Часть_1. Реновации паротурбинных установок

• Название: Реновации паротурбинных установок
• Дата: 09.11.2022
• Размер: 1.83 Mb.
• Имя файла: Часть_1.doc
• Тип: Документы; #778315
• страница: 7 из 8

Обводное (байпасное) парораспределение (рис.5.12). Внеш­нее обводное парораспределение чаще всего применяют вместе с дроссельным. Расход пара через обведенные ступени (до каме­ры перегрузки 3, где давление р_х) будет максимален при пол­ностью открытом основном клапане 1 и закрытом обводном клапане 2. По мере открытия клапана 2 расход пара через турбину увеличивается, давления в ее ступенях повышаются, и со­ответственно увеличивается мощность турбины. При полностью открытом обводном клапане 2 мощность турбины достигает максимального значения — предельного по условиям надежности ее работы. При таком режиме работы турбины расход пара че­рез нее максимален, а через ступени до камеры перегрузки — минимален.

При расчете и эксплуатации обводного регулирования необ­ходимо строго следить, чтобы расход пара через первую группу ступеней при всех режимах был достаточен для отвода теплоты, выделяемой в результате потерь на трение и вентиляцию в сту­пенях этой группы. При недостаточном отводе теплоты темпера­тура пара в проточной части обведенной группы ступеней может подняться выше начальной температуры пара и привести к опас­ному снижению прочности металла ступеней.

Коэффициент полезного действия промежуточных ступеней при изменении расхода пара в широких пределах можно прибли­женно считать постоянным. Наиболее резкие искажения тепло­перепадов, а, следовательно, и КПД при изменении расхода пара через турбину происходят в по­следних ступенях. Чем дальше от первой ступени производится впуск обводного пара, тем боль­ше снижается экономичность от его дросселирования, но тем большая может быть достигнута добавочная (перегрузочная) мощность. Чтобы уменьшить поте­ри, вызываемые дросселированием обводного пара, иногда при­меняют двукратное или трехкратное обводное парораспределе­ние, при этом КПД турбины изменяется в соответствии зависимостью представленной на рис. 5.13.

Обводное парораспределение нерационально применять в тур­бинах, рассчитанных на высокую температуру пара по двум при­чинам. Во-первых, группа первых ступеней и корпус турбины подвергаются воздействию высокой температуры пара, что вы­зывает необходимость применять высоколегированные стали и резко повышает стоимость турбины. Во-вторых, поскольку регу­лирующая ступень турбины при экономическом режиме сраба­тывает сравнительно малый теплоперепад (большинство турбин имеют одновенечные регулирующие ступени) и давление в ней лишь незначительно ниже начального, получить существенную перегрузку открытием обводного клапана не удается. Кроме то­го, при повышении давления за регулирующей ступенью ее эко­номичность ухудшается и растет температура пара.



Рис 5.13 Зависимость относительного внутреннего кпд от расхода пара в турбинах с однократным и двукратным обводами.

Рис 5.14 Схема внутреннего обвода турбины:

1-камера регулирующей ступени, 2-обводной клапан


Поэтому в турбинах с обводным парораспределением, рас­считанных на высокую начальную температуру, вместо наружно­го применяют внутренний обвод пара (рис.5.14).

Пар из камеры 1 регулирующей ступени через обводной клапан 2 поступает в од­ну из промежуточных ступеней. При этом после достижения эко­номической мощности и допустимых параметров пара в камере регулирующей ступени для дальнейшего нагружения турбины одновременно открывают обводной и регулирующий клапаны. Регулирующий клапан управляет расходом пара через дополни­тельный сопловой сегмент регулирующей ступени.

Выбор парораспределения. При выборе парораспределения исходят из назначения турбины. Если турбина предназначена для покрытия базовой электрической нагрузки, ее проектируют как можно с более высоким КПД на расчетном режиме. Предполага­ется, что такая турбина будет работать с постоянной номиналь­ной нагрузкой и может быть выполнена с небольшим числом кла­панов при сопловом парораспределении или с дроссельным паро­распределением.

К
Рис 5.15 Изменение мощности турбины с дроссельным и сопловым парораспределением в зависимости от расхода пара
ак известно, из-за неравномерного потребления нагрузка энергосистем значительно изменяется. Так как в часы провалов нагрузка на многих электростанциях снижается более чем напо­ловину, сравнительно небольшое количество турбин останавли­вают, остальные работают с нагрузками от 50% до полной, а в часы пик — до максимально возможной. Поэтому большинство паротурбинных установок, включая установки мощностью 500 и даже 800 МВт, необходимо проектировать для работы не толь­ко при полной, но и при сниженной нагрузке. В этих условиях наиболее рациональна система соплового парораспределения, при которой снижение нагрузки сопровождается значительно меньшим ухудшением экономичности, чем при дроссельном.

Кроме экономичности необходимо также учитывать условия надежности работы турбин. В турбинах с сопловым парораспре­делением, как уже указывалось, в лопатках регулирующей сту­пени из-за парциального подвода пара возможно появление значительных динамических напряжений изгиба. Чем больше мощность турбины, тем больше изгибающий момент, вызыва­ющий напряжения изгиба в лопатках.

При сопловом парораспределении изменение нагрузки приво­дит к значительным изменениям температуры в ступенях и кор­пусах турбин (а при дроссельном они меньше). Учитывая эти факторы, турбины очень больших мощностей, особенно работа­ющие на насыщенном паре (например, турбины АЭС), обычно выполняют с дроссельным парораспределением. Если же приме­няют сопловое парораспределение, важно выбрать оптимальный располагаемый теплоперепад регулирующей ступени при рас­четном режиме и оптимальное число сопловых коробок.

Турбины, работающие длительное время с полной нагрузкой, с точки зрения повышения экономичности должны иметь мень­ший теплоперепад регулирующей ступени, а пиковые, работа­ющие с резко переменной нагрузкой, больший. Одна­ко, чтобы обеспечить термо­прочность при многократных изменениях нагрузки для пи­ковых турбин, необходим меньший теплоперепад. В этом случае изменение тем­пературы проточной части турбин будет меньше.

