Система планування раціональних ресурсозберігаючих режимів експлуатації ТЕС
dc.contributor.advisor | Пешко, Віталій Анатолійович | |
dc.contributor.author | Ліщук, Сергій Русланович | |
dc.date.accessioned | 2025-06-20T13:10:50Z | |
dc.date.available | 2025-06-20T13:10:50Z | |
dc.date.issued | 2025 | |
dc.description.abstract | Ліщук С.Р. Система планування раціональних ресурсозберігаючих режимів експлуатації ТЕС – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 – Теплоенергетика. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ – 2025. Дисертаційна робота включає в себе 4 розділи, в яких відбувається розробка системи планування роботи енергоблоків ТЕС, з метою зменшення витрат палива і подовження ресурсних показників. Вступ включає таку інформацію як: представлення актуальності вибору теми дослідження, зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами, формування мети і завдань роботи, що допомагають при розкритті даної теми. Представлено об’єкт, предмет та методи дослідження. Також відображається наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, апробація результатів, публікації, структура та обсяг роботи. В першому розділі представлено літературний огляд джерел інших авторів, що працюють над схожою проблематикою. В даному розділі розглядається раціоналізація режимів роботи енергетичного обладнання, що включає в себе всі етапи, зокрема: виробництво, передачу та розподіл електроенергії. В результаті збільшення нерівномірності графіків навантаження та недостачею генеруючих потужностей, регулювання ОЕС є досить проблематичним. Спираючись на це виникає проблема гострого дефіциту маневрених потужностей в Україні, для розв’язання якої залучаються ТЕС, які працюють не в номінальному, а в змінних режимах роботи. Це призводить до погіршення робочих характеристик, зокрема підвищення витрат на відпуск електроенергії, прискорення зносу обладнання та зменшення залишкового ресурсу. Проводиться дослідження, впливу маневрених режимів роботи обладнання на економічну складову, приведено залежність між графіком навантаження та собівартістю електроенергії. Також досліджено основні процеси, що впливають на надійність обладнання, а саме циклічних змін температури, корозійного розтріскування та повзучості. Задля раціоналізації режимів роботи розглянуто велику кількість методів, зокрема метод Лагранжа, динамічне та стохастичне програмування, ієрархічні моделі прогнозованого керування, генетичні алгоритми та інші. В процесі роботи детально досліджується моделювання та чисельні методи аналізу процесів у турбообладнанні ТЕС, зокрема варто відмітити метод кінцевих елементів і функцію Гріна. Враховуючи це все для розв’язання основних проблем в енергетиці потрібно впроваджувати комплексний підхід, що включає в себе як технічно модернізацію так і покращення методів діагностики та експлуатації енергообладнання. Що в свою чергу дозволить не тільки подолати виклики, що зумовлені воєнним станом, а і в подальшому розвиватися, відповідаючи всім стандартам енергоефективності. В другому розділі досліджено головні особливості роботи енергоблока 200 МВт з турбіною К-200-130, що часто використовується в ОЕС України. Описано класифікацію пускових режимів теплових електростанцій (ТЕС), де основною є температура металу циліндра високого тиску (ЦВТ) перед пуском турбіни . Основними характеристиками, що досліджуються є втрати енергії та палива під час пуску. Визначення цих втрат є складним завданням, що потребує знаходження усіх складових енергетичних балансів. Розрахунки відбуваються у відповідності до різних методик, що спираються на галузеві стандарти та нормативні документи. Наведено математичні моделі процесів теплообміну в проточній частині турбоагрегата, що дозволяє проводити розрахунки як для стаціонарних так і змінних режимів роботи. Дані моделі дозволяють визначати температурні розподіли у турбіні в різні моменти часу, що є необхідним для оцінки напруженодеформованого стану конструктивних елементів. Представлено інформацію про процес накопичення малоциклової втоми металу ротора, що є одним з факторів його пошкоджень. Використано гіпотезу Пальмгрена-Майнера при розрахунку залишкового ресурсу ротора та допустимої кількості пусків. Приведені математичні тотожності для розрахунку залишкового напрацювання до моменту часу, коли утворюються тріщини, що враховують вплив режимів експлуатації обладнання. Наведено математичні моделі для дослідження теплового та напружено-деформованого стану ротора середнього тиску. Підтверджено, що робота при частих пусках та зупинках збільшує швидкість пошкодження обладнання. В третьому розділі проаналізовано пускові перевитрати палива енергоблоку 200 МВт в залежності від типу пуску. Встановлено, що при пуску з холодного стану (ХС) перевитрата умовного палива сягає 90,7 т.