ТЭС и АЭС_1 / Лекция 18-19

Отмеченные причины, главная из которых — сложность обеспечения надежности регулирующей ступени, обусловили переход к дроссельному парораспределению практически для всех турбин мощностью выше 1000 МВт. С дроссельным парораспределением в современных условиях выполняются и многие турбины меньшей мощности, в особенности влажнопаровые турбины для АЭС, рассчитанные на большие объемные расходы пара (500 МВт и выше). Переход для мощных турбин к дроссельному парораспределению поставил задачу изыскания путей повышения экономичности турбин при частичных нагрузках. Один из таких путей — скользящее давление.

Область применения обводного парораспределения ограничивается в настоящее время в основном турбинами малой и средней мощности, где оно используется с целью перегрузки их сверх номинальной мощности или расхода пара, большего номинального. В частности, парораспределение с внутренним обводом в сочетании с сопловым применено ЛМЗ для теплофикационных турбин ПТ-60-130 и ПТ-80-130.

Некоторые заводы, например КТЗ, применяют обводное парораспределение в сочетании с дроссельным для приводных турбин питательных насосов мощных энергетических блоков. Объемные расходы пара этими турбинами, получающими пар переменных параметров из камер нерегулируемых отборов главной турбины, в ряде режимов возрастают при снижении нагрузки блока. Применение обводных клапанов, закрытых на номинальном режиме и открывающихся по мере уменьшения мощности блока, позволяет, устранив дросселирование в регулирующих клапанах приводной турбины, повысить тепловую экономичность блока при больших нагрузках.

В мощных турбинах, рассчитанных на высокие начальные параметры пара, обводное парораспределение в настоящее время практически не применяется. Главная причина этого — усложнение конструкции турбины и ухудшение ее маневренных свойств, что связано с температурными напряжениями и деформациями, возникающими при открытии обводного клапана, когда свежий пар подводится в зону, находившуюся ранее под воздействием пара умеренной температуры. Кроме того, обводное парораспределение в турбинах, имеющих одновенечные регулирующие ступени с малыми перепадами энтальпии в номинальном режиме, дает незначительный эффект ввиду повышения давления в камере регулирующей ступени при открытии обводного клапана. Наконец, опыт эксплуатации турбин с обводным парораспределением показал, что достаточно трудно добиться плотности закрытия обводных клапанов, размеры которых при небольших перепадах давления на них оказываются значительными. Пропуск пара обводными клапанами снижает экономичность ПТУ при режимах, где обводное парораспределение не используется, в том числе и при номинальном.

Вместе с тем не следует торопиться считать обводное парораспределение бесперспективным. Широкое применение для мощных турбин дроссельного парораспределения в сочетании с их работой при скользящем начальном давлении пара резко обострило проблему хотя бы частичной ликвидации ограничений на пропускную способность ЦВД. При сопловом парораспределении она решалась с помощью специального перегрузочного клапана, полностью закрытого при номинальном режиме и потому не влиявшего на экономичность ПТУ при этом режиме. Аналогичное решение той же задачи при дроссельном парораспределении неполным прикрытием регулирующих клапанов из-за дросселирования в них на номинальном режиме привело бы к существенному снижению тепловой экономичности ПТУ. Наряду с этим в последнее время стали выявляться новые эксплуатационные задачи, для решения которых в турбоустановке необходим больший расход пара, чем максимальный расход ЦВД. Такие задачи возникают, в частности, в периоды продления рабочей кампании энергоблоков АЭС с водо-водяными реакторами за счет применения скользящего давления во втором контуре, чтобы предотвратить или по возможности уменьшить снижение мощности, обусловленное уменьшением пропускной способности регулирующих клапанов турбины по мере снижения давления пара, а также при необходимости разгрузки турбоустановок ТЭЦ для участия в суточном и недельном регулировании энергосистем в периоды больших тепловых нагрузок, когда необходимый для уменьшенной электрической мощности расход пара оказывается значительно меньшим требуемого для выработки заданного количества теплоты, и в ряде других случаев.

