ANALIZY WYTRZYMAŁOCIOWE I TERMODYNAMICZNE NOWYCH KONSTRUKCJI WSPÓŁPRACÓJCYCH Z WYEKSPLOATOWANYMI ELEMENTAMI TURBIN PAROWYCH

Transkrypt

1 33/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(1/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (1/2) PAN Katowice PL ISSN ANALIZY WYTRZYMAŁOCIOWE I TERMODYNAMICZNE NOWYCH KONSTRUKCJI WSPÓŁPRACÓJCYCH Z WYEKSPLOATOWANYMI ELEMENTAMI TURBIN PAROWYCH M. SZOSTAK 1, A. REHMUS-FORC 2. ALSTOM Power Sp. z o.o. Warszawa Oddział w Elblgu STRESZCZENIE Kadego roku podczas sezonu remontowego w elektrowniach, elektrociepłowniach lub energetycznych zakładach przemysłowych przeprowadza si remonty elementów turbozespołów. Na charakter remontu ma wpływ wiele czynników poczwszy od dyspozycji czasowych, miejsca jak równie moliwoci kapitałowych danej elektrowni, zakładu idc przez usterki serwisowe i koczc na modernizacjach wyeksploatowanych ju turbozespołów. W referacie omówiono problematyk zwizan z remontem i modernizacj turbozespołu produkcji LANG. Przedstawiono krótk charakterystyk modernizacji turbiny oraz zagadnienia zwizane z wykorzystaniem technik komputerowych przy projektowaniu nowych konstrukcji. W opracowaniu głównie wykorzystano wyniki analiz wytrzymałociowych Metod Elementów Skoczonych - MES, Metody Objtoci Skoczonych MOS dla oblicze przepływu pary przez modernizowany układ. 1. WARUNKI PRACY TURBINY PRZED MODERNIZACJ Rozpatrywana turbina PR-55/ ,5 pracuje na potrzeby technologiczne zasilajc kolektory: z wylotu 7,5bar, z upustu regulowanego 17,5bar. Maszyna ta posiada take zaczep regeneracyjny na nawrocie, który w warunkach nominalnych nie jest wykorzystywany. 1 mgr in., marcin.szostak@power.alstom.com 2 dr in., anna.rehmus-forc@power.alstom.com

2 Uproszczony schemat cieplny turbiny przed modernizacj przedstawiono na rys.1. Główne parametry pary w obiegu cieplnym turbiny [3]: - cinienie i temperatura na wlocie 132bar i 535 o C, - cinienie utrzymywane w upucie regulowanym 17,5bar, - cinienie utrzymywane na wylocie 7,5bar. 7,5bar 44bar 430stC 34bar 340stC 17,5bar Rys. 1. Schemat cieplny układu turbiny PR-55/ ,5 Fig. 1. Heat diagram system turbine PR-55/ ,5 2. CEL I ZAKRES MODERNIZACJI TURBINY Celem modernizacji turbiny było przystosowanie do poboru pary technologicznej (upustowej) o specyficznych stałych parametrach 44bar i 430 o C i uzyskanie z przepływu tej pary przez turbin moliwie duej iloci energii elektrycznej. Najbardziej optymalne warunki pracy turbiny były liczone przy pomocy programu ALPRO do oblicze 0D układów cieplnych. Przeprowadzone symulacje komputerowe rónych wariantów pracy wykazały, e najkorzystniej jest wyprowadzi upust o stałym cinieniu, a temperatur regulowa przy pomocy mieszalnika powodujcego dogrzanie pary upustowej par wie. Zalet tego rozwizania jest osiganie dodatkowego zysku przy niepełnym obcieniu turbozespołu, gdy temperatura pary upustowej ronie, a wic maleje strumie pary dogrzewajcej omijajcej układ przepływowy. Rozwizanie to nie wymusza take zmian w układzie przepływowym przed nowym upustem w czci WP, co byłoby niezbdne dla zapewnienia temperatury 430 o C w upucie dla całego pola pracy maszyny (z warunków projektowych maszyny wynikało, e odpowiednim miejscem na wyprowadzenie takiego upustu jest dotychczasowy zaczep regulowany). Dla zapewnienia wymaganego cinienia w upucie konieczne było zastosowanie dodatkowego elementu regulacyjnego, była nim tarcza regulowana z przepływem promieniowym. Dla podniesienia sprawnoci turbozespołu zaproponowano wymian układu przepływowego za upustem 44bar i przed upustem 17,5bar na układ łopatkowy oparty o profile 8000 rys. 2 z dostosowaniem przelotnoci do nowych warunków pracy. Profile te charakteryzuj si wysok sprawnoci przy 298

