ГОС Режимы работы и ВХР / 24,28

25. Особенности работы последних ступеней конденсационных турбин в

переменных режимах.

Последние ступени конденсационных турбин с точки зрения переменного режима работы находятся в особых условиях. С одной стороны, давление пара Р₂ за этими ступенями, определяемое давлением в конденсаторе Р_к зависит от многих факторов: расхода пара, температуры и расхода охлаждающей воды, загрязнения трубок конденсатора и.т.д. Другой важной особенностью последней ступени является максимальная из всех ступеней турбин веерность и в связи с этим наибольшее расхождение в параметрах потока в корневой и периферийной зонах, наибольшее изменение по высоте профилей рабочих лопаток.

Если в решетках последней ступени не возникает критической скорости, то изменение давления за ступенью будет отражаться также и на давление перед ступенью. Начиная с режима, когда при понижении давления в одной из решеток последней ступени будет достигнута скорость звука, дальнейшее понижение давления отработавшего пара не будет влиять на давления и скорости пара во всех решетках, расположенных вверх по потоку от этого критического сечения.

 

На рисунке показаны треугольники скоростей последней ступени при различном давлении отработавшего пара.

Звездочкой отмечена критическая относительная скорость выхода пара W*₂ из рабочей решетки. При повышении противодавления уменьшаются не только скорости при выходе из ступени, но и скорости пара при выходе из сопловой решетки. Треугольники скоростей, отвечающие этому случаю, имеют индекс 1.

При понижении давления ниже критического треугольник входа остается неизменным, а скорость W₂ начинает превышать критическую за счет расширения пара в косом срезе рабочей решетки. Это сопровождается отклонение пара в косом срезе рабочей решетки. По мере понижения противодавления можно достигнуть предельного расширения в косом срезе, после чего последующее расширение будет происходить за ступенью турбины, при этом прекращается рост проекции W₂cosβ₂ c понижением давления Р₂, а следовательно прекращается также и увеличение мощности последней ступени.

Если при изменении давления Р₂ критическая скорость сначала возникает в выходном сечении сопловой решетки, то здесь расширение будет также происходить в косом срезе и сопровождаться отклонением струи пара. После достижения критической скорости W*₂ в выходном сечении рабочей решетки дальнейшее понижение давления за ступенью не вызовет изменения давления в зазоре между сопловой и рабочей решетками и не будет влиять на скорость выхода из рабочей решетки. 

 

Изменение к.п.д.  и  , располагаемого теплоперепада  и внутренней мощности Р_i последней ступени с d/l = 2,6 в зависимости от объемного пропуска пара.

С уменьшением  к.п.д. ступени резко падает даже становиться отрицательны. При этом ступень уже не вырабатывает полезной мощности, а отнимает ее от других ступеней турбины. Согласно опытным данным, граница холостого хода, т.е.  и Р_i = 0, соответствует режиму  = 0,53, когда располагаемый теплоперепад ступени еще довольно высок и составляет 59 кДж /кг.

Отрыв потока в корневой зоне и вихревые движения в корневом и периферийном участках ступени, как показали исследования, не стационарны. Они создают дополнительные пульсации потока, оказывающие существенное влияние на динамическую надежность рабочих лопаток. Экспериментально обнаружено, что с уменьшением  , несмотря на значительное снижение изгибающих усилий R, действующих на рабочие лопатки последней ступени, динамические напряжения в них увеличиваются, что может вызвать поломки лопаток.

В связи с тем, что тенденция увеличения мощностей паровых турбин неизбежно приводит к росту относительной высоты лопаток l/d и тем самым к большей разнице по высоте в характеристиках потока и к большим напряжениям в лопатках, то еще при проектировании ступени нужно принять необходимые меры к обеспечению ее надежной работы.

С одной стороны, желательно повышать вибрационную надежность рабочих лопаток, применяя соответствующие материалы для них, а также увеличивая кратность ближайшей резонансной зоны.

В ряде случаев при эксплуатации турбины не разрешается длительное время работать при существенно пониженных значениях  , а также при значительном ухудшении вакуума. Особенно неблагоприятен срыв вакуума, т.е. внезапное повышение давления Р_к, когда кратковременно, но существенно возрастают динамические напряжения в лопатках. Опыт эксплуатации ряда турбин показал, что при этом иногда происходят поломки лопаток последних ступеней.

