Надежность газотурбинных установок
Особенность использования газовых турбин для создания парогазовых устройств. Характерные отказы газотурбинных установок на российских станциях. Исследование основных показателей надежности по причине износа рабочих лопаток полукаплана высокого давления.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | лекция |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 16.09.2017 |
| Размер файла | 24,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Лекция
Надежность газотурбинных установок
Введение
Энергетическая политика всех промышленно развитых стран предусматривает освоение современных эффективных технологий производства электрической и тепловой энергии на ТЭС с применением газотурбинных (ГТУ) и парогазовых (ПГУ) установок.
Направления и масштабы использования ГТУ и ПГУ в энергетике России зависят от многих факторов. К числу основных относятся следующие:
темпы роста потребления электрической и тепловой энергии;
направления развития топливной базы электростанций;
масштабы сооружения новых энергогенерирующих мощностей на ТЭС;
направления технического перевооружения и модернизации ТЭС.
Производство электроэнергии в России после спада в 1991-1996 гг. увеличится по прогнозам до 1080-1270 млрд. кВт-ч в 2010 г. При этом тепловые электростанции сохранят свое ведущее положение - выработка электроэнергии на ТЭС составит 70-75 %. В области теплоснабжения следует ожидать увеличения потребления тепловой энергии в 2010 г. до 11 300-12 000 млн. ГДж.
В то же время известно, что в период до 2010 г. из находящегося в эксплуатации на ТЭС общего пользования энергетического оборудования мощностью 135 ГВт отработает свой расчетный срок службы оборудование мощностью 75 ГВт, На этих ТЭС должно быть осуществлено одно из следующих мероприятий: демонтаж оборудования, продление срока службы оборудования путем замены изношенных деталей и узлов, техническое перевооружение на основе применения ГТУ и ПГУ.
Установлено, что применение на существующих ГРЭС газовых турбин позволит увеличить их мощность на 3050 % и повысить тепловую экономичность на 15,417,5 %, в том числе на 4,96,2 % в результате повышения экономичности паровых турбин.
Второе направление - использование газовых турбин для создания ПГУ-ТЭЦ и ГТУ-ТЭЦ. По масштабам развития ТЭЦ электроэнергетика России является уникальной - доля выработки электроэнергии на ТЭЦ в общей выработке тепловыми электростанциями страны составляет примерно 50 % . В период до 2010 г. намечается сооружение новых и техническое перевооружение действующих ТЭЦ общей мощностью более 40 млн. кВт. В настоящее время и до 2010 г. доля газа в топливоснабжении ТЭЦ составит более 60%. Предложены многочисленные варианты технологических схем ПГУ-ТЭЦ.
На вновь сооружаемых (расширяемых) ТЭЦ, работающих на газе, целесообразно использовать теплофикационные ПГУ утилизационного типа. Характерным примером крупной ПГУ-ТЭЦ такого типа является сооружаемая Северо-западная ТЭЦ в Санкт-Петербурге. Один блок ПГУ на этой ТЭЦ включает: две газовые турбины V94.2 мощностью по 150 МВт производства СП «Интертурбо», два котла-утилизатора, паровую турбину Т-159-7,7 ЛМЗ. Основные показатели блока: электрическая мощность - 450 МВт; тепловая мощность - 407 МВт; удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии -154,5 г у.т./(кВт ч); удельный расход условного топлива на отпуск тепла - 40,6 кг у.т./ГДж; Кпд ТЭЦ по отпуску электрической энергии - 79,6 %; тепловой энергии - 84,1 %.
Перспективы развития газотурбинных установок в составе ГТУ ТЭЦ и ПГУ ТЭЦ потребуют проектирования новых установок, для которых будет необходимо прогнозирование показателей надёжности. При прогнозировании следует учитывать опыт, который имеется в стационарной энергетике при эксплуатации существующих газотурбинных установок.
1. Отказы газотурбинных установок
Характерные отказы газотурбинных установок на отечественных станциях приведены в табл.
