И различных способах парораспределения

Характер теплового процесса турбины при переменном режиме зависит от способа парораспределения, т.е. от того, каким образом достигается изменение расхода пара через турбину.

В паровых турбинах применяют 3 способа парораспределения: дроссельное, сопловое и обводное (байпасное).

При дроссельном парораспределении все количество пара, подводимого к турбине, регулируется одним или несколькими одновременно открывающимися клапанами, после которых пар поступает в общую для всех клапанов сопловую группу.

При сопловом парораспределении пар протекает через несколько регулирующих клапанов, каждый из которых подводит пар к своему отдельному сопловому сегменту, причем открытие клапанов производится последовательно.

При обводном парораспределении после полного открытия регулирующих клапанов, подводящих пар к сопловой решетке первой ступени, дальнейшее увеличение расхода пара производится через обводной клапан к одной из промежуточных ступеней, в обход нескольких первых ступеней, включая регулирующую.

Дроссельное парораспределение. Все количество пара, поступающего в турбину при сниженных нагрузках, подвергается дросселированию (рис.63). Состояние пара при этом, как известно, меняется по закону:

,

где , - энтальпия и скорость пара перед дроссельным клапаном;

, - энтальпия и скорость пара за дроссельным клапаном – перед сопловой решеткой I ступени.

Пренебрегая кинетическими энергиями, которые обычно невелики, можно считать, что при дроссельном парораспределении энтальпия пара перед сопловой решеткой первой ступени при изменении расхода пара через турбину сохраняется постоянной и равной энтальпии свежего пара.

Рассмотрим процесс расширения пара для турбины с дроссельным парораспределением. Предположим, что при расчетном режиме дроссельный клапан открыт полностью, и процесс расширения пара в турбине изображается линией ав в h,s–диаграмме (рис.64). При снижении нагрузки дроссельный клапан будет открыт не полностью поэтому давление пара перед соплами первой ступени понизится с до , а энтальпия его при этом сохранится прежней (точка с), равной . Давление отработавшего пара будем считать постоянным, равным как при расчетной, так и при сниженной нагрузке. Располагаемый теплоперепад проточной части турбины при сниженном расходе пара уменьшится с до и процесс расширения пара изобразится линией сd.

Рисунок 63 - Схема дроссельного парораспределения:

1 – сопловая решетка; 2 – регулирующий клапан

Рисунок 64 - Процесс расширения пара в h,s–диаграмме для турбины с дроссельным парораспределением

Относительный внутренний КПД турбины при сниженном расходе пара станет меньше, чем при расчетном режиме: .

Умножая числитель и знаменатель на , взятый по состоянию пара за дроссельным клапаном, получаем:

Таким образом, относительный внутренний КПД турбины с дроссельным парораспределением зависит от двух показателей: от степени совершенства работы проточной части при изменяющемся в результате дросселирования располагаемом теплоперепаде ( ) и от коэффициента дросселирования ( ), который определяется относительным расходом пара, протекающим через турбину, и параметрами пара.

Определив по соответствующим формулам давление за дроссельным клапаном (Р₁) с помощью h,s-диаграммы, находят располагаемые теплоперепады при различных расходах пара (G). Затем по соотношению и давлению Р₂ на графиках (рис.65) для различных типоразмеров турбин находят коэффициенты дросселирования . Кривые для различных противодавлений показывают, что по мере увеличения противодавления Р₂ снижение происходит все интенсивнее при снижении расхода пара.

Рисунок 65 - Коэффициенты дросселирования для турбин с начальными параметрами пара Р₀ =12,7 МПа, t₀ =565 °C и различным противодавлением

Относительный внутренний КПД турбины, равный , по мере увеличения противодавления Р₂ при снижении нагрузки будет уменьшаться еще резче, поскольку одновременно с уменьшением коэффициента дросселирования будет уменьшаться .

Закон изменения при снижении расхода пара может быть найден путем трудоемкого детального теплового расчета всей проточной части турбины на переменном режиме.

