MODEL FOR PREDICTIONS STEAM TURBINE PARAMETERS FOR MARINE GAS-STEAM TURBINE UNITS AT EARLY DESIGN STAGES

全文:

Введение. Для российского морского энергомашиностроения актуальной задачей является разработка легкого, надежного, экономически эффективного двигателя с мощностями от 5 до 40 МВт. При уровне агрегатной мощности 10 МВт и более двигатель, созданный на основе ГТУ сложного цикла, может составить конкуренцию по всем основным показателям поршневому двигателю, в том числе для использования на гражданских судах и нефтегазодобывающих комплексах. Для оценки возможных параметров морского двигателя мощностью 10 - 25 МВт, созданного на базе ГТУ сложного цикла, рационально выполнять концептуальные проектные исследования.

По ряду причин опыт проектирования стационарных газо-паротурбинных установок (ГПТУ) не всегда можно использовать для создания морских энергетических установок. Например, работа на морском воздухе, содержащем растворы солей, влияет на выбор материалов и конструкцию проточных устройств турбомашин и теплообменного оборудования. Второе важное обстоятельство – уровень мощностей паротурбинной части, который оказывает влияние на размерность турбомашин (для стационарной энергетики обычно мощность паровой турбины в составе ГПТУ 50 МВт и более, для морских установок она примерно в 10 раз меньше). Поэтому оптимальные параметры цикла для стационарных установок не всегда будут оптимальными для энергетических установок морского назначения.

В процессе начальной стадии проектирования ГПТУ морского применения необходимо достаточно достоверно оценивать вероятные значения параметров основного оборудования паротурбинной части, в частности, паровой турбины. Параметры оборудования могу оказывать заметное влияние на внешние характеристики энергетической установки и предопределять выбор ее рациональных параметров, в том числе термодинамических параметров цикла.

Однако, на данной стадии проектирования не рационально в процессе оптимизации параметров термодинамического цикла энергетической установки выполнять достаточно трудоемкую работу по детальному концептуальному проектированию основного оборудования, в частности, паровой турбины тепло-утилизационного контура (ПТ ТУК). Желательно иметь простую, но обеспечивающую достаточную точность, статистическую модель для оценки экономичности и массы ПТ ТУК. Как отмечалось ранее, используемые в проектировании стационарных установок модели ПТ ТУК (например [1]), могут давать заметные погрешности в оценке характеристик турбины из–за различной размерности проточных частей. Имеющиеся аналогичные модели для судовых паровых турбин основаны на данных старых проектов пропульсивных агрегатов [2, 3] и могу давать заниженные значения по параметрам экономичности. Кроме того, эти модели учитывают не все влияющие параметры (например, давление в конденсаторе, частоту вращения ротора).

Цель работы и решаемые задачи. Цель – построения формальной математической модели для оценки внешних параметров паровой турбины, работающей в составе ГПТУ, в зависимости от параметров цикла паротурбинной части в характерном диапазоне мощностей морских агрегатов.

Решаемые задачи. Обоснование выбора диапазона изменения внешних варьируемых параметров для модели паровой турбины ТУК комбинированной турбинной энергетической установки морского применения. Выполнение концептуального проектирования паровых турбин с частичной оптимизацией их внутренних параметров для различных сочетаний параметров цикла ТУК. Построение формальной математической модели для оценки внешних параметров (КПД и удельной массы) паровой турбины данного класса.

Обоснование выбора диапазона варьирования термодинамических параметров ТУК морских ГПТУ. В мире существует ограниченное количество реализованных проектов морских ГТУ с ТУК. Например, известные советские проекты – маршевый двигатель на базе ГПТУ М-21 и всережимный двигатель М-25 (выполнены в «Машпроект»). Наиболее полная информация о реализованных и не реализованных проектах морских ГТУ с ТУК представлена в [4, 5]. В 21 веке такие проекты нам не известны. Поэтому, информация, представленная в [4, 5], остается актуальной и в настоящее время. В этих источниках имеются данные по главным и вспомогательным двигателям с ТУК. На основе анализа этих данных определен диапазон изменения термодинамических параметров турбинных ТУК. Сразу следует отметить, что реализованы только морские проекты с одним уровнем давления в УПГ, что можно объяснить заметным усложнением конструкции оборудования, снижением маневренных качеств и уровня надежности установки с несколькими уровнями давления. В таблице 1 приведены диапазоны изменения характерных параметров ТУК главных двигателей.

Таблица 1.

