27. Влияние начальных и конечных параметров пара на надежность работы и экономические характеристикипаротурбинных установок

Отклонение параметров свежего пара от номинального значе­ния связано с изменением как экономичности, так и надежности паротурбинных установок.

При увеличении начальной температуры пара к. п. д. и мощ­ность турбоустановки повышаются прежде всего за счет роста располагаемого теплоперепада, изменяющегося пропорционально абсолютной температуре пара перед турбиной, и увеличения внут­реннего относительного к, п. д. последних ступеней в связи с уменьшением конечной влажности пара. Однако при увеличении- температуры существенно снижается длительная прочность ме­талла. Так, например, для трубопроводной стали мдрки 12Х1МФ допустимое напряжение при температуре 20° С составляет 170 МПа, при температуре 565° С оно снижается до 58,8 МПа. Одновременно при высоких температурах имеет место явление, ползучести, т. е. свойство металла давать остаточные деформации при напряжениях меньше предела текучести. Ползучесть металла проявляется также и в уменьшении с течением времени напряже­ний в деталях, работающих с натягом. Это явление называется релаксацией напряжений и характеризуется переходом упругихдеформаций в пластические, что может привести к ослаблению посадки дисков и втулок на валу турбины, уменьшению напряже­ний в шпильках фланцевого соединения, а значит, к нарушению плотности и пропариванию горизонтального разъема турбины. Кроме того, с ростом температуры увеличивается температурное расширение деталей, что может вызвать задевание в проточной части турбин. Поэтому при эксплуатации турбин предельно допу­стимая температура пара строго ограничивается.

В последние годы для обеспечения более надежной работы котлоагрегатов и уменьшения повреждаемости пароперегревательных поверхностей начальная температура-пара (перед тур­биной) снижена с 565 до 540° С для установок па сверхкритиче­ское давление и до 555° С для установок на начальное давление 12,75 МПа. Повышение надежности позволяет значительно сокра­тить затраты на ремонт оборудования, аварийный резерв энерго­системы, а также издержки от ущерба, связанного с педоотпуском электроэнергии. Одновременно снижение начальной температуры пара приводит к увеличению маневренности паротурбинных уста­новок: увеличиваются скорость прогрева главного паропровода и турбины, скорость нагружеш^я турбины, сокращается время пуска, что дает в итоге экономию топлива.

Необходимо помнить, что пропорционально снижению абсо­лютной температуры свежего пара уменьшаются располагаемые теплопадения по ступеням турбины. Это вызывает соответствую­щее увеличение отношения скоростей и/со и может привести к рос­ту осевых усилий в турбине. Кроме того, при уменьшении началь­ной температуры пара происходит увеличение расхода пара через турбину с открытыми-клапанами, что может вызвать увеличение механических напряжений в ступенях турбины, в особенности в последней. Поэтому работа турбины с полностью открытыми клапанами при значительном снижении температуры пара не допускается, и в инструкции по эксплуатации указывается необ­ходимая степень разгрузки турбины. График разгрузки турбины К-300-240 приведен па рис. 2.16 [29].

При снижении температуры необходимо также проверить условия работы упорного подшип­ника, например путем замера температуры колодок с помощью зачеканенных в них термопар.

Повышение начального давления пара для турбин с дроссель­ным парораспределением при частичной нагрузке практически не сказывается на мощности установки, так как давление за дрос­сельным клапаном (перед соплами первой ступени турбины), определяется расходом пара. При полностью открытом дроссель­ном клапане и для турбин с сопловым парораспределением с уве­личением начального давления экономичность и мощность паро­турбинной установки повышаются, однако в меньшей степени, чем при увеличении начальной температуры. Это объясняется тем, чтоодновременно с некоторым увеличением термического к. п. д. цикла происходит снижение к. п. д. последних ступеней турбины в связи с ростом конечной влажности пара.

