НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ

ім. А.М. ПІДГОРНОГО

На правах рукопису

ПОЗІГУН МИХАЙЛО ПЕТРОВИЧ

УДК 621.165-536.24

УДОСКОНАЛЕННЯ РЕГІОНАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ НА ОСНОВІ ЗМІНИ СТРУКТУРИ ТА ЗАСТОСУВАННЯ МАЛОВИТРАТНОЇ МОДЕРНІЗАЦІЇ ЕНЕРГЕТИЧНОГО ОБЛАДНАННЯ

Спеціальність 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук

Шубенко Олександр Леонідович,

Інститут проблем машинобудування

ім. А.М. Підгорного НАН України,

завідувач відділом

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Соловей Віктор Васильович,

Інститут проблем машинобудування

ім. А.М. Підгорного НАН України

завідувач відділом;

Кандидат технічних наук, професор

Шелепов Ігор Григорович,

Українська інженерно-педагогічна академія,

завідувач кафедрою теплових енергетичних установок.

Провідна установа: Національний технічний університет “ХПІ”,

кафедра “Теплотехніки”, м. Харків

Захист відбудеться “29” листопада 2001 р., о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.180.02 в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул.. Дм. Пожарського, 2/10.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул.. Дм. Пожарського, 2/10.

Автореферат розісланий “27” жовтня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук ___________________________О.Е.Ковальський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

В теперішній час стан енергетичного обладнання ТЕС, ТЕЦ і АЕС України в зв'язку з великим ступенем зносу можна вважати критичним, тому що майже 90% теплотехнічного обладнання виробило свій ресурс більш ніж на 80-85%.

Такий же стан обладнання мають і електростанції Харківського регіону. У зв'язку з кризовою економічною ситуацією в Україні немає можливості вкладати великі фінансові кошти у відновлення енергогенеруючого обладнання.

Актуальність теми. Ситуація, яка склалася в енергокомплексі, вимагає вживання екстрених заходів по забезпеченню на найближчі 15-20 років продовження експлуатації діючого обладнання при можливому підвищенні його економічної ефективності. Одним з напрямків рішення цієї задачі може бути маловитратна модернізація обладнання енергокомплекса, що включає контроль стану металу основних його вузлів з погляду можливості продовження їх експлуатації, модернізацію проточної частини турбінного обладнання на основі сучасних уявлень по газодинаміці просторового потоку, що може забезпечити основне підвищення ККД енергоблоків, модернізацію котельного та допоміжного обладнання, у тому числі на основі удосконалення теплових схем і поліпшення якості експлуатації за рахунок застосування більш досконалих математичних моделей для опису фізичних процесів, що протікають в окремих елементах енергообладнання. Комплексний підхід до розгляду перерахованих проблем, оцінка можливості їх рішення, а також відсутність у теперішній час підходів подібного роду забезпечує актуальність теми дисертаційного дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до держбюджетної теми ІПМаш ім. А.М. Підгорного НАН України "Розвиток теорії і розробка комплексних системних методів та засобів для створення і високоефективного функціонування теплоенергетичних установок" (№ держреєстрації 0100U004808) і держбюджетної теми Міністерства науки і технологій України "Підвищення експлуатаційної надійності та ресурсу турбоустановок ТЕС і АЕС України при їх модернізації з метою продовження терміну служби на 10-15 років" (№ держреєстрації 0198U004128).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – розробка принципів проведення маловитратної модернізації енергогенеруючого обладнання електростанцій Харківського регіону й удосконалення на цій основі його експлуатаційних характеристик.

Задачами дослідження, обумовленими метою роботи є:

- аналіз стану обладнання електростанцій Харківського регіону і України;

- розробка методичного підходу до підвищення економічності енергоблоків і, зокрема, турбін при проведенні маловитратної модернізації на основі удосконалення газодинамічних характеристик проточної частини та систем вилучення вологи;

- вироблення рекомендацій для поліпшення умов експлуатації турбін на основі дослідження (за рахунок більш чіткого уявлення) граничних умов у камерах регенеративних відборів, а також оцінки впливу цих камер на течію робочої середи;

- розробка рекомендацій по удосконаленню експлуатації теплових мереж та консервації котельного обладнання;

- аналіз перспектив розвитку енергетики Харківського регіону на основі застосування парогазових технологій і створення обладнання, що працює на суперзверхкритичних параметрах;

Об’єкт дослідження – удосконалення енергетики Харківського регіону.

Предмет дослідження – заходи щодо удосконалення енергетичного обладнання ТЕС і ТЕЦ регіону та його експлуатаційних характеристик.

Методи дослідження – Для рішення задачі маловитратної модернізації були використані методи математичного моделювання термогазодинамічних процесів в проточній частині турбін. Для удосконалення експлуатаційних характеристик використовувались методи експериментального дослідження елементів обладнання.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

– вперше розроблені методичні підходи до реалізації 1-го етапу удосконалення енергетики – маловитратної модернізації енергетичного обладнання ТЕС і ТЕЦ;

– запропонований комплекс заходів щодо удосконалення газодинамічних характеристик проточних частин турбін на основі залучення нових наукових досягнень у даній області;

– запропоновані нові підходи до удосконалення системи вилучення вологи в ступенях ЦНТ;

– отримані нові апроксимаційні залежності на поверхнях камер регенеративних відборів ЦВТ, ЦСТ для опису граничних умов 3-го роду, що можуть бути використані в системах автоматизованого керування тепловим станом циліндрів турбін.

