Технология пуска паротурбинного энергоблока из холодного состояния: Анализ нормативных требований и конструктивных особенностей валоповоротного устройства

В современной теплоэнергетике надежность и маневренность энергоблоков определяются, прежде всего, строгостью соблюдения технологических регламентов при их пуске и останове. Пуск паротурбинного агрегата из холодного состояния представляет собой наиболее длительный и ответственный процесс, требующий непрерывного контроля за термическим состоянием металла. Ошибка на этом этапе или несоблюдение температурных градиентов может привести к необратимым повреждениям ротора и корпусов цилиндров, что влечет за собой многомиллионные убытки. Важно понимать: чем массивнее конструкция турбины, тем критичнее становятся требования к скорости прогрева.

Настоящая работа посвящена детальному анализу регламента пуска паротурбинного энергоблока из холодного состояния, основываясь на действующих нормативно-технических документах и инструкциях заводов-изготовителей. Особое внимание уделяется ключевому механизму обеспечения термической надежности — валоповоротному устройству (ВПУ), без которого безопасный пуск и длительный простой турбины невозможны.

Нормативно-правовая база и подготовительный этап пуска

Пуск турбинного агрегата — это не просто механический запуск, а сложная технологическая операция, которая начинается с четкого определения теплового состояния оборудования. От этого определения зависит вся дальнейшая стратегия пуска, выбор скорости набора параметров и продолжительность выдержек.

Определение «Холодного Состояния» согласно нормативным документам

Ключевым критерием, определяющим тепловое состояние турбоагрегата, является температура металла цилиндра высокого давления (ЦВД). В соответствии с Типовыми инструкциями по эксплуатации паровых турбин (например, ПРЭ-79), пуск считается производимым из «холодного состояния», если температура металла корпуса ЦВД в зоне регулирующей ступени составляет ниже 150 °С.

Эта пороговая температура выбрана неслучайно. При температурах ниже 150 °С термические напряжения, возникающие при подаче пара, являются максимальными, поскольку разница между температурой металла и температурой подаваемого пара наиболее велика. Следовательно, пуск должен быть максимально осторожным и растянутым во времени для обеспечения равномерного прогрева, что напрямую влияет на срок службы оборудования, исключая развитие термической усталости металла.

Пуск из холодного состояния обычно производится после простоя, превышающего 70–90 часов, когда происходит естественное остывание массивных элементов конструкции турбины. Именно поэтому холодный пуск является наиболее длительным: общий активный пусковой период, например, для турбин типа К-300-240, может составлять около 5 часов 55 минут.

Подготовительные мероприятия и условия разрешения пуска

Подготовительный этап — это фундамент, обеспечивающий безопасность и надежность всего последующего процесса. Он включает комплексные проверки, подтверждающие готовность всех вспомогательных систем и защит.

Ключевые подготовительные мероприятия включают:

1. Проверка систем смазки и маслоснабжения: Убедиться в наличии достаточного уровня масла в баке, исправности маслонасосов (пускового и вспомогательного), а также в нормальном давлении масла в системе (обычно 0,10–0,15 МПа) и температуре (38–42 °С).
2. Проверка систем защиты и регулирования: Взвод автомата безопасности, проверка работы стопорных и регулирующих клапанов на плотность и ход, а также проверка функционирования всех технологических защит и блокировок.
3. Использование Валоповоротного Устройства (ВПУ): Категорически запрещается пуск турбины, если валоповоротное устройство неисправно или отключено. ВПУ должно быть включено и обеспечивать непрерывное вращение ротора в течение всего периода простоя и подготовительного этапа для предотвращения его прогиба.

Процедура пуска, согласно нормативным требованиям, должна производиться со скоростью, максимально возможной по условиям надежности, то есть с максимальным соблюдением допустимых норм термических напряжений. В конечном счете, надежность здесь важнее скорости, поскольку устранение последствий аварии всегда дороже экономии нескольких часов времени.

Валоповоротное устройство (ВПУ): Конструкция, Назначение и Роль в Пусковых Режимах

Если пуск из холодного состояния — это регламент, то валоповоротное устройство (ВПУ) — это страховой полис, гарантирующий, что регламент будет выполняться на исправном оборудовании.

