Основные критерии надежности пусков

Пуски котлов и паровых турбин относятся к числу наиболее сложных нестационарных режимов. На протяжении всего пуска параметры пара, нагрузка агрегатов и другие важные показатели постепенно возрастают вплоть до своих номинальных значений, следствием чего являются непрерывные и существенные изменения механического и теплового состояния оборудования. Нестационарность теплового состояния обусловливает значительные теомические напряжения в отдельных деталях и узлах агрегатов и в трубопроводах.

Термические напряжения в толстостенных высокотемпературных элементах паровых турбин, котлов, а также в паропроводах являются основным фактором, определяющим скорость пуска этого оборудования. Кроме того, во избежание задеваний в проточной части и уплотнениях, а также вибрации, пуск турбины должен осуществляться при отсутствии деформации (выгиба) корпуса, теплового прогиба ротора и при относительных перемещениях последнего, не превышающих допустимые. При пуске котла необходимо также обеспечить надежное охлаждение всех поверхностей нагрева, как радиационных, так и конвективных. Отсюда следует, что температурный режим оборудования в процессе пуска является фактором первостепенного значения. Поэтому одно из важнейших условий обеспечения надежного пуска заключается в том, что повышение температуры металла всех узлов и элементов котла, паропроводов и турбины, называемое прогревом, должно осуществляться достаточно равномерно, плавно и с безопасной для оборудования скоростью.

Односторонний подвод тепла при прогреве обусловливает возникновение разности температур по толщине стенки деталей и связанных с ней термических напряжений в металле. Максимальному перепаду температур соответствуют и наибольшие термические напряжения по обе стороны стенки. Так при прогреве корпуса турбины на внутренней поверхности стенки возникает максимальное термическое напряжение сжатия, вдвое превышающее максимальное напряжение растяжения на наружной поверхности. Соответствующими расчетами определено, что для сталей перлитного класса, используемых в турбостроении, каждый градус разности температур в стенке корпуса соответствует термическому напряжению около 2 МПа. Поэтому большие разности температур могут обусловить термические напряжения, превышающие предел текучести металла, что приведет к возникновению остаточной деформации деталей и появлению в них трещин.

Особенно большие термические напряжения могут возникать в массивных и неправильной геометрической формы деталях и узлах (барабан котла, фасонные детали паропроводов, стопорные клапаны и фланцевые соединения турбины и др.). Следовательно, толстостенные элементы необходимо прогревать медленнее, строго соблюдая при этом надлежащее соответствие температуры греющего пара температуре металла. Сокращению температурной разности по толщине способствует также высокое качество материалов тепловой изоляции и ее выполнения.

Значительные термические напряжения в процессе пуска возникают в роторах ЧВД и ЧСД (РВД и РСД) турбины [2−19]. Наличие концентраторов напряжений на поверхности ротора может привести к появлению трещин вследствие малоцикловой усталости металла. В особенно тяжелых условиях оказывается весьма массивный РСД, омываемый паром с высокой температурой после промежуточного перегрева. Вследствие большой массы этот ротор не может быть прогрет должным образом до пуска турбины. Перечисленные обстоятельства, а также специфические свойства металла РСД в диапазоне пониженных температур обусловливают в ряде случаев необходимость специального его прогрева при малой частоте вращения. По указанным причинам термонапряженное состояние РВД и РСД также является одним из факторов, определяющих скорость пуска турбины.

Неравномерный и недостаточный прогрев элементов ротора и корпуса турбины может, кроме того, привести к недопустимой вибрации и задеваниям вращающихся частей о неподвижные и, следовательно, к прекращению пуска турбины и блока.

Вследствие различия масс и интенсивности теплоотдачи от пара к вращающимся и неподвижным частям элементы ротора при прогреве могут расширяться быстрее, чем корпус. Это приводит к росту относительного удлинения ротора и сокращению осевых зазоров в проточной части. Следствием чрезмерной скорости прогрева ротора может стать его недопустимое относительное удлинение, вызывающее задевание вращающихся частей о неподвижные. Опыт пусков показывает, что при поддержании термических напряжений в допустимых пределах относительные удлинения ротора, как правило, изменяются в безопасных пределах. Не допускается также большая разность температур верхней и нижней частей цилиндра, обусловливающая его выгиб. Значительный выгиб цилиндра может стать причиной задеваний и даже искривлений вала и вибрации.

Необходимо отметить, что существенные относительные перемещения роторов, а также разности температур по толщине стенки и между верхом и низом цилиндров могут иметь место и перед пуском турбины. Они являются следствием неравномерного остывания турбины после се останова и зависят от многих факторов. В инструкциях указываются предельные значения разности температур «верх-низ» цилиндров и относительного укорочения роторов, при которых пуск турбины разрешается. Высокое качество тепловой изоляции цилиндров, выполняемой, в частности, методом напыления, а также подача в передние уплотнения ЦВД и ЦСД пара от посторонних источников, температура которого соответствует тепловому состоянию вала и уплотнений, способствуют повышению надежности пуска неостывшей турбины после простоя любой длительности.

