Введение к работе
Актуальность темы исследования определяется развитием высокоэффективных технологий на базе парогазовых установок (ПТУ) с КПД до 50-51 % в конденсационном цикле и до 75 - 78% в теплофикационном цикле.
Привлекательными особенностями ПТУ, помимо высоких КПД, являются умеренная удельная стоимость (в 1,5-2 раза ниже, чем у паровых энергоблоков близкой мощности), возможность сооружения за короткое (два года) время, вдвое меньшая потребность в охлаждающей воде, хорошая маневренность. С учетом всех достоинств ПТУ наиболее важной задачей для отечественной энергетики является перевод многочисленных паровых электростанций, работающих в основном на природном газе, в парогазовые.
При создании АСУ станций, в которых помимо традиционных паротурбинных блоков присутствуют ПТУ, необходимо разрабатывать новые методики оптимального управления режимами работы станции с точки зрения минимизации затрат на топливо при покрытии заданных и, как правило, переменных графиков электрической и тепловой нагрузки, которые бы учитывали особенности работы ПТУ. Дело в том, что при работе ПТУ на пониженных нагрузках как в теплофикационном, так и конденсационном режимах ее работы имеют место ограничения этого диапазона по газовой и паровой турбинам, по котлу-утилизатору. Под регулировочным диапазоном электрических нагрузок энергоблока ПТУ понимается диапазон нагрузок, который обеспечивается без изменения количества работающего основного оборудования. Отличительной особенностью ПТУ является то, что регулировочный диапазон электрической нагрузки - переменная величина, обусловленная тем, что максимальная мощность ГТУ (а следовательно и ПТУ) зависит от температуры наружного воздуха и режима работы блока (конденсационный или теплофикационный). Минимальная же нагрузка ПГУ-450Т имеет ряд технологических и параметрических ограничений, главным из которых является температура пара высокого давления. По техническим условиям завода-изготовителя длительная эксплуатация паровой турбины Т-150 при температуре пара ниже 450С не допускается. Это ограничение обусловлено тем, что уменьшение температуры пара ниже этой величины при постоянном его давлении приводит к увеличению конечной влажности в зоне последних ступеней ЦНД паровой турбины и, как следствие, к повышенному эрозионному износу рабочих лопаток и снижению надежности турбоустановки. Такая температура достигается при нагрузке ГТУ 30 - 40% в диапазоне изменения температуры наружного воздуха соответственно от +30 до -2С и при 45%-ной нагрузке - от -2 до -19С. Как видно из приведенных цифр, при разгружении блока с полным составом оборудования в интервале от 55 - 60% до 50% появляется недопустимая зона работы блока, что создает определенные сложности для диспетчерского управления и эксплуатационного персонала.
В этих условиях эксплуатации приходится либо останавливать паровую турбину, что означает останов всего блока, либо переводить блок в режим работы с неполным составом оборудования, что приводит к простою технологического
оборудования, дополнительному пуску остановленных газовой турбины и котла-утилизатора при последующем увеличении нагрузки и, соответственно, к дополнительным потерям топлива.
Именно поэтому работы по исследованию и оптимизации эксплуатационных режимов ПГУ при ее работе на пониженных нагрузках с целью расширения регулировочного диапазона и повышения надежности работы паровой турбины являются актуальными как с научной, так и с практической точек зрения.
Степень разработанности темы исследования.
Для выбранных при выполнении исследования условий и критериев оптимизации тема исследования разработана достаточно широко и глубоко. Так, исследования предлагаемого способа расширения регулировочного диапазона проведены применительно к мощным двухвальным ПГУ-450, широко внедряемым в отечественной энергетике. Исследование температурного состояния группы ступеней ЦВД на базе усовершенствованной модели при их работе в малопаровых режимах проведено для паровой турбины Т-150 указанной ПГУ, что позволило выбрать оптимальную схему подачи охлаждающего пара в турбину. Наличие нескольких возможностей реализации модернизации тепловой схемы ПГУ для осуществления предлагаемого режима работы ПГУ позволило поставить и решить задачи технической и экономической целесообразности их применения и предложить систему автоматического регулирования температуры ступеней ЦВД при работе их в малопаровом режиме, что определяет глубину разработанности темы исследований.
Цели и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является моделирование и исследование температурного состояния ступеней ЦВД паровой турбины ПГУ-450Т при работе части ее в малопаровом режиме, разработка и оптимизация систем охлаждения и регулирования температуры части ступеней ЦВД, работающих в этом режиме.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
анализ работы ПГУ в режимах регулирования нагрузки и выявление основных ограничений регулировочного диапазона;
моделирование и исследование температурного состояния ступеней ЦВД паровой турбины ПГУ-450Т при работе части ее в малопаровом режиме;
выбор оптимальной схемы охлаждения ступеней части ЦВД при их работе в малопаровом режиме;
разработка автоматической системы регулирования температурного состояния проточной части ЦВД паровой турбины при ее работе в малопаровом режиме;
выбор оптимальной схемы модернизации тепловой схемы ПГУ-450Т при работе части высокого давления ЦВД паровой турбины в малопаровом режиме;
оценка эффективности внедрения малопарового режима ЦВД на ПГУ-450Т.
