МОДЕРНИЗАЦИЯ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ НД
ТУРБОАГРЕГАТА МОЩНОСТЬЮ 500МВТ НА ПАНЬ ШАНЬ ТЭС

Содержание
1) Общий
2) Принцип оптимальной модернизации
3) Техника применнённая при модернизации
4) Вариант капитального ремонта для восстановления ЦВД и ЦСД
5) Вариант модернизации ЦНД
6) Предметы требуемые измерения на место для модернизации
7) Сводка данных рабочих лопаток для модернизированной части турбины
8) Вывод

1. Общий
№1 и №2 блоки на Пань Шань ТЭС представляют собой турбины К-500-240-4 изготовленные ЛМЗ бывщего СССС. Это турбина на сверхкритические параметры пара, одновальная, четырехцилиндровая, конденсационная, с однократным промежуточным перегревом пара и четырьмя выхлопами. В то время как уровень проектирования и изготовления, так и средство проектирования были ограничены, поэтому турбина такого типа имеет некоторые проблемы в области её экономичности и надёжности.

Расчётный удельный расход тепла петто этой турбины 1945,61 ккал/кВт-ч, намного хуже чем 600МВт отечественного (китайского) двухцилиндрового туброагрегата на докритические параметры пара с двумя выхлопами (расчётный удельный расход тепла петто которого примерно 1900 ккал/кВт-ч). Её КПД ЦНД также имеет больше расницу по сравнению с настоящим уровнем проектирования и изготовления в Китае, даже ниже чем отечественного (китайского) 200МВт туброагрегата сверхвысокого давления. В 2003 г. при испытании на КПД агрегата К-500-240-4 измеренный удельный расход тепла перед капремонтом был 2019,39 ккал/кВт-ч и посде капремонта был 1926,16 ккал/кВт-ч. С другой стороны КПД ЦНД также только был 76%. В результате этого можно в основном прийти к выводу, что главной причиной низкой экономичности этого агрегата является слишко низкий КПД ЦНД. С другой стороны при таком испытании измеренный КПД ЦСД был относительно высокий (выше чем 93%), что также является одной объективной причиной низкого КПД ЦНД.

При модернизации ЦНД также исполнена двухпоточная постановка. Это значит, что общее число ступеней в двух ЦНД -- 2 х 2 х 5 с 900мм лопаткой последней ступени. Со дня впуска в эксплуатацию №1 и №2 блоков в 1995 г. и 1996 г. соответственно, возникли поломки и повреждения лопаток НД (высота исходной лопатки последней ступени 960мм) не один раз.

В связи с этом необходимо выполнить техническое преобразование этого агрегата для того, чтобы повысить его экономичность, безопасность и надёжность и усовершенствовать его характеристику и конструкцию. Используя успешно проверенные опыты полученные раньше при модернизации туброагрегатов и передовую технику, Харбинский турбинный завод (ХТЗ) осуществует модернизацию ЧНД для №1 и №2 блоков на Пань Шань ТЭС.

2.Принцип оптимальной модернизации
При модернизации соблюдаем следующие принципы:

1\ Выполнять модернизацию изходя из предпосылки сохранения исходных параметров пара и тепловой смехы туброагрега без изменения;

2\ В основном сохранять исходный наружный габарит туброагрегата и сохранять направление вращения без изменения;

3\ Сохранять настоящее положение как стопорных и регулирующих клапанов, так и корпусов подшипников без изменения;

4\ Сохранять исходный способ соединения с генератором и исходное положение;

5\ В первую очередь обеспечивать безопастность и надёжность туброагрегата, использовать успешно проверенную технику и удалять слабые звены в исходных деталях и компонентах туброагрегата, чтобы повысить готовность и надёжность туброагрегата;

6\ Используя современную технику проектирования проточной части паротурбины и применя способ проектирования полного трёхмерного течения, производить техническое преобразование проточной части НД с целью сбережения энергии, понижения затраты и повышения экономичности;

7\ Позволять туброагрегату иметь более высокую экономичность после модернизации;

8\ Проектирование, изготовление и проверка должны соответствовать требованиям действующих международных, государственных и отраслевых стандартов;

9\ После оптимальной модернизации контролируемое напряжение туброагрегата при эксплуатации должно соответствовать требованиям изменения эксплуатационных параметров исходного туброагрегата.

