Заведующий кафедрой тепловых и газовых турбин МЭИ Владимир ГРИБИН рассказал о резервах повышения надежности и экономичности турбинного оборудования АЭС и возможностях МЭИ в совершенствовании турбинного оборудования
Паровые турбины АЭС работают в более сложных условиях, чем турбины тепловых электростанций, – напомнил Владимир Грибин. По его словам, если сравнить часть рабочего процесса ниже линии насыщения, то у паровых турбин АЭС он составляет 2/3 располагаемого теплоперепада по отношению к теплоперепаду турбин ТЭС. В результате существенно больше групп ступеней работают в зоне влажного пара, и отрицательное влияние влажности в проточной части турбин АЭС сказывается значительно сильнее. Необходимо учитывать относительно небольшой теплоперепад и более значительные расходы пара для достижения мощности, вследствие чего у турбин АЭС также есть ряд особенностей и проблем. На снижение мощности турбоагрегата существенно больше влияют потери пара. В целом КПД паротурбинных установок АЭС уступает КПД турбоустановок на ТЭС. Повышение давления пара приводит к увеличению КПД, но одновременно изменяется влажность, что сказывается на экономичности турбины негативным образом.
Исследовано изменение мощности ЦВД тихоходной машины 1000 МВт, если мы полностью (понятно, что это ситуация идеальная) избавляемся от потерь. Полученные данные показывают резервы повышения экономичности различных элементов в проточной части. В первую очередь следует обратить внимание на потери в рабочих и в сопловых лопатках. Далее большой вес занимают потери от влажности, затем – от утечек. Потери от утечек различаются в зависимости от типа облопачивания – при реактивном типе их влияние существенно больше. Однако реактивное облопачивание не несет огромных преимуществ перед активным (как иногда приходится слышать) – резервы эффективности примерно одинаковы, поскольку перераспределяются другие виды потерь.
В лопаточном аппарате
Далее Владимир Грибин предложил рассмотреть, каковы резервы снижения потерь в лопаточном аппарате. По его словам, согласно предложениям профессора Анатолия Бойко (Харьковский политехнический институт), озвученных на Европейской конференции по турбомашинам, определенные возможности дает аэродинамическая оптимизация ступеней, но результат исчисляется в десятых долях процента. Кроме того, не учитываются потери от влажности, актуальные для паровых турбин АЭС. Наши экспериментальные исследования сопловых решеток паровых турбин показывают, что профильные потери вообще достаточно малы, поэтому эффект от их уменьшения невелик.
Основная составляющая потерь в проточной части – потери вдоль меридиональных обводов, так называемые концевые потери в лопатках. Потери возникают из-за формирования вихревых структур. Расчеты показывают, что в зависимости от вариантов профилирования лопаточного аппарата, когда зоны вторичных течений уменьшаются, а форма канала совершенствуется, это приводит к более ощутимому повышению КПД отсека. Резервы повышения экономичности здесь действительно есть, причем этот резерв можно использовать не только в новых машинах, но и при модернизации уже работающих турбин.
Еще одна возможность повышения КПД – различное профилирование по высоте лопатки. Лопатка с традиционными цилиндрическими профилями обеспечивает углы входа и выхода неизменными по высоте. Но более современное профилирование, когда угол меняется по высоте, обеспечивает минимальный расход пара вдоль меридиональных обводов, поэтому потери мощности при тех же потерях также оказываются меньше. Как показывает результат, полученный компанией Siemens, КПД отсека из трех ступеней за счет такого профилирования возрастает более чем на 2 %. Это, безусловно, значимый резерв повышения эффективности.
Заслуживает внимания, по мнению докладчика, предложение компании «Дьюи» – изменение формы меридиональных обводов решетки. Здесь также достигается весьма существенное повышение КПД ступени, что вполне объяснимо с точки зрения физики: улучшается течение в косом срезе. Это предложение изучалось еще в 1970-х годах на экспериментальных турбинах МЭИ, но, к сожалению, до сих пор не применено в отечественных турбинах и используется лишь на зарубежных машинах. Следует учитывать, что этот способ повышения КПД относительно эффективен при коротких лопатках.