В отмеченных случаях может оказаться эффективным обводное парораспределение. При этом обводные линии могут быть подсоединены не к корпусу турбины, а — при многоцилиндровых конструкциях — к перепускным трубам между цилиндрами, к трубопроводам, соединяющим камеры регенеративных или теплофикационных отборов с подогревателями, и к другим элементам, что упрощает конструктивные решения и облегчает эксплуатацию. В периоды, когда работа ПТУ обеспечивается основными регулирующими клапанами, обводные линии могут быть отсечены стопорными клапанами или задвижками, обладающими в отличие от регулирующих обводных клапанов необ­ходимой плотностью и благодаря этому устраняющими при таких режимах потери от протечек по обводным линиям. Для повышения тепловой экономичности ПТУ с обводным парорас­пределением могут оказаться эффективными схемы с турбообводным или компрессорно-обводным парораспределением.

СКОЛЬЗЯЩЕЕ НАЧАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ ПАРА

Термодинамические особенности работы ПТУ при скользящем давлении. Программа регулирования мощности ПТУ скользящим начальным давлением пара р0 при неизменном положении т регулирующих клапанов турбины впервые была предложена в конце 20-х годов В. Д. Кирпичниковым для турбин с противодавлением, а несколько лет спустя — Г. Глейхманом и Г. Меланом для конденсационных турбин. Однако в то время в большой энергетике применялись низкие параметры пара, при которых этот способ не давал существенных преимуществ перед работой при постоянном давлении свежего пара. Вследствие этого работа при скользящем давлении не нашла тогда сколько-нибудь значительного применения на электростанциях, хотя и использовалась в некоторой мере для судовых ПТУ. Переход к четвертому этапу энергетики, характеризующемуся высокими, в том числе сверхкритическимй, параметрами и промежуточным перегревом пара, блочной компоновкой агрегатов, а также непрерывным повышением неравномерности графиков нагрузки в энергосистемах, открыл перспективы практического использования скользящего давления на ТЭС. Длительное время внедрение скользящего давления тормозилось распространенным мнением о невозможности участия ПТУ, работающих при скользящем давлении, из-за их низкой приемистости в регулировании частоты и активной мощности в энергосистемах, а также противоречивостью данных о тепловой экономичности работы блоков при скользящем давлении, полученных различными исследователями, многие из которых проводили изыскания при неоптимальных для скользящего давления положениях регулирующих клапанов турбин, характеристиках питательных насосов и пр. Лишь в конце 60-х — начале 70-х годов исследованиями ЛПИ, ЛМЗ, Союзтехэнерга,. Урал-ВТИ, МЭИ, ЦКТИ и других организаций в эти вопросы была внесена ясность.

На рисунке11 представлены процессы А0В0 и А'В' изоэнтропийного расширения пара в турбине, не имеющей промперегрева, при скользящем давлении для номинального (G0) и частичного (G) расходов пара. Этим расходам соответствуют давления р0 и р 1 перед соплами первой ступени. При построении процесса А'В' принято, что для всех режимов начальная температура пара То неизменна. Для сравнения на том же графике приведены процессы расширения АВ и А0В0 при расходе G для турбин, работающих на постоянном давлении и имеющих соответственно дроссельное и сопловое парораспределение. Во всех рассмотренных случаях предполагалось, что давление р_х в конденсаторе одинаково для всех режимов.

При скользящем давлении с изменением режима меняется также цикл ПТУ. При номинальном режиме на 7s- диаграмме он изображается контуром aoboс₀d₀e₀, а при частич­ном — a₀bcde. Удаление параметров цикла от оптимальных по мере снижения нагрузки определяет понижение термического к. п. д. цикла при скользящем давлении . Однако это понижение оказывается менее интенсив­ным, чем для установки с дроссельным парораспределением при постоянном давлении . Это объясняется тем, что процесс дросселирования пара в регулирующих клапанах тур­бины d₀di (см. рис.12 ) сопровождается понижением темпера­туры пара перед турбиной. Поскольку с термодинамической точки зрения эффективность цикла определяется достигаемыми перед турбиной параметрами пара и не зависит от линии под­вода теплоты, полученный цикл aoboCododiei эквивалентен циклу a₀bcd\e_{. Последний же практически совпадает с циклом скользящего давления по давлению перед турбиной, но отлича­ется от него меньшей температурой. Вследствие отмеченного скользящее давление по термическому к. п. д. цикла при ча­стичных нагрузках превосходит постоянное, сочетаемое с дрос­сельным парораспределением.

