CC BY
122
УДК .621.313.322
А. Н. МИНКО, магистр, инженер-конструктор К. А. КОБЗАРЬ, заместитель главного конструктора Государственное предприятие «Электротяжмаш», г. Харьков
НЕИСПРАВНОСТИ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ.
СОВРЕМЕННЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РЕМОНТУ
Проведен анализ неисправностей систем охлаждения турбогенераторов. Определены возможные путей устранения выделенных неисправностей. Теоретически сформулированы особенности работы систем охлаждения с воздушной и водородной средой охлаждения и проведения ремонта.
Ключевые слова: турбогенератор, воздушная/водородная система охлаждения, охлаждающая среда, ремонт системы охлаждения, теплообменник.
Проведено аналіз несправностей систем охолодження турбогенераторів. Визначено можливі шляхів усунення виділених несправностей. Теоретично сформульовані особливості роботи систем охолодження з повітряним і водневим середовищем охолодження та проведення ремонту.
Ключові слова: турбогенератор, повітряна/воднева система охолодження, охолоджуюче середовище, ремонт системы охолодження, теплообмінник.
Введение
Постоянная конкуренция среди производителей электромашиностроительной отрасли диктует новые технические и технологические требования к современным турбогенераторам (ТГ). Важным технико-экономическим показателем эффективности ТГ является ремонтоспособность его системы охлаждения, которая определяет экономическую целесообразность и длительность срока службы ТГ, т. е. конкурентоспособность машины, и выражается финансовым соотношением затраченных средств на длительность срока эксплуатации.
Постановка задачи и анализ литературы
Техническийи экономическийуровеньремонтаиреконструкции ( модернизации) тепловых и атомных электростанций во многом зависит от себестоимости основного оборудования [12], т.е. турбогенератора, турбины, котла. Генерируемая мощность и приемлемая способность к ремонту ТГ имеют прямую зависимость от применяемых в них систем охлаждения.
Анализ мировых стандартов, работа на мировых рынках сбыта, статистические данные, полученные лабораторным путем, практика проектирования турбогенераторов показывают высокую конкурентоспособность ТГ с высоким уровнем ремонтоспособности. Так, например, плановый ремонт стоимостью 5% от цены турбогенератора увеличивает срок службы агрегата на 20-22 %, в зависимости от общего срока эксплуатации.
Нашей задачей является структурировать и обобщить основные виды неисправностей систем охлаждения ТГ и сформулировать рекомендации по устранению распространенных неисправностей не только с целью улучшения технических и эксплуатационных показателей ТГ, но и повышения конкурентоспособности ТГ отечественного производства, за счет увеличения срока службы турбоагрегата.
Целью работы является анализ неисправностей систем охлаждения ТГ, определение возможных путей устранения выделенных неисправностей, а так же теоретическое обоснование особенностей работы систем охлаждения с воздушной и водородной средой охлаждения.
Основная часть
Анализ тепловых расчетов турбогенераторов, выпускаемых заводом «Электротяжмаш»
(г. Харьков, Украина), позволяет отметить [3-4], что в ТГ с водородным охлаждением существует запас по превышению температуры нагрева машины в 10-15 % по отношению к допустимой температуре нагрева принятого класса нагревостойкости изоляции. Тенденция по наличию температурного запаса так же прослеживается у ТГ с воздушной системой охлаждения и составляет 8-12 % по отношению к допустимой. Такой заложенный температурный потенциал дает возможность для осуществления большого спектра ремонтных работ систем охлаждения ТГ, кроме того, как показывает практика, успешно реализуются методы модернизации конструкции ТГ с целью повысить номинальную мощность турбоагрегата. Так, например, в период 2010 года реализуется реконструкция блока Луганской ТЭС (г. Счастье) мощностью 200 МВт, вследствие проведенного ремонта мощность блока составит 210 МВт, (здесь следует учитывать возможности резерва турбинной установки).
На заводе «Электротяжмаш» успешно изготавливаются и проходят ремонт (модернизацию) ТГ с водородной и воздушной системами охлаждения, мощностью в диапазоне 200 - 600 МВт, и 6 - 160 МВт, соответственно. В связи с технической целесообразностью и финансовой эффективностью проработки вопросов неисправностей систем охлаждения ТГ в настоящее время ведется поиск инженерно-конструкторских решений (рекомендаций) относительно оптимизации методов ремонта систем охлаждения ТГ.
Новые разработки конструкций турбоустановок сфокусированы не только на повышение мощности в исходном габарите и увеличении срока службы ТГ, но направлены и на уменьшение материалоемкости элементов конструкции, осуществляющих охлаждение ТГ.
