Re-Extension of 200 MW Turbine Cast Casing Service

This paper assesses the residual life of casings on the basis of three-dimensional models of the K-200-130-3 steam turbine high-pressure (HP) and intermediate- pressure (IP) cylinder casings. In doing so, the paper takes into account the actual operating conditions according to the damage data obtained from the results of inspecting the power equip-ment metal condition during preventive maintenance overhauls.У роботі проведена оцінка залишкового ресурсу на базі тривимірних моделей корпусів циліндрів високого (ЦВТ) і середнього тиску (ЦСТ) парової турбіни К-200-130-3 з урахуванням реальних умов експлуатації згідно з даними пошкодження, отриманими за результатами обстеження стану металу енергетичного устаткування в планово-попереджувальних ремонтах.В работе проведена оценка остаточного ресурса на базе трехмерных моделей корпусов цилиндров высокого (ЦВД) и среднего давления (ЦСД) паровой турбины К-200-130-3 с учетом реальных условий эксплуатации согласно данным поврежденности, полученным по результатам обследования состояния металла энергетического оборудования в планово-предупредительных ремонтах

The problem of salinization activation in soils of the south of Eastern Siberia and Mongolia in connection with climate aridization

The influence of climate aridization on soil salinity in the basins of the south of Eastern Siberia and Mongolia is considered in the article. The data characterizing the climate aridity of the basins of the south of Eastern Siberia over 50 years are analyzed. In the south of Eastern Siberia from 1955 to 2015, the increase in air temperature was higher than in the whole world. In the basins of Tuva, the increase in air temperature was 2.5–3.7 оС; in the Minusinsk depression – 1.7–2.8 оС, in the basins of Buryatia – 1.5–1.8 оС; the coefficient of determination for moving averages over 20 years (R2) was 0.9–0.95, the changes are significant – Student's criterion 19–35. Changes in the aridity coefficient were in the range of 0.02–0.14; according to the Student criterion, they were significant (t = 7.4 – -22), while a decrease in aridization was observed in the Minusinsk depression and its growth in other regions. Thus, in general, for the studied regions, the multidirectionality of the processes of climate aridization has been ascertained. In the Minusinsk depression, despite a slight decrease in aridization, category changes (according to the classification of Lobova et al., 1977) did not occur during this period, the territory remained in the arid and subarid categories. Despite the increase in climate aridization in the basins of Tuva and Buryatia, most of them also did not show a tendency to more arid category. Nevertheless, in a number of hollows in the south of Eastern Siberia, an increase in aridization with a transition to a more arid category was observed. This applies to the Eravnensky and Barguzinsky basins of Buryatia, which switched from weakly arid to subarid, as well as to the Ubsunur basin of Tuva, which turned from arid to strongly arid. For the basins of the south of Eastern Siberia, where climate aridization was recorded, the question arose about the possible activation of the process of soil salinization. To solve this problem, materials were collected on soil salinity in the arid regions of Mongolia. It was found that an increase in climate aridity even in the extreme arid deserts of the Gobi, where parent rocks are not saline, under automorphic conditions, the soil is practically not saline (the amount of salts does not exceed 0.1%). In areas where saline Cretaceous-Paleogene red sediments are spread, automorphic soils are saline, and the amount of salts may exceed 2.5%. Thus, in extremely arid climatic conditions, salinization of automorphic soils can range from non-saline to highly saline. Under the hydromorphic conditions of the basins of the south of Eastern Siberia, as well as in Mongolia, climate aridization inevitably leads to an intensification of the salt accumulation process, therefore, in the basins of Tuva and Buryatia experiencing climate aridization, a process of soil salinization in hydromorphic landscapes should be expected

Розробка технологічного підходу до управління ресурсом корпусів турбін на надкритичні параметри пари

