There is a newer version of the record available.

Published April 24, 2019 | Version v3
Journal article Open

Совершенствование теплообменных систем турбогенераторов с целью повышения их эффективности

Creators

  • 1. ЧНПФ "Анкор-Теплоэнерго", Харьков, Украина
  • 2. НТУ "ХПИ", Харьков, Украина

Description

На русском: [Минко А.Н., Шевченко В.В. Совершенствование теплообменных систем турбогенераторов с целью повышения их эффективности // Проблемы региональной энергетики (ISSN 1857-0070), №1(39). - Республика Молдова, Кишинев: Институт энергетики, 2019. - С. 80-89. https://doi.org/10.5281/zenodo.2650425 или https://doi.org/10.5281/zenodo.3355134]

Целью настоящей работы является определение параметров, характеризующих эффективность работы теплообменника турбогенератора, и разработка рекомендаций по ее повышению за счет совершенствования конструкции и внутренней компоновки теплообменника при разных режимах эксплуатации, диапазонах изменения электромагнитных нагрузок при разных видах охлаждающей среды (воздух, водород, вода). В работе использованы результаты исследований теплового состояния турбогенераторов зарубежных и отечественных авторов, где отмечено, что мировой экономический кризис усложнил возможность своевременной замены турбогенераторов, отработавших срок эксплуатации, поэтому наиболее часто применяется частичная замена и/или модернизация. При этом на всех электромашиностроительных заводах мира задачу повышения мощности турбогенераторов решают без изменения их габаритов, что возможно только при совершенствовании систем охлаждения. Поэтому наши исследования выполнялись с условием сохранения наружных габаритов теплообменника и узла его соединения с турбогенератором. Были рассмотрены конструкции газоохладителей с разным числом секций и ходов движения охлаждающей среды (газа или воды), с различным расположением теплоотводящих элементов. Все расчеты выполнялись на базе турбогенераторов ТГВ 200-550 и ТА 35-120. Были предложены режимные и геометрические коэффициенты, которые позволяют учитывать вид охлаждающей среды и ее теплофизические показатели, диапазон изменения температуры и расход теплоносителя, давление на входе в охладитель, число ходов газа внутри теплообменника, площадь теплообменной поверхности трубок охладителя и вид их оребрения. Получены значения тепловых напряжений в корпусе теплообменников в зависимости от геометрии трубок охладителя и площади их поверхности на рабочем интервале температур. В результате исследований была достигнута поставленная в работе цель: получены режимные коэффициенты, которые могут служить критерием эффективности отвода тепла в теплообменнике при разных электромагнитных нагрузках турбогенераторов, при разных рабочих температурах и видах охлаждающей среды.

Ключевые слова: турбогенератор, теплообменная система, эффективность теплообменника, режимный параметр, электромагнитные нагрузки, оптимальная компоновка.

Архив журнала "Проблемы региональной энергетики" с 2005 года по настоящее время

Индексация журнала на Web of Science

Сообщество журнала "Проблемы региональной энергетики" на zenodo

Эта публикация от имени журнала "Проблемы региональной энергетики" на zenodo

Эта публикация на сайте Института энергетики

 

In English: [Minko A.N., Shevchenko Valentina.V. (2019) Improving Heat Exchange Systems of Turbogenerators in Order to Increase Their Efficiency (rus.) / Problems of regional energetics (ISSN 1857-0070), 1(39), pp. 80-89. https://doi.org/10.5281/zenodo.2650425 or https://doi.org/10.5281/zenodo.3355134]

The goal of this work is to define parameters that characterize turbogenerator heat exchanger efficiency and to develop recommendations for its increase by improving the heat exchanger design in different modes and ranges of electromagnetic loads for different cooling medium types (air, hydrogen, water). The paper uses the results of studies of the thermal state of turbogenerators of foreign and domestic authors, where it is noted that the global economic crisis has complicated the possibility of timely replacement of turbine generators that have expired, therefore partial replacement and/or modernization is most often used. At the same time, in all the electrical engineering plants of the world, the task of increasing the power of turbogenerators is solved without changing their dimensions, which is possible only with the improvement of cooling systems. Therefore, the outer dimensions of the heat exchanger and its connection node to the turbogenerator were preserved in our studies. Gas coolers with different sections and moves number of cooling medium and heat-removing elements arrangement were reviewed. Data of TGV-200-550, TA-35-120 turbogenerators were used in calculations. The regime coefficients, that allow to consider the type of cooling medium, thermophysical parameters, temperature changes, coolant rate, inlet cooler pressure, number of gas strokes inside the heat exchanger, cooler tubes’ heat exchange surface area and finning type were introduced. The heat exchanger thermal stresses were determined depending on the cooler tubes’ geometry and heat exchange surface area in the working temperature range.

Keywords: turbogenerator, cooling system, heat exchanger efficiency, mode parameter, electromagnetic loads, optimal layout.