3.Техника применнённая при модернизации
(1)Концепция передового проектирования поля течения применённая в процессе модернизации
По мере развития современных науки и техники, в частности по мере быстрого развития за ближайщие годы средства численного расчёта и техники аппаратных средств ( хардверов) компъютера, удался существенный прорыв вычислительной гидрогазодинамики (CDF) в области трёхмерного расчёта и поэтому техника численной аналогии трёхмерного вязкого течения получила всё широкое распространение в экспериментальном исследовании и проектировании турбомашин. Введение такой передовой техники намного сокращает период проектирования, повышает термический КПД и понижает стоимость изготовления туброагрегата. Употребление и развитие этой передовой техники двигает развитие проектирования проточной части современных паровых турбин вперёд. Сегодня способ проектирования проточной части паровых турбин на основе одномерного/ двухмерного/квазитрёхмерного/полно-трёхмерного аэродинамического и теплодинамического анализа и расчёта уже становится зрелым. В качестве представителя проектирования проточной части паровых турбин третьего поколения, изогнутая по радиусу лопатка (саблевидная лопатка) путём полно-трёхмерного профилирования уже входит в этап промышленного употребления. Проектирование и изготовление лопаток уже входит в этап полно-трёхмерного исполнения. Употребление трёхмерного кривого физического профилирования лопаток при помощи программных средств (софтверов) передового трёхмерного CAD и обработки на трёх-пятишпиндельных станках с ЧПУ существительно повышает качество и точность изготовления лопаток, сокращает период проектирования и изготовления лопаток и очевидно улучшает её КПД по сравнению с паротурбнами второго поколения (проектированнами путём техники контролируемого вихревого течения). Сегодня почти все ведущие в мире изготовители мощных паровых турбин как Siemens,Alstom，GE, Toshiba и т. д. активно исследуют и разрабатывают паровые турбины нового поколения с саблевидными лопатками при помощи современной техники и некоторые такие продукты уже вводят в рынок. Харбинский турбинный завод (ХТЗ) представляет собой один из первых в мире изготовителей исследующих и применяющих саблевидные лопатки. Теперь саблевидные лопатки уже широко употребляются как в проектировании проточной части современных паротурбин, так и в модернизации устаревших туброагрегатов.

Кроме использования системы полно-трёхмерного аэродинамического и теплодинамического проектирования многоступенчатых паротурбин имеющей настоящий передовой уровень, ХТЗ также улучшает критическую технологию производства и вводит крупные прецизионные оборудования обработки. В результате этого технология производства и качество продукций достигают до нового уровня, и таким образом обеспечивают характеристику турбоагрегата достигающую настоящего передового уровня.
Главные характеры такой передовой системы проектирования как следующие:

☆ Осуществлять детальный одномерный/квазитрёхмерный расчётный анализ и оптимизацию проекта для свойства течения в различных сечений профили рабочих и неподвижных лопаток каждого венца;

☆ Осуществлять полно-трёхмерный расчётный анализ и оптимизацию проекта для течения внутри решетки рабочих и неподвижных лопаток каждого венца;

☆ Осуществлять квазитрёхмерный и полно-трёхмерный расчёт и оптимизацию проекта для поля течения в рабочих и неподвижных лопаток каждого венца ЦНД с целью оптимального взаимного расположения;

☆ Осуществлять полно-трёхмерный расчёт и оптимизацию проекта для поля течения во всех ступенях ЦНД, включая уплотнения с целью комплексной оптимизации.

