Совершенствование режимов останова блока

5.Факторы, влияющие  на надёжность турбины при  отключении системы смазки

Основным фактором, препятствующим раннему отключению системы смазки ( СС ), является опасность недопустимого  разогрева подшипников. При работе СС шейка ротора в зоне подшипника омывается маслом, обеспечивающим её охлаждение до температур, близких к температуре масла. При отключении СС интенсивность теплоотвода от ротора в этой зоне падает, а за счёт передачи теплоты по телу ротора от более нагретой паровпускной зоны к холодной шейке температуры последней и баббита подшипников начинает расти. Вначале – после отключения системы смазки – этот рост происходит быстро, так как отвод теплоты от шейки ротора маслом прекращается, а тепловой поток оси ротора сохраняется на высоком уровне из-за значительной разности между температурой металла ротора в зоне паровпуска и температурой металла ротора в районе подшипника. Однако по мере возрастания температуры ротора в зоне подшипника происходят изменения в характере теплообмена: возрастание разности температуры шейки ротора в зоне подшипника и окружающей среды увеличивают количество теплоты, передаваемой этой среде ротором; с другой стороны, падает разность температур вдоль оси ротора и уменьшается осевой поток теплоты, передаваемый в зону подшипника теплопроводностью. Поэтому по мере роста температуры ротора в зоне подшипника, скорость этого роста падает и, наконец, при определённой температуре тепловое  состояние ротора в зоне подшипника стабилизируется, а рост температуры в этой зоне прекращается. Проблема заключается в том, при каком уровне температуры ротора произойдёт стабилизация  его теплового состояния : будет ли эта температура "умеренной", т.е. не вызывающей повреждение баббита подшипника, или она окажется недопустимой с точки зрения повреждения баббита.

Очевидно, что чем выше температура  ротора в наиболее нагретой зоне, тем выше может быть его температура в зоне подшипника при стабилизации теплового состояния после отключения СС. Однако на связь этих двух факторов влияет целый ряд других обстоятельств. Температура ротора в наиболее горячей зоне непосредственно не замеряется, поэтому о её величине судят косвенно: чаще всего предполагается, что замеряемая температура металла (в зоне паровпуска наружного корпуса) и температура ротора в наиболее горячей зоне совпадают или достаточно близки друг к другу. Такое предположение не всегда справедливо даже в случае естественного остывания цилиндров однокорпусной конструкции. Существенно более сложной является связь измеряемых температур корпуса и температуры ротора в случае двухкорпусных конструкций цилиндра. Кроме того, даже поверхностный анализ позволяет утверждать, что и динамика процесса изменения температуры в зоне подшипника после отключения СС, и максимальная температура,  которая при этом достигается, существенно зависят от других конструктивных особенностей конкретной турбины: расстояния от зоны наибольших температур ротора до зоны подшипника; конструкции опорных и упорного подшипников, количества опорных подшипников между ЦВД и ЦСД (один или два), конструкции цилиндров высокого и среднего давления (наличие или отсутствие внутреннего корпуса): схемы подвода пара и его движения в цилиндре – петлевой или прямоточной, числа потоков цилиндра; протяженности зоны концевых уплотнений и др. Учёт всех этих факторов возможен лишь при конкретном анализе для турбины определённого типа. Некоторые параметры (например, изменение температуры ротора в зависимости от замеряемой температуры корпуса ) могут быть определены только расчетным путём – путём математического моделирования.

С другой стороны, очевидно, что процесс  изменения теплового состояния ротора в зоне подшипников после отключения СС, зависит не только от его наибольшей температуры (в наиболее горячей зоне), но и от характера (эпюры) распределения температур по длине ротора и корпуса. В свою очередь, эпюра распределения температуры существенно зависит от режима остановки: эпюра распределения температуры по длине корпуса при естественном остывании отличается от той же эпюры при принудительно расхолаживании. В последнем случае существенное влияние оказывает способ расхолаживания; при расхолаживании под нагрузкой температура пара по ходу проточной части заметно снижается; при расхолаживании низкопотенциальным паром температура его по проточной части меняется слабо; то же относится и к форсированному охлаждению турбины воздухом .

Важную роль играет температура  агента, омывающего ротор  в  зоне  концевых уплотнений (КУ) в период, предшествующий отключению системы смазки. В процессе принудительного расхолаживания часто  используется подача горячего пара на КУ цилиндров для снижения лимитирующего влияния относительного близкого к соответствующему подшипнику – после отключения подачи масла на подшипник в этом случае возникают большие перетоки теплоты от разогретого участка в зоне подшипника, вызывая значительное повышение температуры последнего.

Для предварительного анализа ситуаций, возникающих при реализации тех  или иных вариантов технологии останова на турбине с данными конструктивными  особенностями перспективен путь моделирования  процессов остывания. Он позволяет, не подвергая риску оборудование, создать (на модели) самые маловероятные ситуации и детально проанализировать влияние всевозможных факторов на состояние критических элементов турбины. Кроме того, этот путь позволяет значительно сократить число экспериментов, проводимых непосредственно на турбинах определённого типа , т.к. с помощью моделей режимы останова могут быть оптимизированы .

