Лекція №16 Ковзний початковий тиск пари як метод регулювання навантаження блоків

Зважаючи на велику нерівномірність добових графіків електричного навантаження сучасні енергетичні блоки значну частину року працюють на часткових навантаженнях. Тому актуальним є питання підвищення їх економічності в широкому діапазоні навантажень.

При часткових навантаженнях економічність блоків істотно знижується в основному через зменшення абсолютного електричного ККД турбінної установки. ККД котлоагрегатів у всьому регулювальному діапазоні навантажень міняється незначно (в межах 1%) і мало позначається на економічності блоку.

Причинами зниження ККД турбоустановки при часткових навантаженнях є: зростання втрат на дроселювання пари в прикритих регулюючих клапанах турбіни; зниження регулюючого ступеня ЧВТ і останніх ступенів турбіни, що працюють в нерозрахункових умовах; зниження ефективності регенерації за рахунок зменшення температури живильної води і відносне збільшення витрати енергії на власні потреби.

З міна питомої витрати палива залежно від навантаження, за даними випробувань блоків 300 МВт з котлами ТГМП-314, приведена на рис.54 Як видно, особливо сильне зниження економічності блоків спостерігається при навантаженнях менше 70% номінального.

Основним способом підвищення економічності блоків при малих навантаженнях є застосування ковзного початкового тиску (КПТ) як методу регулювання потужності. Цей метод заснований на пропорційній залежності витрати пари через турбіну з відкритими клапанами від початкового тиску пари. Як можливий спосіб регулювання навантаження КПТ було запропоновано в 30-і роки ХХ ст. В.Д.Кірпічніковим.

Для блоків без проміжного перегріву пари зниження початкового тиску при незмінній температурі зміщує на i — S-діаграмі процес розширення в турбіні вправо і може призвести до збільшення кінцевої ентальпії пари і, значить, втрати з охолоджуючою водою. Для блоків з промперегрівом початкова точка процесу розширення пари в ЦСТ фіксується параметрами проміжного перегріву, тому стан пари в конденсаторі не залежить від програми і способу регулювання навантаження блоку. У зв'язку з цим КПТ більш ефективне для установок з проміжним перегрівом. Як відомо, ТЕС з установками з проміжним перегрівом пари мають блокову компоновку, що також сприятливе з погляду застосування ковзного початкового тиску. Для неблокових станцій, коли котлоагрегати працюють на загальну магістраль, КПТ може застосовуватися як у випадку виділення окремих блоків турбіна—генератор, так і в цілому для всієї станції. В останньому випадку з'являється можливість відключення частини живильних помп і істотного зниження витрати енергії на власні потреби.

Підвищення економічності роботи паротурбінних установок при КПТ відбувається за рахунок збільшення внутрішнього відносного ККД ЦВТ турбіни, обумовленого виключенням втрат на дроселювання в регулюючих клапанах і пов'язаного з цим зниження початкової температури пари, а також збереженням незмінним ККД регулюючого ступеня. Крім того, при КПТ пари досягається зменшення витрат потужності на привід живильної помпи внаслідок зниження необхідного напору .

Електричний ККД турбоустановки з врахуванням затрат енергії на власні потреби може бути представлений в наступному вигляді:

, (8)

де —термічний ККД ідеального циклу без регенерації; —ККД дроселювання; —коефіцієнт, що враховує вплив регенеративного підігріву живильної води на збільшення ; —коефіцієнт витрати енергії на власні потреби блоку.

Термічний ККД циклу з промперегрівом:

, (9)

де , —ізоентропні перепади тепла відповідно для ЧВТ і ЧСТ+ЧНТ турбіни; -ентальпія пари після промперегріву ; —ентальпій конденсату в конденсаторі.

Процес розширення пари в ідеальній турбіні з промперегрівом, в якій відсутні втрати на дроселювання у відкритих клапанах, при постійному і ковзному початковому тиску пари приведений на рис.55. Як видно, для порівнюваних способів регулювання навантаження блоку величини і залишаються постійними, і характер зміни термічного ККД циклу визначається величиною . При постійному тиску на часткових навантаженнях збільшується, а при КПТ залишається приблизно постійним, оскільки в останньому випадку відношення тиску на ЦВТ турбіни практично незмінне. Тому термічний ККД у разі застосування КПТ пари знижується, як це показано на рис.56. Проте при КПТ пари виключаються втрати на дроселювання пари ( =1), що сприяє збільшенню економічності блоку.

