ТЭС и АЭС_1 / Лекция 18-19

Лекция 18-19

Энергетические характеристики конденсационных турбоустановок

Дроссельное парораспределение

Система парораспределения предназначена для изменения расхода пара турбиной с тем, чтобы приводить ее мощность в соответствие с непрерывно меняющимся потреблением электрической энергии. Основные типы парораспределения (рис. 1): дросселирование пара путем прикрытия регулирующих клапанов (дроссельное парораспределение); изменение степени впуска пара в турбину путем прикрытия отдельных групп сопел первой ступени (сопловое парораспределение); подвод свежего пара или пара, отобранного после промежуточной ступени, к точке проточной части с более низким давлением (обводное парораспределение) . Обводное парораспределение применяется, как правило, в сочетании с одним из первых двух.

Тип парораспределения представляет собой одну из важнейших конструктивных характеристик турбины. Возможно также управление мощностью турбины путем изменения начальных параметров пара. Закон этого изменения определяется программой регулирования ПТУ . Различные программы регулирования могут быть применены при любом типе парораспределения. Поэтому выбор той или иной программы следует рассматривать не как самостоятельный способ парораспределения турбины, а как эксплуатационную характеристику ПТУ в целом. В настоящей главе различные типы парораспределения рассмотрены при одной программе регулирования — постоянных начальных параметрах пара. Другие программы рассматриваются в последующих главах.

Современные мощные турбины с дроссельным парораспределением имеют несколько параллельно включенных регулирующих клапанов (рис. 1- а), в которых дросселируется весь поток пара, подводимого к соплам первой ступени. Первая ступень выполняется, как правило, с полным подводом, а потоки

Рис. 1. Схемы парораспределения: а — дроссельное; б — сопловое; в — с внешним обводом пара; г — с внутренним обводом

1 — главный регулирующий клапан; 2 — обводной клапан

пара, прошедшие через различные клапаны, смешиваются перед нею в паровпускной части турбины. При этом потери давления во всех клапанах независимо от степени их открытия одинаковы и безразлично, параллельно или последовательно изменяется положение клапанов.

Дроссельный принцип парораспределения может быть реализован также применительно к турбинам, имеющим индивидуальные клапаны для различных групп сопел (рис1 б). Одновременное прикрытие этих клапанов изменяет состояние всего потока пара перед первой ступенью. Однако при этом возможно неодинаковое дросселирование пара в клапанах при их неодинаковом открытии либо различающихся характеристиках и обусловленное этим различие в условиях течения на разных участках проточной части первой ступени.

Процесс расширения при дроссельном регулировании приведён на рис. 2. Состояние пара перед стопорными клапанами соответствует точке (рис. 2, а) с давлением р0 и энтальпиейп0. Если не учитывать при номинальном расходе пара Go потерь давления в стопорных и регулирующих клапанах, то процесс расширения в турбине можно представить линией . Зная параметры рабочего тела, определим термический к. п. д. цикла для номинального режима. Для упрощения будем предполагать неизменным при всех режимах давление за турбиной, что может быть достигнуто, например, соответствующим изменением расхода охлаждающей воды. Уменьшенному расходу пара должно соответствовать пониженное давление pi перед соплами первой ступени (рис. 3), которое может быть найдено по формуле Стодолы. Процесс расширения АВ на hs-диаграмме при этом смещается вправо. Изоэнтропийный перепад энтальпий уменьшается по сравнению с номинальным режимом на (рис. 2, а). К п. д. идеальной ПТУ с дроссельным парораспределением при новом режиме

Рис. 2. Процессы расширения пара в идеальной турбине с дроссельным парораспределением: а — без промперегрева пара; б — с промперегревом

Рис. 3. Изменение давлений за стопорными клапанами и pi перед соплами первой ступени при дроссельном парораспределении в зависимости от расхода пара

где — коэффициент дросселирования;

Коэффициент дросселирования не зависит от конструкции проточной части турбины, а определяется только параметрами пара перед клапанами турбины и за ними. С уменьшением рас­хода пара G термический к. п. д. цикла снижается (кривые 1—3 на рис 4).

В действительности кроме дросселирования в регулирующих клапанах при частичных расходах пара имеются потери давле­ния в стопорных клапанах и . Стопорные клапаны при нормаль­ной работе турбины полностью открыты, и перепад давлений в них невелик, 2—2,5 % начального давления. При других режи­мах этот перепад меняется пропорционально квадрату расхода пара. Отмеченные потери давления следует учитывать при оп­ределении коэффициента дросселирования .

