На правах рукописи

РАДИН

Юрий Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И УЛУЧШЕНИЕ МАНЕВРЕННОСТИ

ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

Специальность: 05.14.14 – «Тепловые электрические станции,

их энергетические системы и агрегаты»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2013

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени Теплотехнический научноисследовательский институт» (ОАО «ВТИ»)

Официальные оппоненты:

Трухний Алексей Данилович доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Паровых и газовых турбин» Института энергомашиностроения и механики ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ», Лебедев Александр Серафимович доктор технических наук, технический директор ООО «Сименс Технологии Газовых Турбин», Сектор энергетики Филиппов Сергей Петрович доктор технических наук, член-корреспондент РАН, заместитель директора Института энергетических исследований РАН

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» (СГТУ имени Гагарина Ю.А.)

Защита состоится «05» сентября 2013 года в «14.00» часов на заседании диссертационного совета Д 222.001.01. при ОАО «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени Теплотехнический научно-исследовательский институт» (ОАО «ВТИ») по адресу: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени Теплотехнический научно-исследовательский институт (ОАО «ВТИ»).

Автореферат диссертации разослан «_» 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Березинец П. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В связи с возникновением в последние десять лет реального рынка электроэнергии повышаются требования к маневренности ТЭС: уменьшению продолжительности пусковых операций, расширению регулировочного диапазона нагрузок энергоблоков и скорости изменения их нагрузок в его пределах.

Для выполнения этих требований без дополнительного износа и снижения надежности оборудования необходим анализ условий его работы в пускоостановочных режимах и под нагрузкой, оценка напряжений, возникающих в критических элементах при теплосменах, и их влияния на надежность и сроки службы этих элементов.

В настоящее время на отечественных ТЭС активно внедряются парогазовые установки (ПГУ) с котлами-утилизаторами и высокой долей (2/3) газотурбинных мощностей, по которым в стране ранее не было опыта проектирования и эксплуатации. Их освоение и организация эксплуатации, в частности, в маневренных режимах требуют углубленного изучения тепловых процессов и характеристик таких ПГУ и интегрированного в них оборудования [газотурбинных установок (ГТУ), котлов-утилизаторов (КУ) и паровых турбин (ПТ)] при работе по схеме ПГУ.

С учетом этого целями диссертационной работы являются:

изучение процессов в оборудовании ПГУ, протекающих при пусках-остановах и работе под нагрузкой, свойственных им закономерностей и ограничений;

математическое моделирование термонапряженного состояния критических элементов паровой части ПГУ, ограничивающих их маневренность, оценка надежности и долговечности этих элементов и условий уменьшения повреждаемости при переменных режимах;

разработка рациональных режимов пуска и технологии эксплуатации ПГУ, обеспечивающих требуемые эксплуатационные качества без снижения надежности и долговечности;

исследование динамических характеристик ПГУ при сбросах нагрузки.

Научная новизна 1. Изучены режимы работы и характеристики бинарных ПГУ с высокой долей газотурбинной мощности, установлены свойственные им закономерности.

2. Исследованы процессы остывания и прогрева элементов оборудования парогазовых установок и их влияние на характеристики маневренности ПГУ.

Разработаны общие подходы к формированию пусковых графиков-заданий для ПГУ.

3. Определены и обоснованы основные критерии надежности элементов оборудования парогазовой установки, определяющие продолжительность пусковых операций и пуска ПГУ в целом.

4. Разработана и обоснована обеспечивающая выполнение проектных требований технология пусковых и остановочных режимов бинарных парогазовых установок с высокой долей газотурбинной мощности и различным составом оборудования при разных схемах организации пусковых режимов.

5. Исследованы динамические характеристики энергоблоков ПГУ при сбросах нагрузки.

6. Впервые полученные в нашей стране и обобщенные в диссертации экспериментальные данные о статических и динамических характеристиках переменного режима бинарных ПГУ с высокой долей газотурбинной мощности являются вкладом в теорию нового для России энергетического оборудования.