3 do szerokim obszarze obcienia co wida na charakterystyce sprawnociowej rys. 3. [1] Schemat cieplny zaproponowanego rozwizania przedstawiono na rys. 4. a) b) Rys. 2. a) łopatka wirnikowa; b) łopatka kierownicza z profilami 8000 Fig. 2. a) rotor blade; b) stator blade with profile 8000 Sprawnosc politropowa ETAP [%] 96% 94% 92% 90% 88% 86% 84% 82% 80% 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 Liczba obciazenia MUEY [-] Rys. 3. Sprawno stopnia w funkcji obcienia Fig. 3. Stage eficiency in relation to duty 44bar 400stC 80t/h do wymienników regeneracyjnych 17,5bar 7,5bar 44bar 430stC 70t/h Rys. 4. Schemat cieplny układu po modernizacji turbiny Fig. 4. Heat diagram system turbine after modernization 2.1. Nowe konstrukcje w turbozespole W starej konstrukcji cz SP posiadała dwie obejmy łopatek kierowniczych, pomidzy którymi był zaspawany upust regeneracyjny rys. 5. W celu przystosowania 299

4 turbiny do nowych warunków pracy naleało zmieni cz układu SP na jedn obejm łopatek kierowniczych z przesłona regulacyjna, dostosowa kadłub zewntrzny, zmieni rednic tłoka odciajcego czci WP i wstawi nowy tłok odciajcy czci SP rys. 6. Rys. 5. Cz WP i SP przed modernizacj Fig. 5. HP and IP turbine parts before modernization Rys. 6. Cz WP i SP po modernizacji Fig. 6. HP and IP turbine parts after modernization Przy takiej modernizacji, gdzie w istniejcym starym kadłubie naleało wstawi nowe elementy konstrukcji wspierano si rónymi technikami komputerowymi, głównie programy do oblicze wytrzymałociowych i cieplnych opartych na Metodach Elementów Skoczonych - MES, oraz oblicze przepływowych opartych na Metodach Objtoci Skoczonych MOS. Głównymi elementami do szczegółowych analiz wykorzystujcych powysze techniki komputerowe przy tej konstrukcji okazały si tematy: - rozwizanie problemu sposobu regulacji cinienia przy pomocy tarczy regulowanej i jej konstrukcji współpracujcej z obejm SP, - zmiana warunków pracy turbiny spowodowała wzrost siły osiowej działajcej w kierunku bloku przedniego. Łoysko oporowe nie było w stanie jej przenie, dlatego zdecydowano si na obnienie rednicy tłoka odciajcego znajdujcego si przy bloku przednim oraz wprowadzenie dodatkowego tłoka odciajcego pod tarcz regulowan. 300