Изоэнтропийный процесс расширения в турбине для номинального режима может быть представлен линией (см. рис. 1, б), а для какого-либо частичного расхода — линией ABCD. Так как с уменьшением расхода пара примерно пропорционально ему снижается и давление перед соплами первой ступени, и давление в промежуточном перегревателе, то изоэнтропийный перепад энтальпии ЧВД практически не меняется (рис. 2). Изоэнтропийный перепад энтальпии ЧНД с уменьшением расхода пара уменьшается, а удельный подвод теплоты к пару в промежуточном пароперегревателе несколько возрастает. Отмеченные обстоятельства определяют понижение термического к. п. д. цикла ПТУ с промперегревом пара по мере уменьшения расхода G (кривые 4—5 на рис. 4). Аналогично

Рис. 4. Зависимость термического к. п. д. цикла ПТУ с дроссельным парораспределением от режима работы при различных начальных параметрах пара

1 — 8,8 МПа, 808 К; 2 — 12,7' МПа, 838 К; 3 — 23,5 МПа, 833 К; 4 — 12,7 МПа, 838/838 К (после косой черты — температура промперегрева); 5 — 23,5 МПа, 833/838 К; 6 — 23,5 МПа, 833/838/838 К < 838 К — температура первого и второго промперегрева. Противодавление 3,43 кПа

Рис. 5. К. П. Д. паротурбинной установки при различных режимах

1 — дроссельное парораспределение; 2 — идеальное сопловое парораспределение; 3 — реальное сопловое парораспределение

изменяется термический к. п. д. цикла ПТУ с двукратным промперегревом пара (кривая 6).

Внутренний относительный к. п. д. турбины и к. п. д. установки. Уменьшение общего перепада энтальпии турбины без промперегрева пара при снижении нагрузки приводит к перераспределению перепадов энтальпии по ступеням. Наиболее сильно уменьшаются перепады энтальпии последних ступеней. Если при конструировании турбины для номинального режима были приняты оптимальные значения характеристического отношения и/Со, то в результате увеличения и/С0 при уменьшении расхода пара снижается внутренний относительный к. п. д. последних ступеней и турбины в целом. Снижение к. п. д. в известной мере ослабляется вследствие уменьшения влажности пара и выходной кинетической энергии последней ступени. Иногда конструкторы для номинального режима выбирают отношение и/Со, меньшее оптимального. В таком случае при небольшом уменьшении расхода пара возможно некоторое повышение внутреннего относительного к. п. д. турбины. При больших же изменениях режима значение и/Сo/ существенно снижается.

В турбине с промперегревом пара ни перепад энтальпии ЧВД, ни отношение давлений , по существу, не зависит от режима. Практически постоянным оказывается и внутренний к.п.д. части высокого давления. К.п.д. части низкого давления изменяется в зависимости от расхода пара примерно так же, как для рассмотренной выше турбины без промперегрева пара.

Определив значения по формуле найдем для разных режимов к. п. д. брутто установки (рис. 5). Главное влияние оказывает термический к. п. д. цикла, поэтому по мере уменьшения расхода пара существенно снижается тепловая экономичность ПТУ с дроссельным парораспределением.

СОПЛОВОЕ ПАРОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ

Идеальное сопловое парораспределение. Идея соплового парораспределения, противоположного дроссельному, состоит в том, чтобы расход пара изменялся без дросселирования за счет изменения числа действующих сопел первой ступени, к которым подводится пар. Для реализации этой идеи в полной мере необходимо бесконечное число регулирующих клапанов, каждый из которых управляет подводом пара к определенному соплу и может занимать либо полностью открытое, либо полностью закрытое положение Именно в этом смысле мы будем в дальнейшем говорить об идеальном сопловом парораспределении в отличие от реального, имеющего конечное число регулирующих клапанов. Отличительная особенность турбин с сопловым парораспределением — специфические условия работы первой, так называемой регулирующей ступени, степень парциальности которой меняется в зависимости от режима. Про-

Рис. 6. Процессы изоэнтропийного расширения пара в турбине с сопловым парораспределением: а — без промперегрева; б— с промперегревом

Рис. 7. Зависимость термического к. п. д. цикла ПТУ от расхода пара: а — без промперегрева (8,8 МПа, 808 К); б — с промперегревом (23,5 МПа, 838/838 К,), Противодавление 3,43 кПа; 1 и 1’ в — идеальное сопловое парораспределение; 2 и 2' — реальное сопловое парораспределение; 3 и 3’ — дроссельное парораспределение

точная часть таких турбин естественно разделяется на две части с принципиально отличными условиями работы: регулирующую ступень и группу ступеней давления, имеющих неизменную степень парциальности.

