ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 2, 2014
УДК 621.165:539.4
© 2014 г. Шлянников В.Н., Ильченко Б.В., Яруллин P.P., Шззатуллин Р.З.,
Осипов Г.Т.
ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ПРИ УЧАСТИИ ЭНЕРГОБЛОКА В НОРМИРОВАННОМ ПЕРВИЧНОМ РЕГУЛИРОВАНИИ ЧАСТОТЫ
Проведены испытания натурных лопаток паровых турбин по методике имитационного моделирования эксплуатационного нагружения на серво-гидравлическом стенде. Представлена сравнительная оценка влияния на долговечность лопаток различных режимов работы турбоагрегата, в том числе при участии энергоблока в нормированном первичном регулировании частоты.
Частота электрического тока является одним из основных показателей качества электрической энергии и важнейшим параметром режима энергосистемы. Значение частоты показывает текущее состояние баланса генерируемой и потребляемой активной мощности в энергосистеме. Непрерывный контроль за частотой в ЕЭС России и ее регулирование является одной из функций ОАО "СО ЕЭС".
В связи с постоянным изменением потребления, а также в случае отключения генерирующего оборудования, линий электропередачи и других элементов энергосистемы в ЕЭС России постоянно возникают колебания баланса мощности, что приводит к отклонениям частоты от номинального уровня — 50 Гц. Согласно ГОСТ 13109-97, частота должна находиться в пределах 50 ± 0,2 Гц не менее 95% времени суток, не выходя за предельно допустимые 50 ± 0,4 Гц.
Регулирование частоты заключается в постоянном поддержании планового баланса мощности путем ручного или автоматического, а чаще их одновременного изменения нагрузки генераторов электростанций таким образом, чтобы частота все время оставалась близкой к номинальной [1, 2]. Существует три взаимосвязанных вида регулирования частоты: первичное регулирование частоты, которое, в свою очередь, подразделяется на общее первичное регулирование частоты и нормированное первичное регулирование частоты; вторичное регулирование; третичное регулирование.
Задача нормированного первичного регулирования частоты — обеспечение гарантированного первичного регулирования частоты для удержания ее отклонений в допустимых пределах при нарушении общего баланса мощности в любой части энергосистемы.
Нормированное первичное регулирование частоты и автоматическое вторичное регулирование частоты и перетоков мощности путем привлечения энергоблоков на тепловых электростанциях (ТЭС) являются разновидностями услуг по обеспечению системной надежности в электроэнергетике.
В рамках функционирования рынка услуг по обеспечению системной надежности в 2011 году ТЭС ЕЭС России начали оказывать услуги по нормированному первичному регулированию частоты и автоматическому вторичному регулированию частоты и перетоков мощности.
Привлечение энергоблока к нормированному первичному регулированию частоты сопровождается уменьшением зоны нечувствительности (ЗН) < ±10 мГц автоматических регуляторов скорости вращения турбин, что приводит к реагированию системы на относительно небольшие, но непрерывно действующие случайные по своей природе и потому знакопеременные изменения мощности в стационарных установившихся режимах, которые занимают почти все время работы турбоагрегата.
Некоторые специалисты считают, что систематический характер воздействия периодических колебаний крутильного момента порождает усталостные микро-разрушения в материале элементов конструкции агрегата турбина/генератор и резко ускоряет износ и сокращает сроки службы генерирующего оборудования электростанций.
Наиболее напряженными и ответственными деталями паровой турбины являются рабочие лопатки, от которых во многом зависит ее надежность и экономичность. Особенно чувствительными к систематическому изменению режимов работы турбины являются рабочие лопатки последних ступеней цилиндра низкого давления (ЦНД), имеющих значительную длину и собственную массу. Во время эксплуатации они испытывают действие центробежных сил вращения и аэродинамических сил потока пара, обусловленных перепадом давления на ступени [3].
Температура среды на последних ступенях не превышает 150°, поэтому явления ползучести и термоусталости в лопатках не реализуются. Коррозионная усталость рабочих лопаток характерна только для зон фазового перехода, где действуют механизмы концентрирования растворов высокой агрессивности. Одним из основных повреждающих факторов, приводящих к снижению надежности рабочих лопаток последних ступеней, является капельная эрозия. Она приводит к износу входных и выходных кромок рабочих лопаток под действием капель жидкости, натекающих на поверхность с большой скоростью, появлению концентрации напряжений и снижению конструктивной прочности и долговечности лопаток. Процесс воздействия капельной влаги на поверхность рабочей лопатки является чрезвычайно сложным и проведение исследований в этой области представляет собой самостоятельную задачу.