Термо­динамический выигрыш от применения скользящего давления вместо дроссельного парораспределения при постоянном давле­нии обусловлен не самим по себе устранением дросселирования рабочего тела, а непостоянством удельной теплоемкости пара с_р, вследствие чего при дросселировании свежего пара понижа­ется его температура. Если бы вместо пара в установке был применен совершенный газ с неизменной теплоемкостью с_р, то линии постоянной энтальпии совпали бы с изотермами и про­цессы d\ei и de (см-рис.12 ) не отличались бы друг от друга. В таком случае скользящее давление не дало бы термодинами­ческого выигрыша по сравнению с дроссельным парораспреде. Рассмотрим далее влияние промперегрева пара на эффективность применения скользящего давления. ЧНД турбины с промперегревом пара можно рассматривать как конденсационную турбину, работающую при скользящем давлении рп в промежуточном перегревателе. Процессы расширения CoDo и CD (см. рис11) в этой части соответственно при номинальном и частичном расходе пара не зависят от способа регулирования ЧВД. Количество теплоты, отводимое от пара в конденсаторе, ери равных расходах пара одинаково для турбин с ЧВД, работающими при постоянном и скользящем давлении. Процессы изоэнтропийного расширения в ЧВД при частичной нагрузке изображаются соответственно линиями для соплового па­рораспределения, АВ — для дроссельного парораспределения при постоянном давлении и А'В' — при скользящем. Они ана­логичны соответствующим процессам на рис. 7, а. Однако между ними есть принципиальное отличие. Для турбины без промперегрева смещение вправо процесса расширения при скользящем давлении и обусловленное им повышение энталь­пии пара, покидающего турбину, увеличивает количество теп­лоты, отдаваемой каждым килограммом пара охлаждающей воде в конденсаторе. Для турбин же с промперегревом пара потери в холодном источнике, как было показано выше, одина­ковы для всех сравниваемых вариантов. Повышение же энталь­пии пара за ЧВД при скользящем давлении уменьшает то ко­личество теплоты, которое должно быть подведено к пару в промежуточном перегревателе. Этот возврат теплоты прино­сит дополнительный выигрыш для турбин, работающих при скользящем давлении, по сравнению с аналогичными турби­нами, имеющими при постоянном давлении дроссельное паро­распределение.

С возвратом теплоты связано также сокращение зоны про­игрыша по сравнению с турбинами, имеющими при постоянном давлении реальное сопловое парораспределение. Как следует из рис 9, при докритическом давлении пара (12,7 МПа) кри­вая 4 во всем рассматриваемом диапазоне режимов проходит выше кривой 1, но при G<0,5 различие не превышает 0,25%. С переходом к сверхкритическому давлению (23,5 МПа) при нагрузках, меньших 60 % номинальной, термический к. п. д. цикла при скользящем давлении становится выше, чем при реальном сопловом парораспределении. При скользящем давлении могут работать турбины как с дроссельным, так и с сопловым парораспределением. При но­минальном режиме более высокий внутренний относительный к. п. д. то имеет турбина с дроссельным парораспределением. Поскольку давление пара перед соплами первой ступени при скользящем давлении мало отличается при равных расходах от аналогичной величины у турбины с дроссельным парораспреде­лением при постоянном давлении, внутренний относительный к. п. д. турбины с дроссельным парораспределением при сколь­зящем давлении практически совпадает с аналогичной величи­ной при постоянном давлении. Для турбины с сопловым паро­распределением, работающей при скользящем давлении, харак­теристика G эквидистантна предыдущей.

У турбин с промперегревом пара процессы (CD) в ЧНД при постоянном и скользящем давлении совпадают (см. рис. 7, б) и на сравнительную экономичность влияет только внут­ренний относительный к. п. д. цилиндра высокого давления. По мере снижения нагрузки при скользящем давлении примерно пропорционально расходу пара уменьшаются давления перед турбиной и в промежуточном перегревателе, так что отношение давлений П = р_п/р1 не изменяется. Практически неизменным в широком диапазоне режимов при скользящем давлении оста­ется и внутренний относительный к. п. д. ЦВД (рис. 10) как при дроссельном, так и при сопловом парораспределении. Для сравнения на том же рисунке нанесены графики внутреннего относительного к. п. д. ЦВД турбины с дроссельным и сопло­вым парораспределением при постоянном давлении. Первая из них почти совпадает с аналогичной характеристикой при сколь­зящем давлении. При детальных расчетах турбин следует учи­тывать некоторое отличие гидравлических сопротивлений «хо­лодной» линии промперегрева вследствие разной плотности пара за ЦВД при постоянном и скользящем давлении, а также некоторое повышение давления в регенеративных отборах и по всей проточной части турбины при скользящем давлении из-за уменьшения плотности пара. Первый из этих факторов не­сколько уменьшает термодинамический выигрыш от примене­ния скользящего давления, а второй — увеличивает его.