Для определения потерь от дросселирования представим коэффициент дросселирования в таком виде:

,

где - потери, вызванные дросселированием, т.е. относительное уменьшение располагаемого теплоперепада.

Потери от дросселирования можно выразить через отношения давлений и расходов (для К - турбин):

.

Формула показывает, что увеличение потерь от дросселирования при снижении расхода пара через турбину зависит от расчетного отношения давления свежего пара к давлению отработавшего пара . Чем меньше это отношение, тем больше потери, вызванные дросселированием (рис.66).

Рисунок 66 - Потери от дросселирования в турбине с дроссельным

парораспределением

Поэтому дроссельное парораспределение для турбины с противодавлением не должно применяться, за исключением вспомогательных турбин небольшой мощности.

Сопловое парораспределение.Впуск в турбину при сопловом парораспределении управляется несколькими регулирующими клапанами, открывающимися в определенной последовательности. От каждого клапана пар направляется к самостоятельному сопловому сегменту (рис.67). Благодаря этому потери от дросселирования при сниженной нагрузке распространяются не на все количество пара, как при дроссельном парораспределении, а только на ту его часть, которая протекает через не полностью открытый клапан. При полном же открытии всех или нескольких (одного, двух и т.д.) регулирующих клапанов и закрытых остальных клапанах потери от дросселирования вообще отсутствуют. Поэтому экономичность турбины с сопловыми парораспределением при изменении нагрузки сохраняется более устойчиво, чем турбины с дроссельным парораспределением. Особенно большое преимущество имеет сопловое парораспределение для турбин с противодавлением, в которых из-за большого значения отношения потери от дросселирования весьма заметны.

Рисунок 67 - Схема соплового парораспределения:

1 – регулирующий клапан; 2 – сопловой сегмент

В стационарных турбинах, работающих на тепловых электростанциях, сопловое парораспределение получило наиболее широкое распространение. На рис. 68 и 69 представлены поперечные разрезы по сопловым коробкам турбин Т-30-8,8 НЗЛ и К-500-23,8 ХТГЗ.

Рисунок 68 - Поперечный разрез по клапанной и сопловым коробкам турбины Т-30-8,8 НЗЛ

Рисунок 69 - Поперечный разрез по сопловым коробкам турбины

К-500-23,8 ХТГЗ

При рассмотрении соплового парораспределения надо различать два потока пара. Основной поток, протекающий через полностью открытые регулирующие клапаны, подходит к сопловым сегментам регулирующей ступени почти без дросселирования и имеет начальное давление, близкое к давлению свежего пара Р₀.

Второй поток пара проходит через частично открытый клапан и подвергается дросселированию, тем большему, чем меньше открыт этот клапан, так что давление пара Р_0п перед соплами значительно ниже давления Р₀ свежего пара (рис.70).

Следовательно, теплоперепад и абсолютная скорость выхода пара С₁ из сопловой решетки в первом потоке выше, чем во втором.

В камере регулирующей ступени происходит перемешивание обоих потоков пара. В результате смешения потоков с различной энтальпией образуется поток с усредненной энтальпией, которая может быть определена из уравнения смешения:

,

где G_А – расход пара через полностью открытые клапаны; G_В – поток пара, подвергающийся дросселированию в частично открытом клапане; G – суммарный расход пара через турбину: G=G_А+G_В.

Рисунок 70 - Процесс расширения пара в h,s–диаграмме для потоков в

регулирующей ступени

Распределение давлений пара и теплоперепадов в турбине с сопловым парораспределением при изменении нагрузки должно рассматриваться отдельно для потоков G_А и G_В в пределах регулирующей ступени и отдельно для всех остальных нерегулируемых ступеней.

Определяемый закон изменения давлений пара за регулирующими клапанами в зависимости от расхода пара через турбину позволяет сделать вывод, что при изменении нагрузки турбины с сопловым парораспределением располагаемый теплоперепад ее регулирующий ступени изменяется в широких пределах. Наибольший теплоперепад возникает при полном открытии первого клапана, когда закрыты остальные клапаны.

