Похорилер В. Л., Грехов Л. Л.
На большинстве отечественных энергоблоков, в том числе и на дубль-блоках 300 МВт, используется типовая пусковая схема с одноступенчатым байпасированием турбины [1 - 6]. Применительно к этой схеме разработана и используется, так называемая, унифицированная технология пуска блока. При всех известных достоинствах этих решений им свойственны и определенные недостатки. Одним из самых серьезных недостатков является проблема регулирования температуры пара промперегрева (ППП) в пусковых режимах. При унифицированной технологии пуска стартовое тепловыделение в топке котла и начальный режим его растопки выбираются из условия получения “толчковых” параметров свежего пара, необходимых по условиям прогрева элементов ЦВД. В то же время ротор ЦВД (РВД) существенно уступает по массивности и диаметру ротору ЦСД (РСД) современных мощных турбин, в частности, турбин на сверхкритические параметры пара (СКД). В турбинах СКД РСД вообще является наиболее термонапряженным элементом в переходных режимах.
В связи с тем, что в однобайпасной пусковой схеме через ППП при развороте турбины проходит только пар, поступающий в ЦВД, его расход оказывается непропорционально малым по сравнению с расходом топлива, что приводит к быстрому росту температуры пара на входе в ЦСД. В результате при пусках турбины, в особенности при пусках из холодного состояния, в РСД возникают чрезмерные (до 200°С и более) разности температур по радиусу, что более чем в 2 раза превышает ее допустимые значения. В этой связи основная задача регулирования температуры пара ППП при пусках по унифицированной технологии - снижение уровня этой температуры с целью ограничения температурных разностей и напряжений в РСД.
Основным вариантом пускового регулирования температуры пара ППП на дубль-блоках 300 МВт [4] является использование пускового байпаса 8 тракта ППП (рис. 1). С его помощью часть холодного пара с выхлопа ЦВД 2 подается в трубопровод “горячего” промперегрева (ГПП) 9 помимо тракта ППП 6. Перемешивание этого пара с горячим паром, прошедшим тракт ППП, и обеспечивает требуемое снижение температуры пара на входе в ЦСД 3. Это решение достаточно эффективно при сравнительно невысоких тепловых нагрузках топки - при развороте турбины и при начальном ее нагружении. При дальнейшем нагружении блока пропуск значительного расхода пара помимо тракта ППП связан с опасностью перегрева металла змеевиков промпароперегревателя, поэтому использование пускового байпаса ППП ограничивается режимом разворота турбины и начального ее нагружения. “Узким” местом этого варианта является тройник 10, в котором перемешивается холодный и горячий потоки пара ППП. Из- за большого перепада температур в тройнике возникают значительные температурные напряжения, которые вызывают появление трещин и необходимость частого ремонта и замены тройников. Учитывая это, на дубль-блоках 300 МВт Рефтинской ГРЭС от использования пусковых байпасов ППП для регулирования температуры пара перед ЦСД отказались и указанные байпасы были ликвидированы.
Другим вариантом пускового регулирования температуры пара промперегрева является использование для этой цели пусковых впрысков низкого давления 11, устанавливаемых в трубопроводах ГПП за ППП (см. рис. 1). Этот вариант - типовой для блоков мощностью 500 и 800 МВт [3]. Для впрыска в пароохладитель используется питательная вода 12, отбираемая из промежуточной ступени питательного насоса. Распыл впрыскиваемой воды осуществляется с помощью механических форсунок. Рассматриваемое решение эффективно при значительных электрических нагрузках блока - не ниже 10% номинальной мощности [3]. Применение его при меньших расходах пара, как правило, не допускается из-за выпадения капель впрыскиваемой воды из парового потока. “Узким местом” при этом являются гибы трубопроводов за впрыскивающим пароохладителем, играющие роль своеобразных центробежных сепараторов.
