Расчет турбины К-200-130

Исследования  виброактивности  регулирующих клапанов системы парораспределения  ЦВД паровой турбины  К-200-130

     Представлены  результаты исследований виброактивности  регулирующих клапанов цилиндра высокого давления паровой турбины К-200-130-4. Определены амплитудно-частотные характеристки системы парораспределения для различных режимов эксплуатации энергоблока. Установлена связь неустойчивых режимов в работе регулирующих клапанов с вибрационными характеристиками подшипников ротора высокого давления турбины. Отработана система измерений пульсаций давления, как аналога для формирования канала диагностики в системе мониторинга турбоагрегата.

     При эксплуатации различных типов и  модификаций энергетических паровых  турбин отмечаются систематические повреждения элементов их органов парораспределения. В большинстве случаев упомянутые повреждения обусловлены обрывами штоков регулирующих клапанов, искажениями поверхности прилегания чаши клапана к седлу, выпрессовкой седел, а также отклонениями в фиксации сегментов сопел регулирующей ступени. К наиболее распространенным неполадкам в системах парораспределения относятся износ элементов подвески штоков, уплотнительных букс и поршневых колец. Износу подвергаются также тяги, серьги подвески, ограничительные шпильки прижимных пружин, элементы шарнирных соединений и детали механизмов передачи усилий от сервомоторов.

     Анализ  характера повреждений и результаты исследований, выполненных сотрудниками ЦКТИ, ЛМЗ и МЭИ, свидетельствуют об их вибрационном происхождении. Другими словами, причина частых повреждений и поломок различных элементов системы парораспределения паровых турбин связана с наличием низко и высокочастотных колебаний, приводящих к относительно быстрому набору критического числа циклов их нагружения и, прежде всего, деталей конструкции регулирующего клапана. Так, за три часа эксплуатации детали при частоте нагружения f=100 Гц число циклов достигает значения 106. Зачастую высокочастотные колебания сопровождаются характерными звуковыми эффектами (“пение” клапанов). Отмечаемые эффекты в форме “стука отбойного молотка” свидетельствуют о присутствии низкочастотных колебаний. Все это говорит о возможности возникновения прогрессирующих явлений различных форм усталости элементов рассматриваемой системы, включая малоцикловую и звуковую.

     В значительной мере источники и природа  явлений неустойчивости исследованы, а их анализ представлен в ранее  приведенной ссылке на ряд научных  работ. Так, возникновение автоколебательных  процессов в регулирующих клапанах объясняется эффектами статической неустойчивости, запаздыванием парового усилия в объемах клапанной и сопловой коробок, переменой знака парового усилия на чаше по мере открытия клапана. Продольные автоколебания могут формироваться вследствие инерционности потока рабочей среды, когда помимо парового усилия на чаше появляется дополнительная возмущающая сила. При совпадении частоты основного тона продольных колебаний чаши и штока клапана с собственными частотами парового объема сопловой коробки и патрубков подвода рабочей среды возникают акустические резонансы, приводящие к росту амплитуды колебаний давления за чашей клапана. Теоретический анализ динамико-акустических характеристик системы "регулирующий клапан – паропровод - сопловая коробка" применительно к паровым турбинам с выносными клапанами выполнен в работе. Его результаты показали, что при сверхкритических режимах течения рабочей среды в сопловых решетках регулирующей ступени пульсации давления приводят в действие переменные усилия в окружном направлении соплового сегмента с амплитудами в несколько десятков килоньютонов, а в осевом направлении - сотен килоньютонов. Такие усилия становятся причиной повреждений сопловых сегментов.

     Опыт  эксплуатации регулирующих клапанов паровых  турбин позволил выработать способы и методы повышения их вибрационной надежности, которые систематизированы. Например, отстройка от резонанса возможна путем изменения собственных частот механических колебаний клапанной системы или ее звеньев, а так же частоты внешних возмущающих сил посредством изменения геометрических и массогабаритных параметров (диаметра и длины штока клапана, массы его чаши и пр.). В некоторых случаях кардинальной мерой является полная замена конструкции клапанов с изменением посадочных диаметров. Положительные результаты дала модернизация клапанов, заключающаяся в отказе от поршневых колец и введении парового нагружения чаши с помощью окон в защитном стакане. Известно, что виброактивность регулирующих клапанов резко возрастает не только при малых степенях открытия клапана, но и в области зоны перемены знака парового усилия. В этом случае работа возмущающих сил увеличивается вследствие роста амплитуды колебаний из-за люфтов в сочленениях элементов подвески клапана или его передаточного механизма. В связи с этим эффективными являются такие мероприятия, которые связанны с нейтрализацией люфтов, устранением неплотностей и подтяжкой резьбовых соединений. В ряде конструкций РК их виброактивность снижают путем использования различных схем демпфирования. Повышение вибрационной надежности клапанов в эксплуатационных условиях достигается реализацией ряда режимных ограничений. Речь идет об изменении электрической нагрузки энергоблока для выведения виброактивного клапана из области его малых открытий. Если же необходимо в течение длительного времени поддерживать заданную нагрузку, то осуществляют перестройку системы регулирования, изменяя последовательность открытия РК.