Процесс изоэнтропийного расширения в турбине без промперегрева пара на номинальном режиме представлен линией А0В0 (рис. 6, а), а в турбине с промперегревом — линией (рис. 6,б). Отрезок характеризует процесс в регулирующей ступени, давление за которой равно , а отрезок — процесс в ступенях давления. Если начальные и конечные параметры пара приняты такими же, как при дроссельном парораспределении, то при номинальном режиме совпадают значения термического к. п. д. цикла. Изменение расхода пара при идеальном сопловом парораспределении производится полным прикрытием части регулирующих клапанов. Давление за остальными, полностью открытыми клапанами мало меняется по сравнению с давлением за ними при номинальном режиме. При этом изоэнтропийный процесс расширения в турбине без промперегрева пара не отличается от процесса при номинальном режиме, а термический к. п. д. цикла для всех режимов сохраняется постоянным (линия 1 на рис. 7). Частичному расходу пара ПТУ с промперегревом пара, для которого изоэнтропийный процесс расширения изображен линией на рис. 6, б, соответствует пониженное давление в промежуточном перегревателе

и возросший удельный подвод теплоты к пару . Вследствие этого с уменьшением расхода пара термический к. п. д. цикла паротурбинной установки с промперегревом пара, имеющей идеальное сопловое парораспределение, несколько снижается, но в значительно меньшей мере, чем при дроссельном парораспределении (кривые 1' и 3' на рис. 7).

Внутренний относительный к. п. д. мощных турбин с сопловым парораспределением при номинальном режиме, как правило, несколько ниже, чем у аналогичных турбин, имеющих дроссельное парораспределение. Это связано с тем, что регулирующая ступень, выполняемая парциальной и рассчитываемая при номинальном режиме на большой перепад энтальпии, имеет меньший к. п. д. по сравнению с тем, который могут иметь ступени давления. С уменьшением расхода пара режим работы регулирующей ступени резко изменяется. Вследствие изменения давления за нею происходит перераспределение перепадов энтальпии. Изоэнтропийный перепад энтальпии регулирующей ступени возрастает на величину, изображаемую отрезком (рис. 6), Связанное с этим уменьшение характеристического отношения , отношения давлений П, а также степени парциальности приводит к существенному снижению к. п. д. регулирующей ступени.

Группу ступеней давления турбины без промперегрева пара можно рассматривать как многоступенчатую турбину, давление перед которой меняется примерно пропорционально расходу пара. Располагаемый перепад энтальпии этой группы при частичных нагрузках уменьшается на ту же величину (см. рис. 6, а), на которую увеличился перепад энтальпии регулирующей ступени. К. п. д. рассматриваемой группы меняется в зависимости от режима примерно так же, как у турбин с дроссельным парораспределением. У турбин с промперегревом пара процессы в ЧНД при любых способах парораспределения совпадают. Одинаковыми оказываются и зависимости к. п. д. этой части от режима. При этом сравнительная экономичность определяется только внутренним к. п. д. части высокого давления. Изоэнтропийный перепад энтальпии и к. п. д. группы ступеней давления ЧВД практически не зависит от режима. Однако изменение к. п. д. регулирующей ступени приводит при частичных нагрузках к понижению общего к. п. д. части высокого давления турбины с сопловым парораспределением, в то время, как при дроссельном парораспределении он сохраняется таким же, как на номинальном режиме.

Одновременное изменение к. п. д. регулирующей ступени и ступеней давления приводит к тому, что внутренний относительный к. п. д. турбины с сопловым парораспределением снижается по мере уменьшения расхода пара более резко, чем с дроссельным.

При режимах, близких к номинальному, ПТУ с идеальным сопловым парораспределением уступает по к. п.д. брутто уста-

Рис. 8. Последовательность открытия регулирующих клапанов турбины с реальным сопловым парораспределением m

новке с дроссельным парораспределением (см. рис. 5). При частичных нагрузках тепловая экономичность ПТУ с идеальным сопловым парораспределением заметно выше. Это объясняется тем, что в регулирующей ступени используется, хотя и с пониженным к. п. д., та часть располагаемого перепада энтальпии, которая вообще теряется в клапанах при дроссельном парораспределении. Однако это преимущество соплового парораспределения может быть эффективно использовано лишь в определенном диапазоне режимов. Обычно номинальному режиму одновенечной регулирующей ступени соответствуют дозвуковые скорости истечения из сопел. С уменьшением мощности турбины скорости истечения из сопел регулирующей ступени вследствие увеличения перепада энтальпии будут приближаться к критической. Когда достигнута критическая скорость, определенное ее увеличение и соответствующее ему использование располагаемого перепада энтальпии происходит за счет отклонения потока в косом срезе сопла. После того как будет исчерпана расширительная способность косого среза сопла, дальнейшее расширение потока будет происходить за пределами сопла. Соответствующий этому прирост располагаемого перепада энтальпии не используется, увеличивая волновые потери энергии.

