Враховуючи той факт, що на сьогодні близько 80% електроенергії в нашій країні генерується на теплових і атомних електростанціях. За даними [Дис. Бахмутської] в 2018 році на великих ТЕС і ТЕЦ України працювали 42 блоки потужністю 300 МВт і 43 – потужністю 200 МВт. У 60-80 роках минулого століття в Україні введені в експлуатацію 104 енергоблоки ТЭС. З них 76 блоків (64 %) знаходяться на межі фізичного зносу, пропрацювавши нині понад 220 тис. годин. Наближаються до граничної межі зносу 17 енергоблоків (28 %) і до розрахункового ресурсу (100 тис. годин) 11 блоків (8 %). Враховуючи ці факти постає важливе питання щодо підвищення вірогідності можливого виходу з ладу лопаток окремих соплових та/або робочих лопаток у таких турбін. В свою чергу це призводить до підвищення актуальності задач моделювання та оцінки можливості продовження роботи турбін, які зазнають аварійних пошкоджень соплових та/або робочих лопаток. Особливо гостро постає це питання в період воєнного стану коли не можливо забезпечити термінову заміну деталей та вузлів турбіни, що вийшли з ладу, а генерацію потрібно підтримувати в належному стані. Тому для оцінки можливості продовження роботи турбіни при відсутності частини соплових та/або робочих решіток потрібна розробка відповідної математичної моделі термо та газодинамічних процесів, що протікають в таких турбінах.
Для розв’язання цієї задачі були використані напрацювання [] щодо одновимірного математичного моделювання процесів в багатоступеневій проточній частині парової турбіни, яке базується на використанні наступної системи рівнянь:
1. Рівнянь енергії і нерозривності в перетині за нерухомим сопловим апаратом (ω = 0):
2. Рівнянь енергії і нерозривності в перетині за обертовим робочим колесом (ω ≠ 0):
3. Рівнянь процесу і стану в розрахункових перетинах:
• Рівняння процесу для перетинів за сопловою решіткою і за робочим колесом:
• Рівняння стану:
4. Кінематичні співвідношення, що зв'язують кути і швидкості потоку в абсолютному і відносному русі.
5. Замикаючі співвідношення.
Наведена система рівнянь використовуються як в перетині за сопловим апаратом кожного ступеня, так і в перетині за його робочим колесом.
Теоретична швидкість виходу з сопла в абсолютному русі C1t=C1⁄φ. Використовуючи рівняння енергії, процесу і стану, визначаються параметри робочого тіла за соплом:
Відповідно до рівняння енергії (3) визначається ротальпія за сопловою решіткою:
Використовуючи рівняння нерозривності (15) в перетині за сопловою решіткою визначаємо масову витрату пари:
В рівнянні (15) невідомими є наступні параметри – це G та C_1.
У перетині за робочим колесом теоретична швидкість виходу з робочого колеса у відносному русі W_2t=W_2⁄ψ. Використовуючи рівняння енергії (3), визначаються значення дійсної і теоретичної ентальпій в перетині:
Далі визначаються параметри стану робочого тіла:
та інші.
Осьова складова вихідної швидкості W2z: W2z=W2∙sinβ2. (19)
Запишемо рівняння нерозривності (4) з урахуванням наведених співвідношень (11), (16)-(19):
де H визначається з виразу (14); тиск P1-з (9) з урахуванням (8) (тобто P1=P(i0*-(C12)/(2φ2 ),S0*)), а ентальпія i1 – за формулою (8). Таким чином, в рівнянні нерозривності (20) входять три невідомі: G, C1 и W2. Якщо течія в турбінних решітках дозвукова, то під кутами α1 і β2 розуміємо ефективні кути виходу потоку з решіток (α1е, β2е), а при надзвуковій течії – кути виходу потоку з урахуванням відхилення в косому зрізі [53, 54].
Замикаюче співвідношення має наступний вигляд:
Таким чином, отримана система з трьох рівнянь (15), (20) і (21) з трьома невідомими (G, C1, W2).
В символічному вигляді розглянута система рівнянь записується наступним чином:
Наведена система рівнянь розв’язується чисельно шляхом мінімізації суми квадратів нев'язок ∆g12+∆g22+∆h2 методом сполучених градієнтів Флетчера-Рівза.
Розрахунок багатоступеневої ПЧ методично не відрізняється від наведеного розрахунку одиночного турбінного ступеня. При цьому рівняння (22) записуються для кожного ступеня, що призводить до системи виду:
де j – номер ступеня турбіни; n – кількість ступенів.