5 3. TECHNIKI KOMPUTEROWE JAKO NIEODŁCZNE NARZDZIE PRZY PROCESIE PROJEKTOWANIA Jak ju wspomniano w rozdziale drugim głównym problemem było rozwizanie nowej konstrukcji tarczy regulowanej na obejmie SP. Ze wzgldu na małe miejsce do zabudowy pod tarcze regulowan typu osiowego oraz ze wzgldu na du rónic cinie przed tarcz 44bar i za tarcz 19.6bar zdecydowano si na tarcz typu promieniowego. Wiadomo jest, i tarcze typu promieniowego, poddawane duym rónicom cinie, mniej s podatne na odkształcenia w kierunku rodka tarczy, w zwizku z tym siły tarcia jakie mog wystpi na powierzchni współpracujcej w tym przypadku obejmy, s znikome. Naley jednak pamita e w tego typu urzdzeniach wan rol prócz cinienia pełni równie temperatura co wpływa na rozszerzalno materiału, w obszarze rozpatrywanej tarczy temperatura jest rzdu 450 o C. Prócz samej konstrukcji tarczy regulowanej istotn rol jest cz przepływowa w kanałach tarczy. Analiza przepływowa kanałów pozwoliła na poznanie sił obwodowych działajcych na ruchom tarcz, które maja wpływ na przeniesienie, niezawodno napdu tarczy i bezpieczestwo. Nastpnie dalsze analizy pozwoliły na sprawdzenie rozkładu prdkoci pary w kanale dolotowym za tarcz do układu łopatek czci SP, by mona było optymalnie bez wikszych strat przepływowych zaprojektowa cz dolotow do grupy łopatek SP. Na rysunku 7 przedstawiono zestawienie tarczy i obejmy w ostatecznej konstrukcji. Rys. 7. Przesłona regulacyjna i obejma SP model CATIA v5 Fig. 7. Control diaphragm and IP blades casing model CATIA v Analizy termodynamiczne i przepływowe tarczy regulowanej i kanału dolotowego Napd tarczy regulowanej odbywa si przy pomocy dwóch siłowników umiejscowionych na zewntrz starego kadłuba. W zwizku z tym naleało zmodernizowa górn połówk kadłuba zewntrznego nad czci SP poprzez przyspawanie króców do mocowania siłowników hydraulicznych oraz przeniesienia napdu przez dwignie przegubowe rys. 8. W celu zapewnienia niezawodnoci układy i bezpieczestwo pracy oraz dobrania odpowiedniej mocy siłowników naleało wykona analizy termodynamiczne przesłony. Przesłona regulacyjna posiada 32 kanały regulowane równomiernie rozłoone 301

6 po obwodzie. Na kady kanał działaj siły ze strony pary przepływajcej przez przesłon, wielko ich uzaleniona jest od połoenia tarczy regulowanej. Do analiz przyjto trzy połoenia tarczy: - połoenie A gdy tarcza jest całkowicie otwarta 100% przelotnoci; - połoenie B gdy tarcza jest otwarta na 25% przelotnoci; - połoenie C gdy tarcza jest otwarta na 3% przelotnoci, przypadek ten odzwierciedla wystpowanie luzów. Rys. 8. Układ napdowy przesłony regulacyjnej; poz.1 - przyspawane króce; poz.2 - dwignia przegubowa; poz.3 - siłowniki hydrauliczne; poz.4 - przesłona regulacyjn Fig. 8. Power transmission system of control diaphragm; item 1 welded flange; item 2 rocker follower; item 3 hydraulic engine; item 4 control diaphragm Obliczenia MOS wykonano programem SPARC, którego algorytm bazuje na rozwizaniu równa Navier-Stokesa w urednieniu Reynoldsa [2]. Na rysunku 9 przedstawiono rozkład cinienia statycznego Rys. 9. Rozkład cinienia statycznego i linii prdu; a) połoenie A 100% przelotnoci; b) połoenie B 25% przelotnoci; c) połoenie C 3% przelotnoci Fig. 9. Statical pressure distribution and steam line; a) position A 100% steam flow; b) position B 25% steam flow; c) position C 3% steam flow Z analiz wynikło, i najwiksze siły obwodowe wystpuj w przypadkach gdy przesłona jest pomidzy maksymalnym i minimalnym przymkniciem kanałów wyniki przedstawiono w tablicy 1. Dodatkowo synteza udowodniła wystpowanie 302

