Разработка и совершенствование современной системы парораспределения теплофикационной турбины : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.04.12

Актуальность темы и степень её разработанности. Особенностью энергосистемы России является большая доля теплофикационных турбин в составе её генерирующих мощностей. Это обусловлено высокой потребностью в теплоснабжении страны и экономической целесообразностью комбинированной выработки энергии. Теплофикационные турбины являются важным элементом в энергетической инфраструктуре и поэтому должны быть надёжным поставщиком энергоресурсов. В настоящее время проблемой в области комбинированной выработки энергии является поиск таких решений, которые позволяли бы повысить качество и экономичность работы турбины и устраняли бы неполадки в её работе, приводящие к остановам, в том числе связанные с системами автоматического регулирования (САР). Исследование работы САР в штатных и аварийных режимах с целью её совершенствования позволит повысить надёжность и экономичность работы, а также снизить долю неплановых остановов турбин.
Одним из критически важных режимов работы паровой турбины, на который она должна быть рассчитана, является сброс полной электрической нагрузки. Для правильной оценки такого режима необходимо учитывать как аккумулированный пар в проточной части турбины, так и поступающий в турбину (пролётный) пар в процессе закрытия регулирующих клапанов (РК). В настоящее время отечественные заводы-изготовители паровых турбин, в частности Уральский турбинный завод (УТЗ), начали применять индивидуальные приводы регулирующих клапанов (ИПРК), построенные по технологии высокого давления (давление рабочей жидкости 16–20 МПа). В связи с этим при новой системе парораспределения необходимо корректно учитывать количество пролётного пара (ПП), поступающего в турбину при сбросе нагрузки.
Применение ИПРК также открывает возможности для реализации новых алгоритмов управления регулирующими клапанами для реализации парораспределения с минимальным дросселированием. Это позволяет оптимизировать режимы работы регулирующей ступени (РС) и повысить КПД РС
5
и турбины в целом. Различные приёмы оптимизации режимов РС предлагались и ранее, но их реализация была затруднена, в частности, из-за жёсткого порядка открытия РК. В настоящее время уже широко распространены микропроцессорные САР турбин, которые в сочетании с ИПРК позволяют реализовать алгоритмы управления РК любой сложности.
Ещё одной современной тенденцией является применение в САР электромеханических приводов взамен электрогидравлических. Некоторыми компаниями уже опробована установка электромеханических приводов на основные парораспределительные органы турбины и запорно-регулирующие органы на отборах пара. Особенностью теплофикационных турбин УТЗ является наличие поворотных регулирующих диафрагм для управления давлением в отборе, приводимых в штатном варианте гидравлическим двусторонним сервомотором. Вопрос замены гидравлического привода ПРД на электромеханический возникал на УТЗ неоднократно как по просьбе заказчиков, так и с позиций нового проектирования и производства УТЗ. Поэтому разработка и исследование электромеханического привода поворотных регулирующих диафрагм также является сегодня актуальной задачей. Кроме того, установка электромеханического привода, в первую очередь на ПРД, позволяет опробовать его работу на менее опасном парораспределительном органе с точки зрения его отказа.
В настоящее время для исследования переходных режимов САР паровых турбин применяются методы математического моделирования. Эти методы позволяют безопасно исследовать работу САР в штатных, предаварийных и аварийных режимах. Результаты таких исследований имеют высокую точность благодаря возможности учёта при моделировании как расчётных, так и полученных в ходе натурных опытов характеристик оборудования.
Цель и задачи исследования.
Целью работы является разработка и исследование методами математического моделирования для совершенствования современной системы парораспределения теплофикационной турбины.

6
Для достижения указанной цели исследования необходимо решить следующие задачи:
 выполнить критический обзор литературы по теме исследования;
 провести анализ современных методов математического моделирования паровых турбин и определить наиболее подходящие для проведения исследования;
 разработать математические модели теплофикационных паровых турбин и их узлов, для которых проводится исследование;
 с помощью разработанной математической модели теплофикационной паровой турбины выявить и оценить влияние схемы парораспределения с ИПРК на динамическое повышение частоты вращения при сбросе нагрузки;
 разработать новый способ управления паровой турбиной и цифровую адаптивную систему регулирования для реализации парораспределения с минимальным дросселированием;
 исследовать и оценить разработанный способ управления на математической модели;
 разработать концепцию (кинематическую схему) электромеханического привода поворотных регулирующих диафрагм и исследовать его основные параметры.
Научная новизна работы заключается в следующем:
 Разработана динамическая математическая модель турбины Т-120/130-130-8МО и её парораспределения, учитывающая расходные и силовые характеристики регулирующих клапанов и расходные характеристики регулирующей ступени.
 На динамической модели турбины Т-120/130-130-8МО исследованы режимы сброса нагрузки с традиционной и индивидуальной схемой управления регулирующими клапанами. При этом получены количественные результаты расчёта частоты вращения и массы пролётного пара.