Способ соединения сопловых каналов в отдельные регулиро­вочные группы выбирают в зависимости от того, на каких на­грузках наиболее продолжительное время работает турбина. Необходимо, чтобы на этих нагрузках соответствующие клапаны были полностью открыты. При выборе порядка открывания кла­панов следует учитывать также условия прогрева корпуса тур­бины. Поэтому, например, часто открывают одновременно два клапана, один из которых подает пар в нижнюю половину ци­линдра, а второй — в верхнюю, и обе части цилиндра разогрева­ются одновременно.
5.4Изменение нагрузки турбины способом скользящего давления

Изменить мощность наряду с парораспределением можно спосо­бом скользящего давления — изменением давления за котлом при фиксированном положении регулирующих клапанов турбины.



Рис 5.16 h,s-диаграмма процессов расширения пара для постоянного и скользящего давлений при дроссельном парораспределении

Рис 5.17 Зависимости удельного расхода пара для постоянного и скользящего начальных давлений при дроссельном (кривые 1 и 2) и сопловом парораспределении (кривая 3)

Процессы расширения пара в части высокого давления (ЧВД) конденсационной турбины с промежуточным перегревом и дрос­сельным парораспределением при постоянном и скользящем дав­лениях показаны в h, s-диаграмме на рис.5.16. Сплошные линии со­ответствуют процессу при постоянном начальном давлении р₀, а штриховые — при скользящем начальном давлении (р_о)_ск и постоянной начальной температуреt_o.

При дроссельном парораспределении в режиме частичной нагрузки энтальпия пара перед первой ступенью равна его эн­тальпии при номинальной нагрузке (h₀=const). При скользящем давлении энтальпия пара перед первой ступенью при частич­ной нагрузке возрастает на Δh₀, его температура не изменяется (t₀=const), а давление (р_о')_ск растет. Поскольку изменение рас­полагаемого теплоперепада ЧВД турбины при частичных на­грузках невелико, ее относительный внутренний КПД будет мало изменяться. Таким образом, при скользящем давлении исполь­зованный теплоперепад и внутренняя мощность ЧВД турбины будут больше, чем при постоянном давлении.

Мощность и использованный теплоперепад проточной части турбины после промежуточного перегрева пара одинаковы как при скользящем давлении, так и при постоянном. Это объясняет­ся тем, что в обоих случаях при одинаковых расходах пара тем­пературы после промежуточного перегрева будут одинаковыми.

Оценки экономичности турбинной установки с учетом тепло­ты, подводимой в котле, показывают, что удельный расход теплоты при частичных нагрузках турбины всегда меньше при регу­лировании мощности скользящим давлением по сравнению с дроссельным парораспределением. На рис.5.17 показаны зависи­мости удельного расхода теплоты от расхода пара при постоян­ном (кривая 1) и скользящем (кривая 2) начальном давлениях при дроссельном парораспределении, а также при сопловом па­рораспределении (кривая 3). Эти зависимости рассчитаны для турбины К-300-240 ХТЗ с начальными параметрами пара р_о = 23,5 МПа, t_о=540°С, промежуточным перегревом при давле­нии р_пп=3,84 МПа и температуре t_пп = 540°С и противодавлени­ем р_к=4,4 кПа. Относительный выигрыш удельного расхода теп­лоты Δq_э/q_э для скользящего давления при расходах D/D₀, мень­ших 0,65, составляет 2—2,5%. 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.

Кроме повышения экономичности турбины перевод их на скользящее давление позволяет:

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

увеличить надежность первой ступени, так как она работает 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.


6. ТУРБИНЫ ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫРАБОТКИ ТЕПЛОТЫ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

В теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) для комбинированной выработки электрической энергии и теплоты широко при­меняют теплофикационные турбины с противодавлением и тур­бины с регулируемыми отборами пара. Оценка преимуществ комбинированной выработкой теплоты и электроэнергии была дана в разделе 1. 4.
6.1 Турбины с противодавлением

Схема турбины с противодавлением (типа Р) показана на рис.6.1.

Рис 6.1 Схема турбины с противодавлением:

1-тепловой потребитель, 2-редукционно-охладительная установка, 3,5-турбины с противодавлением и конденсационная,4-генераторы,

6-конденсатор
Пар с начальными параметрами р₀, t_o подводится из кот­ла в турбину 3, где расширяется до давления р_п, и, покидая его, направляется к тепловому потребителю 1. Для отопительных ус­тановок (сетевых подогревателей-бойлеров) давление пара р_п=70-250кПа, а для промышленных целей он колеблется в бо­лее широких пределах: от 0,4—0,7 до 1,3—1,8 МПа.

Поскольку весь покидающий турбину пар используется тепло­вым потребителем, электрическая мощность паротурбинной ус­тановки определяется этим расходом пара, задаваемым потре­бителем теплоты:

N_э = DH₀ η_oi .

Так как в большинстве случаев графики потребления тепло­вой и электрической энергии не совпадают, то турбина, работая по тепловому графику, не может полностью обеспечить потреби­телей электроэнергией. Поэтому в современных энергетических системах турбины с противодавлением работают не изолирован­но, а параллельно с конденсационными турбинами 5. При этом турбина с противодавлением вырабатывает лишь количество электроэнергии, определяемое расходом пара, идущего теплово­му потребителю, а остальная электроэнергия вырабатывается конденсационными турбинами. Конденсационные турбины не обязательно должны быть уста­новлены на одной станции. Важ­но, чтобы их генераторы были включены в общую электриче­скую сеть.

Если в часы максимальных тепловых нагрузок расход пара, необходимый тепловым потреби­телям, превышает максимальную пропускную способность теплофи­кационной турбины, в его линию дополнительно поступает пар из редукционно-охладительной ус­тановки (РОУ) 2. Эта установка позволяет также снабжать теплового потребителя 1 паром в период остановов турбины 3. Как уже отмечалось, мощность, развиваемая турбиной с про­тиводавлением, определяется нагрузкой теплового потребителя. Это не позволяет эффективно использовать установленную мощ­ность турбогенератора и, в свою очередь, ограничивает область применения турбин с противодавлением. Допустим, что турбина с противодавлением обслуживает отопительное тепловое потреб­ление. Следовательно, в зимние месяцы, когда расход теплоты на отопление большой, турбина развивает значительную электри­ческую мощность. Летом же, когда отопление не требуется, тур­бина может оказаться совсем без нагрузки. В этом случае не только турбина, но и связанное с ней электрическое оборудова­ние не используются. Поэтому турбину с противодавлением це­лесообразно устанавливать при наличии таких тепловых потре­бителей, нагрузка которых не прерывается в течение суток и дер­жится на достаточно высоком уровне круглый год. Давление па­ра, поступающего к тепловому потребителю, необходимо, как правило, поддерживать постоянным.

Конструктивно турбина с противодавлением отличается от конденсационной только отсутствием ступеней, работающих в об­ласти низких давлений. Поэтому турбину с противодавлением выполняют так же, как ЧВД конденсационной турбины.
6.2 Турбины с одним промежуточным регулируемым отбором пара

Основной недостаток турбин с противодавлением — неполное ис­пользование мощности при работе по тепловому графику — уст­ранен в конденсационных турбинах типа П или Т с регулируемы­ми отборами пара. Поскольку выработка электрической энергии турбинами с регулируемыми отборами пара не зависит от тепло­вой нагрузки, они могут одновременно снабжать внешних потре­бителей теплотой и электроэнергией.

Турбина с одним промежуточным регулируемым отбором па­ра (рис. 6.2,а) состоит из двух частей: группы ступеней 3, рас­положенных до регулируемого отбора (называемой частью высокого давления ЧВД), и группы ступеней 5, расположенных от отбора до конденсатора 6 (называемой частью низкого давления ЧНД).


Рис 6.2 Схема турбины с одним промежуточным регулируемым отбором пара (а) и h,s-диаграмма процесса расширения пара в ней (б):

1,2-стопорный и регулирующий клапаны ЧВД, 3-часть высокого давления, 4-регулирующий клапан ЧНД, 5-часть низкого давления, 6-конденсатор, 7,8-отсечной и обратный клапаны, 9-тепловой потребитель,

10-редукционно-охладительная установка
Пар, имеющий давление р₀ и температуруt₀, подводится к тур­бине через стопорный 1 и регулирующий 2 клапаны и расширя­ется в ЧВД до давления р_п, которое поддерживается постоянным и определяется тепловым потребителем 9. Пройдя ЧВД, поток пара Do разделяется на две части. Одна часть D_n через отсечной 7 и обратный 8 клапаны идет к тепловому потребителю 9, а дру­гая D_K=D₀—D_n через регулирующий клапан 4 направляется в ЧНД, где расширяется до давления р_к в конденсаторе 6. Для снабжения паром теплового потребителя в период останова тур­бины служит редукционно-охладительная установка 10.

Процесс расширения пара в турбине в h,s-диаграмме пока­зан на рис. 6.2,б, где даны располагаемые (Н_о' и H_о") и исполь­зованные Н_і' и H_і" теплоперепады соответственно в ЧВД и ЧНД. При изменении расхода пара D_n в отбор можно поддержи­вать электрическую мощность Р_э неизменной изменением расхо­дов пара D_o в ЧВД и D_k в ЧНД. Аналогично можно при изменении электрической на­грузки Рэ поддерживать по­стоянным расход пара D_n теп­ловому потребителю. Таким об­разом, можно в определенном диапазоне независимо изменять тепловую и электрическую на­грузку.

Зависимость электрической мощности турбины Р_э от рас­хода пара D_k в конденсатор при постоянном его расходе в теплофикационном отборе D_n, а также от расхода пара в от­бор при постоянном его расхо­де в конденсатор изображают графически на диаграмме ре­жимов (рис.6.3).



Рис 6.3 Диаграмма режимов турбины с одним регулируемым отбором

Сплошными линиями показывают режимы с постоянным отбором пара тепловому потребителю (D_n = const). При этом верхняя кривая, соединяющая точки 1, 2, 3 и 4, соответствует конден­сационному режиму (Dn = 0). Штриховыми линиями показыва­ют режимы с постоянным пропуском пара в конденсатор (D_k=const). Причем нижняя кривая, соединяющая точки a, b, с и d, соответствует расходу D_k=0 (полный отбор пара, через ЧНД расход пара отсутствует).

Режимы с расходом D_k=0 при эксплуатации турбины не до­пускаются, так как приводят к чрезмерному перегреву ротора из-за недостаточного теплоотвода. Поэтому через ЧНД всегда должен быть минимальный расход пара D_k^min, чтобы обеспечи­вались условия теплоотвода. Кривая, соответствующая расходу D_к^min=const, обозначена точками 5,6,7 а 8. Кроме того, на диа­грамму нанесены линии максимального расхода пара D_o^mаx в ЧВД и максимальной мощности турбины Р_э.

Заштрихованная область диаграммы соответствует пол­ностью открытым клапанам ЧНД. Увеличить расход пара через конденсаторы в этом случае можно только, повысив давление в отборе—камере перед клапанами ЧНД.

Диаграмма режимов турбины позволяет при заданных потре­бителями расходе отбираемого пара D_n и электрической мощно­сти Р_э определить расход пара Do в ЧВД, расход D_k в конденсатор. Пунктирными линиями на рис.6.3 по­казано, как определить расходы D_k и D_o при заданных D_n и Р_э.