Практичне значення одержаних результатів визначається:

– рекомендаціями заходів і оцінкою їх економічної ефективності для збереження й удосконалення енергогенеруючого обладнання Харківського регіону;

– конкретними пропозиціями по проведенню маловитратної модернізації турбоблоків К-300-240 виробництва "Турбоатом", що експлуатуються на Зміївській ТЕС; досвід модернізації може бути розповсюджений на подібні блоки ТЕС України;

– методикою визначення окружної нерівномірності в межвінцевому зазорі, що формується під впливом камер регенеративних відборів, це дозволяє підвищити надійність робочих лопаток передвідборних ступенів;

– запропонованими схемними рішеннями по застосуванню парогазових циклів і організації газотурбінних надбудов для ТЕЦ Харківського регіону;

– заходами для зниження інтенсивності корозії внутрішніх поверхонь трубопроводів і обладнання теплових мереж та очищення і пасивації поверхонь нагріву барабанних котлів.

Впровадження здійснене:

– на Зміївській ТЕС при підготовці пропозицій по модернізації блоків 300 МВт;

– Харківській ТЕЦ-5 при проведенні робіт з пароводнокисневого очищення і пасивації поверхонь нагріву котлів;

– ЗАТ ТЕЦ-3 при підготовці пропозицій по маловитратній модернізації і продовженню ресурсу турбінного і котельного обладнання;

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача у роботах, що опубліковані в співавторстві є таким: у роботах [2,5] автор брав участь в обробці та аналізу результатів експериментів, одержанні апроксимуючих залежностей і критеріальних рівнянь; у роботі [3] виконав постановку задачі, провів обстеження і виробив рекомендації з режимів експлуатації теплових мереж; у роботі [4] виконав постановку задачі та аналіз результатів дослідження по очищенню внутрішніх поверхонь нагріву котлів; у роботі [6] брав участь у розробці підходів до рішення задачі вологовилучення, виконав розрахункові оцінки; у роботі [7] виконав аналіз задач енергозбереження в енергетиці Харківського регіону.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові і прикладні результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародній науково-практичній конференції " Регіональні проблеми енергозбереження у виробництві та споживанні" (Київ, 1999); на міжнародній науково-технічній конференції "Удосконалення турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання" (Зміїв, 2000).

Публікації. Основні результати роботи опубліковані в 7 друкованих працях, з них 6 – у фахових виданнях, затверджених ВАК України, 1 – тези доповіді на міжнародній конференції.

Структура й обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел з 166 найменувань і 3 додатків.

Загальний обсяг дисертації включає 169 сторінок основного тексту, 27 малюнків, 48 таблиць, усього 268 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі подано обґрунтування актуальності теми дисертації, визначено мету роботи, викладено теоретичну та практичну цінність дослідження, наукову новизну, показано впровадження наукових розробок, апробацію роботи, особисту участь автора в наукових роботах, що виконані зі співавторами.

У першому розділі проаналізований стан енергетики Харківського регіону, інших регіонів України в частині теплових електростанцій з урахуванням їх техніко-економічних показників роботи. Розглянуто основні тенденції удосконалення енергетичного обладнання в країнах СНД і розвинутих країнах світу з урахуванням використання базових видів палива.

Детально проаналізовані тенденції розвитку енергетичного обладнання ТЕС Росії як країни, структура енергетики якої найбільш близька до енергетики України.

У результаті проведеного аналізу запропонована концепція збереження і розвитку енергетичних потужностей Харківського регіону, в основу якої на першому етапі покладений принцип продовження ресурсу після проведення маловитратної модернізації для блоків, що виробили свій ресурс, і проведення модернізації для інших блоків з метою підвищення їх економічності. На другому етапі розглядається реконструкція, зокрема, Харківської ТЕЦ-5 шляхом застосування газотурбінних надбудов, а також можливість добудови станції новими блоками на основі оптимальної для регіону схеми. Розглядаються також проблеми реновації інших станцій регіону.

Для модернізованого обладнання важливу роль здобуває оцінка якості його подальшої експлуатації. Це вимагає визначення теплового стану циліндрів, уточнення граничних умов у камерах відбору, як менш досліджених елементів проточної частини, що значно впливають на відносне розширення корпусів і роторів і, отже, на знос елементів ущільнень.

Відзначається також, що експлуатація енергообладнання зв'язана з частими зупинками блоків, тривалими простоями. Тому актуальними стають питання консервації і захисту внутрішніх поверхонь енергообладнання і теплових мереж, зв'язаних із ТЕЦ, від корозії. У висновку першого розділу сформульовані основні задачі досліджень.

Другий розділ присвячений питанням розробки й оцінки ефективності заходів щодо проведення маловитратної модернізації діючого обладнання. Дослідження проведене на базі діючих турбін К-300-240 виробництва ВАТ “Турбоатом”, установлених на Зміївській ТЕС.