Режим работы турбины при полностью открытом первом регулирующем клапане, когда все остальные закрыты, по условиям прочности является наиболее тяжелым для сопловых и, особенно, для рабочих лопаток регулирующей ступени, поскольку, во-первых, изгибающие напряжения в рабочей решетке при этом режиме максимальны и, во-вторых, эти напряжения действуют не непрерывно, а периодически, во время прохождения рабочих лопаток возле открытой сопловой решетки первого клапана, т.е. повторяются через каждый оборот ротора, что вызывает опасные колебания лопаток, нередко приводившие к усталостным поломкам.

Пусть при произвольной нагрузке турбины расходы пара составляют: через полностью открытые сопловые решетки G_А, через сопловую группу, питаемую от частично открытого клапана, G_В. Допустим, что давления пара при этом равны: перед сопловыми решетками, регулирующие клапаны которых открыты полностью, Р₀, перед сопловой решеткой, регулирующий клапан которой открыт частично, Р_оп и в камере регулирующей ступени Р₁.

Подсчитав по этим данным отношения давлений и и воспользовавшись табличной зависимостью , находят использованные теплоперепады и для обоих потоков пара G_А и G_В.

Теплоперепад, использованный в регулирующей ступени, находим по формуле, которую можно представить следующим образом:

.

Средневзвешенная энтальпия в камере регулирующей ступени будет равна разности энтальпий свежего пара и теплоперепада .

По найденной энтальпии h₁ и давлению Р₁ наносят на h,s-диаграмму точку С, отвечающую состоянию пара в камере регулирующей ступени. Одновременно определяют и температуру пара.

Состояние пара Р₁, h₁ на выходе из регулирующей ступени является тем же, что и на входе в нерегулируемые ступени турбины, следовательно, от него зависит конечная точка процесса расширения пара в турбине.

В качестве примера на рис.71 показано положение точки, соответствующей параметрам на выходе из регулирующей ступени при различных нагрузках конденсационных турбин с четырьмя регулирующими клапанами.

а) б)

Рисунок 71 – Состояние пара в камере регулирующей ступени в h,s-диаграмме (а) и зависимость КПД от расхода пара турбины с сопловым парораспределением (б)

Как видно из рис.71, а наибольший использованный теплоперепад в регулирующей ступени имеет место при полностью открытом первом клапане, а наименьший – при полностью открытых всех (четырех) клапанах. Максимальный КПД турбины получают при полностью открытых всех клапанах (рис.71,б). Так как отношение расхода пара к степени парциальности при режиме первого открытого клапана является наибольшим, то изгибающие напряжения в рабочих лопатках регулирующей ступени, пропорциональные отношению и использованному теплоперепаду Н_i, при этом режиме будут также максимальны.

Обводное (байпасное) парораспределение. Его чаще всего применяют вместе с дроссельным. Однако в ряде случаев оно сочетается и с сопловым парораспределением, в частности, для обеспечения перегрузки турбин сверх экономической мощности.

Принципиальная схема турбины с обводным парораспределением показана на рис.72. Все ступени турбины выполнены с полным подводом пара (е =1).

К первой ступени пар подводится через клапан 1, который работает как дроссельный до тех пор, пока давление перед соплами первой ступени не станет равным давлению свежего пара. Как только давление перед первой ступенью станет близким к давлению свежего пара, начинает открываться обводной клапан 2, через который часть пара, обходя первую группу ступеней, направляется непосредственно к третьей ступени.

Рисунок 72 - Схема турбины с обводным парораспределением

Проходные сечения третьей ступени больше, чем первой ступени. Поэтому открытие второго клапана позволяет пропустить через турбину увеличенное количество пара и, тем самым, достигнуть повышения мощности турбины. По мере открытия второго клапана давление Р_х в перегрузочной камере будет повышаться, что вызовет сокращение пропуска пара через первый регулирующий клапан.

