Предварительный прогрев перепускных труб ЦВД и паропроводов горячего промперегрева
При пусках блоков мощностью 300 МВт в соответствии с требованиями типовых инструкций [150, 151] необходимо обеспечить превышение температуры пара, поступающего в цилиндр среднего давления (ЦСД), над исходной температурой цилиндра на 60-100 °C. Опыт показал, что это требование для неостывшего оборудования удовлетворяется при практическом равенстве температуры металла ЦСД и ППГ, а при остывшем оборудовании — за счет ограниченного прогрева ППГ. Во всех случаях недопустимо попадание влаги из ППГ в ЦСД.
Требования [150, 151] к предварительному прогреву перепускных труб после РКцвд вызвано относительно быстрым их остыванием и имеет целью предотвращение больших скоростей повышения температуры труб при последующем пуске турбины. Необходимость организации предварительных прогревов влечет за собой применение специальных решений в пусковых схемах блоков; большая продолжительность этих операций (1,5-2 ч на дубль-блоках мощностью 300 МВт) противоречит требованию повышения маневренности энергоблоков СКД. Актуальность задачи упрощения технологии и сокращения времени предварительных прогревов очевидна.
На этапе создания характеризуемой здесь базы знаний в отечественной энергетике не было единого, достаточно обоснованного подхода как к условиям обеспечения, так и к оценке живучести перепускных труб и паровпусков турбины при нестационарных режимах. Вместе с тем, известно, что на ряде зарубежных блоков большой мощности предварительные прогревы не проводятся [152-154].
Анализ возможности отказа от предтолчкового прогрева ППГ при пуске дубль-блока 300 МВт после суточного простоя (по условию обеспечения графика-задания температуры пара перед ЦСД), выполненный на базе опытных данных, дал обнадеживающие результаты.
Операции предварительного прогрева перепускных труб после РКцвд и ППГ на блоке 5 были необходимы прежде всего для упрощения технологии и сокращения времени операций. Кроме того, решалась задача по выяснению условий, обеспечивающих надежность оборудования при пусках без предварительного прогрева ППГ и при прогреве перепускных труб, совмещенном с пуском турбины.
Совмещенный предварительный прогрев перепускных труб и ППГ проводился свежим паром через ЦВД при закрытых защитных клапанах ЦСД; частота вращения турбогенератора при этом не превышала п = 800 об/мин.
Операции по прогреву начинались после достижения толчковых параметров свежего пара через ЦВД и при прогреве СКцвд до заданной температуры.
Испытаны две технологические схемы:
- прогрев за счет конденсации пара на стенках ППГ при повышении давления в системе промперегрева;
- конвективный прогрев путем пропускания пара через ЦВД турбины со сбросом на ППГ в конденсатор.
Перепускные трубы после РКцвд в обоих случаях прогревались до заданной температуры за счет конвекции; конденсация на стенках перепускных труб наблюдалась лишь на начальном этапе прогрева по первой схеме.
Критериями для сравнительной оценки и определения допустимости применения проверенных технологических схем предварительного прогрева в эксплуатации служили: температурные режимы ППГ, перепускных труб и паровпускных органов турбины, а также степень сложности организации и эксплуатационного контроля.
Попытки реализовать предварительный прогрев перепускных труб и ППГ свежим паром через ЦВД турбины, предпринятые в первых пусках моноблока, выявили определенные трудности.
Во-первых, сравнительно высокий уровень давления свежего пара (р = 2-3 МПа), необходимый для идентификации предтолчкового прогрева главных паропроводов и стопорных клапанов ЦВД, при отказе от использования байпасов ГПЗ не позволял открыть все регулирующие клапана ЦВД (с соблюдением условия п < 800 об/мин) и, следовательно, прогреть все перепускные трубы после РКцвд. Открытие РК при последующем увеличении частоты вращения и нагружении турбоагрегата сопровождалось резким повышением температуры не прогретых предварительно труб.