A comprehensive model for evaluation of the resource of HPC of the turbine K-800-240-2, which includes calculation of thermal, stressed-strained state, cyclic and static damageability, is presented here. The numerical studies conducted with the use of modern methods of mathematical modeling showed a high impact of forces of pins’ tightening on the stressed-strained state of the casing elements (the stress level increased by 17.7 %). A technological approach to resource control, aimed at a change in pins’ tightening efforts, was proposed. It was established that this method decreases static damageability of basic metal of casings (by 9.7 %), improving its long-term strength. When taking into account tightening forces, the maximum stress intensity decreased by 9.3 %, while the stress level in the flange joint decreased by 11–41 %. These positive moments are accompanied by an increase in individual resource of the casing by 10 %. The developed concept and recommendations have significant importance for ensuring long-term operation of steam turbines with the initial pressure of hot steam at 24 MPa.Работа посвящена разработке метода увеличения длительной прочности литых корпусов паровых турбин, нагруженных паром сверхкритических параметров. Предметом исследования являются эксплуатационные процессы износа основного металла под действием температурных напряжений. Показано, что учет влияния затяжки шпилек фланцевого соединения имеет существенное влияние на поврежденность корпусов. Предложен метод уменьшения влияния данных усилий благодаря технологическому управлению ресурсомРобота присвячена розробці методу збільшення довготривалої міцності литих корпусів парових турбін, що навантаженні парою з надкритичними параметрами. Предметом дослідження є експлуатаційні процеси зношуваності основного металу під дією температурних напружень. Показано, що врахування зусиль затяжки шпильок фланцевого з’єднання має вагомий вплив на пошкоджуваність корпусів. Запропоновано метод зменшення впливу даних зусиль завдяки технологічному управлінню ресурсо

Розробка технологічного підходу до управління ресурсом корпусів турбін на надкритичні параметри пари

A comprehensive model for evaluation of the resource of HPC of the turbine K-800-240-2, which includes calculation of thermal, stressed-strained state, cyclic and static damageability, is presented here. The numerical studies conducted with the use of modern methods of mathematical modeling showed a high impact of forces of pins’ tightening on the stressed-strained state of the casing elements (the stress level increased by 17.7 %). A technological approach to resource control, aimed at a change in pins’ tightening efforts, was proposed. It was established that this method decreases static damageability of basic metal of casings (by 9.7 %), improving its long-term strength. When taking into account tightening forces, the maximum stress intensity decreased by 9.3 %, while the stress level in the flange joint decreased by 11–41 %. These positive moments are accompanied by an increase in individual resource of the casing by 10 %. The developed concept and recommendations have significant importance for ensuring long-term operation of steam turbines with the initial pressure of hot steam at 24 MPa.Работа посвящена разработке метода увеличения длительной прочности литых корпусов паровых турбин, нагруженных паром сверхкритических параметров. Предметом исследования являются эксплуатационные процессы износа основного металла под действием температурных напряжений. Показано, что учет влияния затяжки шпилек фланцевого соединения имеет существенное влияние на поврежденность корпусов. Предложен метод уменьшения влияния данных усилий благодаря технологическому управлению ресурсомРобота присвячена розробці методу збільшення довготривалої міцності литих корпусів парових турбін, що навантаженні парою з надкритичними параметрами. Предметом дослідження є експлуатаційні процеси зношуваності основного металу під дією температурних напружень. Показано, що врахування зусиль затяжки шпильок фланцевого з’єднання має вагомий вплив на пошкоджуваність корпусів. Запропоновано метод зменшення впливу даних зусиль завдяки технологічному управлінню ресурсо

Визначення основних характеристик стабілізаторних мікрофакельних пальникових пристроїв при спалюванні забаластованих паливних газів