При увеличении начального давления пара и полностью от­крытых клапанах все ступени турбин как с дроссельным, так и сопловым парораспределением оказываются перегруженными в связи с увеличением расхода пара. В наиболее тяжелых усло­виях при этом работает последняя ступень, так как для нее уве­личивается не только расход пара, но и располагаемый перепад

тепла. Для уменьшения ме­ханических напряжений в ступенях необходимо огра­ничить расход пара на турбину из расчета, чтобы давление пара в камере ре­гулирующей ступени не пре­вышало допустимого. Нере­гулируемые ступени будут работать в расчетных усло­виях, а напряжения в дета­лях регулирующей ступени будут меньше, чем при ре­жиме с одним полностью открытым клапаном. Одна­ко при одном полностью открытом клапане увеличение начального давления может вы­звать опасную перегрузку регулирующей ступени. .Поэтому допустимое изменение начального давления в сторону увеличе­ния ограничивается эксплуатационной инструкцией. Снижение начального давления пара не вызывает опасного увеличения напряжения в деталях турбины и может ограничиваться только по условиям нормальной работы вспомогательных устройств, питающихся свежим паром.

Величина давления в конденсаторе паротурбинной установки определяется многими режимными факторами, характеристиками и состоянием конденсационной установки и качеством ее эксплуа­тации. Изменение вакуума в конденсаторе практически не влияет на расход пара через турбину, однако существенно изменяет эко­номичность и мощность турбоустановки в основном за счет изме­нения перепада тепла в турбине, т. е. термического к. п. д. цикла. Характер влияния конечного давления р_к па мощность турбины определяется условиями работы последней ступени, причем изме­нение р_к на 0,98* 10^-3 МПа ( — 0,01 кгс/см²) вызывает изменение мощности турбины примерно на 0,6—1%.

При работе последней ступени в докритическом режиме исте­чения снижение конечного давления вызывает увеличение теплоперепада па несколько последних ступеней, причем прирост мощ­ности турбины пропорционален увеличению теплоперепада в тур­бине. При дальнейшем снижении р_1{и переходе последней ступени на сверхкритический режим истечения прирост мощности турбины замедляется, так как при таких режимах имеет место расширение пара в косом срезе сопел и рабочих лопаток, связанное с отклонением потока и уменьшением окружной составляющей скорости, определяющей величину мощности ступени. При некотором пре­дельном вакууме исчерпывается расширительная способность ко­сого среза ипрекращается при­рост мощности в турбине.

При эксплуатации предельный вакуум не достигается, так как быстрее устанавливается эконо­мический вакуум, при котором полезная мощность турбоустано­вок (за вычетом затрат мощности на привод циркуляционных насо­сов) при данном расходе пара в конденсатор достигает макси­мального значения.

Для расчета экономического вакуума, величина которого зави­сит в основном от температуры и расхода охлаждающей воды и паровой нагрузки конденсатора, и исчисления технико-экономиче­ских показателей турбоустановки при изменении конечного давле­ния пользуются «универсальной» кривой поправок на вакуум, кото­рая строится при испытаниях тур­бины в координатах

Как видно на рис. 2.17, «универсальная» кривая имеет три характерных участка. Участок АВ представляет практически прямую линию и соответствуетдокритическим режимам истечения пара в последней ступени. Участок ВС соответствует режимам, при которых имеет место расширение пара в косом срезе межлопаточных каналов, а точ­ка С отвечает предельному вакууму. При дальнейшем углублении вакуума (третий участок кривой) возможно даже снижение мощности турбины (на рис. 2.17 показано пунктиром) за счет уменьшения температуры конденсата и увеличения расхода грею­щего пара на первый подогреватель низкого давления.

Изменение конечного давления может вызвать и снижение надежности турбины. При увеличении конечного давления последняя ступень разгружается, однако увеличивается степень ее реак­тивности, что приводит к росту осевых усилий в турбине. Одновре­менно при значительном ухудшении вакуума увеличивается тем­пература отработавшего пара и выхлопного патрубка, что может вызвать расцентровку турбины и появление недопустимой вибра­ции. При этом растут нестационариость и неравномерность тече­ния пара в последней ступени, что вызывает появление дополни­тельных температурных напряжений и динамических усилий на рабочих лопатках. Поэтому значительное ухудшение вакуума не допускается, п турбины оборудуются защитой от ухудшения ва­куума, срабатывающей при давлении в конденсаторе, которому соответствует температура пара примерно 60° С. Значительное уменьшение конечного давления вызывает перегрузку последней ступени, в особенности при больших расходах пара в конденсатор.

При снижении противодавления для турбин типа Р перегру­жается, последняя ступень, а при увеличении противодавления определенная часть последних ступеней будет работать с пони­женными теплоперепадами и увеличенной степенью реактивности, что может вызвать рост осевых усилий. Суммарное изменение осе­вого усилия в турбине при этом зависит от конфигурации ротора. При наличии на нем уступов изменение давления на уступы в не­которой степени компенсирует рост осевых усилий в ступенях, так что при определенных условиях при увеличении противодав­ления суммарное осевое усилие в турбине может даже умень­шиться. Современные турбоагрегаты с противодавлением имеют защиту от перегрузки последней ступени при снижении конечного давления.

При изменении давления в регулируемых отборах теплофика­ционных турбин условия работы предшествующего цилиндра изменяются так же, как и для турбин типа Р при изменении их противодавления.

Точный расчет изменения экономичности турбоустановки при отклонении начальных и конечных параметров пара произвести затруднительно, так как требуется учесть не только изменение перепада тепла, срабатываемого в турбине, но и изменение к. п. д. проточной части, степени дросселирования пара в клапанах, а также изменение эффективности регенерации. В целом эконо­мичность турбоустаиовки определяется изменением использован­ного в турбине перепада тепла и удельного подвода тепла в цикле. Величину необходимо определять с учетом всех фак­торов, в том числе и с учетом изменения экономичности проточной части. Выражения для определения изменения мощности турбины при отклонении начальных параметров пара* с учетом особен­ностей парораспределения в виде приращения функции несколь­ких переменных приведены в работе [84].

Изменение удельного расхода тепла для конденсационных турбин и конденсационных потоков пара теплофикационных турбин при отклонении начальных параметров пара от номинальных удобно определять в относительных величинах, т. е. в процентах исходного значения:

(2.20).

где— соответственно расход тепла на турбину и ее мощность при номинальном и текущем значениях начальных па­раметров пара.

Для уменьшения погрешности вычисления следует произво­дить по относительному изменению количества тепла:

(2.21)и мощности:

(2.22)

Подставив в выражение (2.20) значения из уравнений (2.21) и (2.22), получим

(2.23)

Так как мощность турбины прямо пропорциональна, а удель­ный расход пара обратно пропорционален использованному в тур­бине перепаду тепла то относительные величины найдутся из выражений:

где— энтальпия питательной воды;— соответственно энтальпия свежего пара при номинальных и изменившихся пара­метрах пара; ∆Hi— изменение использованного в турбине пере­пада тепла.

Для турбин с промперегреиом с учет'ом подвода тепла во вто­ричном пароперегревателе

Так как уравнение (2.24) примет вид

Здесь— номинальное и текущее значения энтальпии пара после промперегрева и использованного в ЧВД теплоперепада;— доля пара, поступающего на промперегрев, от расхода пара на турбину.

Таким образом, расчет изменения экономичности турбоуста­новки при отклонении параметров пара от номинальных сводится к определению величины использованного перепада в отдельных цилиндрах и в турбине в целом.

Изменение удельной выработки электроэнергии на базе тепло­вого потребления при отклонении начальных параметров пара определяется по изменению работы отбираемого пара и энтальпии пара в отборе

При этом легко показать, что

относительное изменение удельной выработки электроэнергии в процентах от величины ее при номинальных параметрах пара

Здесь энтальпия возвращаемого конденсата принята равной энтальпии насыщения при давлении в отборе, т. е.

Изменение начальных параметров пара в разной степени сказывается на характеристиках теплофикационного и конденсацион­ного потоков пара. Например, при снижении начальной темпера­туры процесс расширения пара в турбине в i— S-диаграмме сме­щается влево, уменьшается энтальпия отбираемого пара, и при определении W_Bснижение работы пара в турбине частично будет компенсироваться увеличением отбора пара для отпуска единицы тепла потребителю. Поэтому величина удельной выработки элек­троэнергии уменьшится в несколько меньшей степени, чем удель­ный расход тепла для конденсационного потока пара. Это видно из сравнения данных рис. 2.18 и 2.19. Изменение начального дав­ления, наоборот, более существенно скажется на величине W_B