Зорин В.М. Атомные электростанции

Приведенные диаграмма и значения производных позволяют оценить оптимальное по тепловой экономичности разделительное давление для значений вляющих факторов, отличных от базовых. Введем общее обозначение для этих факторов

0,97; 0,7; 40; 13,2}. Порядок решения задачи раскрывается в следующем примере.

Пример. Пусть проектируется ПТУ при следующих значениях влияющих

отвечающее базовым значениям влияющих факторов.

Этот же результат может быть получен и линейной интерполяцией двух зна-

Поскольку речь идет не о точном расчете, а об оценке, положение искомой точки на диаграмме может определяться и приближенно («на глазок»).

2. Рассчитаем изменения значений вляющих факторов:

ΔΦ = Φ – (Φ ) , i = 1, …, 5,

i i i баз

3. С использованием значений соответствующих производных (см. с. 340)

i

i=1

341

= 0,0287 МПа.

Смысл этой поправки заключается в том, что все точки на линиях диаграммы

при p = 4 МПа должны быть смещены вверх на 0,0287 МПа. Из этого следует,

0

что при изменении значений влияющих факторов линии на диаграмме пойдут

Такая же зависимость смещения точек принимается и для других линий.

Нужно отметить, что оптимальное по тепловой экономичности разделительное давление оказывается достаточно высоким, при котором влажность пара на выходе из ЦНД больше 10 %, т.е. недо-

–1

пустима для турбин с частотой вращения 50 с . В этом случае необходимо снижать разделительное давление, отдаляясь от оптимального значения. Заметим также, что при двухступенчатом СПП разделительное давление, выбранное по допустимой влажности пара на выходе из турбины, будет ближе к термодинамически оптимальному, поскольку его значение ниже, чем при одноступенчатом СПП.

Введение начального перегрева пара увеличивает оптимальное значение разделительного давления, которое также зависит от многих параметров тепловой схемы ПТУ. В случае начального перегрева пара до уровня температур примерно 500—540 °С рекомендуются

342

Контрольные вопросы и задания

1.С какой целью применяются промежуточные перегрев и сепарация пара турбины?

2.Что такое однократный и двукратный, одноступенчатый и двухступенчатый промежуточные перегревы пара?

3.Почему вариант с двукратной промежуточной сепарацией пара (без промперегрева) может оказаться целесообразным?

4.Назовите основные конструктивные особенности СПП «ЗИОМАР» (какие типы сепарационных блоков, поверхности нагрева используются, их взаимное расположение и т.п.).

5.Для чего необходимы специальные емкости — сепарато- и конденсатосборники — при установке СПП?

6.Перечислите управляемые параметры, выбираемые при проектировании системы промежуточных сепарации и перегрева пара турбины.

7.Каково влияние изменения гидравлических сопротивлений элементов СПП на конструктивные характеристики аппарата и тепловую экономичность ПТУ?

8.На какие характеристики оборудования ПТУ оказывает влияние разделительное давление турбины?

9.Сформулируйте основной принцип объединения дренажей СПП с основным потоком рабочего тела ПТУ.

10.Перестройте диаграмму, приведенную на рис. 18.12, для следующих зна-

чений влияющих факторов: р = 4 кПа; η = 0,9663; а = 0,88; h = 40 кДж/кг;

δt = 25 °С, используя условие, в соответствии с которым смещения точек на

2

линиях р = const пропорциональны изменению р .

= 6 МПа, р = 2,05 МПа и тех же значений других влияющих факторов, что и в

гр1

задании 10.

343

Глава 19

ПАРОВАЯ ТУРБИНА

Паровая турбина — это двигатель с вращательным движением рабочего органа — ротора, преобразующий в механическую работу потенциальную энергию подводимого рабочего тела — пара. Основной конструктивный элемент турбины — турбинная ступень, состоящая из невращающегося соплового аппарата с сопловыми лопатками и вращающегося рабочего колеса с рабочими лопатками и диском (рис. 19.1). Сопловой аппарат предназначен для расширения пара, придания необходимой скорости и направления потоку на выходе. Движущийся с большой скоростью пар передает усилия на рабочие лопатки за счет изменения направления потока и, как правило, некоторого его ускорения в каналах, образуемых рабочими лопатками.