В даному випадку, чисельне розв’язання системи (23) здійснюється мінімізацією функції  з невідомими (2n+1) змінним C 1(j),W 2(j),G.
Наведену вище систему рівнянь було удосконалено з метою забезпечення можливості моделювання термо та газодинамічних процесів при відсутності частини соплових та/або робочих решіток турбіни. Для цього розмірність системи рівнянь зменшувалася на число відсутніх решіток, а відповідні значення нев’язок ∆g1 і ∆g2 для відсутніх соплових та/або робочих решіток прирівнювалися нулю. В цьому випадку значення параметрів робочого тіла за відсутніми решітками (з урахуванням додаткових втрат енергії в місцях де повинні були бути решітки) автоматично визначалися через параметри за попередніми решітками.
Розрахункові дослідження з моделювання відсутності робочої і одночасно соплової і робочої решіток останнього ступеня потужної парової турбіни, а також порівняння основних технічних характеристик розглянутих трьох варіантів конструкції турбіни наведено в таблиці 1.
Таблиця 1 – Значення основних технічних характеристик для різних конструктивних виконань проточної частини ЦВТ
Короткий аналіз розглянутих варіантів конструкції потужної парової турбіни:
1. Аналізуючи дані з табл. 1 видно, що варіанти проточних частин ЦВТ без робочих лопаток останнього ступеня мають суттєве збільшення температури гальмування пари в четвертому відборі зі 157,09 ºС (для вихідного варіанту) до 166,41 ºС (зі штатним сопловим апаратом).
2. Дослідження виконувались в постановці «з заданим тиском на вході» (5736,98 кПа). В результаті розрахунків отримано незначні відхилення масової витрати в розглянутих варіантах конструкції. Так для штатного варіанту турбіни масова витрата пари становить 744,109 кг/с, для варіанту турбіни без робочих лопаток останнього ступеня масова витрата пари складає 744,206 кг/с, для варіанту турбіни без соплової і робочої решіток останнього ступеня масова витрата пари дорівнює 742,20 кг/с (табл. 1., п. 5).
3. Досить суттєво відрізняються рівні потужності розглянутих варіантів турбіни 237,06 МВт, 201,487 МВт і 230,397 МВт, а також внутрішнього відносного ККД – 77,89 %, 66,07 %, 75,8 % відповідно (табл. 1, п. 2, 3).
4. Слід зазначити, що варіант без соплової і робочої решіток останнього ступеня більш ефективний від варіанту без робочих лопаток останнього ступеня, як по потужності так і по ККД, але як видно з даних наведених в таблиці 1 (п. 14–20), параметри пари в третьому і четвертому відборах співпадають, що призводить до суттєвих змін в тепловій схемі енергоблоку.
Висновки
1.Удосконалена математична модель термо та газодинамічних процесів в проточній частині парової турбін, що дозволило, проводити дослідження щодо можливості подальшого використання турбін у яких відсутності частина соплових та/або робочих решіток.
2.Проведені чисельні дослідження з використанням удосконаленої математичної з оцінки основних технічних характеристик вихідного та двох варіантів потужної парової турбіни у якої були відсутні лопатки робочої решітки останнього ступеня та лопатки соплової і робочої решіток останнього ступеня.
3.Виявлені відмінності в показниках ефективності та основних технічних характеристик, які мають суттєвий вплив на роботу теплової схеми всього турбоблоку.
4.Показано, що для визначення можливості продовження роботи турбіни у якої відсутні частина соплових та/або робочих решіток потрібні детальні розрахункові дослідження з оцінки значень критичних параметрів, особливо тих, які мають вплив на роботу усієї теплової схеми турбоблоку.
Список використаних джерел:
1.Boiko, A., Govorushchenko, Y., Usaty, A. (2016). Optimization of the Axial Turbines Flow Paths. Science Publishing Group, NY 10018, USA. ISBN 978-1-940366-67-8. https://sciencepublishinggroup.com/book/B-978-1-940366-67-8
2.Avdieieva O., Usatyi O., Mykhailova I. Optimization of the flowing part of the turbine K-310-240 based on the object-oriented approach //Innovations in Mechanical Engineering. – Springer International Publishing, 2022. – pp. 201-213.
3.Shvetsov V. , Kozheshkurt I., Konev V., Usatyi O,... Solodov V., Khandrimailov A. Improving the high-pressure cylinder of the K-220-44-2M turbine at the Loviisa nuclear power station Thermal // Engineering (English translation of Teploenergetika), 2013, 60(2), pp. 98–105
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter