Лекции по ТМ и ВО ТЭС

а — зависимость коэффициента центробежных сил R и степени реактивности колеса от теоретического коэффициента давления на

оптимальном режиме Hнт ; б — аэродинамическая схема и обезличенная характеристика вентилятора 55-11-40.

Степень реакции рабочего колеса показывает, какая доля теоретического напора Hтн находится в виде статического давления H , т. е. в той форме, которая требуется от вентилятора. Таким образом, наибольшей и наивысшей экономичностью характеризуются машины с низким

коэффициентомHнт , т. е. с малым углом β2 (лопатки, загнутые назад).

В табл. 1 приведены характеристики аэродинамических схем тягодутьевых машин, используемых в энергетике.

Таблица 1. Характеристика аэродинамических схем машин на оптимальном режиме

1

D z1z2 DуkD,

(7)

где zl — число машин на блок; z2 — число всасывающих отверстий в одной машине.

Характеристики газовоздушных трактов паровых котлов в отношении частоты вращения kn и диаметра колеса машины kD определяются по выражениям

kn H00,75Q0,5 ,

(8)

kD Q0,5H00,25 ,

(9)

причем перепад полных давлений H0, приведенный к температуре 20 °С, определится по выражению

1,20

H0 H.

(10)

В этих выражениях Q — расход газа на паровой котел, м3/с; ρ — плотность газа, кг/м3; Н — перепад полных давлений, кгс/м2 (1 кгс/м2 = 9,8 Па).

Из выражений (8) и (9) следует, что характеристики газовоздушных трактов в отношении частоты вращения kn и диаметра машины kD зависят от расхода Q и давления Н. Давление Н практически мало зависит от мощности блока, в то время как расход Q находится от нее в прямой зависимости. Таким образом, из выражений (6) и (7) следует, что с ростом мощности блока уменьшается частота вращения п и увеличивается диаметр машины D. Указанная тенденция может привести к тому, что для мощных блоков потребуется установка тихоходных тягодутьевых машин с громадными размерами ротора. Изготовление и компоновка на ТЭС таких машин, а также электродвигателей к ним окажутся весьма сложными.

Для противодействия этой тенденции можно предложить несколько мероприятий. Одним из них является увеличение числа машин на блок. Как видно из выражений (6) и (7), при увеличении z1 возрастает частота вращения п и уменьшается диаметр машины D. Однако такой метод нельзя признать прогрессивным. При укрупнении основного оборудования — турбины и котла — на блок ставится большое число неукрупненного вспомогательного оборудования, которое в значительной мере снижает эффект от увеличения мощности блока.

Число всасывающих отверстий z2 для осевых машин всегда равно 1, а для радиальных может быть 1 (одностороннее всасывание) или 2 (двустороннее всасывание).

Таким образом, основным путем получения приемлемых размеров и скорости вращения тягодутьевых машин крупных блоков является использование аэродинамических схем машин с высокой удельной быстроходностью пу и малым удельным диаметром Dv.

1.2. Переменный режим и регулирование тягодутьевых машин

Тягодутьевые машины ТЭС выбираются на номинальную нагрузку парового котла, однако большую часть времени работают при пониженных нагрузках. Это объясняется запасами по производительности котла по сравнению с потребностью в паре турбины, нормативными запасами тягодутьевых машин по сравнению с расчетными характеристиками газовоздушного тракта, режимными колебаниями нагрузки ТЭС и некоторыми другими факторами. Следовательно, важным с точки зрения экономии расхода энергии на собственные нужды является обеспечение эффективного регулирования производительности и давления тягодутьевых машин в широком диапазоне. Таким образом, наряду с КПД машины на оптимальном режиме η, приведенном в табл. 1, важно иметь высокий эксплуатационный КПД на частичных нагрузках

э р ,

(11)

где р — КПД регулирования, который является переменной

величиной, зависящей от нагрузки и способа регулирования тягодутьевой машины, и определяется соотношением

р Nид N ,

(12)

где

Nид Nисх QQисх 3.

(12а)

Здесь Nисх — мощность, потребляемая в исходной точке на пересечении характеристик газовоздушного тракта и вентилятора при исходном расходе Qисх; Nид — потребляемая мощность при некотором пониженном расходе Q и идеальном (без потерь) регулировании; N — действительная потребляемая мощность при расходе Q и принятом способе регулирования.

Наряду с ηр можно пользоваться кривыми сброса мощности, приведенными на рис. 2, для различных способов регулирования.

Регулирующие устройства тягодутьевых машин можно подразделить на четыре вида:

1. Изменяющие характеристику машин. Сюда относятся поворотные рабочие лопатки осевых машин. Имеются и радиальные машины с поворотными лопатками или закрылками рабочих лопаток, однако конструкция их довольно сложна.

Рис. 2. Кривые сброса мощности при регулировании вентиляторов

а — 70-17-143; б — 70-38-20; 1 — дроссельное регулирование; 2 —

упрощенный направляющий аппарат; 3 — осевой направляющий аппарат; 4

— гидромуфта; 5 — двухскоростной двигатель с направляющим аппаратом; 6—идеальное регулирование.

