5.4. Основные характеристики турбогенераторов

Стационарные паровые турбины являются приводом электрических генераторов переменного тока, работающих с постоянным числом оборотов, равным 3000 об/мин. Отдельные типы турбин используются не только для привода электрических генераторов, но и снабжения потребителей теплотой.

паротурбинные установки разделяют в соответствии с характером теплового процесса на конденсационные, если давление пара за последней ступенью, значительно ниже атмосферного, и противодавленческие, если давление пара выше атмосферного. Различают следующие типы турбин:

• конденсационные, типа "К" мощностью от 6 до 1200 МВт, с начальным давлением пара 35-255 ата, без регулируемых отборов пара;

• конденсационные с теплофикационным регулируемым отбором пара, типа "Т" мощностью от 2,5 до 250 МВт, с начальным давлением пара 35-130 ата и регулируемым отбором 1,2-2,5 ата;

• конденсационные с производственным регулируемым отбором пара, типа "П" мощностью от 0,75 до 6 МВт, с начальными параметрами пара 35 ата и регулируемым отбором 5 ата;

• конденсационные с двумя регулируемыми отборами пара, типа "ПТ" мощностью от 6 до 135 МВт, с начальными параметрами пара 35-90 ата, производственным отбором 7-13 ата и теплофикационным 1,2-2,5 ата;

• турбины с противодавлением, типа "Р" мощностью от 1,5 до 100 МВт и противодавлением 3-18 ата.

В современных паровых турбинах кроме регулируемых отборов, как правило, предусматривает от 1 до 9 нерегулируемых отборов пара для регенеративного подогрева питательной воды, подаваемой в котельные установки.

Экономичность работы турбогенераторов оценивается по затратам энергии на выработку электроэнергии и отпуск теплоты из отборов. Энергобаланс турбогенератора можно представить в следующем виде

Q_подв = Q_полезн + Q_потерь, (5.16)

или

Q_подв = (860 W + Q_отп) + (Q_т + Q_м +Q_э), (5.17)

Здесь Q_полезн=860W+Q_т - полезный расход теплоты на выработку электроэнергии (W) и отпуск теплоты (Q_т) потребителям из отборов;

Q_т - потери теплоты с охлаждающей водой конденсатора;

Q_м - механические потери, связанные с преодолением сил трения;

Q_э - электрические потери в генераторе.

Величина теоретически неизбежных потерь в "холодный источник", связанных с конденсацией отработанного пара определяет термический КПД турбоустановки, который изменяется от 30 до 60%. Так, наиболее значительные потери в "холодный источник" имеют конденсаторные турбины 60-65%. В турбинах с противодавлением эти потери отсутствуют из-за отпуска отработанного пара потребителям. При этом затраты тепла на выработку электроэнергии составляют 10-15%, отпуск теплоты потребителям 70-75%, безвозвратные потери теплоты 8-9%. Турбины с регулируемыми отборами пара, вследствие пропуска части пара в конденсатор менее экономичны, чем турбины с противодавлением. Однако вследствие отпуска теплоты из отборов турбины они примерно на 30-35% более эффективны, чем конденсационные агрегаты. Механические и электрические потери в современных турбогенераторах составляют 1-3%. Дополнительные потери теплоты в холодный источник и в окружающую среду составляют 1-5%.

Экономичность работы турбогенератора в режиме постоянной нагрузки характеризуется следующими показателями:

• КПД брутто выработки электрической мощности

 = , (5.18)

где N_э - электрическая мощность турбогенератора, МВт,

• удельные потери теплоты

q = = q_т +q_м + q_э, (5.19)

• удельный расход теплоты на выработку электрической мощности

q_э = . (5.20)

Все эти показатели взаимосвязаны

q_э = = . (5.21)

При работе турбогенераторов с переменной погрузкой показатели экономичности определяются по расходным или энергетическим характеристикам, которые показывают зависимость расхода пара или теплоты на турбину от ее электрической нагрузки. Из энергобаланса турбогенератора следует, что общий расход теплоты на турбину можно условно разделить не только на полезную составляющую и потери, но и на зависящую и независящую от нагрузки часть. Так, например, расход теплоты, связанный с механическими потерями, не зависит от нагрузки, т.е. q_м = a_м. В тоже время расход теплоты на компенсацию потерь в электрогенераторе следует рассматривать как состоящую из двух частей: а_э - независящей от нагрузки, b_э N_э - зависящей от нее, т.е. q_э = a_э + b_э N_э. Аналогичную зависимость имеет и расход теплоты, связанный с потерями в "холодный источник": q_т = a_т + b_т N_э. Затраты теплоты на выработку электроэнергии будут пропорциональны нагрузке. Вследствие этого энергетическая характеристика турбогенератора имеет следующий вид:

Q = Q_xx + q_э N_э, (5.22)

Здесь Q_хх - расход теплоты при холостом ходе агрегата, когда электрическая нагрузка N_э = 0 и вся теплота затрачивается на покрытие потерь в самом агрегате Q_xx = a_м+a_э+а_т. Другая часть расхода теплоты пропорциональна нагрузке и равна произведению частичного удельного расхода теплоты q_э = 0,86+b_э+b_т на вырабатываемую мощность N_э.