 

Romanian: [Minko A.N. Shevchenko, V.V. (2019) Îmbunătățirea sistemelor de schimb de căldură ale turbogeneratoarelor în scopul creșterii eficienței acestora (rusă) / Problemele energeticii regionale (ISSN 1857-0070), 1(39), 80–89. http://doi.org/10.5281/zenodo.2650425 sau https://doi.org/10.5281/zenodo.3355134]

Scopul acestei lucrări este de a determina parametrii care caracterizează eficiența schimbătorului de căldură al turbogeneratorului și de a elabora recomandări pentru îmbunătățirea acestuia prin îmbunătățirea designului și a dispunerii interne a schimbătorului de căldură în diferite condiții de funcționare, banda de schimbare a sarcinilor electromagnetice pentru diferite tipuri de medii de răcire (aer, hidrogen, apă). Lucrarea folosește rezultatele studiilor privind starea termică a de turbogeneratoarelor obținute de cercetătorii din străinătate, precum și de cercetătorii din țară. Se menționează, că criza economică mondială a condus la dificuștăți privind înlocuirea în timp util a turbogeneratoarelor la care a expirat timpul de exploatare, de aceea, cel mai frecvent se utilizează opțiunea de înlocuirea parțială și / sau modernizare. În același timp, la toate întreprinderile constructoare de mașini electrice din lume, problema de majorare a puterii de generare turbogeneratoarelor este rezolvată fără a schimba dimensiunile lor, ceea ce este posibil numai prin îmbunătățirea sistemelor de răcire. Urmare a acestei tendințe, studiile noastre au fost realizate cu condiția conservării dimensiunilor exterioare ale schimbătorului de căldură și a conexiunii sale cu turbogeneratorul. Au fost luate în considerare modelele de răcitoare de gaz cu un număr diferit de secțiuni și direcții de  curgere ale mediului de răcire (gaz sau apă), cu un aranjament diferit ale elementelor de cedare a căldurii. S-au propus coeficienți de regim și geometrici care permit luarea în considerare tipul mediului de răcire și parametrii lui termofizici, intervalul de variație a temperaturii și debitul de lichid de răcire, presiunea de admisie la răcitor, etc.

Cuvinte-cheie: turbogenerator, sistem de schimb de căldură, eficiență schimbătorului de căldură, parametru de funcționare, sarcini electromagnetice, amplasament optim.

Files

2019_Minko,Shevchenko_Moldova_WoS.pdf

Files (1.2 MB)

Name Size Download all
md5:b02463857e21ec9a7d29dabc961c909c
1.2 MB Preview Download

