Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине «Проектирование и эксплуатация турбин АЭС» для специальности 1-43 01 08 «Проектирование и эксплуатация атомных электрических станций»

Однако в настоящее время нагрузка энергосистем очень сильно меняется. В выходные дни и в часы ночных провалов на многих электростанциях она снижается более чем на 50 %. При этом какая-то сравнительно небольшая часть турбин останавливается, остальные же работают с нагрузками в диапазоне от 50 %-ной до полной, а в часы пик — до максимально возможной. Поэтому большинство паротурбинных установок необходимо проектировать для работы не только при полной, но и при значительно (до 50 %) сниженной нагрузке. При этих условиях наиболее рациональной является система соплового парораспределения, при которой снижение нагрузки турбины сопровождается значительно меньшим ухудшением экономичности, чем при дроссельном парораспределении.

Однако кроме экономичности следует учитывать также и условия надежности работы турбины. В турбинах с сопловым парораспределением в лопатках регулирующей ступени возможно возникновение значительных динамических напряжений изгиба из-за парциального подвода пара.

Немаловажным является и то обстоятельство, что изменение нагрузки турбины при сопловом парораспределении приводит к значительно большим колебаниям температуры пара в промежуточных ступенях, а следовательно, и температуры корпуса турбины, чем при дроссельном парораспределении. Это обстоятельство особенно важно для турбин, предназначенных для работы в регулировочном режиме, с ежедневными глубокими снижениями и быстрыми восстановлениями нагрузки, с остановами и пусками. Большие и резкие изменения температуры корпуса турбины при этих режимах вызывают градиенты температур и термические напряжения в стенках корпуса, снижающие маневренность и надежность турбины.

Всвязи с перечисленными факторами турбины очень больших мощностей, особенно если они работают на насыщенном паре, например на АЭС, обычно выполняют с дроссельным парораспределением.

Втурбинах АЭС ограничены возможности применения соплового парораспределения из-за больших высот лопаток первых ступеней и дополнительной нестационарности из-за начальной конденсации пара в условиях сверхзвукового истечения. Сопловое парораспределение в турбинах АЭС вызывает необходимость применения усиленных рабочих лопаток.

Мощность турбин АЭС с сопловым парораспределением, как правило, не превышает 300 МВт.

Дроссельное парораспределения обеспечивает высокую прочность, вибрационную надежность, простоту конструкции и технологии в производстве паровпускной части и системы парораспределении ЦВД, повышенную

181

надежность в работе. Однако дроссельное парораспределение при эксплуатации на сниженных нагрузках значительно проигрывает сопловому в экономичности. В связи с этим сопловое парораспределения допустимо в турбинах АЭС, только если они специально предназначены для длительной работы при пониженных нагрузках в пределах регулировочного диапазона, - с использованием ряда особых конструктивных решений.

В случае применения соплового парораспределения важно выбрать оптимальный располагаемый теплоперепад регулирующей ступени при расчетном режиме и оптимальное число сопловых коробок.

Поскольку КПД регулирующей ступени, выполненной с парциальным подводом пара и без использования выходной скорости, при номинальной нагрузке ниже, чем КПД последующих первых ступеней, КПД турбины в целом при расчетной нагрузке тем больше, чем меньше расчетный тепло-перепад регулирующей ступени.

4.11 Регулирование мощности турбины способом скользящего давления

При блочной компоновке теплосиловой установки пуск турбины производят одновременно с растопкой котла, т.е. на скользящих параметрах пара, причем не только повышение частоты вращения и включение генератора в сеть, но и повышение нагрузки турбины вплоть до полной осуществляется при постепенно нарастающих давлении и температуре свежего пара.

Снижение нагрузки и расхода пара через турбину при дроссельном парораспределении сопровождается уменьшением давления за клапанами свежего пара. В связи с этим возникает вопрос о применимости для энергоблоков скользящего давления свежего пара.

Скользящее давление (СД) как метод регулирования нагрузки мощных энергоблоков ТЭС нашло широкое применение. Для турбин с дроссельным парораспределением электростанций на органическом топливе работа в зоне пониженных нагрузок переход на СД независимо от начальных параметров и наличия (или отсутствия) промперегрева, не сопряжен с какими-либо сложностями. Переход на СД приводит лишь к некоторому сдвигу линии процесса расширения (рис. 4.34) вправо. При это располагаемый теплоперепад несколько увеличивается и несмотря на повышение энтальпии свежего пара удельный расход теплоты на единицу мощности сокращается. Дополнительный эффект можно получить, если привод питательного насоса позволяет при снижении давления свежего пара уменьшить мощность, затрачиваемую на

182

подачу питательной воды. То же можно сказать при некоторых условиях и о не имеющих парового промперегрева турбинах АЭС.

