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

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.01 "Електричні машини і апарати" – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2020. Дисертація присвячена науково-прикладній проблемі дослідження особливостей роботи турбогенераторів (ТГ), що довгий час знаходяться в експлуатації на блоках ТЕС і АЕС, підвищенню їхньої енергоефективності, забезпеченню стійкої роботи на сучасну енергосистему, вирішенню питань продовження терміну експлуатації і підвищенню науково-технічної конкурентоспроможності нових ТГ на світовому ринку. Актуальність дослідження визначається особливістю сучасного періоду: екологічні проблеми, зростання населення планети, підвищення його енергетичної активності потребують подальшого збільшення вироблення електроенергії. В загальній енергосистемі України появились нові джерела, які мають активну державну підтримку, в той час, як класична електроенергетика (ТЕС і АЕС) не отримує достатнього державного фінансування для проведення науково-технічних робіт по вдосконаленню і оновленню електрообладнання. Тому було проведене прогнозування перспективних напрямків розвитку електроенергетики для підтвердження перспективності і необхідності виконання робіт по дослідженню і вдосконаленню ТГ як основних джерел електроенергії, по встановленню їхньої ролі в забезпеченні країни електроенергією, по вибору напрямків проведення робіт по створенню нових ТГ та модернізації ТГ, що довгий строк знаходяться в експлуатації, і заміна яких на нові неможлива через загальносвітову (і відповідно, вітчизняну) економічну кризу. Прогнозування подальшого розвитку електроенергетики та турбогенераторобудування виконане з використанням теорії циклічного розвитку (теорії "довгих хвиль" Кондратьєва М.Д.), яка дозволяє більш точно прогнозувати напрямки розвитку електроенергетики, знижує помилковість прийняття рішень. Проведено порівняння можливих сценаріїв розвитку сучасної електроенергетики України, з використанням теорії циклічного розвитку вибране найбільш доцільний сценарій, згідно з яким встановлені перспективні напрямки створення нових та модернізації ТГ, що тривалий стан знаходяться в експлуатації. Запропоноване вважати, що перспективним для України є стабілізаційне-стагнаційний сценарій розвитку з вибором сприятливого (помірного) шляху розвитку. Доказано, що майбутнє української електроенергетики, як і електроенергетики інших країн, пов'язане з роботою ТЕС і АЕС, тобто з досконалістю роботи ТГ. При будь-якому сценарії розвитку роботи по вдосконаленню ТГ повинні вестися безперервно, тому що їх характеристики і якість визначають енергетичну безпеку країни та конкурентоспроможність вітчизняної продукції. Для цього вибирались рішення, які повинні забезпечить стійку роботу ТГ в широкому діапазоні зміни параметрів, при роботі в різних режимах; вказані напрямки підвищення енергоефективності ТГ шляхом вдосконалення якості виготовлення, монтажу, обслуговування і ремонтів. Запропоноване при виготовленні і проведенні модернізації ТГ використовувати нові технологій, матеріали, розрахункові і конструктивні рішення. При розробці нових ТГ орієнтувались на світові стандарти в галузі турбогенераторобудування, розглядали поліпшення параметрів ТГ при модернізації спираючись на ці стандарти. Для визначення можливості підтримки науково-технічної конкурентоспроможності вітчизняних ТГ на світовому ринку встановлені напрямки, в яких зазначено відставання від світових фірм: слід підвищувати потужність в одиниці виконання, знижувати масогабаритні показники (в першу чергу, питому масу), удосконалювати діагностику стану ТГ і систем охолодження, вирішувати питання переведення ТГ потужністю 200-300 МВт з водневого на повітряне охолодження і т.ін. Для цього були вирішені питання розширення діапазону надійної експлуатації ТГ в різному технічному стані та при роботі в неномінальних режимах шляхом вдосконалення виробництва і монтажу, підвищення якості обслуговування та ремонтів; створення комплексних програм діагностики. Запропонована методика комплексного системного контролю стану ТГ в період довгої експлуатації з урахуванням особливостей режимів роботи енергетичних мереж та при переході до проведення ремонтів по фактичному стану, а не по графіку планово-попереджувальних ремонтів (ППР). Розроблені практичні пропозицій щодо використання нових конструкцій, технологій і матеріалів. При цьому враховували економічну доцільність рішень, що пропонуються. В роботі встановлена можливість і доцільність підвищення потужності ТГ в одиниці виконання. Показане, що сумарні маса, вартість і втрати потужності декількох ТГ завжди більші маси, вартості та втрат потужності однієї машини тієї ж сумарної потужності: при застосуванні одного ТГ, замість m ТГ такий же в сумі потужності, маса, вартість