Назначение и принцип действия

Валоповоротное устройство (ВПУ) — это тихоходный вспомогательный механизм, который приводится в действие при полном останове турбины и остается в работе до момента, когда ротор начинает вращаться от подачи пара.

Основное и критически важное назначение ВПУ — предотвращение теплового искривления (прогиба) ротора.

Прогиб возникает из-за неравномерного распределения температур по окружности ротора в режиме длительного простоя. Когда турбина останавливается, нижняя часть цилиндров и ротора остывает медленнее из-за скопления там горячего воздуха и пара, а верхняя часть быстрее отдает тепло в окружающую среду. Разница температур между верхом и низом ротора (градиент) вызывает неравномерное тепловое расширение, приводящее к его прогибу под действием собственного веса. ВПУ обеспечивает медленное, но непрерывное вращение ротора (например, с частотой 3,4 об/мин для турбины К-300-240, что укладывается в нормативный диапазон 3,2–4,0 оборота в минуту).

Это вращение гарантирует равномерное распределение температуры и, как следствие, равномерное тепловое расширение, предотвращая опасный прогиб. Если прогиб превысит критический допуск, при попытке быстрого разгона турбины произойдет задевание лопаток о корпус, что неминуемо приведет к аварии.

Классификация и конструктивные особенности

Конструктивно ВПУ могут быть классифицированы по типу привода:

1. Электроприводные (Электромеханические) ВПУ: Наиболее распространенный тип. Они состоят из электродвигателя, который через двухступенчатый редуктор передает крутящий момент на вал турбины. Ключевым элементом здесь является обгонная муфта. Она необходима для автоматического расцепления ВПУ и ротора, когда частота вращения ротора, вызванная подачей пара, превысит скорость ВПУ. Обгонная муфта исключает механическое повреждение двигателя и редуктора ВПУ при разгоне турбины.
2. Гидромеханические ВПУ: Используют гидравлический привод. Состоят из гидравлического агрегата (насоса высокого давления) и гидромотора, который через шестерню входит в зацепление с зубчатым колесом, расположенным на валу турбины (чаще всего на задней подшипниковой опоре). Зацепление и расцепление также могут быть реализованы через обгонную муфту или, в более старых конструкциях, через винтовую шпонку, которая автоматически выводит шестерню из зацепления при увеличении скорости вращения.

Характеристика	Электромеханическое ВПУ	Гидромеханическое ВПУ
Привод	Электродвигатель + Редуктор	Гидромотор + Масляный насос
Режим вращения	Постоянный, низкоскоростной	Постоянный, низкоскоростной
Механизм расцепления	Обгонная муфта	Обгонная муфта / Винтовая шпонка
Основное преимущество	Простота обслуживания, надежность	Высокий пусковой момент (в некоторых модификациях)

Пошаговый Технологический Алгоритм Пуска из Холодного Состояния

Технологическая последовательность пуска турбоагрегата, разработанная заводом-изготовителем и адаптированная в местных инструкциях электростанции, является жестким алгоритмом, требующим строгой выдержки временных и температурных режимов. А не является ли такой жесткий регламент избыточным для современных высокоманевренных блоков?

Создание вакуума и подготовка паропроводов

Перед началом подачи пара необходимо создать необходимые термодинамические условия в конденсаторе и подготовить паропроводы, чтобы исключить гидроудары и термические шоки.

1. Набор вакуума в конденсаторе: Вакуум необходим для обеспечения эффективного расширения пара и предотвращения чрезмерного противодавления на выходе из турбины, что критически важно для разгона. Минимально допустимый вакуум перед толчком ротора не должен быть ниже 500 мм рт. ст. (около 66,7 кПа). Максимальное давление пара в конденсаторе не должно превышать 60 кПа. Процесс набора вакуума осуществляется с помощью пусковых и рабочих эжекторов.
2. Прогрев главных паропроводов: Во избежание попадания холодного или влажного пара в горячие цилиндры турбины, паропроводы должны быть прогреты до температуры пара перед стопорным клапаном (СК) 220–230 °С. Прогрев осуществляется медленно с помощью дренажей.