Ступени турбины последовательно размещаются в одном или нескольких корпусах — цилиндрах турбины. Каждый цилиндр имеет свой ротор (вал). Роторы всех цилиндров и турбогенератора соединяются в единый валопровод, который устанавливается в опорных под-

Рис. 19.1. Турбинная ступень:

а — сектор кольцевой турбинной решетки; б — продольный разрез; 1 —

диафрагменное уплотнение; 2 — диафрагма; 3 — сопловая решетка; 4 — корпус турбины; 5 — надбандажное уплотнение; 6 — ленточный бандаж; 7 — рабочая

решетка; 8 — диск; 9 — вал; l — длина лопатки; d , d , d — диаметры

к ср пер

соответственно корневой, средний, периферийный

344

Наибольшее распространение в нашей стране получили АЭС

с водоохлаждаемыми реакторами. Принятые параметры воды (под давлением или кипящей), воспринимающей теплоту в активной зоне, предопределили сравнительно низкие параметры пара перед турбиной: давление 4,3—7 МПа и соответствующую ему температуру насыщения. Потребовалось создание турбин, не применявшихся в традиционной энергетике. Их основные особенности — работа влажным паром, начиная с паровпуска и первых ступеней, и удельные расходы пара, существенно большие, чем в турбинах на перегретом паре.

19.1. Характеристики потока влажного пара в турбине

Широко используемой характеристикой потока пара в турбине является влажность пара. Она может быть определена по массе пара

В расчетах тепловых схем или турбины влажность пара обычно определяют по расходам пара G и жидкости G :

где v и v — удельные объемы пара и жидкости.

пж

жидкости с в потоке, которые, как правило, не равны. Поэтому мас-

ж

Кроме влажности используются следующие характеристики

потока:

дисперсность, или доля крупнодисперсной влаги,

Условно принято, что влага — крупнодисперсная, если ее движение происходит со скольжением ν ≤ 0,8. Размеры капель крупнодисперсной влаги составляют от 20 до 200 мкм. Влага — мелкодисперсная, если размеры капель равны 1—2 мкм.

В настоящее время установлено, что образование влаги в проточной части турбины, на вход которой подан перегретый пар, происхо-

346

дит в неравновесном процессе. Высокие скорости пара приводят к отклонениям фактического его состояния от термодинамически равновесного. Впервые переохлаждение пара было обнаружено в опытах словацкого теплотехника А. Стодолы на дозвуковых соплах — до 20 °С ниже температуры насыщения. Переохлаждение до 35—40 °С было зафиксировано в экспериментах, проведенных в МЭИ в 70— 80-е годы прошлого века на сверхзвуковых соплах.

Переохлаждение способствует увеличению частоты образования зародышей конденсации в виде мельчайших капель, внутри которых давление больше, чем в окружающем потоке, благодаря силам поверхностного натяжения и малому радиусу. Процесс капельной конденсации пара всегда термодинамически неравновесный, т.е. температура жидкости в капле всегда больше температуры пара. И эта разность оказывается тем большей, чем с большей скоростью уменьшается давление, что приводит к образованию капель влаги с меньшим диаметром. На рис. 19.3 представлены экспериментальные данные, характерные для зоны начала конденсации пара в турбинной ступени [22].

Рис. 19.3. Изменение температуры и внутреннего относительного КПД ступени

выходе из ступени к давлению на входе

347

Как видно из рис. 19.3, после достижения максимального значения переохлаждения пара, которое зависит от давления и скорости потока, достаточно быстро восстанавливается состояние равновесия.

Различают спонтанную конденсацию переохлажденного пара в ядре потока и конденсацию относительно слабо переохлажденного пара в вихревых следах сопловых и рабочих лопаток. В последнем случае вероятность осаждения образовавшихся капель на поверх-

ности лопаток выше.

