На мощность паровых турбин
При эксплуатации турбин отклонение начальных и конечных параметров пара от номинальных значений сопровождается изменением мощности и экономичности, а также надежности элементов турбин. Последующий анализ изменения внутренней мощности Ni=GH0hoi турбины при изменении названных параметров (¶ П) пара осуществляется на основе следующего выражения:
. (14.1)
Влияние начального давления на мощность турбин
При незначительном отклонении давления свежего пара D р 0 от номинального значения р 0 (t 0=const) изменение внутренней мощности турбины определяется из выражения:
. (14.2)
Введем коэффициенты, характеризующие изменение мощности турбины при отклонении давления р 0, обусловленные, соответственно, изменениями расхода пара G, располагаемого теплоперепада Н 0 и относительного внутреннего КПД hoi с их оценкой, принятой в инженерных расчетах:
, (14.3)
где р2, v 2 t – давление и теоретическое значение удельного объема пара за последней ступенью турбины. Тогда выражение (14.2) после преобразований примет следующий вид:
. (14.4)
Из (14.4) следует, что для всех турбин, не имеющих регулируемых отборов, в том числе и для турбин с промежуточным перегревом пара, приращение мощности пропорционально изменению давления р0. При полностью открытых клапанах увеличение начального давления вызывает перегрузку и снижение надежности всех ступеней турбины и особенно последней, за которой давление р2 сохраняется неизменным. Поэтому ограничивают расход пара так, чтобы давление в камере регулирующей ступени не превышало допустимого значения. В условиях длительной эксплуатации на повышенном давлении ограничивают ход последнего регулирующего клапана на его открытие, а при кратковременной – вводят в работу ограничители мощности. При этом расход пара снижается до расчетного значения, что обеспечивает нормальные условия работы всех ступеней турбины. При повышенном давлении р0 опасным является режим работы с одним открытым клапаном, так как в рабочих лопатках регулирующей ступени возникают наибольшие изгибающие напряжения из-за максимального значения теплового перепада в этом режиме. Понижение р0 ограничивается только условиями работы вспомогательного оборудования.
Из выражения (14.4) видно, что значительное влияние на мощность имеет отклонение р0 для турбин с противодавлением. Для них при полностью открытых клапанах увеличение начального давления приводит к опасному росту напряжений в диафрагме последней ступени. При этом снижение давления свежего пара перед турбиной приводит к большему снижению мощности, чем понижение давления перед конденсационной турбиной. На рис.14.1 показаны кривые изменения относительного изменения мощности от отношения р 0 1/р 0 ,ном , полученные для двух значений давления р 2 за турбиной с противодавлением (e 2 =р 2 /р 0) и для конденсационной турбины.
Рис. 14.1. Относительное изменение внутренней мощности паровой турбины
(р 0=8,8 МПа, t 0=5000С) при отклонении давления р0 от номинального значения (р01/р0, ном)
в зависимости от противодавления р2
(____ - для паровой турбины с противодавлением; ---- - для конденсационной турбины)
В турбинах с дроссельным парораспределением при частичных нагрузках изменение начального давления пара при постоянном его расходе через турбину не отражается на ее мощности и режиме работы последней ступени, поскольку это изменение будет компенсироваться в процессе дросселирования пара в регулирующих клапанах.
В турбинах с сопловым парораспределением постоянство расхода пара обеспечивается изменением положения исполнительных органов регулирующих клапанов и изменением расхода пара через частично открытую сопловую группу. При этом потери от дросселирования в этой сопловой группе изменяются в зависимости от первоначального положения последнего регулирующего клапана перед моментом изменения начального давления.