2.Аэродинамические, воздействующие на воздушный (газовый) поток вне рабочего колеса вентилятора. К числу простейших, но малоэкономичных устройств этого типа относятся дроссельные шиберы, устанавливаемые в любой точке газовоздушного тракта. Наибольшее распространение получили более экономичные направляющие аппараты, устанавливаемые непосредственно перед всасывающим отверстием вентилятора и закручивающие на частичных нагрузках входящий поток.

3.Скоростные, изменяющие частоту вращения вентилятора за счет передач с изменяемой частотой вращения (гидромуфты, электромагнитные муфты) или регулируемой частотой вращения привода (например, турбины).

4.Смешанные, являющиеся комбинацией аэродинамических и скоростных регулирующих устройств. Сюда относятся двухскоростные электродвигатели в комбинации с направляющими аппаратами или шиберами.

Принципиальным отличием первых двух способов регулирования является зависимость их эффективности от типа и аэродинамических схем вентиляторов, в то время как третий способ регулирования дает одинаковый эффект для вентиляторов всех типов. Таким образом, применение регулирования с помощью изменения частоты вращения становится

необходимым для тех машин, для которых другие способы оказываются малоэффективными.

На рис. 3 представлена зависимость теоретического КПД дроссельного регулирования вентиляторов трех типов от коэффициента нагрузки µ,. Для радиальных машин принято D1 = 0,7, для машин с вперед загнутыми

лопатками Hнт = 1,5, для машин с назад загнутыми лопаткамиHнт = 0,5. Коэффициент R при этом составляет для осевых машин 0, для радиальных с вперед загнутыми лопатками — 0,34, для машин с назад загнутыми — 1,02.

Для всех тягодутьевых машин КПД регулирования быстро падает с увеличением глубины регулирования. Резко различается КПД регулирования при сильном снижении расхода. КПД регулирования при µ = 0,5 составляют для машин осевых, радиальных с вперед и радиальных с назад загнутыми лопатками соответственно 0,5; 0,37; 0,25.

При регулировании с помощью направляющих аппаратов, устанавливаемых непосредственно перед всасом вентилятора, происходит предварительное закручивание потока в сторону вращения рабочего колеса на частичных нагрузках.

Рис. 3. Изменение теоретического КПД дроссельного регулирования от коэффициента нагрузки

1—осевые машины; 2 — радиальные машины с вперед загнутыми лопатками; 3 — радиальные машины с назад загнутыми лопатками.

Наибольшее распространение, особенно для радиальных машин одностороннего всасывания, получили осевые направляющие аппараты (ОНА), состоящие из ряда секторов, поворачиваемых на различные углы с помощью общего кольца.

Тангенциальные направляющие аппараты имеют различные конструктивные решения и получили применение на радиальных дымососах двустороннего всасывания.

Из рассмотренных кривых на рис. 2 следует, что регулирование с помощью направляющих аппаратов для вентиляторов с загнутыми назад

лопатками менее эффективно, чем для вентиляторов с загнутыми вперед лопатками. Лучшие результаты дает аппарат ОНА, худшие — упрощенный аппарат УНА.

В тех случаях, когда регулирование с помощью направляющих аппаратов не дает должного эффекта, возникает необходимость регулирования путем изменения частоты вращения.

Это регулирование теоретически является наилучшим для тягодутьевых машин любых типов. С помощью этого способа может быть достигнуто почти идеальное регулирование, показанное на рис. 2 пунктиром. При обычной квадратичной характеристике тягодутьевых трактов (когда сопротивление тракта изменяется прямо пропорционально квадрату расхода) потребляемая мощность при таком методе регулирования изменяется прямо пропорционально кубу расхода.

Однако в действительных условиях изменение частоты вращения связано с потерями в приводном устройстве или передаче, что снижает его эффективность.

Регулирования частоты вращения можно достигнуть двумя способами при установке между двигателем и вентилятором особой муфты, позволяющей за счет скольжения в последней менять частоту вращения

вентилятора; при установке двигателя, позволяющего менять частоту вращения.

Кпервому способу относится установка гидромуфты или электромагнитной муфты, ко второму — установка паротурбинного привода, электродвигателей постоянного тока, электродвигателей переменного тока с фазовым ротором и регулировочным реостатом и др.

Как видно из рассмотрения рис. 2, гидромуфта оказывается значительно экономичнее, чем шиберное регулирование и регулирование упрощенным аппаратом. При радиальных вентиляторах с лопатками, загнутыми назад, гидромуфта оказывается эффективнее ОНА уже при нагрузке менее 85 %. Для радиальных вентиляторов с лопатками, загнутыми вперед, при нагрузках более 75 % эффективнее ОНА, а при нагрузках менее 75 % — гидромуфта.

Таким образом, в области нагрузок более 0,8 почти всегда ОНА равноценен или даже более экономичен, чем гидромуфта. Из этого следует, что применение эффективных направляющих аппаратов, например, типа ОНА, для регулирования радиальных вентиляторов оправдывает себя при малой глубине регулирования и особенно при вентиляторах с лопатками, загнутыми вперед.

