ОЦЕНКА УСИЛИЙ И МОМЕНТОВ ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ОДНОЦИЛИНДРОВУЮ ПАРОВУЮ ТУРБИНУ СО СТОРОНЫ ПРИСОЕДИНЁННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ПАРА НА ПРИМЕРЕ ТУРБИНЫ К-65-12,8

Одной из причин затруднения тепловых расширений паровых турбин, негативно влияющие на их маневренность и на надёжность работы и, являются повышенные усилия и моменты, действующие на турбину со стороны трубопроводов [1].

Повышенные усилия и моменты, действующие на турбину со стороны трубопроводов, чаще всего 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.

В работах [2, 3] было показано влияние трубопроводов тепло­фикационных отборов многоцилиндровых паровых турбин, но кроме трубопроводов теплофикационных отборов к цилиндрам турбин присоединены трубопроводы отборов на регенерацию. Ранее, в работе [4] авторы представили разработанную ими методику анализа изменения усилий и моментов, приложенных к одноцилиндровой паровой турбине со стороны присоединенных трубопроводов во время проведения пусковых операций применительно к одноцилиндровой паровой турбине, предназначенной для работы в парогазовом цикле, т. е. без системы регенерации. В данной статье авторы продолжают исследование по анализу расчётных усилий и моментов, действующих на одноцилиндровую паровую турбину, со стороны присоединённых трубопроводов уже применительно к турбине, предназначенной для работы в традиционном паросиловом цикле, с развитой регенерацией.

Объектом исследования является паровая турбина К-65-12,8 конден­сационного типа производства АО «УТЗ» (рисунок 1). Турбина предна­значена для работы с параметрами свежего пара перед стопорным клапаном – давлением 12,8 МПа и температурой 555 °С. Данная турбина является новой в линейке семейства паровых турбин мощностью 50‑70 МВт, а именно Т-50-12,8 и Т-60/65-12,8, ранее выполняемых в двух цилиндрах. Турбина выполнена в одном двухкорпусном цилиндре. Проточная часть турбины состоит из 23 ступеней: во внутреннем корпусе (левый поток) расположено 10 ступеней, остальные (правый поток) – в наружном. Длина рабочих лопаток последней ступени оставляет – 550 мм. При проектировании применен модульный подход с использованием кон­струкции внутреннего корпуса и паровпускной части наружного корпуса цилиндра от серийных турбин Т-63 иТ-40, работающих в блоках ПГУ.

Особенностью представленной турбины, как упоминалось ранее, является наличие отборов пара на собственные нужды (до 10 т/ч включительно) и теплофикацию (до 36 т/ч (18 Гкал/ч) включительно), а также наличие развитой системы регенерации (2 ПВД и 3 ПНД) [5].

Рисунок 1. Продольный разрез исследуемой турбины

Основные характеристики трубопроводов, рассматриваемых при выполнении исследования, представлены в таблице 1.

Трубопроводы системы концевых уплотнений цилиндра, при выполнении анализа не учитывались, так как имеют диаметр менее 100 мм и, по мнению авторов, не оказывают значимого влияния на общую картину.

Таблица 1.

Основные характеристики трубопроводов

Методика, предложенная авторами в [4], подразумевает выполнение ряда обязательных работ, таких как: выбор объекта исследования; создание модели для расчёта, с применением специализированного ПО; разбиение процесса пуска турбины на несколько характерных участков; определение параметров пара на принятых режимах; расчёт усилий и моментов на всех необходимых режимах; анализ полученных данных.

Весовая нагрузка на опоры, определялась как сумма усилий, действующих на переднюю опору в плоскостях OZY и OZX (рисунок 2):

,

где:   F^ZX_труб, F^ZY_труб – усилия, приходящие от трубопроводов, действующих на переднюю опору, в плоскостях OZY иOZX, кгс;

F_тяж – усилие, учитывающее все корпуса турбины, ротора, стула подшипника и т. п., действующее на переднюю опору (кроме веса трубопроводов), кгс.

Усилия, приходящие от трубопроводов, действующих на переднюю опору, в плоскостях OZY и OZX определяются по следующим формулам:

; .

Рисунок 2. Принятые в методике системы отсчёта

Полученные данные представлены в виде графиков (рисунки 3–7). Величина момента, отображаемая на графике по оси ординат, рассчитывалась относительно максимального момента, полученного при расчёте всех трубопроводов на исследуемом пусковом режиме. Величина временного промежутка, отображаемого по оси абсцисс и соответствующая определённому режиму, рассчитана относительно конечного момента времени пуска.