This paper reports an experimental study into the combustion of alternative gases in the form of a mixture of propane-butane with air and carbon dioxide after a stabilizing flat module whose both sides are flown around with an airflow. The ballasted fuel was fed by jets into the airflow from the holes located on the side walls of the stabilizer. In this case, the fuel and air were partially premixed. It was established that when ballasting fuel with inert admixtures, the length of the torch and the maximum temperature gradually decreased while nitrogen oxide emissions decreased. With an increase in the content of ballast in fuel, combustion breaks. The dependence of torch stability on the relative consumption of ballast has been established. To stabilize the combustion, highly reactive fuel is supplied to the recirculation zone after a stabilizer from a separate collector. Ballasted fuel passes through the next torches of high-temperature fuel; the all fuel combustion process takes place. The combined scheme of mixture formation makes it possible to adjust fuel consumption in the zones and thus maintain a stable burner power. In the case of supplying all fuel to the recirculation zone after the stabilizer, a so-called "rich" detachment is possible when the torch is detached from the stabilizer. When working under such modes, highly reactive fuel is supplied from the holes on the side walls of the stabilizer, which are placed closer to its detachment edges than the holes for the supply of ballasted fuel. At the same time, the jets of ballasted fuel also pass between the torches of highly reactive fuel so there is joint combustion of all fuelБыли проведены экспериментальные исследования по сжиганию альтернативных газов в виде смеси пропан-бутана с воздухом и двуокисью углерода за стабилизаторным плоским модулем, который обтекался с обеих сторон воздушным потоком. Забалластированное топливо подавалось струями в воздушный поток из отверстий, которые размещались на боковых стенках стабилизатора. При этом происходило частичное предварительное перемешивание топлива и воздуха. Установлено, что при балластировке топлива инертными примесями длина факела и максимальная температура постепенно уменьшаются, а выбросы оксидов азота снижаются. При увеличении содержания балласта в топливе происходит срыв горения. Установлена зависимость устойчивости факела от относительного расхода балласта. Для стабилизации горения в зону рециркуляции за стабилизатором из отдельного коллектора подается высоко реакционное топливо. При этом забалластированное топливо проходит через дежурные факела высокотемпературного топлива и происходит процесс горения всего топлива. Комбинированная схема смесеобразования позволяет регулировать расходы топлива по зонам и таким образом поддерживать постоянную мощность горелки. При подаче всего топлива в зону рециркуляции за стабилизатором возможно появление так званного «богатого» срыва, при котором происходит отрыв факела от стабилизатора. При необходимости работы на таких режимах высоко реакционное топливо подается из отверстий на боковых стенках стабилизатора, которые размещаются ближе к его срывным кромкам, чем отверстия подачи забалластированного топлива. При этом струи забалластированного топлива также проходят между факелами высоко реакционного топлива и происходит совместное горение всего топлива.Були проведені експериментальні дослідження щодо спалювання альтернативних газів у вигляді суміші пропан-бутану з повітрям і двоокисом вуглецю за стабілізаторним плоским модулем, який обтікався з обох боків повітряним потоком. Забаластоване паливо подавалось струменями в повітряний потік із отворів, що розміщувались на бокових стінках стабілізатора. При цьому відбувалось часткове попереднє перемішування палива і повітря. Встановлено, що при баластуванні палива інертними домішками довжина факелу і максимальна температура поступово зменшуються, а викиди оксидів азоту знижуються. При збільшенні вмісту баласту в паливі відбувається зрив горіння. Встановлена залежність стійкості факелу від відносної витрати баласту. Для стабілізації горіння в зону рециркуляції за стабілізатором з окремого колектора подається високо реакційне паливо. Забаластоване паливо проходить через чергові факели високотемпературного палива і відбувається процес горіння всього палива. Комбінована схема сумішеутворення дозволяє регулювати витрату палива по зонах і таким чином підтримувати стабільну потужність пальника. У разі подачі всього палива в зону рециркуляції за стабілізатором можлива поява так званого «багатого» зриву, при якому відбувається відрив факелу від стабілізатора. При роботі на таких режимах високо реакційне паливо подається з отворів на бокових стінках стабілізатора, які розміщуються ближче до його зривних кромок, ніж отвори подачі забаластованого палива. При цьому струмені забаластованого палива також проходять між факелами високо реакційного палива і відбувається сумісне горіння всього палива

Розробка системи оцінки та прогнозування раціональних ресурсоощадних режимів експлуатації ТЕС