Кнастоящему времени практическое применение на ТЭС получили двигатели со ступенчатым изменением частоты вращения, относящиеся к четвертому способу регулирования — смешанному: в пределах одной ступени регулирование осуществляется одним из аэродинамических способов, а при переходе с одной ступени на другую — электрическим.

Электродвигатель с двумя ступенями частоты вращения позволяет при определенных условиях получить значительный экономический эффект, хотя

сам ступенчатый принцип регулирования имеет некоторые неудобства. Двухскоростные электродвигатели имеют на исходном режиме КПД примерно на 3 % меньший, чем односкоростные.

Экономичное регулирование скорости вращения достигается при использовании в качестве приводного двигателя паровой турбины. Турбопривод получил применение для радиальных дутьевых вентиляторов (воздуходувок) энергоблоков единичной мощностью 800 и 1200 МВт с котлами под наддувом.

1.3.

Надежность работы и акустические характеристики тягодутьевых машин

Создание блоков большой мощности потребовало особого внимания к вопросам их надежности. Надежность парового котла должна обеспечивать непрерывную его работу без снижения экономичности (моторесурс) 4000 ч. Вспомогательное оборудование должно иметь большую надежность. Если для дутьевых вентиляторов вопрос обеспечения высокой надежности не представляет каких-либо трудностей, то дымососы относятся к числу наименее надежных элементов газовоздушного тракта, так как они работают на агенте повышенной температуры, содержащем влагу и агрессивные газы (SO3). Однако главную опасность для дымососов представляют золовые частицы (при работе парового котла на твердом топливе), движущиеся с /большими скоростями. Наибольший износ имеет место у осевых дымососов при высоких окружных скоростях (более 100 м/с) в верхней части рабочих лопаток. Наиболее эффективным решением в этой части является применение глубокой очистки газов от золы, чтобы концентрация золы не превышала 0,5 г/м3.

Износ приводит к недопустимому снижению прочности деталей, ухудшает аэродинамические показатели тягодутьевых машин и создает неуравновешенность ротора. При неблагоприятных условиях эксплуатации рабочие колеса приходится заменять через 700 – 1500 ч работы. Абразивные частицы, проходя через рабочее колесо радиальной машины, отклоняются к основному диску. Вследствие этого износ возрастает по направлению от входной кромки лопатки к выходной, изнашивается также диск в месте примыкания к нему лопаток и спиральный лист улитки кожуха (рис. 9.6, а).

Износ лопаток осевых дымососов начинается с торца входной кромки, которая постепенно заостряется. Затем повреждается поверхность лопаток со

стороны входной кромки. При недостаточной очистке газов от золы производительность дымососов быстро снижается из-за износа лопаток.

При использовании высокоэкономичных аэродинамических схем радиальных машин с сильно загнутыми назад лопатками имеет место отложение золы на тыльной стороне лопаток. Так, на тыльной стороне лопаток дымососов по схеме 70-25-20, установленных за паровыми котлами, работающими на твердых топливах, наблюдались золовые отложения. Периодически накапливающаяся зола приводила к разбалансировке роторов. Особенно опасна работа дымососов с подобными лопатками в случае, когда поток содержит много влаги, например после мокрых золоуловителей.

За последние годы большое внимание уделяется вопросам снижения уровня шума от различных механизмов и устройств тепловых электростанций в плане общей задачи защиты окружающей среды от вредных выбросов. В этом отношении особого внимания заслуживают вопросы снижения шума от тягодутьевых машин ТЭЦ, расположенных в районе городской застройки. Эти шумы характеризуются высоким уровнем звуковой мощности, наличием высоких тонов, непрерывностью воздействия, которые в определенных условиях могут распространяться на значительную территорию вокруг электростанции. Наибольшее влияние на окружающую территорию оказывают дымососы, звук от которых может передаваться по внешним газоходам через устье дымовой трубы в окружающее пространство.

Уровень звуковой мощности, создаваемой машиной, дБ, определяется по выражению

~

Lw L 101gQ 25lg H 50,

(13)

~

где L — критерий шумности для тягодутьевых машин данного типа, дБ; для машин различного типа обычно находится в пределах 45 ± 5 дБ (большая величина относится к осевым машинам); Q — расход газа, м3/с; Н — развиваемое давление, кПа.

С увеличением мощности блока растет расход газов Q при некотором увеличении давления Н, что создает более тяжелые условия в отношении шума. При работе нескольких одинаковых по уровню звуковой мощности дымососов на общую трубу общая звуковая мощность определится по выражению

Lw Lw1 10lnn,

(14)

где п — число однотипных машин. Так, при п = 2 возрастание составит 3 дБ, при п = 3 будет равно 4,8 дБ. При разнотипных тягодутьевых машинах, уровень звуковых мощностей которых существенно различается (более чем на 3 дБ), следует учитывать в расчетах только наиболее шумные машины.