Для реализации задач исследования необходимо:
проведение аналитического обзора современной научно-технической литературы, затрагивающей проблему оптимального управления режимами работы ПГУ на пониженных нагрузках;
разработка и обоснование технологии расширения регулировочного диапазона при работе ПГУ в режимах регулирования нагрузки;
усовершенствование модели работы ступени и группы ступеней паровой турбины в малопаровых и беспаровых режимах;
проведение исследований температурного состояния лопаток турбины в малопаровых режимах и разработка оптимальной схемы подачи охлаждающего пара в турбину;
разработка системы автоматического регулирования температуры ступеней при работе их в малопаровых режимах;
- разработка оптимальной схемы модернизации тепловой схемы ПГУ.
Научная новизна.
1.Предложен режим работы ПГУ-450Т с переводом части ступеней ЦВД паровой турбины Т-125/150 в малопаровой режим с прекращением подачи пара высокого давления в ЦВД со снижением общей нагрузки ПГУ и расширением регулировочного диапазона ПГУ.
2. У совершенствована модель ступени и группы ступеней ЦВД паровой турбины, работающих в малопаровых режимах с целью исследования их температурного состояния с учетом конструктивных особенностей турбины Т-150.
3.Впервые получены данные по температурному состоянию ступеней ЦВД турбины Т-150, работающих в беспаровом и малопаровом режимах при прямоточной и противоточной схемах подачи охлаждающего пара, на основе которых выбрана оптимальная схема подачи и параметры охлаждающего пара.
4.Разработана система автоматического регулирования температуры ступеней ЦВД паровой турбины, работающих в малопаровом режиме, и управления ею с целью обеспечения требуемой температуры ступеней при выходе ЦВД из этого режима.
5.Прове ден выбор оптимальной схемы модернизации тепловой схемы ПГУ-450Т с экономической и технологической точек зрения, разработана методика расчета изменения затрат на ПГУ в указанном режиме, определены границы расширения регулировочного диапазона и временной интервал экономической целесообразности применения предложенного режима.
Теоретическая значимость работы обоснована тем, что разработанная методика позволяет определить влияние расхода и параметров охлаждающего пара на температурное состояние лопаток ЦВД при их работе в малопаровом режиме и научно обосновать схему ее подачи в паровую турбину.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
подтверждена возможность использования малопарового режима части ЦВД паровой турбины как способа расширения регулировочного диапазона ПГУ;
получены расчетные выражения для оценки температуры ступеней ЦВД при их работе в малопаровом режиме, с помощью которых впервые получены
данные о температурном состоянии ступеней ЦВД в указанном режиме при прямоточном и противоточном движении охлаждающего пара;
разработаны для практического применения технологические схемы работы ПГУ в данном режиме, из их числа предложена оптимальная тепловая схема как с технологической, так и с экономической точек зрения, предложены методика их расчета и система автоматического регулирования температуры ступеней ЦВД;
показана экономическая целесообразность перевода части ЦВД в малопаровой режим - до 4 часов при использовании предложенной схемы модернизации тепловой схемы ПГУ.
Методология и методы исследования.
При выполнении данного исследования применены общенаучные теоретические методы исследования. Теоретические методы, использованные в работе: анализ, синтез, абстрагирование, моделирование, системный анализ.
Положения, выносимые на защиту:
схема перевода части ступеней ЦВД паровой турбины в малопаровой режим с прекращением подачи пара высокого давления в ЦВД турбины;
математическая модель работы ступени и группы ступеней паровой турбины в малопровых и беспаровых режимах;
алгоритмы расчета температурного состояния ступени и группы ступеней ЦВД при их работе в малопаровом режимах;
полученные при проведении исследования результаты температурного состояния ступеней ЦВД при их работе в малопаровых режимах при прямоточном и противоточном движении охлаждающего пара;
алгоритмы регулирования и управления температурным состоянием проточной части ЦВД при работе части лопаток в малопаровом режиме.
Апробация результатов.
Результаты научных исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на 16-й международной научно-технической студентов и аспирантов «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА», Москва, 25 -26 февраля 2010 года; на научном семинаре кафедры АСУТП НИУ «МЭИ» в мае 2013 года; на заседании кафедры АСУТП НИУ «МЭИ» в октябре 2013 года.
Степень достоверности результатов исследования подтверждена корректным использованием методов математического моделирования, применением современного программного комплекса для определения распределения температуры пара по ступеням турбины.
Публикации.
По результатам выполненных исследований опубликовано 3 научные работы, отражающие основные результаты работы, из них 2 публикации - в журнале из перечня ВАК РФ.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 38 наименований. Работа содержит 28 рисунков и 17 таблиц. Общий объем диссертации - 106 страниц.