у.п., при пуску з неостиглого стану (НС) даний параметр дорівнює 77,2 т.у.п., а при пуск з гарячого стану (ГС) - 59,6 т.у.п. Враховуючи час навантаження турбіни було розраховано аналогічні показники згенерованої протягом пуску кількості електричної енергії. З метою планування раціональної стратегії експлуатації енергоблоків теплових електростанцій запропоновано математичну систему раціоналізації режимів експлуатації. Дана система спрямована на мінімізацію середньорічної питомої витрати умовного палива при роботі енергоблока в змінних режимах роботи. Режимними параметрами, що підлягали раціоналізації є річне напрацювання енергоблоку, кількість пусків з різних теплових станів та дольове співвідношення пусків з холодного, гарячого та неостиглого станів. Використовуючи запропоновані підходи було з’ясовано, що найменша перевитрата умовного палива досягається при терміні роботи енергоблоку 5500– 6500 год на рік, 20–32 пусках, із часткою пусків із холодного стану близько 70- 80 %. Даний режим експлуатації забезпечує на 20 % меншу перевитрату умовного палива в порівнянні з найменш раціональним режимом роботи. Додатково встановлено міру підвищення витрати палива при відхиленні режимних параметрів від встановлених раціональних значень. В четвертому розділі було розроблено геометричну модель найбільш навантаженої частини ротора середнього тиску (РСТ) парової турбіни К-200-130 та проведено дослідження його теплового та напружено-деформованого стану під час пускових режимів та на номінальному навантаженні. В процесі розрахунків був використаний метод скінченних елементів, а сама модель виконана в двовимірній постановці, з використанням нерівномірної розрахункової сітки, що ущільняється по наближенню до найбільш навантажених областей. За результатами дослідження теплового стану встановлено, що при роботі на номінальному навантаженні максимальна температура металу сягає 508 °C в області регулюючого ступеня, з плавним зниженням до 370 °C по ходу пари та з більш різким спадом у напрямку кінцевих ущільнень. Розрахунок інтенсивності напружень показав високі значення даного параметру в зоні осьового отвору під регулюючим ступенем (134 МПа). Додатково визначено, що термокомпенсійні канавки передніх кінцевих ущільнень та галтель регулюючого ступеня є найбільш напруженими під час пускових режимів з різних теплових станів. Зокрема, при пуску з ХС в першій області напруження – 439 МПа, з НС – 280 МПа, з ГС – 220 МПа, а в другій – 447 МПа, 367 МПа і 270 МПа відповідно. Найбільш різке зростання при всіх пускових режимах спостерігається в момент часу від поштовху турбіни до виходу на частоту холостого ходу. В подальшому було запропоновано математичну модель раціоналізації режимів роботи, яка має на меті управляти темпом накопичення пошкоджень за рахунок зменшення негативного впливу менш раціональних режимів на ресурс, і цим самим збільшуючи загальне можливе напрацювання обладнання. В якості режимних параметрів, як і в розділі 3 були значення річного напрацювання енергоблоку, кількості пусків з різних теплових станів та дольове співвідношення пусків з холодного, гарячого та неостиглого станів. Провівши розрахунки для енергоблока потужністю 200 МВт було встановлено, що найбільш раціональним режимом роботи є: річне напрацювання 6000–6500 год., кількість пусків протягом року 20–26, при цьому переважна частина пусків із ХС - 0,74–0,8. Різниця при роботі на даному режимі в порівняні з найменш раціональним режимом складає 80 тис. год. | |
dc.description.abstractother | Lishchuk S. R. System for planning rational resource-saving operating modes of thermal power plants - Qualification scientific work on the rights of a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in speciality 144 - Heat and Power Engineering - National Technical University of Ukraine ‘Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute’, Kyiv - 2025. The thesis consists of 4 chapters, in which the development of a system for planning the operation of TPP power units is carried out in order to reduce fuel consumption and extend resource indicators. The introduction includes such information as: presentation of the relevance of the research topic, the connection of the work with scientific programs, topics, plans, the formation of the goal and objectives of the work, which help in revealing this topic. The