(2)Самая новая полно-трёхмерная техника применнёная в процессе модернизации

(2.1) Профиль лопатки с нагрузкой на её заднюю часть нового поколения
Использовать новый профиль лопатки с осуществлением трёхмерного профилирования с гладкой поверхностью формированной сплайнами высоких порядков при помощи коммерческого софивера CATIA. Осуществлять детальный анализ вязкого течения для полно-трёхмерного поля течения проточной части при помощи ныне универсального в мире коммерческого софивера CFX-TASCflow. Производить комбинированный многоступенчатый расчёт с учётом рационального расположения и взаимного влияния между ступенями для того, чтобы позволить проекту приблизить реальное состояние поля течения. В результате всего этого геометрический входной угол рабочих и неподвижных лопаток всех ступеней отвечает требованиям аэродинамического проектирования, угол атаки рабочих и неподвижных лопаток по радиусу очень маленький и вторичная потеря около торцевой стенки понижается.

Его очевидные особенности как следующие:
☆ Максимальная аэродинамическая нагрузка размещается на задней части канала решётки, поэтому вторичная потеря понижается;
☆ Обе стороны давления и разрежения лопаток состоят из непрерывных гладких кривых формированных сплайнами высоких порядков, и следовательно понижается профильная потеря;
☆ Круглая входная кромка лопаток имеет более маленький радиус и более благоприятную обтекаемую форму, поэтому потеря в решётке при колебании угла атаки в широком диапазоне низка;
☆ Выходная кромка лопаток более тонкая с маленьким радиусом, поэтому кромочная потеря уменьшается;
☆ В связи с увеличением найбольшей толщины профили, жёсткость лопатки повышается.

Теоретический анализ и экспериментальная проверка доказали, что КПД этого нового профиля намгого повышается. Особенно надо указать что потеря в профиле лопатки с нагрузкой на её заднюю часть при колебании угла атаки в пределах ±30˚ низкая, а низкую потерю в старом профиле лопатки можно поддержать только при колебании угла атаки в пределах ±20˚. Это значит, что вновь проектированная проточная часть может поддерживать более высокий КПД даже при большом изменении нагрузки (расхода пара) и способствует энергоблоку в покрытии пиковой нагрузки. Вообще КПД профиля лопатки с нагрузкой на её заднюю часть может повышаться на 2%.

Рис1 Профильная потеря Обшая потеря Хорда/ высота лопатки	Рис.2 Сопоставление угла атаки Угол атаки Профиль в форме<рыбная головка>

Применяя вторую ступень НД как типичную анализировать результат расчёта. Основная часть профильной потери находится на стороне разрежения и на участке выхода имеющем отрицательный градиент давления. Как видно из Рис.4, что пограничный слой на стороне разрежения лопатки этой ступени двигается в большем диапазоне по аксиальной хорде под действием более большого положительного градиента давления. Толшина пограничного слоя увеличивается очень медленно и начинает изменяться наоборот только вплоть до конца участка имеющего положительный градиент давления, т.е. до конца участка акселерации. Пограничный слой может выдвигаться из выходной кромки только когда его превращается в ламинарное течение. Поэтому профильная потеря этой ступени безусловно очень маленькая.

Как видно из Рис.3, что максимальная аэродинамическая нагрузка размещается на задней части канала решётки и поперечный градиент давления в передней части обеих сторон давления и разрежения относительно маленький. Возникновение вторичного течения на торце в основном зависит от разницы давления между вогнутой и выпуклой сторонами лопатки и поэтому применение такого профиля лопатки с нагрузкой на её заднюю часть ослабляет вторичное течение на верхнем и нижнем торцевых стенках.

Рис. 3 Рис. 4
Распределение давления на поверхностях рабочих лопаток второй ступени НД

(2.2) Массовое применение направляющих лопаток с нагрузкой на их заднюю часть путём полно-трёхмерного профилирования

Изогнутая по радиусу направляющая лопатка (т.е. саблевидная лопатка) сосредоточно выражает передовую технику применённую в паровых турбинах третьего поколения. Многочисленное теоретическое исследование и практика выполненные во всех странах доказали, что применение такой техники может повышпть КПД ступени паротурбин на 1,5 ~ 2%. Через расчётный анализ и экспериментальное исследование ХТЗ уже разработал целую серию саблевидных лопаток с различными высотами, которые теперь широко применены в проточных частях паровых турбин мощностью 600МВт, 300МВт, 200МВт и 100МВт изготовленных ХТЗ. Изгибающая по обеим торцам плюс закрученная лопатка применяется к ЦВД и ЦСД, а изгибающая только на вершине, а не на корне ( или также немного изгибающая на корне) лопатка плюс закрученная лопатка с переменным по высоте профилем применяется к ЦНД. Расчёт и эксперимент доказали, что общая потеря саблевидных лопаток уменшается на 1/4 или больше по сравнению с традиционными прямыми (или закрученными) лопатками.