На рисунке 3 представлено изменение моментов относительно оси X. Из графика видно, что моменты от трубопроводов отборов, конструктивно расположенных симметрично оси турбины, зеркальны относительно оси τ, а трубопроводы отборов, имеющие один отвод из цилиндра, вносят минимальный вклад в суммарное изменение моментов в процессе пуска. Величины моментов практически полностью компенси­руют влияние друг друга.

На рисунке 4 представлено изменение моментов относительно оси Y. Согласно полученным результатам все моменты основных трубопроводов имеют положительные значения на протяжении всего пуска. Максимальные значения принимают верхние трубопроводы подвода свежего пара на режиме 20% нагрузки.

На рисунке 5 представлено изменение моментов относительно вертикальной оси Z. Моменты основных трубопроводов находятся в нижней (отрицательной) зоне графика. Максимальное значение принимает момент от левого трубопровода отбора пара на ПНД№2 (совмещённый с Т-отбором) на режиме 30% нагрузки.

Рисунок 3. Моменты относительно оси Y во время пуска из холодного состояния

Рисунок 4. Моменты относительно оси Х во время пуска из холодного состояния

Рисунок 5. Моменты относительно оси Z во время пуска из холодного состояния

На рисунке 6 представлено изменение суммарных моментов по составляющим. Из графика видно, что максимальные значения принимают моменты относительно оси Y. Моменты относительно оси Z имеют отрицательные значения с максимальной величиной (по модулю) на режиме 30 % нагрузки. Моменты относительно оси X полностью скомпенсированы на режимах после взятия 30 % нагрузки от номинала и до взятия полной нагрузки.

Рисунок 6. Суммарные моменты в процессе пуска турбины из холодного состояния

На рисунке 7 представлен график изменения весовой нагрузки на фундаментную раму. Данное усилие условно разделено на левую и правую стороны, также на графике представлена сила тяжести, учиты­вающая вес ротора, статора, корпуса подшипника, вкладыша и т. д., но не учитывающая веса трубопроводов и усилий и моментов приходящих от них. Из графика видно, что весовая характеристика изменяется, и усилие с левой на правую сторону перераспределяется до выхода на мощность свыше 30%. После выхода на мощность свыше 30 % весовая нагрузка на фундаментную раму растёт равномерно.

Рисунок 7. Весовая нагрузка на опоры

Выводы:

1. Наибольшее влияние на турбину оказывают верхние трубо­проводы подвода свежего пара, так как являются толстостенными с небольшим диаметром вследствие высоких параметров пара.
2. Силовое воздействие трубопроводов на корпус слева и справа является не одинаковым, что можно объяснить некоторой несимметри­чной (относительно продольной оси) компоновкой трубопроводов, связанной с расположением оборудования турбоустановки в мало­габаритной ячейке машзала электростанции.
3. В дальнейшем целесообразно использовать опробованную методику при проектировании турбоустановок для поиска оптимальной трассировки трубопроводов.
4. Анализ выбранной одноцилиндровой турбины показал, что завод-изготовитель выполнил оптимальную и эффективную трассировку трубопроводов.

Список литературы:

1. Розенберг С.Ш. Исследование мощных паровых турбин на электростанциях / С.Ш. Розенберг, Л.П. Сафонов, Л.А. Хоменок. – М.: Энергоатомиздат, 1994. – 272 с.
2. Сосновский А.Ю. Влияние трубопроводов теплофикационных отборов на работу турбоагрегата в переходных режимах // А.Ю. Сосновский, В.В. Ермолаев, А.И. Шкляр и др. Материалы третьей международной научно-практической конференции 2001. Екатеринбург, 2002. С. 77–85
3. Ермолаев В.В. Комплексный подход к нормализации тепловых расширений турбины / В.В. Ермолаев, А.Ю. Сосновский, А.И. Шкляр и др. // Электрические станции. 2002. №5. с. 26–31.
4. Гаврилов П.Я. Анализ усилий и моментов, действующих на одноцилин­дровую паровую турбину со стороны присоединённых трубопроводов пара / П.Я. Гаврилов Б.Е. Мурманский, А.Ю. Сосновский, М.Ю. Степанов // Технические науки в мире: от теории к практике. Выпуск IV. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции 2017. С. 30–35.
5. Гаврилов П.Я. Особенности новых турбин АО «Уральский турбинный завод» для реконструкции и строительства новых блоков и электростанций / П.Я. Гаврилов, М.Ю. Степанов, Е.Н. Поляева и др. // Сборник докладов и каталог девятой всероссийской конференции «Реконструкция Энергетики – 2017». 2017. С. 14–17.