Они могут использоваться для проектирования и эксплуатации таких ПГУ, а также в процессах обучения студентов и повышения квалификации занятого в электроэнергетике персонала.

Практическая значимость работы заключается в том, что проведенные комплексные экспериментальные и теоретические исследования, представленные в диссертации, методики и технологические алгоритмы управления парогазовыми установками различной мощности, расчетные обоснования надежности оборудования ПГУ позволили:

обеспечить ввод в действие, освоение и успешную эксплуатацию нового для энергетики России генерирующего оборудования ТЭС – бинарных парогазовых установок с высокой долей газотурбинной мощности;

разработать и внедрить в эксплуатацию на энергоблоках ПГУ-450Т технологию пусковых режимов бинарных ПГУ, обоснованную в критериях надежности и оптимальных графиках-заданиях;

определить границы регулировочного диапазона, а также технический минимум нагрузок бинарных парогазовых установок с высокой долей газотурбинной мощности и повысить эффективность их использования в режимах регулирования мощности;

проводить наладку, освоение и организовать эксплуатацию таких ПГУ различной мощности;

разработать мероприятия, обеспечивающие участие бинарных ПГУ с высокой долей газотурбинной мощности в первичном регулировании частоты сети и удержание нагрузки собственных нужд после ее сброса;

разработать стандарт «Парогазовые установки. Организация эксплуатации и технического обслуживания. Нормы и требования» с основными требованиями к режимам эксплуатации бинарных парогазовых установок с высокой долей газотурбинной мощности.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов исследования определяется тем, что все основные выводы диссертационной работы в течение длительного времени прошли экспериментальную проверку на действующем оборудовании ПГУ-450Т Северо-Западной ТЭЦ, ПГУ-39 и ПГУ-80 Сочинской ТЭС, ПГУ-450 Калининградской ТЭЦ-2, ТЭЦ-27 и ТЭЦ- ОАО «Мосэнерго», ПГУ-230 Минской ТЭЦ-3.

Исследования и обосновывающие их расчеты проводились в соответствии с действующими в России стандартами, нормативными документами и методиками, а также международными стандартами и нормами, с использованием сертифицированных программных продуктов.

На защиту выносятся:

закономерности режимов и технология пусков и остановов бинарных парогазовых установок с высокой долей газотурбинной мощности;

расчетное обоснование критериев надежности оборудования паровой части парогазовых установок и построение на их основании графиков-заданий пусков и остановов таких ПГУ из различных тепловых состояний;

закономерности, характеризующие параметры и показатели ПГУ в регулировочном диапазоне нагрузок;

динамические характеристики ПГУ (использование ПГУ в режимах регулирования частоты и мощности в энергосистемах; удержание сбросов нагрузки и обоснование их допустимого количества по критериям циклической прочности);

обоснование режимов работы ПГУ при скользящем давлении пара.

Личный вклад автора заключается:

1) в обосновании:

- возможности повышения маневренности тепловых электростанций путем использования бинарных парогазовых установок с высокой долей газотурбинной мощности;

- расширение регулировочного диапазона нагрузок таких ПГУ и реализации его на конкретных ПГУ различной мощности;

технологии переменных режимов ПГУ;

графиков-заданий пусков из разных тепловых состояний;

2) в обосновании критериев надежности оборудования парового контура бинарных ПГУ на основе моделирования термонапряженного состояния его толстостенных элементов: барабанов высокого и низкого давления котловутилизаторов, коллекторов высокого давления, паропроводов, корпусов стопорных клапанов высокого давления и ротора высокого давления паровой турбины при переменных режимах;

3) в разработке методологии проведения экспериментальных исследований ПГУ различных типов и мощности, в частности проведения режимных испытаний ПГУ, обработки и анализа результатов и исследования динамических характеристик ПГУ;

4) в составлении стандарта «Парогазовые установки. Организация эксплуатации и технического обслуживания. Нормы и требования» с основными требованиями к режимам эксплуатации бинарных парогазовых установок.

