Выбор оптимального вакуума в конденсаторе.

Ранее уже отмечалось, как сильно сказывается давление в конденсаторе на экономичности турбины и турбинной установки. Ниже рассмотрено влияние давления в конденсаторе на надежность, а также на экономичность в связи с действием различных эксплуатационных факторов.

Понижение давления в конденсаторе по отношению к расчётному повышает эффективность работы конденсатора. Вместе с углублением вакуума увеличивается теплоперепад турбины и экономичность турбоустановки. Однако такое увеличение не может быть беспредельно: вместе с углублением вакуума увеличиваются теплоперепад последней ступени и скорости в её решётках. При некотором вакууме скорость пара достигает скорости звука, и дальнейшее углубление вакуума не приводит к увеличению реального теплоперепада для проточной части турбины, так как расширение пара происходит за пределами ступени. Такой вакуум называют - предельным.

Углублять вакуум ниже предельного, бессмысленно, поскольку при дополнительных затратах мощности на привод циркуляционных насосов, на улучшение плотности конденсатора и т.д. никакого дополнительного выигрыша в мощности или КПД не получается.

Поскольку давление и температура влажного пара жестко связаны, температура в конденсаторе однозначно определяет и давление в нём.

Существенное повышение давления в конденсаторе (ухудшение вакуума) представляет серьёзную опасность для ЦНД турбины и её конденсатора. Главная опасность заключается в том, что при этом температура в выходном патрубке увеличивается. Это приводит к его разогреву, и в результате появляются расцентровки валопровода и возникает вибрация. Кроме того, разогрев ротора грозит возникновением осевых задеваний, особенно в цилиндрах, наиболее удаленных от упорного подшипника.

В турбинах с очень длинными последними лопатками значительное повышение давления в конденсаторе, особенно при очень малых пропусках пара, чревато появлением дополнительных напряжений в этих лопатках. Поэтому длительная работа при значительном ухудшении вакуума в таких турбинах не разрешается. Обычно каждая инструкция по обслуживанию предусматривает значение предельно высокого конечного давления, выше которого эксплуатация турбины при номинальной нагрузке не допускается. Для конденсационных турбин это давление находится на уровне Рк=12 кПа. Для теплофикационных турбин, особенно тех, конденсатор которых содержит встроенный теплофикационный пучок, допускаемое давление в конденсаторе значительно выше (это обстоятельство учтено в конструкции турбины). Например, турбина Т–100–130 ТМЗ допускает давление в конденсаторе до 30 кПа при работе на конденсационном режиме и 60 кПа – при работе в режиме противодавления (встроенный пучок включён).

При ухудшении вакуума выше допустимого необходимо разгружать турбину путём снижения её мощности. Обычно дополнительное снижение вакуума ниже предельного на 133,3 Па (1 мм. рт. ст.) требует снижения нагрузки на 1–6 МВт, в зависимости от единичной мощности турбины.

Серьёзную опасность для лопаток последних ступеней представляют одновременное ухудшение вакуума в конденсаторе и уменьшение расхода пара. В этом случае могут возникнуть интенсивные самовозбуждающиеся колебания (автоколебания) рабочих лопаток. Такие режимы особенно опасны для теплофикационных турбин, работающих в осенне–зимний период с малым вентиляционным пропуском пара в конденсатор и ухудшенным вакуумом из–за нагрева воды во встроенном теплофикационном пучке.

На рисунке 8.7 показано, как изменяются напряжения в рабочих лопатках в зависимости от противодавления и относительного объемного расхода , где - пропуск пара при номинальном режиме (по испытаниям ВТИ). Максимальное значение напряжений возникает при и, как показывают опыты, оно примерно пропорционально давлению .

Рис. 8.7. Изменение напряжений в лопатках, от давления в конденсаторе и объемного расхода пара в конденсатор (для К-300-240).

Рис.8.8. область допустимых режимов в зависимости от давления конденсаторе и расхода пара в конденсатор (К-300-240)

Анализ результатов измерений динамических напряжений в лопатках конкретной турбины позволяет построить диаграмму допустимых режимов работы рис.8.8. Из неё видно, что при любом расходе пара через последнюю ступень давление в конденсаторе не должно быть больше вполне определенного значения. Если, например, расход пара , то давление в конденсаторе не должно превышать 27,5 кПа. Соответственно и обратно: если условия нагрева воды во встроенном теплофикационном пучке таковы, что давление в конденсаторе не может быть ниже определённой величины, то и расход пара в конденсатор должен быть соответствующим. Если, например, давление в конденсаторе 40 кПа, то расход пара должен быть либо очень малым 2,5 т/ч, либо не менее 62 т/ч.