Отказы основных элементов энергетических ГТУ
Таблица 1
|
Отказавший элемент или система |
Доля от общего числа отказов, % |
||
|
1970 - 1974 гг. |
1975 -1979гг. |
||
|
Рабочие лопатки и ротор турбины |
31 |
29,3 |
|
|
Направляющие лопатки и диафрагмы турбины |
8 |
21,2 |
|
|
Рабочие лопатки и ротор компрессора |
12 |
4,8 |
|
|
Направляющие лопатки компрессора |
4 |
5,3 |
|
|
Камеры сгорания и газоходы |
11 |
6,3 |
|
|
Подшипники |
6 |
14,4 |
|
|
Теплообменники, выхлопные устройства |
6 |
5,8 |
|
|
Корпуса и уплотнения |
4 |
3,4 |
|
|
Арматура, воздуховоды и другие трубопроводы ГТУ |
7 |
1,4 |
|
|
Вспомогательные устройства и фундаменты |
7 |
3,3 |
|
|
Прочие |
4 |
4,8 |
|
|
Всего |
100 |
100 |
Как следует из табл.1, наиболее часто отказывают рабочие лопатки турбин. Это связано с тем, что турбинные лопатки являются самым напряжённым элементом ГТУ. Рабочие лопатки турбин повреждаются вследствие действия высоких температур газа, повышенных нагрузок от центробежных сил и сил давления газа, вибрации, коррозионного действия продуктов сгорания топлива и эрозии со стороны пылевых частиц в цикловом воздухе. Во время запуска при «забросах» температур газа градиенты температур металла рабочих лопаток турбин достигают нескольких десятков градусов на миллиметр, что вызывает накопление термоусталостных повреждений. Увеличение числа запусков вызывает быстрый износ всех горячих деталей ГТУ.
Причинами поломок лопаток компрессоров чаще всего являются помпаж, коррозия, эрозия и вибрация. При действии этих факторов на поверхности лопаток возникают усталостные микротрещины, риски и коррозионные язвы. Циклические нагрузки и вибрация приводят к развитию трещин и к уменьшению сечения лопаток. В результате снижения прочности происходит обрыв лопатки, который, как правило, сопровождается повреждением всей проточной части.
Отказы камер сгорания ГТУ обычно связаны с нарушением процесса горения топлива и искажением факела пламени в жаровой трубе, что вызывает пожоги стенок, коробление и трещины. Искажение факела пламени наблюдается при разрушении сопел форсунок, при загрязнении каналов подвода воздуха в камеру сгорания, при нарушении режима работы ГТУ, а также при отказах автоматики в системе управления и защиты.
Подшипники компрессоров и турбин отказывают в основном из-за нарушения режима смазки или при перегрузках. При недостаточной смазке (масляное голодание) происходит подплавление подшипников скольжения и разрушение шариков и роликов в подшипниках качения. При разрушениях подшипников повреждаются уплотнения роторов, и может нарушиться положение ротора относительно статора. В результате задевания ротора о статор, как правило, повреждаются лопатки компрессоров и турбин.
На различных этапах жизненного цикла с увеличением наработки меняется соотношение между отказами элементов ГТУ и их общее количество. Наибольшее число отказов наблюдается на начальном этапе эксплуатации, когда выявляются отказы из-за конструкционных и технологических недоработок. При увеличении наработки до величин, соизмеримых с назначенным ресурсом, растёт число деградационных отказов. В табл.2. приведены отдельные данные по отказам ГТУ в энергетике ФРГ. Эти данные получены по 96 ГТУ обычной конструкции и 22 ГТУ авиационного типа.
Причинами отказов ГТУ могут быть ошибки при проектировании, дефекты монтажа, а также нарушения положений эксплуатационной документации. В табл.2 приведены отдельные данные по причинам отказов энергетических ГТУ. турбина парогазовой надежность давление
Распределение отказов ГТУ по наработке, %
Таблица 2
|
Элемент или система ГТУ |
Наработка, тыс.ч. |
Среднее время ремонта, дней |
||||||||
|
2,5 |
2,5-5 |
5-10 |
10-15 |
15-20 |
20-25 |
25-30 |
30-40 |
|||
|
Турбина |
24,7 |
7,4 |
15 |
15,5 |
27,6 |
8,8 |
10,3 |
4,3 |
78 |
|
|
Компрессор |
8,2 |
1,4 |
2,5 |
5,2 |
2,1 |
3,0 |
6,8 |
13 |
59 |
|
|
Камеры сгорания и газоходы |
7,9 |
- |
2,5 |
3,4 |
4,2 |
5,8 |
3,4 |
- |
27 |
|
|
Подшипники |
8,5 |
1,4 |
6,2 |
3,4 |
6,4 |
5,8 |
- |
- |
32 |
|
|
Теплообменники и газовыхлоп |
4,7 |
- |
- |
5,2 |
2,1 |
3,0 |
3,4 |
- |
27 |
|
|
Прочие |
8,2 |
2,9 |
3,8 |
5,2 |
8,5 |
- |
6,8 |
9,0 |
20 |
|
|
Всего |
62,2 |
13,1 |
30,0 |
37,9 |
50,9 |
26,4 |
30,7 |
26,3 |
- |
2. Причины отказов ГТУ
Причины отказов ГТУ
Как следует из табл.3, основная причина отказов в некачественном проектировании установок и ошибках при изготовлении. С увеличением наработки установок уменьшается число отказов, вызванных нарушениями эксплуатационной документации. В то же время растёт число повреждений проточной части из-за попадания посторонних предметов.