7
 Разработана математическая модель турбины Т-295/335-23,5 и её парораспределения, учитывающая расходные характеристики регулирующих клапанов и расходные характеристики регулирующей ступени.
 Разработан и предложен новый способ управления регулирующими клапанами и система регулирования для реализации оптимизированного парораспределения с минимальным дросселированием.
 На динамической модели турбины Т-295/335-23,5 исследовано оптимизированное парораспределение для повышения эффективности работы турбины при традиционном и новом разработанном способе управления регулирующими клапанами. При этом получены качественные и количественные результаты расчёта переходных процессов.
 Предложено и разработано устройство возврата выходного звена в исходное положение, для использования его в составе электромеханического привода ПРД.
 На математической модели электромеханического привода ПРД проведено исследование его работы в аварийных режимах.
Теоретическая и практическая значимость работы:
 Показано положительное влияние индивидуальной схемы управления регулирующими клапанами при сбросах нагрузки, заключающееся в снижении динамического повышения частоты вращения.
 Показана возможность реализации оптимизированного парораспределения безударным способом, без резких переключений РК и положительный экономический эффект такого парораспределения.
 Предложена и разработана кинематическая схема электромеханического привода ПРД теплофикационной паровой турбины с функцией энергонезависимого аварийного закрытия ПРД. Исследованы основные параметры привода.
 Показана возможность замены гидравлического привода регулирующих диафрагм на электромеханический со сниженным

8
быстродействием без отрицательного влияния на повышение частоты вращения при сбросе нагрузки с индивидуальной схемой управления РК.
Методология и методы исследования. Для решения задач исследования в работе используются методы математического моделирования. Модели турбин были построены на базе известных из литературы способов моделирования с использованием уравнений как массовых, так и тепловых балансов паровых объёмов трубопроводов и камер турбины. При определении расходов пара через РК и сегменты РС, а также паровых усилий на штоках РК были использованы их расходные и силовые характеристики, полученные при экспериментальных продувках моделей или натурных опытах. Моделирование выполнялось в среде Simulink пакета MATLAB.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается применением научно обоснованных принципов построения математических моделей паровых турбин, сертифицированного и общепризнанного программного обеспечения Simulink для моделирования динамических систем. Моделирование режимов работы турбин базируется на использовании режимных карт (тепловых балансов), полученных в результате подробных расчётов проточной части турбин и вспомогательного оборудования паротурбинной установки, проведённых ранее на заводе-изготовителе (УТЗ) и подтвердивших свою достоверность на множестве проектов. В основу моделирования регулирующих клапанов заложены реальные расходные характеристики, полученные в ходе продувок на испытательном стенде. Объёмы камер проточной части турбины, трубопроводов и сопротивления перепускных труб вычислены с учётом реальной геометрии и трассировки по чертежам завода-изготовителя (УТЗ).
Положения, выносимые на защиту:
 Результаты исследования режима сброса нагрузки турбины Т-120/130-130-8МО с традиционной и индивидуальной схемами управления РК, показывающие повышение надёжности турбоагрегата при индивидуальной схеме управления РК.

9
 Разработанные способ управления турбиной и цифровую адаптивную систему регулирования, позволяющие реализовать парораспределение с минимальным дросселированием без резких переключений РК, то есть безударно.
 Результаты исследования на динамической модели паровой турбины Т-295/335-23,5 оптимизированного парораспределения предложенным способом управления, которые показывают прирост мощности ЦВД до 2,7 МВт и экономию условного топлива на электроэнергию 1020 т у.т. в год или 0,77 г у.т./(кВт∙ч).
 Устройство возврата выходного звена в исходное положение и кинематическая схема, позволяющие реализовать ЭМП поворотных регулирующих диафрагм с функцией их энергонезависимого аварийного закрытия.
 Результаты исследования аварийного режима работы ЭМП на основе предлагаемого устройства возврата, обосновывающие необходимость применения в составе ЭМП амортизатора для исключения пластических деформаций деталей.
Реализация результатов работы.
Полученные результаты исследований используются на УТЗ.
Результаты моделирования турбины Т-120/130-130-8МО с разными схемами управления регулирующими клапанами используются при оценке динамического повышения частоты вращения и количества пролётного пара при сбросе нагрузки паровых турбин с той или иной схемой управления. Эти данные позволяют обосновать выбор в пользу предложенной схемы управления регулирующими клапанами при проектировании турбины. Разработанная математическая модель ИПРК используется для оценки работы других типов ИПРК для различных турбин.
Результаты моделирования оптимизированного парораспределения на динамической модели паровой турбины Т-295/335-23,5 используются для оптимизации турбины и применения на других турбинах УТЗ. Разрабатываются алгоритмы для реализации предлагаемого способа управления.
Предложенное устройство возврата исполнительного механизма и результаты его моделирования используются в работе над проектом электромеханического привода ПРД.