К. п. д. цилиндра высокого давления турбины с сопловым парораспределением при постоянном давлении ввиду увеличе­ния перепада энтальпии регулирующей ступени понижается с уменьшением расхода пара до значения его, соответствую­щего точке В на рис. 9. При меньших расходах происходит дросселирование всего потока пара, подводимого к турбине, и, как при дроссельном парораспределении, к. п. д. цилиндра ос­тается неизменным (линия ВС на рис.-3-10).

Рис. 11. Зависи­мость внутрен­него относитель­ного к. п. д. ЦВД от расхода пара

1— скользящее дав­ление, дроссельное парорасгтределен и е; 2— скользящее дав­ление, сопловое паро­распределение; 3— постоянное давление, дроссельное паро­распределение; 4 — постоянное давле­ние, сопловое паро­распределение

Рис. 12. Зависимость к. п. д. брутто ПТУ без учета регенерации от рас­хода пара G при разных способах регулирования мощности

1— постоянное давление, дрос­сельное парораспределение; 2 — постоянное давление, иде­альное сопловое парораспреде­ление; 3 — постоянное давле­ние, реальное сопловое паро­распределение, 4—6 — скользя­щее давление, дроссельное парораспределение отне­сен к значению к. п. д. ПТУ с дроссельным парораспреде­лением при номинальном ре­жиме)

Внутренний относительный к. п. д. турбин с дроссельным парораспределением при постоянном и скользящем давлении практически одинаков при одинаковых расходах пара. Термиче­ский же к. п. д. цикла выше у установки, работающей при скользящем давлении. Следовательно, во всем диапазоне ча­стичных нагрузок она имеет более высокий к. п. д. брутто, причем выигрыш возрастает с ростом номиналь­ного давления свежего пара (кривые 4, 5, 6 расположены в по­рядке последовательного увеличения ро) и с применением промперегрева пара. Поэтому в тех случаях, когда при проекти­ровании турбины по каким-либо причинам (например, из-за вибрационной прочности первой ступени) принято дроссельное парораспределение, следует проектировать ее и весь блок для работы при скользящем давлении.

Сравним далее работу установки при скользящем давлении и постоянном с реальным сопловым парораспределением (кри­вая 3). При низких начальных параметрах пара характери­стика ПТУ при скользящем давлении (кривая 4) мало отлича­емся от кривой 1. В этом случае при частичных нагрузках более высоким к. п. д. обладает установка с сопловым парорас­пределением, и проектирование турбин с дроссельным парорас­пределением специально для скользящего давления нерацио­нально. При повышении номинальных параметров пара харак­теристика ПТУ при скользящем давлении, как следует из рис. '3-11- (кривая 5), дважды пересекает кривую 3. Следова­тельно, работа при скользящем давлении оказывается термо­динамически эффективной в области низких нагрузок и вблизи номинального режима. Однако для таких ПТУ имеется область режимов вблизи точки В, где преимущества на стороне сопло­вого парораспределения при постоянном давлении. Поскольку при работе в переменной части графика нагрузки определенную часть времени установка может работать в этой области режи­мов, целесообразность проектирования таких ПТУ на докри- тические параметры пара специально для работы при скользя­щем давлении с дроссельным парораспределением также дис­куссионна, если это не вызвано иными соображениями, например стремлением повысить маневренность турбины (как это сделано для полупиковой установки К-500-130). Наконец, при переходе к сверхкритическим параметрам пара (кривая 6) во всем диапазоне режимов более экономична ПТУ с дрос­сельным парораспределением, работающая при скользящем давлении. В этом случае можно рекомендовать специальное проектирование блоков для работы при скользящем давлении.