7-2. ПУСК ТУРБИНЫ И ПРОБЛЕМЫ МАНЕВРЕННОСТИ
Процедура пуска турбоагрегата, скорость выполнения операций при пуске и нагружении, возможность допустить большое число пусков- остановок пока для АЭС не так актуальны, как для оборудования обычных электростанций — ТЭС. Причина этому — существенная доля капитальных затрат, определяющих стоимость вырабатываемой электроэнергии на АЭС. Стоимость вырабатываемого 1 кВт-ч на АЭС резко возрастает при уменьшении τу — числа часов использования установленной мощности.
Так, например, по [97] стоимость вырабатываемого 1 кВт-ч в ФРГ на блоке АЭС с водоохлаждаемым реактором Рэ=1300 МВт (типа Библис, см. § 5-3) при уменьшении τу с 8 до 4 тыс. ч в год возрастает на 80%, а для ТЭС, работающей на мазуте с блоком Рэ=650 МВт, увеличивается только на 33%.
Несмотря на относительно малую долю участия АЭС в общей выработке электроэнергии, в ряде случаев возникает необходимость в периодических остановках блоков АЭС. Блоки АЭС используются и для регулирования нагрузок энергосистемы, см. опыт эксплуатации НВАЭС, § 7-1, а также [84]. На некоторых АЭС, как, например, на НВАЭС [18], время пуска блока определяется временем пуска турбоагрегата. Можно не сомневаться в том, что с увеличением доли АЭС в энергосистемах возрастет и необходимость в частых пусках-остановах блоков АЭС, и работе их с частичной нагрузкой.
Основные ограничения по скорости пуска и нагружения турбины, по числу допустимых пусков, как и для турбин ТЭС, связаны с температурными напряжениями в деталях турбины, главным образом в корпусах и роторах.
Если речь идет о высокотемпературных турбинах, работающих с газоохлаждаемыми реакторами, то, так как пуск их производится при номинальных параметрах пара, ограничение термических напряжений по сравнению с такими же установками на ТЭС требует дополнительного усложнения конструкции [44]. В турбинах фирмы АЕИ для работы с ГГРу Рэ=660 МВт на р0=16 МПа, t0=tпп=538°С (см. § 5-1) ЦВД выполняется в зоне паровпуска трехстенным, с подводом пара по всей окружности, с внутренним корпусом без горизонтального разъема. Двухкорпусным является ЦСД в зоне паровпуска после промперегрева. Центральная часть ротора среднего давления экранируется специальной обоймой и охлаждается более холодным паром после выхода из ЦВД. Концевые и промежуточные уплотнения для уменьшения концентрации напряжений не имеют тепловых канавок.
Для турбин АЭС с водоохлаждаемыми реакторами температура пара на выходе в турбину обычно t0=250-285°С, а после промперегрева tпп=220-270°С. Столь низкая температура, с первого взгляда, существенно облегчает решение проблем маневренности.
Однако при работе турбины на насыщенном паре имеются специфические особенности, усложняющие решение задач маневренности: высокие коэффициенты теплоотдачи при конденсации пара. Если температура поверхности, омываемой слабоперегретым паром, ниже температуры насыщения этого пара, то при малых ∆t будет происходить конденсация пара с высокой интенсивностью теплообмена [4];
существенное снижение температуры пара (температуры насыщения ts) при уменьшении расхода пара через турбину и соответствующем дросселировании пара; для турбин с высокой начальной температурой t0 температура пара по ступеням при этом меняется незначительно;
большие размеры корпусов тихоходных агрегатов, а также ЦНД быстроходных турбин, которые для повышения разделительного давления до оптимального значения (см. § 1-2) часто имеют большее число ступеней, чем ЦНД турбин высоких параметров; при больших размерах корпусов возможно их коробление;
временное раскрытие разъемов диафрагм, обойм, фланцев корпусов может привести к щелевой эрозии (см. § 3-5).
Все отмеченное выше требует, с одной стороны, особого подхода к режиму пуска, а другой — сказывается на конструкции турбины.
Согласно [4] рассмотрим влияние параметров пара на входе в турбину, в том числе перегрева пара на скорость прогрева деталей головной части агрегата.
