Предельная мощность однопоточной конденсационной турбины

Предельная мощность паровой турбины определяется расходом водяного пара через последнюю ступень (G₂), который ограничивается значением абсолютной скорости с₂ за ее рабочей решеткой из условия М_с2<1, удельным объемом влажного пара v₂, зависящим от давления р_к в конденсаторе, а также площадью рабочей решетки последней ступени F₂=pd₂l₂sina₂.

Последние ступени отличаются большими длинами лопаток, т.к. при низких значениях давления р_к необходимо реализовывать огромные по значению объемные расходы (G₂v₂) пара в конденсатор (G_к=G₂). В связи с большой длиной рабочих лопаток их механическая прочность находится на предельных уровнях по напряжениям растяжения, формируемых в корневых сечениях лопаток от действия центробежных сил. Отсюда предельный расход пара, который можно пропустить через последнюю ступень, зависит от механической прочности ее рабочих лопаток.

Предельный расход пара определяет и предельное значение внутренней мощности однопоточной конденсационной турбины (рис. 9.6), которую можно оценить по формуле

N_i=mG_кH₀^тh_oi^т, (9.3)

где m=1,1…1,3 – коэффициент, учитывающий выработку мощности потоками пара, направляемого в соответствующие регенеративные отборы турбины.

Рис. 9.6. Упрощенная тепловая схема конденсационной ПТУ

Учитывая, что направление абсолютной скорости с₂ выбирается с приближением к углу a₂=90⁰ (sina₂=1), расход пара в конденсатор однопоточной турбины определяется из уравнения неразрывности следующим образом:

, (10.4)

где W₂=pd₂l₂ – аксиальная (осевая) площадь выхода из рабочих лопаток последней ступени; с₂, v₂ – осредненные по высоте выходного сечения рабочей решетки значения абсолютной скорости и удельного объема.

Максимальные значения напряжения растяжения s_{р, мах} от действия центробежных сил R_цс при вращении ротора с угловой частотой w=2pn=2u/d (u=pdn) имеют место в корневом сечении рабочей лопатки (n , с^-1, w, рад/с). При постоянном значении площади f_л сечений профиля по высоте лопатки (рабочие лопатки постоянного сечения) напряжения

s_{р, мах}^пост определяется следующим образом:

, (9.5)

где при плотности материала лопатки r_ст ее масса m_л=r_ст f_лl₂.

Поскольку лопатки последних ступеней выполняют с переменным сечением профиля по высоте l₂ (площадь сечения уменьшается от корня к периферии рабочей лопатки), что приводит к снижению напряжения s_р в корневом сечении, то в (9.5) следует ввести коэффициент разгрузки k_разгр, определяемый отношением площадей сечений у вершины и корня лопатки f_пер/f_кор, а также законом изменения площадей по высоте, из выражения:

1/k_разгр»0,35+0,65×f_пер/f_кор. (9.6)

Наименьшие значения f_пер/f_кор достигают 0,1…0,14, для которых k_разгр»2,3…2,4. Тогда напряжение растяжения в корневом сечении для лопатки переменного профиля

. (9.7)

Решение (9.7) относительно осевой площади и подстановка его в выражение (9.4), а далее в (9.3), позволяет получить формулу для определения предельного значения внутренней мощности однопоточной турбины (с учетом допускаемого значения напряжения на растяжение для материала лопаток [s_р]»):

. (9.8)

Из этой формулы следует, что предельная мощность турбины кроме располагаемого теплоперепада турбины Н_о^т, ее относительного внутреннего КПД h_oi^т, коэффициентов m и k_разгр зависит от следующих величин:

1. напряжения растяжения, значение которого определяется допустимым напряжением [s_р] для материала лопатки (для высоколегированной стали [s_р]»450 МПа);

2. плотности материала лопатки r_ст (для нержавеющих сталей r_ст=7800 кг/м³);

3. скорости с₂, определяемой ограничениями потерь с выходной скоростью DН_вс=0,5с₂² и допустимым диапазоном режимов течения по числу Маха (М_с2<0,9). Для мощных турбин потери энергии с выходной скоростью составляют 20-45 кДж/кг. Их изменение для влажнопаровых турбин АЭС оказывает большее влияние на экономичность, чем для турбин, работающих с перегретым паром;

4. удельного объема v₂ водяного пара, зависящего от давления р_к в конденсаторе;

5. частоты вращения ротора n (при переходе с n=50 с^-1 к n=25 с^-1 предельная мощность турбины увеличивается в четыре раза).

Например, для стальных лопаток при n=50 с^-1 реализуется предельное значение площади рабочей решетки последней ступени =8,6 м², при которой внутренняя мощность турбины при р₀=23,5 МПа, t₀=565 ⁰С и р_к=4 кПа N_i^пред=117 МВт.

Располагаемый теплоперепад турбины зависит от параметров пара перед турбиной. Сегодня кроме сверхкритических параметров водяного пара (р₀=23,5 МПа) начинают применять и сверхвысокие его параметры (СВП) с давлением р₀=25…39 МПа и температурой t₀=570…600⁰С, что увеличивает располагаемый теплоперепад турбины Н_о^т. В турбоустановках с СВП иногда применяют две ступени промперегрева, что увеличивает термический КПД турбоустановки и располагаемый теплоперепад турбины. Следует понимать, что для турбин АЭС, работающих на влажном паре (р₀=5…7 МПа), Н₀^т значительно меньше, чем для турбин перегретого пара, что определяет сокращение их предельной мощности примерно на 20%. Повышение давления р_к в конденсаторе, например, с 3,5 кПа до 5,0 кПа увеличивает предельную мощность при прочих равных условий на 43% (за счет уменьшения удельного объема пара v₂). Но при этом абсолютный электрический КПД паротурбинных установок ТЭС уменьшается на Dh_Э/h_Э=0,5% и на Dh_Э/h_Э=0,9% для турбоустановок АЭС. В общем случае выбор давления в конденсаторе зависит от климатических условий места нахождения электростанции, системы ее водоснабжения, вида и стоимости топлива, а также ряда других факторов.