Публикации и апробация работы Диссертационная работа обобщает исследования автора за период с 1991 по 2012 гг.

Результаты проведенных исследований неоднократно докладывались на научно-технических конференциях и совещаниях РАО ЕЭС России (2006, и 2008 гг.), Международной конференции по проблемам термопрочности энергетического оборудования, проводившейся на Украине в 2003 г., сессиях Комиссии по газовым турбинам РАН в 2007, 2008 и 2011 гг., Конференции ЦИАМ в феврале 2006 г., Международной научно-практической конференции «Руснаука», г. Прага, Чехия, 2012 г., Международной конференции Power and Energy systems, Hong-Kong, 2012 г., и отражены в 1 монографии, 50 публикациях, 6и патентах на изобретения и отраслевом стандарте.

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка из 121 наименования; изложена на 204 страницах машинописного текста, содержит 92 рисунка, 18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Повышение маневренности энергетического оборудования тепловых электростанций стало актуальным около 40 лет назад, когда увеличилась неравномерность сезонных и суточных графиков нагрузки энергосистем. Проведенные с этого времени исследования, в частности дубль-блоков 300 МВт, позволили обосновать ускорение пусковых операций и изменений мощности, увеличение против базового количества пусков за срок службы при сохранении надежности и ресурса работы оборудования.

Ввод в последние годы в эксплуатацию бинарных парогазовых установок с высокой долей газотурбинной мощности и более жесткие рыночные требования к выдерживанию графиков нагрузки потребовали изучения характеристик этого нового оборудования ТЭС, сочетающего в себе как высокоманевренные газовые турбины, отличающиеся большими скоростями нагружения, так и относительно «медленную» паросиловую часть с принципиально разными динамическими характеристиками, и обоснования их участия в регулировании графиков нагрузки, частоты и мощности в энергосистемах.

Исследованию и улучшению маневренности парогазовых установок и посвящена эта работа.

Первая глава содержит общий обзор состояния проблемы и анализ ограничений маневренности энергоблоков ТЭС.

Маневренность ПГУ во многом определяется их паровой частью. С учетом этого исследования маневренности ПГУ опираются на опыт работ, ранее проведенных автором в этой области на паросиловых энергоблоках ТЭС мощностью 100300 МВт.

Из всего спектра переменных режимов паросиловых энергоблоков ТЭС наиболее характерными с точки зрения маневренности являются пуски из неостывшего и горячего состояний после простоев в резерве 4855 ч и 610 ч, соответственно, а также режимы их эксплуатации в пределах регулировочного диапазона нагрузок и сама величина регулировочного диапазона.

Продолжительность пусков паровых энергоблоков из неостывшего состояния определяется термонапряженным состоянием ротора высокого давления (и среднего давления для турбин с промежуточным перегревом пара) паровой турбины, а из горячего – кроме того, обеспечением допустимых условий прогрева выходного коллектора пароперегревателя высокого давления.

Хотя продолжительности пусков из холодного состояния, как правило, оказывались значительно большими, их число было невелико (не более 34 в год).

Для поддержания минимальных нагрузок на дубль-блоках СКД мощностью 300 МВт были реализованы режимы их глубоких разгрузок с отключением одного корпуса котла и поддержанием его в горячем резерве. При этом удалось разгружаться в однокорпусном режиме до 50 МВт.

Пуски с использованием «моноблочной» технологии на скользящем давлении наиболее эффективны при реализации его во всем водопаровом тракте и использовании насосов с регулируемой производительностью. Вместе с технологией предварительного прогрева турбины и паропроводов сторонним паром они позволили сократить продолжительность пуска дубль-блоков 300 МВт из холодного состояния на 22,5 ч.

Одна из важных характеристик маневренности режимы эксплуатации энергоблоков под нагрузкой, в особенности режимы минимальных нагрузок (технологического и технического минимума), актуальные для анализа маневренности энергосистемы.

