Работа турбины на частичных нагрузках при скользящем регулировании.

Метод регулирования мощности паротурбинной установки «скользящим» начальным давлением пара при неизменном положении регулирующих клапанов турбины (как правило, полностью открытых) изменением расхода питательной воды на котел и пропорциональном снижении давления перед турбиной был предложен в конце 20-х годов прошлого столетия В. Д. Кирпичниковым. Однако в то время в большой энергетике применялись низкие начальные параметры пара, при которых этот способ не давал существенных преимуществ перед работой при постоянном давлении свежего пара. Поэтому работа при «скользящем» давлении не нашла тогда значительного применения на электростанциях. Иногда этот способ применялся тогда только на судовых установках. Переход к высоким и сверхкритическим начальным параметрам пара при наличии промежуточного перегрева и переход к блочным установкам а также рост неравномерности графиков нагрузки в энергосистемах открыли перспективу практического использования «скользящего» давления на ТЭС. Отчасти введению «скользящего» давления в энергетику препятствовало мнение о низкой мобильности блоков, т.е. об их способности к подхвату нагрузки, что связано с пониженным давлением пара в котле, ограничивающими использование его аккумулирующей способности .

Проведенные в 60 –70-е годы прошлого столетия научные исследования ЛПИ, ЛМЗ, ОРГРЭС, УралВТИ, МЭИ ЦКТИ и некоторых других организаций показали эффективность и тепловую экономичность и повышенную надёжность метода «скользящего» давления.

Использование скользящего давления возможно при блочной компоновке оборудования. В этом случае начальное давление понижается за счет уменьшения расхода питательной воды и регулирования его насосом. При этом начальная температура остается постоянной, а регулирующие клапаны остаются в открытом положении.

Процесс расширения пара в регулирующей ступени и регулировании при постоянном и скользящем давлении представлен (дроссельное парораспределение) на рис.6.9.

При этом процесс расширения при Р₀= const идет по линии hо и происходит дросселирование потока пара, а при Р₀=var по линии tо=const и поток не дросселируется. При Р₀=var начальная энтальпия даже возрастает, температурное состояние регулирующей ступени, всей проточной части и температура пара на выходе из ЦВД остается более высокой так как отсутствует процесс дросселирования.

Рис.6.9. Процесс расширения пара при скользящих параметрах.

Работа на частичных нагрузках при скользящем давлении может быть использована как для дроссельного так и для соплового парораспределения.

При скользящем давлении с изменением режима меняется также цикл ПТУ (рис.6.10). При номинальном режиме на Ts-диаграмме он изображается контуром a₀b₀c₀d₀e₀, а при частичном – a₀bcde. Удаление параметров цикла от оптимальных, по мере снижения нагрузки, определяет понижение термического к.п.д. цикла h_t при скользящем давлении. Однако это понижение оказывается менее интенсивным, чем для установки с дроссельным парораспределением при постоянном давлении. Это объясняется тем, что процесс дросселирования пара в регулирующих в регулирующих клапанах турбины d₀d₁ (см. рис 6.10) сопровождается понижением температуры пара перед турбиной. Поскольку с термодинамической точки зрения эффективность цикла определяется достигаемыми перед турбиной параметрами пара и не зависит от линии подвода теплоты, полученный цикл a₀b₀c₀d₁e₁ эквивалентен циклу a₀bcd₁e₁ Последний же практически совпадает с циклом скользящего давления по давлению перед турбиной, но отличается от него меньшей температурой.

Рис 6.10. Циклы ПТУ в T-S диаграмме при постоянном и скользящем начальном давлении пара.

Заметим, что этот термодинамический выигрыш, определяемый параметрами пара перед турбиной и в конденсаторе, не зависит от того, каким путем достигается скользящее давление: изменением угловой скорости питательного насоса или дросселированием рабочей среды в питательных клапанах котла либо в специальных задвижках, встроенных в пароводяной тракт. Из этого следует, что термодинамический выигрыш от применения скользящего давления вместо дроссельного парораспределения при постоянном давлении обусловлен не самим по себе устранением дросселирования рабочего тела, а непостоянством удельной теплоемкости пара C_p, вследствие чего при дросселировании свежего пара понижается его температура.

