ОСНОВЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

НЕБЛОЧНЫХ ТЭС

Контрольные вопросы:

Явления, возникающие в металле турбины в результате нестационарного теплового состояния турбины?

Показатели надёжности паротурбинной установки?

 

Общие положения

 

С точки зрения тепломеханического состояния режимы работы паровой турбины можно разделить на стационарные и нестационарные.

Стационарный режим отвечает работе турбины при некоторой фиксированной нагрузке (номинальной или частичной), характерной особенностью которой являются установившиеся во времени тепловые и механические состояния всех деталей турбины (корпуса, ротора, регулирующих клапанов, турбинных лопаток и т.д.).

К нестационарным режимам работы можно отнести пуски и остановы турбины; высокая скорость изменение нагрузки; специфические условия и режимы работы (отключение регенеративных подогревателей; принудительное расхолаживание турбины; перевод турбогенератора в режим синхронного компенсатора и пр.).

К наиболее сложным случаям нестационарного режима относится пуск турбины [1], поскольку возникающие в процессе его термические и механические напряжения в элементах турбины суммируется. Кроме того, при пуске неостывших турбин возникают дополнительные трудности, которые не встречаются в процессах останова. Поэтому от правильного проведения пуска существенно зависят эксплуатационная надежность и долговечность турбоагрегата. Следует отметить, что неправильные действия оперативного персонала при эксплуатации ПТУ не всегда приводят к аварии в данный момент, но это обстоятельство не проходит бесследно и сказывается в дальнейшем.

Нестационарный режим характеризуется неустановившимся механическим и тепловым состоянием турбоагрегата. Изменение механического состояния турбины обусловлено возникновением напряжений от следующих факторов:

- внутреннего давления пара (в паропроводах, корпусах турбины);

- разности давлений (в диафрагмах, лопатках, дисках);

- центробежных сил (во вращающихся элементах);

- вибрации турбинных лопаток и валов;

- осевого усилия в упорном подшипнике и радиальных усилий в опорных подшипниках.

Следует отметить, что от механических перегрузок турбину предохраняют различные защитные устройства (предохранительные клапаны, центробежные регуляторы частоты вращения ротора; автоматы безопасности; вводятся соответствующие защиты и блокировки для предотвращения выхода контролируемых параметров за допустимые пределы).

Изменение теплового состояния элементов турбины вызывает возникновение в них, так называемых, температурных (термических) напряжений. Под температурными напряжениями понимают механические напряжения, возникающие в твёрдом теле вследствие различия температуры у различных частей тела и ограничения возможности теплового расширения или сжатия их со стороны окружающих частей тела или со стороны других тел, окружающих данное тело. Так если температура металла какого-либо элемента турбины равномерная, а ограничения возможности расширения (сжатия) отсутствуют, то температурных напряжений в указанном элементе нет. При его прогреве произойдёт изгиб элемента по сферической поверхности. То есть в этом случае, изгиб (деформация) не вызовет в элементе никаких напряжений. В случае же защемления данного элемента и его неравномерного нагрева, возникнут изгибающие моменты, равномерно распределённые по краям элемента, соответствующие по величине компенсирующему кривизну моменту, вызванному неравномерным нагревом.

Следует отметить, что от недопустимых термических напряжений турбина не может быть полностью защищена и в этом случае безопасность турбины полностью зависит от правильности выбранной методики пуска, квалификации и степени подготовки обслуживающего персонала.

Для понимания физической сущности нестационарности теплового состояния турбины рассмотрим процесс прогрева защемленной толстой металлической пластины при подводе тепла с одной стороны (рис. 4.1.). Эту пластину можно рассматривать как элемент корпуса турбины.