Можливість продовження ресурсу цих турбін базується на оцінці якості металу штатної турбіни, що працює на Запорізькіїй ТЕС, яка виробила більш 180 тис. годин, і розрахункових дослідженнях ХЦКБ “Енергопрогрес”. Стан металу корпусів, роторів, стопорних клапанів дозволяє припустити можливість продовження ресурсу цих турбін ще, принаймні, на 15 років. У цьому випадку маловитратна модернізація може обмежитися заміною елементів проточної частини, спроектованих з урахуванням новітніх наукових і конструкторських досягнень. Виконаний аналіз даних ВТІ показує, що збільшення ККД блоку при подібному підході може скласти до 4,5%, головним чином за рахунок удосконалення газодинамічних процесів у проточній частині.

Методичний підхід до маловитратної модернізації включає наступні заходи, що є найбільш ефективними:

– використання нових, сучасних, аеродинамічно досконалих профілів;

– оптимізація законів закрутки лопаткових апаратів ступенів, що дозволяє забезпечити підвищення реактивності в корені ступенів і зниження її на периферії, що, в остаточному підсумку, приводить до істотного зменшення втрат енергії в ступені;

– застосування більш досконалих ущільнень надбандажних зазорів.

Виконані розрахунки зниження втрат у направляючих апаратах (НА) ступенів ЦВТ за рахунок заміни вихідного профілю ТН-2 на профіль Н4У с подовженою вхідною частиною показали, що коефіцієнт швидкості , що зберігається рівним 0,97 на 2...4-й ступенях (що відповідає вихідним значенням), збільшився на наступних до 0,976. Це в цілому по циліндру привело до зменшення сумарних втрат у НА на ~0,4%.

Використання для робочих лопаток нових профілів 1ММК або 1МПП, отриманих методом оптимізації утрат вихідного профілю Р-2, розробленого ЦКТІ, дозволяє додатково знизити втрати в проточній частині ЦВТ на 0,3...0,4%.

Найбільший ефект із погляду підвищення ефективності проточної частини досягається на основі вибору оптимального закону закрутки лопаткових апаратів ступенів, що дозволяє знайти оптимальне рішення з урахуванням протечки пари в надбандажний і кореневий зазори.

Закон зміни кутів виходу потоку по радіусі ступеня задається в наступній формі:

, . (1)

У випадку m1 = 1, m2 = -1 маємо закон закрутки CU * r = const, що забезпечує мінімум витрат з вихідною швидкістю для ступеня з циліндричними обводами.

На основі досліджень по оптимізації ступенів з циліндричними обводами, виконаних А.В. Бойко й А.В. Гаркушею, можуть бути обрані значення m1 і m2 для різних Dcp/l ступенів, що відповідають оптимальній закрутці у ступені. Для ступенів проточної частини модернизуємого ЦВТ турбін К-300-240 вони змінюються від другого до останнього ступенів в діапазоні: m1 = -11,3…-7,8, m2 = 0,5…-0,3 що демонструє істотну відмінність оптимального потоку від циліндричного, закладеного у вихідному варіанті.

Таким чином, оптимальною для ЦВТ є так називана “зворотна” закрутка, при якій різниця кутів між кореневим і периферійним перерізами досягає в залежності від ступеню 8...12. При цьому рівень реактивності в кореневих перерізах змінюється від у вихідному варіанті до 24…40%– у модифікованому, а в периферійних – від рп = 10...27% до 4...0,5% відповідно, що забезпечує істотне зниження протечек через надбандажні ущільнення (у два і більш рази) навіть при збереженні їх конструкції.

Таким чином, можна визначити підвищення ККД ступенів ЦВТ за рахунок зменшення периферійних протечек. Виконані розрахунки показують, що в цілому для проточної частини ЦВТ воно може складати 0,65-0,7%.

Як показує досвід експлуатації потужних турбоагрегатів, радіальні зазори в надбандажних ущільненнях можуть збільшуватися з 1,0 мм, прийнятих для ЦВТ до 3,0...3,5 мм, що виявлялися при перших же ремонтах і в різних умовах експлуатації, що приводить до зниження ККД через протечки більш ніж на 2%. Тому, разом зі зниженням реактивності в периферійному перерізи доцільно змінити конструкцію надбандажного ущільнення, використовуючи можливість переходу на цельнофрезерований бандаж.

Запропонована в роботі заміна вихідного прямоточного ущільнення з двома радіально встановленими гребенями на осерадіальні ущільнення ЦКТІ з 7 гребенями на роторі і 8 на статорі для 2...7 ступенів і 4 гребенями на роторі і 5 на статорі для 8...11 ступенів дозволить додатково одержати виграш у потужності ЦВТ на 0,4...0,5%

Крім того, заміна традиційних ущільнень на безконтактні дозволить зберегти рівень протечек у надбандажні ущільнення при експлуатації, тобто зберегти внутрішній ККД циліндра в міжремонтний період роботи блоку.

Аналогічний підхід використаний при модернізації циліндра середнього тиску, що в остаточному підсумку дало можливість підвищити ЦСТ на 3,5...3,7% і довести його до ~93-94%. Подібний результат погоджується з даними ЛМЗ для ЦСТ модернізуємої турбіни К-300-240 ЛМЗ.

Істотні резерви у рамках маловитратної модернізації закладені в циліндрі низького тиску. Як мету модернізації тут варто розглядати: застосування досконалих профілів; оптимізацію конструкції ступенів; вибір аеродинамічно доцільної форми меридіональних обводів проточної частини; удосконалення вологовилучення.