Толчок ротора, набор оборотов и выдержка на холостом ходу

После выполнения всех подготовительных мероприятий и контроля критических параметров (ОРР, вибрация, температура масла), диспетчер дает разрешение на толчок ротора.

1. Толчок ротора:

• Впрыском пара через регулирующие клапаны ротор выводится из состояния покоя. В этот момент ВПУ автоматически отключается, так как частота вращения ротора превышает его тихоходную скорость.
• Начальный разгон производится на минимально возможном расходе пара, чтобы избежать чрезмерного термического напряжения.

2. Набор номинальной частоты и критическая выдержка:

• Ротор постепенно выводится на полную номинальную частоту вращения — 3000 об/мин.
• Ключевым этапом холодного пуска является выдержка турбины на холостом ходу. Эта выдержка необходима для выравнивания температурного поля в цилиндрах высокого и среднего давления (ЦВД и ЦСД).
• Согласно регламенту, выдержка на холостом ходу должна составлять не менее 30 минут. Цель: добиться прогрева нижней половины ЦВД в зоне регулирующей ступени до температуры 210–220 °С. Эта температура гарантирует, что при последующем наборе нагрузки не возникнут недопустимые разности температур между верхом и низом корпуса.

3. Набор нагрузки и синхронизация:

• После успешного завершения выдержки и подтверждения стабильности всех параметров, генератор синхронизируется с сетью.
• Производится набор начальной нагрузки (например, 10 МВт), после чего следует еще одна технологическая выдержка для дальнейшего прогрева нижней половины ЦВД до 330–360 °С, что обеспечивает плавный переход к номинальным параметрам.

Контроль Критических Параметров и Автоматизированная Защита

Безопасность пуска обеспечивается непрерывным мониторингом ключевых физических процессов, происходящих в металле турбины. Основными объектами контроля являются тепловые расширения, вибрация и температурные градиенты.

Контроль термических расширений и температурных разностей

В процессе пуска турбины измеряются и контролируются следующие критические параметры:

1. Относительное Расширение Ротора (ОРР): Это разность между тепловым расширением ротора и корпуса цилиндра. Если ротор расширяется быстрее корпуса (положительное ОРР), существует риск задевания рабочих лопаток о корпус. Если корпус расширяется быстрее (отрицательное ОРР), риск задевания возникает в торцевых уплотнениях. ОРР является ключевым параметром надежности. Для ротора ЦВД турбины К-300-240-2 допустимые пределы ОРР составляют:
   • Удлинение (положительное расширение): +5,0 мм.
   • Укорочение (отрицательное расширение): -2,0 мм.

   Превышение этих лимитов требует немедленного снижения скорости разгона или прекращения пуска.

2. Разность температур металла: Чрезмерная разность температур между массивными элементами турбины приводит к критическим термическим напряжениям.
   • Разность температур между верхом и низом корпуса ЦВД: строго регламентируется и является основным фактором, определяющим скорость пуска.
   • Разность температур фланцев и средней температуры верха/низа ЦВД: не должна превышать 15 °С.
   • Температура фланцев должна быть равной или выше температуры шпилек, при этом разница не должна превышать 20 °С. Для контроля этих разностей используется система обогрева фланцев и шпилек.

Защитные блокировки и автоматическое управление ВПУ

Работа валоповоротного устройства интегрирована в общую систему автоматики и защит турбоагрегата, обеспечивая автоматическое управление режимами:

1. Условия включения ВПУ: Включение ВПУ разрешается только при соблюдении двух основных условий:
   • Нулевые обороты ротора: Для конструкций, где шестерня входит в зацепление с валом, это критически важно. Включение ВПУ на вращающемся роторе приведет к разрушению зубьев.
   • Исправность системы маслоснабжения: Работа ВПУ требует смазки подшипников турбины, поэтому наличие давления масла в системе смазки является обязательным условием.
2. Автоматическое отключение ВПУ: Когда турбина начинает разгоняться за счет подачи пара, ВПУ должно быть выведено из работы. В современных энергоблоках это происходит автоматически, как только ротор достигает определенной частоты вращения. Критический параметр отключения ВПУ обычно составляет около 300 оборотов в минуту (что соответствует 10% от номинальной скорости). При этой скорости обгонная муфта или механизм расцепления выводит ведущую шестерню из зацепления.
3. Блокировка пуска: Как отмечалось ранее, если ВПУ неисправно или не включено, система автоматики блокирует подачу пара и не разрешает толчок ротора.