Тому застосування КПТ найбільш вигідне для турбін з дросельним паророзподілом, у яких втрати на дроселювання при часткових навантаженнях найбільші, причому для турбін з дросельним паророзподілом наявний перепад тепла на ЧВТ дещо більший, ніж теплоперепад при постійному тиску з урахуванням дроселювання пари в клапанах , оскільки при дроселюванні (на рис.55 показано пунктиром) знижується температура пари перед соплами першого ступеня турбіни.

Не дивлячись на те що для турбін з сопловим паророзподілом на часткових навантаженнях наявний перепад тепла на ЧВТ більше при постійному тиску пари, одночасно відбувається істотне зниження внутрішнього відносного ККД регулюючого ступеня, який в цьому випадку працює із зниженими значеннями . В той же час при КПТ ККД регулюючого ступеню залишається практично незмінним. Тому і для турбін з сопловим паророзподілом на часткових навантаженнях внутрішня робота пари в ЧВТ може виявитися більшою при ковзному тиску.

При застосуванні КПТ пари є можливість істотного зниження витрат потужності на привід живильної помпи, що може значно зменшити коефіцієнт власних потреб блоку. Більш повно ця можливість реалізується для блоків з турбінним приводом живильної помпи, коли забезпечується якісне і економічне регулювання напору помпи за рахунок зміни швидкості обертання привідної турбіни. В цьому випадку зменшення потужності на привід живильної помпи буде пропорційним зниженню напору помпи. Тому потрібна потужність привідної турбіни при КПТ пари може бути знайдена з виразу:

, (10)

де , —потужність привідної турбіни при постійному і ковзному тиску пари: Н, —напір і ККД помпи. Показник «кв» відноситься до ковзних параметрів пари, «п»—до постійних.

Для забезпечення максимального ефекту від застосування КПТ пари привідна турбіна повинна забезпечувати необхідне зниження швидкості обертання при збереженні вібраційної надійності апарату лопатки, що може бути перевірене розрахунково-експериментальним шляхом. Зокрема, дослідження характеристик міцності і вібраційних характеристик турбопривода живильної помпи блоку 300 МВт типа ОР-12П КТЗ, проведені на Лукомльській ТЕС, показали достатньо надійну роботу привідної турбіни в діапазоні швидкості обертання від 6000 до 3500 об/хв. Це достатньо для ефективного застосування КПТ пари при зниженні навантаження блоку до 40% номінального.

С лід зазначити, що з врахуванням застосування КПТ пари необхідний інший підхід до проектування і вибору розрахункових характеристик привідних турбін. Звичайно їх наявна потужність при номінальному навантаженні блоку приймається із значним запасом, щоб забезпечити необхідне розвантаження блоку до технічного мінімуму при постійному тиску свіжої пари. Такий запас по потужності потрібний тому, що при постійному початковому тиску і зниженні навантаження турбіни наявна (при повністю відкритому клапані на вході) потужність привідної турбіни Gh₀ зменшується швидше, ніж потужність, що споживаєтя помпою. При застосуванні КПТ пари, навпаки, потрібна потужність помпи зменшується швидше наявної потужності турбопривода (рис.57). Тому запас потужності привідної турбіни при номінальному навантаженні блоку слід зменшити, що дозволить понизити втрати на дроселювання в дросельному клапані привідної турбіни у всьому діапазоні навантажень блоку.

Необхідно також зважати на те, що при зниженні швидкості обертання привідної турбіни ступені її працюватимуть із зниженими відношеннями и/с₀. Тому з врахуванням застосування КПТ пари ступені турбоприводу при номінальному навантаженні блоку повинні проектуватися на підвищені (на 6—8% більше оптимальних) значень и/с₀. Це дозволить забезпечити стійкіший ККД привідної турбіни у всьому діапазоні режимів.

При визначенні ефекту від зниження потужності, споживаної живильною помпою, необхідно враховувати зменшення нагріву води в помпі, що спричинить відповідне збільшення витрати пари на підігрівач високого тиску, наступний за деаератором, і призведе до деякого зниження потужності блоку. За рахунок цього приблизно на 40% знизиться ефект від зменшення потужності помпи.