Оптимальна форма меридіональних обводів була отримана на основі розрахунків за методикою А.В. Бойко й А.В. Гаркуші з орієнтацією на робочу лопатку останнього ступеню висотою 1030 мм, відпрацьовану і застосовувану в даний час на ВАТ “Турбоатом”.

Була проведена також оптимізація законів закрутки лопаткових апаратів 1...4 ступенів. Відповідно до результатів оптимізації соплові і робочі лопатки 1 і 2 ступенів повинні бути виконані з застосуванням “зворотної закрутки”. Сопловий апарат 3-го ступеню має закрутку, близьку до значення . Для 4-го ступеню сопловий апарат повинний мати “пряму”, а робочий – “зворотну” закрутку.

У проточній частині ЦНТ найбільший вплив на ККД мають протечки в 1 і 2 ступенях. Для останніх ступенів цей вплив знижується, що дозволило застосувати на 3…5 ступенях зазори, що неущільнюються. Однак, застосування циліндричних поверхонь над робочими лопатками дозволяє використовувати цельнофрезеровані бандажі з безконтактними ущільненнями ЦКТІ. З урахуванням відносних осьових переміщень у проточній частині ЦНТ на бандажних полках можна установити від 3 до 6 гребенів ущільнення, що дозволить знизити витрату в ущільненнях перших 4-х ступенів практично вдвічі.

У цілому в результаті модернізації ЦНТ очікуване підвищення ККД може скласти =0,075…0,08 без обліку заходів щодо ослаблення негативного впливу вологості.

Разом з тим, більшість ступенів ЦНТ працює в зоні двухфазної течії, що, як відомо, робить помітний негативний вплив на характеристики їх економічності. Застосування довгих лопаток з високими окружними швидкостями периферійних перерізів приводить також до посилення процесів ерозійного зносу лопаткових апаратів, що у свою чергу є причиною додаткових втрат енергії за рахунок погіршення аеродинаміки профілів, а головним чином приводить до погіршення показників надійності лопаткових апаратів.

Одним з найбільш широко використовуваних у практиці турбінобудування напрямків ослаблення негативного впливу вологи є організація розвинутої системи сепарації вологи, що дозволяє вилучити найбільш шкідливу крупнодисперсну вологу. Виконаний у дисертації аналіз існуючих систем показав їх недостатню ефективність.

Таким чином визначається один з важливих напрямків модернізації ЦНТ – удосконалення системи вологвилучення на основі сучасних уявлень про фізичні процеси, що протікають у вологопарових ступенях. У роботі проаналізовані два найбільш перспективні напрямки удосконалення сепараційних пристроїв:

1. Використання для уловлювання, утримання і транспортування вологи на периферійному обводі жолобчастих поверхонь з визначеною формою і розмірами жолобків;

2. Застосування для внутрішньоканального вологовилучення сепараційно-випарного методу, коли крім відводу вологи у щілини на направляючих лопатках використовується також нагрівання порожньої тонкостінної лопатки перегрітою або насиченою парою з можливим видувом цієї пари через вихідні крайки лопатки.

Використання на периферійному обводі в якості вологоуловлювачів жолобчастих поверхонь, виконаних у напрямку основного потоку пари, дозволяє досягти істотних переваг у порівнянні з традиційними пристроями:

– зменшити ефект відбитку крапель вологи, що досягають периферійного обводу ступеню;

– використовувати рух вологи під впливом супутного потоку пари й об'ємних сил, що виникають через перепад тисків на периферії робочого колеса, для ефективного її транспортування до пристроїв, що вилучають вологу, або за межі робочого колеса (РК);

– цілком відмовитися від пристроїв, що вилучають вологу за НА, (для останнього ступеню) за рахунок скидання отсепарованої вологи за межі РК, а для передостаннього ступеню обмежитися організацією каналів, що вилучають вологу тільки за РК. Це дозволяє або цілком позбутися, або різко зменшити втрати з відведенням пари.

Оцінка ефективності запропонованого сепараційно-випарного методу внутрішньоканального вологовилучення проведена на основі балансу тепла, сприйманого плівкою до повного випару і передаваємого від середи, що гріє, до конденсатной плівки. У результаті маємо вираз для обчислення товщини плівки, що випаровується:

(2)

де - середня товщина, швидкість і щільність конденсатной плівки; - теплота пароутворення; - частина лопатки, покрита плівкою; - коефіцієнт теплопередачі через конденсатну плівку; - товщина стінки і коефіцієнт теплопровідності матеріалу лопатки; - коефіцієнт теплопровідності плівки основного потоку; F = u lk - площа теплопередачі; - периметр, змочений конденсатною плівкою;t = tr - tn - різниця температур пари, що гріє, і пари основного потоку.

Розрахунки, виконані для вихідних даних, що відповідають умовам роботи останнього ступеню ЦНТ показали, що товщина плівки, що випаровується, може досягати , тобто мати більші значення, ніж ті, що зустрічаються у літературі й отримані на основі прямих вимірів. Це говорить про перспективність запропонованого підходу. При цьому необхідна витрата пари, що гріє, складе не більш 1% від витрати через ступінь.