В огромной степени особенность материалоемкости для осуществления охлаждения ТГ зависти от его охлаждающей среды (хладагента). В первую очередь необходимо учитывать физические свойства хладагента и технические параметры условий его эксплуатации (т.е. давление, разность температур, направление потоков и д.р.).
Расход охлаждающей среды (в м3), необходимый для отвода тепла из ТГ, равен:
V = Р
'В
где р - отводимые потери, кВт; с - удельная объемная теплоемкость охлаждающей среды, Дж/(град^м ); &в = Vr - Vc - превышение температуры выходящей из ТГ нагретой охлаждающей среды Уг над температурой поступающей в ТГ охлаждающей среды Ус, °С.
Для воздуха с = 1100 Дж/(град^м3). Величина 0^ в зависимости от системы вентиляции, конструкции ТГ и его мощности изменяется в пределах 12-30° С. Таким образом, на 1 кВт потерь необходимое количество воздуха:
V _------1000-----_ 0.03 ^ 0.075 [м3/сек], или 110 ^ 270 [м3/час].
1100 • (12 30)
Для водорода при атмосферном давлении также с = 1100 Дж/(град^м3), и поэтому объемный расход водорода такой же, как и в случае воздушного охлаждения. Удельная объемная теплоемкость водорода изменяется пропорционально давлению, и поэтому при повышенном давлении водорода его объемный расход соответственно уменьшается. Однако весовой расход водорода не зависит от давления и будет в 14,4 раза меньше весового расхода воздуха.
Для воды с = 3500-1100 Дж/(град^м3). Соответственно при прочих равных условиях объемный расход воды в 3500 раз меньше, чем воздуха. Это позволяет уменьшить скорости течения воды и сечения каналов.
Кратко обозначим параметры классических сред охлаждения: воздушную, водородную и водяную. Ниже приведена [5] таблица с параметрами воздушной среды охлаждения ТГ, см. табл. 1.
Таблица 1
Физические параметры воздуха _____________________________
Темпер атура, °С Давление, МПа Плотность, кг/м3 Кинемат ическая вязкость, 10"6м2/°С Коэффициент объемного расширения, 10'3/°С Теплопро водность, Вт/(м-°С) Удельная теплоемкость, Дж/(кг-°С)
0,1 1,2046 14
20 0,2 2,4091 7 3,413 0,0258 1004,2
0,3 3,6137 4,7
0,1 1,1276 14
40 0,2 2,2552 7,3 3,195 0,272 1005,6
0,3 3,3828 4,9
0,1 1,0599 15,4
60 0,2 2,1197 7,7 3,003 0,0287 1007
0,3 3,1796 5,1
0,1 0,9998 16
80 0,2 1,9996 8 2,833 0,0306 1008,4
0,3 2,9994 5,3
0,1 0,94662 16,7
100 0,2 1,8924 8,3 2,681 0,032 1009,8
0,3 2,8386 5,6
Одной из наиболее распространенных причин нарушения режима работы [6-7] системы охлаждения является засорение фильтров, и как следствие, уменьшение расхода воздуха. Недостаточный расход воздуха при номинальной нагрузке вызывает увеличение его перегрева, как это видно из уравнения, справедливого для любой системы охлаждаемой воздухом:
&е°зд -11. о ;
АЭА ^возд
где, &возд - перегрев, °С; - суммарные потери в генераторе, отводимые
охлаждающим воздухом, кВт; 1,1 - значение произведения удельного веса воздуха на теплоемкость при 35° С; 0возд- количество воздуха, циркулирующего через генератор, м3/сек.
В эксплуатации при увеличении перегрева воздуха в турбогенераторе необходимо иметь в виду не только уменьшение расхода охлаждающей среды, но и увеличение потерь, нарушение контактов в местах соединения обмоток и д.р.
Ниже приведена таблица с параметрами водородной среды охлаждения ТГ, см. табл. 2.
Таблица 2
_____________________________Физические параметры водорода_________________________________
Темпер атура, °С Давление, МПа Плотность, кг/м3 Кинемат ическая вязкость, 10"6м2/°С Коэффициент объемного расширения, 10'3/°С Теплопро водность, Вт/(м-°С) Удельная теплоемкость, Дж/(кг-°С)
0,1 0,0873 98,2
20 0,2 0,1675 49,1 3,413 0,1823 14231,4
0,3 0,2512 32,7
0,1 0,0784 102,8
40 0,2 0,1568 51,4 3,195 0,1907 14283,8
0,3 0,2352 34,3
0,1 0,0737 107,3
60 0,2 0,1474 53,6 3,003 0,1990 14336,2
0,3 0,221 35,8
Продолжение таблицы 2
0,1 0,0695 111,6
80 0,2 0,139 55,8 2,833 0,2074 14388,6
0,3 0,2085 37,2
0,1 0,0658 115,8
100 0,2 0,1316 57,9 2,681 0,2158 14441
0,3 0,1973 38,6
Довольно часто водородное охлаждение применяется в сочетании с охлаждением обмотки статора (реже - обмотки ротора) водой, что в значительной степени повышает эффективность отвода тепла. Кроме того, вода является вторичным хладагентом для осуществления теплообмена в газоохладителях (воздухоохладителях). Однако здесь есть и свои недостатки.
Не редко при эксплуатации турбогенератора были зафиксированы случаи засорение трубок теплообменников илом, грязью, инородными предметами, что приводило к заметному снижению расхода воды и увеличению её перегрева. Расход воды и перегрев связаны зависимостью:
воды
где, 0воды - количество воды, м /ч. 0,86 - тепловой эквивалент.
Обычно значение &воды в воздухоохладителях турбогенераторов лежит в пределах 2-3° С. С увеличением ^тды уменьшается эффективность теплообменника. Ниже представлены параметры воды, как хладагента, см. табл. 3.
Таблица 3
Физические параметры воды
Темпер атура, °С Плотность, кг/м3 Кинематическая вязкость, 10-6м2/°С Коэффициент объемного расширения, 10-3/°С Теплопровод ность, Вт/(м-°С) Удельная теплоемкость, Дж/(кг-°С)
20 993,4519 1 0,197 0,57999 4195,1
40 985,3269 0,7 0,383 0,60868 4180,9
60 977,2686 0,5 0,508 0,63737 4192,4
80 969,2761 0,4 0,633 0,66605 4204
100 961,3491 0,3 0,757 0,69474 4215,6
При водяном охлаждении мощность машины ограничивается в основном уже не условиями нагрева, а другими техническими и экономическими показателями.
В ходе работы проанализированы конструкции ТГ украинского и российского производства, для сравнения динамики возникновения неполадок и сбоев в работе системы охлаждения ТГ (акцент делался на ТГ с воздушной системой охлаждения, как наиболее перспективных). На основании технического анализа мы обобщили сведения о наиболее распространенных случаях повреждение и неполадок в системах охлаждения, выделили характерные признаки неполадок и сформулировали возможные причина их возникновения. Кроме того, нами предложены варианты устранения повреждений и неполадок систем охлаждения ТГ. Вышеизложенное представлено в структурно-следственной схеме рекомендаций по осуществлению ремонтных робот систем охлаждения ТГ, см. рис. 1.
№Б (88) 2011 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУАИТ
34
энергетика
№Б (88) 2011 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУАИТ
Признак
Склонность к искрению обмотки. ТГ отдает ток больше номинального
При номинальной нагрузке частота вращения меньше номинальной. Обмотка перегрета равномерно
Генератор плохо возбуждается
Щетки одного полюса искрят сильнее щеток другого полюса. Зазор между ротором и отдельными полюсами неодинаков
ТГ дает номинальное напряжение при повышенной частоте вращения. Катушки полюсов перегреты равномерно
ТГ дает номинальное напряжение при повышенной частоте вращения. Катушки полюсов перегреты не равномерно
V
Возможная причина
ТГ перегружен
Ухудшены условия вентиляции ТГ
Неправильное чередование главных полюсов, вследствие неправильного соединения одной или нескольких катушек
Межвитковое соединение в одной или нескольких катушках главных полюсов искажает магнитное поле
Межвитковое соединение или короткое замыкание в одном или нескольких стержнях роторной обмотки
Заусеницы на коллекторе через пластины вызвали короткое замыкание с обм. ротора
Плохая центровка ротора, выработка вкладыша подшипников, неравномерное проседание фундаментной плиты
Г
Устранение неполадки
Снизить нагрузку (запросить завод-изготовитель о наиболее допустимой нагрузке ТГ)
Довести частоту вращения ТГ до номинальной, увеличив частоту вращения турбины
Перезолить (либо заменить новыми) вкладыши подшипника, отрегулировать центровку ротора
Установить правильное чередование полюсов
Обнаружить и заменить необходимые катушки запасными
Найти, отремонтировать или заменить поврежденные стержни обмотки
Устранить заусенцы на пластинах шабером, отшлифовать, либо обточить
ии
1Л
энергетика
№Б (88) 2011 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУАИТ
ии
ет
Неисправности воздухоохладителя
П
Признак II II Возможная причина
Воздухоохладитель II Различные отложения на стенках трубок
засорился II уменьшилась их пропускная способность
пг
Воздухоохладитель
отпотевает
Воздухоохладитель поражен коррозией
В охладителе появилась течь
Температура воды в охладителе опустилась ниже точки росы охлаждаемого воздуха