Эффективен, по словам Владимира Грибина, вариант профилирования с уменьшением угла поворота, который предлагается современными производителями, в том числе российскими. Если рассматривать обтекание лопаточного аппарата, то преимущества реактивной ступени очевидны – они достигаются за счет уменьшения угла поворота и за счет того, что у нас возникают конфузорные течения в рабочем аппарате по сравнению с рабочим аппаратом активной ступени. Однако реактивное облопачивание нельзя рассматривать без потерь от утечек, которые выше при реактивном облопачивании, чем при активном. Тем не менее переход в проточной части на реактивное облопачивание (предложение компании Siemens), позволяет увеличить число ступеней и за счет этого повысить КПД. Однако есть обстоятельства, которые нуждаются в проверке и на которые, исходя из опыта, нельзя не обращать внимания. Дело в том, что при реактивном облопачивании увеличение числа ступеней приводит к увеличению обтекаемых поверхностей, за счет этого должна увеличиваться доля крупнодисперсной влаги, что однозначно (как будет показано дальше) приводит к увеличению потерь и увеличению эрозии в проточной части.
Совершенствование уплотнений
Совершенствование уплотнений, по словам профессора Грибина, является актуальным направлением работы, поскольку реактивные ступени весьма чувствительны к потерям от утечек. Наиболее известны лабиринтовые уплотнения, традиционные для паровых турбин.
Ряд производителей предлагают щеточные уплотнения. Основная технологическая проблема – выбор металла для щеток, который будет сохранять эластичность весь период эксплуатации. Щетка должна быть достаточно мягкой, чтобы не изнашивать ротор. Но на эффективность этого решения влияет влажный пар, поэтому сложно найти материал, обеспечивающий длительные (межремонтные) периоды эксплуатации, чтобы щетка работала нормально и уплотнение не меняло своих механических свойств. Тем не менее применение щеточных уплотнителей может дать весьма значительный эффект с точки зрения уменьшения утечек.
В абразивных уплотнениях с прирабатываемым покрытием используется мягкий материал, в котором вырабатываются канавки; при этом может достигаться меньший зазор с ротором и нет проблем стачивания усиков. Но на этом уплотнении может возникать проблема, связанная с размывами под гребешками.
Уплотнения с регулируемым радиальным зазором – предложение компании «Дьюи». Суть решения в том, что элементы уплотнения отжимаются пружинами и в нерабочем состоянии обеспечивается максимальный зазор. По мере того как при пуске давление турбины повышается и проходятся критические частоты, через специальные каналы давление воздействует на уплотнение сверху, и оно опускается – зазоры приходят к рабочим величинам. Эта идея привлекательна, однако у нас нет опыта ее работы в зоне влажного пара.
Уменьшение зазора улучшает работу лабиринтовых уплотнений, но этот эффект уходит при развитии размывов. Размывы возникают в процессе эксплуатации под гребешками уплотнений в диафрагменном управлении ступеней, причем зазоры оказываются весьма существенными. Это негативно сказывается на эффективности ступени: когда через размытую часть уплотнения увеличивается расход пара, то увеличивается давление в зазоре между рабочей и сопловой решетками. Во-первых, движение пара идет вверх, что вызывает потери; во-вторых, растет перепад давления на решетку, и ступень работает в нерасчетном режиме. Поэтому эффект от того, что применяется более совершенный тип уплотнения, не сводится только к уменьшению утечки, он еще и возвращает работу ступени к нормальному расчетному состоянию. Опыт применения современных видов уплотнения на Смоленской АЭС показывает, что размывы действительно не возникают и КПД турбин растет (впрочем, напомнил докладчик, не только за счет утечек).
Лабиринтовые уплотнения применяются многими производителями, в частности Уральским турбинным заводом. Предложения по модернизации турбин с уплотнениями сотового типа озвучивает Alstom. Турбины с сотовыми уплотнениями выпускает и ЛМЗ. Основная проблема лабиринтовых уплотнений связана с тем, что пар может быть грязным, с включением твердых частиц, и уменьшение зазора может приводить к неприятным последствиям. Традиционные соты имеют достаточно мелкую ячеистую структуру, которая чувствительна к воздействию грязного пара. Разработка опытного завода МЭИ имеет отличительную особенность: предлагаемые уплотнения с крупной ячеистой структурой в 4–5 раз дешевле традиционных уплотнений с мелкими сотами. Испытания на стенде кафедры показывают, что характеристики не уступают мелкоячеистым уплотнениям. Но вопрос в стойкости решетки, особенно при задевании. Если уплотнение без гребней, то есть уплотнительной поверхностью является только сотовая структура, то задеваний быть не может.
