Итоговая работа пара в регулирующей ступени определяется теплоперепадом

Н_рс=h₀-h_рс, кДж/кг

Строить процесс по работающим потокам пара затруднительно. Подробно эта методика описывается в специальной литературе, например, в книге: Самойлович Г.С., Трояновский Б.М. «Переменные и переходные режимы в паровых турбинах». Энергоиздат.1982 г.

Для расчетов тепловых схем ПТУ, в процессе эксплуатации, важен условный итоговый процесс, который можно построить по некоторому условному КПД регулирующей ступени:

Заводы-изготовители дают зависимость . Она имеет следующий вид (для различных типов турбин разный).

Рис.3.6. Изменение КПД регулирующей ступени в зависимости от расхода пара.

Рассмотрим теперь распределение давлений пара по клапанам, в зависимости от относительного расхода пара:

Рис. 3.7. Изменение давления за регулирующими клапанами от расхода пара.

Давление в камере рс определяет величина пропуска пара в турбину: оно связано с расходом D формулой Стодола-Флюгеля:

(*)

Здесь D – расход пара через группу ступеней в рассматриваемом режиме, кг/с;

D_н – то же в номинальном (или в другом известном заранее) режиме;

Р₁ – давление пара перед группой ступеней в рассматриваемом режиме;

Р₂ - давление пара за группой ступеней в рассматриваемом режиме;

Р_1,н, Р_2,н - то же в номинальном (или в другом известном заранее) режиме;

Т₁ – абсолютная температура (К) перед группой ступерей в рассматриваемом режиме;

Т_1,н - то же в номинальном (или в другом известном заранее) режиме;

В то же время по мере открытия клапанов и роста давления за регулирующей ступенью, расходы пара через ранее открытые клапана снижаются, как представлено на рис.3.8.

Рис.3.8. Изменение расхода пара через клапана.

Характеристика расхода пара турбиной типа К при сопловом парораспределении в отличие от рассмотренной ранее линейной , более правильно выглядит в виде волнообразной кривой. Каждой волне этой зависимости соответствует открытие очередного регулирующего клапана

Рис.3.9. Расход пара через клапана от мощности и очередности и степени открытия клапанов.

Таким образом, хотя влияние процесса дросселирования при сопловом парораспределении уменьшается, но все проблемы, перечисленные выше, в том числе связанные с понижением температуры пара в регулирующей ступени (рис.3.3) сохраняются.

Работа турбины на частичных нагрузках при скользящем регулировании.

Использование скользящего давления возможно при блочной компоновке оборудования. В этом случае начальное давление понижается за счет уменьшения расхода питательной воды и регулирования его насосом. При этом начальная температура остается постоянной, а регулирующие клапаны остаются в открытом положении.

Процесс расширения пара в регулирующей ступени и регулировании при постоянном и скользящем давлении представлен (дроссельное парораспределение) на рис. 3.10.

При этом процесс расширения при Р₀= const идет по линии hо, а при Р₀=var по линии tо=const.

При Р₀=var начальная энтальпия даже возрастает, температурное состояние регулирующей ступени, всей проточной части и температура пара на выходе из ЦВД остается более высокой так как отсутствует процесс дросселирования.

Рис.3.10. Процесс расширения пара при скользящих параметрах.

Из рис. 3.10. видно, что температурное состояние регулирующей ступени практически не меняется во всем диапазоне изменения нагрузки, поэтому надежность этого режима для турбоагрегата выше.

Работа на частичных нагрузках при постоянном давлении может быть использована как для дроссельного так и для соплового парораспределения.

Недостатком такой работы, как говорилось выше, является существенное снижение экономичности при дросселировании в регулирующих клапанах, а также захолаживания проточной части турбины в районе регулирующей ступени в ЦВД вследствие дросселирования и сопровождающего этот процесс снижения температуры пара.

Рис 3.11. Циклы ПТУ для различных режимов при постоянном и скользящем начальном давлении пара.

