02 сентября 2017г.
Изменение температурного состояния цилиндров паровых турбин сопровождается не только изменением их размеров, но и изменением размеров трубопроводов, присоединенных к турбине и вспомогательному оборудованию. Нормальная работа турбоустановки при изменении ее температурного состояния обеспечивается системой тепловых расширений (СТР) турбины.
Одной из причин затруднения тепловых расширений паровых турбин являются повышенные усилия и моменты, действующие на турбину со стороны трубопроводов [1].
Повышенные, негативно влияющие на работу СТР, усилия со стороны присоединенных трубопроводов могут быть вызваны:
– отклонениями от требований проектной и нормативной документации, допущенными при монтаже или ремонте трубопроводов;
– ошибками, допущенными при проектировании в результате принятия неверных решений по результатам расчетов трубопроводов на прочность и самокомпенсацию.
Традиционно проектные организации (в т.ч. заводы-изготовители паровых турбин) производят расчет трубопроводов только на прочность и самокомпенсацию для двух состояний: холодного и рабочего (полностью прогретого). Оценка усилий и моментов, действующих на основное и вспомогательное оборудование со стороны трубопроводов, на переходных режимах работы турбоустановки, как правило, не производится.
В настоящей работе авторы представляют разработанную ими методику анализа изменения усилий и моментов, приложенных к одноцилиндровой паровой турбине со стороны присоединенных трубопроводов во время проведения пусковых операций.
В качестве объекта исследования рассматривается одноцилиндровая теплофикационная турбина, работающая в составе парогазовой установки (ПГУ). Выбранная турбина в настоящий момент эксплуатируется на ряде станций.
В тепловой схеме и конструкции турбины реализован двухконтурный подвод пара от котла- утилизатора (контура высокого и низкого давления).
Основной особенностью работы турбины в составе ПГУ является отсутствие системы регенерации: в конструкции предусматриваются только отборы пара на производство и теплофикацию (реализован двухступенчатый подогрев сетевой воды с отбором пара на верхний и нижний сетевые подогреватели). К рассматриваемой турбине присоединены следующие паропроводы: четыре трубопровода подвода пара контура высокого давления (наружный диаметр Dт=219 мм; толщина стенки Sт=28 мм), два трубопровода подвода пара контура низкого давления (Dт=219 мм; Sт=7 мм), по два трубопровода отбора пара на верхний (Dт= 720 мм; Sт=9 мм) и на нижний (Dт=1000 мм; Sт=10 мм) подогреватели сетевой воды. Отбор пара на производство в фактическом исполнении – не реализован. Также к турбине присоединены трубопроводы системы концевых уплотнений цилиндра, которые при анализе не учитывались, так как имеют диаметр менее 100 мм и, по мнению авторов, не влияют на общую картину перемещений. Общая протяженность рассчитываемых трубопроводов составляет более 260 м.
Методика анализа предполагает разбиение процесса пуска турбины на несколько характерных точек – квазистационарных режимов [2]. Исследуемые расчетные точки приняты с графика пуска турбины из холодного состояния, разработанного заводом-изготовителем.
Основные параметры для расчета трубопровода на прочность и самокомпенсацию – это давление в трубопроводе и температура металла трубопровода. Для оценочного анализа температура металла трубопроводов была принята равной температуре паровой среды.
Параметры пара, подводимого к турбине, приняты из графика пуска турбины. На этапе предварительного прогрева трубопроводов принималась температура пара на 10°С больше температуры насыщения, исходя из условия недопущения конденсации пара в трубопроводе. Значения температуры пара в трубопроводах отбора на теплофикацию приняты в соответствии с данными расчетов, выполненных с применением специализированного программного обеспечения, используемого заводом-изготовителем турбины.
Для расчета трубопроводов на прочность и самокомпенсацию применяется ряд специализированных программ [3], реализующих требования нормативной документации. В настоящей работе анализ усилий и моментов, действующих на турбину со стороны присоединенных трубопроводов, проводился с помощью ПО «СТАРТ». При расчете рассматривалась полная трасса трубопровода. Геометрия трубопроводов соответствует принятым проектным решениям, а также учтено тепловое расширение цилиндра турбины и вспомогательного оборудования.
С целью оценки влияния усилий и моментов от трубопроводов на турбину при расчете, все силы и моменты были перенесены в одну точку, относительно которой цилиндр турбины может поворачиваться в горизонтальной плоскости в пределах заданных зазоров. В рассматриваемой одноцилиндровой турбине принято, что такой точкой будет являться фикс-пункт (Рис. 1, а).
Для переноса сил в точку фикс-пункта (ФП), силы разложены на составляющие, сонаправленные с основными осями глобальной системы координат: вдоль оси X, оси Y и оси Z (Рис. 1,б).