Однако существуют и другие пути стабилизации режима работы последней ступени при пониженных объемных расходах пара:

1. Увеличение корневой реакции ступени. При этом, с одной стороны, ступень оказывается менее чувствительной к изменению режима (см. ранее о реактивности ступени); с другой стороны, увеличивается конфузорность корневой зоны рабочей решетки. Последнее в сочетании с увеличением расчетного входного угла β₁₀ снижает чувствительность обтекания решетки к изменению угла β₁ и других условий течения на входе.

2. Увеличение расчетного располагаемого теплоперепада ступени. Чем больше располагаемый теплоперепад ступени и, следовательно, ее мощность, тем при меньшем значении  будет работать ступень при режиме холостого хода, крайне неблагоприятного с точки зрения неустановившихся процессов обтекания и динамических напряжений.

3. Распределение расходов пара по высоте ступени, обеспечивающее меньшую разницу в относительных скоростях выхода W₂ при переходе от корневого сечения к периферийному. Для этого удельный расход пара от корня к периферии должен уменьшаться.

Следует отметить, что предполагаемые меры непосредственно или косвенно сказываются на экономичности ступени при расчетном режиме и, как правило, приводят к ее снижению. Это объясняется следующим:

а) увеличение теплоперепада обычно означает, что отношение скоростей в ступени меньше оптимального;

б) чем больше теплоперепад последней ступени, тем больше отношение удельных объемов пара ха ней и за предпоследней ступенью  и, следовательно, тем больше разница в высотах рабочих лопаток этих ступеней. При большой разности этих высот последнюю ступень приходится выполнять с неблагоприятно крутым наклоном меридионального периферийного обвода;

в) распределение расходов пара по высоте лопатки, отклоняющееся от постоянства удельного расхода увеличивает потери с выходной скоростью, что может заметно снизить экономичность всей турбины;

 

 

г) увеличение степени реакции в корневом сечении ступени во многих случаях вследствие уменьшения угла поворота потока в корневой части рабочей решетке снижает моменты инерции и сопротивления профиля лопатки в этой зоне. Это в свою очередь, требует увеличения хорды профиля, что приводит к уменьшению относительного шага решетки ниже оптимального значения и к увеличению концевых потерь.

Т.о. выбор основных характеристик последней ступени, должен приводиться, исходя из комплекса требований – обеспечения надежности, повышения экономичности при расчетном и нерасчетных режимах работы.

28. Паровая характеристика конденсационного турбоагрегата. Зависимость удельного расхода пара от электрической мощности и коэффициента нагрузки.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНДЕНСАЦИОННЫХ

ТУРБОАГРЕГАТОВ

Паровая энергетическая характеристика турбоагрегатов

Основой для построения расходных характеристик турбоагрегатов являются их тепловые испытания, реже — заводские расчеты. При испытаниях обычно определяются расходы свежего пара D_o на входе в турбину при различных электрических нагрузках. В процессе испытаний определяются также давление, температура и энтальпия свежего пара и питательной воды, а также давление в конденсаторе, что позволит перейти от значений расходов пара к единицам расходов тепла.

При обработке материалов испытаний характеристики приводятся к номинальным условиям, в качестве которых обычно принимаются постоянные номинальные параметры свежего пара, пара отборов и постоянное давление в конденсаторе, фиксированная схема системы регенерации и режим ее работы (иногда вместо заданного давления в конденсаторе рассматриваются характеристики при постоянных расходе и температуре охлаждающей воды).

Такой подход позволяет представить расходные характеристики в виде функций одной или нескольких переменных. В простейшем случае, для конденсационного турбоагрегата, расход тепла Q_o (или пара D_o ) зависят от единственной переменной — от электрической нагрузки N и расходная характеристика имеет вид Q_o = f ( N₁) или D_o= f ( N₁).

На рис. 11.1. представлена тепловая характеристика конденсационного турбоагрегата (аналогичный вид имеет паровая характеристика).

Рис. Тепловая характеристика турбоагрегата.

Как видно из рисунка эту характеристику можно считать прямолинейной при изменении нагрузки от нуля до экономической. Экономическая мощность турбоагрегата N_э составляет обычно от 80% до 100% от его номинальной мощности, то есть

N_эм = f N_м = (0.8  1.0 ) N_м

Чем крупнее и экономичнее турбоагрегат, тем полнее должно быть его использование, тем ближе к номинальной должна быть его экономическая мощность.

Если f = 1, то характеристика представляет собой прямую линию. Если f < 1 , то характеристика изображается ломанной линией с изломом в точке, соответствующей экономической мощности (рис. 11.1)

Характеристику можно разделить на две части: не зависящую от нагрузки (рис. 11.1, заштрихованная часть) и пропорциональную нагрузке.

Постоянная часть расхода свежего пара в голову турбоагрегата D_xx определяется ординатой, отсекаемой продолжением характеристики на вертикальную ось, и должна соответствовать величине расхода свежего пара, расходуемого на преодоление постоянных потерь при нулевой электрической нагрузке турбоагрегата и при полном числе оборотов (т.е. на холостом ходу), состоящей из внутренних и механических потерь турбины, расхода мощности для привода органов регулирования (главного и масляного насосов), постоянных электрических и механических потерь электрического генератора.

На самом деле при малых нагрузках прямолинейная зависимость нарушается и фактически потери на холостой ход оказываются большими. Поэтому параметр, называемый нами расходом теплоты (пара) на холостой ход, в данном случае имеет условное значение (более точно расходы теплоты (пара) на холостой ход можно определить на основании специальных балансовых испытаний или на основании заводских расчетов).

Относительная величина расхода пара на холостой ход турбоагрегата характеризуется коэффициентом холостого хода

x = D_xx / D_э ( 11.1 )

Коэффициент холостого хода зависит от мощности турбоагрегата, (с увеличением мощности он уменьшается), а также зависит от соотношения начального и конечного давлений рабочего процесса.

Для современных турбоагрегатов его величина составляет х = 0.03  0.07.

Наклон прямолинейной характеристики определяется приростом расхода пара на единицу прироста нагрузки. Эту величину обычно называют относительным приростом.

r = D/ N, ( 11.2 )

Относительный прирост расхода пара является полезной составляющей удельного расхо-

да (за вычетом расхода на холостой ход).

В случае криволинейной непрерывной характеристики, относительный прирост можно определить как первую производную по нагрузке турбины:

r = lim , ( 11.3 )

Расход пара на холостой ход турбоагрегата и относительный прирост имеют большее значение для оценки экономичности работы турбоагрегата и для рационального выбора режимов их эксплуатации.

Зная характеристические величины— расход на холостой ход и относительный прирост пара для любой заданной нагрузки, можно определить часовой расход пара в голову турбоагрегата.

Для нагрузок ниже экономической расход пара в турбину по формуле:

D = D_хх + r ^. N ( 11.4 )

В области нагрузок выше экономической (для турбоагрегатов, имеющих излом в точке экономической мощности), характеристики также можно считать прямолинейными, но с большим наклоном, чем в основной ее части.

Для области перегрузки уравнение характеристики турбоагрегата имеет вид:

D = D_Хx + r N_э + r` (N - N_э ), ( 11.5 )

где r` — относительный прирост для области перегрузки.

Уравнение (11.5) можно представить в виде:

D = D_xx + r N + ( r`- r ) ( N - N_э ) ( 11.6 )

Это уравнение можно рассматривать как обобщающее, охватывающее всю область изменения нагрузки. На практике обычно используют в качестве характеристики не абсолютные, а относительные величины расходов пара (то есть удельный расход пара). Удельный расход пара ( d ) конденсационного турбоагрегата выражается в зависимости от нагрузки формулами:

d = ( 11.7 )

если нагрузка не превышает экономическую. Для расчета удельного расхода пара в области перегрузки уравнение ( 11.6) преобразуется к виду:

d = . ( 11.8 )

Удельный расход пара конденсационного турбоагрегата при изменении мощности от нулевой до экономической состоит из постоянной величины относительного прироста r , и из переменной величины , зависящей от коэффициента загрузки и обусловленной постоянными потерями холостого хода. Эта зависимость гиперболическая. При снижении мощности удельный расход пара на турбоагрегат резко повышается, стремясь к бесконечности при нулевой электрической мощности (рис. 11.1) несмотря на то, что абсолютная величина расхода пара холостого хода остается постоянной и равной D_xx. При увеличении нагрузки, величина удельного расхода пара стремится к величине относительного прироста ( r ) для области нагрузок не превышающей экономической.