Небольшие повышения давления в конденсаторе не влияют на его надежность, однако сильно сказываются на экономичности турбинной установки.

Общие положения выбора оптимального вакуума в конденсаторе.

В общем давление в конденсаторе определяется температурой конденсации пара , находится из соотношения:

tк=t_в1 +∆t_в +ʋ

где – температура поступающей в конденсатор циркуляционной воды;

– нагрев воды в конденсаторе (разность температур циркуляционной воды на выходе и входе в конденсатор );

ʋ – температурный напор (разность между температурой пара, поступающего в конденсатор и температурой циркуляционной воды на выходе из конденсатора ).

Действительно, теплота, отданная паром при конденсации охлаждающей воде, равна ,

где – расход пара в конденсатор, – энтальпия пара, – энтальпия образующегося конденсата, и совпадает с теплотой, переданной циркуляционной воде:

(есь Gцв – расход охлаждающей воды через конденсатор; – теплоемкость воды.

Разность в широком диапазоне изменения температуры влажного пара слабо зависит от температуры в конденсаторе, поэтому нагрев охлаждающей воды оказывается прямо пропорциональным расходу пара в конденсатор и обратно пропорциональным расходу циркуляционной воды.

Температурный напор ϑ отражает совершенство теплообмена в конденсаторе. Чем выше воздушная плотность конденсатора, чем лучше работает эжектор; чем чище трубки, по которым движется охлаждающая воды, тем меньше значение ϑ и тем глубже вакуум в конденсаторе.

Оптимальные условия эксплуатации будут достигаться тогда, когда при неизменном расходе пара на энергоблок будет обеспечиваться максимальная мощность, отпускаемая от турбины. В этом случае, величину отпускаемой мощности можно определить по выражению:

(8.27

)

где – мощность турбины на клеммах генератора, мощность циркуляционных насосов, мощность, недовырабатываемая паром в турбине за счёт отбора его на эжектор и мощность механизмов собственных нужд остальных агрегатов (за исключение циркуляционных насосов и эжекторов), соответственно.

При оптимизации вакуума можно считать практически постоянной.

Мощность, недовырабатываемая паром, отбираемым на эжектор зависит от места отбора пара и его расхода ( ):

(8.28)

где – соответственно, энтальпии пара в отборе и в конденсаторе;

– коэффициент, учитывающий отборы пара в систему регенерации;

– электромеханический КПД турбогенератора.

Причём, с одной стороны, увеличение расхода пара на эжектор увеличивает его производительность и улучшает условия конденсации, а значит и вакуум в конденсаторе, с другой стороны это ведёт к увеличению недовыработки мощности турбиной.

Мощность турбины в этом случае определяется:

(8.29)

где – расход пара через i-ый отсек;

– энтальпия пара на входе и выходе из i-ого отсека;

– число отсеков.

Мощность циркуляционного насоса определяется исходя из условия:

Nцн=(Gцв*Vср*∆Р)/ηн, (8.30

где Vср – удельный объём циркуляционной воды (м³/кг);

– напор, развиваемый насосом (Па);

Gцв – расход циркуляционной воды (кг/с);

– КПД циркуляционного насоса.

Температуру пара в конденсаторе также можно рассчитать по следующей формуле:

где – теплота парообразования, кДж/кг;

– кратность циркуляции, .

Показатель экспоненты рассчитывается по формуле:

где – коэффициент теплопередачи от пара к воде, кВт/(м×K).

Удельный расход пара в конденсатор определяется по формуле:

Здесь – площадь поверхности охлаждения, м².

Анализ показывает, что температура пара в конденсаторе, а значит и давление при постоянном расходе пара ( ) зависит от следующих величин:

- температуры охлаждающей воды на входе ;

- расхода циркуляционной воды ;

- коэффициента теплопередачи .

Отложение солей и органических веществ, их толщина и состав на внутренней стенке трубок конденсатора также ухудшает коэффициент теплопередачи и вакуум в конденсаторе.

При уменьшении температуры снижается и температура , улучшается вакуум. Увеличение расхода охлаждающей воды также приводит к снижению температуры и улучшению вакуума. К улучшению вакуума приводит также и улучшение теплопередачи от пара к воде (увеличение ).

Температуру охлаждающей воды на входе в конденсатор нельзя произвольно изменить, поскольку она определяется температурой окружающей среды и типом водоохладителя. Фактически управлять вакуумом в конденсаторе при заданной нагрузке ( ) можно, изменяя следующие параметры:

- расход охлаждающей воды ;

- количество отсасываемого из конденсатора воздуха ;

Таким образом, изменяя расход циркуляционной воды и расход пара на эжектор, можно определить оптимальное значение вакуума в конденсаторе, обеспечивающего максимальную мощность турбоагрегата.