Підвищення ефективності останнього ступеня потужної парової турбіни при супергідрофобному покритті соплового апарата

Abstract

Досліджувалась можливість використання супергідрофобних (SH) покриттів поверхонь напрямного апарату останнього ступеню для підвищення якості проточної частини потужної парової турбіни. Показано, що реалізація цієї пропозиції повинна привести до суттєвого зменшення розміру крапель вологи в проточній частині, та, як наслідок, до збільшення ресурсу робочих лопаток і електричної генерації. Останнє відбувається за рахунок зменшення втрат енергії: на тертя вологої пари по сопловим лопаткам, при ударах крапель вологи та обтіканні робочих лопаток, а також зменшення витрати пари на периферійну сепарацію. Експертним оцінюванням параметрів, що визначають це зменшення втрат та витрат, прогнозовано обсяг додаткової генерації електричної енергії від впровадження SH покриттів на соплах останнього ступеня турбіни К-325-23,5 АТ «Турбоатом» (довжина робочої лопатки 1030 мм). Границі відповідних діапазонів зміни параметрів відповідають оптимістичному та песимістичному варіантам оцінки характеристик покриття та турбоустановки (додаткова електрична генерація, вартість та термін окупності SH покриття). Розглядалися три варіанти SH покриття поверхні соплової лопатки останнього ступеня: усієї поверхні, тільки увігнутої сторони сопла та тільки верхньої половини увігнутої сторони. За розрахунками очікувана зміна електричної потужності турбіни типу К-300 для цих варіантів покриття знаходиться в інтервалах 525 кВт–372 кВт та 315 кВт–237 кВт відповідно за оптимістичними та песимістичними оцінками. Визначено строк окупності SH покриття при нанесенні його тільки на верхню половину увігнутої сторони сопла при прийнятих лінійних законах зменшення втрат при деградації покриття в залежності від його витривалості та ціни. Простий очікуваний термін окупності вказаного виконання SH покриття соплової лопатки останнього ступеня турбіни К-325-23,5 при витривалості 10000 год (річному напрацюванні 6307 год) складе ~ 16 місяців при ціні покриття 0,425 USD/см2. SH покриття сопла вологопарового ступеня є перспективним рішенням для впровадження у разі його витривалості більшій ніж 5500 год при середньо прогнозних ціні покриття та зменшенні втрат енергії і витрат пари при периферійній сепарації.

The possibility of using superhydrophobic (SH) coatings of the surfaces of the last stage guide apparatus to improve the quality of the flow path of a powerful steam turbine was investigated. It is shown that the implementation of this proposal should lead to a significant reduction in the size of moisture droplets in the flow path, and, as a consequence, to an increase in the service life of the rotor blades and electrical generation. The latter occurs due to the reduction of energy losses: the friction of wet steam on the nozzle blades, the impact of moisture droplets and the flow of the blades, as well as reducing the flow of steam to the peripheral separation. Expert assessment of the parameters determining this reduction of losses and costs predicts the amount of additional electricity generation from the introduction of SH coatings on the nozzles of the last stage of the turbine K-325-23,5 JSC "Turboatom" (blade length of the last stage 1030 mm). The limits of the respective ranges of parameter changes correspond to the optimistic and pessimistic options for estimating the characteristics of the coating and turbo charging (additional electrical generation, cost and payback period of SH coating). Three variants of SH coating of the nozzle blade surface of the last stage were considered: the entire surface, only the concave side of the nozzle, and only the upper half of the concave side. According to calculations, the expected change in the electric power of the K-300 turbine for these options is in the ranges of 525 kW–372 kW and 315 kW–237 kW, respectively, according to optimistic and pessimistic estimates. The payback period for SH coating of the nozzle surfaces is determined with the adopted linear laws for reducing losses during degradation of the coating with different endurance, prices for it and technical solutions regarding the size of the application area without taking into account repairs of rotor blades. Simple expected payback period SH coating of the upper half of the concave side of the nozzle blade of the last stage of the K-325-23 ,5 turbine with an endurance of 10,000 hours (Annual operating time of 6307 hours) Will be ~ 16 months at a coating price of a covering of 0,425 USD/cm2. SH coating of the moisture-vapor nozzle is a promising solution for implementation in the case of its endurance greater than 5500 hours at thе average predicted cost of the coating and a reducing energy losses and steam consumption during peripheral separation.