     Очевидно, что неустойчивость в работе регулирующего  клапана в той или иной мере определяется аэродинамической природой нестационарных процессов в проточной части его каналов. Эти процессы, как источники автоколебаний, можно условно классифицировать по акустической, волновой и вихревой формам проявления аэродинамических особенностей течения. Так акустическая неустойчивость обусловлена особенностями истечения струи водяного пара в области чаши клапана. Камера сопловой коробки, как акустическая система, выбирает из поступающей в нее рабочей среды (шума) соответствующие полосы частот и усиливает их. Усиление колебаний происходит в том случае, если скорость поступления энергии в данной моде колебаний превышает скорость диссипации энергии. Основными факторами усиления колебаний здесь являются регулярные пульсации давления и изменения проходных сечений системы.

     Частоты колебаний определяются геометрией присоединенных к РК камер, импендантами их входного и выходного сечений, а также скоростью звука рабочей  среды. При данном виде неустойчивости могут возбуждаться как продольные, так и радиальные (тангенциальные) моды колебаний. Волновая неустойчивость оценивается эффектами сверхзвуковых течений, которые могут происходить в области чаши клапана при малых его открытиях. Частотные характеристики колебаний в этом случае формируются нестационарностью различных видов волновых явлений (скачки уплотнения, волны разрежения и сжатия).

     Вихревая  неустойчивость определяется эффектами  вихревых образований и закрутки потока. При движении вихрей с частотами, совпадающими или превышающими в  нечетное число раз собственные  акустические частоты камеры, возникают явления резонанса, при котором амплитуда пульсаций давления существенно возрастает. Поскольку течение в клапанной коробке и за чашей клапана является закрученным, то могут формироваться прецессионные колебания потока и чаши. Если частота прецессии совпадает с собственной частотой акустических колебаний сопловой коробки, то происходит возбуждение колебаний. Обычно прецессия вихревого ядра (ПВЯ) за чашей клапана формирует низкочастотные колебания давлений большой амплитуды. Резонирующими полостями являются также трубы и патрубки подвода пара к РК. Следует отметить, что приведенные аэродинамические процессы в регулирующих клапанах паровых турбин а также различные формы поперечных колебаний чаши, определяемых, например, эффектами “галлопирования”, практически не исследованы. В целом для неустойчивости системы характерно взаимодействие между процессами происходящими в РК и всеми другими компонентами системы (трубопровода подвода острого пара, сопловой коробкой, элементами регулирующей ступени). Каждый компонент на поступающее в него возмущение реагирует с некоторым запаздыванием. Это вызывает зависящие от частоты входящего импульса сдвиг фазы и изменение амплитуды в возмущениях, выходящих из рассматриваемого компонента.

     Очевидно, что виброактивность регулирующих клапанов ЦВД напрямую связана с общим вибрационным состоянием турбоагрегата и в большей степени с вибрацией ротора высокого давления (РВД). Эта связь при сопловом парораспределении турбины обусловлена воздействием на ротор пульсаций давления (расхода) водяного пара, расширяющегося в той части сопловой решетки регулирующей ступени, которая обслуживается вибронеустойчивым клапаном. Следствием повышенной вибрации валопровода турбины является рост повреждаемости ее подшипников. Важно отметить, что все рассматриваемые проблемы возникают, как правило, при переходных режимах и несении частичных нагрузок турбоагрегатом. Шатурская ГРЭС-5 выполняет в рамках ОАО “Мосэнерго” функции полупиковой электростанции и большинство ее энергоблоков работают в переменных режимах нагрузок с частыми пусками и остановами Отмеченные обстоятельства потребовали для системы вибромониторинга турбин К-200-130 разработки диагностируемого признака, определяющего как уровень виброактивности РК, так и степень ее влияния на уровень вибрации валопровода турбоагрегата.

     Рис. 1.1 Схема автоматизированной системы измерений пульсаций давления в регулирующих клапанах паровой турбины К-200-130. 

