Диссертация (781919), страница 45
Текст из файла (страница 45)
На основе анализа структуры паротурбинной установки,структурно-элементная схема которой представлена на рисунке 5.5, определены элементы, вносящие основной вклад в изменение стоимости при увеличении начальных параметров пара иизменении его расхода. На основании анализа структурно-элементной схемы паротурбиннойустановки можно сделать вывод, что основное влияние на металлоемкость и, как следствие, наизменение стоимости ПТУ оказывает паровая турбина, в частности высокотемпературные цилиндры высокого и среднего давления, где сосредоточены элементы, изготовленные из жаропрочных дорогостоящих материалов, а также цилиндры низкого давления, на долю которыхприходится более половины всей массы турбины.
Элементы конденсатно-питательного трактатакже будут претерпевать изменения в связи с ростом давления и температуры в регенеративных отборах, однако эти изменения оказывают существенно меньшее влияние на изменениестоимости энергоустановки в целом.Варьируемые переменные модели и основные ограничения и допущения, принятые при ееразработке, приведены в таблице 5.7. Определяющими переменными для турбоустановки, какдля и всего энергетического комплекса, являются расход свежего пара G0, который изменяетсяв диапазоне от 692,5 до 1385 кг/с, а также давление p0 и температура свежего пара t0, изменяющиеся в диапазоне значений 26-35 МПа и 580-720°С соответственно.
Расход Gпп и давление пара промежуточного перегрева pпп являются зависимыми величинами от начальных параметрови расхода свежего пара и определялись на основе моделирования тепловых схем энергетических комплексов.На основе проведенного анализа условий функционирования структурных элементов турбины были выявлены факторы, оказывающие влияние на их массогабаритные характеристики,и определены взаимосвязи этих факторов с определяющими параметрами создаваемой прогнозной модели – начальным давлением и температурой пара, а также его расходом. Диаграммавзаимосвязи параметров, влияющих на массогабаритные характеристики отдельных элементовпаротурбинной установки в целом, представлена на рисунке 5.6.283Рисунок 5.5 – Структурная схема паротурбинной установкиТаблица 5.7 – Перечень исходных данных для разработки моделей оценки металлозатрат№п/п123456789101112НаименованиеТип паровой турбиныРасход свежего пара, кг/сРасход перегретого пара, кг/сТемпература свежего пара, °СДавление свежего пара, МПаТемпература вторичного пара, °СДавление вторичного пара, МПаРабочий вакуум в конденсаторе, кПаКорневой диаметр, мКоличество двухпоточных ЦНДВысота последней лопатки, ммСхема движения пара в ЦВДЗначение параметраконденсационная, паровая692,5-1385определяется работой ПВД 1 и ПВД 2580-72026-35tпп = t0f(p0)50,921200петлеваяВидпараметраconstvarvarvarvarvarvarconstconstconstconstconst284p0, pпп – давление свежего и перегретого пара; t0, tпп – температура свежего и перегретогопара; G0 – номинальный расход пара; υст – удельный объем пара; σ – допустимое напряжение;ρ – плотность металла; lрлi, lслi – длина рабочей и сопловой лопатки i-й ступени; lдиафрi – длина диафрагм i-й ступени; lр – длина ротора; Fcт – площадь проходного сечения; Vвнут.к – объемметалла внутреннего корпуса; Vвнеш.
к. – объем металла внешнего корпуса; Vтруб – объем металлаперепускных труб; Мрл – масса рабочих лопаток; Мсл – масса сопловых лопаток; Мвнут.к – массаметалла внутреннего корпуса; Мвнеш.к – масса внешнего корпуса; Мп.труб – масса перепускныхтруб; Мп.пар – масса подвода пара; Мд – масса диафрагм; Мротор – масса ротора, Моб.диафр – массаобойм диафрагмРисунок 5.6 – Диаграмма взаимосвязи параметров, влияющих на массогабаритные характеристики паротурбинной установкиПри разработке моделей оценки металлоемкости элементов паротурбинной установки использованы два подхода. Первый, как в случае с котельной установкой, базируется на определении объема детали с использованием как упрощенных моделей геометрии, так и с применением статистической обработки результатов вариантных расчетов.