При проектировании и эксплуатации турбин с регулируемым отбором пара необходимо учитывать некоторые их особенности. Так, в зависимости от тепловой и электрической нагрузок эти турбины могут работать в различных режимах, которые разде­ляют на конденсационные и теплофикационные. При конденса­ционном режиме работы турбины с одним регулируемым отбо­ром пара, который не отличается от режима работы конденса­ционной турбины, расход пара в регулируемый отбор отсутству­ет. В теплофикационном режиме такая турбина может работать по тепловому или электрическому графику. При тепловом графи­ке электрическая мощность определяется тепловой нагрузкой и не может быть изменена без соответствующего изменения тепло­вого потребления, так как при этом регулирующие органы ЧНД турбины находятся в неподвижном состоянии. Регулируют на­грузку в этом случае парораспределением в ЧВД. При режимах работы по электрическому графику регулирующие органы ЧНД турбины могут иметь произвольную степень открытия. Для турбин с независимым заданием электрической нагрузки характерно наличие тепловой нагрузки, которая ограничивает возможность снижения электрической мощности ниже некоторого минималь­ного значения, определяемого расходом теплового потребите­ля D_n. Возможность увеличения электрической нагрузки ограни­чивается максимальным D_k^max расходом пара в конденсатор.

В теплофикационных турбинах применяют сопловое парораспределе­ние, так как многообразие возможных режимов их работы опре­деляет изменение в широком диапазоне расхода пара, протека­ющего через ЧВД. На паропроводе, связанном с камерой отбора, устанавливают обратный клапан 8 (см. рис.6.2,а). Это обуслов­лено возможным повышением давления в корпусе ЧВД и примы­кающих к нему паропроводах при неправильной работе системы регулирования, например, если клапаны ЧНД по какой-либо при­чине закроются раньше, чем клапаны ЧВД.

Такие же клапаны устанавливают на линиях нерегулируемых отборов. Так как паропровод отбираемого пара имеет большую емкость, то, если регулирующие органы ЧНД при внезапном от­ключении генератора не закроются, пар может пойти обратно в ЧНД и, расширяясь, разогнать турбину до скорости, вызывающей ее разрушение. Кроме того, одновременно с закрытием регулиру­ющего 2 и стопорного 1 клапанов на линии подвода пара в тур­бину предусмотрено принудительное закрытие отсечного клапа­на 7 и регулирующих органов 4.
6.3 Турбины с регулируемым отбором пара и противодавлением

В тех случаях, когда необходимо одновременно снабжать тепло­вых потребителей паром двух различных давлений, например для отопительных и промышленных целей, на ТЭЦ могут быть установлены турбины ПР с отбором и противодавлением или турбины ПТ с двумя регулируемыми отборами.

Схема турбины с противодавлением и регулируемым отбором пара показана на рис.6.4.


Рис 6.4 Схема турбины с противодавлением и одним регулируемым отбором пара:

1,3-части высокого и низкого давления, 2-регулирующий клапан, 4-конденсационная турбина, 5,6—тепловые потребители
Пар, имеющий давление р₀ и темпера­туру t₀, подводится к турбине и расширяется в ее ЧВД 1 до давления р_п, необходимого тепловым потребителем. Затем поток пара разделяется: часть пара D_n направляется к одно­му тепловому потребителю 6, а остальная D_т через регулиру­ющие клапаны 2 проходит в ЧНД 3, где расширяется до давления р_т, необходимого другому тепловому потребите­лю 5 (чаще всего это системы отопления и горячего водоснаб­жения).

Мощность турбины ПР, как и турбины Р, зависит от на­грузки тепловых потребителей. Поскольку турбина ПР мо­жет быть использована рацио­нально лишь при работе по тепловым графикам обоих потреби­телей теплоты, параллельно ей должна быть включена конден­сационная турбина 4, компенсирующая колебания электрической нагрузки.

Недостатком турбин ПР, как и турбин Р, является неполное использование электрического оборудования в периоды сокра­щенного теплового потребления.

6.4 Турбины с двумя регулируемыми отборами пара

Недостатки паротурбинных установок, использующих турбины с регулируемым отбором пара и противодавлением, связаны с тем, что электрическая мощность в них зависит от нагрузки тепловых потребителей, и в значительной мере устра­няются при использовании на ТЭЦ турбин с двумя регулируемы­ми отборами пара. Схема такой турбины показана на рис.6.5, а.

Рис 6.5 Схема турбины с двумя регулируемыми отборами (а) и h,s-диаграмма процесса расширения пара в ней (б):

1,2,3-части высокого, среднего и низкого давления, 4-конденсатор,

5,6-тепловые потребители
Турбина имеет три части: высокого 1 (ЧВД); среднего 2 (ЧСД) и низкого 3 (ЧНД) давлений, между которыми осуществляется промышленный (давление р_п) и теплофикационный (давление р_т) регулируемые отборы пара.

Поток пара D_o, имеющий параметры р₀ и t_o, расширяется в ЧВД до давления р_п. При этом давлении часть пара D_n отбирает­ся промышленным тепловым потребителем 6, а часть пара D_o— D_п проходит через регулирующие клапаны в ЧСД, где расширяется от давления отбора р_т. При этом давлении производится второй отбор, из которого часть пара D_T направляется теплофи­кационному потребителю 5, а остальной D_o—D_n—D_т = D_кчерез регулирующие органы поступает в ЧНД, а затем расширяется в конденсаторе до давления р_к. Процесс расширения пара в h,s-диаграмме показан на рис.6.5,б.

Режим турбины с двумя регулируемыми отборами пара опре­деляется ее мощностью Р_э, расходами пара, направляемого про­мышленному D_n и теплофикационному D_т потребителям, и рас­ходом пара D_o в ЧВД. Графически зависимости между этими ве­личинами изображаются на диаграмме режимов, так же как для турбины с одним регулируемым отбором пара.

Однако в турбине с одним отбором пара диаграмма режимов изображает взаимную зависимость между тремя величинами D₀, D_n и Р_э и поэтому может быть представлена поверхностью в трехмерном пространстве или, как показано на рис.6.3, сеткой кривых, которые можно рассматривать как линии пересечения этой поверхности с плоскостями постоянного расхода пара D_n=const. Для турбины с двумя регулируемыми отборами пара так изобразить диаграмму режимов на плоскости невозможно, так как число переменных не три, а четыре.

