книги из ГПНТБ / Усов С.В. Основы эксплуатации электрических станций конспект лекций

Однако с точки зрения одинаковости эксплуатационные характеристики правильней делить на турбины без промежу­ точного перегрева и с промежуточным перегревом пара.

Турбина без промежуточного перегрева пара, вращаю­ щаяся с постоянной скоростью, практически не содержит инерционных элементов. Объем пара в ней мал, а скорость его высока, так что весь путь от первой ступени до выхлопной камеры каждая частица пара проделывает за очень короткий промежуток времени, измеряемый десятыми и даже сотыми долями секунды (0,08—0,12 с). Поэтому аккумулирующая способность турбины близка к нулю, а с ее инерционностью можно не считаться, так как постоянная времени запаздыва­ ния имеет порядок одной десятой секунды и, конечно, не влияет на процесс регулирования.

Изменить нагрузку такой турбины от нуля до максимума можно было бы очень быстро (рис. 44). Однако быстрое из­ менениенагрузки в столь широком диапазоне недопустимо из-за резкого изменения температурного режима отдельных ступеней, о чем подробней говорится ниже.

Формально вторичный пароперегреватель является элемен­ том парового котла. Но так как этот пароперегреватель встроен между цилиндром высокого давления (ЦВД) и низ­ кого (ЦНД) турбины и его запаздывание отражается на регу­ лировании нагрузки ЦНД, его следует считать элементом турбины, по крайней мере при рассмотрении быстрых переход­ ных процессов при регулировании.

Система промежуточного пароперегревателя имеет сравни­ мые массы металла и объемов пара, и поэтому, а также по­ тому, что давление пара здесь ниже, постоянная времени этой системы на порядок меньше постоянной времени самого котла высокого давления.

Так, 450-тонный котел имеет объем вторичного паропере­ гревателя (включая паропроводы) 120 м3, вес металла 250 т, вес пара 1,2 т, а постоянная времени вторичного пароперегре­ вателя равна 10 с. Аккумулирующее действие промежуточ­ ного пароперегревателя неблагоприятно сказывается на пере­ ходном режиме изменения нагрузки, так как в соответствии с долей мощности ЦВД немедленно может быть взята нагрузка примерно в 1/4 или даже в 1/3 мощности турбины. Остальная часть нагрузки покрывается замедленно с постоянной времени Тип промежуточного пароперегревателя (рис. 45). Обычно эта постоянная времени для разных типов котлов и турбин колеб­ лется в пределах от 5 до 15 с.

Другим принципом группировки турбин является деление их на базовые и пиковые.

Базовые турбины — это турбины нормального исполнения среднего и высокого давления с развитой регенеративной схе-

60

мой и вторичным перегревом пара. Они отличаются высокой экономичностью, но зато пуск их длителен, перегрузочная способность почти отсутствует, а быстрые изменения нагруз­ ки могут быть допущены лишь в узком диапазоне мощностей, не превышающем обычно ±20% номинальной мощности тур­ бины.

Пиковые турбины появились в последние годы и предназ­ начаются для покрытия пиковой части графика нагрузки. Их особенностями являются возможность быстрого прогрева и пуска, а также широкий диапазон быстрого изменения нагруз­ ки. Такие турбины способны также работать со значительны­ ми перегрузками.

получаются за счет упрощения конструкции и отказа от реге­ неративного подогрева питательной воды и промежуточного перегрева пара, экономичность пиковых турбин значительно ниже, чем базовых. Так, если удельный расход тепла у турби­ ны высокого давления нормальной конструкции составляет 8000 — 9200, то пиковые турбины разных конструкций расхо­ дуют от 11 000 до 14 000 кДж/кВт • ч.

Повышение мощности пиковых турбин достигается вариа­

может повысить свою мощность в случае необходимости на 40%, т. е. до 350МВт, за счет повышения давления пара перед стопорным клапаном со 140 до 170 кгс/см2 (на 20%), одновре­

давления. Все эти меры ведут к повышению весового количе­

61

кроме уменьшения удельного объема пара, способствует удер­ жанию скорости крипа металла на расчетном уровне.

Разумеется, все эти меры приводят также к тому, что в период работы с повышенной нагрузкой экономичность тур­ бины падает.

Существуют и другие способы повышения мощности и: создания так называемого встроенного резерва мощности, на­ пример перепуск свежего пара непосредственно в ЦСД или: даже в ЦНД турбины или переброска части перегретого пара из основного пароперегревателя в промежуточный. Но все они также связаны с понижением экономичности и требуют неко­ торых конструктивных переделок в проточной части турбины и в элементах ее тепловой схемы.

Наконец, с точки зрения регулирования нагрузки значи­ тельно отличаются друг от друга две группы турбин: конден­ сационные и теплофикационные.

Конденсационные турбины управляются регуляторами ско­ рости, и их нагрузка может свободно изменяться в зависи­ мости от требований системы.

Теплофикационные турбины, в особенности многоотборные- и противодавленческие промышленные турбины, управляются кроме того регуляторами давления, и их электрическая мощ­ ность определяется главным образом графиком теплового по­ требления.

