5. Переменные режимы работы паровых турбин

Тепловой расчет, по которому определяют размеры решеток и ступеней турбин, выполняют по экономической мощности N_э^эк, т. е. мощности, соответствующей наибольшей экономичности турбины. Для турбин, работающих в достаточно широком диа­пазоне изменения нагрузки, в качестве расчетной принимают мощность, равную 0,8—0,9 номинальной. Мощные турбины, кото­рые предполагается эксплуатировать при полной загрузке в те­чение продолжительного времени, обычно имеют близкую к но­минальной расчетную мощность Турбины для АЭС, как правило, проектируются при условии равенства этих мощностей:

Основным требованием, предъявляемым к ТЭС и ТЭЦ, явля­ется высокая надежность, т. е. бесперебойное производство элек­трической и тепловой энергии в соответствии со спросом потре­бителей и диспетчерскими графиками нагрузки. Это требование особенно важно потому, что электроэнергия в отличие от про­дукции других отраслей промышленности не запасается, а по­требляется в процессе производства.

При проектировании и изготовлении турбин размеры решеток и ступеней рассчитывают для одного режима. Однако при экс­плуатации значительную часть времени турбины работают с из­меняющимися расходами пара. Возможны также различные отклонения параметров пара, занос солями проточной части, работа с удаленными лопатками и нарушенной геометрией реше­ток из-за подгиба кромок лопаток или их эрозионного разруше­ния. Поэтому необходимо знать, как изменяется при изменении режима экономичность и надежность турбины.

5.1 Влияние изменения расхода пара на распределение давлений и теплоперепадов по ступеням турбины

Потребление электрической и тепловой энергий изменяется во времени: в течение суток, недели, года. Соответственно суточные, недельные и годовые графики электрической нагрузки неравно­мерны и поэтому паровые турбины работают как с максимально возможными расходами пара (например, в часы утреннего или вечернего максимумов), так и со значительно уменьшенными (например, в часы ночных минимумов нагрузки). Изменение рас­хода пара вызывает изменение его параметров до и после сту­пени, которые, в свою очередь, приводят к изменению режима ее работы. При этом изменяются теплоперепады, скорости, степени реактивности и КПД ступеней, а также напряжения в деталях турбин.

Изменение расхода пара через турбину вызывает перераспре­деление давлений и теплоперепадов в ее ступенях. Так, установ­лена аналитическая зависимость между расходом пара и дав­лениями в ступенях турбины, которая в общем виде для скоро­стей пара ниже критических определяется формулой Г. Флюгеля для группы ступеней:

(5.1)

,

где D_o и D — расходы пара через турбину; T₁₀ и Т_о — абсолютные температуры; р₁₀ и р₁ — давления перед соплами первой ступени группы (отсека); р₂₀ и р₂ — давления за рабочими лопатками по­следней ступени этой группы (параметры соответственно берут­ся при расчетном и переменном режимах).

Т

ак как во многих случаях можно приближенно считать, что температура пара в промежуточных ступенях сохраняется неиз­менной при изменении расхода (T=const), т. е. отношение T₁₀/Т_о близко к единице, уравнение (5.1) упрощается:

. (5.2)

Е

(5.3)

(5.4)

сли турбины работают при глубоком вакууме (конденсаци­онные), членамир₂₀ и р₂ в формуле (5.2) можно пренебречь, так как они малы. Тогда формула (5.2) примет вид

_D/D0=p1/p10

_{или p1=p10*D/D0 .}

Уравнение (5.4) показывает, что в конденсационной турбине давление пара перед любой ступенью изменяется прямо пропор­ционально изменению его расхода. Это же уравнение оказыва­ется справедливым при изменении давлений перед ступенями лю­бой турбины, если последняя ступень рассматриваемого отсека работает в режиме критического истечения пара.

Необходимо отметить, что уравнения (5.2), (5.3) и (5.4) применимы в тех случаях, когда площади всех проходных сече­ний турбины или группы ступеней неизменны. В большинстве случаев с достаточной степенью приближения для определения зависимости давления пара в промежуточной ступени от расхода можно пользоваться приближенной формулой (5.2). Наиболь­шая погрешность возникает, если эту формулу применяют для расчета переменного режима единичной ступени.

Перераспределение давлений в ступенях приводит к измене­нию теплоперепадов в них. Для критических скоростей отношение давления за ступенью к давлению перед ней не зависит от рас­хода пара. Теплоперепад ступени может изменяться лишь из-за изменения давления р₁ и удельного объема v₁. Давление p₁ пе­ред ступенью при изменении расхода пара можно определить по уравнению (5.2) или (5.4). Затем, учитывая, что давление р_II за рассматриваемой ступенью является одновременно и давле­нием перед следующей ступенью, можно определить его по этим же уравнениям.

Обозначим через q отношение изменившегося расхода D к расчетному D₀, т.е , и получим из уравнения (5.2) квадрат отношения давлений в рассматриваемой ступени:

(5.5)

где p_I и р_II — давления перед ступенью и за ней, р₂ — давление за отсеком, в котором расположена рассматриваемая ступень; индексы 0 и 1 соответствуют расчетному и изменившемуся ре­жимам.

Из этой формулы следует, что при малом давлении p₂₁ его влияние на теплоперепад будет сказываться лишь при очень ма­лых расходах пара. В этом случае отношение давлений p_II/p_I начнет возрастать по мере уменьшения расхода пара, что приве­дет к сокращению тепловых перепадов в ступени. Чем ближе давления р₁₁₀ и р₁₀ к давлению отработавшего пара, которое предполагается неизменным, тем сильнее сказывается изменение расхода пара на отношении давлений p_II/p_I и тем интенсивнее уменьшается теплоперепад ступени при уменьшении расхода па­ра. Лишь при большом снижении расхода пара теплоперепады начинают существенно изменяться в промежуточных ступенях, а после этого в первых нерегулируемых.

Зависимости теплоперепадов отдельных ступеней от относитель­ных расходов пара по­казаны на рис.5.1.

К

Рис 5.1 Зависимость теплоперепадов ступеней от относительных расходов пара

о­личество ступеней в от­секе принято равным пяти. При построении этих зависимостей бы­ло принято, что при полном расходе пара теплоперепады всех ступеней равны и отно­шение давленийр_II0/р₁₀ в каждой ступени со­ставляет 0,7. Давление за отсеком р₂ равно 0,118р₁₀. По мере уменьшения расхода пара быстрее всего падает теплоперепад пятой (последней) сту­пени, затем четвертой и т. д. Теплоперепад первой ступени на­чинает резко уменьшаться при расходах пара меньше 40% расчетного.