Во-вторых, малый расход пара, соответствующий частоте вращения п = 800 об/мин, при номинальном вакууме (даже при работе только одного цилиндра) не давал возможности не только прогреть ППГ за счет конвекции, но и поднять давление в системе промперегрева при открытых дренажах паропроводов.
Трудности были преодолены при помощи двух технологических приемов: изменения графика набора вакуума и снижения давления свежего пара после окончания прогрева главных паропроводов.
В начальной стадии пусков блока из холодного и неостывшего состояния вакуум поддерживался на уровне 450-500 мм рт. ст.; примерно за 10 мин до начала повышения частоты вращения сверх п = 800 об/мин задвижка на трубопроводе срыва вакуума закрывалась полностью, и к выходу на номинальные обороты вакуум в конденсаторе составлял 650-700 мм рт. ст. Ухудшение
вакуума в период предварительного прогрева ППГ существенно увеличило расход пара, соответствующий п = 800 об/мин, при работе только одного цилиндра высокого давления, и позволило реализовать обе технологические схемы прогрева ППГ.
Снижение давления свежего пара до 0,6-0,7 МПа перед подачей его в ЦВД турбины в опытных пусках выполнялось за счет прикрытия клапанов Др-3 на отводе пара из встроенных сепараторов от 100 до 25-35% по указателю положения (УП). При таком начальном давлении свежего пара и ухудшенном вакууме становится возможным полное открытие всех РКцвд с соблюдением условия п > 800 об/мин и, соответственно, прогрев всех перепускных труб ЦВД. Необходимо отметить, что эти приемы были реализованы в процессе освоения режимов пуска моноблока, в связи с чем организация предварительных прогревов в первых опытах несколько отличалась от реализованной на втором этапе испытаний.
Как следует из рассмотрения характеристик остывания ППГ и корпуса ЦСД турбины, предварительный прогрев средней части ППГ при пусках из неостывшего состояния не требуется. Захолаживание пара перед ЦСД практически возможно только в сравнительно быстро остывающих концевых участках паропроводов. Учитывая это обстоятельство и стремление по возможности сократить продолжительность предварительных прогревов, было принято решение о проверке ограниченного прогрева концевых участков ППГ (независимо от продолжительности простоя блока) до температуры 140-160 °C, гарантирующей от конденсации пара в паропроводах при последующем пуске турбины.
Прогрев «насыщением» — предварительный прогрев ППГ за счет конденсации пара при повышении давления в системе промперегрева — впредь, для краткости, будем именовать прогревом «насыщением», так как в этом случае относительно холодные участки паропроводов прогреваются до температуры насыщения при максимальном давлении, которое устанавливается в процессе прогрева.
Для совмещенного прогрева перепускных труб после РКцвд и ППГ по такой технологии при подготовке схемы блока к пуску открывали дренажи перепускных труб, холодного промперегрева (ППХ) за ЦВД и пара из ППГ в конденсатор, оставляя закрытыми защитные клапана ЗКцсд. Дренажи ППХ перед котлом и перепускных паропроводов в рассечке промежуточного пароперегревателя, заведенные в атмосферный расширитель, не открывались.
Набор вакуума в конденсаторе турбины прекращался после достижения значений 450-500 мм рт.ст. После окончания прогрева главных паропроводов и стопорных клапанов Др-3 (от 100 до 25-35% по УП) давление свежего пара снижалось до 0,6-0,7 МПа, и открытием РКцвд начинался прогрев перепускных труб (dt/dr < 15 °С/мин). «Холодные» участки системы промперегрева прогревались до температуры насыщения со скоростью, соответствующей скорости повышения давления. По окончании прогрева перепускных труб регулирующие клапана ЦВД закрывались (при этом система проперегрева частично обеспаривалась через дренажи), клапана Др-3 открывались, после чего турбогенератор пускался по обычной технологической схеме.
Технология прогрева системы промперегрева и перепускных труб испытывалась при пусках блока после простоев различной продолжительности. На рис. 2.11 приведены данные опыта, позволяющие оценить эффективность и допустимость ограниченного прогрева «насыщением».