     Для решения этой задачи требуется получение  амплитудно-частотных характеристик регулирующих клапанов конкретной турбины энергоблока при различных режимах его эксплуатации, включая режимы пусков и остановов. Параллельно решалась задача проверки технических средств реализации измерительного канала для системы мониторинга. Схема автоматизированной системы измерений пульсаций давления, использованная в данной работе, представлена на рис.1. По согласованию с АООТ “Ленинградский металлический завод” для исследования были выбраны клапаны РК2 (разгруженный) и РК3 (неразгруженный). Посадочный диаметр регулирующих клапанов D=150 мм. Особенностями конструкции клапанов являются наличие защитного стакана и выполнение чаш колоколообразной формы с перфорированной отверстиями кормовой частью. Диаметр разгрузочного клапана d=46 мм.

     Точка отбора давлений за РК2 находится на внутренней поверхности диффузорного канала седла клапана и соединяется с приемной частью датчика пульсаций посредством штатной импульсной линии к манометру, регистрирующему давление за клапаном. Датчик пульсаций давлений в РК3 установлен непосредственно в корпусе клапана и позволяет регистрировать пульсационные характеристики за диффузорным каналом его седла. Поскольку характеристики подъема штоков клапанов РК1 и РК2 близки, а клапан РК4 в большинстве режимов эксплуатации энергоблока закрыт, то информацию, получаемую от двух датчиков для данной системы парораспределения, можно считать представительной.

     Выбор типа датчика пульсаций давления осуществлялся из условий возможности  его применения при высоких давлениях  перегретого водяного пара (р0=13 МПа), а также при сложных температурных состояниях рабочей среды и корпусных элементов турбины (t=550 0С). Частотная характеристика датчика должна соответствовать измеряемым колебаниям давления с частотами до нескольких килогерц. Были установлены требования к статической точности, чувствительности к изменению внешних условий эксплуатации датчика, виду и значению выходного сигнала. В результате был выбран индуктивный тип датчика модификации ДДИ-21 в комплекте с высокочастотным нормирующим преобразователем НПДД (см. рис.1). Для сбора информации в персональном компьютере использовалась плата АЦП серии L-1250.

     Запись  информации в ЭВМ осуществлялась с помощью программ исполнителей с промежутком времени 10 минут  в течение 1,5 месяцев эксплуатации энергоблока. Обработка файлов с полученной информацией проводилась программами спектральной обработки и статистического анализа. Выполнялся гармонический анализ спектров пульсаций давления и вибрации в зависимости от времени для многочисленных режимов работы турбоагрегата по его нагрузке. Для регистрации вибрации опор РВД турбины использовался портативный многоканальный виброкомплекс производства НПП “МЕРА”. Измерялись вертикальная и горизонтально-поперечная составляющие вибрации корпусов подшипников. Обработка результатов измерений уровней вибрации проводилась с помощью программной инструментальной среды ПОС НПП “МЕРА”. При вибрационном анализе выделялся частотный диапазон 10…1000 Гц.

     Далее представлена выборочная информация о  пульсационных характеристиках  регулирующих клапанов ЦВД турбины К-200-130 для наиболее характерных режимов ее эксплуатации, к которым относятся режимы пуска, останова и ряда режимов длительного несения постоянной нагрузки. Эта информация дается в форме графиков пульсаций давления (спектральных характеристик) для различных диапазонов по частотам, которые необходимо учитывать при создании системы вибромониторинга. Полученные спектрограммы свидетельствуют о нестационарности процессов течения рабочей среды в каналах системы парораспределения. В качестве примера (рис. 1.2) рассматривается диапазон частот пульсаций давления от 450 до 600 Гц во временном отрезке с 11:00 до 14:20 при изменении нагрузки турбины от 80 до 110 МВт.

     На  данной спектрограмме по вертикальной оси отложен диапазон зафиксированных значений пульсаций давления (от 0 до 1,2 МПа с интервалом 0,3 МПА), по горизонтальной оси - диапазон частот (от 450 до 600 Гц с интервалом 37,5 Гц), а по третьей оси соответствующий диапазон времени регистрации. Спектрограммы представлены с градуировкой интервала времени dt=20 мин, т.е. в одном отрезке шкалы показаны два спектра пульсаций давления. Видно весьма существенное изменение не только амплитуд отдельных гармоник, но и частот этих гармоник. Так, например, в 11:10 (вторая запись по времени) наибольшей является гармоника с частотой около 590 Гц и амплитудой пульсаций на уровне 0,6 МПа. В следующей записи по времени частота уменьшается до 580 Гц, а амплитуда увеличивается до 1,1…1,2 МПа. Вследствие того, что нижняя сопловая коробка обслуживается регулирующим клапаном РК3, который закрыт в данном режиме, наличие пульсационных характеристик в спектрограмме нижнего датчика говорит об аэродинамической связи сопловой коробки и регулирующей ступени. При этом обнаружена общность, как в частотном спектре, так и в уровне амплитуд пульсаций для рассматриваемых элементов ЦВД.