Рис. 1. Принципиальная пусковая схема блока с одноступенчатым байпасированием турбины:
1 - котел; 2 - ЦВД; 3 - ЦСД; 4 - ЦНД; 5 - конденсатор; 6 - промежуточный пароперегреватель; 7 - ПСБУ; 8 - пусковой байпас промперегревателя; 9 - трубопроводы ГПП; 10- тройник; II - впрыскивающий пароохладитель низкого давления; 12 - подвод воды из промежуточной ступени питательного насоса
Попадание капель воды на горячие стенки трубопроводов приводит к их резкому локальному охлаждению с последующим быстрым прогревом после полного испарения капли. При этом в стенках возникают значительные температурные напряжения, изменяющиеся циклически. Число таких циклов может быть достаточно большим даже в процессе одного пуска. Естественно, что в результате наблюдается растрескивание гибов из-за термической усталости и возникает необходимость их замены. Поэтому пусковые впрыски низкого давления с форсунками механического распиливания не рекомендуется использовать в процессе разворота турбины и ее начального нагружения. Такие впрыски включают в работу при нагрузках блока, превышающих 10% номинальной мощности. Таким образом, данный вариант фактически исключает возможность регулирования температуры пара после ППП в процессе разворота турбины.
Очевидно, что оптимальным вариантом было бы использование в пусковой схеме блока как пусковых байпасов ППП, так и впрысков низкого давления. При этом первые используются при развороте и начальном нагружении турбины, а вторые - при более высоких нагрузках блока. Такое решение реализовано в качестве типового на моноблоках мощностью 300 МВт [5].
Следует отметить, что для расширения диапазона работы впрысков низкого давления в сторону малых расходов пара через тракт ППП Харьковским турбинным заводом было предложено использовать в них форсунки с паровым распыливанием впрыскиваемой воды [3]. Этот вариант был проверен на дубль-блоках 300 МВт Рефтинской ГРЭС. Но решение не получило широкого распространения на электростанциях, так как в процессе эксплуатации выявились его существенные недостатки: сложность конструкции используемых форсунок, их “капризность”, частые выходы из строя.
Рис. 2. Принципиальная пусковая схема дубль-блока 300 МВт:
1 - экономайзерный и парогенерирующий тракты котла; 2 - встроенная задвижка (ВЗ); 3 - встроенные сепараторы (ВС); 4 - пароперегревательный тракт котла; 5 - паропроводы свежего пара; 6 -задвижка ГПЗ-1; 7 - задвижка ГПЗ-2; 10,13,14, 21, 22, 26,27 - задвижки; 8 - блок клапанов парораспределения ЦВД; 9 - ЦВД; 11 - трубопроводы ХПП; 12 - промперегреватель котла; 15 - трубопроводы ППП; 16- клапаны ЦСД; 18- ЦНД; 19- конденсатор; 20 - пускосбросное устройство (ПСБУ); 23 - линия обеспаривания тракта промперегрева; 24 - топочный расширитель блока (Р-20); 25 - линия подачи пара от Р-20 в трубопроводы ХПП; 28 - сброс в конденсатор; 29 - ко второму корпусу котла; 30 - от второго корпуса котла
Кроме того, необходимость подвода пара на форсунки из системы собственных нужд усложняет схему блока.
Изложенное объясняет тот факт, что на некоторых энергоблоках средства, обеспечивающие пусковое регулирование температуры пара промперегрева, практически отсутствуют. Анализ данных, полученных при пусках таких блоков, показывает, что при этом режим прогрева РСД крайне неблагоприятен. Температура пара перед ЦСД в процессе разворота турбины быстро возрастает до 420 - 440°С даже при пусках блока из холодного состояния, что приводит к интенсивному прогреву наружной поверхности ротора при сравнительно низкой температуре внутренних слоев металла, расположенных вблизи поверхности осевой расточки. При этом разность температур металла ротора по его радиусу возрастает до 200 - 220°С, что более чем в 2 раза превышает величину разности 90 - 100°С, обычно принимаемую для таких роторов в качестве допустимой.
С учетом описанных недостатков существующих вариантов регулирования температуры пара промперегрева была поставлена задача решения этой проблемы принципиально новым способом - за счет изменения самой технологии пуска блока. Было проанализировано несколько вариантов такой технологии; часть из них была проверена экспериментально .