14.2. Влияние начальной температуры пара и его температуры после
промежуточного перегрева на мощность турбины
(самостоятельное изучение)
Изменение внутренней мощности турбины при отклонении начальной температуры на D t0 при постоянном давлении р 0 определяется из соотношения
. (14.6)
Внутренняя мощность турбины при расходе Q 0 теплоты на турбоустановку, энтальпии свежего пара h 0 и энтальпии питательной вода hпв
. (14.7)
Совместное решение (14.6) и (14.7) дает различные расчетные уравнения для относительного изменения мощности в зависимости от условий, при которых происходит изменение температуры t0 пара. При этом в анализ вводятся следующие коэффициенты:
- 
, учитывающий изменение мощности, вызванное изменением располагаемого теплоперепада турбины;
- 
, учитывающий изменение затрат теплоты на производство 1 кг водяного пара при изменении начальной температуры;
- 
, учитывающий влияние температуры свежего пара на hoi турбины;
- 
, учитывающий изменение мощности, вызванное изменением расхода пара.
Тогда расчетные уравнения представляются:
1. при постоянстве расхода теплоты на турбоустановку (Q 0=const)
; (14.8)
2. при постоянно открытых регулирующих клапанах (F кл=const)
; (14.9)
3. при постоянном расходе пара (G =const)
. (14.10)
В практике приведенные ранее коэффициенты влияния определяются следующим образом:
(14.11)
Тогда, например, изменение мощности при постоянном расходе пара (G =const)
и отклонении его начальной температуры Т 0 на D t 0 вычисляется по выражению
, (14.12)
а при постоянно открытых регулирующих клапанах (F кл=const)
. (14.13)
Повышение температуры свежего пара вызывает следующие явления:
1. увеличение тепловых расширений и деформаций элементов турбины, что приводит к повышенному уровню ее вибрации;
2. понижение прочностных свойств металла из-за ползучести (увеличение размеров паропроводов, клапанных коробок, рабочих лопаток и пр.) и релаксацию напряжений (ослабление посадки дисков на вал, уменьшение напряжений в шпильках горизонтального разъема корпуса турбины);
3. перегрузку лопаточного аппарата регулирующей ступени из-за увеличения ее теплового перепада.
Обычно число часов работы турбины при повышенной температуре регламентируется и не должно превышать 200…300 часов в год. Снижение t0 сопровождается ростом влажности в последних ступенях турбины, что приводит к росту эрозионных процессов в их лопаточном аппарате. При снижении t0 уменьшается располагаемый теплоперепад турбины и ее мощность. Восстановление мощности можно было бы осуществить увеличением расхода пара в турбину, но это приводит к увеличению напряжений в ее проточной части и, прежде всего, к перегрузке последней ступени. Кроме того, растут и осевые усилия. Поэтому заводы-изготовители указывают для турбины ограничение мощности при снижении начальной температуры водяного пара. Быстрое снижение начальной температуры может вызвать охлаждение ротора и сокращение его длины относительно корпуса турбины, что может служить причиной задеваний в проточной части, включая концевые уплотнения.
В турбинах с промежуточным перегревом изменение t0 приводит к изменению расхода пара через все ступени турбины. Однако это изменение расхода не столь значимо, как в турбинах без промперегрева. При увеличении температуры пара tпп после промежуточного перегрева (t0=const) давление в промежуточном перегревателе растет, что приводит к некоторой разгрузке ступеней ЧВД, но к перегрузке последней ступени турбины. При этом меняются и осевые усилия в ее роторе. Понижение tпп приводит к понижению давления в промежуточном перегревателе, вследствие чего перегруженной окажется последняя ступень ЦВД турбины. При этом ступени ЧСД и ЧНД будут работать с повышенной степенью реактивности, что приведет к изменению осевого усилия. В инструкциях по эксплуатации каждого турбоагрегата указывается порядок снижения допустимой нагрузки при снижении соответствующих температур.
На рис. 14.2 показан график относительного изменения удельного расхода теплоты при изменении температуры свежего пара и температуры пара после промежуточного перегрева, отражающий степень влияния изменения соответствующих температур на тепловую экономичность турбоустановки.