Реальное сопловое парораспределение. Регулирующие ступени реальных турбин с сопловым парораспределением имеют несколько изолированных групп сопел, подводом пара к каждой из которых управляют один или два параллельно включенных регулирующих клапана. Число этих групп выбирается, как правило, от четырех до шести. Регулирующие клапаны разных групп сопел для мощных турбин открываются последовательно (штриховые линии на рис. 8) за исключением первых двух, открывающихся одновременно. В таких условиях ПТУ с реальным и идеальным парораспределением совпадают по термическому к. п. д. цикла и к. п. д. установки только в режимах, где клапаны, управляющие подводом пара к части групп сопел, открыты полностью, а остальные закрыты и, следовательно, отсутствует дросселирование в клапанах (точки A и В на рис. 5, 7 и 8).

Промежуточные режимы достигаются частичным прикрытием одного клапана. При этом неодинаковы условия истечения пара на разных участках проточной части регулирующей ступени. Состояние пара перед соплами, расположенными за полностью открытыми клапанами, определяется точкой (рис. 9)

Рис. 9. Процесс на hs-диаграмме при частично открытом регулирующем клапане

Рис. 10. Изоэнтропийные перепады энтальпии при сопловом парораспределении

Линия характеризует изоэнтропийный процесс расширения до давления за регулирующей ступенью того потока пара, который прошел полностью открытые клапаны. Изменение изоэнтропийного перепада энтальпии h0 этой части потока при различных режимах характеризуется линией CD на рис. 10. Отсчет перепада производится вниз от кривой АВ, с помощью которой учитываются потери вследствие дросселирования в стопорных клапанах. Произвольному расходу пара G' соответствует изоэнтропийный перепад , изображаемый отрезком EF. В частично открытом клапане происходит дросселирование пара до давления . Состояние пара за ним определяется точкой (рис 5). Изоэнтропийный процесс расширения той части потока, которая проходит через этот клапан, представлен линией . Потери перепада энтальпии , связанные с дросселированием частично открытом клапане, изображены отрезком ЕК на рис. 10, а располагаемый перепад энтальпии W этой части потока — отрезком KF. Дросселирование в частично открытом клапане приводит к снижению термического к. п. д. цикла ПТУ с реальным сопловым парораспределением по сравнению с идеальным (кривые 2 и 2' на рис. 7).

Обводное парораспределение

Этот способ парораспределения чаще всего применяется в комбинации с дросеельным парораспределением или сопловым парораспределением при необходимости увеличения объёмного расхода пара сверх номинального. Номинальный объёмный расход обеспечивается полным открытием главных регулирующих клапанов, подводящих пар к первой ступени. Различают парораспределение с внешним обводом (см. рис1в), когда к промежуточной ступени через обводной клапан подводится свежий пар, причем обводится одна или несколько первых ступеней, и парораспределение с внутренним обводом (см. рис. 1 г), при котором обводится несколько промежуточных ступеней.

ВЫБОР ТИПА ПАРОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Вопрос о выборе рационального типа парораспределения является, по существу, предметом дискуссии с начала паротурбостроения до наших дней. Он неразрывно связан с решением вопроса о назначении турбины и предполагаемых режимах ее работы. Дроссельное парораспределение позволяет обеспечить наибольшую экономичность при расчетном режиме. Как показали расчеты, выполненные ЛПИ совместно с ЛМЗ, дроссельное парораспределение для турбины К-200-130 вместо соплового с заменой регулирующей ступени тремя ступенями давления снижает удельный расход теплоты по машинному залу электростанции при номинальном режиме примерно на 0,3%, а для турбины К-300-240 — на 0,4 %. Такое повышение экономичности равносильно увеличению к.п.д. регулирующей ступени на 2%. Если турбина проектируется как базовая, рационально дроссельное парораспределение. Однако при этом следует иметь в виду, что в нормальных условиях эксплуатации срок службы агрегатов весьма продолжителен и, как правило, превышает тридцать лет. По мере развития энергосистемы агрегаты, считавшиеся в момент проектирования мощными и высокоэкономичными и проектировавшиеся для базовой нагрузки, быстро становятся рядовыми машинами средней мощности и начинают широко использоваться в переменной части графика нагрузок и для регулирования энергосистем. Это обстоятельство приводило к редкому применению дроссельного парораспределения, главный недостаток которого состоит в значительном снижении экономичности на частичных нагрузках вследствие дросселирования всего потока пара.