Рис. 4.34 Процесс расширения пара в h,s-диаграмме в ЦВД конденсационной турбины с дроссельным парораспределением при постоянном и скользящем начальных давлениях

В турбинах с паровым промперегревом температура вторично перегретого пара неизбежно снижается при уменьшении давления (и температуры насыщения) свежего пара. Снижение температуры промперегрева приводит к сокращению теплоперепада ступеней турбины, расположенных после промперегрева, и к падению КПД последних ступеней турбины, попадающих в зону повышенной влажности. Но стоит отметить, что на экономичноть турбоустановки в целом не влияет, как так такой промперегрев с точки зрения термодинамики не имеет смысла, его главная задача снижение влажности в последних ступенях турбин. В то же время на частичных нагрузках снижение температуры промперегрева сопровождается увеличением расхода пара через проточную часть турбины, уменьшением дросселирования на клапанах, повышением давлений по проточной части, а так же ростом температуры питательной воды (при наличии ПВД или при работе деаэратора на скользящем давлении), что способствует сокращению расхода теплоты.

183

Рис. 4.35 Схемы процессов расширения пара в ЦВД и ЦНД: 0 – режим максимального пропуска свежего пара;

1,2 – расходы свежего пара 80% и 60% от максимального соответственно;

I и II – соответственно режимы с постоянным начальным давлением (ПД) и скользящим давлением (СД)

Рассмотрим работу турбины АЭС на переменном режиме. Для ЧВД использование СД свежего пара характеризуется в зоне выше 3 МПа следующими особенностями:

-повышается начальная энтальпия и, следовательно, повышается теплоперепад;

-уменьшается влажность пара из-за увеличения начальной и конечной энтальпий пара, что обеспечивает рост КПД;

-снижается количественно отсепарированная за ЧВД влаги и соответственно увеличивается расход через ЧНД.

При снижении начального давления от 3 МПа, перечисленные ранее эффекты уменьшаются и, когда энтальпия свежего пара СД станет равной энтальпии ПД, исчезают. При номинальном начальном давлении, равном 6 МПа,

184

равенство энтальпий пара при номинальном и сниженном давлении соответствуют примерно 25%, при 4 МПа – 50% расхода свежего пара. Если понижать начальное давление, то это приведет к большой влажности в ЧВД, чем в случае соответствующего дросселированию в клапанах. Диапазон режимов, при котором удается получить выигрыш по ЧВД за счет СД, расширяется с повышением номинального начального давления пара. Максимального значения для любого номинального начального давления указанный выигрыш достигает при начальном давлении около 3 МПа.

На основании проверки эффективности работы турбин АЭС на влажном паре на примере турбины К-220-44 применение СД позволило снизить удельный расход теплоты на 0,6% при нагрузки блока 80%. Номинальное давление свежего пара при этом составило 4,31 МПа. Для турбоустановок с одноступенчатым перегревом, потребляющим 1,2 – 2 раза больше свежего пара, чем при двухступенчатым, можно ожидать такого же эффекта.

Использование СД свежего пара для энергоблоков АЭС целесообразно применять не только с точки зрения экономичности при давлениях выше 3 МПа, а так же:

-уменьшается влажность пара в узлах парораспределения и паровпуска ЧВД, что способствует повышению надежности;

-снижаются напряжения в узлах парогенераторов и паропроводов свежего пара, что повышается их долговечность и надежность;

-снижается уровень температуры пара на выхлопе из турбины на режимах близких к холостому ходу, что улучшает в этих режимах температурное состояние выхлопных патрубков;

-сводится к минимуму возможность резкого снижения давления в трактах парогенераторов при наборе нагрузки и связанного с этим бурного повышения влаги, вызывающей опасность заброса воды в турбину.

4.12Влияние изменения начальных параметров пара на мощность тур-

бины

При эксплуатации турбин отклонение начальных параметров от номинальных значений могут превышать допустимые. Это в свою очередь сопровождается изменением мощности и экономичности турбины, а также надежности отдельных ее элементов. Поэтому даже кратковременная работа турбины при изменении параметров свежего пара в большинстве случаев допускается после специальных расчетов на прочность наиболее напряженных

185

деталей, либо после созданий нормальных условий их эксплуатации путем изменения расхода или внесения необходимых конструктивных изменений.