Оцінка виграшу у ККД останнього ступеню тільки за рахунок зменшення механічних витрат при удосконаленні вологвилучення виконана на базі методики ІПМаш НАН України для останнього ступеню турбіни К-300-240-2, показала, що механічні витрати можуть бути зменшені на ~2%. Додатковий виграш в економічності від запропонованих заходів виникає за рахунок відмовлення від вологовідводної камери в міжвінцевому зазорі, скорочення витрати з парою, що відводиться, а також за рахунок збільшення міжвінцевого зазору на периферії ступеню на основі застосування “шаблеподібних” направляючих лопаток.

Загальне підвищення економічності останнього ступеню за рахунок модернізації систем вологвилучення може скласти 4...4,5% або 1...1,2% у перерахуванні на ЦНТ.

Оцінки ослаблення ерозійної небезпеки за рахунок заходів щодо удосконалення вологвилучення виконані на основі визначення кінематичних характеристик крапель, взаємодіючих з робочою лопаткою останнього ступеню, відповідно до рівняння руху краплі в міжвінцевому зазорі. Для традиційно застосовуваних спрощень, зв'язаних з виділенням переважного механізму впливу на краплю - сили аеродинамічного опору це рівняння має вигляд:

(3)

де - швидкість парового потоку щодо краплі; - коефіцієнт опору краплі, що рухається в потоці; - діаметр краплі; - густина пари і рідини.

Закон розподілу крапель по розмірах приймався нормальним, а маса максимальної краплі визначалася за критичним значенням критерію дроблення Вебера =14.

При цих умовах проведені розрахунки характеристик краплинних потоків при їх взаємодії з вхідними крайками робочих лопаток останнього ступеня турбіни К-300-240-2. Отримані результати використані для визначення ступеня ерозійного руйнування ( - глибина зносу) за методикою, яка розроблена в ІПМаш НАН України.

У результаті розрахунків показано, що темп ерозійного зносу зменшується більш ніж на порядок. Цей ефект досягається за рахунок підвищення ефективності сепарації, а також збільшення міжвінцевого зазору на периферії ступеню.

У третьому розділі розглянуті питання, пов’язані з підвищенням якості експлуатації енергетичного обладнання, перш за все з тепловим станом корпусів турбін, з оцінкою вірогідності знаходження температури пари в паропроводах при перехідних режимах роботи блоку, з оцінкою значення вологості пари за останнім ступенем турбіни, що дозволяє підвищити якість діагностики елементів проточної частини ЦНТ.

На рівень ККД проточної частини циліндру високого та середнього тиску здійснює вплив стан гребенів ущільнень ступенів, який залежить від якості проведення перехідних режимів.

Розширення циліндрів в осьовому напрямку залежить від роботи камер регенеративного відбору пари. Достовірність оцінки впливу цих камер на течію пари в проточній частині та на рівень граничних умов теплообміну на поверхні камер дозволяє підвищити надійність експлуатації турбіни при виборі режимів пуску, перехідних та останову турбіни.

На основі експериментального дослідження моделей камер відбору створена розрахункова модель впливу її на розподіл тиску в проточної частині турбіни.

У результаті струйної течії з кільцевої щілини в камері формуються вихрьові зони рухомої пари, у яких створюється окружна нерівномірність тиску. Ця нерівномірність через кільцеву щілину оказує вплив на течію в периферійній області міжступеневого зазору. Створена окружна нерівномірність тиску діє на робочі лопатки ступені, яка розміщена перед входом у камеру відбору, з частотою оберту ротору. При цьому кожний відвідний патрубок пари з камери відбору може створювати свою зону впливу зниженого тиску.

На основі рівнянь збереження імпульсу, моменту імпульсу, маси та експериментально одержаних регресивних функцій для коефіцієнтів втрати тиску в кільцевій щілині, у струї, у полості камери відбору, у патрубках побудована методика, яка дозволяє отримати нерівномірність тиску в периферійній області міжступеневого зазору при різних умовах течії в проточній частині та різних співвідношеннях геометричних розмірів камер відбору. Порівняння результатів окружної нерівномірності, одержаних за допомогою розрахунків та експерименту на об’ємній моделі камери показує їх задовільний збіг.

Якість діагностування стану проточної частини як циліндру в цілому, так і його відсіків залежить від того, де і як розташовані отвори для вимірювання тиску. Розташування таких отворів без врахування характеристик течії, які створюють камери відбору, може привести до значних похибок через недостовірне значення тиску, по якому знаходиться ентальпія пари. Запропонована методика визначення тиску в різних місцях тракту течії пари дозволяє значно поліпшити визначення ККД проточної частини відсіків і використовувати його як критерій діагностики стану проточної частини.

Вимірювання температури в паровідвідному патрубку може бути додатковою ознакою в разі значного зносу гребнів надбандажних ущільнень.

Основою для знаходження темпу розширення зовнішнього корпусу в осьовому та окружному напрямках є коефіцієнти теплообміну на внутрішніх поверхнях, сформованих камерами відбору. Необхідні для розрахунків теплового стану та температурної деформації середні значення коефіцієнтів при струмінному натікані робочого середовища на циліндрічну поверхню камери можуть бути одержані шляхом інтегрування локальних значень , які у свою чергу одержані експериментально.

Значення коефіцієнту теплообміну на лінії розтікання можливо представити критеріальним рівнянням:

при ,

(4)

при >10,

у яких , де - висота камери, - ширина струї;: ; - коефіцієнт кінематичної в’язкості.

При інтегруванні виділяється область сильного впливу натікаючої струї, та область течії напівограниченої струї.