Таким образом, возможность эффективного применения сотовых уплотнений на АЭС есть, однако наряду с их положительными сторонами возможен и ряд неприятных моментов. В основном это связано с тем, что инородные включения в паре могут привести к проблемам, поэтому требования к состоянию турбоагрегата при использовании сотовых уплотнений выше.
Отладка и испытание предлагаемых технических решений осуществляется в Проблемной лаборатории турбомашин кафедры паровых и газовых турбин МЭИ. Проведена модернизация стенда для исследования уплотнений на влажном паре по заказу Смоленской АЭС (для смоленского Атомтехэнерго) для испытания любых типов уплотнений как на влажном паре, так и на воздухе. Конструкция сотовых уплотнений позволяет разработать сепарацию влаги для уменьшения размывов и снижения потерь.
Докладчик напомнил, каковы условия эффективного применения сотовых уплотнений:
- обеспечение на стадии проектирования надлежащего запаса виброустойчивости валопровода турбоагрегата. Это необходимо оценивать как при разработке новых турбин, так и при модернизации старых с переходом к сотовым уплотнениям;
- совершенствование и ужесточение требований к центровке ротора при монтаже с учетом всплытия ротора на масляной пленке, температурной деформации наружного корпуса и затяжки фланцев горизонтального разъема наружного корпуса ЧВД и ЧСД;
- контроль эксплуатационных режимов с целью уменьшения динамических прогибов ротора при переходных режимах до минимума, пусках и остановах турбины с выбегом ротора.
Выхлопные отсеки ЦНД
Экономичность турбоагрегата существенно зависит от параметров выхлопных отсеков, считает профессор Грибин. Совершенствование выхлопных отсеков имеет прямое отношение к эффективности турбин АЭС, когда изменяемая часть подстраивается под конкретную конструкцию, а неизменная часть определяет выхлоп турбоагрегата. С участием МЭИ разработаны профили лопаток предельной длины для предпоследней и последней ступеней, которые сильно связаны друг с другом аэродинамически. Новые лопатки с 3D-профилированием имеют улучшенную аэродинамику, и на ЛМЗ идет заключительная стадия работ по их внедрению.
Интересное решение – аэродинамическое совершенствование элементов проточной части с применением лопаток последней ступени длиной 1400 мм. Идея была предложена в ЦКТИ и развита во Всероссийском институте атомного машиностроения. Применение такой ступени требует существенной технологической перестройки, но оказывается по ряду случаев эффективно, потому что позволяет существенным образом увеличить площадь выхлопа, имея освоенную предельную по длине лопатку. Это решение также позволяет сепарировать влагу.
Опираясь на современные методы проектирования и производства, нельзя сбрасывать со счетов возможность применения ступени Баумана. Основные проблемы ступени Баумана связаны со сверхзвуковыми скоростями в верхнем ярусе рабочих лопаток. Но есть современные методы профилирования (для которых необходимо проведение расчетов), которые, возможно, позволят эти потери снизить. Ступень Баумана требует существенно меньше технологических переделок и при этом значительно увеличивает площадь выхлопа. Экспериментальные исследования различных лопаточных аппаратов турбомашин на до и сверхзвуковых скоростях показывают, что за счет профилирования косого среза решетки возможно снижение потерь в трансзвуковом диапазоне скоростей.
Потери от влажности
Эрозионный износ, напомнил Владимир Грибин, связан с влиянием влажности. Пример, получивший известность во всем мире, – повреждение практически новой машины известного зарубежного производителя при минимальных сроках эксплуатации, когда оказались повреждены более 90% лопаток, то есть речь идет о значительном конструктивном просчете. Результаты экспериментов в лаборатории кафедры показывают, что причина – износ в результате воздействия влажного пара при работе в зоне фазового перехода: скачки уплотнения взаимодействуют со скачками конденсации, и появляются огромные дополнительные возбуждающие силы.
