Определение гидравлических потерь пара в регулирующем клапане турбины на основе трехмерной модели
В.А. Горбунов, Н.А. Лоншаков, И.В. Алексеев, М.Н. Мечтаева
Вестник ИГЭУ, 2019 г. выпуск 5, сс. 12—23
Скачать PDF
Состояние вопроса. В настоящее время актуальным является вопрос определения узлов-концентраторов гидравлических потерь, возникающих при работе оборудования электрических станций. Выявление подобных точек непосредственно измерительными приборами на действующем оборудовании невозможно в силу затрудненного доступа ко многим элементам проточной части агрегатов. Разработка цифровых моделей оборудования позволяет моделировать данные процессы и с высокой степенью точности определять места повышенных гидравлических потерь. Целью данной работы является определение величины и локализации гидравлических потерь в регулирующем клапане паровой турбины.
Материалы и методы. Анализ работы клапана паровой турбины произведен на основе термодинамических, гидравлических и механических параметров, снимаемых непосредственно во время работы электрической станции штатными контрольно-измерительными приборами. Для обработки полученной информации используется метод конечных элементов в программах Ansys и SolidEdge Flow Simulation, а также трехмерное моделирование в программном пакете SolidEdge.
Результаты. В ходе работы получена трехмерная модель регулирующего клапана. Методом конечных элементов определены поля распределения давления, скорости, температуры и т.д. в объеме регулирующего клапана при различных режимах его эксплуатации. При обработке полученной информации выявлены завышенные потери энергии водяного пара, возникающие во время его дросселирования в регулирующем клапане, существенно влияющие на конечную мощность, развиваемую турбонасосом. В процессе работы приводной турбины на различных уровнях мощности потери давления рабочей среды в системе парораспределения варьируются в диапазоне 300–500 кПа (37–62 % от начального давления перед регулирующим клапаном).
Выводы. Поставленная в работе цель полностью достигнута. Верификация разработанной трехмерной модели произведена на основе эксплуатационных параметров, снятых в процессе работы паровой турбины. Применение результатов работы как при модернизации существующих агрегатов, так и в ходе проектирования нового оборудования позволит повысить эффективность выработки электрической энергии на энергоблоке станции.
1. Improving Nuclear Power Plant Safety with FeCrAl Alloy Fuel Cladding / R. Rebak, K. Terrani, W. Gassmann et al. // MRS Advances. – 2017. – No. 2(21–22). – P. 1217–1224. doi:10.1557/adv.2017.5
2. Energy efficiency improvement in pipeline transportation: focus on waste heat recovery, pumping and compression efficiency and site data management / B. Andrea, M. Francesca, J. Carmen, S. Emanuele // 7th Pipeline Technology Conference. – 2012.
3. Pipeline strategy for improving optimal energy efficiency in ultra-low voltage design / M. Seok, D. Jeon, C. Chakrabarti, et al. // 48th ACM/EDAC/IEEE Design Automation Conference (DAC). – New York, 2011. – P. 990–995.
4. Yong H. Yoo, Kune Y. Suh. Engineering analysis of mass flow rate for turbine system control and design // Nuclear Engineering and Design. – 2011. – Vol. 241, no. 10. – P. 4061–4078.
5. Кортиков Н.Н., Миронова М.В. Трехмерное моделирование теплового состояния охлаждаемых паром высокотемпературных элементов проточной части турбины // Научно-технические ведомости СПбГПУ. – 2011. – № 4. – С. 215–220.
6. Control design, simulation and validation of a turbo-machinery auxiliary plant, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers / R. Conti, P. D’Adamio, E. Galardi, et al. // Part E: Journal of Process Mechanical Engineering. – 2016. – Vol. 231. – P. 849–863.
7. Design of volute shape of centrifugal fans / Yukun Lv, Zheng-Wei Lv, Hong-Yang Li, et al. // Proceedings Of The Institution Of Mechanical Engineers Part A-Journal Of Power And Energy. – 2016. – Vol. 230, no. 2. – P. 141–153.