Образовавшиеся капли «забирают» примеси из окружающего пара в соответствии с коэффициентом распределения, который принято опи-

сывать линейной зависимостью в логарифмических координатах:

ρ — плотности контактирующих между собой пара и воды; n — пока-

в

затель степени, зависящий от вида примеси. Для подавляющего боль-

шинства примесей n > 1 и k << 1 (рис. 19.4), причем коэффициент рас-

р

пределения тем меньше, чем ниже давление (с уменьшением давления

плотность пара ρ снижается несравнимо быстрее, чем ρ ).

п в

Таким образом, концентрация примесей в воде значительно больше, чем в паре, и тем в большей мере, чем меньше давление. Это означает, что, поскольку давление конденсации пара в турбине намного меньше давления генерации этого пара в паропроизводительной установке, концентрация примесей в первоначально образующейся влаге может существенно превосходить концентрацию их в воде парогенератора. Попадая на поверхность лопаток, относительно «теплую», такие капли могут испаряться, при этом концентрация примесей в остающейся влаге возрастает. Кинетика процесса при высыхании капли такова, что концентрация в паре отстает от уровня, который должен бы установиться в соответствии с коэффициентом распределения. Концентрация примесей в высыхающих каплях достигает очень больших значений, обусловливая отложения и интенсифицируя коррозионное растрескивание под напряжением и коррозионную усталость.

Значительные отложения увеличивают механические потери, уменьшая полезную работу, и вызывают необходимость периодической промывки проточных частей турбин, работающих перегретым паром. Коррозионные процессы в зоне спонтанной конденсации являются причинами повреждения лопаток и дисков турбины.

В этом отношении влажнопаровые турбины работают в лучших условиях. На входе в ЦВД пар уже влажный, зона спонтанной конденсации отсутствует. Примеси из пара по мере его расширения

348

Рис. 19.4. Результаты натурных исследований коэффициентов распределения k

р

для коррозионно-активных примесей [22]:

k — отклонение значений k от «классических» прямых линий лучевой диаграммы

переходят во влагу, но при бóльших давлениях, чем в турбинах перегретого пара. Отложения на деталях проточной части образуются с меньшей скоростью. После ЦВД устанавливаются как минимум сепараторы, где происходит своеобразная промывка пара, в результате которой практически все примеси (давление достаточно низкое) оказываются в сепарате. В ЦНД или также отсутствует зона спонтанной конденсации (если перед ним установлен только сепаратор), или примеси, выносимые из сепаратора с остаточной влагой, оседают на начальных участках поверхности нагрева промежуточного пароперегревателя, а пар в ЦНД поступает с минимально возможным содержанием примесей. Это подтверждается осмотрами проточных

349

частей ЦНД турбин, которые после длительной эксплуатации оставались практически без отложений.

Капли влаги имеют меньшую скорость по сравнению с паром (коэффициент скольжения ν < 1). После начала конденсации, когда размеры капель малы, по мере движения в проточной части они могут объединяться, образуя более крупные капли. Происходит и дальнейшая конденсация пара по мере уменьшения полной энтальпии потока в результате совершаемой работы. Отставая от пара, капли ударяются о входные кромки рабочих лопаток навстречу их движению, создают сопротивление вращению, т.е. уменьшают внутренний относительный КПД. Кроме того, в результате соударений возникает эрозия — механическое разрушение поверхностного слоя металла. В большей степени подвержены эрозии кромки на концах лопаток, поскольку на периферии окружная скорость вращения и концентрация капель наибольшие. Эрозионное воздействие испытывают и лопатки соплового аппарата.

Понятие допустимой влажности пара означает приемлемый уровень эрозионного воздействия, позволяющий эксплуатировать турбину в течение установленного срока.

Считается [23], что влажность пара у = 10 % является допустимой

при окружных скоростях на периферии лопаток u ≤ 520 м/с, а у =

пер

= 16 % — при u ≤ 400 м/с. При скорости более 550 м/с из-за увели-

пер

чения располагаемого теплоперепада на ступень и уменьшения доли крупнодисперсной влаги (в результате дробления капель) допустимая влажность может несколько возрастать (рис. 19.5).

y, %

20

10

0

Рис. 19.5. Примерная зависимость допустимой влажности пара в турбине от

периферийной скорости рабочей лопатки

350