§ 20. Прогрев паровой турбины

Трудности прогрева паровой турбины заключаются в том, что для приведения турбины в рабочее состояние необходимодовести ее температуру до рабочего значения, очень высокого для отдельных узлов (500—565°С). Массы же ее отдельных: деталей и узлов (корпуса, ротора, вала, диафрагм, дисков, ло­ паток, фланцев) различны, неодинаково и количество тепла, которое надо сообщить этим элементам для доведения их тем­ пературы до нормального рабочего значения. Поэтому всякий пуск турбины связан с неравномерным распределением темпе­ ратур в турбине и появлением температурных деформаций и~ напряжений в металле, накладывающихся на напряжения, об­ условленные давлением пара, вращением ротора или холод­ ной затяжкой шпилек.

Температурные градиенты, например в стенках корпусатурбины, определяющие величину температурных напряжений,, зависят еще от скорости повышения температуры, и, следова­ тельно, это также ограничивает скорость пуска машины.

Наконец, требуется вести прогрев турбины так, чтобы теп­ ловое удлинение ротора и статора происходило синхронно, в противном случае начнется задевание вращающихся частей

62

машины за неподвижные из-за «выбирания» зазоров и воз­ никнет сильная вибрация.

Неправильный пуск может привести также к появлению опасных напряжений в металле, короблению корпуса, тепло­ вому прогибу ротора, ослаблению посадки дисков, трещинам корпуса и другим аварийным повреждениям турбины.

Возможны два режима прогрева турбины при пуске: при постоянной наивысшей температуре греющего пара (рис. 46) и при постоянной разности температур греющего пара и ме­ талла (рис. 47). Первый режим приводит к цели быстрей, однако при этом весьма вероятно возникновение теплового, удара (ТУ), под которым подразумевают появление в металле

опасных температурных градиентов, соответствующих ^разру­ шающим значениям щ.

Если из выражения теплового баланса в переходном режи­ ме ('&°— здесь температура греющего пара)

dQ = ср Vdt°cp= a2F (& — f j d-с

определить скорость изменения средней температуры zf°p в прогреваемой стенке корпуса турбины

d t ср «а («•-*„„)

V

и, введя обозначения для

и

решить получившееся уравнение

63

то можно найти интересующие нас выражения для темпера­ турного перепада в стенке турбины при прогреве ее паром по­ стоянной температуры

С - f cP = (£р - а °) ( 1 - Ф) ехР ( - /?гт) -

а также для максимального температурного перепада в той же стенке:

[ С - ^ср]макс г - 0 = [*ср ~ &о]мйкс О ~ Ф )‘

Отсюда после несложных преобразований можно получить зависимость температурного градиента в металле от разности температур греющего пара и металла

«О __ J.0

fвн _ fср = ' ^

С учетом того, что-

Gt — -г—— ,

1 1—р. ’

выражение для предельного значения разности температур греющего пара и металла, при котором еще не появляется опасный температурный перепад в металле, т. е. не возникает тепловой удар, получит вид

'300 мм критерий Био равен соответственно 2; 4; 6 и, следова-

6 4

тельно, коэффициент эффективности теплового удара R = = 0,35; 0,5; 0,7. Если принять за предельное температурное на­ пряжение в металле 0(цред = Ю кгс/мм2, то предельное значе­ ние разности температур греющего пара и металла получится Д^° м = 80; 57; 40° С.

Как известно, турбостроительные заводы рекомендуют, чтобы эта разность не превышала 50° С.

Другой вывод из этого примера заключается в том, что турбины с двустенными корпусами (К-300-240 ЛМЗ) допус­ кают большие разности температур греющего пара и металла и могут быть поэтому прогреты быстрее.

Допустимую скорость прогрева корпуса турбины w = dt°/d% находим из уравнения теплопроводности плоской стенки тол­ щиной б с температуропроводностью а [7]

d-t _ w

dx- а

Решение этого уравнения для граничных условий

откуда разность температур по толщине б стенки

а разность между температурой стенки на внутренней поверх­ ности, где возникают максимальные температурные напряже­ ния, и среднеинтегральной температурой стенки

Кроме соблюдения этих двух фундаментальных правил прогрева, необходимо тщательно следить за температурными

перепадами в массивных деталях турбины, а также в опреде­ ленных характерных поперечных сечениях корпуса. При недо­ пустимо быстром прогреве в корпусах, паровых коробках, сто­ порном клапане и т. д. появляются значительные разности температур не только в радиальном, но и в осевом направле­ нии из-за различных условий теплообмена для соседних эле-, ментов, различного соотношения поверхностей теплоотдачи и массы деталей. Неодинаковая деформация из-за неравномер­ ного прогрева и различной жесткости соседних элементов вы­ зывает появление дополнительных напряжений, которые могут значительно превысить уровень температурных напряжений, оцениваемых по упрощенным выражениям для одномерного температурного поля.