(2.3) Полно-трёхмерное проектирование с комплексной оптимизацией, включая
уплотнения

Свойство системы традиционных неконтактных уплотнений имеет очень большое влияние на характеристику турбомашин дискового типа. Без учёта влияния утечки в уплотнениях оптимальное полно-трёхмерное проектирование проточной части паровых турбин приведёт к односторонному результату и не может действительно выражать реальное состояние течения в поле течения. Раньше система уплотнений проектирована полуэмпирическим методом и имеет большую ограниченность. Без учёта уплотнений полно-трёхмерное проектирование приведёт к невсесторонному результату. Поэтому мы выполнили численный аналог включая уплотнения, который показал, что поток утечки оказывает основному потоку сильное действие. После входа в канал рабочих лопаток поток утечки развивается в сильную вихрь утечки, напряжённость которой очевидно превышает канальную вихрь в размере и напряжённости и следовательно приведёт к большей потере. С другой стороны, при движении в зазоре диафрагменного уплотнения поток пара в основном не поворачивается тангенциально, что приведёт к большому отрицательному углу атаки в зоне корня рабочих лопаток подвергнутой влиянию потока утечки, даже к возможному отрыву потока в стороне давления профиля в корневом сечении.

Согласно результату численного анализа уплотнений, мы взяли соответственные меры при модернизации проточной части: применить лабиринтовое уплотнение и по возможности уменьшить зазоры в нём, чтобы понизить утечку пара. В то время принять расчётное значение геометрического входного угла профиля в корне рабочих лопаток соответственно больше чем относительного входного угла.

(2.4) 900мм рабочая лопатка последней ступени нового поколения

ХТЗ обладает самой сильной в стране способностью проектирования и изготовления длинных лопаток последних ступеней и в течение 50 лет поочередно проектирует и изготовляет целую серию длинных лопаток составленную из больше 10 типов с высотой 432мм ~ 1200мм. Эти длинные лопатки теперь широко применяются на 25МВт ~ 600МВт

турбоагрегатах на докритические параметры пара, 650МВт атомных паротурбинах,
600МВт и 1000МВт турбоагрегатах на сверхкритические и ультра-сверхкритические
параметры пара. Практика многолетной эксплуатации этих агрегатов доказала, что все эти
длинные лопатки эффективные, безопасные и надёжные.

900мм рабочая лопатка представляет собой лопатку последней ступени нового поколения, разработанную и проектированную собственно ХТЗ на основании самой передовой техники. Поле течения проектированно с использованием новейшей техники трёумерного течения при применении саблевидных направляющих лопаткок с нагрузкой в их заднюю часть и рабочих лопаток с обратной закруткой по её высоте. В результате этого улучшают распределение параметры по высоте лопаток, существенно уменьшают радиальную и торцевую вторичную потерю, рационально распределяют скорость по профилю, избегают срыва потока, уменьшают волновую потерю, повышают степень реактивности на корневом сечении лопаток последней ступени до 35%. Всё это способствует эксплуатации при переменном режиме, повышает способность и безопасность эксплуатации при низкой нагрузке, улучшает характеристику покрытия пиковой нагрузки, и также понижает потерю утечки в уплотнениях направляющих лопаток. Вообще 900мм рабочая лопатка последней ступени имеет отличное свойство.