При скользящем давлении с изменением режима меняется также цикл ПТУ (рис.3.11.). При номинальном режиме на Ts-диаграмме он изображается контуром a₀b₀c₀d₀e₀, а при частичном – a₀bcde. Удаление параметров цикла от оптимальных по мере снижения нагрузки определяет понижение термического к.п.д. цикла _t при скользящем давлении. Однако это понижение оказывается менее интенсивным, чем для установки с дроссельным парораспределением при постоянном давлении. Это объясняется тем, что процесс дросселирования пара в регулирующих в регулирующих клапанах турбины d₀d₁ (см. рис 3.11.) сопровождается понижением температуры пара перед турбиной. Поскольку с термодинамической точки зрения эффективность цикла определяется достигаемыми перед турбиной параметрами пара и не зависит от линии подвода теплоты, полученный цикл a₀b₀c₀d₁e₁ эквивалентен циклу a₀bcd₁e₁ Последний же практически совпадает с циклом скользящего давления по давлению перед турбиной, но отличается от него меньшей температурой. Вследствие отмеченного скользящее давление по термическому к.п.д. цикла при частичных нагрузках превосходит постоянное, сочетаемое с дроссельным парораспределением.

Заметим, что этот термодинамический выигрыш, определяемый параметрами пара перед турбиной и в конденсаторе, не зависит от того, каким путем достигается скользящее давление: изменением угловой скорости питательного насоса или дросселированием рабочей среды в питательных клапанах котла либо в специальных задвижках, встроенных в пароводяной тракт. Из этого следует, что термодинамический выигрыш от применения скользящего давления вместо дроссельного парораспределения при постоянном давлении обусловлен не самим по себе устранением дросселирования рабочего тела, а непостоянством удельной теплоемкости пара C_p, вследствие чего при дросселировании свежего пара понижается его температура.

При использовании водяного пара этот выигрыш тем больше, чем круче изотермы на is-диаграмме, т. е. возрастает с повышением номинального давления свежего пара.

На энергоблоках с промперегревом это приводит к тому, что более высокая температура пара остается за ЦВД в целом, что позволяет легче регулировать температуру пара промперегрева. При работе котла на сниженной нагрузке и скользящих параметрах происходит смещение зоны начала парообразования. В результате чего она может сместиться из конвективной зоны в нижнюю радиационную часть топочной камеры, что неблагоприятно сказывается на надежности работы поверхностей нагрева.

Значительный выигрыш в эффективности использования скользящего давления даст и снижение собственных нужд питательного насоса.

На рис. 3.12. приведена зависимость изменения мощности потребляемой питательным насосом блока мощностью 300 МВт при изменении нагрузки и работой с различными способами регулирования.

Рис. 3.12. Зависимость мощности турбопривода питательного насоса от мощности турбогенератора:

1 – располагаемая мощность турбопривода при питании деаэратора от IVотбора турбины; 2 – то же при питании деаэратора отIIIотбора турбины; 3 – то же при питании деаэратора от постороннего источника пара; 4 – требуемая мощность турбопривода при работе блока на двух корпусах котла при номинальном давлении свежего пара; 5 – то же при скользящем давлении свежего пара.

Как видно из рисунка использование скользящего давления позволяет снизить мощность привода питательного насоса при разгружении до 50% более чем на один МВт.

К.п.д. паротурбинной установки _б, ли обратная ему величина – удельный расход теплоты q_б не учитывают затрат энергии на собственные нужды установки. С учетом этих затрат к.п.д. установки нетто  и удельный расход теплоты нетто q могут быть определены по формуле:

где Q – количество теплоты, подводимой к рабочему телу в котле для получения пара, идущего как на выработку электрической энергии, так и на обеспечение собственных нужд установки;

N_э – полезная мощность, отдаваемая в электрическую сеть.

Существенная часть затрат энергии на собственные нужды ПТУ приходится на привод питательного насоса. С ростом начального давления пара удельная мощность питательного насоса возрастает и для мощных энергоблоков на сверхкритические параметры пара превышает 4%. В таких условиях выбор той или иной подпрограммы регулирования питательного насоса может оказать заметное влияние на тепловую экономичность всего блока, особенно при его работе со скользящим давлением.

Мощность развиваемую насосом можно определить из выражения:

Как отмечалось выше, реализация скользящего давления возможна как изменением угловой скорости питательного насоса при отсутствии дросселирования по всему пароводяному тракту, так и дросселированием рабочего тела в питательном клапане или в специальных клапанах, встроенных в тракт котла при нерегулируемом насосе. Удельный расход теплоты брутто во всех этих случаях практически одинаков. Однако возможность сокращения затрат мощности на привод питательного насоса делает наиболее эффективной первую из указанных подпрограмм.

Это связано с изменением характеристик сети, на которую работает насос.