При расчете и эксплуатации обводного регулирования необходимо строго следить за тем, чтобы расход пара через первую группу ступеней при всех режимах, даже при полностью открытом обводном клапане 2, был достаточен для отведения теплоты, выделяемой в результате потерь на трение и вентиляцию в ступенях этой группы. При недостаточном отводе теплоты температура пара в проточной части первой группы ступеней может подняться выше температуры свежего пара и вызвать опасное понижение прочности металла первых ступеней.

Чем отдаленнее от первой ступени производится впуск обводного пара, тем больше снижение экономичности от дросселирования пара, но тем большая может быть достигнута добавочная (перегрузочная) мощность.

На рис.73. представлена схема парораспределения турбины с внутренним обводом.

Недостатком этого способа является то, что его нерационально применять в турбинах, рассчитанных на высокую начальную температуру пара, так как это ведет к удорожанию стоимости турбины.

Выбор системы парораспределения. При выборе надо исходить из назначения турбины. Если турбина предназначена для покрытия базовой нагрузки электрической сети, ее следует проектировать как можно с более высоким КПД. Такая турбина в процессе эксплуатации должна работать по возможности с постоянной номинальной нагрузкой и может быть выполнена с небольшим числом регулирующих клапанов при сопловым парораспределении или даже с чисто дроссельным парораспределением.

Рисунок 73 -. Схема парораспределения турбины с внутренним обводом

Однако в настоящее время нагрузка энергосистем очень сильно меняется в течение суток (на многих ТЭС до 50%). 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, как указывалось ранее, в лопатках регулирующей ступени возможно возникновение значительных динамических напряжений изгиба из-за парциального подвода пара. Чем больше мощность турбины и выше удельный объем свежего пара, тем больше изгибающий момент, вызывающий напряжение изгиба в лопатках.

Немаловажно, что изменение нагрузки турбины при сопловом парораспределении приводит к значительно большим колебаниям температуры пара в промежуточных ступенях, следовательно, и температуры корпуса турбины, чем при дроссельном парораспределении. Это особенно важно для турбин, предназначенных для работы в регулировочном режиме (понижение и повышение нагрузки, остановы, пуски). Большие и резкие изменения температуры корпуса турбины при этих режимах вызывают градиенты температур и термические напряжения в стенках корпуса, снижающие маневренность и надежность турбины. В связи с перечисленными факторами турбины очень высоких мощностей, особенно если они работают на насыщенном паре (АЭС), обычно выполняют с дроссельным парораспределением.

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 теплоперепад регулирующей ступени.

В то же время увеличение располагаемого теплоперепада регулирующей ступени снижает давление в ее камере и, тем самым, сокращает утечку пара через переднее концевое уплотнение турбины. Для турбин малой мощности, особенно при высоком начальном давлении, эта утечка составляет несколько процентов от общего расхода пара и может заметно повлиять на экономичность турбоагрегата.

При режимах работы турбины с пониженными нагрузками давление в камере регулирующей ступени снизится пропорциально расходу пара, а располагаемый теплоперепад ступени соответственно возрастет. Относительный рост теплоперепада тем больше, чем меньше его расчетное значение .

Увеличение теплоперепада вызовет рост скорости С_ф и нарушение расчетного отношения U/C_ф, причем уменьшение U/C_ф и соответствующее ему снижение КПД регулирующей ступени будет тем сильнее, чем меньше был выбран расчетный теплоперепад этой ступени (рис.74).

Рисунок 74 - Влияние располагаемого теплоперепада регулирующей ступени на ее КПД при переменном режиме

Таким образом, преимущества соплового парораспределения проявляются при большом расчетном теплоперепаде регулирующей ступени в режиме переменной нагрузки турбины. Вместе с тем увеличение приводит к снижению экономичности турбины при ее полной нагрузке.

Для турбин, работающих длительное время с полной нагрузкой, предпочтительнее выбирать меньший теплоперепад регулирующей ступени, а для турбин, работающих с резко переменной нагрузкой, больший теплоперепад.