Как видно из рис. 2.11, прогрев за счет конденсации пара на холодных поверхностях — весьма эффективный способ. Повышение температуры металла идет практически синхронно с подъемом давления.
Анализ результатов пуска блока 27.02.72 и 10.04.72 из неостывшего состояния (после 30 и 51 ч простоя, соответственно) подтверждает допустимость ограниченного прогрева концевых участков ППГ; снижение температуры внутренних поверхностей фланца и стенки ЦСД в зоне паровпуска не превысило 3-4 °C. При этом разность температур верха ЦСД и металла ППГ перед турбиной после окончания предварительного прогрева была на уровне 60-80 °C, а температура пара за котлом поддерживалась в соответствии с рекомендациями [150, 151]. Наблюдалось лишь незначительное (в пределах 10 °C) и кратковременное (на 3-4 мин) снижение температуры пара, омывающего ротор в зоне паровпуска по отношению к начальной температуре металла ротора. Следует отметить, что аналогичное (~ 10 °C) снижение температуры внутренних поверхностей стенки и фланца ЦСД имеет место при пусках после ночного 6 ч) простоя блока, когда прогрев системы промперегрева не проводится совсем, а разность температур верха ЦСД и ППГ непосредственно перед турбиной достигает 75-100 °C.
Наряду с достоинством (эффективность и допустимость по температурному режиму паровпусков ЦСД) прогрев «насыщением» имеет существенный недостаток: сложность надежной эвакуации из системы промперегрева большого количества конденсата. При прогреве «насыщением» 1 т металла на 20 °C образуется 4-5 кг конденсата. Если учесть, что не дренируемые (при существующей схеме дренажей блока) участки ППХ весят ~ 60 т, а «рассечки» промежуточного пароперегревателя ~ 47 т, станет очевидной неизбежность «выноса» конденсата из этих участков в поверхности нагрева, а возможно, и на выход из котла при последующих пусковых операциях. К этому следует добавить, что конденсат из выходных камер с примыкающими к ним не обогреваемыми участками змеевиков промежуточного пароперегревателя (общий вес на котел ~ 19 т) проходит к дренажу перед ЦСД транзитом через ППГ.
Рис. 2.11. Характеристики предварительного прогрева при пуске энергоблока Костромской ГРЭС, ст. №5 мощностью 300 МВт после простоя 41 ч 16.03.72: Вм — расход мазута, т/ч
Во всех опытах по предварительному прогреву «насыщением» наблюдалось резкое снижение температуры нижней образующей ППГ в процессе прогрева (при пусках из неостывшего состояния) или при последующем пуске турбины. В первом случае захолаживание можно объяснить стеканием конденсата из сравнительно холодных входных участков ППГ; во втором — вскипанием не с дренированного конденсата, что не исключает возможности выноса конденсата из «рассечки» промежуточного пароперегревателя или, при наличии обратного уклона, — из входного участка ППГ. Захолаживание нижней образующей ППГ можно проследить по графику (рис. 2.11).
Чем больше повышение температуры «холодных» участков системы промперегрева при прогреве «насыщением», тем, естественно, глубже захолаживание нижней образующей ППГ при последующих операциях, так как количество образующегося конденсата прямо пропорционально приращению температуры прогреваемого металла. На рис. 2.11 показан предварительный прогрев «насыщением» при пуске блока 16.03.72 после 41 ч простоя. В этом опыте давление в системе промперегрева поднималось существенно выше, чем в других, — до р = 1,7 МПа. По графику видно, как, по мере повышения Рппг, сначала плавно, а затем резко снижается температура нижней образующей относительно горячего среднего участка ППГ с 230 до 180 °C. Снижение температуры произошло за счет стекания конденсата из прогревающегося входного участка ППГ и выходной камеры котла. При последующем снижении давления и увеличении расхода пара прошла вторая волна снижения температуры металла на нижней образующей ППГ, захватившая всю длину паропровода. Следует отметить, что паропровод перед ЦСД при таком давлении в системе промперегрева прогревается сверх температуры насыщения за счет повышенного расхода пара через дренажи. Перед открытием защитных клапанов температура ППГ перед турбиной была ниже всего лишь на 20 °C температуры металла ЦСД в зоне паровпуска. Тем не менее, при подаче пара в ЦСД наблюдалось более глубокое, чем в остальных пусках, хотя и кратковременное, захолаживание. Характер изменения температуры позволяет предполагать вынос влаги из ППГ в турбину.