і втрати зменшуються приблизно в 4 m. Отримані залежності дозволяють визначити загальну тенденцію зміни маси і втрат ТГ і можуть бути використані для практичних розрахунків. Запропоновані напрямки зниження масогабаритних показників (в першу чергу, питомої маси) ТГ, напрямки вдосконалення системи їх охолодження з урахуванням вимог одночасного підвищення потужності без зміни габаритів і за умови заміни водневої системи охолодження внутрішнього об’єму ТГ маневрового діапазону потужності (200-300 МВт) на повітряну. Встановлено, що вітчизняні ТГ поступаються за масогабаритними параметрами практично всім фірмам, що вони в середньому на 30 % важче зарубіжних аналогів. Особливо це стосується параметрів неактивній зони ТГ. Порівняння питомих витрат матеріалів на одиницю потужності ТГ показали, що вага неактивній зони вітчизняних ТГ з водневою і повітряною системами охолодження досягає 38 % від загальної ваги ТГ, тоді як у світовій практиці це значення не перевищує 30 %, що значно знижує конкурентоспроможність вітчизняних ТГ. До причин, що визначають відставання від зарубіжних фірм, слід віднести застарілі технологій, недостатню профільну кваліфікацію інженерних кадрів; відсутність фінансування досліджень і робіт з освоєння нової техніки. Розроблена методика розрахунку механічної надійності модернізованих елементів і вузлів ТГ зі зниженими масогабаритними показниками. Запропоновані і обґрунтовані напрями зниження масогабаритних показників ТГ за рахунок вдосконалення їх неактивної зони шляхом використання більш перспективних технологій, стандартних профілів і нових матеріалів. При проведенні робіт по зниженню масогабаритних показників ТГ запропоновано проводити розрахунок технологічної оснащеності виробництва шляхом розрахунку загального та часткових коефіцієнтів технологічної оснащеності (КТО) по різним видам технологічної оснастки, що дозволяє порівняти технологічну оснащеність процесу виготовлення ТГ на вітчизняних підприємствах з підприємствами світу. Загальний КТО дозволяє пов'язувати технологічні процеси з діючими на заводах класифікаторами. Запропоновано для виготовлення ТГ підбирати технологі-чне обладнання як для умовно-дрібносерійного виробництва, використовувати уніфіковані пристосування, штампи, допоміжний інструмент і нормалізоване оснащення, що дозволить підвищити коефіцієнт технологічної оснащеності (КТО) на 30-50%. Проаналізоване стан і шляхи підвищення надійності систем охолодження, напрямки створення і діагностики сучасних охолоджувачів, розроблена методика компонування теплообмінників ТГ з урахуванням типу охолодного середовища і величини втрат при роботі в різних режимах. Встановлено зв'язки між агентами охолодження і масогабаритними показниками ТГ. Для оцінки проектних, експлуатаційних і економічних рішень, обраних під час проектування ТГ з повним повітряним охолодженням за умовою зниження масогабаритних показників, розроблена класифікація за чотирма основними напрямками: технічне, управлінське-кадрове, матеріально-постачальницьке та технологічне. Виконано порівняння масогабаритних показників конструктивних елементів ТГ з водневим і повітряним охолодженням. Вказані переваги і конструктивні відмінності конструкцій ТГ з повітряним охолодженням. Запропоновано конкретні зміни в конструкціях ТГ з повітряним охолодженням, що дозволяють без зміни їх габаритів забезпечити надійність і навіть підвищити потужність. Проведено економічне порівняння цих варіантів. Зібрано дані, проведено аналіз і запропоновані способи діагностики дефектів систем охолодження ТГ та засоби їх усунення в станційних умовах, встановлено вплив компонування числа ходів охолоджуючого газу в теплообміннику ТГ на експлуатаційні теплові напруги, на розподіл максимальної температури і її перепад по поверхні трубок, що дозволяє своєчасно діагностувати і усувати причини несправності охолоджувачів, розробляти рекомендації щодо проведення їхнього ремонту. Розроблено пропозиції щодо усунення причин руйнування охолоджувачів, визначені можливі причини незадовільної роботи нових охолоджувачів. Проведене дослідження особливостей роботи, діагностики, обслуговування і ремонтів ТГ, які мають тривалий термін експлуатації. Запропоновані алгоритм розрахунку гранично допустимого спрацювання елементів ТГ та форма таблиць для реєстрації їх фактичного стану в режимі on-line. Оцінка технічного стану ТГ та його елементів проводилась з метою визначення можливості їх подальшої експлуатації, встановлення об’єму необхідного ремонту, можливості реабілітації або повної заміни. Встановлене вплив швидкості наростання навантаження на деформацію стрижнів обмоток, на стан ізоляції і шихтованих осердь; визначене вплив "старіння" металів на надійність ТГ і довговічність їх експлуатації; проаналізоване і вибране найбільш доцільну конструкцію