Давление, которое должен при любом режиме работы блока обеспечить питательный насос, p_н=р₀+р+р_кл, где р₀ – давление пара перед стопорными клапанами турбины, определяемое программой регулирования блока; р – гидравлическое сопротивление пароводяного тракта, содержащего, кроме котла, также подогреватели высокого давления и главный паропровод; р_кл – потери давления в регулирующих питательных клапанах (РПК) котла, определяемые степенью их открытия. Она устанавливается регулятором питания котла.

Гидравлическое сопротивление каждого участка пароводяного тракта пропорционально ², где  – скорость рабочего тела; – плотность. При постоянном давлении, когда плотности воды и пара изменяются незначительно, гидравлические потери р можно считать пропорциональными квадрату расхода пара. Характеристика сети определяется кривой 1 на рис.3.13. При скользящем давлении гидравлическое сопротивление водяной части тракта меняется в зависимости от режима примерно также. Сопротивление же парового тракта при равных расходах оказывается большим, чем при постоянном давлении, ввиду больших скоростей пара. Таким образом, суммарное гидравлическое сопротивление пароводяного тракта при скользящем давлении больше, чем при постоянном. Однако понижение давления перед турбиной , во много раз превосходящее прирост гидравлического сопротивления, определяет общее уменьшение требуемого давления за насосом при скользящем давлении (кривая 2) и возможность сокращения в следствие этого затрат мощности на привод питательного насоса.

Поскольку рабочая точка насоса определяется пересечением его характеристики 3 с характеристикой сети (точка А при номинальном расходе G₀), для перехода к частичному расходу G требуется смещение характеристики насоса при постоянном и скользящем давлении соответственно в положения 4 и 5 с тем, чтобы они пересекались с характеристиками сети 1 и 2 в точках С и С₁. Такое смещение характеристики насоса, достигаемое понижением его угловой скорости, позволяет точно реализовать закон изменения р_н за насосом, определяемый характеристикой сети. При скользящем давлении требуется большой диапазон изменения угловой скорости, что должно учитываться при проектировании насоса и его привода.

Рис.3.13. Характеристики питательного насоса и сети.

1 – характеристика сети при постоянном давлении; 2 – то же при скользящем давлении; 3 – характеристика нерегулируемого питательного насоса; 4, 5 – характеристики насоса при различных угловых скоростях; 6 – характеристика одного нерегулируемого насоса при параллельной работе двух насосов.

Недостатком использования скользящего давления является снижение мобильности блока. В этом случае мобильность блока целиком определяется мобильностью котла, инерция которого весьма значительна и измеряется минутами. Поэтому энергоблоки, которые эксплуатируются на скользящем давлении не могут участвовать в регулировании частоты сети, когда изменение мощности требуется в течение нескольких секунд.

Работа оборудования на частичных нагрузках при комбинированном регулировании.

Одним из способов повышения экономичности блоков с сопловым парораспределением во всем диапазоне нагрузок состоит в применении комбинированного способа регулирования нагрузки.

В этом случае в области больших нагрузок блок работает при постоянном давлении, а начиная с мощности, соответствующей моменту полного открытия клапанов, подводящих пар к двум группам сопел регулирующей ступени (точка В), переводится на скользящее давление с полностью открытыми регулирующими клапанами, управляющими подводом пара только к двум группам сопел регулирующей ступени, и полностью закрытыми остальными клапанами.

В этом случае реальное сопловое парораспределение по существу превращается в дроссельное и начиная с точки В перевод на скользящее давление обеспечивает те же преимущества, какие имеет скользящее давление перед работой блока с дроссельным парораспределением при постоянном давлении.

Для более полного использования преимуществ комбинированного давления оно должно сочетаться с регулированием угловой скорости питательного насоса.

Изменение КПД регулирующей ступени для различных способов регулирования приведено на рис. 3.14.

Рис.3.14 Зависимость изменения термического КПД цикла ПТУ от относительного расхода пара и способа регулирования.

1 – Дроссельное парораспределение (регулирование);

2 – Скользящее парораспределение (регулирование);

3 – Сопловое реальное распределение (регулирование);

4 – Комбинированное регулирование

5 – Идеальное сопловое регулирование

Анализ сопоставления различных способов парораспределения и регулирования.

Наряду с выбором режима работы особый интерес представляет влияние типа парораспределения на экономичность режима работы при частичных нагрузках.