В этом смысле привлекательной возможностью прохождения минимума нагрузки является разгрузка блоков на скользящем давлении пара во всем пароводяном тракте. Такая технология позволяет повысить экономичность блока при работе на пониженных нагрузках на 3 % благодаря поддержанию номинальных температур свежего пара в широком диапазоне мощностей.

Не менее важно обеспечение устойчивой работы блоков на минимальных нагрузках. Исследования в этом направлении проводились на газомазутных энергоблоках мощностью 300 МВт с двухкорпусными котлами и на моноблоках 800 МВт.

В целом повышение маневренности паросиловых энергоблоков ТЭС, эксплуатирующихся в базовой части графиков нагрузки энергосистем, оказалось ограниченным допустимыми условиями прогрева толстостенных элементов котла и турбины.

Продолжительность пусков современных ГТУ мощностью 30170 МВт в открытом цикле не зависит от продолжительности их простоя в резерве, в то время как при пусках ПГУ основными ограничениями являются допустимые условия прогрева (расхолаживания) толстостенных элементов паровой части. К ним относятся: барабаны высокого давления котлов-утилизаторов, выходные коллекторы пароперегревателей высокого давления, входные коллекторы водяных экономайзеров высокого давления, паропроводы высокого давления и детали паровой турбины корпусы стопорных клапанов высокого давления, пароперепускные трубы высокого давления и роторы высокого давления.

Продолжительность пусков ПГУ приведена в табл. 1. Их большая длительность связана с ограничениями скоростей прогрева высоконагруженных элементов оборудования паросиловой части цикла.

Продолжительность пуска ПГУ различных типов (мин) Лучшие, чем на паросиловых энергоблоках, показатели маневренности паровой части парогазовых установок с котлами-утилизаторами возможны в связи с тем, что их критические высоконагруженные детали имеют меньшие толщины стенок и работают при относительно более низких давлениях пара.

При использовании в тепловой схеме ПГУ нескольких газовых турбин возможен их последовательный запуск: сначала пускается одна ГТУ, один корпус котла и паровая турбина, а на промежуточном этапе нагружения производится пуск и подключение второй ГТУ и второго котла-утилизатора к работающему первому. Преимущество такого пуска пониженные параметры пара и относительно небольшие скорости прогрева, предпочтительные при пусках из холодного состояния; трудностью является выравнивание параметров пара перед паровой турбиной при подключении пускаемого вторым котла, особенно во время пусков при работающей на номинальных параметрах пара остальной части блока.

При пусках ПГУ по схеме моноблока одновременно запускаются обе ГТУ и появляется возможность подавать пар в паровую турбину сразу от обоих пускаемых котлов-утилизаторов, исключается этап выравнивания температур пара и несколько сокращается продолжительность пуска. Такая технология наиболее эффективна при пусках после кратковременных простоев (до 1416 ч) и сохранившемся избыточном давлении пара в барабане высокого давления.

При плановых остановах в резерв целесообразно сохранение максимальных температур паровой турбины и паропроводов.

При глубоком разгружении паровой турбины не возникает характерных для паросиловых блоков ограничений, связанных со смещением зоны фазового перехода в сторону паровпуска паровой турбины, т. к. в значительном диапазоне нагрузок разгружение производится при постоянной температуре газов после ГТУ (например, для ГТЭ-160 до 60 % номинальной мощности).

При пусках-остановах в деталях котлов-утилизаторов возникают переменные механические и термические напряжения. Быстро и значительно изменяющаяся и достаточно высокая (свыше 500 °С) температура газов на выходе из газовой турбины приводит к перегреву пара на выходе из котла, в особенности пара высокого давления, до столь же высоких температур.

Возникающие вследствие этого температурные градиенты и напряжения в критических деталях котла зависят от их начальной температуры.

Скорость остывания такова, что уже через 16 ч после останова температура металла барабанов, выходных коллекторов и паропроводов в непосредственной близости от котла-утилизатора не превышает 100 °С.