На блоках докритичного тиску турбінний привід живильної помпи не застосовується, а тиск води регулюється або дросельним методом при постійній швидкості обертання помпи, або за допомогою гідромуфт. У першому випадку зниження потужності, споживаної живильною помпою, при ковзному тиску пари не досягається. При застосуванні гідромуфт ефект від зниження потужності помпи також істотно менший, ніж при застосуванні турбінного приводу. Це пояснюється значним зменшенням ККД гідромуфти при зниженні швидкості обертання помпи. При порівняно невеликому відхиленні режиму ККД гідромуфти змінюється за наступною залежністю:

, (11)

де п₂, п₁—відповідно швидкість обертання привідного і веденого валів.

Як видно, ККД гідромуфти зменшується пропорційно зниженню швидкості обертання помпи. Крім того, велике ковзання (зменшення ) гідромуфти не допускається за умови надійної її роботи.

Як видно з рис.57, процес розширення пари в ЦСТ і ЦНТ турбіни однаковий як при постійному, так і ковзному тиску пари. Тому в режимі КПТ тільки регенеративні відбори з ЧВТ роблять вплив на зміну умов роботи системи регенеративного підігріву живильної води. Параметри пари у відборах при незмінній витраті пари на турбіну в режимі постійного тиску і КПТ відповідно до рівняння Стодола—Флюгеля визначаються залежністю:

, (12)

де , , , —відповідно тиск і абсолютна температура у відборах при постійному і ковзному тиску пари.

Оскільки процес розширення пари в ЦВТ турбіни при режимі КПТ на i-S- діаграмі зміщується вправо, Т^кв>Т^п і р^кв>р^п, тобто у разі застосування КПТ тиск в регенеративних відборах ЦВТ збільшується в порівнянні з режимом постійного тиску свіжої пари. У зв'язку з цим при КПТ витрата пари в регенеративні відбори з ЦВТ збільшиться за рахунок зростання нагріву води в основних поверхнях ПВТ, що визначається температурою насичення при тиску у відборі, але зменшиться за рахунок збільшення ентальпії відбірної пари.

Аналіз цих причин показує, що при КПТ витрата пари у відбори з ЦВТ дещо зменшиться, оскільки збільшення ентальпії гріючої пари не повністю компенсується підвищенням ентальпії живильної води в результаті збільшення тиску у відборах і інтенсифікації теплообміну в пароохолоджувачах. Проте зниження економічності блоку при цьому, якщо ефект недогріву живильної води в помпі враховувати окремо, незначне і не перевищує 0,03% при навантаженні блоку, рівному 50% номінального. Такою величиною в практичних розрахунках можна нехтувати.

У зв'язку з відміченим вище характером зміни для турбін з дросельним паророзподілом підвищення економічності при переході до КПТ пари має місце у всьому діапазоні часткових навантажень блоку. Проте для турбін з сопловим паророзподілом можлива область режимів, де перевага буде за постійним тиском. При цьому зона навантажень, в межах яких застосування КПТ пари забезпечує підвищення економічності блоків, залежить від відносного впливу зміни термічного ККД і внутрішнього відносного ККД ЦВТ і визначається також іншими чинниками—зміною ефективності регенерації і можливою зміною потужності живильної помпи.

Для зменшення шкідливого впливу зниження термічного ККД для турбін з сопловим паророзподілом доцільне застосування комбінованої програми регулювання, коли при великих навантаженнях турбіна працює з постійним, а при часткових навантаженнях—з ковзним тиском пари, причому при КПТ пари частина регулюючих клапанів залишається в закритому положенні. При такій програмі регулювання при часткових навантаженнях зменшується необхідний ступінь зниження початкового тиску пари, оскільки росте опір турбіни за рахунок закриття частини клапанів, і значення термічного ККД будуть вищими.

Одночасно комбінована програма регулювання дозволяє підтримати високу мобільність блоків при застосуванні КПТ пари. Швидке підхоплення потужності турбіною можна забезпечити за рахунок відкриття закритих клапанів, що не можна зробити при КПТ з повністю відкритими регулюючими клапанами. Така програма регулювання в даний час застосовується для турбоустановок з сопловим паророзподілом.

