Паровой турбины

Основным показателем эффективности работы конденсатора является давление пара р_кв его переходном (входном) патрубке (горловине). Производные этого параметра – разрежение или вакуум V, т.е. разность между барометрическим давлений Ви давлением пара в конденсаторе, а также вакуум, выраженный в процентах от барометрического давления и вычисляемый по формуле:

(12)

Исследования ВТИ показали, что эффективность работы конденсатора (конденсационной установки) практически не зависит от барометрического давления. Поэтому значение давления пара р_к однозначно характеризует эффективность работы конденсационной установки и условия работы паровой турбины в части ее противодавления. Давление в конденсаторе р_к однозначно определяется температурой насыщения t_н, соответствующей этому давлению. Значение температуры насыщения зависит от целого ряда параметров и факторов.

В конденсаторе, имеющем поверхность охлаждения F, при расходе через него охлаждающей воды G_в, вода нагревается на величину

= t_2в t_1в(13)

и недогревается до температуры насыщения на величину δt_в

δt_в = t_н t_2в . (14)

Таким образом, температура насыщения пара в конденсаторе определяется выражением

t_н = t_1в + + δt_в . (15)

Данная зависимость является основополагающей для анализа эффективности работы конденсатора на всех режимах работы турбины, как на номинальном, так и на переменных.

Температура охлаждающей воды на входе в конденсаторе t_1взависит от географического расположения электростанции, времени года и системы водоснабжения. При проектировании турбин среднегодовую расчетную температуру охлаждающей воды прини-мают из следующего ряда: для ТЭС и АЭС – 10, 12, 15, или 20°С, а для ТЭЦ и АТЭЦ – 20 или 27°С. При рассмотрении переменных режимов работы ПТУ расчеты выполняются на более широкий диапазон температур – 2…30°С.

Нагрев охлаждающей воды в конденсаторе можно определить из уравнения теплового баланса для аппарата

(16)

где – расход пара в конденсаторе;

энтальпия пара и конденсата соответственно;

расход охлаждающей воды через конденсатор;

теплоёмкость воды при постоянном давлении.

Отношение расхода охлаждающей воды к расходу поступающего пара в конденсатор называется кратностью охлаждения

(17)

Соотношение (17) показывает, какое количество воды необходимо для конденсации 1 кг пара. Кратность охлаждения влияет на технико-экономические показатели ПТУ в целом. Увеличение m, с одной стороны, ведет к углублению вакуума в конденсаторе, а с другой – требует больших капитальных затрат на систему водоснабжения электростанции (больше расход охлаждающей воды, больше мощность циркуляционных насосов). Выбор кратности охлаждения зависит от конструкции конденсатора, в частности, от числа ходов воды в аппарате, а также от схемы включения конденсатора по воде.

Величина (h_п - h_к) в выражении (16), представляющая собой в основном теплоту фазового перехода, для конденсаторов современных паровых турбин, работающих с р_к = 3…6 кПа,изменяется незначительно и для указанного диапазона давлений может быть принята 2430 кДж/кг.

Учитывая, что при реальном уровне средней температуры воды в конденсаторе её теплоёмкость при постоянном давлении составляет c_р ≈4,19кДж/кг∙К, а зависимость (3) для оценочных расчётов может быть представлена в виде

(18)

Недогрев воды в конденсаторе δt_в определяется из совместного рассмотрения уравнений теплового баланса и теплопередачи и приобретает вид:

(19)

где К – коэффициент теплопередачи конденсатора;

F–поверхность теплообмена конденсатора;

удельная паровая нагрузка конденсатора (количество пара, сконденсировавшегося на единице поверхности теплообмена в единицу времени) кг/(м²∙ч);

3,6 – системный коэффициент (перевод часов в секунды и килоджоулей в джоули).

Недогрев охлаждающей воды в конденсаторе δt_в до температуры насыщения зависит от удельной паровой нагрузки конденсатора, температуры и скорости охлаждающей воды, чистоты поверхности теплообмена, наличия воздуха в паре, материала трубок и других факторов. Недогрев характеризует эффективность работы конденсатора. Любые мероприятия, приводящие к увеличению коэффициента теплопередачи (к интенсификации теплообмена), однозначно приводят к снижению недогрева.

В конденсаторах современных мощных паровых турбин недогрев охлаждающей воды до температуры насыщения обычно составляет δt_в =3…10 ºС. Большие значения недогрева относятся к одноходовым конденсаторам.

Зависимости (15) – (19), при совместном рассмотрении, позволяют выразить общую функциональную зависимость давления в конденсаторе (температуры насыщения) от основных параметров, определяющих эффективность работы конденсатора:

р_к(t_н) = f(t_1в, m, K, d_к). (20)

Эта зависимость называется характеристикой конденсатора. Она может быть выражена следующим образом – давление в конденсаторе зависит от основных параметров: температуры охлаждающей воды на входе, кратности охлаждения, коэффициента теплопередачи и удельной паровой нагрузки.

Расчетные данные по каждому конденсатору в соответствии (20) на номинальном и переменных режимах работы ПТУ являются составной частью технической документации, поставляемой заводом-изготовителем. При оценке эффективности работы паровой турбины и установки в целом персонал станции руководствуется этими данными.

Необходимо отметить, что в общем случае давление за последней ступенью турбины р₂не равно давлению на входе в конденсатор. В выхлопном патрубке турбины возможно как понижение давления, так и его повышение. Тем не менее, при выборе оптимального значения давления в конденсаторе и оценке его влияния на экономичность работы паровой турбины в первом приближении обычно принимают р₂ ≈ р_к .