Середні значення критерію на границі для області сильного впливу будуть:

,

при ,

, (5)

при

При відомих значеннях та середні значення для цієї області мають вигляд:

(6)

де ; - показник ступеню, який описує вплив висоти камери відбору при . У парових турбін камер відбору з < практично немає.

Якщо розрахунковий переріз попадає до області напівограниченої струї, то

. (7)

Значення знаходиться незалежно для лівої та правої половин камер відбору, де та приймається від осі до лівої та правої стінок. Тоді середнє значення числа для нейтрального перерізу зовнішньої поверхні камери становитиме:

(8)

При визначенні критериального рівняння враховано вплив закрутки потоку, фланців горизонтального роз’єму та кута відхилення кільцевого струменя від радіального напрямку .

Середнє значення числа при наявності в полості камери фланців може бути описане залежністю

при ,

при > . (9)

Поява окружної компоненти скорості, коли потік виходить з кільцевої щілини під кутом до радіального напрямку дає додатковий вплив на формування теплообміну на поверхні камери.

При цьому

,

якщо , та

, (10)

якщо .

Порівняння середніх значень , одержаних розрахунковим шляхом, з середніми по поверхням, одержаних з експерименту, показало відхилення 6%.

Розглянута методика визначення середніх коефіцієнтів теплообміну на поверхнях камер регенеративного відбору в залежності від параметрів потоку в проточній частині, геометричних характеристик кільцевої щілини та камер дозволяє більш надійно знаходити температурний стан корпусів ЦВТ та ЦСТ не тільки в стаціонарному, а ї в змінному режимах роботи турбоагрегату, тобто більш якісно управляти відносним тепловим розширенням циліндрів.

Підвищення якості експлуатації енергетичного обладнання потребує високої достовірності вимірів початкових параметрів пари. Основні похибки вимірів температури в трактах свіжої пари, паропроводах промперегріву, ширмових та конвективних перегрівачах котла пов’язані перш за все з конструкцією термодатчиків, у яких герметизація термопари досягається тим, що застосовується достатньо масивна гільза з дінцем та наявністю між гарячим спаєм термопари та дінцем повітряного зазору.

На основі використання рівнянь теплового балансу для штатного термодатчика було одержано рівняння, яке зв’язує температуру пари t1, температуру гарячого спаю tсп, термопари та температуру зовнішнього повітря t2

(11)

у якому компоненти включають геометричні та теплофізичні характеристики елементів термодатчика.

Для штатного термодатчика при малому режимі течії парі A = 1,1663, B = 0,4878, C = 2,7679 і температура пари з температурою спаю зв'язана рівнянням t1 + 57,74 = 1,3411 tсп.

При температурі пари t1 = 450 °С похибка в її вимірі по температурі спаю становитиме =71,4 °С (відносна похибка ).

Для термодатчика, у якому спай знаходиться у контакті з дінцем, різниця температур між парою і спаєм термопари становить =51,6 °С ( ).

Рівень похибок показує, що для управління процесом пуску енергоблоку, особливо на початкових етапах, необхідні більш чутливі термодатчики.

Як приклад для використання був розглянутий багатошаровий резистивний керамічний перетворювач температури, який має достатню чутливість, точність та спроможний працювати в діапазоні зміни температури до 600 °С, маючи практично лінійну характеристику. Похибка такого датчику при t1 = 650 °С не перевищує t = 0,9 °С.

Використання цього термоперетворювача може значно підвищити надійність проведення режимів пуску енергоблоку при використанні систем автоматизованого керування.

Разом з тим відсутність інформації про термодинамічну (діаграмну) вологість за останнім ступенем ЦНТ не дозволяє діагностувати стан проточної частини ЦНТ по зміні її внутрішнього ККД під час експлуатації. На основі аналізу різних методів знаходження середньої вологості пари для оцінки працездатності був прийнятий проточний електричний калориметр типу ЦКТІ. Показана можливість створення на основі цієї схеми досить простого калориметричного пристрою з електричною потужністю 935 Вт, у якому вологість пари знаходиться шляхом вимірювання температури в трьох перерізах з допомогою термопар.

Калориметр такого типу безперервної дії може бути установленим на задній стінці кришки вихлопу ЦНТ і використовуватись при оцінці внутрішнього ККД проточної частини в автоматичному режимі.

Позитивною якістю цього калориметру можливо рахувати відсутність вимірювання як потужності двох нагрівачів, так і витрати пари, яка проходить через калориметр.

Кризовий стан енергетики, довгі простої обладнання електростанцій та пов'язаних з ними теплових мереж викликають необхідність пошуку ефективних способів їх консервації. На основі аналізу роботи теплових мереж м. Харкова, їх водо-химічного режиму була розроблена технологія обробки мережної води та одночасного контролю її характеристик на місцях стику теплових районів, підвищення параметру рН до рівня 9,6. Водночас у теплових мережах міста був підвищений контроль за тим, щоб заповнення мереж проводилося тільки деаерованою водою, підвищено захист води в баках-акумуляторах від аерації повітрям та ряд інших заходів. Це дозволило на 30% знизити кількість аварійних зупинок дільниць теплових мереж.

Водночас на електростанціях з поперечними зв'язками була випробувана та технологічно доведена до користування консервація котельного обладнання з допомогою водопарокисневого очищення та пасивації. Після використання цієї технології котли Кременчуцької ТЕЦ працювали без появлення корозії поверхонь більш ніж два терміни, що вказує на високу стійкість захисних плівок.

