другие линии для подвода пара в линию холодного и горячего промперегрева с последующим сбросом этого пара на конденсатор.

Рис. 3. Графики опыта 1:
1 - температура острого пара; 2 - температура стенки стопорного клапана ЦВД; 3 - температура пара в регулирующей ступени ЦВД; 4 - скорость изменения температуры стенки стопорного клапана; 5 - давление острого пара

Рис. 4. Графики опыта 2:
условные обозначения см. рис. 3

Как видно из рис. 2, на стадии предтолчкового прогрева имеют место существенные расхождения в графиках изменения параметров пара опыта и прогноза. В частности, по прогнозным графикам имеет место одновременное повышение температуры пара как в линии острого пара, так и в линиях промперегрева. Кроме того, повышение давления пара в паропроводах в соответствии с прогнозом на начальной стадии предусмотрено плавным. В опыте же давление после открытия ГПЗ изменилось практически скачком. Существующая схема (при отсутствии байпаса ГПЗ) не позволяет изменить давление плавно, а отсутствие РОУ делает невозможным перед толчком подавать пар в линию ХПП и, как видно из графиков, температура пара в линии ХПП и ГПП за все время прогрева на ВПУ практически остается неизменной. На рис. 3 показано изменение температуры металла стенки стопорного клапана в процессе прогрева. В опыте 1 в начальный момент скорость прогрева клапана практически вдвое превышает принятое в инструкции допустимое значение 4°С/мин; причем, уже через 15-20 мин скорость прогрева становится ниже 2 - 2,5°С/мин. К концу этапа предтолчкового прогрева температура прогрева еще больше уменьшается и скорости прогрева не превышают 1°С/мин. Как видно из рис. 3, в начальный момент после открытия ГПЗ температура металла стопорного клапана находилась на уровне, близком к 60°С, и была существенно ниже температуры насыщения пара при давлении в линии ОП - Р = 30 кгс/см²
Именно условия интенсивного теплообмена при конденсации пара на внутренней поверхности стенок клапана и предопределили высокие начальные скорости прогрева и соответственно высокие (σ ~ 4500 кгс/см²) термические напряжения. После прогрева металла стенки клапана до температуры насыщения осуществляется конвективный теплообмен при относительно малых коэффициентах теплоотдачи а и интенсивность его падает с уменьшением разности температур среды и поверхности металла. Из рис. 3 видно, что в режиме конвективного теплообмена (при условиях, когда температура стенки металла выше температуры насыщения), даже при значительных разностях tпapa - tметалла > 200°С, скорости прогрева клапанов не превышают 1,5 - 2°С/мин. Как показали опыты при начальной температуре металла стенки клапана, превышающей 140°С и давлениях греющего пара в диапазоне < 30 кгс/см², даже с учетом конденсационного прогрева максимальные скорости прогрева стенок стопорных клапанов не превышают предельно допустимого значения 4°С/мин. Характер изменения температуры и скорости прогрева металла СК при температуре металла перед началом прогрева 180°С показан на рис. 4 (опыт 2). В этом случае при значениях давления пара больше 30 кгс/см² и разностях температуры пар - металл клапана скорости прогрева не превышают допустимых.
Таким образом, принятая на ГРЭС методика прогрева СК, когда в результате открытия ГПЗ давление пара быстро становится близким к 30 кгс/см², может быть применима при пусках, когда начальная температура металла СК ЦВД выше 140- 150°С. При более низких температурах металла СК открытие ГПЗ необходимо производить при более низком давлении пара перед ГПЗ, например при Ротк = 5 кгс/см² с последующим его увеличением до прогнозного значения. Последнее требование можно обеспечить также при наличии байпаса ГПЗ.
Из представленного очевидно, что в условиях малых расходов пара (при небольших сбросах пара через дренажные отверстия) прогрев труб и корпусов стопорных клапанов происходит на режиме конденсации пара на стенках до температуры конденсации при соответствующем давлении, а также при разностях температур пар - металл, превышающих 100- 120°С. Опыты показывают, что при разностях температур пар - металл меньше 100°С скорость прогрева становится близкой к нулю, т.е. дальнейшая выдержка при проведении предтолчкового прогрева паропроводов ОП и клапанов становится нецелесообразной.

Рис. 5. Графики опыта 1:
1 - частота вращения; 2 - температура стенки отсечного клапана ЦСД; 3 - температура пара в линии ГПП; 4 - температура металла трубопроводов ГПП

В процессе прогрева стопорных клапанов ЦВД при закрытых регулирующих клапанах имеет место заметное снижение температуры пара в камере регулирующей ступени по сравнению с ее значением до начала прогрева. Результаты измерений в трех опытах приведены далее.

Снижение температуры пара во всех опытах происходило примерно с одинаковой скоростью, близкой к 1°С/мин. В опыте 3 температура пара в регулирующей ступени к моменту начала набора оборотов снизилось более чем на 70°С. При этом имеет место снижение температуры корпусных элементов, однако темп снижения температуры металла наружного корпуса существенно более низкий и в опытах не превышал значений 0,15 - 0,20°С/мин, что практически соответствует условиям естественного остывания. Такое снижение температуры происходит и в том случае, когда температура пара перед стопорными клапанами значительно более высокая по сравнению с температурой металла корпуса или температурой пара в камере регулирующей ступени.