Additional details

References

  • Kumenko A.I., Kostyukov V.N., Kuz'minykh N.Yu., et al. Development of elements of the condition monitoring system of turbogenerators of thermal power stations and nuclear power plants. Thermal Engineering. 2017, volume 64, issue 8, pp. 559—567.
  • Sedlazeck K., Richter C., Strack S., et al. Type testing a 2000 MW turbogenerator. Electric Machines and Drives Conference, 2009. Miami, Fl, USA, pp. 465—470. https://doi.org/10.1109/IEMDC.2009.5075247.
  • Vasyaev A.V., Golovko V.F., Dmitrieva I.V., et al. Substantiation of the parameters and layout solutions for an energy conversion unit with a gas-turbine cycle in a nuclear power plant with HTGR. Atomic Energy, 2005, no. 98(1), pp. 21— 31. https://doi.org/10.1007/s10512—005—0164—z
  • Khripach N. A., Lezhnev L.Y., Tatarnikov A.P., et al. Turbogenerators in energy recovery systems. International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET), vol. 9, issue 6, June 2018, pp. 1009—1018.
  • Шевченко В.В., Минко А.Н. Развитие систем охлаждения и оптимизация конструкций турбогенераторов: монография (ISBN 978-617-7033-20-1). - Харьков: Изд. Иванченко И.С., 2013. - 242 с. https://doi.org/10.5281/zenodo.2550832
  • Shevchenko Valentina V. Proposals for improving the technical state of turbogenerators in excess of the service life. Modern Electrical and Energy Systems (MEES—2017 IEEE). 2017, p.p. 156—159. https://doi.org/10.1109/MEES.2017.8248876
  • Sedlazeck K., Adelmann W., et al. Influence of Customers' Specifications upon Design Features of the EPR Turbogenerator. CIGRE Report 11- 106, 2002 Session. Waste Heat Recovery System (WHRS) for Reduction of Fuel Consumption. — MAN Diesel & Turbo (MAN Group), 32 p.
  • Anikina I.D., Sergeyev V.V., Amosov N.T., et al. Use of heat pumps in turbogenerator hydrogen cooling systems at thermal power plant // International Journal of Hydrogen Energy. — 2017, volume 42, Issue 1, pp. 636—642. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.04.256
  • Pham H.S. Mapping of the thermodynamic performance of the supercritical CO2 cycle and optimisation for a small modular reactor and a sodium-cooled fast reactor. Energy, 2015, no. 87, pp. 412—424.
  • Toshio Kitajima, Hiromichi Ito, Susumu Nagano, Yukihiko Kazao. The World's Largest Capacity Turbine Generators with Indirect Hydrogen- Cooling Toshiba Corporation (Japan). Paris: Session 2004, A1—106, pp.1—8.
  • Milman O.O., Shifrin B.A., Perov V.B, et al. The working medium for the megawatt class utilization heat and power complex based on Organic Rankine Cycle. IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. 2018, series 1105, pp. 1—11.
  • Carl-Ernst S., Jürgen Baer, Hans Zimmermann, et al. New air-cooled turbogenerator in the 300- MVA class. ABB Power Generation ABB Review, 1/1996, pp. 20—28.
  • Ledukhovsky G.V., Barochkin Yu.E., Zhukov V.P., et al. Water Deaeration in Water- Cooling Systems of the Stator Winding in a turbogenerator with Hydrogen-Water Cooling. Thermal Engineering. 2018, vol. 65, Issue 10, pp. 751—755.
  • Kenichi Hattori, Kazumasa Ide, Fumihiko Goto, et al. Sophisticated Design of Turbine Generator with Inner Cooler Ventilation System. Hitachi Review. 2002, vol. 51, no. 5, pp. 148—152.
  • Miction M. Switched Reluctance Turbogenerator for Exhaust Gas Energy Recovery. // Proc. IEEE Power Electron. Motion Control Conf. Portoroz, Slovenia, 2006, pp. 1801—1807.
  • Nozhnitsky Y.A., Kuevda V.K. Prevention of a dangerous failure of a gas turbine engine due to fracture, disconnection or displacement of the shafts. An Engineering Journal, Proc. of the Scientific and Technical Congress of Engine-building. Moscow, 2018, pp. 267—276.
  • Nozhnitsky Y.A., Servetnik A.N. Prevention of Hazardous Failure of the Turbine Rotor Due to Its Overspeed. IOP Publishing Ltd IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018, vol. 449, Conf. 1, pp. 1—10. https://doi.org/10.1088/1757—899X/449/1/012025
  • Servetnik A.N. Load-carrying capability simulation of aviation gas turbine engine disc Handbook /An Engineering Journal, 2012, Vol. 187, № 10, pp.44—49.
  • Tartaglione Vincenzo. Tests on a 500 MVA Hydrogen Cooled Turbogenerator in Single Shaft Configuration. Ansaldo Energia (Italy) CIGRE– 2006. — Paper A1 — 103.
  • Joho R., Baumgartner J., Stephan C. Type-tested Air-cooled Turbogenerator in the 500 MVA Range. CIGRE Session. — 2000, pp. 11—101.
  • Miction M. Modeling and Testing of a Turbogenerator System for Exhaust Gas Energy Recovery. // Proc. Vehicle Power Electron and Propulsion Conf., Arlington. USA, 2007, pp. 544—550.
  • Zuomin Wang, Jiade Han. Numerical simulation of air flow distribution in large air-cooled turbogenerator rotor at different rotation speed and inlet pressure. 17th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). 2014, pp. 2352 — 2355. https://doi.org/10.1109/ICEMS.2014.7013898.
  • Kitajima, T., Ito H., Nagano S., et al. The World's Largest Capacity Turbine Generators with Indirect Hydrogen-Cooling. CIGRE 40th Meeting in Paris, 2004.
  • Lindh Pia M., Petrov I., Scott Semken R., et al. Direct Liquid Cooling in Low-Power Electrical Machines. Proof-of-Concept Energy Conversion IEEE. 2016, vol. 31, no. 4, pp. 1257—1266. https://doi.org/10.1109/TEC.2016.2597059
  • Gray R., Montgomery L., Nelson J., et al, Designing the cooling systems for the world's most powerful turbogenerator. EEE Power Engineering Society General Meeting, Olkiluoto unit 3. 18—22 June 2006, Montreal, Que., Canada. https://doi.org/10.1109/PES.2006.1708951
  • Minko A.N., Shevchenko V.V., Gordienko V.U. Rezul'taty ispytaniy teploobmennogo ustroystva s uluchshennymi ekspluatatsionnymi kharakteristikami dlya turbogeneratorov s vozdushnoy sistemoy okhlazhdeniya [Test results of heat exchangers with improved performance characteristics for turbine generators with an air cooling system] / Visnyk NTU«KHPI». Seriya: Enerhetychni ta teplotekhnichni protsesy y ustatkuvannya. – Kharkov, 2013, №14(988), pp. 102—107. (In Russian). https://doi.org/10.5281/zenodo.2545473

This site uses cookies. Find out more on how we use cookies