У четвертому розділі розглянуті основні напрямки удосконалення енергетики Харківського регіону після виробітки обладнанням фізичного ресурсу (після 2010-2015 років). Згідно з документами Верховної Ради України, Розпорядженням Президента від 27 лютого 2001 № 42/2001-рп, аналізу світових тенденцій розвитку енергетики розглянуті перспективи використання енергетичного обладнання нового типу, такого як парогазові блоки з внутрішньоцикловою газифікацією вугілля, парогазові блоки, які працюють на природному газі, газотурбінні надбудови міських ТЕЦ. Аналіз їх використання проведено для електростанцій Харківського регіону. Так для заміни 6 блоків потужністю 200 МВт Зміївської ТЕС доцільно розробити ПГУ з внутрішньоцикловою газифікацією вугілля Донбасу, яка має потужність 285 МВт та базується на обладнанні, яке виробляє “Турбоатом” –газотурбінна установка ГТЕ-45-3М2, парова турбіна К-225-12,8. Створення такої ПГУ при наявності фінансування можливо провести за 6-8 років. Запропонована схема ПГУ з внутрішньоцикловою газифікацією вугілля може дати ККД нетто більш ніж 46%, і при її установці на місце турбін К-200-130 ЛМЗ скоротити витрати за рахунок збереження більшості будівельної частини станції та частини елементів теплової схеми демонтованої турбіни. Враховуючи, що на електростанціях України працюють 43 блоки з турбінами К-200-130, запропонована ПГУ може статі базовою при модернізації електростанцій України.

Блоки потужністю 300 МВт після виробки продовженого ресурсу за рахунок маловитратної модернізації можуть бути замінені на блоки аналогічної потужності на супернадкритичні параметри, обладнання для яких може за цей період бути створено на вітчизняних підприємствах енергомашинобудівного комплексу.

Підвищення маневрових потужностей регіону та ККД ТЕЦ-5 можливо за рахунок газотурбінних надбудов блоків №1 та №2 потужністю 110 МВт, блоку №3 потужністю 250 МВт, та пікових котлів. При оптимальному для газотурбінних надбудов співвідношенні потужностей газових та парових турбін та мінімальному переобладнанні діючих блоків для надбудов доцільно використати газотурбінну установку GT-25000 Миколаївського підприємства НВО “Машпроект” та установку ГТЕ-45-3М2 ВАТ “Турбоатом”.

Розширення Харківської ТЕЦ-5 на відміну від проекту її побудови після 2015 року доцільно провести за рахунок побудови ПГУ потужністю 450-600 МВт класичного типу.

Реновація ТЕЦ-2 “Есхар” доцільна після розробки перспективної програми розвитку регіону і може бути проведена як побудовою ПГУ з внутрішньоцикловою газифікацією вугілля так і за рахунок побудови блоків потужністю 100-150 МВт з котлами з ЦКШ. Ці ПГУ будуть призначатися для роботи в піковому та напівпіковому режимах.

ВИСНОВКИ

1. Виконана оцінка стану об'єктів енергетики Харківського регіону і, у першу чергу, їх турбінного обладнання показала, що турбіни енергоблоків Зміївський ТЕС виробили продовжений парковий ресурс і вимагають або заміни, або істотної, обґрунтованої по кожному блоку, або групі енергоблоків модернізації. Турбіни ТЭЦ-5 на блоках №1 і №2 наближаються до вироблення паркового ресурсу, що також робить актуальною задачу підготовки їх модернізації. На інших станціях регіону потрібна установка нового обладнання з проробленням оптимальних варіантів реновації.

2. Аналіз концептуальних підходів різних організацій з питань енергогенеруючого обладнання й оцінка шляхів реновації в розвинутих країнах Європи, у США і СНД дозволили виділити одну з основних світових тенденцій – модернізацію турбінного обладнання, зв'язану з мінімальними витратами.

3. Запропоновано методику проведення маловитратної модернізації, засновану на використанні ряду заходів щодо заміни елементів проточної частини, спроектованих з урахуванням новітніх наукових і конструкторських досягнень. Показано, що найбільш ефективними з них можуть бути:

- використання сучасних, аеродинамічно досконалих профілів;

- застосування більш досконалих ущільнень надбандажних зазорів;

- оптимізація законів закрутки лопаткових апаратів.

4. Проведені чисельні дослідження з оцінки ефективності заходів щодо модернізації показали можливість забезпечити економічність проточної частини ЦВТ, ЦСТ і ЦНТ на рівні кращих показників сучасних турбоагрегатів. Так у результаті модернізації проточної частини ЦВТ її ККД може бути підвищений на =0,018…0,02; ЦСТ – на =0,035…0,037; ЦНТ – на =0,078…0,08 без урахування заходів щодо ослаблення негативного впливу вологості.

5. Виконаний аналіз умов роботи останніх ступенів ЦНТ в області вологої пари показав істотні резерви підвищення ефективності цих ступенів і, зокрема, за рахунок удосконалення вологовилучення.