Целью настоящей статьи является сравнительная оценка влияния на долговечность рабочих лопаток различных режимов работы турбоагрегата путем натурных испытаний на электрогидравлическом стенде. Рассмотрены следующие виды нагружения рабочей лопатки: гармонический (соответствующего номинальной мощности турбины), программный (учитывающий изменение отбора мощности в строгой последовательности) и случайный (учитывающий изменение отбора мощности в произвольном порядке).
Объектом исследования являются рабочие лопатки 27-й ступени ЦНД турбины К-200-130 с наработкой в эксплуатации. Испытаниям на стенде подвергнуты лопатки с идентифицированной наработкой в эксплуатации, которые в качестве наследственной информации содержат накопленную внутреннюю поврежденность и поверхностные дефекты на внешней поверхности пера и хвостовика. Оснастка стенда спроектирована и изготовлена так, чтобы воспроизвести силовые факторы эксплуатационного нагружения при имитационном моделировании. Узлы крепления лопаток на испытательном стенде соответствуют вильчатому замковому соединению лопатки с диском турбины.
Для проведения испытаний лопаток использована универсальная испытательная машина фирмы BISS Axial Torsion Test System Bi-01-102-AT 100 kN, позволяющая реализовать совместное нагружение растяжением и кручением при статическом и циклическом деформировании.
В работе [4] разработана и обоснована методика имитационного моделирования эксплуатационного нагружения рабочих лопаток паровых турбин и представлены основные принципы для ее реализации.
Первым и самым важным принципом является обеспечение подобия напряженно-деформированного состояния (НДС) в контрольных зонах имитационного образца при проведении испытаний и при эксплуатации реальной конструкции. При этом в
контрольной зоне имитационной модели должна быть воспроизведена как качественная, так и количественная картина распределений полей напряжений и деформаций.
Вторым принципом является соблюдение соответствия экспериментального и эксплуатационного профиля нагружения — статического, циклического, случайного, программного, динамического, ударного или иного.
Соблюдение следующего принципа свидетельствует о корректности схемы напряженного состояния, реализованного в имитационном образце. Сам принцип заключается в том, что место образования дефекта и начала развития трещины, форма ее траектории в имитационном образце должны совпадать с тем, что наблюдается на практике в реальной конструкции.
В результате проведенных расчетов установлено [4], что для достижения заданного значения уровня напряжений в контрольном сечении <зе = 680 МПа необходимо при проведении испытаний приложить к лопатке крутящий момент М = 900 Н ■ м и растягивающее усилие Р = 15 кН, причем основной вклад вносит величина крутящего момента М. Данный параметр должен быть основным нагружающим фактором при проведении имитационных испытаний рабочих лопаток.
Согласно второму принципу реализации методики имитационного моделирования необходимо воспроизвести эксплуатационные режимы работы оборудования. Этот этап подразумевает программную реализацию в испытаниях эксплуатационных режимов нагружения, так как базовое программное обеспечение, поставляемое с испытательным оборудованием, должным образом не учитывает специфику принципов имитационного моделирования. В связи с этим возникла необходимость написания подпрограммы по генерации случайного шага нагружения.
Режимы работы турбины были поставлены в соответствие нагрузке на силовом приводе испытательной установки. Спектр нагрузок был условно разбит на и-е количество схем с заданными параметрами гармонического нагружения по синусоидальному закону. Основная задача состояла в реализации случайного спектра нагружения с заданной вероятностью выпадения одного из нескольких эксплуатационных режимов работы. Данная подпрограмма позволила реализовать случайное выпадение одного из и заданных режимов работы силовой установки с заранее определенным шансом.
Принцип работы реализован с помощью показанного на рис. 1 упрощенного алгоритма подпрограммы. В процедуре генерации следующего шага нагружения проводится проверка равенства общего количества текущему циклу нагружения. При их равенстве происходит выход из программы и испытание считается завершенным. Данный алгоритм реализован в виде функции возвращающей номер индекса массива схем нагружения.
Следующим этапом работы является выбор вида нагружения рабочих лопаток паровых турбин в условиях, соответствующих эксплуатационным. Напомним, что цель работы состоит в сравнительной оценке долговечности рабочих лопаток при следующих видах нагружения: гармонического (соответствующего номинальной мощности турбины), программного (учитывающего изменение отбора мощности в строгой последовательности) и случайного (учитывающего изменение отбора мощности в произвольном порядке). Вполне понятно, что схема нагружения на испытательном стенде полностью не воспроизводит распределения характера действующих нагрузок, но точно моделирует последовательность их воздействия. Для целей сравнения последовательностей приложения нагрузок, т.е. характер их распределения по объему лопатки можно смоделировать приближенно, но с необходимым условием
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.