7 krtu, który jest generowany przez przesłon w połoeniach zamykajcych kanały. Wystpowanie lokalnych zaburze w linii prdu przepływu mogło dodatkowo wpływa na nierównomierne zasilanie układu łopatkowego czci SP. Tabela 1. Table 1. Siły promieniowe i obwodowe działajce na kanał Radial and circumferential forces are in single steam channel Wyniki pokazały zwikszanie si siły promieniowej na jeden kanał w zalenoci od połoenia tarczy regulowanej, adekwatne to jest ze spadkiem cinienia na przesłonie. Sprawdzono odkształcenia tarczy poddane siłom promieniowym i temperaturze omywajcej przesłon rys.10. Rys. 10. Odkształcenia i naprenia tarczy regulowanej w połoeniu B; a) odkształcenia; b) naprenia zredukowane Fig. 10. Strains and stresses in control diaphragm at position B; a) Strains; b) reduced stresses Analiza pokazała, i odkształcenia tarczy s symetryczne i odkształca si obwodowo na zewntrz a nie jak wczeniej przypuszczano do wewntrz tarczy na skutek spadku cinienia. Taki charakter odkształcenia tarczy sprawia, i powikszaj si luzy obwodowe w miejscu współpracy z obejm SP. Wartoci odkształce i napre dla jednego z przypadków pokazano w tabeli 2. Tabela 2. Table 2. Wyniki odkształce i napre zredukowanych Results of strains and reduced stresses W zwizku z małymi gabarytami przesłony regulacyjnej oraz kanału dolotowego do grupy łopatek obejmy SP za przesłon istotne było sprawdzenie rozkładu cinienia i prdkoci w tyme kanale. Tego typu analizy pozwalaj na dalsze projektowanie samego kanału oraz obejmy. W przypadku obejmy wanym czynnikiem było tu 303

8 zapewnienie szczelnoci na płaszczynie podziału. Wystpowanie znacznych rónic cinie wynikajcych z kształtu kanału mogłoby wpływa na niepotrzebne deformacje obejmy w obszarze pierwszych stopni łopatek czci SP. W kształcie samego kanału naleało unikn znacznych rónic prdkoci oraz miejscowych turbulencji wynikajcych z mocno zakrzywionego kształtu kanału. Rezultat analiz kanału dolotowego przedstawiono na rys. 11. Rys. 11. Wyniki oblicze kanału dolotowego; a) rozkład cinienia w kanale; b) rozkład wektorów prdkoci w kanale Fig. 11. Results of inlet channel calculations; a) pressure distribution in inlet channel; b) vector of velocity distribution in inlet channel Wyniki pokazały, e kształt kanału jest dobrze zaprojektowany. Informacja o miejscowym zwikszeniu cinienia zaraz za przesłon pozwoliło dobra w dalszej czci projektowania elementy skrcajce obejm oraz ich rozmieszczenie na płaszczynie podziału Obliczenia wytrzymałociowe obejmy SP Jak ju wczeniej wspomniano, w tego typach konstrukcji istotn spraw jest zapewnienie szczelnoci na płaszczynie podziału obejmy. W zwizku z tym kolejnym krokiem przy projektowaniu obejmy było dokonanie cyklu oblicze wytrzymałociowych obejmy. Przy tego typu obliczeniach wane jest: - dokładne zaprojektowanie siatki do oblicze MES, - warunki pracy (brzegowe) danego układu. Do oblicze zastosowano program MES Abaqus/Standard, wersja 6.3. wykorzystywany w biurze konstrukcyjnym firmy ALSTOM. Obliczenia wytrzymałociowe obejmy czci SP wykonano dla nastpujcych warunków pracy [4]: - maksymalny spadek cinienia p na tarczy regulowanej (minimalna moc elektryczna), - maksymalny spadek cinienia p na obejmie (maksymalna moc elektryczna). Bazujc si na wieloletnim dowiadczeniu firmy ALSTOM obliczenia wytrzymałociowe obejmowały nastpujce warunki obcie obejmy: 304