10
Результаты и опыт разработки математических моделей паровых турбин Т-120/130-130-8МО и Т-295/335-23,5 используются при внедрении программного обеспечения для динамического моделирования паротурбинных установок на УТЗ.
Апробация работы. Основные результаты настоящей диссертационной работы обсуждены и докладывались на четвёртой научно-технической конференции молодых учёных Уральского Энергетического Института (г. Екатеринбург, 2019 г.), XI Всероссийской конференции «Реконструкция энергетики-2019» (г. Москва, 2019 г.), молодёжной научно-технической конференции «Современные задачи автоматизации» ОАО «ВТИ» (г. Москва, 2020 г.). Получены патенты РФ на изобретения «Способ управления турбиной и устройство для его осуществления» (No2730088), «Адаптивная цифровая система регулирования турбины» (No2722680) и на полезную модель «Устройство возврата выходного звена исполнительного механизма рабочего органа в исходное положение» (No199149).
Публикации. Все основные результаты, положения, выводы, основные результаты научных и практических исследований отражены в рецензируемых изданиях, определяемых ВАК РФ для представления результатов диссертационного исследования, докладывались соискателем и обсуждались на научно-технических конференциях. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи — в рецензируемых научных публикациях из перечня ВАК РФ; 2 патента РФ на изобретения, 1 патент РФ на полезную модель.
Личный вклад автора состоит в проведении критического обзора литературных источников, постановке задач исследования, анализе и выборе методов динамического моделирования паровых турбин, в сборе исходных данных для моделей, построении математических моделей паровых турбин и их верификации, в разработке нового способа управления регулирующими клапанами и системы регулирования для его реализации, проведении моделирования режимов работы турбин при сбросах нагрузки и при исследовании разработанного способа управления РК, в определении экономического эффекта оптимизированного парораспределения, в разработке и расчёте основных параметров кинематической

11
схемы электромеханического привода ПРД, в построении динамической модели электромеханического привода ПРД, в проведении исследования на динамической модели привода ПРД.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 125 наименований. Весь материал изложен на 140 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 4 таблицы, 1 приложение.
Работа выполнена на кафедре «Турбины и двигатели» Уральского энергетического института ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» и в Специальном конструкторском бюро по турбиностроению (СКБт) АО «Уральский турбинный завод» (АО «УТЗ»), где работает автор.
Автор благодарен коллегам с АО «УТЗ» (Арменков С.В., Беляев А.М., Деминов А.М., Куклин М.Ю., Никитина Т.В., Плахтий В.Н., Саков А.П., Шехтер М.В., Шибаев Т.Л., Ямалтдинов А.А. и многим другим), ОАО «Уралэнергоремонт» (Литвинов Е.В.), ООО «СЗД Инжиниринг» (Щербина Р.С.), ЗАО «ИЦ «Уралтехэнерго» (Шолохова С.А.), кафедре «Турбины и двигатели» УралЭНИН УрФУ, а также коллегам от ООО «ИНКОНТРОЛ», ГК «Ракурс», ООО «Пневмакс», АО «ТЕКОН-Инжиниринг», Duplomatic MS S.p.A. за приобретение опыта проектирования, испытаний и пусконаладочных работ ЭЧСРиЗ, узлов САР и парораспределения турбин, за помощь в сборе и подготовке исходных данных для исследований, за работу над совместными статьями и патентами, за проявленный интерес, поддержку и ценные советы для подготовки диссертации.
Автор благодарен кандидату педагогических наук Копцевой Лидии Алексеевне за помощь по методологии написания рукописи и научном формулировании положений, поддержку и ценные советы для подготовки диссертации и статей.
Автор благодарен научному руководителю доктору технических наук, Новосёлову Владимиру Борисовичу за руководство, помощь, обсуждение результатов исследований и работу над совместными статьями.