В результате чего практически все пуски ПГУ из неостывшего и холодного состояний осуществляются при начальных температурах этих узлов около 100 С, значительных разностях температур пара и металла коллекторов и повышенных напряжениях в их стенках, которые становятся определяющими продолжительность начальных этапов пусков ПГУ.

Выходной коллектор пароперегревателя высокого давления и начальный участок паропровода ВД на выходе из котлов-утилизаторов ПГУ-450 остывают за 4 ч после остановки КУ на 100200 °С уже в процессе выбега ротора (в течение 2030 мин) и последующего его вращения валоповоротным устройством, которое продолжается около двух часов (рис. 1, 2).

Рис. 1. Изменение параметров при останове и последующем пуске ПГУ-450:

1 активная мощность генератора ГТ1; 2 скорость вращения ротора генератора ГТ1; 3 расход пара ВД от КУ1; 4 давление пара ВД на выходе из КУ Рис. 2. Изменение температур металла парового тракта ВД при останове и последующем пуске ПГУ-450:

1 в выходной камере пароперегревателя ВД КУ1; 2, 3, 4, 5 – трубопровода пара ВД КУ1;

6, 7 температура металла паропровода ВД КУ1 (низ); 8 паропровода ВД КУ1 (верх) Условием, характеризующим температурное состояние элементов котлаутилизатора, является, в частности, скорость изменения давления пара в барабане ВД (БВД) при прогреве и остывании (рис. 3, 4).

На рис. 4 приведены опытные данные о нарастании давления пара в БВД и соответствующей температуры насыщения от времени при пуске ПГУ-450.

Рис. 3. Снижение давления в БВД котла-утилизатора ПГУ-450 типа П-90 при его остывании после останова Рис. 4. Изменение температуры стенки и давления пара в БВД при пуске котла-утилизатора ПГУ-450 из холодного состояния:

1 – активная мощность генератора ГТ2; 2 – расход пара ВД; 3 – температура газа на входе в КУ2;

4 – температура пара ВД на выходе из КУ2; 5 – давление в барабане ВД; 6, 7 – темпе-ратура стенки барабана ВД (верх); 8 – температура стенки барабана ВД (низ) Рис. 5. Остывание и прогрев паропроводов ВД при вентиляции и пуске блока ПГУ- из горячего состояния:

1 – активная мощность генератора ГТ; 2 – скорость вращения ротора ГТ; 3 – температура металла в выходной камере перегревателя ВД КУ; 4, 5, 8 – температура металла трубопровода пара ВД КУ;

6 – температура металла паропровода ВД КУ (низ); 7 – температура металла паропровода ВД КУ (верх); 9 – давление пара ВД на выходе из КУ; 10 – температура насыщения пара ВД В диапазоне давлений пара от 0,1 до 0,7 МПа при скорости нарастания давления 0,3 МПа/мин соответствующая ей скорость нарастания температуры составляет 1517 оС/мин. При больших значениях давления пара скорости нарастания температуры и давления пара в барабане соответствуют друг другу.

Предпусковая вентиляция газохода после кратковременных простоев значительно (рис. 5) снижает температуру металла выходного коллектора пароперегревателя и паропровода непосредственно за котлом-утилизатором ПГУ-450Т.

Для сохранения тепла в металле котла-утилизатора целесообразно при снижении частоты вращения ротора ГТУ до 0,10,2 номинальной закрывать воздушный шибер на входе в дымовую трубу, контролировать и поддерживать максимально возможную плотность этого шибера при эксплуатации и свести к минимуму продолжительность продувки газового тракта перед зажиганием топлива в ГТУ при пуске.

Вторая глава посвящена исследованию термопрочности и расходования ресурса критическими элементами паровой части ПГУ при пускоостановочных режимах.

В деталях котлов-утилизаторов и трубопроводов при резком наборе или сбросе нагрузки, а также при аварийных остановах могут возникать напряжения, превышающие предел текучести. Повторное многократное приложение таких напряжений приводит к разрушению от малоцикловой усталости. Развитие термоусталостных повреждений может усугубляться процессами коррозии.