Далее согласно теореме Пуансона [4], сила F перенесена в точку ФП (см. Рис. 2). Силы F и F2 создают крутящий момент вокруг оси Z:
M Z = F * X 0 ,
Считаем, что сила, стремящаяся повернуть тело, вокруг центра моментов в направлении, противоположном ходу стрелки часов, создает положительный момент, а по ходу стрелки часов – отрицательный. Тогда в данном случае момент вокруг оси Z является отрицательным (Рис. 2).
Вычислив все моменты от каждого трубопровода относительно ФП, необходимо их просуммировать. Суммирование моментов, лежащих в одной плоскости:
где X0, Y0, Z0 – координаты точки действия приложенной силы F относительно ГСК, м;
FX, FY, FZ – силы, направленные вдоль осей ГСК;
MX П, MYП, MZП – моменты, рассчитанные в программе «СТАРТ», приходящие на патрубки турбины со стороны трубопроводов.
Для удобства анализа полученные данные представлены в виде графиков. Величина момента, отображаемая на графике по оси ординат, рассчитывалась относительно максимального момента, полученного при расчете всех трубопроводов на исследуемом режиме. Величина временного промежутка, отображаемого по оси абсцисс и соответствующая определенному режиму, рассчитана относительно конечного момента времени пуска.
На рисунке 3 представлен график изменения суммарных моментов. Из графика видно, что моменты относительно осей Х и Z скомпенсированы. Моменты относительно оси Y являются максимальными на протяжении всех пусковых операций (по модулю).
На рисунке 4 представлен график изменения моментов относительно оси Y. Как видно из графика, все моменты от основных трубопроводов имеют положительное значение на протяжении всего пуска, кроме 2-х трубопроводов нижнего подвода пара контура ВД. На предпусковых режимах эти трубопроводы имеют максимальную величину моментов (по модулю).
Полученные величины могут являться результатом сложной трассировки трубопроводов, связанной с компоновочными ограничениями. Для исключения негативного влияния этих трубопроводов
на турбину требуется изменение схемы трассировки трубопроводов.
На рисунке 5 представлено изменение распределения весовой нагрузки на левую и правую опоры, установленные на фундаментную раму. Из графика видно, что уже на предпусковых операциях весовая нагрузка на фундаментную раму от опор различна. Сила Fвес, учитывает всю весовую нагрузку, действующую на фундаментную раму, кроме веса и усилий трубопроводов.
Согласно графику нагрузка на опоры на предпусковых операциях перекладывается с одной стороны на другую. При дальнейшей подаче пара в турбину и дальнейшего увеличения мощности эта величина растет. Максимальная величина весовой нагрузки на опору приходится на конечный момент времени на левую сторону. Данная нагрузка почти в 9 раз больше нагрузки на противоположной стороне.
Выводы:
1. Разработанная методика позволяет оценить качественную и количественную картину изменения влияния трубопроводов
на турбину.
2. Анализ выбранной одноцилиндровой турбины показал, что компоновочные ограничения не позволяют выполнить оптимальную и эффективную трассировку трубопроводов.
3. Наибольшее влияние на турбину оказывают трубопроводы нижнего подвода пара контура ВД, так
как являются толстостенными с небольшим диаметром.
4. Трубопроводы, находясь в холодном состоянии, пытаются вытолкнуть цилиндр турбины наверх, т.е. приподнимают ее, во время прогрева, подвода пара и нагружения турбины, моменты, приходящие от трубопроводов
постепенно меняют направление и начинают тянуть цилиндр вниз.
Список литературы
1. Комплексный подход к нормализации тепловых расширений / В.В. Ермолаев, А.Ю. Сосновский, А.И. Шкляр, Б.Е. Мурманский, М.В. Великович, М.В. Фертиков, М.М. Мительман, // Электрические станции. 2002. №5. С. 26-31
2. Зверков Б.В. Расчет и конструирование трубопроводов: Справочное пособие
/
Б.В. Зверков, Д.Л. Костовецкий, Ш.Н. Кац [и др.]; под ред. Б.В. Зверкова. – Л.: Машиностроение. Ленинград. отд- ние, 1979. – 246 с.
3. Сосновский А.Ю. Системы тепловых расширений паровых турбин: учебное пособие для вузов / А.Ю. Сосновский, Б.Е. Мурманский, Ю.М. Бродов; под общ. ред. Ю.М. Бродова.
– Екатеринбург: УрФУ, 2015. – 132 с.
4. Никитин Е.М. Теоретическая механика для техникумов / Е.М. Никитин. 12-е изд., испр. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. – 336 с.