В качестве примера рассмотрим изменения мощности ЦВД турбины насыщенного пара (рис. 4.36)

Рис 4.35 Влияние изменения параметров свежего пара на мощность ЦВД турбины насыщенного пара при рz = const

Первый рисунок – переменное начальное давление Второй рисунок – переменная начальная влажность

Отклонение мощности определяется выражением (4.35):

186

потеря с выходной скоростью, расход пара в конденсатор (при фиксированном общем расходе пара на турбоустановку) и его конечная влажность.

Изменение конечного давления пара главным образом сказывается на режиме работы последней ступени. При этом следует различать два возможных режима работы последней ступени:

1)с докритическими скоростями истечения пара из рабочих лопаток;

2)при сверхкритических скоростях истечения с дополнительным ускорением потока пара в косом срезе рабочих лопаток.

Для режимов с докритической скоростью истечения из рабочей решетки последней ступени существует прямо пропорциональная зависимость между приращением теплоперепада и приращением мощности. При сверхкритических скоростях истечения пара из рабочей решетки последней ступени изменение конечного давления пара pк не сказывается на параметрах пара перед ступенью. Поэтому мощность всех ступеней турбины, кроме последней, останется постоянной, а мощность турбоустановки будет меняться только в результате изменения окружной составляющей скорости выхода пара из рабочей решетки последней ступени. При наступлении сверхкритического режима истечения из рабочей решетки последней ступени прямая зависимость между приращением теплоперепада и приращением мощности будет нарушена. Понижение давления за ступенью сопровождается отклонением потока пара в косом срезе сопл и лопаток. До тех пор, пока не будет достигнуто предельное расширение в косом срезе сопл и лопаток, будет происходить увеличение мощности турбины по мере снижения давления отработавшего пара. Для конденсационных турбин давление отработавшего пара, соответствующее режиму, при котором исчерпывается расширительная способность косого среза сопл и лопаток и прекращается прирост мощности, называется предельным вакуумом. При эксплуатации предельный вакуум не достигается, так как быстрее устанавливается экономический вакуум, при котором полезная мощность турбоустановки (за вычетом затрат мощности на привод циркуляционных насосов) при данном расходе пара в конденсаторе достигает максимального значения.

Теоретические исследования и натурные испытания ряда турбин показали, что для каждой турбины может быть построена универсальная зависимость относительного прироста мощности от относительного давления отра-

на рис. 4.36. Эта зависимость характеризует режим докритического истечения (участок AB) и режим сверхкритического истечения (участок BD). Участок BC характеризует режимы работы ступени, при которых используется

188

расширительная способность косого среза сопл и лопаток. На участке CD, где исчерпана расширительная способность косого среза, мощность последней ступени с уменьшением противодавления не увеличивается.

Рис. 4.36 Универсальная зависимость относительного приращения мощности конденсационной турбины от относительного давления за последней ступенью

Подобные универсальные характеристики определяются, как правило, для всех турбин при их испытаниях. В достаточно широком диапазоне изменения pк зависимость 4.36 является линейной, следовательно, при неизменном пропуске пара через последнюю ступень приращениe ее мощности пропорционально снижению давления pк = pк0 – pк.

Эксплуатация турбин при изменяющемся давлении отработавшего пара оказывает влияние на надежность ее отдельных элементов. Повышение конечного давления пара в конденсационной турбине приводит к уменьшению ее теплоперепада, причем это изменение приходится только на несколько ее последних ступеней. Напряжения в этих ступенях уменьшаются, но увеличиваются степени реактивности, что приводит к росту осевых усилий при однопоточной ЧНД. Кроме того, значительное ухудшение вакуума сопровождается увеличением температуры выходного патрубка, что может явиться причиной расцентровки агрегата и недопустимой вибрации. Поэтому значительное

189

повышение конечного давления пара не допускается, и турбины снабжают защитой от ухудшения вакуума, срабатывающей при давлении в конденсаторе, которому соответствует температура конденсации пара примерно 60 °С.

Повышение давления pк в режимах малых Gv (вблизи холостого хода и на малых нагрузках) может вызвать автоколебания рабочих лопаток последних ступеней конденсационных турбин. Поэтому устанавливаются значения предельного давления pк < 0,08…0,12, в особенности при пусковых режимах.

Понижение конечного давления пара по сравнению с расчетным в конденсационных турбинах приводит к перегрузке ее ступеней (в первую очередь последней ступени) за счет увеличения срабатываемого на них теплоперепада. После возникновения в последней ступени критического режима истечения дальнейшее увеличение теплоперепада будет приходиться только для нее.

190