При использовании водяного пара этот выигрыш тем больше, чем круче изотермы на is-диаграмме, т. е. возрастает с повышением номинального давления свежего пара.

На энергоблоках с промперегревом это приводит к тому, что более высокая температура пара остается за ЦВД в целом, что позволяет легче регулировать температуру пара промперегрева.

При использовании скользящего давления, при работе котла на сниженной нагрузке происходит смещение зоны начала парообразования. В результате чего она может сместиться из конвективной зоны в нижнюю радиационную часть топочной камеры, что неблагоприятно сказывается на надежности работы поверхностей нагрева. Это следует учитывать при переводе котельных агрегатов на скользящее давление.

Значительный выигрыш в эффективности использования скользящего давления даст и снижение собственных нужд питательного насоса. Существенная часть затрат энергии на собственные нужды ПТУ приходится на привод питательного насоса. С ростом начального давления пара удельная мощность питательного насоса возрастает и для мощных энергоблоков на сверхкритические параметры пара превышает 3%. В таких условиях выбор той или иной подпрограммы регулирования питательного насоса может оказать заметное влияние на тепловую экономичность всего блока, особенно при его работе со скользящим давлением.

Мощность развиваемую насосом можно определить из выражения:

. (6.4)

На рис. 6.11 приведена зависимость изменения мощности потребляемой питательным насосом блока мощностью 300 МВт при изменении нагрузки и работой с различными способами регулирования.

Рис. 6.11. Зависимость мощности турбопривода питательного насоса от мощности турбогенератора:

1 – располагаемая мощность турбопривода, при питании деаэратора от IV отбора турбины; 2 – то же, при питании деаэратора от III отбора турбины; 3 – то же, при питании деаэратора от постороннего источника пара; 4 – требуемая мощность турбопривода при работе блока на двух корпусах котла при номинальном давлении свежего пара; 5 – то же при скользящем давлении свежего пара.

Как видно из рисунка использование скользящего давления позволяет снизить мощность привода питательного насоса при разгружении до 50% более чем на 1 МВт.

Как отмечалось выше, реализация скользящего давления возможна как изменением угловой скорости питательного насоса при отсутствии дросселирования по всему пароводяному тракту, так и дросселированием рабочего тела в питательном клапане котла или в специальных клапанах, встроенных в тракт котла при нерегулируемом насосе. Удельный расход теплоты брутто во всех этих случаях практически одинаков. Однако возможность сокращения затрат мощности на привод питательного насоса делает наиболее эффективной первую из указанных подпрограмм.

Это связано с изменением характеристик сети, на которую работает насос.

Давление, которое должен при любом режиме работы блока обеспечить питательный насос, p_н=р₀+Dр+Dр_кл, где р₀ – давление пара перед стопорными клапанами турбины, определяемое программой регулирования блока; Dр – гидравлическое сопротивление пароводяного тракта, содержащего, кроме котла, также подогреватели высокого давления и главный паропровод; Dр_кл – потери давления в регулирующих питательных клапанах (РПК) котла, определяемые степенью их открытия. Она устанавливается регулятором питания котла. Гидравлическое сопротивление каждого участка пароводяного тракта пропорционально rv², где v – скорость рабочего тела; r– плотность. При постоянном давлении, когда плотности воды и пара изменяются незначительно, гидравлические потери Dр можно считать пропорциональными квадрату расхода пара.

При скользящем давлении гидравлическое сопротивление водяной части тракта меняется в зависимости от режима примерно также. Сопротивление же парового тракта при равных расходах оказывается большим, чем при постоянном давлении, ввиду больших скоростей пара. Таким образом, суммарное гидравлическое сопротивление пароводяного тракта при скользящем давлении больше, чем при постоянном. Однако понижение давления перед турбиной , во много раз превосходящее прирост гидравлического сопротивления, определяет общее уменьшение требуемого давления за насосом при скользящем давлении и возможность сокращения в следствие этого затрат мощности на привод питательного насоса.

Недостатком использования скользящего давления является снижение мобильности блока. В этом случае мобильность блока целиком определяется мобильностью котла, инерция которого весьма значительна и измеряется минутами. Поэтому энергоблоки, которые эксплуатируются на скользящем давлении не могут использоваться для подхвата нагрузки, когда изменение мощности требуется в течение нескольких секунд.