8. Analytical solution of Reynolds equation under dynamic conditions / Ru-Zhi Gong, De-You Li, Hong-Jie Wang, et al. // Proceedings Of The Institution Of Mechanical Engineers Part J-Journal Of Engineering Tribology. – 2016. – Vol. 230, no. 4. – P. 416–427.
9. Eco-design of a small size industrial fan for ceramic tile cooling / M. Pinelli, L. Rossi, N. Aldi, et al. // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy. – 2016. – Vol. 230, no. 5. – P. 502–511.
10. Jureczko M., Pawlak M., Mezyk A. Optimization of wind turbine blades // Journal of Materials Processing Technology. – 2005. – No. 167. – P. 463–471.
11. John. V, T. Ramakrishna. The Design and Analysis of Gas Turbine Blade // International Journal of Advanced Engineering Research and Studies. – OCT-DEC, 2012. – Vol. 2. – P. 53–55.
12. Mazur Z., Rossette A.H. Steam turbine rotor discs failure evaluation and repair process implementation // Engineering Failure Analysis. – 2015. – No. 56. – P. 545–554.
13. Dieter E Bohn, Christian Tummers. Numerical 3-D Conjugate Flow and Heat Transfer Investigation of a Transonic Convection Cooled Thermal Barrier Coated Turbine Guide Vane with Reduced Cooling Fluid Mass Flow // Proceedings of ASME Turbo Expo. – Atlanta, Georgia, USA, 2003. – Vol. 5. – P. 279–286.
14. Gwo Chung Tsai. Rotating vibration behavior of the turbine blades with different groups of blades // Journal of Sound and Vibration. – 2004. – Vol. 271, no. 3–5. – P. 547–575.
15. Design Optimization of A Low Pressure Steam Turbine Radial Diffuser Using An Evolutionary Algorithm and 3D CFD / T. Verstraete, J. Prinsier, A. Sante, et al. // Proceedings of ASME Turbo Expo, June, Copenhagen, Denmark. – 2012.
16. Johanson R.S. The Theory and Operation of Evaporative Coolers for Industrial Gas Turbine Installations // Gas Turbine and Aero-engine Congress and Exposition, June 5–9, Amsterdam, The Netherlands. – 1988. – No. 88-GT-41.
17. Маргулова Т.Х. Атомные электрические станции: учебник для вузов. – Изд. 5-е. – М.: ИздАТ, 1994. – 289 с.
18. Горбунов В.А., Лоншаков Н.А. Оптимизация затрат энергии турбопитательных насосов блока АЭС нейросетевыми методами моделирования // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2018. – № 3. – С. 54–61.
19. Eryilmaz B., Wilson B.H. Unified modeling and analysis of a Proportional valve // Journal of the Franklin Institute. – 2006. – Vol. 343. – P. 48–68.
20. Cavitation in a non-circular opening spool valve with U-grooves / J. Zou, X. Fu, X.W. Du, et al. // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy. – 2008. – No. 222(4). – P. 413–420.
21. Numerical modelling of cavitation: validation and parametric studies / X. Margot, S. Hoyas, A. Gil, et al. // Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. – 2012. – No. 6(1). – P. 15–24.
22. Ţălu M., Ţălu Ş. Optimal design for the interior shape of a annular diffuser with divergent careening considering the minimum whole loss pressure // University «Politehnica» of Bucharest – Scientific Bulletin, Series D – Mechanical Engineering. – 2009. – Vol. 71, no. 3. – P. 99–106.
23. CFD analysis on the dynamic flow characteristics of the pilot-control globe valve / J.Y. Qian, L. Wei, Z.J. Jin, et al. // Energy Conversion and Management. – 2014. – No. 87. – P. 220–226.
24. Pradip Bhaskar Patil, Gambhire V.R. Structural Analysis of Gate Valve Body Using F.E.A. // International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT). – 2014. – Vol. 3. – No. 6.
25. Tubular-type hydroturbine performance for variable guide vane opening by CFD / Y.T. Kim, S.H. Nam, Y.C. Cho, et al. // New Trends in Fluid Mechanics Research, Springer. – 2009. – P. 424–427.