Из энергетической характеристики следует, что удельный расход теплоты q = Q/N_э будет тем меньше, чем больше нагрузки, так как в этом случае доля расхода теплоты на холостой ход стремится к нулю.

КПД турбогенератора обратно пропорционален величине удельного расхода  = 860N_э/Q = 860/q. Следовательно, чем больше нагрузка, тем выше КПД, так как с повышением нагрузки уменьшается доля потерь, связанных с холостым ходом турбогенератора.

Энергетическая (расходная) характеристика турбогенератора Q = f(N) обычно изображается прямой или ломаной линией с одним или двумя изломами. Так, энергетическая характеристика конденсационных турбоагрегатов будет иметь следующий вид

Q = Q_xx + q_к N_э + q_к N_э, (5.23)

где q_к-частичный удельный расход теплоты на выработку электрической мощности в нормальном режиме;

q_к - тоже в зоне перегрузки.

Рис. 5.3. Энергетическая характеристика турбогенератора

Нагрузка в первой зоне изменяется от минимальной N_min до N_экон экономичной нагрузки, которой соответствует минимальный удельный расход теплоты и максимальный КПД турбогенератора. Так как q_к > q_к, то с ростом нагрузки N_э > N_экон удельный расход теплоты будет увеличиваться, а КПД агрегата будет уменьшаться.

Для теплофикационных турбин с противодавлением опытным путем было установлено, что расход теплоты на турбину (Q) равен сумме расходов теплоты на выработку электроэнергии (Q_э) и отпуск теплоты из противодавления (Q_т)

Q = Q_э + Q_т (5.24)

и в прямой зависимости от электрической мощности

Q = Q_хх + q N_т. (5.25)

Если из общего расхода теплоты вычесть расход теплоты на выработку электроэнергии, равный

Q_э = Q_ххэ + q_т N_т, (5.26)

где Q_ххэ - электрическая составляющая холостого хода, тогда можно получить зависимость отпуска теплоты из противодавления от электрической мощности

Q_т = Q-Q_э = (Q_хх-Q_ххэ)+(qN_т-qN_т) = Q_хт+(q-q_т)N_т, (5.27)

где Q_хт - тепловая составляющая холостого хода.

Теплофикационные агрегаты работают при вынужденном тепловом режиме, обусловленном тепловой нагрузкой внешних потребителей. Поэтому электрическая мощность теплофикационных агрегатов является вынужденной. Из уравнения (5.27):

N_т = - . (5.28)

Если обозначить = с, = N₀, тогда

N_т = с Q_т - Nо, (5.29)

где с - частичная удельная электрическая мощность турбины при тепловой нагрузке Q_т;

N_о - величина, характеризующая уменьшение электрической мощности турбогенератора за счет тепловой составляющей холостого хода.

В связи с этим полный расход теплоты на турбины типа "Р" можно представить в следующем виде

Q = Q_хх + q_т N_т + Q_т. (5.30)

Турбоагрегаты с отбором пара и конденсацией типа "Т" и "ПТ" можно рассматривать как последовательное соединение турбины с противодавлением и турбины с конденсацией. У этого типа турбин различают три характерных режима: 1) теплофикационный, при котором электрическая мощность генерируется только за счет пара, отпускаемого из отборов и, следовательно, является вынужденным; 2) конденсационный, при котором электроэнергия производится за счет пара, проходящего в конденсатор; 3) смешанный, при котором электрическая мощность генерируется частично по теплофикационному и частично конденсационному циклу. В этом случае энергетическая характеристика примет следующий вид

Q = Q_хх + q_т N_т + q_к N_к + Q_т, (5.31)

где q_т, q_к - частичные удельные расходы теплоты соответственно по теплофикационному и конденсационному циклу;

N_т, N_к - электрическая нагрузка при теплофикационном и конденсационном режиме работы;

Q_т - отпуск теплоты из отборов турбины.

У турбин с одним регулируемым отбором

N_т = с₁ Q_т - N₀, (5.32)

с двумя отборами

N_т = N_т + N_т = (с₁Q_т - N₀) + (с₂Q_т - N₀), (5.33)

где с₁, с₂ - частичная удельная мощность турбин при тепловой нагрузке Q_т и Q_т;

N₀, N₀ - уменьшение электрической мощности за счет тепловой составляющей холостого хода.

Энергетические характеристики (рис. 5.3) строятся по результатам режимно-наладочных испытаний турбогенераторов. В дальнейшем они используются при выборе типа и мощности отдельных агрегатов, распределении нагрузки между ними, определении расхода теплоты и теплоносителя в турбинном цехе, определения выработки электроэнергии и отпуска теплоты потребителям, расчета технико-экономических показателей, характеризующих работу, как отдельных агрегатов, так и всей электростанции.