Контроль за состоянием турбины при пуске осуществляется по приборам, фиксирующим относительное удлинение и осевой сдвиг ротора; разность температур между верхом и низом цилиндра, по ширине фланцев, между фланцами и шпильками; искривление вала и вибрацию; тепловое расширение паропроводов и корпуса турбины и т. п. Предельные значения этих величин на отдельных этапах пуска указываются в инструкциях заводов-изготовителей и могут уточняться в процессе освоения оборудования и отработки его пусков.

Так, например, максимальная допустимая разность температур по ширине фланцев ЦВД и ЦСД, которые также могут оказаться в тяжелых условиях при пуске мощных паровых турбин, не должна превышать 100…120 °С. Применение специального внешнего обогрева фланцев паром улучшает их температурный режим и позволяет существенно снизить или даже получить отрицательную разность температур по ширине (внешняя сторона фланцев горячее внутренней). При осуществлении внешнего обогрева фланцев необходимо учитывать условия прогрева ротора, чтобы обеспечить допустимое его относительное перемещение. Здесь следует иметь в виду соотношение масс цилиндров и роторов. Поэтому внешний обогрев фланцев ЦСД ввиду отмеченных выше особенностей роторов ЧСД применяется не для всех типов турбин. Обогрев шпилек позволяет сократить разность температур между ними и фланцами и уменьшить напряжения в них, а также может способствовать. снижению температурных разностей по ширине фланца.

В инструкциях указываются, кроме того, допустимые скорости прогрева паропроводов, клапанов и цилиндров турбины. По мере повышения температурного уровня металла при пуске скорости прогрева обычно снижаются.

Из перечисленных выше факторов, определяющих термические напряжения при прогреве, управляемыми в процессе пуска являются температура пара, скорость прогрева и коэффициент теплоотдачи от пара к стенке. Последние два фактора в свою очередь зависят от расхода, температуры и давления пара. Поэтому управление прогревом при пуске турбины осуществляется соответствующим регулированием расхода пара, его температуры и давления, причем главным является регулирование температуры пара в соответствии с температурой металла.

Температура пара перед ЦВД и ЦСД при пуске турбины должна превышать температуру металла паровпуска. Это превышение определяется в зависимости от типа и конструктивных особенностей турбины и котла, их исходного теплового состояния и перед пуском с учетом дросселирования может достигать 100 °C. При пуске полностью остывшей турбины температура поступающего в нее пара должна примерно на 40 °C превышать температуру насыщения, соответствующую давлению, которое будет иметь место в турбине при трогании и повышении частоты вращения роторов.

Все это позволяет исключить охлаждение неостывших деталей в начале пуска, а также обеспечить наиболее благоприятные условия для прогрева турбины при пуске ее из любого теплового состояния.

С повышением исходного уровня теплового состояния турбины перед пуском требуется и более высокая температура свежего и вторично перегретого пара, не превышающая, однако, номинального значения. При прочих равных условиях меньшее различие указанных температур перед пуском турбины из любого теплового состояния требуется при более низком давлении пара вследствие уменьшения дросселирования. Отсюда следует, что надлежащее соответствие температур пара и металла проще достигается при пуске паром скользящих параметров. Скользящие параметры пара могут быть получены при блочном пуске котла и турбины. При этом температура и давление пара перед турбиной в процессе пуска повышаются с заданной скоростью;

Пуски барабанных котлов высокого давления проводятся с соблюдением следующих условий:

• 1) скорость повышения температуры насыщения в барабане — не более 2 °С/мин при разности температур верхней и нижней образующих до 40 °C [2−21];
• 2) расход пара (продувка) для надежного охлаждения труб пароперегревателя (включая его радиационные и ширмовые поверхности нагрева), равномерного прогрева контуров циркуляции и необходимого прогрева главных паропроводов должен составлять не менее 5% номинальной паропроизводительности в начале растопки и не менее 20% при давлении в барабане 8 МПа [2−22].

Для прямоточных котлов растопочный расход воды должен составлять 30% номинального [2−23], что обеспечивает минимальную по условиям надежности массовую скорость среды, в экранах 450…500 кг/(м²с) [2−24]. При этом минимальное давление среды в топочных экранах должно поддерживаться на уровне 12…13 МПа для котлов с рабочим давлением 14 МПа и 24…25 МПа при сверхкритическом рабочем давлении. При выполнении этих условий обеспечивается необходимая устойчивость гидравлических характеристик экранов в режиме растопки. Растопка котла при пониженном или скользящем давлении среды в экранах допускается только по согласованию с заводом-изготовителем после проведения специальных испытаний [2−23].