Расчеты термонапряженного состояния барабанов, паропроводов и коллекторов для определения допустимых скоростей прогрева (расхолаживания) проводились методом конечных элементов (совместно с Т.С. Конторович и О.Б. Герасименко) с использованием программного комплекса Ansys. При этом рассматривались три основных типа моделей: объемные осесимметричные, трёхмерные, представляющие собой цилиндр, у которого влияние патрубка учитывалось введением коэффициента концентрации напряжений, и трёхмерные модели, представляющие собой участок барабана с патрубками (рис. 6, а) и коллектора со змеевиком (рис. 6, б). На рис. 6, в представлена расчетная модель тройника.

При обосновании критериев надежности котлов-утилизаторов рассматривались:

барабан высокого давления;

входной коллектор пароперегревателя высокого давления;

выходной коллектор пароперегревателя высокого давления второй ступени с учетом трубопровода дренажа паропровода высокого давления сразу за КУ;

входной и выходной коллекторы экономайзера высокого давления.

Основным параметром, влияющим на накопление повреждаемости за цикл термического воздействия на деталь, является суммарная пластическая деформация, которая и используется для количественной оценки долговечности при многократном приложении этого воздействия.

Оценка повреждаемости и обоснования ресурса эксплуатации за термический цикл пуск – стационарный режим – останов проводится для случаев совместного действия циклических и статических нагрузок напряжений по известному соотношению:

где Ni число циклов нагружения данного типа; [N*]i допускаемое число циклов данного типа; с расчетное напряжение при ползучести как максимальное местное главное расчётное нормальное напряжение, определённое с учётом пластичности и ползучести материала при номинальном режиме эксплуатации, МПа; /t условный предел длительной прочности при растяжении, МПа;

m показатель степени в уравнении длительной прочности; Dc параметр, характеризующий допускаемое повреждение при совместном действии усталости и ползучести.

Барабан высокого давления и входной коллектор пароперегревателя ВД Продолжительность начальной части пусков КУ, в особенности при отсутствии избыточного давления в барабане ВД, определяется уровнем возникающих в стенке БВД напряжений, зависящих от скорости нарастания давления в нем и во входном коллекторе пароперегревателя ВД.

Допускаемое число циклов рассчитывается по формуле:

N = 0,575nд Etmin lg[100/(100 )] /a (1 )/2доп2, где nд, Etmin,, доп выбираются в зависимости от свойств материала; а амплитуда напряжений; = 0,83.

Результаты расчетов представлены в табл. 2, 3, 4 и на рис. 7, 8.

Напряжения (МПа), возникающие в барабане диаметром 1600 мм при разных скоростях повышения давления в зависимости от толщины его стенки Толщина стенки, Напряжения (МПа), возникающие в барабане толщиной стенки 50 мм при разных скоростях повышения давления в зависимости от его диаметра Диаметр барабана, Выходные коллекторы пароперегревателя и паропроводы высокого давления Анализ допустимых скоростей прогрева (расхолаживания) коллекторов котлов и паропроводов проводился для следующих основных режимов:

пуска из холодного состояния, когда температура рассчитываемого узла не превышает 150 °С (для получения наиболее консервативной оценки рассматривался случай, когда температура рассчитываемого узла составляет 50 °С);

пуска из неостывшего состояния;

пуска из горячего состояния;

расхолаживания.

При рассмотрении каждого из них учитывалось соотношение начальных температур металла и пара.

Рис. 7. Число циклов пуск стационар останов до возникновения трещины в барабане ВД в зависимости от скорости повышения давления (диаметр d = 1600 мм, толщина стенки s, мм) Рис. 8. Напряжения в стенке барабана в зависимости от ее толщины Результаты расчета числа циклов до появления трещины в коллекторах со стенками различной толщины приведены в табл. 5.

Допускаемое число циклов коллекторов пароперегревателей ВД Быстрый останов газовой Плановый останов при скорости остывания (прогреве), стенки кол- остывания, °С/мин лектора, мм