Рис 6.6 Зависимость мощностей частей высокого, среднего и низкого давления турбины с двумя регулируемыми отборами от расхода пара

Для построения диаграммы режимов турбины с двумя отбо­рами пара вначале определяют зависимость мощности, развива­емой каждой частью турбины, от расхода пара. Выполнив рас­чет переменного режима и предполагая, что перед ЧСД и ЧНД состояние пара сохраняется неизменным, определяют зависи­мость электрической мощности от расхода пара P_э=f(D) для каждой из трех частей турбины. В качестве примера на диа­грамме, показанной на рис.6.6, для турбины с двумя регулиру­емыми отборами построены эти зависимости, причем мощности отдельных частей подсчитаны в долях от номинальной мощности всей турбины, а расход пара — в долях от его расчетного расхода через ЧВД. Если предположить, что отбор пара низкого давления не производится и через ЧНД мо­жет быть пропущен весь пар, по­ступающий в ЧСД, суммарная мощность ЧСД и ЧНД может быть представлена линией ае. Зная зависимость мощности ЧВД и суммарной мощности ЧСД и ЧНД от расходов пара че­рез них, можно построить диаграмму режимов турбины с одним (промышленным) отбором, как это, например, сделано в пра­вой части рис. 6.7.



Рис 6.7 Диаграмма режимов турбины с двумя регулируемыми отборами пара

Таким образом, правая часть рис.6.7 представляет собой диа­грамму режимов турбины с одним отбором пара, в которой его расход через ЧНД равен расходу через ЧСД. В левой части рис.6.7 линия ad представляет собой зависимость мощности ЧНД от расхода пара.

Пользуясь диаграммой, показанной на рис.6.7, можно для турбины с двумя регулируемыми отборами найти расход пара при заданной мощности и заданных расходах в отборы. Пусть зада­ны Р_э, D_n и D_т и надо определить расход пара D_o.

Допустим, что поток пара D_T направляется через ЧНД в кон­денсатор турбины. Тогда, работая в ЧНД, этот пар выработал бы дополнительную мощность Р_э^III и мощность турбины составила Р_э^I = Р_э + Р_э^III. Увеличение суммарной мощности турбины может быть найдено по диаграмме, если от точки А, соответствующей заданной мощности, провести линию АВ, параллельную линии ad, до пересечения в точке В с линией заданного расхода пара D_T. При этом отрезком АС будет определяться дополнительная мощ­ность, выработанная в ЧНД в результате дополнительного расхода пара D_тчерез ЧНД. Таким образом, отказываясь от отбора пара D_т и направляя этот отбор в ЧНД, мы получили бы от тур­бины увеличенную мощность, определяемую на диаграмме точ­кой С, и одновременно перевели бы турбину на работу с одним регулируемым отбором пара.

Приняв этот фиктивный режим работы турбины, и пользуясь правой частью диаграммы, показанной на рис.6.7, можно определить суммарный расход пара через турбину при заданном его расходе D_n первого отбора — точка Е.

Таким образом, используя диаграмму, заменяют режим тур­бины с двумя отборами пара некоторым фиктивным режимом, при котором его расходы через ЧВД и ЧСД остаются такими же, как при действительном режиме, а расход через ЧНД увеличива­ется на количество второго отбора. Связанное с увеличением рас­хода пара через ЧНД увеличение мощности турбины определя­ют по вспомогательной диаграмме в левой части рис.6.7.

Расход пара второго отбора не может быть произвольным и его максимальное количество (без учетa регенеративных отбо­ров)

, (6.1)

где — наименьший допустимый расход пара через ЧНД (кон­денсатор).

Поэтому второй отбор может быть выбран произвольно лишь в пределах от нуля до D_т^max.

Начальные параметры пара t_oи р_о, а также его давления в отборах р_п и р_т могут отклоняться от расчетных значений. В этом случае мощность турбины отличается от мощности, по­лученной по диаграмме режимов, и определяется с помощью спе­циальных поправочных коэффициентов.

Турбины с двумя регулируемыми отборами пара получили распространение на ТЭЦ, строящихся в районах крупного промышленного потребления теплоты. В этих районах необходим как пар высокого давления для промышлен­ных целей, так и пар низкого давления для отопления и горяче­го водоснабжения предприятий и прилегающих к ним жилых рай­онов.
6.5 Многоступенчатый подогрев сетевой воды

В турбинах с регулируемыми отборами пара в последнее время применяют схему двух- и трехступенчатого подогрева сетевой воды в расположенных последовательно подогревателях. Схема турбинной установки с двухступенчатым подогревом сетевой воды показана на рис.6.8, а.


Рис 6.8 Схема турбинной установки с двухступенчатым подогревом сетевой воды (а) и h,s-диаграмма процесса расширения пара в ней (б):

1,3-части высокого и низкого давления, 2-регулирующий клапан, 4,5-нижняя и верхняя ступени подогревателя сетевой воды
Турбина имеет два отбора пара для внешнего теплового потребления: верхний и нижний, расхо­ды пара в которых соответственно D₁ и D₂. Пар этих отборов на­правляется соответственно в верхнюю 5 и нижнюю 4 ступени се­тевого подогревателя. Регулирующий клапан 2 отбора располо­жен между частями высокого 1 (ЧВД) и низкого 3 (ЧНД) дав­ления. В зависимости от положения этого клапана изменяется расход пара D₂ и соответственно при заданной тепловой нагруз­ке — расход пара D₁.

Температура t_2с сетевой воды, направляемой тепловому по­требителю, определяется давлением пара р₁ первого отбора. Постоянной температуре t_2ссоответствует постоянное давление p₁. Нижний отбор производится при меньшем давлении р₂, что бла­гоприятно сказывается на экономичности турбинной установки, так как мощность, вырабатываемая на базе теплового потреби­теля, являющаяся основным показателем эффективности комби­нированной выработки теплоты и электроэнергии, возрастает пропорционально использованному теплоперепаду H_i^'' между от­борами (рис. 6.8,б).