кріплення лобових частин обмоток статора. Визначено вплив якості складання шихтованого осердя на надійність і довговічність експлуатації ТГ, запропоновані причини руйнування осердь статорів ТГ, які тривалий час знаходяться в експлуатації. При роботі ТГ в неномінальних режимах враховували дію додаткових електромагнітних сил (ЕМС), створених потоками розсіювання в елементах кріплення осердя до корпусу. Величина цієї додаткової ЕМС мало залежить від змін активної і реактивної потужності, але її залежність від зміни напруги значна, що пояснює посилення вібрації осердя. Тому, якщо ТГ часто працює в неномінальних режимах, це посилення вібрації слід враховувати при складанні графіків проведення ремонтних робіт і визначення їх об’ємів. У стані зносу з'являються додаткові причини появи підвищеної вібрації в елементах конструкцій ТГ. В результаті досліджень шихтованих осердь ТГ, з використанням теорії деформації багатошарових об'єктів, розроблена модель, що дозволяє розрахунковим шляхом оцінювати вплив склейки пакетів шихтованих осердь, схеми укладання і відносного ковзання листів активної стали на згинальну жорсткість і надійність осердя. Запропонована методика розрахунку взаємного переміщення шихтованих листів в пакетах з різними схемами укладання листів. Виконана оцінка впливу "старіння" на жорсткість і міцність осердь статора. Підтримка постійного тиску пресування в шихтованому осерді ТГ збільшує його надійність і тривалість експлуатації. Складено модель дії сил, що діють між листами шихтованого осердя статора ТГ. Встановлено, що дія цих сил значна для крайніх листів пакетів осердь статорів і що добавка цих сил може бути однією з причин руйнування зубцевої зони: після відгинання крайнього листа умовно крайнім стає наступний лист, на нього діють сили, як і на перший лист, і так далі – ефект «доміно». Руйнуючий дії цих сил сприяє їх висока частота (100 Гц) і фактор старіння. Вважаємо, що ці сили пояснюють "розпушування" не тільки торцевих, але і центральних пакетів, а також пакетів, розташованих безпосередньо після крайніх склеєних пакетів. Запропоноване вважати, що вібрація є найбільш результативним показником стану ТГ, що важливо при виборі типу додаткових датчиків, які слід встановлювати при можливій відмові від системи ППР і переході до ремонтів за фактичним станом. Обмеження числа каналів контролю необхідно для зниження навантаження на операторів блоків електростанцій. Проведено огляд конструкцій лобових частин обмоток статорів ТГ ("кошика"), сформульовані пропозиції щодо виконання цього вузла для забезпечення допустимого рівня вібрацій і температурних напружень, синхронізації вібрацій з'єднаних елементів, стабілізації властивостей при тривалій експлуатації, для забезпечення технологічності і ремонтопридатності. Встановлено, що необхідно виконувати пружну стяжку лобових частин; застосовувати для фіксації лобових дуг в "кошику" ізоляційну мастику холодного затвердіння; використовувати для з'єднання зовнішнього конічного кільця з натискним кільцем осердя пружинні елементи, що допускають рух в аксіальному напрямку і обмежують – в радіальному. Розглянуті проблеми і запропоновані шляхи поліпшення професійної підготовки робітників ТЕС і АЕС, визначені напрямки підвищення їх економічної зацікавленості для утримання в національній електроенергетиці. Запропоноване підтримувати на державному рівні наукові дослідження щодо створення нової техніки і модернізації діючого устаткування в електроенергетичній галузі, показана необхідність удосконалювати систему освіти.The dissertation on competition of a scientific degree of the doctor of technical sciences on a specialty 05.09.01 "Electric cars and devices" – National technical university "Kharkiv polytechnic institute", Kharkiv, 2020. The dissertation is devoted to the applied scientifically-applied problem of studying the peculiarities of the operation of turbogenerators (TGs) that have been in operation for a long time at TPP and NPP units, increasing their energy efficiency, ensuring stable operation for a modern power system, solving issues of extending the service life and increasing the scientific and technical competitiveness of new TGs in the world market. The relevance of the study is determined by the peculiarity of the modern period: environmental problems, the growth of the planet's population, an increase in its energy activity, which requires a further increase in the generated electricity. New sources have appeared in the general energy system of Ukraine, which have active government support, while the classical electric power industry (TPP and NPP) does not receive sufficient government funding to carry out scientific and technical work to improve and update electrical equipment. Therefore, forecasting of promising directions for the