Однако чисто расчётный  путь для решения вопроса о  выборе предельной температуры, при  которой возможно отключение СС, невозможен. Получаемые с помощью моделей результаты зависят от  точности  задания граничных условий теплообмена, а также от точности самих моделей . Сложность конструкции турбины, сложность условий теплообмена между металлом остывающей турбины и окружающей средой не позволяют определить граничные условия аналитически. В настоящее время они могут быть определены только для конкретной турбины экспериментальным путём. Эксперимент необходим также и для проверки рекомендаций , полученных на моделях. Таким образом, оптимальный путь решения поставленной задачи – расчетно – экспериментальный: эксперимент используется для идентификации модели и проверки полученных с её помощью рекомендаций; расчетное исследование режимов останова на модели обеспечивают предварительную оптимизацию режима.

О выборе предельной допустимой температуры баббита  подшипников при отключении системы  смазки

Очевидно, что на величину характерной температуры металла  цилиндров, при которой может  быть отключена система смазки, существенное влияние оказывает предельная температура баббита, которая может разрешена при отключенной системе смазки. Ее величину разные турбинные заводы задают по – разному.

Так, в работах по определению  допустимой по условиям отключения СС температуры металла цилиндров  турбины К–800–240–3 ЛМЗ в качестве заданной заводской инструкцией предельной величины указано значение в 110ºС. Фактически в цитированной работе предельная величина была ограничена величиной 100º С из – за того, что этой величиной ограничена шкала прибора штатного контроля температуры баббита подшипника. В аналогичных работах, выполненных авторским коллективом настоящей работы, на турбине К–200–130 тем же заводом была разрешена предельная температура баббита в 80ºС. В последнее время ЛМЗ существенно повысил значение предельной температуры баббита – до 97 – 100ºС. Именно такие значения согласованы с заводом в июле 1992г. для работ, выполняемых УПИ на турбинах К–200–130 на Верхнетагильской ГРЭС и К–800–240–5 на Пермской ГРЭС.

Харьковский турбинный  завод для работ по определению  допустимой температуры металла ЦВД и ЦСД турбин К–300–240 и К–500–240, при которой может быть разрешено отключение СС, установил предельное значение температуры баббита подшипников, равное 100º С.

Для аналогичных работ  на турбинах Т–100–130 и Т– 175/210 – 130 ТМЗ допускает предельное значение температуры баббита в 120ºС.

Учитывая столь значительные расхождения в величинах предельных температур баббита, задаваемых разными  заводами или даже одним и тем  же заводом в различных случаях, необходимо остановиться на выборе этой величины более подробно.

Известные работы по этому  направлению обосновывают величину предельно допустимой температуры  баббита упорных подшипников  для рабочих режимов турбины, т.е. когда подшипники находятся  под воздействием рабочей нагрузки, обусловленной осевыми усилиями, действующими на ротор. В этих условиях опасаются повреждения баббитовой заливки вследствие уменьшения ее твердости и предела прочности при сжатии. В отечественной практике применяется баббит Б83; он   рассчитан на условия работы в подшипниках, когда (при работе турбины) его температура не превышает 110 – 120ºС, т.к. при превышении этой  температуры  твердость баббита (по Бриннелю) становится меньше 120 МПа (12 кгс/кв.мм) (табл. 1.1)  т.е. ниже предела твердости, допустимого для работы подшипников. Считается, что при превышении указанной температуры в условиях вращающегося нагруженного подшипника может происходить быстрый износ или заедание поверхности вкладыша или вала.

Таблица 1.1 Механические свойства баббитов при повышенных температурах

ПРИМЕЧАНИЕ. Температура  плавления оловянистых баббитов – начало 240 – 250ºС, конец 400 – 420ºС.

Но даже в рабочих  условиях начало повреждения баббита  относится к более высокой  температуре. На это имеются многочисленные указания в зарубежной научно –  технической периодике. Так, в работе, в которой приводятся данные фирмы Инглиш Электрик об условиях работы опорных подшипников мощных турбин; указывается, что баббит подшипника скольжения диаметром около 610 мм при нагрузке 60000 кг с (588 кН) и частоте вращения 3000 об/мин работает надежно при температуре 130ºС; одновременно отмечается, что это значительно ниже температуры начала повреждения баббита, величина которой указывается равной 177,8ºС.

В обзоре указывается на надежную работу подшипников турбин при температурах 115, 140 и даже 175º.

Исследования надежности работы баббита подшипников в  условиях, близких к интересующим нас (т.е. при невращающемся роторе) были проведены фирмой "Дженерал электрик". В этой работе исследуется  проблема максимальной температуры гидродинамических подшипников при постоянной нагрузке. Исследования были выполнены на натурной установке:

Диаметр модельного радиального  подшипника 250 ММ, имеющего антифрикционное  покрытие из сплава 3АSТМ, близкого по своему составу к Б83 (но более твердого из – за большего – 8% О содержания меди); к ротору нормальной нагрузкой 1,37 МПа прижимался • баббитовый сегмент подшипника. При медленном прерывистом вращении ротора с одновременным повышением температуры сегмента (путем индукционного нагрева) начало появления повреждений было отмечено при температурах 190 - 199ºС. Результаты экспериментов, проведенных фирмой, указаны в табл. 1.2.

Таблица 1.2  Результаты экспериментов , проведенных General Electric Company