Для использования теплоты, передаваемой конденсирующим­ся паром циркуляционной воде в конденсаторе и не использу­емой в цикле электростанции, часть охлаждающих трубок конденсатора выделяют в специальный теплофикационный пучок, на­зываемый встроенным. В трубки такого пучка подводится как циркуляционная, так и сетевая вода. Конденсаторы со встроен­ным пучком применяют в теплофикационных турбинах мощ­ностью более 50 МВт. Поверхность охлаждения встроенного пуч­ка составляет около 15% общей охлаждающей поверхности конденсатора.

Схема паровой турбины с конденсатором, имеющим встроен­ный пучок, показана на рис.6.9,а. К основному пучку 4 трубок конденсатора подводится только циркуляционная вода, а к встроенному 5 —циркуляционная и обратная сетевая (или подпиточная). Остальное оборудование турбины имеет то же назна­чение, что и турбины, показанной на рис.6.8,а. Таким образом, в турбинной установке (рис.6.9,а) производится трехступенча­тый подогрев сетевой воды, причем первая ступень подогрева осуществляется во встроенном в конденсатор пучке.


Рис 6.9 Схема турбины с конденсатором, имеющим встроенный теплофикационный пучок, и двухступенчатым сетевым подогревателем (а) h,s-диаграмма процесса расширения пара в ней (б):

1,3-части высокого и низкого давления, 2-регулирующий клапан, 4-основной пучок трубок конденсатора, 5-встроенный пучок, 6,7-нижняя и верхняя ступени подогревателя сетевой воды
Работа турбины с использованием встроенного в конденсатор пучка вызывает перераспределение давлений и теплоперепадов по ее ступеням. На рис.6.9,б штриховыми линиями показан процесс расширения пара в h,s-диаграмме при работе турбины в конденсационном режиме, а сплошными — в режиме с исполь­зованием встроенного пучка. Для ЧВД турбины режим работы с встроенным пучком связан с уве­личением давлений в регулиру­емых отборах (p₁>p₁' и р₂>р₂'), что снижает мощность, выраба­тываемую при расходах пара D₁ и D₂.

Так как вследствие ухудшения вакуума в конденсаторе в ЧНД турбины резко снижается тепло­перепад (H'₀₂>H₀₂), ее ступени работают с большим отношением скоростей u/c_ф и меньшим КПД. В отдельных случаях потери энер­гии в ЧНД превышают распола­гаемый теплоперепад и ее ступе­ни работают с отрицательным КПД, потребляя мощность (линия 2—1 на рис.6.9, б). При этом в результате возрастания темпера­туры пара, проходящего через ЧНД, ухудшается температурный режим выхлопного патрубка тур­бины.

Зависимость электрической мощности турбины Р_эот расхода пара, тепловой нагрузки и тем­пературы сетевой воды может быть изображена графически на диаграмме режимов, которая строится по методу разделения расхода пара на два потока: теплофикационный D_T и конденса­ционный D_к.

Диаграмму режимов (рис.6.10) строят в трех квадрантах. В первом (левом нижнем) квадранте I изображают зависимость расхода пара через турбину D₀=D_т от теплофикационной на­грузки Q_Tи температуры сетевой воды t_2c. Во втором квадранте II (левом верхнем) изображают зависимость мощности, раз­виваемой паром теплофикационного отбора, от расхода D_т этого отбора и температуры сетевой воды t_2c. С помощью диаграммы по квадрантам I и II можно определить мощность турбины, ра­ботающей по тепловому графику.

В квадранте III (правом верхнем) изображают зависимость конденсационной мощности турбины от расхода пара D_к через конденсатор и теплофикационной нагрузки Q_т. Здесь же наносят линию чисто конденсационного режима, при котором турбина работает без тепловой нагрузки. Общий расход пара через тур­бину определяют суммированием его расходов, полученных во II и III квадрантах.

Д
Рис 6.10 Диаграмма режимов турбины с двухступенчатым подогревателем сетевой воды
ля примера на диаграмме показано, как определить мощ­ность турбины и расход пара при ее работе по тепловому графи­ку при заданных тепловой нагрузке Q_т(точка А) и температуре сетевой воды t_2c (точки Б и Г). Расход пара определяется точкой пересечения прямой БГ с осью D_т (точка В), а мощность — на пересечении прямой ГД с осью Р — точка Д.

Расход пара при работе по электрическому графику при за­данных мощности (точка Ж) и тепловой нагрузке Q_т (точка А) определяют следующим образом. Проведем из точки Д прямую ДЕ, соответствующую

Q_т = const, и на ее пересечении с прямой ЖЗ получим точку 3. Опустив перпендикуляр ЗИ на ось D_к, по­лучим расход конденсационного потока D_к (точка И). Расход пара D_o через турбину получают суммированием расходов D_ти D_к(точки В и И).

Расход пара D_o через турбину при работе в чисто конденса­ционном режиме с заданной мощностью Р_э (точка К) определя­ют по прямой с'с, соответствующей этому режиму. Проведем из точки К линию КЛ, параллельную оси D_к, до пересечения с пря­мой сс' (точка Л). Далее из точки Л проведем перпендикуляр к оси Dи найдем точку М пересечения его с этой осью. Расход D_o соответствует точке М на диаграмме.

7. Конденсационные устройства

7.1Назначение и принцип действия

Конденсационные устройства в паротурбинных установках вы­полняют роль холодного источника, понижение температуры ко­торого повышает термический КПД цикла. В холодном источнике происходит конденсация отработавшего пара. Образующийся конденсат может быть сохранен, а затем использован в качестве питательной воды для котла. Таким образом, назначением кон­денсационных устройств является [5]:

-создание и поддержание определенного давления (разрежения) в выхлопном патрубке турбины;

-превращение в конденсат отработавшего в турбине пара для питания им котла или парогенератора реакторной установки энергоблоков АЭС;

-удаление неконденсирующихся газов из всех пароводяных потоков, поступающих в конденсатор.