Заключение и Выводы

Пуск паротурбинного энергоблока из холодного состояния является сложной, многоступенчатой технологической операцией, которая полностью регламентирована нормативными документами и инструкциями заводов-изготовителей. Вся эта сложность и строгость направлена на минимизацию термических напряжений, которые являются главной угрозой долговечности металла массивных роторов и корпусов.

Ключевые выводы:

• Определение состояния: Холодное состояние определяется строго по температуре металла ЦВД (ниже 150 °С), что обусловливает медленный и осторожный режим разгона.
• Критическая роль ВПУ: Валоповоротное устройство (ВПУ) является неотъемлемым элементом термической надежности. Оно предотвращает прогиб ротора за счет его медленного вращения (в диапазоне 3,2–4,0 об/мин), обеспечивая равномерное остывание или прогрев.
• Регламентированные выдержки: Надежность пуска достигается не скоростью, а соблюдением выдержек, особенно критической 30-минутной выдержки на холостом ходу (3000 об/мин) до достижения температуры низа ЦВД 210–220 °С.
• Жесткий контроль параметров: Безопасность гарантируется непрерывным контролем относительного расширения ротора (ОРР), где допуски составляют +5,0 мм на удлинение и -2,0 мм на укорочение, а также разности температур фланцев (не более 15 °С). ВПУ автоматически отключается при 300 об/мин.

Таким образом, успешный и безопасный холодный пуск энергоблока требует от эксплуатационного персонала не только глубоких знаний конструкции, но и неукоснительного соблюдения всех числовых, временных и температурных параметров, заложенных в нормативной базе.

Список использованной литературы

1. Повышение маневренности и надежности паросиловых энергоблоков ТЭС // Теплоэнергетика. 2021. № 6. С. 77–86.
2. Рыжкин В.Я. Тепловые электростанции: учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1987. 448 с.
3. Трухний А.Д., Ломакин Б.В. Теплофикационные паровые турбины и турбоустановки: учебное пособие для вузов. М.: Изд-во МЭИ, 2002. 540 с.
4. Паровые турбины: учебное пособие: в 2 т. Т. 1 / А.В. Моторин [и др.]. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2004. 127 с.
5. СО 153-34.20.501-2003. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации.
6. СО 153-34.25.513. Типовая инструкция по пуску из различных тепловых состояний останову моноблока мощностью 110 МВт с турбиной Т-110/120-130.
7. Совершенствование режимов останова блока с турбиной К-500-240-2 / Потапов А.П. [Электронный ресурс] // Studfile.net. URL: (дата обращения: 30.10.2025).
8. Стельмак Е.М., Бежелев В.Р. Валоповоротное устройство турбины. Turbine Turning Device // bntu.by. URL: (дата обращения: 30.10.2025).
9. Пуск паровой турбины из холодного состояния [Электронный ресурс] // ccpowerplant.ru. URL: (дата обращения: 30.10.2025).
10. Валоповоротное устройство турбины [Электронный ресурс] // Проектирование тепловых электростанций. ccpowerplant.ru. URL: (дата обращения: 30.10.2025).
11. Основные узлы и конструкция паровой турбины [Электронный ресурс] // infourok.ru. URL: (дата обращения: 30.10.2025).
12. Эксплуатация паровых турбин [Электронный ресурс] // Энергетика. ТЭС и АЭС. tesiaes.ru. URL: (дата обращения: 30.10.2025).
13. Типовая инструкция по пуску из различных тепловых состояний и останову дубль-блока мощностью 300 МВт [Электронный ресурс] // Docs.cntd.ru. URL: (дата обращения: 30.10.2025).
14. Пуск турбины [Электронный ресурс] // Уралэнергомаш. uralenergomash.ru. URL: (дата обращения: 30.10.2025).