9 - rozkład napre Mises przy obcieniu jedynie od cinienia pary, - rozkład napre Mises przy obcieniu od cinienia i temperatury pary. Na rysunku 12 przedstawiono pogldowe wyniki oblicze dla warunków pracy o maksymalnym spadku cinienia na tarczy regulowanej przy obcieniu jedynie od cinienia pary przypadek b) i przy obcieniu od cinienia i temperatury przypadek c). Rys. 12. Wyniki oblicze wytrzymałociowych dla warunków pracy przy maksymalnym spadku cinienia na tarczy regulowanej; a) rozkład temperatury w obejmie w stanie ustalonym; b) rozkład napre Mises dla warunku obcienia jedynie od cinienia pary; c) rozkład napre Mises dla warunku obcienia od cinienia i temperatury Fig. 12. Results of strength calculations for working conditions with max pressure drop at the control diaphrag; a) temperature distribution in IP blade casing during steady condition; b) Misses stresses distribution for only steam pressure loads condition; c) Misses stresses distribution for steam pressure and temperature loads condition Na rysunku 13 przedstawiono pogldowe wyniki oblicze dla warunków pracy o maksymalnym spadku cinienia na obejmie przy obcieniu jedynie od cinienia pary przypadek b) i przy obcieniu od cinienia i temperatury przypadek c). Wyniki oblicze MES obejmy SP pozwoliły na wprowadzenie niewielkich zmian konstrukcyjnych w obejmie. Głównie zmiany dotyczyły: - powikszenia powierzchni płaszczyzny podziały obejmy i dodanie dwóch rub na tej powierzchni w celu zapewnienia szczelnoci na grzebieniu obejmy, - wprowadzenia dodatkowych eber usztywniajcych na obwodzie tarczy od strony wylotu obejmy, - przesunicia rub w obszarze nowego tłoka odciajcego w kierunku osi obejmy. Po przeprowadzeniu powyszych oblicze przepływowo-wytrzymałociowych przy pomocy nowoczesnych technik komputerowych i wprowadzeniu poprawek do wersji pierwotnych konstrukcji przesłony i obejmy przystpiono do produkcji powyszych elementów. 305

10 Rys. 13. Wyniki oblicze wytrzymałociowych dla warunków pracy przy maksymalnym spadku cinienia na obejmie SP; a)rozkład temperatury w obejmie w stanie ustalonym; b)rozkład napre Mises dla warunku obcienia jedynie od cinienia pary; c) rozkład napre Mises dla warunku obcienia od cinienia i temperatury Fig. 13. Results of strength calculations for working conditions with max pressure drop at the IP blade casing; a) temperature distribution in IP blade casing during steady condition; b) Misses stresses distribution for only steam pressure loads condition; c) Misses stresses distribution for steam pressure and temperature loads condition 4. MODERNIZACJA KADŁUBA ZEWNTRZNEGO Równoległym procesem podczas projektowania oraz wytwarzania nowych konstrukcji był proces modernizacji kadłuba. Głównym problemem przy modernizacji kadłuba, by wyprowadzi napd na zewntrz, było przyspawanie dwóch króców w górnej połówce kadłuba. Miejsce spawane było miejscem trudnym w sensie wykonania faz spawalniczych oraz wielkoci spoin rzdu max. około 200mm. Problem ten wynikał z samej konstrukcji pierwotnej kadłuba zewntrznego co przedstawiono na rys. 14. Modernizowany obszar był obszarem gdzie przenikały si dwie tworzce płaszczyzny kadłuba (pł. beczkowa i cylindryczna), które w znacznym stopniu utrudniły wykonanie spoiny łczcej króce z kadłubem. Rys. 14. Kadłub zewntrzny obszar modernizowany Fig. 14. Outer turbine casing modernized area Otwory pod króce naleało wykona na rednic 280mm a wielko faz spawalniczych była zmienna i uwarunkowana kształtem samego kadłuba oraz 306