Точный расчет температурных и дополнительных напряже­ ний в металле турбины невозможен из-за сложности конфигу­ рации ее деталей, а также из-за неравномерности трехмер­ ного температурного поля, и поэтому приходится предвари­ тельную оценку этих напряжений производить по упрощен­ ным выражениям, принимая температурное поле изменяю­ щимся только по толщине стенки детали. При этом рекомен­ дуется принимать достаточный запас прочности (не менее 1,5), чтобы обеспечить безопасный прогрев наиболее массивных элементов турбины. Существует также практическое правило определения безопасных температурных перепадов, согласно которому каждым 10° С перепада соответствует величина тем­ пературного напряжения в металле а10„ = 2 кгс/мм2.

Таким образом, чтобы не получить остаточных деформа­ ций, коробления или даже трещин, нельзя допускать в толще деталей турбины температурных перепадов выше

м : < .10дтск < 100э С,

где /ещ, — запас прочности, равный 1,5; сгтек— предел теку­ чести для сталей перлитного класса, из которых изготовлены турбины К-200-130 и К-300-240, равный 30 кгс/мм2.

Контроль температуры осуществляется с помощью хро- мель-алюмелевых термопар, заложенных в наиболее ответст­ венных с точки зрения прогрева местах.

Особенно важно следить за разностью температуры ме­ талла в толще стенки таких элементов турбины, как стопор­ ный клапан, паровая коробка регулирующих клапанов, сто­ порный клапан промежуточного перегрева, корпус ЦВД, корпус ЦСД.

Стопорный клапан свежего пара. Опыт эксплуатации тур­ бин К-200-130 и К-300-240 показал, что часто при неправиль­ ном пуске возникали высокие температурные напряжения в корпусах стопорных клапанов острого пара. Эти напряжения в

66

ные напряжения в месте сварки переходного патрубка с кор­ пусом турбины, составляющие при номинальной нагрузке 6—8, возрастают до 11 кгс/мм2 при снижении нагрузки до 100 МВт. При остановке турбины паровые коробки регули­ рующих клапанов остывают быстрее корпуса турбины н тем­ пературные напряжения меняют знак и достигают 14 кгс/мм2.

При пуске из различных тепловых состояний температур­ ные напряжения в паровых коробках и переходных патрубках регулирующих клапанов находятся на уровне 6—10 кгс/мм2, повышаясь на отдельных этапах пуска до 25 кгс/мм2. При этом наибольшие напряжения возникают у корня переходного

патрубка. Условия прогрева паровых коробок регулирующих клапанов при пусках турбины сходны с условиями прогрева корпусов стопорных клапанов острого пара. Наибольшие на­ пряжения в них возникают также при предтолчковом прогреве и резких изменениях температуры свежего пара в процессе нагружения турбины. Поэтому ограничение уровня пусковых температурных напряжений в корпусах стопорных клапанов обеспечивает одновременно допустимый уровень напряжений в паровых коробках регулирующих клапанов (10—15 кгс/мм2), и, следовательно, делает излишним дополнительный контроль за их прогревом.

Корпус ЦВД. На рис. 49 показано распределение темпера­ тур и температурных напряжений в стенке корпуса ЦВД тур­ бины К-200-130 в момент наибольших разностей температур при пуске турбины из холодного состояния, а на рис. 50 — на­ пряжения и температуры в той же стенке при установившемся

68

режиме полной нагрузки, наложенные на напряжения от дав­ ления пара.

Как видно, максимальный перепад температуры на стенке при пуске наблюдается в районе регулирующей ступени, но при этом температурные напряжения остаются в допустимых пределах, не превышая 10 кгс/мм2. В период нагружения, когда интенсивно прогревается головная часть ЦВД, возни­ кают максимальные меридиональные напряжения at (до —25 на внутренней и +20 кгс/мм2 на наружной поверхности ци­ линдра) [8].

Для режима длительной работы турбины с номинальной нагрузкой (см. рис. 50) характерны незначительные темпера­

турные перепады по толщине стенки (4—6° С) и большие перепады в осевом направлении. Максимальные температур­ ные напряжения возникают в зоне наибольших температур и достигают 10 кгс/мм2.

Для этого режима существенную величину составляют на­ пряжения от внутреннего давления пара. Они достигают мак­ симума в паровпускной и выхлопной частях и равны соответ­ ственно 8,6 и 12,8 кгс/мм2. Наибольшие суммарные напряже­ ния при установившемся режиме с нагрузкой 200 МВт (мери­ диональные на наружной поверхности) возникают в зоне вы­ хлопа и вблизи регулирующей ступени (10—12 кгс/мм2).

Большое влияние на напряженное состояние корпуса ока­ зывают массивные фланцы (толщина фланцев ЦВД турбины К-200-130 в зоне регулирующей ступени равна 400 мм).

Прогрев массивных фланцев значительно отстает от про­ грева стенок корпуса турбины, и это обусловливает появление температурного перепада и значительных тепловых напряже­ ний по ширине фланцев. При больших скоростях прогрева температурные перепады могут превосходить 180—200° С и

69