development of the electric power industry was carried out to confirm the prospects and the need to carry out work on the study and improvement of TGs as the main sources of electricity, to establish their role in providing the country with electricity, to establish directions for work on the creation of new TGs and modernization of TGs, which are long term time are in operation and replacement of which with new ones is impossible due to the global (and, accordingly, national) economic crisis. Prediction of further development and improvement of the electric power TGs made using the theory of cyclic (theory of Kondrat'ev "long-wave"), which allows more accurately predict the direction of the electric power, reduces inaccuracy decision due to the limited machine park of TGs. Comparison of possible scenarios for the development of modern electric power industry in Ukraine is carried out; choose the most promising scenario using the cyclical development of the theory, according to which set prospective directions of creation of new and modernization of the turbogenerators, which for a long time are in operation. It is proposed to consider that the stabilization-stagnation scenario of development with the choice of a favorable (moderate) path of development is promising for Ukraine. It is proved that the future of the Ukrainian electric power industry, as well as the electric power industry of other countries, is connected with the work of TPPs and NPPs, that is with the perfection of TG operation. Work on the improvement of TGs should be carried out continuously under any development scenario, because they determine the country's energy security and are a possible export item for domestic products. For this purpose, solutions were selected that should ensure the stable operation of TG in a wide range of parameter changes, when working in different modes; the directions of increase of energy efficiency of TG by improvement of quality of manufacturing, installation, service and repairs are specified. It is offered to use new technologies, materials, calculation and constructive decisions at manufacturing and carrying out modernization of TGs. When developing new TGs, we were guided by world standards. To determine the possibility of the scientific and technical competitiveness of domestic TGs in the world market, directions have been established in which there is a lag behind world firms: the need to increase the power per unit of performance and reduce the weight and size indicators (primarily, the specific gravity), improve designs, ensure the completeness of diagnostics of the TGs state and cooling systems, solution of the issue of transferring TGs 200-300 MW from hydrogen to air cooling, etc. To do this, the issues of expanding the range of reliable operation of TG in different technical condition, when working in non-nominal modes by improving production and installation, improving the quality of service and repairs; creation of comprehensive diagnostic programs. The method of complex system control of TGs condition during the period of long operation is offered taking into account features of operating modes of power networks and at transition to carrying out repairs on an actual condition, instead of on the schedule of planned and preventive repairs. Practical proposals have been developed for the use of new designs, technologies and materials. At the same time, we take into account the economic feasibility of the proposed solutions. The possibility and expediency of increasing the capacity of TG per unit of performance is established in the work. It is shown that the total mass, cost and power losses of several TGs are always large approximately at 4 m that mass, cost and power loss of one machine of the same total power. The resulting dependence can be used for practical calculations. The specific material consumption of the TGs was determined separately for the active and inactive zones of the machine. Directions were proposed for reducing the mass and size indicators (first of all, the specific mass) of TGs, improving their cooling system, taking into account the requirements for a simultaneous increase in power without changing the dimensions and subject to replacement of the hydrogen cooling system of the internal volume of the TGs shunting power range (200-300 MW) to the air cooling system. It was found that domestic TGs are inferior in weight and size parameters to almost all firms, that they are, on average, 30% heavier than their foreign analogues. This is especially true of the parameters of the inactive zone of TGs. Comparison of specific materials consumption per unit capacity of TGs showed that the weight of the inactive zone of domestic TG with hydrogen and air cooling