Значения некоторых параметров ТУК главных двигателей реализованных и не реализованных проектов ГПТУ

№	Параметр	Размерность	Величины
1	Мощность ГТД	МВт	7- 22
2	Мощность паровой турбины ТУК	МВт	3,0- 11,6
3	Температура газа за ГТД	С	390-524
4	Давление в сепараторе УПГ	МПа	1,0-4,24
5	Температура пара за УПГ	С	310-458
6	Давление в конденсаторе	МПа	0,005-0,01

 

Обоснование выбора параметров паровой турбины для ТУК морских ГПТУ. Анализ значений параметров морских ГПТУ позволил установить рациональные диапазоны изменения внешних варьируемых для построения модели паровых турбин ТУК с возможностью небольшой экстраполяции при использовании модели. Диапазон изменения мощностей паровой турбины 3-10 МВт. Давление пара на входе в турбину 1-4 МПа. Температура пара на входе 350-495 С. Давление в конденсаторе 5-10 кПа. Диапазон изменения внешних параметров предопределяет выбор рациональных параметров конструктивной схемы паровой турбины. Далее будут рассмотрены только однокорпусные однопроточные турбины дисково-диафрагменной конструкции (активного типа) с одним впуском пара (для применения в установках с наиболее рациональным в морских условиях одним уровнем давления в УПГ). Для упрощения кинематических схем механических передач и регулирования мощности морской энергетической установки представляется наиболее целесообразным использования паровой турбины ТУК для привода электрогенератора, а не для прямой передачи мощности на винт. Электроэнергия, полученная от турбины ТУК, в этом случае может использоваться для общесудовых нужд или для обеспечения движения судна в установках с частичным или полным электродвижением. Использование ПТ ТУК для привода электрогенератора переменного тока даст возможность применить в турбине ротор гибкого типа, что позволит несколько повысить КПД паровой турбины за счет снижения уровня утечек пара в уплотнениях, которые в турбинах данной размерности могут быть значительными.

Для выбранного диапазона изменения внешних параметров паровой турбины может оказаться целесообразным повышение частоты вращения ротора паровой турбины с установкой одноступенчатого редуктора между турбиной и электрогенератором. В турбо-приводах данной размерности такое конструктивное решение применяется известной фирмой «Сименс» и Калужским турбинным заводом. Это позволяет снизить массу блока турбина-редуктор по сравнению с прямодействующей турбиной с частотой вращения 3000 об/мин. Для нижнего уровня мощностей и повышенных значений начального давления пара это мероприятие приведет к увеличению экономичности турбины (снижения диаметров и получения полноразмерной проточной части в условиях низких значений объемных расходов пара). По этой причине в данной работе будут построены две модели для оценки массы и экономичности паровой турбины ТУК с частотами вращения 3000 об/мин и 8000 об/мин. (для верхнего уровня выбранного диапазона мощностей частота вращения 8000 об/мин уже может рассматриваться как завышенная, что приводит к некоторому снижению экономичности в условиях выбора внутренних параметров турбины с учетом ограничений по прочности).

Используемые расчетные модели. Исходные данные для построения формальной математической модели паровой турбины получены по результатам концептуального проектирования 144 вариантов паровых турбин с частичной оптимизацией их внутренних параметров. Концептуальное проектирование паровых турбоагрегатов выполнено с использованием многократно верифицированного программного комплекса СПбГМТУ [6].

Для примеров расчета параметров цикла и оборудования морской ГПТУ с учетом различных моделей паровой турбины использована одна из версий соответствующей модели СПбГМТУ [7].

Фиксированные значения варьируемых внешних параметров при концептуальном проектировании вариантов паровых турбин. Использован классический метод параметрического исследования с фиксированными значениями внешних варьируемых параметров. Приняты следующие фиксированные значения. Давление пара на входе:  Температура пара на входе:  Давление в конденсаторе:  . Эффективная мощность:  Частота вращения ротора:  (Для турбин с частотой вращения ротора
 эффективный КПД определен с учетом КПД одноступенчатого редуктора, принятого для всех вариантов равным 0,98).

Внутренние фиксированные и варьируемые параметры при концептуальном проектировании вариантов паровых турбин. Для каждого сочетания внешних параметров выполнялась частичная оптимизация внутренних параметров паровой турбины по параметрам последней и регулировочной ступени с контролем напряжений в рабочих лопатках последней ступени и запаса до критической частоты вращения гибкого ротора. Для частоты вращения 3000 об/мин корректировались диаметр думмиса у ротора и утечки в концевые уплотнения. Приняты разумные ограничения числа ступеней с их фиксацией во всех вариантах расчета для n=8000 об/мин на уровне 7 ступеней, для n=3000 об/мин на уровне 17 ступеней. Целевая функция при частичной оптимизации - эффективный КПД турбины. Для некоторых вариантов турбины с n=8000 об/мин при выборе оптимальных параметров приходилось учитывать ограничения по прочности рабочих лопаток последней ступени, что приводило к снижению значений целевой функции.