Продолжительность собственно прогрева «насыщением» (время повышения давления в системе промперегрева) при пусках блока из неостывшего состояния составляет 15—20 мин и лимитируется скоростью прогрева перепускных труб после РКцвд. При пусках блока из холодного состояния время повышения давления в системе промперегрева лимитируется скоростью прогрева ЦВД. Плавный подъем давления до 0,6 МПа за 30 мин обеспечивает умеренный уровень напряжений в роторе высокого давления, не превышающий величину предела текучести металла даже в зоне концентрации напряжений.
Попытки исключить захолаживание ППГ при прогреве «насыщением» эффекта не дали. В связи с этим была опробована другая технология предварительного прогрева в виде конвективного прогрева, суть которого сводится к следующему.
Наблюдения за температурным режимом паропроводов показали, что при номинальном вакууме в конденсаторе и п < 800 об/мин ППГ практически не греются. При снижении вакуума и при п < 800 об/мин конвективный прогрев ППГ становится возможным (рис. 2.11, пуск 16.03.72). В проведенных опытах вакуум снижался до 450-500 мм рт.ст., хотя, по-видимому, целесообразно рассмотреть эффективность прогрева при более высоком вакууме (550-600 мм рт.ст.).
Конвективный прогрев ППГ при пуске моноблока 300 МВт из холодного состояния был проверен в опытном пуске блока 6 Костромской ГРЭС, оборудование, пусковая схема и компоновка паропроводов которого совершенно аналогичны блоку 5. Наблюдение за режимом велось по приборам штатного контроля.
Организация режима совмещенного прогрева и последующего пуска турбины отличалась от описанной выше тем, что после окончания предварительного прогрева регулирующие клапана ЦВД не закрывались; открытие защитных клапанов ЦСД выполнялось по месту. (Ранее, при пуске блока 5 из неостывшего состояния по такой технологии, было проверено, что открытие ЗКцсд по окончании конвективного прогрева ППГ приводит к увеличению частоты вращения на 50-100 об/мин.) Увеличение частоты вращения от 850-900 до 3 000 об/мин обеспечивалось открытием клапанов Др-3 и прикрытием Др-2 с контролем по тахометру на блочном щите управления (БЩУ) и по месту. Регулирующие клапана ЦВД при этом поддерживались по месту полностью открытыми. До включения генератора в сеть клапан БРОУ был полностью открыт.
Снижение давления свежего пара за котлом до 0,6-0,7 МПа по прибору со шкалой 0-40 МПа контролировать перед открытием ЗКцсд весьма сложно. В связи с этим давление свежего пара было несколько выше рекомендованного. Быстрое открытие регулирующих клапанов при р = 1,0-1,1 МПа имело следствием повышенные скорости прогрева перепускных труб после РКцвд.
Необходимо отметить, что встроенные сепараторы котла были повреждены, в связи с чем при начальной форсировке котла (расход мазута Вм = 10-12 т/ч) в пароперегреватель поступала пароводяная смесь. На выходе из котла и, соответственно, перед ЦВД в начале пуска свежий пар имел температуру насыщения. Для нормального состояния котла такая ситуация нетипична.
Рис. 2.12. Условия конвективного прогрева ППГ при пуске блока 5 Костромской ГРЭС после 55 ч простоя 23-24.09.73. УП, % — степень открытия клапанов Д1-ДЗ
Конвективный прогрев ППГ при пуске блока 5 из неостывшего состояния 23-24.09.73 (после простоя 55 ч) показан на рис. 2.12. В этом опыте форсировка котла, а также уровень температуры свежего и промежуточного пара за котлом были типичными для пуска блока после 2 сут. простоя.