systems reaches 38% of the total weight of TG, while in world practice this value does not exceed 30%, which significantly reduces the competitiveness of domestic TGs. In addressing the issue of reducing the mass and size parameters of the stator took into account the requirement of unification of parts and assemblies and the need to intensify cooling. The reasons that determine the lag behind foreign firms include outdated technologies, insufficient profile qualifications of engineers; lack of funding for research and development of new equipment. It is proposed to use the coefficient λ=ls/Ds to check the selected TG geometry. It is shown how the value of λ depends on the power of the generator, and that to reduce the mass and size indicators with increasing power, the coefficient λ should be reduced. The use of this coefficient makes it possible to choose the ratio of the TGs main parameters (ls and Ds) when carrying out work to reduce the specific mass and maintain the overall dimensions. The method of calculation of mechanical reliability of the modernized elements and knots of TGs with the reduced mass and dimensional indicators is developed. The directions of reduction of mass-dimensional indicators of TGs due to improvement of their inactive zone by use of more perspective technologies, standard profiles and new materials are proposed and substantiated. When working to reduce the mass and dimensions of the TGs, it is proposed to calculate the technological equipment of production by calculating the general and partial coefficients of the technological equipment (CTE) for different types of technological processes, which allows comparing the technological equipment TGs production at national enterprises with world enterprises. The general CTE allows you to link technological processes with classifiers operating at factories. It is proposed to select technological equipment for production of TG as for conditional small-scale production, to use the unified devices, stamps, the auxiliary tool and the normalized equipment that will allow to increase CTE by 30-50%. The state and prospects of increase of reliability of cooling systems, directions of creation and diagnostics of modern coolers were analyzed, the technique of arrangement of heat exchangers of TGs taking into account type of cooling environment and size of power losses at work in various modes is developed. The connections between the used refrigerant and mass and size indicators of TG are established. To assess the design, operational and economic solutions selected during the design of TG with full air cooling under the condition of reducing the mass and size indicators, a classification has been developed in four main areas: technical, managerial, material-supply and technological. The comparison of the mass and dimensional parameters of structural elements of TG with hydrogen and air cooling is performed. The advantages, disadvantages and structural differences of the designs of air-cooled TGs are indicated, specific changes in their designs are proposed, which, without changing the dimensions, ensure reliability and even increase power. An economic comparison was made between these options. The data were collected, the analysis of TG cooling systems malfunctions was carried out, which allows to diagnose and eliminate the causes of the chiller malfunction in time and to develop recommendations for repairs. Systematized defects of TG cooling systems, proposed methods for diagnosing defects and their elimination in the station conditions, the influence of TG heat exchanger layout on operating thermal stresses, maximum temperature distribution and its difference on the tube surface is established. Defects of TG cooling systems are systematized, methods of diagnostics of defects and ways of their elimination in the conditions of power plants are offered; the influence of the location of the heat exchanger and the number of strokes of the cooling gas on the operating thermal stresses, on the distribution of the maximum temperature and on the temperature drop on the surface of the tubes is established. Proposals have been developed to eliminate the causes of leakage in coolers, their destruction, and possible reasons for the unsatisfactory operation of new air coolers have been identified. The proposed classification of the failure of cooling systems can be used to train personnel for prompt action in the event of an accident. It is shown that timely and efficient repair of TG cooling system is economically advantageous because it reduces the probability of emergency shutdowns of power plant units. A study of the features of operation, diagnosis, maintenance and repair of TG, which have a long service life was conducted. The