Стратегия выполнения работ при совершенствовании проектирования оборудования паротурбинных установок

В.И. Брезгин

проф., д.т.н., с.н.с., vibr@list.ru,

УрФУ, г. Екатеринбург

Стратегия (см. рис.1) выполнения работ при совершенствовании проектирования и эксплуатации оборудования паротурбинных установок (ПТУ), предложенная автором [1], базируется на широком использовании современных информационных технологий. Основным принципом является сочетание различных технологий информационной поддержки оборудования ПТУ на различных этапах его жизненного цикла (ЖЦ) с проведением необходимых теоретических и прикладных исследований. Апробация предложенной стратегии в различных проектах показала, что предлагаемые подходы являются достаточно универсальными и могут быть применены при решении иных задач, не связанных напрямую с проектированием оборудования ПТУ.

В рамках настоящей конференции уже представлялись ряд работ, выполненных в соответствии с разработанной стратегией. Кратко перечислю эти работы: совершенствование методов проектирования подогревателей сетевой воды теплофикационных ПТУ [1, 4, 5, 7]; разработка системы проектирования маслоохладителей паровых турбин [1, 2, 6, 7]; совершенствование системы проектирования компоновок ПТУ [1, 2, 7, 8].

Рис. 1. Стратегия выполнения работ при совершенствовании проектирования оборудования ПТУ

Рис. 2. Твердотельная модель подогревателя сетевой воды ПСГ-1250 ПТУ с турбиной ПТ‑135/165-130/15

Усовершенствованная методика вибрационных расчетов и разработанная технология автоматизированного проектирования сетевых подогревателей легли в основу Системы параметрического проектирования сетевых подогревателей. На рис. 2 в качестве примера совершенствования проектирования сетевых подогревателей приведена трехмерная твердотельная модель подогревателя сетевой воды ПСГ-1250 ПТУ с турбиной ПТ‑135/165-130/15.

Рис. 3. Твердотельная модель маслоохладителя МБ-63М турбины К-210-130

Методология проектирования маслоохладителей ПТУ основана на объединении проектирующей подсистемы с широким использованием таблиц семейств и шаблонов и расчетной подсистемы, включающей в себя уточненную методику позонного теплогидравлического расчёта маслоохладителей паровых турбин. Она позволяет сократить сроки проектирования в несколько раз, обеспечить высокие показатели оборудования по экономичности, надежности и безопасности эксплуатации. На рис. 3 в качестве примера приведена твердотельная модель маслоохладителя, спроектированная в разработанной САПР маслоохладителей.

Совершенствование системы проектирования компоновок ПТУ выполнялось по двум направлениям. Первое – реинжиниринг бизнес-процессов с целью сокращения числа итераций, которые на функциональной модели бизнес-процессов проявляются в виде обратных связей. Второе – разработка модели данных оборудования ПТУ и создание на ее основе библиотеки твердотельных моделей оборудования. Обе поставленные задачи были успешно решены и в настоящее время в условиях разработанной САПР компоновок ПТУ спроектированы 14 паротурбинных установок, а 4 из них, а именно: Василеостровская ТЭЦ (на базе турбины Т-50/60-8,8); Тобольская ТЭЦ (К-110-1,6); Краснодарская ТЭЦ (Т-113/145-12,4); Улан-Удинская ТЭЦ-1 (Тп-100/110-90)уже изготовлены, смонтированы, запущены в работу и находятся в эксплуатации. Производительность труда КБ, занимающимся проектированием компоновок ПТУ, выросла в 3,5 раза, а количество рекламаций по поводу качества проектирования сократилось в десятки раз. На рис. 4 в качестве примера приведена 3D-модель компоновки ПТУ на базе Т-113/145-12,4.

Рис. 4. Фрагмент компоновки ПТУ на базе Т-113/145-12,4

Ещё один проект, при разработке которого использовалась предложенная стратегия – разработка новых пароструйных эжекторов по заказу ЗАО «Уральский турбинный завод».

Начну с некоторых необходимых пояснений об этом оборудовании. На рис. 5 представлена принципиальная схема теплосиловой установки, состоящей из питательного насоса 1, котла 2, пароперегревателя 3, паровой турбины 4, конденсатора 5 и электрического генератора б. Рабочим телом ее является водяной пар. В некоторых установках пароперегреватель 3 может отсутствовать.

Рис.5. Принципиальная схема теплосиловой установки: 1-питательный насос; 2-котел; 3-пароперегреватель;

4-паровая турбина; 5-конденсатор; 6-генератор

Экономичность паротурбинной установки в значительной мере определяется конечным давлением пара на выходе из турбины. Понижение параметров пара за турбиной происходит в конденсаторе за счет конденсации пара. Давление пара в конденсаторе обычно составляет 3…5 кПа, поэтому в конденсатор кроме поступающего из турбины пара, подсасывается через различные неплотности вакуумной системы неконденсирующиеся газы (воздух).

Для удаления воздуха и поддержания вакуума в конденсаторе предназначен воздушный насос (эжектор), который является составной частью конденсационной установки.

Потребность в создании новых пароструйных эжекторов для ЗАО «Уральский турбинный завод» объясняется появлением в линейке завода новых ПТУ небольшой мощности – 17 Мвт, 25 МВТ, 40 Мвт, 63 МВт и др. Потребность в таких ПТУ связана со стремлением собственников энергопредприятий к оптимизации своих инвестиций. Использование старых конструкций эжекторов, рассчитанных на существенно более мощные турбины стало экономически не выгодно.