The world energy crisis and environmental problems have prompted a rapid increase in the share of electricity generation by renewable sources. However, the operating modes of such energy facilities are rather uneven over 24 hours. Thus, for the energy sector of most developing countries, and as well as for part of developed countries, such fluctuations in the overall energy production balance lead to the forced limitation of the equipment capacity at TPPs or to the full shutdown of power units.The insufficient quantity of maneuvering capacities in the overall energy generating balance is a characteristic feature of the power systems of such countries as the Russian Federation, Ukraine, Macedonia, Bulgaria, Romania, Argentina, and others. The shortage of such capacities is often compensated for by the pulverized coal units with a power of 200–300 MW, whose operation is enabled at half-peak and peak modes. This equipment is not designed for such operations. Therefore, the development of a regime method of resource management has been proposed to prevent the premature exhaustion of TPP generating equipment.Based on technical auditing of the operational documentation of generating companies, a method has been suggested aimed at forecasting the rational resource-saving operational regimes of the high-temperature elements of power equipment by optimizing the ratio of the number of launches of the equipment from various thermal states. An optimization problem has been stated, which implies determining such a distribution of the process structural-technological parameters that would ensure the maximal preservation of equipment resource. The residual resource has been selected as the objective function of the optimization problem. The devised method has been represented in the form of a comprehensive system for estimating and forecasting the rational operational modes of the TPP high-temperature elements, which makes it possible to define individual resource indicators over the entire period of equipment operation for all possible future combinations of operational modes and to compile forecasts for thousands of different variants of power unit exploitation, implying the calculation of resource indicators for each of themМировой энергетический кризис и экологические проблемы привели к стремительному увеличению доли генерации электроэнергии возобновляемыми источниками. Однако режимы работы таких энергомощностей достаточно неравномерны в течении суток. Так, для энергетики большинства развивающихся и части развитых стран такие колебания в общем балансе энергопроизводства приводят к принудительному ограничению мощности оборудования на ТЭС или к полной остановке энергоблоков.Недостаточное количество маневренных мощностей в общем энергогенерирующем балансе является характерной чертой энергосистем таких стран как Российская Федерация, Украина, Македония, Болгария, Румыния, Аргентина и ряда других. Недостаток таких мощностей часто компенсируются за счет пылеугольных блоков мощностью 200–300 МВт, которые привлекаются к работе в полупиковых и пиковых режимах. Данное оборудование проектно не приспособлено к работе в таких условиях. Поэтому для предотвращения преждевременного износа генерирующего оборудования ТЭС предлагается разработка режимного метода управления ресурсом.На базе технического аудита эксплуатационной документации генерирующих компаний предложен метод, направленный на прогнозирование рациональных ресурсосберегающих режимов работы высокотемпературных элементов энергетического оборудования путем оптимизации долевого соотношения числа пусков энергоблоков с различных тепловых состояний. Сформулирована задача оптимизации, которая заключается в определении такого распределения конструктивно-технологических параметров процесса, что обеспечит максимальное сохранение ресурса оборудования. За целевую функцию задачи оптимизации выбран остаточный ресурс. Разработанный метод представлен в виде комплексной системы оценки и прогнозирования рациональных режимов эксплуатации высокотемпературных элементов ТЭС, которая дает возможность расчета индивидуальных ресурсных показателей на протяжении всего времени эксплуатации оборудования для всех возможных будущих комбинаций режимов работы и позволяет сгенерировать прогнозы для тысяч различных вариантов режимной эксплуатации энергоблока, с расчетом ресурсных показателей для каждого из нихСвітова енергетична криза та екологічні проблеми спонукали стрімке збільшення долі генерації електроенергії відновлювальними джерелами. Проте, режими роботи таких енергопотужностей є досить нерівномірними протягом доби. Так, для енергетики більшості країн, що розвиваються, та частини розвинених країн такі коливання в загальному балансі енерговиробітку призводять до примусового обмеження потужності обладнання на ТЕС, або й до повної зупинки енергоблоків.Недостатня кількість маневрових потужностей в загальному енергогенеруючому балансі є характерною рисою енергосистем таких країн як Російська Федерація, Україна, Македонія, Болгарія, Румунія, Аргентина та низки інших.  Нестача таких потужностей часто компенсується за рахунок  пиловугільних блоків потужністю 200–300 МВт, що залучаються до роботи в напівпікових та пікових режимах. Дане обладнання проектно не пристосовано до такої роботи. Тому для запобігання передчасного зношення генеруючого устаткування ТЕС пропонується розробка режимного методу управління ресурсом.На базі технічного аудиту експлуатаційної документації генеруючих компаній, запропоновано метод, спрямований на прогнозування раціональних ресурсоощадних режимів роботи високотемпературних елементів енергетичного обладнання шляхом оптимізації дольового відношення числа пусків устаткування з різних теплових станів. Сформульовано задачу оптимізації, яка полягає у визначенні такого розподілу конструктивно-технологічних параметрів процесу, що забезпечують максимальне збереження ресурсу обладнання. Як цільову функцію задачі оптимізації обрано залишковий ресурс. Розроблений метод представлено у вигляді комплексної системи оцінки та прогнозування раціональних режимів експлуатації високотемпературних елементів ТЕС, що дає можливість визначення індивідуальних ресурсних показників на протязі всього часу експлуатації обладнання для усіх можливих майбутніх комбінацій режимів роботи та згенерувати прогнози для тисяч різних варіантів режимної експлуатації енергоблоку, з розрахунком ресурсних показників для кожного з ни