Рис. 7-4. Схема в is-диаграмме изменения состояния пара за регулирующими клапанами турбины ( -.-.-.-.-)
при р0>3 МПа и изменения температуры поверхности деталей tм в этой зоне (— — — —) при прогреве турбины в зависимости от давления пара.
а — на входе в турбину пар перегретый; б — на входе в турбину пар насыщенный; в — пуск из холодного состояния при р0= рном; г — пуск из неостывшего состояния при скользящем давлении; 1 — максимальная нагрузка; 2 — нагрузка 50%; 3 — состояние пара в момент, когда tм= ts при пуске холодной турбины на номинальных параметрах; 4 — температура tм в момент, когда во время пуска неостывшей турбины при скользящем давлении пар переходит из перегретого в насыщенное состояние; 5 — температура в момент, когда tм=ts, где температура насыщения перегретого пара, омывающего поверхность детали.
При уменьшении расхода насыщенного пара за счет его дросселирования в клапанах сначала (при р0>3 МПа) пар увлажняется, а затем перегревается и первые ступени ЦВД работают уже перегретым паром. Интенсивность теплообмена будет зависеть от температуры поверхности детали tм и температуры насыщения при данном давлении пара ts= f(p). Если ts<tм, то теплообмен невелик и можно не опасаться значительных температурных разностей, а следовательно, термических напряжений в деталях. Но с увеличением расхода пара (см. кривую б, т. е. линию ί=ί0=const на рис. 7-4), давление его p0 растет и при каком-то значении p*01 (точка 3), температура насыщения этого перегретого пара (t*s)01 оказывается выше температуры поверхности, т. е. ts<tм. Если к тому же произойдет конденсация пара на поверхности детали, то благодаря интенсивному при этом теплообмену локальная разность температур резко возрастет. С этого момента темп прогрева и термические напряжения в элементах турбины зависят главным образом от скорости увеличения давления пара ρ01 и тем самым температуры насыщения (ts)01, так как температуры поверхности деталей турбины практически без отставания будут следовать за температурой насыщения пара. Очевидно, что допустимая разность температур в деталях турбины может быть обеспечена соответствующим ограничением скорости нагружения турбины.
При пуске турбины насыщенного пара из горячего состояния на скользящих параметрах (кривые г на рис. 7-4), температура поверхности tм может оказаться выше, чем температура пара при переходе его из перегретого в насыщенный (точка 4). Такой переход будет сопровождаться резким захолаживанием детали за счет испарения влаги на ее поверхности, следовательно, большой разностью температур (но другого знака, чем при рассмотренном выше процессе конденсации) и соответственно термическими напряжениями. Для дальнейшего прогрева при этом придется затратить больше времени, чем при отсутствии захолаживания. Поэтому пуск турбины насыщенного пара из неостывшего состояния при полностью открытых клапанах нецелесообразен. При частично открытых клапанах такой пуск может оказаться рациональным лишь тогда, когда с увеличением расхода пара при пересечении линии насыщения х=1 температура пара будет выше температуры омываемых деталей.
Рассмотрим нагружение турбины слабоперегретого пара [14]. Напомним, что введение начального перегрева пара (см. § 1-2, 5-3 и 5-4) повышает экономичность установки, снимает проблемы эрозии в клапанной системе и в первых ступенях турбины, а при температурном перепаде в первой ступени меньшем, чем начальный перегрев (Δtм≤t0-t0s), и в переднем концевом уплотнении (в однопоточных ЦВД).
Начальный перегрев пара (точка 1 на рис. 7-4) позволяет уменьшить зависимость температуры пара в головной части турбины от расхода пара. При сбросе нагрузки низкие коэффициенты теплоотдачи от поверхности деталей к перегретому пару, когда пар холоднее омываемых им деталей, смягчают температурные воздействия.
При пуске турбины, несмотря на большую температуру пара, в такой турбине скорость прогрева будет не ниже, чем для насыщенного пара по причинам, рассмотренным выше, если температура поверхности tм окажется ниже температуры насыщения, т. е. при tм<ts. Если же температура поверхности, например, при длительной выдержке турбины при неизменном расходе пара превысит температуру насыщения (точка 4 на рис. 7-4), то перегретый пар позволяет большую, чем насыщенный пар, скорость дальнейшего нагружения.