В качестве показателей надёжности при анализе работоспособности ГТУ рассматривают коэффициент готовности кг, нормативное значение которого для энергетических установок не менее 98 %, а для установок на базе авиационных и судовых ГТУ не менее 95 %. Для пиковых ГТУ кг ? 97 - 98 %. Для того, чтобы учесть время нахождения ГТУ в резерве при оценке надёжности используют также коэффициент технического использования
где Тр - время нахождения в работоспособном состоянии; Тав - время нахождения в вынужденном (аварийном) простое; Тппр - время нахождения в плановом профилактическом ремонте.
кт = Тp/?Тр + Тав + Тппр???,
Кроме этих показателей для оценки эксплуатационных свойств ГТУ используются:
коэффициент вынужденных простоев квп = Твп/?Тр, где Твп - время вынужденных простоев;
коэффициент безотказности пусков кп = z/ (z+z') , где z - количество успешных пусков; z'- количество неудавшихся (закончившихся отказом) пусков;
коэффициент рабочего времени кр = Тр /Тк где Тк - календарное время эксплуатации ГТУ;
коэффициент использования установленной мощности кN= Э/(?ном• Тк), где Э - выработанная электроэнергия; ?ном - номинальная мощность ГТУ;
наработка на один запуск, Тz = Тр / z .
Отдельные данные по надёжности энергетических установок Германии приведены в табл.4.
Аналогичные результаты получены для отечественных ГТУ на Небит-Дагской и Якутской ГРЭС. Готовность ГТУ на этих станциях в основном определяется плановыми простоями для проведения профилактических работ. Установлено, что выше показатели надёжности для ГТУ, которые работают на природном газе, при стационарной нагрузке и с большой наработкой на запуск.
Показатели эксплуатационных свойств ГТУ
Таблица 4
|
Типы и режимы использования ГТУ |
Число ГТУ |
Мощность, МВт |
Показатели |
|||||
|
кт |
кр |
кN |
кп |
|||||
|
Обы-чные |
меньше 100 ч/год 100 - 1 999 2 000 - 3999 больше 4 000 |
19 17 5 10 |
839 1 041 287 428 |
93,6 84,9 80,2 76,8 |
0,3 9,7 36,3 62,6 |
0,2 7,6 31,7 35,2 |
87,7 91,1 94,3 88,2 |
|
|
В среднем |
51 |
2595 |
86,1 |
19,2 |
15,7 |
91,2 |
||
|
На основе авиационных ГТД |
17 |
880 |
97,4 |
5,0 |
2,7 |
96,5 |
Безотказность запусков особенно важна для пиковых ГТУ. На ГТ-100 средние за много лет коэффициенты, учитывающие отказы при запуске, после которых задержка с включением в сеть превысила допустимое по диспетчерскому графику значение, либо рабочий цикл ГТУ был полностью сорван, составляют 94 - 98 %. На более простых по конструкции ГТУ типа ГТ-25 и ГТ-35 надёжность пусков ещё выше: кп = 98 100 %.
Значительный опыт эксплуатации ГТУ накоплен в авиации, на морском транспорте и на газоперекачивающих станциях магистральных трубопроводов. Несмотря на различия в конструкции и в условиях эксплуатации, результаты оценки надёжности ГТУ в смежных отраслях энергетики могут быть полезными как при проектировании новых установок, так и при разработке программ обеспечения надёжности существующих.