Потери от влажности имеют огромное значение для турбин АЭС. Суммарно для турбины 1000 МВт они составляют порядка 50–60 МВт. Исследования показывают, что чем больше площадь обтекаемой поверхности, тем больше и потери от влажности. Отчасти поэтому и возникают вопросы по реактивному облопачиванию, которое не тестировалось в таких условиях. Видно, что огромное влияние на негативные процессы, связанные с влагой, оказывают размеры капель. Стенд учебно-экспериментальной ТЭЦ МЭИ позволяет получать мелкодисперсную влагу за счет расширения пара в первой ступени (двухлинеечный диск Кертиса), а также крупнодисперсную влагу за счет форсунок, установленных на входе в проточную часть. С увеличением средних радиусов капель существенно растет интенсивность эрозионных процессов. Ступень-сепаратор в проточной части АЭС использовать не рекомендуется, поскольку она приведет к существенной потере мощности, такие решения приемлемы для транспортных машин, где решающую роль играет надежность, а не производительность.
Из лабораторного оборудования в распоряжении МЭИ также следует отметить систему лазерной диагностики параметров жидкой фазы, которая естественным образом образовалась в потоке. Система позволяет визуально определять параметры жидкой фазы за решеткой. Это важно и для отработки технических решений, и для развития расчетных методов, которые также необходимо создать.
Эффективность сепарации зависит от перепада давления на щель между камерой и потоком, через которую отводится влага. Увеличение этого давления, казалось бы, должно увеличивать эффективность сепарации, но эксперименты показывают, что увеличивается не удаление жидкой фазы, а, напротив, парового потока, это фактор негативный. Влияет на эффективность сепарации размер и форма щели, через которую осуществляется внутриканальная сепарация. Новый способ, который отрабатывается по заказу «Силовых машин», связан с дувом на поверхность через щель, который сдувает пленку. Тем самым источник крупнодисперсной влаги уничтожается. Кроме того, осуществляется подогрев поверхности лопатки. Метод тем эффективнее, чем выше температура поверхности.
Регулирующие клапаны
Значительные резервы эффективности лежат в эффективности работы паровых клапанов. Исследование аэродинамики этих изделий проводится на стенде МЭИ. Оцениваются и проточная часть, чаша и диффузор, и подвод пара к сопловой коробке; форма сопловой коробки, подвод пара. Проблемы есть, и если мы хотим найти решения, то без эксперимента сделать это невозможно: в клапане на турбине АЭС собрались практически все сложности аэродинамики, и достоверно провести расчеты невозможно. Есть явления сверхзвука, фазовый переход, динамическое изменение режимов (при изменении расхода, скорости потока и т. д.). Мы можем измерять нестационарные усилия, которые действуют на шток клапана. Ряд таких работ проводился по заказу АЭС.
Заслуживает внимания ряд других предложений. Так, это применение сепаратора, встроенного в ЦВД; совершенствование патрубка за цилиндром высокого давления; применение двухпоточных радиальных осевых ступеней. Этот последний вопрос тщательно отрабатывался в Ленинградском политехническом университете и МЭИ, предложены различные варианты профилирования проточных частей.
Таким образом…
Докладчик полагает, что результаты исследований показывают возможность прироста мощности за счет совершенствования элементов проточной части: лопаточного аппарата, уплотнений, применения современных систем влагоудаления и разрушения крупнодисперсной влаги, выхлопного патрубка, регулирующих клапанов.
Основные направления перспективных разработок по проточным частям паровых турбин АЭС: разработка домашних кодов по 3D-проектированию лопаточного аппарата с учетом особенностей движения жидкой фазы. Снижение аэродинамических потерь энергии и повышение надежности элементов проточных частей турбин: системы паровпуска, уплотнений, переходных и выхлопных патрубков.
Разработка типовых конструкций выхлопного отсека для мощных паровых турбин с рабочими лопатками предельной длины. Выхлопной отсек состоит из двух последних ступеней и диффузорного выхлопного патрубка.
В целом, подвел итоги Владимир Грибин, резервы повышения экономичности для паровых установок есть, и они весьма значительны. Ряд решений не требует значительных капитальных затрат и может быть реализован в процессе капитального ремонта, при замене штатной проточной части. Но при отработке предлагаемых решений нельзя опираться только на расчеты. Необходимы экспериментальные доказательства, проведение НИОКР, позволяющих подтвердить расчетные характеристики. Поэтому энергетические вузы страны рассчитывают на продолжение сотрудничества как с производственными, так и с эксплуатирующими организациями.
Алексей Комольцев для журнала РЭА
