Науково-технічні засади підтримки конкурентоспроможності турбогенераторів і забезпечення їхньої ефективної роботи при тривалій експлуатації

Abstract

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук. Спеціальність 05.09.01 – Електричні машини і апарати. – Кафедра електричних машин Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2020. Дисертація присвячена науково-прикладної проблеми забезпечення надійної роботи сучасних ТГ на блоках ТЕС і АЕС, дослідженню особливостей роботи ТГ, які протягом тривалого часу перебувають в експлуатації, продовженню термінів їх експлуатації, підвищенню конкурентоспроможності нових ТГ на світовому ринку. Розроблені наукові концепції, що підтверджують перспективність виконання робіт з вдосконалення ТГ з урахуванням загальносвітових екологічних проблем, активного розвитку і зна-чною державної підтримки відновлюваних джерел енергії. З використанням теорії цик-лічного розвитку встановлено, що для України є перспективним стабілізаційне-стагнаційний сценарій, який передбачає подальше вдосконалення і розвиток теплової електроенергетики (ТЕС і АЕС), вдосконалення і підвищення потужності ТГ. Проведено комплекс досліджень щодо вдосконалення ТГ: підвищення потужності в одиниці виконання, зниження їх масогабаритних показників, вдосконалення систем охолодження, використання нових технологій і матеріалів. Складена структурно-логічна схема виконання робіт з підтримки науково-технічної конкурентоспроможності вітчизняних ТГ з урахуванням технічного рівня заводу-виробника і технічних можливостей супутніх галузей в напрямках зменшення питомої маси ТГ, заміни водневої системи охолодження на повітряну, збільшення потужності нових ТГ в одиниці виконання і потужності ТГ, що вже працюють на блоках електростанцій, без зміни габаритів. Доведе-на необхідність під час визначення черговості включення ТГ в енергосистему враховувати не тільки собівартість електроенергії, але і дані їх стану, а також те, що підтриму-вати номінальні параметри енергосистеми України доцільно турбогенераторами поту-жністю 200-300 МВт, встановленими на ТЕС, і використання для такого регулювання турбогенераторів АЕС неприпустимо. Виконано порівняння і показано наскільки і чому вітчизняні ТГ поступаються за питомою масою ТГ провідних світових фірм, чому вони важче зарубіжних аналогів. Вирішення цих питань дозволяє підвищити надійність ТГ, які тривалий час в експлуатації, і дозволяє впроваджувати перспективні рішення для підтримки конкурентоспроможності вітчизняних ТГ на світовому ринку. Запропонована методика комплексного системного контролю стану ТГ в період тривалої експлуатації з урахуванням особливостей режимів роботи енергетичних мереж і переході до проведення ремонтів по фактичному стану, а не за графіком планово-попереджувальних ремонтів. Запропоновані і обґрунтовані напрями зниження масогабаритних показників ТГ шляхом використання більш перспективних технологій, стандартних профілів і нових матеріалів при проведенні робіт з вдосконалення їх неактивної зони. Проаналізоване розвиток, стан і перспективи підвищення надійності систем охолодження, запропоновані напрями створення і діагностики сучасних охолоджувачів. Розроблено та науково обґрунтований метод контролю стану ТГ в режимі on-line, запропоновано вважати найбільш інформативним показником рівень вібрації, що скорочує необхідну додаткову кількість каналів контролю і знижує навантаження на операторів блоків електростанцій. Отримані в роботі наукові результати базуються на експериментальних даних, що були отримані при сервісному обслуговуванні і проведенні ремонтів ТГ на блоках електростанцій України та інших країн. Розглянуті проблеми і запропоновані напрямки поліпшення професійної підготовки робітників ТЕС і АЕС, визначені шляхи підвищення їхньої економічної зацікавленості для утримання в націо-нальній електроенергетиці.The thesis is submitted for the academic degree of doctor of technical sciences. Specialty 05.09.01 – Electrical machines and apparatuses. – Department of Electrical Machines of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkov, 2020. The dissertation is devoted to the scientific and applied problem of ensuring reliable operation of modern turbogenerators (TG) at thermal and nuclear power plants (TPP and NPP) units, research of TG features, which are in operation for a long time, extension of their operation, increasing the competitiveness of new TG on the world market. Scientific concepts have been developed that confirm the prospects for the implementation of work to improve TG, taking into account global environmental problems, active development and significant government support for renewable energy sources. Using the theory of cyclical development, it is established that for Ukraine is a promising stabilization and stagnation scenario, which provides for further improvement and development of thermal power plants (TPP and NPP), improvement and increase of TG capacity. A set of studies was carried out to improve the TG: increase of capacity in unit of execution, decrease in their mass and size indicators, improvement of cooling systems, use of new technologies and materials. Taking into account the technical level of the manufacturer and the technical capabilities of related industries, a structural and logical scheme of work to maintain scientific and technical competitiveness of domestic TGs was drawn up. The research was performed to reduce the specific weight of TG, to replace the hydrogen cooling system with air, to increase the capacity of new TG and TG already operating at power plants. At the same time there was a requirement to preserve the dimensions. Proven need to take into account not only the cost of electricity, but also data on their condition in determining the order of inclusion of TG in the power system. It is proved that it is expedient to maintain the nominal parameters of the power system of Ukraine with turbo-generators with a capacity of 200-300 MW, which are installed at thermal power plants. The use of NPP turbogenerators for such regulation is unacceptable. A comparison is made and it is shown to what extent and why domestic turbogenerators are inferior in specific weight to t TGs of the world's leading companies, why they are heavier than foreign counterparts. The decision of these questions allows to increase TG reliability which are in operation for a long time, allows to implement perspective decisions for maintenance of competitiveness of domestic TGs in the world market. A method of complex system monitoring of turbogenerators, which have been operating at power plants for a long time, was proposed. The method took into account the peculiarities of the turbogenerators on the modern power grid and the transition to repairs on the actual condition, rather than on the schedule of planned and preventive repairs. The directions of reduction of mass-dimensional indicators of turbogenerators by means of improvement of their inactive zone are offered and proved. To do this, it is pro-posed to use more promising technologies, standard profiles and new materials. The development, condition and prospects of increase of reliability of cooling systems are analyzed; the directions of creation and diagnostics of modern coolers are offered. Developed and scientifically substantiated method of monitoring the state of TG in the on-line mode; it is proposed to consider the level of vibration as the most informative indicator; this reduces the required additional number of control channels and reduces the load on power plant operators. The scientific results obtained in this work are based on experimental data obtained during service and repairs of turbogenerators at power plants in Ukraine and other countries. Problems are considered and directions of improvement of professional training of workers of TPP and NPP are offered, ways of increase of their economic interest for maintenance in the national electric power industry are defined.