Способ соединения сопловых каналов в отдельные регулировочные группы выбирается в зависимости от того, в каких пределах будет изменяться нагрузка проектируемой турбины в процессе эксплуатации и при каких мощностях она будет работать наиболее продолжительное время. Например, известно, что турбина основное время будет работать с нагрузкой от 0,4 до 0,8 ·N_max и кратковременно с нагрузками меньше 0,4 и больше 0,8. При этом условии целесообразно, чтобы мощность до 0,4 ·N_max могла быть достигнута при работе одного регулирующего клапана, а дальнейшее увеличение пропуска пара для достижения мощности до 0,8 ·N_max осуществлялось путем последующего открытия вначале второго, затем третьего и четвертого регулирующих клапанов. Учитывая кратковременность работы при максимальной мощности, для достижения ее можно применить обводный перегрузочный клапан.

При выборе порядка открытия регулирующих клапанов необходимо учитывать также условия прогрева корпуса турбины. Из этих соображений, например, часто открывают одновременно два клапана, один из которых подает пар в нижнюю половину цилиндра, а другой - в верхнюю, чтобы обе части цилиндра разогревались одновременно.

Регулирование мощности турбины способом скользящего давления. С появлением блочной компоновки пуск турбины стали производить 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, при полностью открытых регулирующих клапанах. При регулировании мощности органами парораспределения турбина, котел и паропроводы свежего пара постоянно находятся под номинальным давлением. При регулировании же мощности котлом, когда регулирующие клапаны турбины полностью открыты и нагрузка изменяется примерно пропорциально давлению свежего пара, длительная работа при пониженном давлении повышает надежность и долговечность поверхностей нагрева котла и паропроводов, идущих к турбине.

Кроме того, поскольку давление пара перед турбиной меняется (скользит) плавно, а температура пара поддерживается постоянной (номинальной), то при полностью открытых регулирующих клапанах температура большинства ответственных элементов турбины сохраняется неизменной. Благодаря этому при изменении нагрузки отсутствует неравномерность температурных полей в поперечных сечениях корпуса турбины, вызывающая термические напряжения, специфические для частичной нагрузки турбин с сопловым парораспределением; не появляются относительные тепловые расширения (или укорочения) ротора; снижаются изгибающие напряжения, особенно динамические, в лопатках первой ступени. Перечисленные обстоятельства заметно улучшают надежность и маневренность турбины, не говоря уже о возможности упрощения ее конструкции (путем отказа от сопловых коробок) и повышения экономичности за счет этого отказа при номинальном режиме.

Рисунок 75 - Процесс расширения пара в h,s–диаграмме в ЦВД конденсационной турбины с дроссельным парораспределением при постоянном ( ___ ) и скользящем ( - - - - ) начальных давлениях для двух случаев: 1) при постоянном Р₀, т.е. P₀= const и h₀=const (сплошные линии); 2) при скользящем давлении свежего пара, т.е. P₀=var и h₀=const (штриховые линии).

Для того, чтобы оценить изменение экономичности турбоустановки при переходе с клапанного регулирования мощности на регулирование способом скользящего давления, рассмотрим в качестве примера процесс расширения пара в h,s-диаграмме (рис.75) в цилиндре высокого давления конденсационной турбины с высокими начальными параметрами и промежуточным перегревом, имеющей дроссельное парораспределение, при расчетном (G₀) и половинном ( ) расходах пара

Если температура пара после промперегрева будет поддерживаться постоянной, то давление за ЦВД при полностью открытых клапанах ЦСД будет меняться пропорционально расходу пара и при одном и том же значении процессы расширения пара в ЦСД и ЦНД при скользящем давлении будут такими же, как и при дроссельном регулировании. Следовательно, использованные теплоперепады и мощность ЦСД и ЦНД при равных расходах не будут зависеть от способа регулирования, т.е. будут одинаковыми как при дроссельном регулировании, так и при скользящем давлении пара:

; .