К.п.д. цилиндра высокого давления турбины с сопловым парораспределением при постоянном давлении ввиду увеличения перепада энтальпии регулирующей ступени понижается с уменьшением расхода пара до значения его, соответствующего точке В на рис.3.15. При меньших расходах происходит дросселирование всего потока пара, подводимого к турбине.

Сравнительную оценку проведем по произведению _t_oi, которое, в наибольшей мере влияет на к.п.д. брутто установки. При этом используем результаты проведенного выше сопоставления термического к.п.д. цикла и внутреннего относительного к.п.д. турбины при постоянном и скользящем давлении.

Анализ начнем с выбора типа парораспределения при скользящем давлении. Поскольку при этом термический к.п.д. цикла не зависит от типа парораспределения, а внутренний относительны к.п.д. турбины с сопловым парораспределением более низок, оптимальным вариантом для работы при скользящем давлении является турбина с дроссельным парораспределением. Его следует выбирать при проектировании турбин специально для скользящего давления. Именно этот вариант выбран в дальнейшем в качестве основного при сравнении постоянного и скользящего давления.

Внутренний относительный к.п.д. турбин с дроссельным парораспределением при постоянном и скользящем давлении практически одинаков при одинаковых расходах пара. Термический же к.п.д. цикла выше у установки, работающей при скользящем давлении. Следовательно, во всем диапазоне частичных нагрузок она имеет более высокий к.п.д. брутто '_б (рис.3.15.), причем выигрыш возрастает с ростом номинального давления свежего пара и с применением перегрева пара. Поэтому в тех случаях, когда при проектировании турбины по каким либо причинам (например, из-за вибрационной прочности первой ступени) принято дроссельное парораспределение, следует проектировать ее и весь блок для работы на скользящем давлении.

Сравним далее работу установки при скользящем давлении и постоянном с реальным сопловым парораспределением (кривая 3). При низких начальных параметрах пара характеристика ПТУ при скользящем давлении (кривая 4) мало отличается от кривой 1. В этом случае при частичных нагрузках более высоким к.п.д. обладает установка с сопловым парораспределением, и проектирование турбин с дроссельным парораспределением специально для скользящего давления нерационально. При повышении номинальных параметров пара характеристика ПТУ при скользящем давлении, как следует из рис.3.15. (кривая 5), дважды пересекает кривую 3. Следовательно, работа при скользящем давлении оказывается термодинамически эффективной в области низких нагрузок и вблизи номинального режима. Однако для таких ПТУ имеется область режимов в близи точки В, где преимущества на стороне соплового парораспределения при постоянном давлении. Поскольку при работе в переменной части графика нагрузки определенную часть времени установка может работать в этой области режимов, целесообразность проектирования таких ПТУ на докритические параметры пара специально для работы на скользящем давлении с дроссельным парораспределением также дискуссионна, если это не вызвано другими соображениями, например стремлением повысить маневренность турбины (как это сделано для полупиковой установки К-500-130). Наконец, при переходе к сверхкритическим параметрам пара (кривая 6) во всем диапазоне режимов более экономична ПТУ с дроссельным парораспределением, работающая при скользящем давлении. В этом случае можно рекомендовать специальное проектирование блоков для работы при скользящем давлении.

С переходом к скользящему давлению повышается энтальпия пара, отбираемого для регенеративного подогрева питательной воды. Использование для подогрева более высокопотенциального пара увеличивает недовыработку мощности паром регенеративных отборов, что учитывается величиной N_р. Степень регенерации q_р при скользящем давлении всегда меньше, чем при постоянном. Это обусловлено повышением энтальпии i₀ свежего пара. Вследствие отмеченного коэффициент k_р при переводе ПТУ на скользящее давление понижается. Однако, как показывают расчеты, выполнение в ЛПИ для установок различного типа, сокращение выигрыша от скользящего давления за счет регенерации не превышает 0.20-0.25%. это составляет небольшую часть общего термодинамического выигрыша от применения скользящего давления и не меняет вывода о большей экономичности ПТУ при скользящем давлении.

Рис.3.15. Зависимость к.п.д. брутто ПТУ без учета регенерации от расхода параGпри разных способах регулирования мощности.

1 – постоянное давление, дроссельное парораспределение;

2 – постоянное давление, идеальное сопловое парораспределение;

3 – постоянное давление, реальное сопловое парораспределение;

4-6 – скользящее давление, дроссельное парораспределение ('_ботнесен к значению к.п.д. ПТУ с дроссельным парораспределением при номинальном режиме).