Рис. 14.2. График изменения удельного расхода теплоты при изменении t0 (1) и tпп (2)
Влияние конечного давления пара на мощность турбины
В процессе эксплуатации конденсационных турбин давление рк в конденсаторе изменяется в зависимости от времени года, изменения паровой нагрузки конденсатора, загрязнения его трубок, ухудшения плотности и ряда других причин. При этом изменяются располагаемый теплоперепад турбины и относительный внутренний hoi ее последних ступеней, потери с выходной скоростью и расход пара в конденсатор, а также степень влажности пара в ЧНД турбины. При этом изменение конечного давления в основном сказывается на режиме работы последних ступеней.
Различают два возможных случая работы последних ступеней:
- режим с докритическими скоростями истечения пара из рабочей решетки (eк=рк/р2кр >1);
- режимы при критическом и сверхкритическом истечении с дополнительным расширением пара в косом срезе решетки (eк=рк/р2кр £1).
Критическое давление, устанавливающее границу между этими режимами, определяется выражением:
р2кр = G к а* /(хF2) = 0,328×10-3 G к/ F2, МПа, (14.13)
где G к – расход пара через последнюю ступень ЦНД турбины, кг/с; а* - значение критической скорости истечения, определяемое параметрами пара за последней ступенью; х – показатель изоэнтропы влажного пара; F2 – площадь горловых сечений на выходе из рабочей решетки последней ступени.
Пусть при докритическом режиме давление в конденсаторе увеличилось с расчетного значения рк0 до рк. Это приведет к уменьшению теплового перепада турбины на D Н0, изменениям влажности пара, потерь с выходной скоростью D Нвс в последней ступени, а также расхода пара в первом по ходу конденсата регенеративном подогревателе низкого давления (в связи с изменением температуры конденсата на входе в подогреватель из-за изменения давления рк). В результате уменьшение внутренней мощности турбины составит:
D Ni = Ni - Ni0 = - (G к0 + D G к) D Hi + Hi0 D G к, (14.14)
где Нi0 и D Нi – соответственно, использованный теплоперепад группы ступеней части низкого давления турбины за последним нерегулируемым отбором пара в расчетном режиме и изменение этого теплоперепада; G к0 – расход пара в конденсатор в исходном режиме, а D G к – его изменение.
Изменение использованного теплового перепада турбины
D Hi = (1 - yср)(D H0hoi - D Hвс), (14.15)
где hoi – относительный внутренний КПД процесса расширения пара в интервале между изобарами р к и р к0 без учета потерь от влажности и с выходной скоростью; yср – среднее значение степени влажности пара, определяемое по h,s - диаграмме.
В свою очередь, изменение расхода пара в конденсатор определяется изменением расхода в ранее рассмотренном ПНД регенеративной системы турбоустановки:
(14.16)
где hп и hп1 – энтальпии отбираемого (греющего) пара и его конденсата; hк1 – энтальпия основного конденсата.
Изменение потерь с выходной скоростью
DHвс = 0,5(с22 - с20 2), (14.17)
где значения абсолютных скоростей определяются по треугольникам скоростей.
Итак, для режимов с докритическими скоростями существует прямая связь между приращением теплоперепада и мощности. В турбине с противодавлением относительное изменение конечного давления влияет в большей степени на режим ее работы, в сравнении с конденсационной турбиной. Это объясняется сравнительно малым теплоперепадом, приходящимся на турбину типа Р и отсутствием условий для формирования критических скоростей в ее нерегулируемых ступенях.
При сверхкритических режимах изменение конечного давления рк для конденсационной турбины не сказывается на параметрах пара перед ее последней ступенью. Поэтому мощность всех ступеней, кроме последней, остается постоянной. До тех пор, пока не реализуется предельное расширение в косом срезе ее решеток, будет происходить увеличение мощности по мере снижения давления рк (см. рис.8.3, 8.4). Давление отработавшего пара, соответствующее режиму, при котором исчерпывается расширительная способность косого среза и прекращается прирост мощности, называется предельным вакуумом. Испытания паровых турбин показали, что для каждой из них может быть построена универсальная зависимость относительного прироста мощности от относительного давления отработавшего пара.