Запропоновано нові підходи до модернізації вологовилучуючих пристроїв, виконані на основі застосування жолобчастих поверхонь на периферійних обводах вологопарових ступенів і використання в системах внутріканальної сепарації сепараційно-випарного вологовилучення. Оцінка ефективності цих заходів показала, що ККД останнього ступеню за рахунок удосконалення вологовилучення може бути збільшений на = 0,04...0,045.

Чисельні дослідження з ослаблення ерозійної небезпеки за рахунок запропонованих для останнього ступеню заходів щодо вологовилучення, проведені на основі моделі, розробленої в ІПМаш НАН України, показали, що темп ерозійного зносу може бути зменшений більш, ніж на порядок.

6. Досліджено явище формування окружної нерівномірності тиску в міжступеневому зазорі. Розроблений алгоритм знаходження цієї нерівномірності тиску, яка формується камерами відбору, дозволяє проводити оптимізацію конструкції камери з метою зменшення його впливу на динамічні навантаження робочих лопаток.

7. Запропонована методика знаходження граничних умов теплообміну на поверхнях камер відбору. Вона дозволила більш вірогідно визначати термодеформований стан корпусів та відносні теплові переміщення статору та ротору.

8. Проведена оцінка похибки при вимірюванні температури пари в паропроводах за допомогою штатного датчика. Для зменшення похибки запропонований багатошаровий керамічний датчик температур.

9. Для діагностування турбіни по зміні її внутрішнього ККД запропонована конструкція електричного калориметру для вимірювання вологості пари за останнім ступенем у ЦНТ.

10.Розроблено та упроваджено методики консервації теплових мереж, та котлів з поперечними зв'язками, що дозволило продовжити термін їх експлуатації.

11.Розглянуті перспективи розвитку енергетики Харківського регіону дозволили запропонувати для Зміївської ТЕС заміну обладнання блоків потужністю 200 МВт на парогазові установки з внутрішньоцикловою газифікацією вугілля. Схемні проробки цієї установки показали, що вона може бути встановлена в ячейці діючого блоку. Потужність ПГУ може бути доведена до 285 МВт.

Для Харківської ТЕЦ-5 доцільно установити газотурбінні установки GT-25000 НВО “Машпроект” для наддуву котлів блоків потужністю 110 МВт та газотурбінну установку ГТЕ-45-3М2 для наддуву котла блоку потужністю 250 МВт.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Позигун М.П. Основные направления сохранения и развития энергетики Харьковского региона // Энергетика и электрофикация.-2000. – № 3. – С. 14-17.

2. Голощапов В.Н., Котульская О.В., Позигун М.П. Влияние камер регенеративных отборов на распределение давления в проточной части турбины // Энергетика и электрофикация.-2000.-№1. – С. 9-15.

3. Позигун М.П., Эдельштейн С.А. Защита внутренних поверхностей трубопроводов и оборудования городских тепловых сетей от коррозии // Энергетика и электрификация. – 2000. – № 4. – С. 18-20.

4. Позигун М.П., Эдельштейн С.А. Водопарокислородная очистка и пассивация внутренних поверхностей нагрева барабанных котлов ТЭС с поперечными связями // Энергетика и электрификация. – 2000. – № 5. – С. 14-18.

5. Голощапов В.Н., Котульская О.В., Позигун М.П. Теплообмен на поверхности камеры регенеративного отбора паровой турбины // Энергетика и электрофикация.-2000.-№6. – С. 7-11.

6. Переверзев Д.А., Шубенко А.Л., Позигун М.П., Ковальский А.Э., Стрельников И.С. О некоторых подходах к ослаблению отрицательного влияния крупнодисперсной влаги на рабочие процессы в последних ступенях мощных паровых турбин // Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования: Сб. научн. трудов.-Харьков: Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины.- 2000. – С. 136-141.

7. Позигун М.П., Шубенко А.Л., Голощапов В.Н., Касилов В.И. Некоторые подходы к вопросу энергосбережения в энергетике Харьковского региона // Региональные проблемы энергосбережения в производстве и потреблении: Тез. докл. междунар. научно-практ. конф.- Киев, 1999. – С. 154.

АНОТАЦІЯ

Позігун М.П. Удосконалення регіональної енергетики на основі зміни структури та застосування маловитратної модернізації енергетичного обладнання. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06- технічна теплофізика і промислова теплоенргетика. Інститут проблем машинобудування ім. А.М.Підгорного НАН України, Харків, 2001.

Дисертація присвячена розробці принципів проведення маловитратної модернізації енергогенеруючого обладнання електростанцій Харківського регіону й удосконаленню на цій основі його експлуатаційних характеристик.

Запропоновано методику проведення маловитратної модернізації, засновану на використанні ряду заходів щодо заміни елементів проточної частини, спроектованих з урахуванням новітніх наукових і конструкторських досягнень.

Запропоновано нові підходи до модернізації вологовилуючуючих пристроїв в циліндрах низького тиску, виконаних на основі застосування жолобчастих поверхонь на периферійних обводах вологопарових ступенів і використання в системах внутрішньоканальної сепарації сепараційно-випарного вилучення вологи.

Досліджено явище формування окружної нерівномірності тиску в межступеневому зазорі під впливом камер відбору та запропоновано методику визначення граничних умов теплообміну на поверхнях камер відбору.

Розглянуто проблему захисту від корозії теплових мереж і котлів з поперечними зв’язками з метою продовження термінів їх експлуатації.

Розглянуто перспективи розвитку енергетики Харківського регіону