Второй подход базируетсяна результатах анализа аналогов и обобщении их характеристик функциональными зависимостями посредством статистической обработки собранной информации с последующим введением корректирующих поправок.Стоит отметить, что для цилиндров высокого и среднего давления в силу существующиханалогий как в параметрах рабочей среды, так и в конструктивном исполнении, могут быть использованы схожие методы моделирования металлоемкости и стоимости. Подходы к оценкестоимости цилиндров низкого давления имеют существенные отличия.285Данные, использованные при формировании моделей оценки металлозатрат цилиндров высокого и среднего давления турбин перспективных высокотемпературных энергетических комплексов, приведены в таблице 5.8.Таблица 5.8 – Конструктивные характеристики паровых турбин сверхкритических параметровК-1000-36 К-2000-23,5(проект(проектМЭИ)МЭИ)6520К-33023,5К-50023,5К-660-24,2К-80023,5К-120023,5Длина ротораВысота сопловой лопатки 1-й ступени, мм4561578969206700730023283538635081Число ступеней11+111+118 (реактивноеоблопачивание)11+1813130,90,90,91,150,91,2287833884593384916503929–16,53518,12129,519,7322,7723,2–334444–450520678460–––26041002,6127043002,9440057003,7233049005,2436048006,1230046005,24–––НаименованиеДиаметр корневойМасса внутр.
корпуса,кгМасса внешнего корпусаУгол раскрытия, °Диаметр ротора бездисков, ммДиаметры подшипниковМасса подшипника, кгПлощадь сеченияМассогабаритные характеристики цилиндров турбин зависят от количества ступеней давления и выбранной компоновочной схемы.
Количество ступеней определяет как массу лопаточного аппарата, так и длину ротора и корпуса цилиндров турбины.Количество ступеней в цилиндре турбины определяется располагаемым теплоперепадом,который является функцией начальных и конечных параметров, а также средним диаметромступеней. Для оценочных расчетов количества ступеней в цилиндрах высокого и среднего давления можно сделать допущение, предполагающее равенство теплоперепадов, срабатываемыхна каждой ступени. Среднее количественное значение теплоперепада для турбин сверхкритических параметров в цилиндрах высокого давления составляет порядка 39 кДж/кг, а для цилиндров среднего давления находится на уровне 78-83 кДж/кг.
Приведенные величины были использованы при оценках количества ступеней в цилиндрах высокого и среднего давления паровой турбины.Таким образом, ориентировочное количество ступеней nст может быть определено по формуле (5.78).стср,где H0 – располагаемый теплоперепад в ЦВД (ЦСД), кДж/кг;(5.30)286H0ср – средний располагаемый теплоперепад на одну ступень, кДж/кг.Одним из материалоемких элементов цилиндров паровой турбины является его корпус.Конструктивно корпус представляет собой оболочку, состоящую из двух половин, соединенныхфланцами, и предусматривающую наличие патрубков подвода и отвода пара.
При разработкемоделей определения массы корпусов ЦВД и ЦСД паровой турбины принято допущение,предусматривающее конструктивное представление корпусов в виде цилиндрической оболочкис установленными с двух сторон крышками с центральным отверстием, площадь которого равна площади поперечного сечения вала. Расчетная схема внешнего корпуса цилиндра представлена на рисунке 5.7.Рисунок 5.7 – Расчетная модель для определения массы внешнего корпуса ЦСД и ЦВДКорпус цилиндра паровой турбины находится под воздействием разницы давлений междудавлением перегретого пара внутри корпуса pпп и внешнего давления, которое равно атмосферному pатм для внешнего корпуса ЦВД и ЦСД и выше атмосферного для внутреннего корпусаЦВД в случае его двухкорпусного исполнения с петлевой схемой движения пара.
