Паровые турбины должны быть нагреты медленно, чтобы избежать чрезмерного дифференциального расширения различных компонентов, для продления их срока эксплуатации. По этой причине, время пуска традиционных паровых турбин не может быть коротким, чтобы обеспечить постепенное нагревание компонентов.
На тепловой электростанции Faribault Energy Park в штате Миннесота, США, установлен один энергоблок, работающий на комбинированном цикле и имеющий установленную электрическую мощность 285 МВт. Кроме газовой турбины в состав данного энергоблока входит одна паровая турбина производства GE марки A10 мощностью 117 МВт. Паровая турбина состоит из цилиндра высокого, среднего и низкого давления. Температура острого пара, поступающего в цилиндр высокого давления, составляет 565 градусов Цельсия.
После простоя более 48 часов паровой турбине в составе энергоблока требуется значительное время для прогрева и данный вид пуска квалифицируется, как пуск из холодного состояния, что серьезно ограничивает возможности ТЭС, чтобы приспособиться к изменениям ценам на рынке.
Ротор паровой турбины, длина которого составляет более 9 метров, расширяется примерно на 3 см, когда достигает рабочей температуры. Если ротор и корпус турбины не расширяются с равномерной скоростью, это может вызвать трение, что может привести к последующему дорогостоящему ремонту. Если острый пар имеет слишком высокую температуру или его расход слишком большой, автоматика сразу же перекрывает его подачу, чтобы предотвратить повреждение компонентов.
С учетом этих ограничений руководство американской электростанции Faribault Energy Park начало искать безопасные способы уменьшения времени пуска паровой турбины, сохранив при этом напряжения ротора в допустимых пределах. Команда хотела сократить как затраты на пуски, так и долгосрочные расходы на техническое обслуживание.
Решение было выбрано во время очередного капитального ремонта путем установки изолированных электрических нагревательных одеял внутри изоляцию паровой турбины, чтобы обеспечить нагрев корпуса турбины перед запуском, а также держать его прогретым во время нахождения оборудования в резерве. Нагревательные одеяла спроектированы и поставлены компанией Team Industrial Services и были установлены на цилиндрах высокого и среднего давления. Руководство станции решило, что часть турбины низкого давления работает при достаточно низкой температуре, что не требует внешнего нагрева.
Паровая турбина GE A10 с установленными на ней нагревательными одеялами
Установленная нагревательная система состоит из самих нагревательных одеял и шкафа управления. Общая требуемая мощность составляет приблизительно 200 кВт, хотя номинальная норма потребления составляет менее 50 кВт. В нагревательные одеяла встроены собственные термопары для контроля нагрева зон непосредственно в месте соприкосновения с металлом.
Логика управления нагревательной системой также включает в себя отключение нагрева в случае недопустимого расширения элементов турбины в следствии чрезмерного нагрева.
Нагревательное одеяло для паровой турбины
Различные режимы работы нагревательной системы, включая постоянный автономный подогрев, подготовку к пуску и расхолаживанию были интегрированы с логикой АСУТП энергоблока.
Оправданы ли инвестиции
Установка нагревательных одеял для паровой турбины на американской ТЭС Faribault Energy Park в целом снизило время холодного пуска почти на 50%. Даже время горячего пуска было сокращено на значительное время. Представители электростанции сказали, что установка одеял помогла добиться существенной экономии топлива. Поддержание высоких температур корпуса паровой турбины также уменьшает напряжения, связанные с термоциклированием. Это помогает держать компоненты турбины в оптимальном состоянии между циклами технического обслуживания.
Хотя проект был признан в целом успешным, были сделаны некоторые выводы на будущие установки. Одним из них является то, что монтаж нагревательного одеяла и проводки должен тщательно контролироваться, чтобы предотвратить заземление проводов на корпус турбины из-за непосредственной близости прокладки от горячих поверхностей. Также в будущем электростанции должны быть готовы во время очередных ремонтов паровых турбин менять и вышедшие из строя нагревательные оделяла, потому что это неизбежно произойдет.