Некоторые примеры результатов концептуального проектирования паровых турбин ТУК. На рисунке 1 показаны некоторые результаты определения экономичности и массы ПТ ТУК в зависимости от внешних варьируемых параметров по данным концептуальных проектов.

 

                              (а)                                                                 (б)

Рисунок 1. Влияние некоторых внешних параметров на экономичность (а) и массу (б) паровой турбины ТУК по результатам концептуального проектирования

Формальная математическая модель для оценки эффективного КПД паровой турбины морской ГТУ с ТУК. Как отмечалось ранее, для повышение точности описания исходных значений параметров формальная модель КПД ПТ построена отдельно для частоты вращения ротора n=8000 об/мин и n=3000 об/мин в виде зависимости . С этой же целью КПД сначала описывается для турбин с фиксированной мощностью  обобщенным полиномом вида (1) [8], а затем выполняется линейная интерполяция по значению заданной мощности.

                                        (1)

В выражении (1) используются следующие обозначения      ; . Коэффициенты полиномов вида (1) определены методом наименьших квадратов [9] по данным результатов концептуального проектирования. При определении эффективного КПД ПТ с n=8000 об/мин учтен КПД одноступенчатого редуктора 0,98. Коэффициенты полинома, стандартные выборочные и максимальные отклонения аппроксимирующих зависимостей приведены в таблице 2 и 3.

Таблица 2

Коэффициенты полинома, стандартные выборочные и максимальные отклонения аппроксимирующих зависимостей КПД для частоты вращения ротора 3000

n=3000 об/мин
Ne
3,2	7,978E-01	-2,265E-02	3,278E-04	2,340E-02	-2,802E-03	-5,282E-03	5,371E-04
6,4	7,986E-01	-2,355E-02	3,151E-04	3,453E-02	-3,013E-03	-5,591E-03	1,641E-03
9,6	7,987E-01	-1,832E-02	-7,873E-04	3,574E-02	-2,702E-03	-7,566E-03	2,085E-03
Ne					СКВО		-
3,2	2,126E-04	4,152E-05	-2,221E-06	-4,905E-06	0,001164	0,0024114	-
6,4	2,052E-04	5,637E-05	-4,848E-05	7,763E-06	0,000955	0,0020801	-
9,6	1,093E-04	1,373E-03	-3,608E-05	0,000E+00	0,001217	0,0022778	-

Таблица 3

Коэффициенты полинома, стандартные выборочные и максимальные отклонения аппроксимирующих зависимостей КПД для частоты вращения ротора 8000

n=8000 об/мин
Ne
3,2	7,964E-01	-4,454E-02	4,853E-04	7,010E-03	7,063E-04	2,228E-03	2,161E-03
6,4	4,916E-01	-3,500E-02	7,467E-04	1,221E-01	-1,202E-02	8,372E-03	7,439E-03
9,6	4,166E-01	-4,087E-02	8,996E-04	1,261E-01	-1,133E-02	1,032E-02	7,418E-03
Ne					СКВО		-
3,2	1,192E-04	4,022E-05	-7,058E-05	5,982E-06	0,0014084	0,0024013	-
6,4	-7,203E-05	-1,608E-03	-1,259E-04	2,693E-05	0,0011574	0,0023824	-
9,6	7,213E-04	-1,462E-03	-1,970E-04	0,000E+00	0,0022882	0,0054279	-

Для всех зависимостей, аппроксимирующих КПД паровой турбины, получена вполне достаточная точность описания исходных данных для уровня концептуального проектирования энергетической установки.

Формальная математическая модель для оценки массы паровой турбины морской ГТУ с ТУК. Анализ результатов концептуального проектирования показал, что масса паровой турбины относительно слабо зависит от параметров пара на входе в принятом диапазоне их изменения. Полученное расчетное изменения массы в зависимости о этих параметров носит скорее случайный характер и связан главным образом с выбором внутренних параметров турбины. Если принять неопределенность оценки массы турбины по исходной модели на уровне 10% (что, скорее всего, соответствует действительности), то можно пренебречь влиянием параметров пара на входе и оценить массу турбины, как ее среднее расчетное значение в принятом диапазоне изменения этих параметров. В результате, из внешних параметров, влияющих на массу турбины, остаются давление в конденсаторе, мощность и частота вращения ротора. Для повышения точности описания исходных данных, так же как и в случае с КПД, разумно построить отдельные модели для частоты вращения ротора n=8000 об/мин и n=3000 об/мин в виде зависимостей . Эта зависимость может быть упрощена, если вместо массы описать удельную массу турбины в следующем виде . Как показал анализ исходных данных, эта зависимость может быть аппроксимирована линейным двухпараметрическим полиномом вида (2) с удовлетворительной неопределенностью.