Изограмма Маха на S2 поверхности 900мм рабочей лопатки последней ступени

До сих пор ХТЗ уже разработал и спроектировал три поколения 900мм рабочей лопатки последней ступени. 900мм рабочая лопатка первого поколения имеет арочный бандаж, свободную трубчатую проволочную связь с круговым замыканием, и ёлочный хвостовик с круговой заводкой, и начала применяться в последней ступени 300МВт агрегате ХТЗ с 1991 года. При эксплуатации агрегата такого типа была обнаружена поломка арочного бандажа. Для того чтобы избегнуть такой проблемы, ХТЗ собственно разработал 900мм рабочую лопатку второго поколения, имеющую цельнофрезерованный бандаж с польным объединением, свободную трубчатую проволочную связь с круговым замыканием, и ёлочный хвостовик с круговой заводкой, которая впустила в эксплуатацию с 1996 года на многих ТЭС и в течение больше 10 лет доказала её безопастность без отказов. По мере повышения уровня проектирования и улучшения средств изготовления, в 2008 г. ХТЗ опять разработал 900мм рабочую лопатку третьего поколения имеющую самый передовой в мире цельнофрезерованный бандаж с уплотнением, втулочную проволочную полку и ёлочный хвостовик с круговой заводкой (см. Рис.5), и следовательно её безопастность и надёжность получили дальнейшее повышение.

Главные пункты улучшения для 900мм рабочей лопатки третьего поколения как следующие:

А) Применять сплошную и свободную проволочную связь разрезанную пополам с круговым замыканием взамен свободной трубчатой проволочной связи с круговым замыканием.

Б) Применять бандаж новой конструкции позволяющий стеллитовой пластинке удлинять вплоть до поверхности бандажа и следовательно повышать его способность против эрозии.
в. Добавлять другой зуб уплотнения прямо на бандаже. Лопатка последней ступени работает в зоне влажного пара и влага образованная в паре двигает по стенке цилиндра, следовательно избежают явления эрозии гребени вставленной в исходный цилиндр. При этом зуб уплотнения имеет тонкий кончик, который повышает безопасность лопаток при эксплуатации.

Г) Применять втулочную проволочную полку заодно с лопаткой и следовательно понижать уровень напряжения профили в месте отверстия для проволочной связи и напряжение собственно проволочной связи.

Втулочная проволочная полка	Бандаж Рис. 5 Новая 900мм лопатка

 

Сводка расчётных частот 900мм лопатки (Гц)
Число узлового диаметра	М0	М1	М2	М3	М4	М5	М6	М7	М8
Первая форма колебания	95,5	148,5	166,7	171,9	174,9	176,7	177,9	178,9	179,6
Вторая форма колебания	167,5	185,3	271,3	318,6	323,6	324,7	325,2	325,5	325,7

Наименование	Ед.	Расчётное напряжение	Допустимое напряжение
Растягивающее напряжение корни профиля	МПа	381,6	419
Общее напряжение корни профиля	МПа	466,4	503
Сложное напряжение зуба хвостовика	МПа	280,9	336
Напряжение снятия зуба хвостовика	МПа	478	503
Растягивающее напряжение в сечении D-D хвостовика	МПа	245,9	302
Сложное напряжение зуба обода	МПа	244,5	338
Напряжение снятия зуба обода	МПа	478	507
Растягивающее напряжение в сечении 4-4 обода	МПа	233,2	304
Материал лопатки	-	Ocr17Ni4Cu4Nb/755 30Cr2Ni4MoV/760
Материал ротора	-
Число лопаток	-	118
Высота лопатки	мм	900
Корневой диаметр лопатки	мм	1676.4
Кольцевая площадь выхода пара	м2	7.28

Как видно из выше показанной таблици, расчётная динамическая частота 900мм лопатки удовлетворительная и все частоты удаляют от тройной точки. Испытание на отстройку данных лопаток в целой ступени будет выполнено на заводе и расчётные данные будут проверены измеренными результатами.

На 900мм рабочей лопатке применяли передовой трансзвуковый профиль с маленькой профильной потерей и хорошей характеристикой при переменном режиме. Применение лопатки с цельнофрезерованным бандажем и круговым замыканием повышаетвибрационную прочность благодаря их раскрутке при эксплуатации, а также уменьшает их динамическое напряжение при помощи сопротивления трения между бандажами. При проектировании 900мм рабочей лопатки применили известный всему свету софтвер ABAQUS для анализа нелинейной прочности, и следовательно существенно обеспечили безопасность лопаток.