Сопловое парораспределение, уступая дроссельному в экономичности на расчетном режиме, превосходит его при частичных нагрузках. Это преимущество имеет определяющее значение для турбин сравнительно небольшой мощности, установленных на электростанциях неблочного типа с поперечными связями по пару между агрегатами. Именно на такие турбины, обладавшие умеренной экономичностью, до недавнего времени ложилась основная тяжесть в покрытии переменной части графиков нагрузки.

Вместе с тем сопловому парораспределению присущи и определенные недостатки, влияющие на тепловую экономичность, надежность и маневренные свойства турбины. Они в основном связаны с парциальным впуском пара, в том числе при номинальном режиме. Снижение тепловой экономичности обусловлено вентиляционными потерями и потерями «на выколачивание пара» по краям сопловых сегментов, а также выбором для регулирующих ступеней значений, меньших оптимального. Определенные потери вызываются дросселированием пара ввиду необходимости перекрытия клапанов. Кроме того, в процессе эксплуатации иногда имеются дополнительные потери от дросселирования пара в регулирующих клапанах. Главная часть этих потерь происходит не как следствие выбранного способа парораспределения, а в результате нерационального распределения нагрузок между агрегатами с сопловым парораспределением. Причина этого состоит в распространенном способе распределения нагрузок исходя из равенства относительных приростов удельных расходов теплоты, для определения которых широко используются спрямленные энергетические характеристики агрегатов, построенные без учета снижения экономичности из-за дросселирования пара в частично открытых клапанах и предполагающие монотонное изменение экономичности турбин с сопловым парораспределением. Использование таких характеристик приводит к одинаковым загрузкам однотипных агрегатов. При этом при некоторых режимах имеется дросселирование пара в одном из клапанов у всех турбин, и все турбины имеют минимум экономичности. Перераспределение нагрузок путем полного открытия третьего клапана у одних турбин и прикрытия его у других (переход к точкам А и В) позволяет, устранив полностью или частично дросселирование в клапанах, повысить экономичность работы турбоустановок до 0,4 % .

Один из существенных недостатков соплового парораспределения при высоких параметрах пара заключается в том, что вследствие различного дросселирования в регулирующих клапанах при их неодинаковом открытии температуры потоков пара, идущих через эти клапаны, могут существенно различаться. Так, например, при начальных параметрах 40 МПа, 923 К температура пара за клапаном, открытым на 10%, оказывается на 180 К ниже температуры за полностью открытыми клапанами. Такая неоднородность потока и связанный с нею неравномерный нагрев статора турбины могут быть причиной значительных температурных напряжений и коробления корпуса, существенно ухудшая маневренные качества турбины. Для устранения неравномерности параметров перед различными сегментами сопел применяется одновременный впуск пара в несколько групп сопел. При этом сопловое парораспределение приближается к дроссельному и разница в экономичности частичных режимов между ними сокращается. Справедливости ради следует заметить, что при двухпоточных конструкциях ЦВД мощных паровых турбин принципиально возможно реализовать сопловое парораспределение при сохранении полного подвода пара к каждой половине цилиндра. Для этого необходимо разделить эти потоки и применить для каждого из них самостоятельные регулирующие клапаны, открываемые последовательно. Аналогичная идея применена французской фирмой «Альстом» для турбины 600 МВт с однопоточным ЦВД.

В то же время мощности регулирующих ступеней крупнейших паровых турбин достигли необычайного уровня (около 50 МВт у турбины К-800-240 ЛM3). Проектирование рабочих лопаток таких ступеней, подверженных (ввиду нестационарности потока, обусловленной парциальным подводом пара) большим переменным усилиям, вызывающим колебания значительной амплитуды, становится крайне затруднительным. С ростом единичной мощности турбин конструкторы оказываются вынужденными увеличивать ширину лопаток, что вследствие уменьшения относительной высоты лопаток регулирующих ступеней безусловно снижает их к. п. д. Наконец, сопловое парораспределение с парциальным подводом пара представляет одну из причин низкочастотной вибрации роторов высокого давления мощных паровых турбин.