Конденсационная установка (рис.7.1) состоит из: конденса­тора 2, циркуляционного 10, конденсатного 3 и воздушного 4 (эжектора) насосов и двигателей для их привода, турбопроводов и армату­ры.

Отработавший в турбине пар по­ступает в конденсатор 2, представля­ющий собой теплообменный аппарат (обычно поверхностного типа), в кото­ром происходит его конденсация. Для отвода теплоты, выделяющейся при конденсации пара, через трубки кон­денсатора непрерывно прокачивается циркуляционным насосом 10 охлажда­ющая вода, которая подается из водо­ема или бассейна градирни. Образо­вавшийся в результате конденсации пара конденсат откачивается из конденсатора конденсатным насосом 3 и подается в систе­му регенеративного подогрева питательной воды.


Рис. 7.1. Схема простейшей конденсационной установки:

1- выхлопной патрубок; 2-конденсатор; 3-конденсатный насос; 4-эжекторная установка; 5-охладитель эжекторов; 6-ПНД -1; 7-последняя ступень ЦНД; 8- система технического водоснабжения; 9-филтр технической охлаждающей воды; 10-циркуляционные насосы;11-трубопроводы охлаждающей воды







В конденсатор вместе с паром поступает некоторое количество неконденсирующихся газов – кислорода и углекислоты, а из-за присосов через неплотности в системах турбоустановок, работающих под разрежением – значительно большее количество воздуха. Наличие газов в паре ухудшает теплообмен между паром, омывающим трубки снаружи, и водой, проходящей внутри трубок, поэтому должно производиться непрерывное удаление этих газов из конденсатора с помощью специальных устройств. Эту задачу выполняет воздушный насос 4, в качестве которого обычно используют паро­струйный (паровой) или водоструйный (гидравлический) эжек­тор. Нужно отметить, что эжектор отсасывает из конденсатора не сухой воздух, а смесь пара и воздуха, в которой доля воздуха составляет 50-60%. Чтобы уменьшить содержание пара в отсасываемой паро-воздушной смеси и излишне не загружать эжектор, каждый конденсатор имеет специально выделенную воздухоохладительную часть трубного пучка, расположенную на пути воздуха к трубам отсоса. Она выполнена путем удлинения хода пара к эжектору и увеличению времени контакта паров с охлаждающими трубками.

Необходимым условием конденсации пара является непрерыв­ный отвод теплоты, выделяющийся при переходе пара в жид­кость, т. е. теплоты конденсации. Этот отвод теплоты соверша­ется в результате теплообмена конденсирующегося пара с охлаждающей водой через стенки конденсаторных трубок, об­разующих поверхность охлаждения конденсатора F_K. Поверх­ность охлаждения определяется количеством пара, которое мож­но сконденсировать в конденсаторе при заданных условиях теп­лообмена:
, (7.1)
где Q— количество теплоты, передаваемой охлаждающей воде при конденсации пара, Дж/с (Вт); K— коэффициент теплопередачи, Вт/(м²*К); δt_ср — средний температурный напор (разность температур) между паром и водой, К.

В этой формуле F_K(м²)—суммарная площадь поверхности конденсаторных трубок—может быть определена по внешнему или по внутреннему их диаметру, в зависимости от того, к какой поверхности отнесен коэффициент теплоотдачи.

В конденсатор поступает не чистый пар, а смесь пара (как правило, насыщенного или с некоторой степенью влажности) с конденсирующимися газами (в основном воздухом), которую принято называть паровоздушной смесью. По мере движения: паровоздушной смеси вдоль поверхностей охлаждения и кон­денсации пара его температура снижается. Это объясняется тем, что снижается парциальное давление пара, так как уменьшается его массовая доля в общей массе паровоздушной смеси. Кроме того, снижается общее давление паровоздушной смеси вследствие парового сопротивления конденсатора при обтекании потоком смеси его трубок. Особенно заметно воздух влияет на температу­ру пара в конце процесса конденсации.

Процесс конденсации пара можно разделить на две стадии. В первой практически отсутствует заметное влияние воздуха на температуру пара. Во второй воздух влияет не только на сниже­ние температуры пара, но и на характер самого процесса переда­чи теплоты от паровоздушной смеси к охлаждающей воде.

Поскольку условия теплопередачи в начальной и конечной стадиях процесса конденсации различны, для каждой из них в конденсаторе имеется своя теплообменная зона, сконструирован­ная с учетом присущих ей особенностей. Зону, занимающую на­ибольшую поверхность теплообмена, называют зоной массовой конденсации. В этой зоне протекает первая стадия процесса и конденсируется основная масса пара при ничтожно малом изме­нении температуры. Вторая зона, называемая воздухоохладите­лем, предназначена для завершения процесса конденсации.

Рассмотрим устройство конденсатора (рис.7.2). По концам корпуса 1 конденсатора расположены трубные доски 2 с завальцованными трубками 3, а за ними—водяные камеры 4 и 7. Охлаждающая (циркуляционная) вода подается по трубе 6 в ниж­нюю половину водяной камеры 7, проходит по трубкам 3 в водя­ную камеру 4 и, возвращаясь по трубкам, расположенным в верхней половине конденсатора, поступает в верхнюю половину камеры 7 и удаляется через

Рис. 7.2. Поверхностный конденсатор:

1 - корпус, 2 - трубные доски, 3 - трубки, 4,1 - водяные камеры,

5 - конденсатосборник, 6, 8 - подводящая и отводящая трубы, 9, 10 - патрубки,

11 - воздухоохладитель
отводящую трубу 8. Отработавший пар поступает в конденсатор из турбины через патрубок 9, кон­денсируется на поверхности трубок 3, и конденсат откачивается конденсатным насосом из конденсатосборника 5. Трубки 3 за­нимают подавляющую часть пространства конденсатора и со­ставляют зону массовой конденсации.

Воздух из зоны 11, называемой воздухоохладителем, отса­сывается через патрубок 10. Вместе с воздухом частично отса­сывается пар. Как отмечалось, чтобы максимально уменьшить количество отса­сываемого пара и охладить воздух, их смесь проходит через воздухоохладитель 11, представляющий собой группу отделен­ных перегородкой трубок, на поверхности которых происходит конденсация пара из паровоздушной смеси.