На рис. 7-5 показаны кривые, характеризующие прогрев турбины при ее нагружении, когда мощность Рэ, расход пара G, давления по проточной части р и соответствующие им температуры насыщения ts меняются ступенчато. Прогрев перегретым паром до температуры насыщения, соответствующей номинальному начальному давлению, занимает не больше времени, чем прогрев более холодным насыщенным паром. Дальнейший прогрев турбины слабоперегретого начального пара, как правило, может производиться после достижения номинальной нагрузки и не удлиняет пуска.
Несмотря на низкую начальную температуру пара на входе в турбины насыщенного и слабоперегретого пара, большинство турбин второго поколения в зоне паровпуска имеет двухстенную конструкцию ЦВД: турбины К-750-65 ХТГЗ (рис. 5-8), К-500-65-3000 (рис. 5-7) и тихоходные турбины (рис. 5-11, 5-13 и 5-14); турбины 1200 МВт фирмы ЕЕ-АЕИ (рис. 5-15), турбина К-1000-60/3000 ЛМЗ (рис. 4-8), серия турбин 500—1300 МВт фирмы КВУ (рис. 5-23 и 5-25), турбина 220 МВт «Шкода» (рис. 5-26), последние турбины 1000—1200 МВт фирмы ББЦ (рис. 5-30), новые американские турбины (рис. 5-34, 5-36). В то же время большинство турбин первого поколения имеют одностенную конструкцию ЦВД: турбина ХТГЗ К-70-30 [61], турбина 120 и 400 МВт фирмы АЕИ [61], турбины 250 и 660 МВт фирмы АЕГ [61] (рис. 5-20), первые турбины фирмы ДЭ [61], а также турбины фирм «Альстом» (рис. 5-19), «Тосиба» (рис. 5-39) и «Хитачи» [61].
Корпуса ЦНД, как правило, выполняются двух- и даже трехстенными (см. § 5-2 и 5-3.)
Для уменьшения термических напряжений роторы ЦВД барабанного типа часто выполняются с тонкостенной центральной частью. В связи с тем, что температура пара перед ЦНД — это обычно температура промперегрева tпп, при быстром повышении tпп при пуске возможно появление термических напряжений в роторах ЦНД сварной конструкции, а при насадных дисках возможно ослабление посадки дисков на вал в зоне первых ступеней.
ВТИ проведен расчет температур и термических напряжений в типичном сварном роторе ЦНД с дисками без центральных отверстий (см., например, рис. 5-4) при различных условиях пуска и включения СПП перед ЦНД [45]. Этот расчет показал заметную неравномерность температур в центральной части дисков первых ступеней. Термические напряжения в этой зоне, где максимальны и напряжения от центробежных сил дисков и облопачивания, могут оказаться значительными и стать опасными по условиям хрупкого трещинообразования и развития микродефектов в металле.
В [45] рекомендуется для ограничения уровня термических напряжений регулировать температуру промперегрева tпп при пуске или же существенно увеличить длительность пуска.
На рис. 7-6 приведен расчетный график прогрева ротора ЦНД при пуске из холодного состояния с нерегулируемым включением СПП.
Очевидно, что для турбин АЭС, так же, как и для турбин ТЭС, надежность агрегата и ускорение пуска и нагружения его могут быть легче достигнуты при автоматизации пусковых операций, когда заданные температурные разности диктуют скорость прогрева [51].
Рис. 7-5. Прогрев турбины при ступенчатом ее нагружении.
а — время прогрева τ до температуры насыщения при номинальном давлении одинаково для перегретого и насыщенного пара; б — скорость прогрева перегретым паром выше, чем насыщенным; 1 — на входе в турбину пар насыщенный; 2 — на входе в турбину пар перегретый; 3 — номинальная температура перегретого пара.
Рис. 7-6. Расчетный график прогрева сварного ротора ЦНД турбины насыщенного пара на п=50 с-1 при пуске из холодного состояния с нерегулируемым включением СПП.
Рис. 7-7. Горизонтальный разъем корпуса (в зоне концевого уплотнения) высокого давления турбины АЭС «Штаде» (Рэ=660 МВт). а — изотермы на разъеме; б — до реконструкции; в — после реконструкции; ХХХХХ — плотное прилегание; — — — — граница раскрытия при установившемся режиме.
Для того чтобы предотвратить при пуске временное раскрытие диафрагм, опасное возникновением щелевой эрозии, ХТГЗ и другие фирмы сболчивают половины диафрагм. На рис. 7-7 показан разъем внешнего корпуса ЦВД в зоне концевого уплотнения турбины КВУ Рэ=660 МВт на п=25 с-1 для АЭС «Штаде» (см. рис. 5-22).
На рис. 7-7,а видны изотермы согласно расчету, проведенному методом конечных элементов [104]: на участке небольшой протяженности разность температур ∆t=78°С. Это привело к частичному раскрытию фланцев (пунктирная линия на рис. 7-7,б) и значительной эрозии внешнего корпуса, изготовленного из нелегированной стали. В то же время сегменты уплотнений, выполненные из 12%-ной хромистой стали, не были размыты. При ремонте турбины пришлось усилить соединение фланцев, что видно из сравнения рис. 7-7,б и в, после чего практически для всего фланца была обеспечена необходимая плотность прилегания.
Рис. 7-8. График пуска агрегата К-220-44 ХТГЗ.
Рэ — электрическая нагрузка; п — частота вращения; р0, t0 — параметры пара перед стопорным клапаном; р1, t1 — параметры пара перед ЦВД; t2 — температура пара на входе в ЦНД; τ — время.
График пуска турбины К-220-44 ХТГЗ (см. рис. 5-4) при работе двух агрегатов с одним реактором ВВРд-440 представлен на рис. 7-8 [51]. Набор номинальной частоты вращения п=50 с-1 производится ступенчато с двумя выдержками при п/пном=0,1 и 0,32 и заканчивается за 35—40 мин. Полное нагружение от толчка турбины производится за 3 ч со скоростью примерно 1,6 МВт/мин. Пуск и нагружение выполняются при неизменном начальном (перед стопорным клапаном) давлении p0=4,32 MПa = const и, следовательно, при постоянной температуре t=t0=const. Температура t1 перед ЦВД меняется плавно от 83 до 236°С, а температура t2 перед ЦНД — до 230°С к моменту полного нагружения турбины; давление пара перед ЦВД р1 до набора номинальной частоты вращения пном поддерживается p1=0,25 MПa=const; при нагружении турбины оно возрастает до р1 ном≈4 МПа.
Интересны результаты исследования пусковых режимов турбины К-220-44 на КоАЭС [29]. Испытания охватили режимы пуска из холодного состояния после остановки на 2 сут и 8 ч и из горячего состояния после остановки на 0,5—1 ч.
Испытания показали, что основным показателем, лимитирующим пуск данной турбины, является ∆t по ширине фланца корпуса ЦВД. На рис. 7-9 показано распределение температур в продольном сечении по середине высоты верхнего фланца в зоне паровпуска и камеры регулирующей ступени при пуске из неостывшего состояния. При прогреве наибольшие ∆tсоответствуют зоне паровпуска по ширине фланца сопловой камеры. При глубоком разгружении и пусках из горячего состояния возникают отрицательные разности температур по ширине фланца.
В связи с переводом турбины на работу при дроссельном парораспределении (см. § 5-2) расчет показал [29], что пусковые характеристики не претерпевают существенных изменений. Хотя несколько сокращается время нагружения (до 160 МВт), общее время пуска до Рэ за счет некоторого уменьшения скорости нагружения при больших нагрузках остается практически тем же.
При пропаривании фланцев ЦВД турбины К-220-44 разности температур по их ширине достигают ∆t=120°С и более как при пусках, так и при нормальной работе. В этом случае вскипание влаги на выходе из щели (неплотности фланцев) вызывает резкое захолаживание наружной поверхности фланца. Из-за щелевой эрозии неплотность разъема увеличивается и ∆tвозрастает. Естественно, что в этом случае необходима другая программа пуска [29].
Испытания показали, что по своим маневренным характеристикам (время от пуска пара на турбину до полной нагрузки после остановки на ночь составляет 75 мин) турбина К-220-44 может использоваться для глубокого регулирования графика нагрузки энергосистемы с остановкой на ночь и нерабочие дни.
Рис. 7-9. Распределение температур в продольном сечении верхнего фланца ЦВД турбины К-220-44 при пуске из неостывшего состояния (Рэ=62 МВт). О — измерения; ⓿ — расчет.
Ниже упрощенно описываются пусковые операции для турбинной установки К-500-65/3000 ХТГЗ. Поскольку на АЭС две такие установки питаются паром от одного реактора ВГРк-1000, то сначала отметим некоторые особенности установки, связанные с ее работой в одноконтурной АЭС [51]. Установка должна обеспечить перепуск всего расхода пара помимо турбины в конденсаторы. Для этого турбина имеет два технологических конденсатора, каждый из которых рассчитан на прием 42 кг/с пара при относительно высоком давлении (до 0,78 МПа). Основные конденсаторы могут принимать пар только при небольшом давлении р<0,03 МПа, т. е. при t<70°С, чтобы не допустить сильного разогрева конденсатора. Конденсат из технологических конденсаторов насосами подается в деаэратор. Охлаждающая вода поступает в основные и технологические конденсаторы из одного источника.
Другой особенностью является необходимость иметь источник «чистого» пара, подаваемого на концевые уплотнения турбины и уплотнения штоков клапанов, а также при пуске в пароструйный эжектор. Предусматривается резервное питание деаэратора свежим паром при пуске, останове и малой нагрузке агрегата. В связи с этим установка имеет испаритель «чистого» пара, несколько быстродействующих редукционных устройств БРУ, в том числе для перепуска в конденсатор — БРУ-К, для сброса пара в барботер — БРУ-Б и для питания свежим паром деаэратора — БРУ-Д, представляющее собой простой дроссельный клапан, рассчитанный на перепуск до 55 кг/с пара.
Необходима постоянно действующая продувка тех трубопроводов, где может скапливаться влага, — линзовых компенсаторов, ресиверов от ЦВД до СПП, трубопроводов греющего пара второй ступени СПП.
Все оборудование, участвующее в аварийных операциях, должно иметь посторонний источник питания [51].
Пусковые операции для турбоустановки К-500-65/3000 ХТГЗ
Тепловая схема турбоустановки при работе двух агрегатов от одного реактора ВГРк-1000, конструкция самой турбины и схема ее регулирования приведены выше, в § 5-2 и 6-2.
Рассмотрим упрощенно основные операции и график пуска [51]. Обычно первая из двух установок пускается на скользящем давлении. Перед пуском включается химводоочистка, заполняются химически очищенной водой конденсаторы турбин и деаэратор. После включения парогенератора реактора к моменту достижения в контуре давления 2 МПа пускаются циркуляционные и конденсатные насосы, система регенерации питательной воды, масляная система, вало- поворотное устройство; проверяются системы регулирования и защиты, открывается вся система дренажей.
После достижения давления в контуре 2 МПа начинается выработка пара. Для обеспечения греющим паром деаэратора включаются БРУ-Д. Испаритель дает «чистый» пар, поступающий в коллекторы концевых уплотнений и уплотнений штоков клапанов, а также на пусковые эжекторы.
Рис. 7-10. График пуска агрегата К-500-65/3000 ХТГЗ. а — нагружение агрегата и изменение при этом температуры пара перед ЦНД; б — то же при разгружении; в — допустимое ускорение ротора в зависимости от температуры металла ЦВД в зоне перегрева; г — выдержка при пуске (1 — при номинальной частоте вращения; 2 — при промежуточной выдержке); д — первоначальные нагрузки.
Включаются в работу основные эжекторы и постепенно углубляется вакуум в конденсаторе. С помощью БРУ-К повышается паропроизводительность блока (до 6—100 кг/с). Включается первый основной электронасос питательной воды.
После окончания прогрева и повышения давления пара за регулирующими клапанами байпасирования главной паровой задвижки до 4 МПа производится толчок турбины. Для этого открываются регулирующие клапаны турбины соответственно графику, представленному на рис. 7-10,а.
Возможны два графика пуска: из холодного состояния, когда температура металла паровпускных частей ЦВД ниже 150°С, и из горячего, при более высокой температуре (рис. 7-10,г и д).