При изменении давления пара за турбиной (в конденсаторе) изменяются располагаемый на турбину перепад, внутренние относительные КПД последних ступеней, потери с выходной скоростью, конечная влажность пара и другие параметры. При этом возможны два принципиально разных режима работы последней ступени – режим с докритическими скоростями истечения пара из рабочих лопаток и режим со сверхкритическими скоростями истечения. В последнем случае происходит дополнительное ускорение потока пара в косом срезе рабочих лопаток.

Критическое давление пара, соответствующее границе между этими режимами, определяется выражением

р_к ≈ 0, 328 ∙ 10^-3 ∙ /F₂ ,(21)

где – расход пара на входе в конденсатор, кг/с;

F₂ –площадьпроходных сечений рабочих лопаток последней ступени, м².

При постоянном расходе пара и неизменных параметрах свежего пара p_о, t_о для любой паровой турбинысуществуетзависимость изменения мощности турбины от давления пара в конденсаторе р_к :

ΔN = f (р_к), = const, p_о = const, t_о = const . (22)

Для режимов с докритической скоростью истечения пара из рабочей решетки последней ступени приращения теплоперепада и приращения мощности связаны пропорциональной зависимостью.

При сверхкритических скоростях истечения пара из рабочей решетки последней ступени изменение давления в конденсаторе не сказывается на параметрах пара перед ступенью. Поэтому мощность всех ступеней турбины, кроме последней, останется постоянной, а мощность турбины в целом будет изменяться только за счет изменения мощности последней ступени.

На режимах сверхкритического истечения пара из рабочей решетки последней ступени прямая зависимость между приращением теплоперепада и приращением мощности нарушается. Снижение давления за ступенью в таких условиях происходит за счет отклонения потока пара (и его расширения) в косом срезе межлопаточных каналов. До тех пор пока не будет достигнуто предельное расширение в косом срезе межлопаточных каналов, мощность турбины будет увеличиваться.

Для конденсационной турбины давление отработавшего пара, соответствующее режиму, при котором исчерпывается расширительная способность косого среза межлопаточных каналов и прекращается прирост мощности, называется предельным вакуумом.

Предельное снижение давления в конденсаторе определяется необходимостью больших поверхностей теплообмена (больших размеров конденсатора), больших расходов охлаждающей воды и большей мощности циркуляционных насосов для ее прокачки через конденсатор.

Работа паротурбинной установки при неизменном расходе пара будет экономически выгодной до тех пор, пока прирост мощности турбины при понижении давления в конденсаторе будет превышать прирост расхода электроэнергии на насосы. Вакуум, соответствующий максимальной выработке полезной мощности ПТУ при неизменном расходе пара, называется экономическим вакуумом.

В реальных условиях эксплуатации турбин достигнуть предельного вакуума не удается, так как быстрее устанавливается экономический вакуум, при котором полезная мощность паротурбинной установки при неизменном расходе пара достигает максимума. В связи с этим величину экономического вакуума обычно называют оптимальным вакуумом конденсатора для данной паровой турбины.

Результатами многочисленных натурных испытаний турбин подтверждается, что для каждой турбины может быть построена универсальная зависимость относительного прироста мощности от относительного изменения давления в конденсаторе:

(23)

На рис. 4 в качестве примера приведена универсальная зависимость для турбины К-300-240 ЛМЗ. Участок АВ кривой характеризует режим докритического истечения, на котором относительное изменение мощности линейно зависит от относительного противодавления. Участок кривой ВС соответствует сверхкритическому истечению, на котором эта зависимость становится нелинейной.

Рис. 4. Универсальная зависимость приращения мощности турбины К-300-240 ЛМЗ от давления пара в конденсаторе

На участке СD, где расширительная способность косого среза исчерпывается, мощность турбины с уменьшением противодавления не увеличивается. Более того, из-за возрастания расхода электроэнергии на насосы мощность турбины может даже уменьшаться (линия CD^'). Для оценочных расчетов применительно к современным электростанциям принимают оптимальные значения давлений в конденсаторе в следующих диапазонах: ТЭС и АЭС – 3,5…5,5 кПа; ТЭЦ и АТЭЦ – 6,0…9,0 кПа. Примеры оптимальных расчетных значений давлений в конденсаторах паровых турбин на номинальном режиме работы представлены в табл. 1.

Для большинства турбин средних параметров изменение давления в конденсаторе на ±1кПа приводит к изменению мощности турбины примерно на 1%. Для турбин с высокими параметрами пара и промежуточным перегревом изменение мощности составляет меньшую относительную величину (до 0,9%), это определяется большим располагаемым теплоперепадом у таких турбин. В то же время у турбин АЭС изменение мощности турбины при изменении давления в конденсаторе на ±1 кПа приводит к значительно большему изменению мощности (до 2,0%). Это определяется тем, что для турбин с малым располагаемым теплоперепадом, в частности для турбин насыщенного пара, относительное изменение перепада оказывается большим.

Выбор оптимального давления в конденсаторе осуществляется на основе решения комплексной задачи, в которой рассматривается так называемый низкопотенциальный комплекс турбоустановки. В состав комплекса в общем случае включается часть низкого давления турбины, конденсационная установка и система циркуляционного водоснабжения. Основы алгоритма решения задачи – математические модели, содержащие уравнения теплового и материального баланса, гидродинамики и энергии для комплекса в целом, учитываются как технические, так и экономические факторы. Критерием выбора оптимального варианта является минимум затрат.

Табл. 1 Расчетные значения давления в конденсато­рах на номинальном режиме работы паровых турбин