                                   (2)

В выражении (2) используются следующие обозначения   . Коэффициенты полиномов вида (2) определены методом наименьших квадратов по данным результатов концептуального проектирования турбин отдельно для частот вращения ротора n=3000 об/мин и n=8000 об/мин. Коэффициенты полинома, стандартные выборочные и максимальные отклонения аппроксимирующих зависимостей приведены в таблице 4.

Таблица 4.

Коэффициенты полинома, стандартные выборочные и максимальные отклонения аппроксимирующих зависимостей удельной массы турбины

n об/мин					СКВО
3000	10,46181	-0,39388	-0,21806	0,000326	0,0095091	0,017361
8000	4,038194	-0,24089	-0,17708	0,010742	0,0102416	0,017361

 

Пример сравнения результатов расчета по разработанной модели оценки КПД паровой турбины с известными ранее моделями. Для сравнения с разработанной моделью выбрана модель [3, 4], учитывающая наибольшее число влияющих факторов (мощность, параметры пара на входе, давление на выходе). В модели [2] не учитывается давление на выходе из турбины. Во всех известных нам ранее созданных моделях [1-4] не учитывается влияние частоты вращения ротора, которая может оказывать заметное влияние на экономичность турбины в условиях сравнительно небольших объемных расходов пара.

На рисунке 2 представлено сравнение расчетных значений эффективного КПД паровой турбины мощностью 6,5 МВт, вычисленные по предложенной модели и по модели [3, 4]. Варьировались давления на входе ( ) и выходе из турбины ( ) для одинаковых температур пара на входе ( . В модели [3, 4] влияние частоты вращения не учитывается, в разработанной модели она задана равной n=8000 об/мин, а КПД турбины определен с учетом КПД одноступенчатого редуктора (принят 0,98).

 

Рисунок 2. Сравнение расчетных значений КПД паровой турбины, определенных по модели [3, 4] (обозначено «статист old») и по разработанной модели (обозначено «n=8000 с ред.»)

Как видно из сравнения расчетных данных, кпд, определенный по разработанной модели, имеет несколько более высокие значения (анализ причин такого расхождения был представлен ранее). Кроме того, немного увеличен темп изменения КПД с уменьшением давления на входе. Эти факторы, могут оказывать влияние на выбор оптимальных параметров цикла и их целесообразно учитывать на ранней стадии проектирования энергетической установки.

Пример влияния выбранной модели оценки КПД паровой турбины на оптимальные параметры цикла ГТУ с ТУК. С учетом данных по КПД паровых турбин, представленных на рисунке 2, выполнен расчет параметров цикла ГТУ с ТУК по модели [7]. Результаты расчета, представленные на рисунке 3, демонстрируют влияние использованной модели для оценки КПД паровой турбины на оптимальные по экономичности параметры цикла ТУК. Характер изменения КПД паровой турбины от параметров цикла ТУК приводит к смещению оптимального давления пара в сепараторе в сторону меньших его значений. Одновременно несколько увеличивается и расчетный КПД комбинированной установки.

 

Рисунок 3 Влияние принятой модели оценки КПД паровой турбины ТУК на показатели экономичности и оптимальные параметры комбинированной установки (обозначения кривых смотри на рисунке 2)

Приведенные примеры демонстрируют, что даже на ранних стадиях проектирования важно правильно оценивать параметры основного оборудования энергетической установки для обоснованного выбора параметров термодинамического цикла.

Выводы. 1. Предложена формальная математическая модель для оценки экономичности и массы паровой турбины ТУК в зависимости от основных параметров термодинамического цикла энергетической установки морского применения. В отличие от известных моделей учтено большее число влияющих факторов. Модель построена по результатам концептуального проектирования 144 вариантов паровых турбин с параметрами, характерными для ТУК морской ГТУ.

2. Приведенные примеры расчета параметров энергетической установки демонстрируют необходимость применения достоверных моделей оборудования для обоснованного выбора параметров термодинамического цикла на ранних стадиях проектирования.

作者简介

Yuri Pogodin

СПбГМТУ

Email: yu_pogodin@mail.ru
SPIN 代码: 4825-4720

Доцент, кандидат технических наук

俄罗斯联邦, Россия, СПб, ул. Лоцманская, д.3

Andrey Bezukhov

SPbSMTU

编辑信件的主要联系方式.
Email: bezukhov@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-9883-1323
SPIN 代码: 1220-6160
Scopus 作者 ID: 57004961000
Researcher ID: M-2084-2013

Associate Professor, Candidate of Technical Sciences

俄罗斯联邦, Россия, СПб, ул. Лоцманская, д.3

Daniil Luchkin

СПбГМТУ

Email: luchkindaniil@rambler.ru

Студент

俄罗斯联邦, Россия, СПб, ул. Лоцманская, д.3

参考

补充文件