Статистическая оценка показателей надёжности газоперекачивающих агрегатов за период несколько десятков тысяч часов наработки подтвердила сделанные выше выводы о преобладающем количестве отказов лопаточного аппарата турбин и компрессоров. Как показано на рис. 7.3., параметр потока отказов рабочих лопаток турбины высокого давления ГТ-750-6 (статистическая оценка) по причине эрозионного износа после значительно увеличения при наработке примерно 14 тыс. часов уменьшается и стремится к некоторому стационарному значению в полном соответствии с закономерностями теории надёжности.
Износ определялся осмотром проточной части, после чего лопатки заменялись на новые или восстанавливались. Параметр потока отказов определялся по числу восстановлений rрем1000 на 1 000 часов работы, делённому на количество установок Nуст и на наработку всех ГТУ Тр.
При больших наработках на этой же установке наблюдались усталостные разрушения рабочих лопаток ТВД. Как показано на рис.7.4, по максимальному значению параметра потока отказов можно судить о том, что разрушения лопаток из-за усталости встречаются реже, чем по причине износа.
Видно, что параметр потока отказов для лопаток компрессора по абсолютной величине близок к этому показателю (по причине износа) для лопаток ТВД (рис.3), и эти показатели примерно совпадают по наработке при максимальном значении. Вполне возможно, что существует общая причина данного совпадения, например, в виде эрозионного воздействия абразивных частиц в цикловом воздухе.
Опыт эксплуатации отечественных и зарубежных ГТУ свидетельствует о том, что их надёжность зависит, прежде всего, от совершенства конструкции и технологии изготовления основных элементов, затем от цикла рабочего процесса и конструктивной схемы и, наконец, в значительной степени от условий эксплуатации.
Такие условия эксплуатации, как: уровень нагрузки; температура газов перед турбиной; количество, частота и время запуска; вид и сорт сжигаемого топлива; параметры окружающей среды; методы и организация эксплуатации и, в том числе, принципы проведения регламентных работ - могут заметно повлиять на показатели надёжности установок.
Так, например, детали камеры сгорания (КС) и турбин (жаровые трубы, газоходы от КС к турбине, сопловые и рабочие лопатки турбин) рассчитаны для работы в течение назначенного ресурса при температуре до 950 0С. По кривым длительной прочности жаропрочных сплавов нетрудно установить, что при увеличении температуры металла на 20 0С долговечность может снизиться в 2 раза, а при повышении на 50 0С в 10 раз. Поэтому в эксплуатации важно избегать перегрузок ГТУ, а также местных перегревов горячих деталей из-за неудачных запусков и во время аварийных остановок.
Циклические температурные напряжения в горячих деталях при запусках ГТУ вызывают накопление повреждений и износ, что снижает долговечность установок.
Наличие в цикловом воздухе эрозионно-опасных примесей (песок, пыль) способствует ускоренному износу деталей проточной части и может привести к помпажу компрессора, который обычно сопровождается пожогом турбины.
От организации эксплуатации и технического обслуживания, квалификации обслуживающего персонала зависит соблюдение эксплуатационных инструкций и качество проведения профилактических работ. Всё это в значительной мере определяет надёжность установок.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Области применения и показатели надежности газовых турбин малой и средней мощности. Принцип работы газотурбинных установок, их устройство и описание термодинамическим циклом Брайтона/Джоуля. Типы и основные преимущества газотурбинных электростанций.
реферат [1,4 M], добавлен 14.08.2012Схема измерений при тепловом испытании газотурбинных установок. Краткое описание применяемых измерительных устройств. Преобразователи, конечные приборы, система сбора данных. Алгоритм обработки результатов теплового испытания газотурбинных установок.
лабораторная работа [2,3 M], добавлен 22.12.2009Производители и классификация газотурбинных установок, применение в рабочем процессе сложных циклов. Механический привод промышленного оборудования и электрогенераторов. Параметры наземных и морских приводных ГТД, конвертированных из авиадвигателей.
реферат [7,9 M], добавлен 28.03.2011Процесс внедрения парогазовых турбин в энергосистему страны. Коэффициент полезного действия и экономичность газовых турбин. Электрическая мощность вводимой установки. Электрическая схема парогазовых турбин. Расчеты по внедрению парогазовых турбин.
реферат [266,9 K], добавлен 18.06.2010Способы регулирования объемных компрессоров. Регулирование центробежных компрессоров перепуском или байпассированием, дросселированием на нагнетании и всасывании. Регулирование производительности газотурбинных установок, паровых турбин, холодильных машин.