object, subject and methods of the research are presented. Also, the scientific novelty, practical significance of the results obtained, the personal contribution of the applicant, approbation of the results, publications, structure and scope of the work are reflected. The first section provides a literature review of sources from other authors working on similar issues. This section discusses the rationalisation of power equipment operation modes, which includes all stages, including electricity generation, transmission and distribution. As a result of the increasing unevenness of load schedules and the lack of generating capacities, the regulation of the IPS is quite problematic. This leads to an acute shortage of manoeuvrable capacities in Ukraine, which is solved by using TPPs that operate in variable modes rather than nominal ones. This leads to a deterioration in performance, including higher electricity supply costs, accelerated equipment wear and tear, and a reduction in residual life. The article studies the impact of manoeuvrable modes of equipment operation on the economic component, and shows the relationship between the load schedule and the cost of electricity. The main processes affecting the reliability of equipment, namely cyclic temperature changes, corrosion cracking and creep, are also investigated. To rationalise the operating modes, a large number of methods were considered, including the Lagrange method, dynamic and stochastic programming, hierarchical predictive control models, genetic algorithms, and others. In the course of the work, modelling and numerical methods for analysing processes in TPP turbine equipment are studied in detail, in particular, the finite element method and the Green's function. Taking all of this into account, an integrated approach that includes both technical modernisation and improvement of diagnostic methods and operation of power equipment is required to solve the main problems in the energy sector. This, in turn, will allow not only to overcome the challenges posed by martial law, but also to further develop in line with all energy efficiency standards. The second section examines the main features of the operation of a 200 MW power unit with a K-200-130 turbine, which is often used in the IPS of Ukraine. The article describes the classification of start-up modes of thermal power plants (TPPs), where the main one is the temperature of the metal of the high-pressure cylinder (HPC) before the turbine start-up. The main characteristics under study are energy and fuel losses during start-up. Determining these losses is a complex task that requires finding all components of the energy balances. The calculations are performed in accordance with various methods based on industry standards and regulations. Mathematical models of heat transfer processes in the turbine unit flow part are presented, which allows for calculations for both stationary and variable operating modes. These models make it possible to determine the temperature distributions in the turbine at different moments of time, which is necessary for assessing the stress-strain state of structural elements. Information is presented on the process of accumulation of low-cycle fatigue of rotor metal, which is one of the factors of its damage. The Palmgren-Meyner hypothesis is used to calculate the residual life of the rotor and the permissible number of starts. The mathematical identities for calculating the residual operating time up to the moment when cracks are formed, taking into account the influence of equipment operating modes, are presented. Mathematical models are presented to study the thermal and stress-strain state of a medium-pressure rotor. It is confirmed that operation with frequent starts and stops increases the rate of equipment damage. The third section analyses the start-up fuel overruns of a 200 MW power unit depending on the type of start-up. It was found that when starting from a cold state (CS), the overconsumption of conventional fuel reaches 90.7 toe, when starting from an uncooled state (UC), this parameter is 77.2 toe, and when starting from a hot state (HS), it is 59.6 toe. Taking into account the turbine loading time, similar indicators of the amount of electricity generated during start-up were calculated. In order to plan a rational strategy for the operation of thermal power units, a mathematical system for rationalising operating modes has been proposed. This system is aimed at minimising the average annual specific