Кривая 3 на рис. 7-10,в показывает зависимость ускорения ротора dn/dτ агрегата от температуры ЦВД. При частоте вращения 6,5-7,5 с-1 (см. кривую 2 на рис. 7-10,г) производится промежуточная выдержка, когда, в частности, отключается валоповоротное устройство. Зона критических частот валопровода проходится быстро, с ускорением 1/12—1/9 с-2; при этом желательно предварительно достигнуть нормального вакуума в конденсаторе. При достижении номинальной частоты вращения пном=50 с-1 отключается пусковой масляный насос. После некоторой выдержки при холостом ходе производится синхронизация генератора и включение его в сеть.
Особое внимание при пуске уделяется регулированию температуры пара перед ЦНД. При пуске с «холодным» ротором ЦНД, когда его наивысшая температура не превышает t=150°С, при развороте греющий свежий пар в СПП не подается и температура пара tпп определяется давлением первого отбора. При пуске с «горячим» ротором ЦНД клапан греющего свежего пара СПП открыт полностью tпп=tппном. Нагружение агрегата осуществляется согласно графику рис. 7-10,д. При пуске из холодного состояния первоначальная нагрузка составляет Pэ=0,02-0,03 Рэном, т. е. Рэ=10-15 МВт. Нагружение турбины производится открытием регулирующих клапанов и прикрытием клапанов БРУ-К. После полного закрытия клапанов БРУ-К дальнейшее нагружение производится за счет повышения давления и мощности реактора.
График этого нагружения и изменения при этом температуры пара перед ЦНД представлен на рис. 7-10,а. Скорость нагружения примерно равна
2 МВт/мин. После достижения начальной мощности Рэ=10-15 МВт открывается пар на вторую ступень СПП и поддерживается tпп=140°С воздействием на клапаны этого греющего свежего пара. При нагрузке Рэ=0,45Рэном питание деаэратора и испарителей переводится на первый отбор турбины; закрывается БРУ-Д. При нагрузке Рэ=0,82Рэном это питание производится уже из второго отбора турбины.
Имеются некоторые особенности пуска второго агрегата блока [51].
Плановая остановка агрегата первого блока при втором работающем агрегате производится при постоянном давлении в барабанах-сепараторах парогенератора реактора. Разгрузка осуществляется постепенным прикрытием регулирующих клапанов турбины. На рис. 7-10,б показан график разгружения турбины, зависящий от температуры. В первые 30 мин нагрузка турбины снижается от номинальной до Рэ=200 МВт, что соответствует снижению температуры пара на входе в проточную часть ЦВД на 50°С; дальнейшее разгружение до холостого хода продолжается 2 ч, при Этом температура падает еще на 65°С. В процессе разгружения tпп=const, что упрощает управление установкой. Второй агрегат блока может разгружаться как с постоянным, так и понижающимся давлением пара в барабанах-сепараторах парогенератора реактора.
Пуск блока из горячего состояния может возникнуть по ряду причин, например после ложного срабатывания защиты. Особенности такого пуска объясняются главным образом большими разностями температур пара и металла. Так, при холостом ходе турбины вместо примерно 6,5 МПа давление пара перед первой ступенью ЦВД будет около 0,5 МПа, в результате дросселирования температура пара на входе в ЦВД вместо t0=279,5°С составит примерно 150°С, а на выходе из ЦВД 50°С. Таким образом, температура металла будет выше температуры пара: в зоне паровпуска ЦВД примерно на 110°С: в первой ступени ЦВД — на 120°С. на выходе из ЦВД — на 75°С; на входе в ЦНД (при отключенном промперегреве) разность температур составит около 210°С.
Следовательно, при пуске турбины из горячего состояния требуется повышение температур на входе в ЦВД и в ЦНД. Последнее достигается подачей в СПП греющего свежего пара. Для создания допустимых температурных разностей па входе в ЦВД приходится сначала нагружать турбину скачком до 50 МВт (см. кривую па рис. 7-10,д) со скоростью 40 МВт/мин. Дальнейшее нагружение производится со скоростью 2 МВт/мин.
В [61] приводится сравнение пусковых характеристик нескольких электростанций ФРГ: угольной ТЭС (Рэ=176 МВт) при р0= 20 МПа, t0=550°С и tпп=545°С с пятицилиндровой турбиной; АЭС «Линген» с ВВРк и огневым перегревом пара (Рэ=250 МВт); АЭС «Обригейм» с ВВРд (Рэ=320 МВт) и АЭС «Юлих» с высокотемпературным гелиевым реактором (Ρэ=15 МВт).