При застосуванні комбінованої програми регулювання КПТ пари виявляється вигідним залежно від типу блоків при навантаженнях менше 0,6—0,8 номінального.

Зміна питомої витрати тепла блоком при переході від постійного тиску до ковзного зручно визначати у відносних величинах. При КПТ збільшується підведення тепла до свіжої пари на величину (росте ентальпія пари і₀) і зменшується підведення тепла у вторинному пароперегрівнику на величину у зв'язку із збільшенням ентальпії пари на виході з ЦВТ турбіни. Тоді зміна підведення тепла до 1 кг пари при переході від постійного тиску до ковзного:

, (13)

де —частка пари, що поступає на вторинний перегрів, від витрати пари на турбіну. Зміна потужності турбіни при КПТ пари визначається зміною використаного теплоперепаду в ЦВТ, а також зниженням витрат потужності на привід помпи, знайдених з врахуванням ефекту недогріву води в помпі.

Розрахунки і досліди показують, що КПТ пари для блоків 300 МВт стає вигідним вже при навантаженнях 75—80% номінального, а виграш в економічності при навантаженнях 50% номінального досягає приблизно 2%.

Застосування КПТ пари на часткових навантаженнях не тільки підвищує економічність блоків, але одночасно в цілому сприятливо впливає на умови роботи металу в зоні паровпуску і ЦВТ турбіни, а також головних паропроводів, арматури, колекторів і пароперегрівних поверхонь котлоагрегата. Температурний стан турбін при КПТ пари в широкому діапазоні навантажень залишається практично без зміни. При розвантаженні блоків із зниженням тиску свіжої пари зменшується, як було показано вище, підведення тепла в проміжному пароперегрівнику, що істотно спрощує задачу підтримки номінального значення температури промперегріву в широкому діапазоні режимів.

При промисловому впровадженні КПТ пари для блоків надкритичного тиску велике значення має перевірка надійності роботи поверхонь нагріву котлоагрегатів як в нормальних експлуатаційних умовах, так і при збуреннях режиму і аварійних ситуаціях. Особлива увага при цьому надається поверхням, які при переведенні котлоагрегатів на докритичний тиск потрапляють в економайзерно-випарну, випарну і випарно-перегрівну зони.

В экономайзерно-випарній зоні слід зважати на небезпеку порушень температурного і гідравлічного режимів, обумовлених міжвитковою пульсацією потоку, розшаруванням пароводяної суміші і теплогідравлічною нерівномірністю. У випарних і випарно-перегрівних поверхнях нагріву порушення температурного режиму роботи труб може бути викликано перш за все незадовільним розподілом пароводяної суміші з вихідного колектора по змійовиках. Проте попередні стендові і промислові дослідження гідродинаміки котлоагрегатів і подальший тривалий досвід роботи енергоблоків Костромської, Лукомльськой і інших ТЕС при режимі КПТ пари показали достатньо високу надійність котлоагрегатів в широкому діапазоні (40—100%) навантажень і тисків як в стаціонарних, так і в аварійних режимах. Досліди зі збуренням по витраті води, палива і перемиканням пальників показали, що і в цих умовах кризові явища не виникають і температурний режим топкових екранів надійний.

При КПТ пари пропорційно зниженню внутрішнього тиску середовища в змійовиках і паропроводах зменшується приведена напруженість в металі їх стінок і відповідним чином збільшується коефіцієнт запасу міцності. Одночасно збільшуються питомі об'єми пари, а значить, і швидкості середовища в змійовиках пароперегрівника. Це призводить до зростання коефіцієнта тепловіддачі від стінки до пари і до зменшення температурних напорів. Тому при переході від постійного тиску пари до ковзного повинно відбуватися зниження температури стінки труб пароперегрівника. Це було підтверджено при натурних випробуваннях енергоблоків 300 МВт Лукомльськой ТЕС, які показали, що при збереженні температури стінок пароперегрівника на розрахунковому рівні при КПТ пари і навантаженнях блоку приблизно 0,5 номінального температура перегрітої пари може бути підвищена на 20—25°С (або з 545 до 565°С). Це може забезпечити великий економічний ефект.

Таким чином, застосування ковзного початкового тиску пари істотно підвищує економічність і надійність роботи блоків при часткових навантаженнях.