реферат [3,6 M], добавлен 21.01.2010Оценка характера радиоизлучения выхлопной газовой струи. Нахождение корреляции между изменением характера радиоизлучения и возникновением конкретных неисправностей в момент их зарождения. Исследования собственного радиоизлучения газотурбинных установок.
контрольная работа [1,9 M], добавлен 24.03.2013Особенности применения газотурбинных установок (ГТУ) в качестве источников энергии в стационарной энергетике на тепловых электрических станциях. Выбор оптимальной степени повышения давления в компрессоре ГТУ. Расчёт тепловой схемы ГТУ с регенерацией.
курсовая работа [735,3 K], добавлен 27.05.2015Характеристика парогазовых установок. Выбор схемы и описание. Термодинамический расчет цикла газотурбинной установки. Технико-экономические показатели паротурбинной установки. Анализ результатов расчета по трем видам энергогенерирующих установок.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 27.04.2015Принцип действия и основные конструкции паротурбинных установок. Процесс расширения пара в паровой турбине. Закономерности процесса эрозии рабочих лопаток. Технология удаления отложений и защиты поверхностей оборудования турбоустановок от коррозии.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 25.04.2016Обоснование и выбор параметров газотурбинной энергетической установки. Расчёт на номинальной мощности и частичных нагрузках. Зависимость работы от степени повышения давления. Зависимость относительных расходов топлива установки от относительной мощности.
контрольная работа [1,3 M], добавлен 25.11.2013Характеристика электрических станций различного типа. Устройство конденсационных тепловых, теплофикационных, атомных, дизельных электростанций, гидро-, ветроэлектростанций, газотурбинных установок. Регулирование напряжения и возмещение резерва мощности.
курсовая работа [240,4 K], добавлен 10.10.2013Проблемы, связанные с получением теплоты. Способы передачи и изменения энергии. Термодинамический метод исследований. Фазовая диаграмма воды. Цикл газотурбинных установок. Работа изменения объема. Аналитическое выражение второго закона термодинамики.
курс лекций [1,1 M], добавлен 16.12.2013Технология суперсверхкритического давления. Циклы Карно и Ренкина с промперегревом. Влияние повышения давления на влажность в последней ступени. Определение эффективности теплоэнергетических установок. Пути совершенствования термодинамического цикла.
презентация [1,7 M], добавлен 27.10.2013Общая характеристика и расчет основных параметров подогревателей высокого давления. Определение рабочих моментов собственно подогревателя, охладителя пара и конденсата. Изучение схемы движения теплообменивающихся сред в исследуемом подогревателе.
контрольная работа [41,1 K], добавлен 09.04.2012Математическое описание процесса преобразования энергии газообразных веществ (ГОВ) в механическую энергию. Определение мощности энергии топлива с анализом энергии ГОВ, а также скорости движения турбины с максимальным использованием энергии ГОВ.
реферат [46,7 K], добавлен 24.08.2011Компрессор наружного контура (вентилятор), низкого и высокого давления. Камера сгорания, турбина высокого и низкого давления. Удельные параметры двигателя и часовой расход топлива. Проектный расчет основных параметров компрессора высокого давления.
курсовая работа [593,1 K], добавлен 24.12.2010Термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Прямые газовые изохорные и изобарные циклы неполного расширения. Термодинамические циклы газотурбинных установок и реактивных двигателей. Процессы, происходящие в поршневых компрессорах.
реферат [1,5 M], добавлен 01.02.2012Технические характеристики и системы регулирования турбины. Расчет расхода пара на нее. Разбивка теплоперепада цилиндра высокого давления по ступеням. Технико-экономические показатели турбоустановки. Прочностной расчет лопаток и диска последней ступени.
курсовая работа [632,9 K], добавлен 01.03.2013Описание процессов получения электроэнергии на тепловых конденсационных электрических станциях, газотурбинных установках и теплоэлектроцентралях. Изучение устройства гидравлических и аккумулирующих электростанций. Геотермальная и ветровая энергетика.
реферат [3,5 M], добавлен 25.10.2013Получение электроэнергии при сжигании различного топлива. Газотурбинная и паросиловая установки. Образование в камере сгорания продуктов горения. Сочетание паровых и газовых турбин. Повышение электрического КПД. Примеры парогазовых электростанций.
презентация [5,3 M], добавлен 03.04.2017