Давление перед первой ступенью ЦВД будет определяться расходом пара, причем при сниженной нагрузке в режиме скользящего давления и постоянной температуры t₀=const оно будет несколько выше, чем при дроссельном регулировании и h₀=const из-за большего удельного объема, обусловленного более высокой температурой . Например, при Р₀=20 МПа и t₀=550 ⁰С и снижении расхода пара вдвое эта разница составляет

Поскольку при скользящем давлении температура и давление его перед первой ступенью ЦВД при сниженных нагрузках выше, чем при дроссельном регулировании, то и начальная энтальпия выше. Энтальпия же пара за ЦВД при этом тоже выше. Поэтому даже при значительном снижении нагрузки теплоперепад, следовательно, и КПД проточной части ЦВД в этом случае сохраняются почти постоянными, т.е. такими же, как и при полной нагрузке. При дроссельном же регулировании КПД уменьшается при снижении нагрузки из-за потерь от дросселирования пара в регулирующем клапане.

Таким образом, внутренняя мощность ЦВД при регулировании скользящим давлением больше, чем при дроссельном регулировании, на величину:

.

Так как , то .

Для простейшего случая, когда расход пара после промежуточного перегрева равен расходу свежего пара, абсолютный внутренний КПД турбоустановки при сниженной нагрузке можно выразить так:

при дроссельном регулировании ;

при регулировании скользящим давлением ,

где - использованный теплоперепад ЦСД и ЦНД турбины с учетом регенеративных отборов.

Поскольку >0, а в формулах числитель меньше знаменателя (т.к. ), то , таким образом, регулирование мощности скользящим давлением с точки зрения экономичности при всех режимах частичного пропуска пара предпочтительнее дроссельного регулирования с постоянным давлением перед регулирующими органами.

Сравнение выигрышей в удельных расходах теплоты при различных способах регулирования мощности в качестве примера показано на рис.76 для турбины К-500-23,8 ХТГЗ с начальными параметрами пара Р₀=23,5 МПа, t₀=540 ⁰С, промежуточным перегревом пара при Р_пп=3,84 МПа до t_пп=540 ⁰С и Р_к=4,4 кПа.

Рисунок 76 - Сравнение удельных расходов теплоты для турбины К-500-23,5 при различных способах регулирования мощности: 1 - дроссельное парораспределение и Р₀=const; 2 - дроссельное парораспределение и Р₀=var; 3 – сопловое парораспределение и Р₀=const

Из графика видно, что при расходах пара выигрыш в удельных расходах теплоты от регулирования скользящим давлением по сравнению с дроссельным регулированием при постоянном давлении составляет .

При этом не учитывается изменение расхода энергии на привод питательных насосов, который для турбин сверхкритического давления составляет около 4%. Регулирование мощности скользящим давлением позволяет уменьшить этот расход пропорционально снижению давления питательной воды.

В отличие о дроссельного регулирования экономичность турбоустановки, снабженной сопловым парораспределением, может быть при скользящем давлении как выше, так и ниже, чем при постоянном давлении, и, как показывают расчеты, при расходах пара экономичность несколько выше, а при она одинакова как при скользящем, так и при постоянном давлении. При остальных режимах экономичность установки выше при постоянном давлении.

Поэтому с точки зрения тепловой экономичности наиболее выгодно комбинированное регулирование мощности: при малых нагрузках используется сопловое парораспределение при постоянном давлении, при больших нагрузках – при скользящем давлении.

Кроме повышения экономичности турбины перевод их на скользящее давление позволяет:

упростить конструкцию ЧВД и уменьшить диаметры наружного и внутреннего цилиндров, так как отсутствует регулирующая ступень;

увеличить надежность первой ступени, так как она выполняется без парциального подвода;

сохранять неизменной температуру пара перед соплами первой ступени при всех режимах, что обеспечивает высокие скорости изменения нагрузки;

повысить долговечность металла поверхностей нагрева котла и главного паропровода.