Как видно на рис. 2.12, при V ~ 450 мм рт.ст. и п < 800 об/мин паропровод перед ЦСД прогрелся от 110 до 160 °C за 27 мин. Прогрев всех участков ППГ шел за счет конвекции, что можно видеть из сравнения графиков изменения температуры насыщения, соответствующей давлению в паропроводах, и температуры металла паропроводов (рис. 2.12). Из общей длительности ограниченного предварительного прогрева ППГ (27 мин) увеличение частоты вращения до η = 800 об/мин заняло ~ 17 мин. Прогрев ППГ при п = 300-500 об/мин проходил очень вяло, со скоростью 0,5-0,6 °C/мин. Максимальная скорость прогрева перепускных труб после РКцвд не превышала 9 °C/мин. Полученные в опыте данные позволяют сделать вывод о том, что совмещенный ограниченный конвективный прогрев свежим паром через ЦВД при пуске блока после 2 сут простоя можно провести за 15 мин с соблюдением допустимых скоростей прогрева перепускных труб (dt/dτ < 15 °С/мин).
Подача пара в ЦСД осуществлялась открытием защитных клапанов по месту при открытых РКцвд; частота вращения при этом возросла на 50 об/мин. Дальнейшее увеличение скорости вращения ротора происходило за счет повышения давления свежего пара ро при открытии клапанов Др-3 и прикрытии Д-2; РКцвд поддерживались полностью открытыми.
По графикам рис. 2.12 видно, что при подаче пара в ЦСД температура внутренней поверхности фланца не понизилась, а при увеличении расхода пара — стала повышаться.
Анализ опытных данных и сравнение результатов проверки двух рассмотренных технологических схем ограниченного предварительного прогрева перепускных труб ЦВД и ППГ позволяет сделать следующие выводы:
- Упрощенная пусковая схема моноблока мощностью 300 МВт без байпасов ГПЗ и специальных средств для прогрева паропроводов промперегрева позволяет организовать совмещенный предварительный прогрев перепускных труб после РКцвд и паропроводов горячего промперегрева.
- Ограниченный прогрев концевых участков ППГ (до 160 °C) при реальных характеристиках остывания оборудования моноблока допустим по надежности температурного режима паровпуска ЦСД при последующем пуске турбины после простоя любой продолжительности.
- Обе технологические схемы ограниченного прогрева достаточно эффективны при условии поддержания вакуума в конденсаторе турбины во время прогрева на уровне V = 450-500 мм рт. ст. При пуске блока из холодного состояния длительность прогрева «насыщением» составляет 30 мин, конвективного прогрева ~ 45 мин. При пусках из неостывшего состояния длительность прогрева как «насыщением», так и конвекцией составляет 15-20 мин.
- Недостатком предварительного прогрева «насыщением» является захолаживание нижних образующих ППГ при обычной схеме дренажей системы промперегрева и возможность выноса влаги из паропроводов в турбину при последующем пуске. Конвективный прогрев лишен этого недостатка. При сравнении рассмотренных технологических схем предпочтение следует отдать конвективному прогреву.
- Для организации надежного прогрева (dt/dτ < 15 °С/мин) всех перепускных труб после РКцвд без использования байпасов ГПЗ необходимо снижать давление свежего пара перед подачей его в ЦВД до 0,6-0,7 МПа. Для качественного проведения этой операции необходимо предусматривать в схеме штатного контроля манометр со шкалой 0-10,0 МПа, позволяющий надежно контролировать давление свежего пара при пусках блока.
- В опытных пусках снижение давления свежего пара выполнялось после окончания прогрева главных паропроводов прикрытием клапанов Др-3. При дистанционном регулировании температуры пара перед ЦВД в это время приходится корректировать расход воды на пусковые впрыски.