Рассматриваемый конденсатор является двухходовым. Если бы вода подавалась в водяную камеру конденсатора с одной стороны и, пройдя все трубки, поступала бы в водяную камеру с другой стороны, откуда удалялась бы, такой конденсатор яв­лялся бы одноходовым.

Конденсаторные трубки компонуются в конденсаторе из от­дельных групп — трубных пучков. В пределах одного пучка трубки имеют определенную систему расположения, соответст­вующую разбивке отверстий на трубной доске. Особенностью компоновки трубного пучка конденсаторов современных паро­вых турбин является выполнение его в виде ленты. Ленточная компоновка увеличивает периметр входной части основного пучка и снижает скорость натекания пара на трубки, что умень­шает паровое сопротивление конденсатора.

Крепление трубок в трубной доске должно исключать про­никновение циркуляционной воды в паровое пространство во из­бежание загрязнения конденсата солями. В современных кон­денсаторах такое крепление выполняют вальцовкой специальным приспо­соблением — вальцовочным пистолетом. Особенно эффективным средством уменьшения присосов циркуляционной воды применение двойных трубных досок с подачей в пространство между ними кон­денсата. Если же применяют одинарные трубные доски, на их поверхность часто наносят специальное битумное покрытие.

Несмотря на меры, предотвращающие попадание циркуляционной воды в паровое пространство конденсатора, при эксплуатации ее присосы могут все-таки появиться. Места присосов необходимо обнаружить и принимать меры для их ликвидации. Для этого в конденсаторах выполняют так на­зываемые соленые отсеки. Циркуляционная вода, проникающая через неплотности вальцовки, попадает в специальный отсек, об­разованный основной и дополнительной трубными досками, и удаляется дренажным насосом с некоторым количеством кон­денсата.

Рассмотрим конструкцию двухходового конденсатора К-9115 ХТЗ (рис. 7.3), который имеет сварной стальной корпус, с уста­новленными по концам трубными досками с большим количест­вом (около 12 тыс.) закрепленных в них тонкостенных трубок, водяных камер 2 и 5 и переходного патрубка. При расходе пара около 330 т/ч и охлаждающей воды 20 800 м³/ч давление пара составляет 3,4 кПа. Трубный пучок — ленточный. Разбивка тру­бок выполнена в виде шестилепестковой фигуры, симметричной относительно вертикальной оси конденсатора, с наружными ту­пиковыми проходами вглубь пучка и внутренними свободными от трубок каналами, сходящимися в его центре.

В центральной части конденсатора расположен воздухоохла­дитель 8, представляющий собой кольцевой трубный пучок 6, снабженный системой кожухов, обеспечивающих три хода паро­воздушной смеси с последующим уменьшением площади сечения прохода при продольном омывании охлаждающих трубок. В центре воздухоохладителя установлена труба 9 для отсоса воздуха из конденсатора. Трубный пучок, включая воздухоохла­дитель и центральную трубу, разделен по вертикали глухой перегородкой на две половины и опирается по длине на пять проме­жуточных трубных досок.

Охлаждающие трубки развальцованы с двух сторон в двой­ных трубных досках. Для предохранения трубок от ударного дей­ствия, поступающего в конденсатор пара, в наиболее уязвимых участках трубного пучка по периферии установлены утолщенные трубки диаметром 28х2 мм; в основном же трубный пучок состоит из трубок диаметром 28х1 мм.

В отдельных внутренних участках трубного пучка, а также в крайних трубках, где возможны скопления конденсата, установ­лены открытые сверху дренажные трубки-желобки для отвода конденсата с вышележащих трубок к трубным доскам. Для этой же цели служат паровые щиты 7, расположенные во внутренних, свободных от трубок каналах трубного пучка. Это позволяет от­водить конденсат, образующийся на верхних рядах трубок, непо­средственно в конденсатосборник 4, минуя расположенные ниже трубки, что уменьшает толщину пленки конденсата на них и улучшает теплообмен.



Рис. 7.3. Двухходовой конденсатор конструкции ХТЗ:1 - переходный патрубок, 2, 5 - водяные камеры, 3 - пружины,

4 - конденсатосборник, 6 - трубный пучок 7 - паровой щит,

8 - воздухоохладитель, 9 - труба для отвода воз­духа
Переходный патрубок 1, соединяющий конденсатор с вы­хлопным патрубком турбины, имеет сечение, расширяющееся в сторону конденсатора, и выполнен из четырех плоских наклон­ных листов, укрепленных изнутри ребрами и перекрестными тягами. Во внутренней полости переходного патрубка размеще­ны выводные трубы отборов пара из части низкого давления турбины. Концы этих труб выходят наружу через стенки па­трубка.

Конденсатор поддерживается четырьмя группами пружин 3, закрепленными на нижней плите фундамента турбины.
7.2 Охлаждение циркуляционной воды

Как указывалось в 7.1, конденсатор паротурбинной установки является холодным источником. Для того чтобы температура холодного источника была постоянной, необходимо, чтобы циркуляционная вода имела постоянную температуру. Поэтому воду забирают из моря, большого озера или реки, а затем сбрасывают ее (например, при речном водоснаб­жении— ниже по течению). Такая система водоснабжения, называемая прямоточной, совершенна и экономична и позво­ляет получать глубокий вакуум, благодаря постоянному использованию свежей воды для конденсаторов турбин. Между тем возможности использования прямоточной системы вследствие вызываемого при сбросе подогрева воды рек и озер, недопустимого по экологическим соображениям, ограничены.

Поскольку для производства 1 кВт-ч электроэнергии требуется от 130 до 200 л охлаждающей воды и, учитывая дефицит пресной воды и важность ее экономии, в настоящее время наибольшее распространение полу­чили системы оборотного водоснабжения, которые могут быть трех типов: с водохранилищами-охладителями, с градирнями и с брызгальными устройствами.