consumption of conventional fuel when a power unit operates in variable operating modes. The operating parameters to be rationalised are the annual operating time of the power unit, the number of starts from different thermal states, and the proportion of starts from cold, hot, and un-cooled states. Using the proposed approaches, it was found that the lowest fuel consumption is achieved when the power unit operates for 5500-6500 hours per year, with 20-32 starts, and with a share of starts from cold states of about 70-80 %. This operating mode ensures a 20 % reduction in the consumption of fuel equivalent compared to the least rational operating mode. Additionally, the degree of fuel consumption increase when the operating parameters deviate from the established rational values was determined. In Chapter 4, a geometric model of the most loaded part of the medium-pressure rotor (MPR) of the K-200-130 steam turbine was developed and its thermal and stressstrain state was studied during start-up and at rated load. In the course of calculations, the finite element method was used, and the model itself was performed in a two-dimensional formulation, using an uneven computational grid that is densified as it approaches the most loaded areas. The results of the thermal state study revealed that, when operating at rated load, the maximum metal temperature reaches 508 °C in the region of the control stage, with a smooth decrease to 370 °C along the steam path and a sharper drop in the direction of the end seals. The calculation of the stress intensity showed high values of this parameter in the area of the axial hole under the control stage (134 MPa). Additionally, it was determined that the thermal compensation grooves of the front end seals and the fillet of the control stage are the most stressed during starting modes from different thermal states. In particular, when starting from HC, the stress in the first region is 439 MPa, from NS - 280 MPa, from HS - 220 MPa, and in the second - 447 MPa, 367 MPa and 270 MPa, respectively. The sharpest increase in all starting modes is observed at the time from the turbine's start to the idle frequency. Subsequently, a mathematical system for rationalising operating modes was proposed, which aims to control the rate of damage accumulation by reducing the negative impact of less rational modes on the resource, and thereby increasing the total possible operating time of the equipment. As in Section 3, the operating parameters used were the annual operating time of the power unit, the number of starts from different thermal states, and the proportion of starts from cold, hot, and un-cooled states. The calculations for a 200 MW power unit showed that the most rational operating mode is the following: annual operating time of 6000-6500 hours, number of starts during the year of 20-26, with the majority of starts from CC - 0.74-0.8. The difference when operating in this mode compared to the least rational mode is 80 thousand hours. | |
dc.format.extent | 125 с. | |
dc.identifier.citation | Ліщук, С. Р. Система планування раціональних ресурсозберігаючих режимів експлуатації ТЕС : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Ліщук Сергій Русланович. – Київ, 2025. – 125 с. | |
dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/74360 | |
dc.language.iso | uk | |
dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
dc.publisher.place | Київ | |
dc.subject | теплова електростанція | |
dc.subject | режими роботи | |
dc.subject | пуск | |
dc.subject | енергоблок | |
dc.subject | котел | |
dc.subject | турбіна | |
dc.subject | математичне моделювання | |
dc.subject | витрата палива | |
dc.subject | тепловий стан | |
dc.subject | напружено-деформований стан | |
dc.subject | міцність | |
dc.subject | розрахунок на втому | |
dc.subject | довговічність | |
dc.subject | ресурс | |
dc.subject | раціоналізація | |
dc.subject | thermal power plant | |
dc.subject | operating modes | |
dc.subject | start-up | |
dc.subject | power unit | |
dc.subject | boiler | |
dc.subject | turbine | |
dc.subject | mathematical modeling | |
dc.subject | fuel consumption | |
dc.subject | thermal state | |
dc.subject | stress-strain state | |
dc.subject | strength | |
dc.subject | fatigue calculation | |
dc.subject | durability | |
dc.subject | resource | |
dc.subject | rationalization | |
dc.subject.udc | 621.311.22 | |
dc.title | Система планування раціональних ресурсозберігаючих режимів експлуатації ТЕС | |
dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: