Комплексні дослідження електрофізичних процесів у парових турбінах

Автори

А. О. Тарелін, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: tarelin@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0001-7160-5726

O. Weres, Geobrinelab (89502, USA, Nevada, Reno, Mill str., 4840, Unit 2)

Анотація

У статті розглядаються комплексні дослідження в галузі електризації вологопарового потоку в турбіні. Представлено аналіз, узагальнено досвід проведених досліджень на лабораторних стендах і натурних об’єктах (ТЕЦ і ТЕС) України, США. Показано, що в процесі електризації пари щільність зарядів у потоці може досягати дуже високих значень (на порядок вищих, ніж у грозовій хмарі), доведено, що це явище негативно впливає на роботу турбіни. Наведено статистичні дані зарядоутворення парового потоку в циліндрі низького тиску турбіни. Представлено результати дослідження зі встановлення таких основних електрофізичних чинників впливу на поверхневу міцність лопатки, як електричні поля, густина зарядів і їхня полярність. Спираючись на це підкреслено, що такі фактори, як наявність позитивно зарядженого потоку пари, постійних і змінних електричних полів, що найчастіше реєструвалися на діючих турбінах ТЕС і ТЕЦ, значно (у два і більше разів) інтенсифікують ерозійно-корозійні процеси на металевих поверхнях лопаток, знижуючи тим самим їхній робочий ресурс. Термодинамічні процеси вивчаються як в умовах природної електризації високошвидкісного потоку, що знижують показники ефективності приблизно на 0,3-0,35%, так і під час впливу штучно створених електричних зарядів, які дають змогу підвищити ефективність процесу розширення пари в турбіні на 2 і більше відсотки. Розглядаються різні варіанти локального введення електричної енергії для іонізації пари в турбіні. При цьому наголошується, що для практичної реалізації цих пропозицій у подальшому потрібні ретельне конструкторське доопрацювання і випробування на модельних і натурних установках. Досліджуються також водно-хімічні режими у контексті їхнього впливу на процес зарядоутворення потоку, показники надійності й економічності турбіни. Експериментально на турбоустановці 800 МВт у США було показано, що зміна рН середовища впливає на інтенсивність і полярність зарядоутворення потоку пари. У статті увагу приділено фізичним особливостям цього явища і наголошено на важливості й впливі цих процесів на характеристики міцності лопаток. Наводиться інформація про такі нові методи і технології, що забезпечують збільшення експлуатаційної ефективності й надійності вологопарових турбін, як способи введення і відведення електричної енергії в потік; раціональний вибір водно-хімічних режимів; нейтралізація об’ємного заряду та ін. Комплексні електрофізичні дослідження, що розглядаються разом із тепловими процесами, можна охарактеризувати як новий науковий напрям у теорії парових турбін – теплоелектрофізика.

Ключові слова: парова турбіна, електризація, статистика, ефективність, міцність.

Повний текст: завантажити PDF

Література

1. Тарелин А. А., Аннопольская И. Е., Сурду Н. В., Скляров В. П., Михайленко В. Г., Паршина Т. Н., Хиневич А. Е. Энерго- и ресурсосберегающие технологии в энергетике и энергомашиностроении. Киев: Наукова думка, 2016. 272 с.
2. Shubenko O. L., Tarelin A. O. Simulation of the erosion-corrosion destruction process of steam turbine low-pressure cylinder blades. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2023. Vol. 26. No. 1. P. 29–38. https://doi.org/10.15407/pmach2023.01.029.
3. Tarelin A. A., Surdu N. V., Nechaev A. V. The influence of wet-steam flow electrization on the surface strength of turbine blade materials. Thermal Engineering. 2020. Vol. 67. Iss. 1. P. 60–67. https://doi.org/10.1134/S0040601520010073.
4. Tarelin A. O., Skliarov V. P., Weres O. Electrostatic method and device to increase power output and decrease erosion in steam turbines: United States Patent. Patent no. US007252475B2. Date of patent 07 August 2007. 10 p.
5. Тарелин А. А., Скляров В. П. Паровые турбины: электрофизические явления и неравновесные процессы. СПб: Энерготех, 2012. 292 с.
6. Tarelin A. O., Skliarov V. P., Weres O. Device to increase turbine efficiency by removing electric charge from steam. United States Patent. Patent no. US 006698205B2. Date of patent: 02 March 2004. 14 p.
7. Tarelin A. O., Skliarov V. P. Method and apparatus for increasing power generated by a steam turbine by controlling the electric charge in steam exiting the steam turbine. United States Patent. Patent no. US6672825B1. Date of patent 06 January 2004. 24 р.
8. Тарелін А. О., Орловський В. П., Нечаєв А. В. Спосіб запобігання утворенню великодисперсної вологи у вологопаровому турбінному ступеню. Пат. 113131 Україна, МПК⁸F01 D5/18, F01 D25/32; № а201512161; заявл. 08.12.2015; опубл. 12.12.15, Бюл. № 23. 5 с.

Надійшла до редакції 19.06.2023