11 ograniczeniami wynikajcych z wielkoci spoin i ich jakoci. Do wykonania, mogło si wydawa prostego otworu, wykorzystano takie narzdzia jak CATIA v5 w celu zamodelowania geometrii zmiennej spoiny oraz narzdzia do obróbki numerycznej (maszyna obróbcza Double Gentry) obrabiajcej w 5 płaszczyznach, bdcej na stanie parku maszynowego zakładu fabryki firmy ALSTOM. W efekcie modernizacji kadłuba poprzez przyspawanie króców w celu wyprowadzenia napdu pozyskano efekty ekonomiczne w postaci wykorzystania do dalszej pracy starego kadłuba zewntrznego z nowym układem przepływowym. Pozyskiwanie wyeksploatowanych kadłubów zewntrznych poprzez ich rewitalizacj lub modernizacj do dalszej pracy w zmodyfikowanych układach przepływowych jest przedmiotem innych opracowa [6]. 5. WNIOSKI Przy dzisiejszych krótkich terminach realizacji projektów, wanym jest niezawodno, bezpieczestwo w pracy nowych konstrukcji turbin czsto współpracujcych ze starymi elementami turbozespołu oraz osignicie zamierzonych efektów. Wykorzystanie nowych technik komputerowych opartych na obliczeniach numerycznych pozwoliło na wprowadzenie dodatkowych zmian w konstrukcji dziki temu zwikszajc niezawodnoci i bezpieczestwo modernizowanego turbozespołu. W wyniku modernizacji poprzez dostosowanie czci SP turbiny do nowych warunków pracy udało si uzyska zamierzone cele opisane w trzech punktach gwarancyjnych [5]: - uzyskano 10,4MW przy pełnym wydatku upustu 44bar 128,7t/h (z czego 80t/h na regeneracj a reszta do podgrzania i na technologi po podgrzaniu uzyskano 70t/h pary o temperaturze 430 o C) i maksymalnym przepływie pary wieej do turbiny 420t/h, - uzyskano 8,2MW przy pełnym wydatku upustu 44bar 135,3t/h (z czego 80t/h na regeneracj a reszta do podgrzania i na technologi po podgrzaniu uzyskano 70t/h pary o temperaturze 430 o C) i przepływie pary wieej do turbiny 360t/h, - uzyskano 3,4MW przy wydatku upustu 44bar 70t/h bez podgrzewu i przepływie pary wieej do turbiny 300t/h. LITERATURA [1] Materiały opisujce charakterystyki profili łopatek typu 8000 firmy ALSTOM. [2] Doerffer P., Flaszyski P., Rzdkowski R.: Obliczenia wytrzymałociowe i przepływowe tarczy regulowanej SP, praca zlecona dla IMP, Gdask (2004). [3] Opis koncepcji modernizacji układu przepływowego, Elblg (2003). [4] Kucharski W.: Obliczenia wytrzymałociowe obejmy czci SP turbiny PR-55/ ,5, Elblg (2004). [5] Gwarancje techniczne turbiny PR-55/ ,5, Elblag (2004). 307

12 [6] Rehmus-Forc A.: Rewitalizacja kadłubów turbin parowych, New Trends in Technology System Operation, Prešov, SLOVAK Republik ( ) s SUMMARY STRENGTH AND TERMODYNAMIC ANALISES OF NEW CONSTRUCTIONS WHICH MATE WITH OLD STEAM TURBINE PARTS The paper shows problems connected with overhaul and modernization of steam turbine set manyfactured by LANG. There is showed brief main modernization of turbine and problems conected with using new computer technology during designing new turbine parts constructions. In this paper using mainly results of strength analises reled on FEM Finite Element Method, CFD Computational Fluid Dynamic for calculation steam flows through modernizated system. Recenzował: prof. Roman Wrona. 308