В первом варианте пар после ЦВД делился на два потока. Один поток поступал в промпароперегреватель 12 растапливаемого котла (рис. 2), а второй поток по трубопроводу 29 поступал в ППП второго корпуса, находящегося в резерве, и пройдя его, по трубопроводу 30 поступал на вход в ЦСД. Перемешивание “горячего” потока пара, прошедшего ППП растапливаемого корпуса, и “холодного” потока, поступающего по трубопроводу 30, происходит на входе самого ЦСД. Таким образом, ППП второго (нерастапливаемого) корпуса котла фактически выполняет функции пускового байпаса растапливаемого корпуса.
Недостатком этого варианта является возможность его использования только в случае готовности к пуску обоих корпусов котла. Если на одном из них производятся ремонтные работы, то этот вариант использовать нельзя.
Были проанализированы и экспериментально опробованы варианты пуска блока, в которых разворот турбины до 1000 - 1200 1/мин и прогрев ЦСД на этой частоте производятся посторонним паром, подаваемым помимо ЦВД из системы общестанционных собственных нужд. В условиях Рефтинской ГРЭС для этой цели могут быть использованы два варианта: с помощью РОУ ГПП и с помощью РОУ ХПП.
В нормальных режимах работы блока РОУ ГПП подает пар от него в общестанционный коллектор собственных нужд с температурой около 380°С. При пуске пароохладитель этой РОУ используется для снижения температуры пара СН перед ЦСД пускаемой турбины. При нормальной работе блока РОУ ХПП подает пар с выхлопа ЦВД в общестанционный коллектор пара СН с температурой 250°С.
Достоинством этого варианта является возможность непосредственного использования пара СН для подачи в ЦСД без дополнительного регулирования его температуры. Достоинством обоих вариантов является возможность начала разворота турбины и прогрева ЦСД еще до начала растопки котла. В этих случаях достаточно длительные выдержки на частоте вращения 1000 - 1200 1/мин, необходимые для прогрева РСД, практически не оказывают влияния на продолжительность пуска блока.
Существенным недостатком этих вариантов являются дополнительные потери на пуск, связанные с потреблением стороннего пара из общестанционных коллекторов СН. Следует учесть, что при растопке “своего” котла значительное количество пара сбрасывается в конденсатор и не используется. Необходимо также, чтобы в коллекторах СН имелся пар в необходимом количестве. Определенные проблемы для ГРЭС представляет и необходимость подчинения режима работы системы пара СН условиям пуска одного из блоков.
Этих недостатков лишен вариант пуска блока, основанный на использовании для разворота турбины “собственного” пара, генерируемого в растопочном расширителе блока 24 (Р-20). Именно этот вариант и был принят как основной для усовершенствованной технологии пуска блока. В ее основу было положено также то обстоятельство, что (как показали многочисленные исследования и опыт эксплуатации) ротор ЦВД при развороте и вращении с частотой до 1300 1/мин может работать при безрасходном режиме достаточно длительное время без опасности его недопустимого разогрева. Это обстоятельство широко используется в технологии пуска, применяемой на зарубежных энергоблоках с двухбайпасной пусковой схемой. В отечественной энергетике это обстоятельство использовано в технологии пуска, применяемой на энергоблоках мощностью 800 МВт с однобайпасной пусковой схемой. На этих блоках толчок турбины, разворот до частоты 1200 - 1300 1/мин и прогрев на этой частоте осуществляются паром, подаваемым в ЦСД при безрасходном режиме ЦВД.
Рис. 3. Изменения температурных разностей в РСД турбины К-300-240 ХТЗ при пуске по усовершенствованной технологии:
1 - частота вращения ротора; 2 - мощность генератора; 3 - ∆t0 = t1- t; 4 - ∆t; = t — tk;5 — ∆tk =t-tk; температуры: tI - обогреваемой поверхности; tk - поверхности осевой расточки; t - средняя по сечению ротора
Кроме этих двух принципиальных моментов, при разработке усовершенствованной технологии были использованы другие технологические приемы, применяемые при пусках блоков большой мощности [3, 6 - 9].