Estimation of Steam Turbine Shafts Fatigue Damage Caused by Torsional Vibrations

В Україні 74 енергоблоки потужністю 150-800 МВт теплових електростанцій із 102 перебувають на межі перевищення паркового ресурсу (220 тис. Годин). З них 17 енергоблоків наближаються до кінця ресурсу парку, а 11 енергоблоків досягли передбачуваного ресурсу (100 тис. Годин). Статистика аварій на електростанціях у різних країнах показує, що більшість з них спричинені тривалим накопиченням збитків від втоми. Серед основних причин пошкодження втоми - пульсація високотемпературних потоків пари в циліндрах турбіни, поперечні та крутильні коливання валів при тривалій експлуатації тощо. Це обумовлює розробку обчислювальних та експериментальних методів визначення втомних пошкоджень вали турбінних установок при динамічних навантаженнях. Оцінка втомних пошкоджень вала парової турбіни К-200-130 базується на 3D-моделі кінцевих елементів. Розрахунки враховують експериментально визначені втомні властивості роторної сталі. Розраховано втомну пошкодження в результаті крутильних коливань валу турбіни, спричинених аномальною роботою турбінного генератора. Зони концентрації напружень в обертових елементах парової турбіни типу К-200-130 встановлені для різних режимів роботи. Запропоновано процедуру прогнозування впливу втоми від пошкоджень на розрахунковий ресурс турбінного агрегату.In Ukraine, 74 power units with a capacity of 150-800 MW of thermal power plants out of 102 are on the verge of exceeding the park resource (220 thousand hours). Of these, 17 power units are close to the end the park resource, and 11 units have reached their estimated resource (100 thousand hours). Statistics of power plants accidents in different countries indicates that most of them are caused by the long term accumulation of fatigue damage. Among the main causes of fatigue damage are the pulsating of high-temperature steam flows in the turbine cylinders, transverse and torsional vibrations of shafts during long-term operation etc. This causes the development of computational and experimental methods for the determination of fatigue damage of turbine units’ shafts under dynamic loads. The evaluation of fatigue damage of steam turbine K-200-130 shaft is based on the 3D finite element model. The calculations take into account experimentally determined fatigue properties of rotor steel. The fatigue damage as a result of torsional vibrations of turbine shaft caused by the abnormal operation of turbine generator is calculated. Zones of stress concentration in the rotating elements of the steam turbine type K-200-130 are established for various operating modes. The procedure to predict the effect of fatigue damage on the estimated resource of turbine unit is proposed.В Украине 74 энергоблока мощностью 150-800 МВт тепловых электростанций из 102 находятся на грани превышения ресурса парка (220 тыс. Часов). Из них 17 энергоблоков близки к исчерпанию ресурса парка, а 11 энергоблоков вышли на расчетный ресурс (100 тыс. Часов). Статистика аварий на электростанциях в разных странах показывает, что большинство из них вызвано длительным накоплением усталостных повреждений. Среди основных причин усталостных повреждений - пульсации высокотемпературных потоков пара в цилиндрах турбины, поперечные и крутильные колебания валов при длительной эксплуатации и т. Д. Это вызывает развитие расчетных и экспериментальных методов определения усталостных повреждений. валы турбоагрегатов при динамических нагрузках. Оценка усталостных повреждений вала паровой турбины К-200-130 проводится на основе трехмерной конечно-элементной модели. В расчетах учтены экспериментально определенные усталостные свойства роторной стали. Рассчитано усталостное повреждение в результате крутильных колебаний вала турбины, вызванных ненормальной работой турбогенератора. Установлены зоны концентрации напряжений во вращающихся элементах паровой турбины типа К-200-130 для различных режимов работы. Предложена методика прогнозирования влияния усталостных повреждений на расчетный ресурс турбоагрегата

