Дослідження роботи турбіни К-1000-60/3000 у змінних режимах
Автор: Повар Артем Валерійович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Теплоенергетика
Інститут: Інститут енергетики та систем керування
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2025-2026 н.р.
Мова захисту: англійська
Анотація: Повар А.В., Матіко Г.Ф. (керівник). Дослідження роботи турбіни К-1000-60/3000 у змінних режимах. Магістерська кваліфікаційна робота. Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2025. Розширена анотація Сучасні тенденції в енергетиці України та світу вимагають підвищення гнучкості та маневреності роботи енергоблоків електричних станцій у зв’язку з розвитком відновлюваних джерел енергії та зниженням стабільності графіка споживання електроенергії. У таких умовах турбіни великої потужності, зокрема типу К-1000-60/3000, змушені працювати не лише в номінальних, а й у часткових та перехідних режимах. Це призводить до зміни термодинамічних характеристик, зростання теплових і механічних напружень, збільшення вологи у проточній частині турбіни та зниження її ефективності. Тому актуальним завданням є підвищення ефективності роботи турбіни у змінних режимах шляхом впровадження необхідних технічних, організаційних та експлуатаційних заходів скерованих на зниження втрат, зменшення зношування окремих її вузлів та продовження ресурсу обладнання турбоустановки. Об’єкт дослідження – процес перетворення теплової енергії пари у механічну роботу в турбіні К-1000-60/3000. Предмет дослідження – вплив змінних режимів експлуатації на ефективність та надійність роботи турбіни К-1000-60/3000. Метою магістерської кваліфікаційної роботи є дослідити особливості роботи парової турбіни К-1000-60/3000 у змінних режимах, проаналізувати вплив навантаження на її характеристики, оцінити проблеми, що виникають під час експлуатації, та визначити шляхи підвищення ефективності її роботи. У магістерській кваліфікаційній роботі розглянуто принципову теплову схему другого контуру атомної електростанції та проаналізовано роль паротурбінної установки в технологічному процесі енергоблоку. Виконано огляд турбоустановки К-1000-60/3000, розглянуто особливості конструкції турбіни, циліндра високого та низького тиску, особливості технологічного процесу в 5 турбоустановці, а також окреслено проблеми, що виникають при експлуатації турбіни у змінних режимах роботи. Виконано термодинамічний аналіз зміни основних параметрів турбіни при навантаженнях 100 %, 75 %, 50 %, 30 % та в режимах гарячого й холодного пуску. На основі розрахункових даних побудовано графіки залежності ККД, витрати пари, вологості та тиску в конденсаторі від потужності. Отримані результати показують, що при зниженні навантаження до 50 % ККД турбіни зменшується на 5–6 %, а вологість у кінцевих ступенях збільшується до 18–20 %. Це призводить до зростання ерозійного зношування лопаток турбіни та погіршення вакууму в конденсаторі. Окремо проведено аналіз термонапруженого стану ротора високого тиску та оцінено вплив циклів пусків-зупинок на накопичене пошкодження металу. Показано, що при роботі турбіни в режимах частих змін навантаження термічні напруження можуть перевищувати допустимі значення, що потребує удосконалення системи регулювання і контролю параметрів. У роботі запропоновано комплекс заходів щодо підвищення ефективності та надійності роботи турбіни у змінних режимах, зокрема: використання режиму “ковзного тиску” при часткових навантаженнях; модернізація проточної частини (встановлення лопаток із поліпшеною аеродинамікою та покриттями проти ерозії); впровадження сучасних систем діагностики та моніторингу технічного стану; оптимізація експлуатаційних режимів і графіків зміни потужності; використання нових високотемпературних матеріалів у роторах та робочих лопатках. У результаті проведених розрахунків встановлено, що парова турбіна К-1000-60/3000 здатна ефективно працювати у діапазоні навантажень 60–100 % від номінального. Зі зменшенням витрати пари до 0,6· G0 внутрішній ККД турбіни знижується незначно – до ? 0,83, а розподіл теплоперепадів між ступенями змінюється на користь середньої частини проточної частини. Вологість у кінцевих ступенях підвищується до x ? 0,88–0,90, що вимагає контролю з боку системи автоматизації. Отримані результати підтверджують стабільність і високу енергоефективність турбіни К-1000-60/3000 при роботі в 6 змінних режимах і можуть бути використані для оптимізації її експлуатації на енергоблоках АЕС. У техніко-економічному розділі оцінено доцільність впровадження запропонованих рішень. Згідно з розрахунками, модернізація проточної частини забезпечує зростання ККД на 1,5–2 %, що відповідає річній економії десятків мільйонів гривень за рахунок зменшення витрат пари. Впровадження систем діагностики дозволяє скоротити аварійні зупинки на 10–15 %, а використання титанового сплаву для лопаток подовжує їхній ресурс у 1,5–2 рази. На основі проведеного аналізу зроблено висновок, що робота турбіни К-1000-60/3000 у змінних режимах потребує комплексного підходу до оцінки ефективності та ресурсу. Реалізація запропонованих технічних і організаційних рішень дозволить забезпечити стабільну роботу турбоустановки, зменшити собівартість виробленої електроенергії, підвищити гнучкість атомних енергоблоків та їх конкурентоспроможність у сучасних умовах енергетичного ринку. У розділі автоматизації було розглянуто систему автоматичного регулювання турбіни, яка забезпечує автоматичну підтримка частоти обертання ротора турбогенератора з нерівномірністю близько 4,6 ± 0,5 % від номінальної частоти обертання (3000 об/хв), запобігання підвищенню частоти обертання ротора турбогенератора, точне регулювання тиску свіжої пари та потужності відповідно до заданої статичної характеристики, швидке короткочасне розвантаження турбіни та швидке тривале обмеження її потужності з можливістю навантаження за сигналом протиаварійної автоматики енергосистеми, попередження неприпустимого зниження тиску свіжої пари перед турбіною, захист турбіни від небезпечних режимів роботи та плановий пуск та зупинка турбіни, включаючи набір електричної потужності від 0 до 100%. Ключові слова: енергоблок, турбіна К-1000-60/3000, теплова схема, пара, потужність, змінний режим, циліндр високого тиску. Перелік використаних літературних джерел 1. Черноусенко, О.Ю., Бутовський, Л.С., Грановська, О.О. та ін (2010). Конструкція та призначення основних елементів парових турбін ТЕС та АЕС: 7 Частина 1, Навчальний посібник для студентів теплоенергетичного факультету. 150 с. 2. Посібник для навчання за спеціальним курсом "Технологія виробництва електричної енергії на атомній електростанції", тема «Паротурбінна установка». (2007). Нетішин: Навчально-тренувальний центр НАЕК "Енергоатом" ВП «Хмельницька АЕС». 3. Мисак, Й.С., Галянчук, І.Р., Дворовенко, В.М. (2008) Пускові режими роботи парових турбін енергоблоків ТЕС. НВФ "Українські технології". Львів. 265с. 4. Chernousenko, O. Yu., Peshko, V. A. (2019) Assessment of resource parameters of the extended operation high-pressure rotor of the K-1000-60/3000 turbine. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 22 (4). 41–47.