algorithm of calculation of maximum admissible operation of TG elements and the form of tables which register an actual condition are offered. The assessment of the technical condition of TG and its elements was carried out in order to determine the possibility of their further operation, in order to determine the amount of necessary repairs, the possibility of rehabilitation or complete replacement. The influence of the rate of load increase on the deformation of the winding rods, on the state of insulation and charge cores; the influence of "aging" of metals on reliability of TGs and durability of their operation is defined; analyzed and selected the most appropriate design for mounting the front parts of the stator windings. The influence of the quality of the core assembly on the reliability and duration of operation TGs is determined the reasons for the destruction of stators cores of TGs, which have been in operation for a long time, are proposed. When TGs operate in non-rated modes, it is necessary to take into account the action of additional electromagnetic forces (EMF) created by the leakage fluxes in the elements of the core-to-body fastening. Although the magnitude of such EMF is small, their effect is added to the action of EMCs from the main scattering fluxes, which usually act on the TG laminations packets in nominal mode, and contributes to their destruction. The magnitude of this additional EMF depends little on the changes in active and reactive power, but its dependence on the voltage change is significant, which, in our opinion, explains the increased vibration of the core. In a state of wear, vibration in the TGs structural elements increases. Therefore, if the TG often operates in non-nominal modes, this increase in vibration should be taken into account when scheduling repairs and determining their volumes. The reasons that affect the state of TGs laminated cores have been investigated; using the theory of deformation of multilayer objects, a model has been developed that allows one to evaluate the effect of gluing, method of laying and relative sliding of active steel sheets on the flexural rigidity and reliability of the core. In a state of wear there are additional reasons for the appearance of increased vibration in the structural elements of the TG. A method for calculating the mutual motion of laminated sheets in packages with different types of assembly and different state of insulation is proposed. It was found that when assembling a laminated package with an overlap of 1/2 sheet, its rigidity differs from the monolithic version by no more than 3%. The influence of "aging" on the stiffness and strength of the laminated stator core was evaluated. Maintaining a constant pressing pressure in the charged core of the TG increases its reliability and service life. A model for calculating the forces that act on the sheets of the TGs laminated stator core has been compiled. It is established that the action of these forces is significant for the extreme sheets of packets of stator cores, and that the addition of these forces may be one of the causes of destruction of the toothed zone: after bending the extreme sheet conditionally extreme becomes the next sheet and so on – it’s a "domino" effect. This is facilitated by the high frequency of the acting forces (100 Hz) and the aging factor. We believe that these forces explain the loosening of not only the end, but also the central packages, as well as packages located immediately after the extreme glued packages. It is concluded that maintaining a constant pressure in the laminated core TG increases its reliability and durability. It is suggested that vibration is the most effective indicator of TG status; this is important when choosing the type and number of additional sensors that are installed during the transition to the actual repairs. Limiting the number of control channels is necessary to reduce the burden on the power plant unit operators. A review of the designs of the frontal parts of the stator windings of the TG ("basket") was carried out, proposals were formulated for the layout of this unit to ensure the permissible level of vibrations and temperature stresses, to synchronize the vibration of the connected elements, to stabilize the properties during long-term operation, to ensure manufacturability and maintainability. To consider the problems and suggest ways to improve the training of workers of TPPs and NPPs, identified ways to increase their economic interest in keeping in the national electricity. It is proposed to support at the state level research in the electricity sector on the creation of new equipment and modernization of existing equipment, as well as to improve the education system.