ОЦІНКА ЗАЛИШКОВОГО РЕСУРСУ КОРПУСІВ ПАРОВИХ ТУРБІН АЕС

The experience of the operation of nuclear power plants allows us to substantiate the revision of earlier specified lifetime for the power units of nuclear power plants. In December 2016 the specified lifetime expires for the power unit No3 at the Rivne NPP equipped with the reactor of a BBEP-1000 type and the turbine К-1000-60/3000 and the residual life of the equipment must be evaluated to provide a reliable operation for new power units and the reduction of the expenditures for putting them into the operation. The purpose of this scientific paper is to extent the operation life for the power equipment. For structurally complicated HPC casings three-dimensional structures with horizontal flanges, steam supply pipe branches and other elements are taken into account. The methods were developed to create dimensional analogues of the elements of turbine machines using Solidworks software product for the HPC casing. The geometric model was constructed on the basis of the certificate drawing for the К-1000-60/3000 turbine. A maximum intensity value of conventional elastic stresses caused by a difference in the temperature and steam pressure in HPC is observed in the steam inlet zone near the flanges and it is equal to σімах = 526 MPa in the case of cold start. A reduced deformation of casing is 0,0018 % in the case of cold start (CS) at a time point of 1800 s and it is equal to 0,00276 % in the case of hot start (HS) at a time point of 360 s, which corresponds to allowable norms of 0,09 %. A maximum temperature gradient in the case of hot start arises in the HPC for all control units at a time point of 360 s. Extension of the operation life of power equipment was substantiated by carrying out computing investigations of the thermal state and the mode of deformation and the evaluation of the residual life of the HPC casing of the steam turbine К-1000-60/3000 for the power unit of 1000 MW ²Rivne NPP² owned by the state company ²Energoatom². The estimated life of the casing metal for the high pressure cylinder of steam turbine К-1000-60/3000 is worked out by 10 %. The margins of statistical strength of the HPC casing are everywhere within allowable limits. The individual residual life of the casing of high pressure cylinder of the steam turbine К-1000-60/3000 is 272676 hours that allows us to extend the term of operation for 10 years taking into consideration reactor operation conditions.Обґрунтовано продовження терміну експлуатації енергетичного обладнання шляхом розрахункових досліджень теплового, напружено-деформованого стану та оцінки залишкового ресурсу корпусу циліндра високого тиску парової турбіни К-1000-60/3000 блоку 1000 МВт «Рівненська АЕС» державне підприємство НАЕК «Енергоатом». Розрахунковий ресурс металу корпусу циліндра високого тиску турбоагрегату К-1000-60/3000 ст. № 3 Рівненської АЕС вироблений на 10 %. Запаси короткочасної статичної міцності корпусу циліндра високого тиску ніде не виходять за межі допустимих. Індивідуальний залишковий ресурс корпусу циліндра високого тиску парової турбіни К-1000-60/3000 становить 272676 годин, що дозволяє продовжити експлуатацію корпусу циліндра високого тиску на 10 років по умовах роботи реактору