Значительное количество воздуха повышенной влажности подсасывается через не плотности из вне, в систему охлаждения
Наружная коррозия возникает в охладителях старой конструкции со стальными шайбами, припаиваемыми к латунным трубкам
Внутренняя коррозия появляется в трубках и на трубных досках вследствие электрохимических явлений
Просачивается вода в местах развальцовки трубок в трубных досках из-за недостаточной плотности или колебания температуры воды
Трубка охлаждения разрушилась вследствие механического повреждения, вибрации гидравлического удара, коррозии
Устранение неполадки
Прочистить охладитель. Известковые отложения удалить слабым раствором соляной кислоты, органические - снять специальными щетками
Если охладитель состоит из нескольких секций перед чисткой установить, какая секция засорилась
Повысить температуру воды, поступающую в охладитель, прибавив к ней отработанную воду от конденсаторов турбины
Уплотнить все стыки частей ТГ, в особенности все места сопряжения в системе охлаждения
Принять меры против отпотевания охладителя
Надо установить протекторы, воспринимающие на себя разрушающее действие коррозии, предотвращая разрушение основных деталей
Произвести дополнительную развальцовку трубок, не допускать резких колебаний температуры воды
В случае вибрации трубок осуществить дополнительное их крепление, при обнаружении вредных примесей в воде - питать охладитель химичегки птчитттеннпй КОТТОН
№Б (88) 2011 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУАИТ
Рис. 1 Рекомендации по осуществлению ремонта систем охлаждения турбогенератора
а)
б)
Рис. 2. Распределение потока воздуха между секциями воздухоохладителя: а - неравномерное; б - равномерное;
1 - секция воздухоохладителя; 2 - направляющая перегородка
ии
энергетика
Выводы
1. На основании анализа технических данных и отечественного опыта проведения ремонта и модернизации электрических машин выделены основные неисправности систем охлаждения ТГ.
2. Сформулированы технические рекомендации для осуществления современного ремонта (модернизации) ТГ, на основе которых может быть разработана техническая документация (инструкции, СтП д.р.) о правилах диагностики и дефекации узлов, которые осуществляет вентиляцию (систему охлаждения) в ТГ.
3. Приведены технические параметры хладагентов, осуществляющих отвод тепла в ТГ с воздушной и водородной (водородно-водяной) системами охлаждения.
4. Установлено, что своевременный и эффективный ремонт системы охлаждения ТГ является экономически выгодным мероприятием, подчеркнута необходимость производства ТГ с высоким уровнем ремонтоспособности и широкими возможностями дальнейшей модернизации.
Список литературы
1. Кузьмин В. В., Кобзарь К. А., К вопросу повышения К.П.Д. турбогенераторов с воздушной системой охлаждения, Вестник НТУ ХПИ, 2001, № І7. - С. 9І-92.
2. Лигерман И. И., Вентиляция электрических машин промышленных предприятий. -М.: 1981.- С. ВВ.
3. R.Joho et al, Type-tested air-cooled turbo-generator in the 5QQ MVA range. CIGRE Ses-sion-2QQQ, P. 11-1Q1.
4. Кузьмин В. В., Кобзарь К. А. К вопросу выбора системы вентиляции в турбогенераторах малой мощности с воздушным охлаждением, Електротехніка та електромеханіка, 2003, № 1.
- С. 124-126.
5. Аврух В. Ю., Дугинов Л. А., Теплогидравлические процессы в турбо и гидрогенераторах.
- М.: 1991. - 208 с.
6. Гемке Р. Г., Неисправность электрических машин/ Под ред. Р. Б. Уманцева. - Л.: 1989. -ЗЗ6 с.
7. Филиппов И.Ф. Вопросы охлаждения электрических машин. - М.: Госэнергоиздат, 1974. - ЗЗ4 с.
THE FAULTS OF THE SYSTEMS OF THE COOLING TURBO-ALTERNATOR. MODERN RECOMMENDATION ON REPAIR
A. N. MINKO, ма81егБ degree, engineer designer К. А. К0Б2АЯ, deputy of main designer
The Organized analysis of the faults of the systems of the cooling turbo-alternator. The possible ways of the eliminating the chosenned faults are Determined. Is it Theoretically worded particularities of the functioning the systems of the cooling with air and hydrogen ambience of the cooling and undertaking the repair.
Поступила в редакцию 18.04 2011 г.