На рис. 6 представлена принципиальная схема конденсационной установки, в составе которой и работает эжектор. Конденсационная установка состоит из конденсатора 1; циркуляционного насоса 2; конденатосборника 3; конденсатного насоса 4; воздушного насоса (эжектора) 5.Стрелками на схеме показаны: А — подвод рабочего тела (пар или вода); Б — пар из турбины; В — отвод в систему регенерации.

Рис. 6. Принципиальная схема конденсационной установки: 1 — конденсатор; 2 — циркуляционный насос;

3 — конденсатосборник; 4 — конденсатный насос; 5 — воздушный насос (эжектор);

А — подвод рабочего тела (пар или вода); Б — пар из турбины; В — отвод в систему регенерации

На рис. 7 представлена твердотельные модели двух разрабатываемых пароструйных эжекторов— ЭПО-3-80 и ЭПУ -0.9-500.

а б

Рис. 7. Проектируемые пароструйные эжекторы ЭПО-3-80 (а) и ЭПУ-0,9-500 (б) (твердотельные модели)

Больших усилий при проектировании эжекторов потребовало создание методики расчета. Анализ литературы показал, что в открытых источниках такой методики не существует, различные методические указания и отчеты, которые удалось найти, изобилуют таким количеством ошибок, что использовать их не представляется возможным.

В итоге была разработана методика конструкторского расчета, определены основные геометрические размеры сопел и диффузоров, затем для оптимизации геометрических размеров пароструйного аппарата разработана твердотельная модель активной и пассивной среды и проведены численные расчеты в среде Star-CCM+, позволившие оценить оптимальное осевое расстояние между критическим сечением сопла и цилиндрической частью камеры смешения. В настоящее время уже силами конструкторского бюро самого ЗАО «Уральский турбинный завод» идет стадия рабочего проектирования эжекторов, после чего оборудование будет изготовлено и поставлено на одну из электростанций. Планируется проведение испытаний головного образца, доведение его до готовности к серийному производству.

В настоящий момент продолжается проект по совершенствованию элементов проточной части теплофикационной паровой турбины Т-295/330-23,5. Первые результаты, полученные в ходе этого проекта, будут представлены в нашем втором докладе – «Проектирование обоймы диафрагм турбины Т-295/300-23,5.

Применение технологий 3D-моделирования при проектировании оборудования ПТУ не только сокращает сроки проектирования, но и снижает количество ошибок в конструкторской документации. Математическое моделирование с последующей компьютерной реализацией позволяет оптимизировать конструктивные решения, рабочие режимы и технико-экономические показатели эксплуатации ПТУ на основе многовариантных расчетов, составляющих сущность компьютерного эксперимента, ускоряющего и удешевляющего процесс создания нового конкурентоспособного оборудования. Организовать взаимодействие между участниками ЖЦ оборудования ПТУ позволяет применение PLM-решений. Переход на современные технологии проектирования ПТУ обеспечивает повышение его конкурентоспособности за счет своевременного выявления и адекватного реагирования производителя на выявляемые проблемы в эксплуатации оборудования. Требования повышения качества оборудования и его конкурентоспособности обуславливают необходимость объединения информационных технологий в интегрированные системы, обеспечивающие сквозную поддержку оборудования ПТУ на всех этапах его ЖЦ.

Литература

1. Брезгин В.И. Совершенствование системы проектирования оборудования паротурбинных установок с применением современных информационных технологий / В.И. Брезгин, Ю.М.Бродов, Д.В. Брезгин// Тяжёлое машиностроение. № 2. 2012 г. С.7…14.

2. Концепция информационной поддержки жизненного цикла турбин и турбинного оборудования как стратегия развития энергомашиностроения / Брезгин В.И., Бродов Ю.М., Зырянов С.М. // Тяжелое машиностроение. № 12. 2005. C. 2…5.

3. Брезгин В.И. Совершенствование системы проектирования оборудования паротурбинных установок с применением современных информационных технологий / В.И. Брезгин, Ю.М.Бродов, Д.В. Брезгин// Тяжёлое машиностроение. № 2. 2012 г. С.7…14.

4. Применение концепции CALS на примере теплофикационной паротурбинной установки / Брезгин В.И., Бродов Ю.М., Кортенко В.В. и др.// Тяжелое машиностроение. 2002. № 2. С. 29…31.

5. Исследование концептуальной модели информационной поддержки жизненного цикла элементов турбин и турбинного оборудования на этапе проектирования / Брезгин В.И., Бродов Ю.М., Брезгин Д.В. // Тяжелое машиностроение. № 3. 2008. C. 9…11.

6. Брезгин В.И. Опыт разработки модернизированных маслоохладителей системы маслоснабжения турбин мощностью 800 МВт / К.Э.Аронсон [и др.] // Теплоэнергетика. 2009. №8. С. 13…19.

7. Брезгин В.И. Совершенствование методов непрерывной информационной поддержки жизненного цикла паровых турбин и турбинного оборудования на этапе проектирования / В.И. Брезгин, Ю.М.Бродов, Д.В. Брезгин // Информационные технологии в проектировании и производстве" № 1, 2010 г. С.57…64.

8. Брезгин В.И. Автоматизированное проектирование компоновок паротурбинных установок / Т.Л.Шибаев, А.А. Гольдберг, В.И. Брезгин // Теплоэнергетика. 2008. № 8. С. 59…64.