Увеличениедавления и температуры свежего пара приводит к необходимости утолщения стенок корпусовдля обеспечения требуемой прочности. Увеличение мощности энергетического комплекса и,как следствие, паровой турбины за счет повышения расхода пара приводит к росту поперечныхразмеров корпуса, что также сказывается на толщине стенок.Масса корпуса Mкорп в соответствии с принятой расчетной моделью может быть определенапо формуле (5.31).корпρст ∙корп∙π∙корп4корп4где ρст – плотность стали, из которой изготовлен корпус, кг/м3;lкорп – длина корпуса, м;Dкорп – внешний диаметр корпуса, м;,(5.31)287dкорп – внутренний диаметр корпуса, м.Взаимосвязь массы корпуса с давлением и температурой пара может быть установлена через выражение (5.32), определяющее толщину стенки sкорп.0,42 ∙ ∙ корп ∙2 ∙ σ 0,42 ∙корпз.пр,(5.32)где p – расчетное давление, МПа;σ – допустимое напряжение, МПа;Kз.пр – коэффициент запаса прочности.Подставив в формулу (5.31) выражение для определения толщины стенки корпуса (5.32) иучитывая, что Dкорп = 2·sкорп + dкорп, получим выражение (5.33).корп ρст ∙ π ∙1 ∙ корп0,42 ∙ ∙ корп 0,42 ∙ ∙ корпρст ∙ π ∙∙2 ∙ σ 0,42 ∙2 ∙ σ 0,42 ∙корп∙корп1 ∙корп .(5.33)Зависимости внешнего диаметра корпуса, а также его длины от расхода, определяющегомощность турбины, получены путем статистической обработки соответствующих конструктивных характеристик, приведенных в таблице 5.8.Так, зависимость внешнего диаметра корпуса цилиндра высокого давления DЦВДкорп.внеш отрасхода пара на турбину имеет вид (5.34).ЦВДкорп.внеш0,4586 ∙ ln1,2333.(5.34)Стоит отметить, что длина корпуса цилиндра зависит не только от расхода, но и от начальных параметров, определяющих количество ступеней в цилиндре, что учитывается введениемсоответствующей поправки.
Зависимость длины внешнего корпуса цилиндра высокого давления lЦВДкорп.внеш от расхода пара и количества ступеней имеет вид (5.35).ЦВДкорп.внеш1,6453 ∙ ln4,45990,2 ∙ЦВДст ,(5.35)где nЦВДст – количество ступеней в цилиндре высокого давления, шт.Интегрировав полученные зависимости в единое выражение (5.36), получим модель оценкимассы внешнего корпуса цилиндра высокого давления MЦВДкорп.внеш, позволяющую определитьего массу при различных значения начального давления, температуры и расхода пара.288ЦВДкорп.внешρст ∙ 1,6453 ∙ ln4,45990,4586 ∙ ln0,4586 ∙ ln0,2 ∙ЦВДст2 ∙з.пр1,23331,233∙∙π40,42 ∙∙ 0,4586 ∙ ln2 ∙ σ 0,42 ∙1,2333(5.36)∙ 10 .Используя предложенный подход, могут быть получены параметрические модели оценкимассы внутреннего корпуса ЦВД и корпуса ЦСД.Выражения для оценки массы внутреннего корпуса ЦВД MЦВДкорп.внутр имеет вид (5.37).ЦВДкорп.внутрρст ∙ 2,6344 ∙ ln14,58660,48 ∙ЦВДст0,4035 ∙ ln1,32892∙∙0,4035 ∙1,3289з.пр∙π4∙ 0,4035 ∙ ln2∙σ1,3289(5.37)∙ 10 .К точности оценки массы внутреннего корпуса, работающего при высокой температуре,предъявляются повышенные требования, которые объясняются тем, что одинаковая абсолютнаяошибка, допущенная при оценке массы узлов, работающих в условиях высоких и низких температур, в разной мере вносит искажения в конечную стоимость паротурбинной установки, чтообъясняется значительной разницей в ценах сталей различных классов.Поскольку внутренний корпус ЦВД конструктивно отличается от его упрощенного представления, с применением методов статистического анализа разработано выражение (5.38) дляопределения корректирующей поправки в зависимости от расхода пара.ЦВДкорп.внутр0,0051 ∙(5.38)10,03.С учетом поправки масса внутреннего корпуса может быть определена по формуле (5.39).ЦВДкорп.внутр.общЦВДкорп.внутрЦВДкорп.внутр.(5.39)Масса корпуса цилиндра среднего давления MЦСДкорп определяется из выражения (5.40).289ЦСДкорпρст ∙ 2,6344 ∙ ln9,58660,0009 ∙0,0009 ∙1,96581,9658ЦСДст0,48 ∙2 ∙з.пр∙ 10∙π4пп∙∙ 0,0009 ∙2∙σ1,9658пп(5.40).Масса других статорных элементов, включая диафрагмы и обоймы диафрагм, участвующихв формировании проточной части, также претерпевают изменения при варьировании расходапара и начальных параметров и, соответственно, требуют создания зависимостей для определения их массы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