 

 

Рис. 4.1. Распределение температуры по сечению пластины для различных моментов времени

До подвода тепла весь металл пластины имеет одинаковую температуру и никаких температурных напряжений в металле не возникает. После подачи пара температура обогреваемой поверхности пластины начинает расти, а не обогреваемой поверхности – остается неизменной. По истечении некоторого времени τ i прогрев металла заканчивается при стабилизации температуры наружной t_н и внутренней t_вн стенки. При этом t_вн > t_н , а (t_вн – t_н ) = Δ t. Характер распределения температур по толщине стенки в этом случае описывается уравнением параболы второго порядка т.е.

где t –текущая температура на глубине х от наружной стенки; х – текущая координата от наружной стенки; δ - толщина стенки; Δ t - температурный перепад по толщине стенки.

При параболическом распределении температуры по толщине защемленной пластины температурные напряжения в любой точке пластины могут быть определены по формуле [1].

где – коэффициент линейного расширения; E – модуль упругости; – коэффициент Пуассона.

Если принять в этой формуле значения х=0 и во втором случае x= , то найдем напряжения соответственно на наружной и внутренней поверхности стенки:

(4.2); (4.3).

Из этих выражений следует, что напряжения на внутренней и наружной стенках отличаются знаками, причем наружная поверхность испытывает при прогреве напряжения растяжения, а внутренняя – напряжения сжатия. Значит, где то внутри стенки будут находиться волокна, не испытывающие напряжений. Если приравниваем =0, то из уравнения (4.1) найдем х=0, 577 . Эпюры распределения температур и напряжений в пластине при различных температурных перепадах приведены на рис.4.2.

Из уравнений (4.2) и (4.3) видно, что температурные напряжения для конкретного материала (поскольку Е, β и μ характеризуют свойства материала из которого изготовлена стенка) зависят только от температурного перепада Δ t по толщине стенки. Увеличение температурного перепада ведет к увеличению температурных напряжений и наоборот.

Известно [1], что разность температур по толщине стенки, а следовательно, и термические напряжения в ней в значительной мере зависят от коэффициента теплоотдачи к обогреваемой стенке. Причем чем выше коэффициент теплоотдачи, тем выше температурный перепад по толщине стенки и соответственно выше температурные напряжения, возникающие в ней.

 

 

Рис. 4.2. Эпюры распределения температур и термических напряжений в стенке при различных температурных перепадах

 

При этом коэффициент теплоотдачи зависит от параметров пара, т.е. от давления Р и температуры t; чем выше давление и температура пара тем выше коэффициент теплоотдачи от пара к стенке. Это обстоятельство должно учитываться при нестационарных режимах, особенно при пусках турбин, т.е. для сохранения допустимых температурных напряжений в элементах турбины скорость повышения параметров греющего пара по мере прогрева турбины и паропроводов должна снижаться.

В результате нестационарного теплового состояния в металле турбины возникают следующие явления.

Появляются термические напряжения в стенках и фланцах корпуса турбины, паропроводах, роторе, клапанах и т.д. Появление термических напряжений в металле корпуса способствует дополнительным растягивающим напряжениям в шпильках корпуса. Разница температур верха и низа цилиндров вызывает его прогиб. Изменяются линейные осевые и радиальные размеры ротора и статора, а также напряжения деталей ротора и статора.

Следует отметить, что точный расчет термических напряжений в сложных деталях, таких как корпус турбины, практически пока невозможен.

Кроме того, сложно организовать контроль над тепловым состоянием всех элементов турбины. Поэтому для обеспечения надежной эксплуатации ПТУ устанавливают критерии надёжности для каждого типа турбин, выдерживание которых, гарантирует наличие допустимых механических и термических напряжений в элементах турбины, а также надежность и долговечность работы всей ПТУ. В большинстве случаев это фиксированные величины каких-либо параметров, например разности температур в характерных точках деталей (по толщине стенки корпуса, по ширине фланца, между фланцем и шпилькой, между крышкой и корпусом и т.д.), абсолютные значения температур, давлений и т.п.

 

⇐ Предыдущая36373839404142434445Следующая ⇒

Поделиться: