Расширение потока в косом срезе сопла 4 страница

Абсолютный эффективный КПД

КПД электрогенератора

Относительный электрический КПД

Абсолютный электрический КПД

КПД паросиловой установки в целом

Где – КПД парогенератора,

– коэффициент, учитывающий потерю тепла через изоляцию паропроводов,

– учитывает расход энергии на собственные нужды.

Наивысшие значения КПД, достигнутые в опытно-промышленных установках при наличии промперегрева пара и развитой регенеративной системе подогрева питательной воды:

Япония N_э = 700 МВт, P₀ = 31 МПа, t₀ = 566 °С, = 48,4%, = 41,9%

США N_э = 500 МВт, P₀ = 35 МПа, t₀ = 650 °С, = 49%, = 42,5 %

Расход рабочего вещества и тепла на турбину и мощность, развиваемая турбиной

Располагаемый теплоперепад DН₀ кДж/кг, КПД турбины , часовой расход рабочего вещества D кг/ч и развиваемая мощность N_э кВт (при отсутствии отборов пара), связываются между собой следующей логической зависимостью

откуда кг/ч

Удельный расход пара кг/кВт×ч

В конденсационных турбинах эта величина, ориентировочно, лежит в пределах 3,1 ¸ 4,5 кг/кВт×ч

Удельный расход тепла (при отсутствии регенеративного подогрева питательной воды):

кДж/кВт×ч

Выражение для определения мощности, развиваемой турбиной, может быть получено следующим образом

, где G – кг/с – расход рабочего тела.

Отсюда кВт

Данная зависимость будет справедлива для отдельно взятой ступени

кВт

и для отсека турбины

Мощность, развиваемая турбиной при наличии отборов пара

Примем следующие обозначения:

G - кг/с – расход пара на турбину;

G_отб1, G_отб2 – кг/с – расход пара в отборы;

Р₁ и Р₂ - давление отбираемого пара, МПа;

Dh_0I; Dh_0II; Dh_0III – кДж/кг – располагаемые теплоперепады по отсекам;

G_I; G_II; G_III – расход пара по отсекам, кг/с. G_I = G

Мощность, развиваемая турбиной, складывается из суммы мощностей каждого отсека, т.е.

Работа паровых турбин при переменных режимах

Переменными называются режимы работы турбоагрега­та, при которых мощность или параметры пара отличаются от номинальных. Соответственно, различают две группы переменных режимов:

1. режимы обеспечения требующейся мощности при номинальных параметрах пара,

2. режимы с изменением начальных параметров пара – давления и температуры – и давления в конденсаторе.

Переменные режимы являются обычными эксплуатационными режимами, особенно первой группы, т.к. требующаяся мощность меняется и, в соответствии с этим, нагрузка на турбоагрегат.

Переменные режимы для обеспечения требующейся мощности

Обеспечение требующейся мощности (регулирование мощности) в паровых турбинах может быть:

1. количественное – изменением расхода пара

сюда относится: а). сопловое регулирование,

б). обводное регулирование,

в). отключением верхних регенеративных отборов пара.

2. качественное регулирование – изменением параметров пара, поступающего непосредственно в проточную часть турбины - дроссельное регулирование.

При сопловом регулировании перед первой ступенью турбины размещается сопловая коробка (рис. 66) с несколькими сопловыми клапанами, открывающимися в определенной последовательности и обеспечивающими нужный пропуск пара.

При обводном регулировании при полном открытии сопловых клапанов и достижении их максимальной пропускной способности открывается обводной клапан (рис. 67), через который подводится дополнительное количество пара, что обеспечивает нужное увеличение мощности.

Одним из наиболее эффективных способов покрытия пиковых нагрузок и создания аварийного и ремонтного резервов в энергосистемах является, как показали исследования в СССР и за рубежом, использование дополнительной мощности, которая может быть получена на конденсационных блоках за счет временного отключения верхних регенеративных отборов турбины (рис. 68) при сохранении постоянным расчетного расхода свежего пара.

Отключение одного отбора дает увеличение мощности порядка 3,5 %, двух – совместно до 8 %. Экономичность работы турбоагрегата при этом, естественно, падает, но при указанных выше обстоятельствах это является вполне приемлемым.

При дроссельном регулировании за стопорным клапаном по ходу пара располагается дроссельный клапан (рис. 69), который при постоянном давлении пара перед турбиной регулирует, в зависимости от требующейся мощности, давление пара непосредственно перед проточной частью, а также и количество поступающего пара.

Влияние различных способов регулирования мощности на тепловой процесс в турбине

Тепловой процесс в турбине на переменных режимах существенно отличается от теплового процесса на расчетном режиме.

В турбину, имеющую вполне определенную проточную часть, размеры которой определены из расчета на основном режиме, попадает на уменьшенных мощностях соответственно меньшее количество рабочего вещества или же при измененных параметрах. Так как проточная часть турбины не может меняться (за исключением первой ступени при наличии соплового регулирования), то, естественно, произойдет перераспределение теплоперепадов между ступенями и тепловой процесс в турбине изменится по сравнению с режимом номинальной нагрузки.

Хотя при изменении режима работы турбины одновременно может меняться несколько параметров, рассмотрим сначала влияние на тепловой процесс турбины отдельных параметров.

Количественное регулирование – изменением расхода пара.

Рассмотрим первоначально особенности работы последней ступени турбины.

Условие неразрывности струи сохраняет свою силу независимо от изменений расхода рабочего вещества в турбине

Если при изменении режима работы турбины расход пара изменится и станет равным G’, то для последней ступени , где G’, V’, c₁’ – величины, соответствующие измененному режиму работы.

Проточная площадь последней ступени f является величиной постоянной.

Давление за турбиной (пара в конденсаторе) с изменением нагрузки немного меняется, но это изменение незначительно и в данном случае им можно пренебречь. Поэтому можно считать \/' » \/

Взяв отношение второго уравнения неразрывности к первому имеем , т.е., если расход пара в турбине уменьшается, то во столько же раз уменьшается скорость пара c₁'; с увеличением расхода пара происходит увеличение c₁’.

Скорость истечения c₁ прямо пропорциональна корню квадратному из располагаемого теплоперепада (для активного типа турбинной ступени). Поэтому с изменением расхода пара в турбине располагаемый теплоперепад в последней ступени изменяется в том же направлении, как и расход пара.

При сопловом регулировании расход пара через первую ступень может изменяться за счет изменения количества работающих групп сопел (изменения проточной площади). Но за ступенью при всех режимах паровое пространство остается неизменным V_р = пост.

В свою очередь где G; G’ – расходы пара на соответствующих режимах, а V_р и V’_р – удельные объемы пара за первой (регулировочной) ступенью на тех же режимах.

Таким образом, получается, что с уменьшением расхода пара G’удельный объем его за ступенью V'_р должен увеличиваться.

Увеличение же объема связано с уменьшением давления Р'_р в этом же месте; отсюда – при уменьшении расхода пара G’, давление за регулировочной ступенью Р’_р также будет уменьшаться.

При неизменных начальных параметрах пара Р₀ и t₀ это приводит к увеличению располагаемого теплоперепада Dh’_op на регулировочной ступени.

При увеличении расхода пара G'' удельный объем V''_р уменьшается, давление за ступенью Р''_р растет и располагаемый теплоперепад Dh''_op становится меньше.

В результате, наибольшее изменение теплоперепадов происходит в двух ступенях: первой и последней. Изменение теплоперепадов во всех промежуточных ступенях не носит столь резко выраженного характера. Суммарная величина теплоперепадов от второй до предпоследней ступени включительно при изменении расхода, пара является практически постоянной. Характер изменения теплоперепадов показан на рис. 70.

Качественное регулирование – дросселированием пара.

При данном способе регулирования проточные площади всех ступеней в турбине остаются неизменными, а изменение режима работы достигается дросселированием пара при впуске в турбину.

Дроссельный клапан является при этом как бы первой ступенью, срабатывающей перепад давления с Р₀ до Р’₀ и имеющей нулевой КПД; действительная первая ступень турбины при таком способе регулирования работает примерно в тех же условиях, как вторая ступень при количественном регулировании.

При регулировании с помощью дроссельного клапана изменение параметров пара неизбежно связано с изменением его расхода: с прикрытием клапана расход пара уменьшается. При дросселировании пара общий располагаемый теплоперепад в турбине уменьшается; в то же время уменьшается располагаемый теплоперепад в последней ступени вследствие уменьшения расхода пара в турбине. Общее уменьшение теплоперепада примерно равно уменьшению теплоперепада в последней ступени; при этом теплоперепады в остальных ступенях меняются сравнительно мало. Таким образом, в турбине с дроссельным регулированием при изменении расхода пара теплоперепад сильно меняется только в последней ступени. Тепловой процесс показан на рис.71.

Из изложенного выше следует, что при всех способах регулирования мощности основным фактором, влияющим на характер теплового процесса и режим работы турбины, является расход пара.

Зависимость расходов рабочего вещества и давлений в ступенях при переменных режимах в многоступенчатых турбинах

Изменение расхода рабочего вещества в турбине неизбежно связано с перераспределением теплоперепадов, а следовательно, начальных и конечных давлений этого вещества в каждой ступени.

В турбинах с сопловым регулированием начальное давление пара перед первой ступенью практически не зависит от расхода рабочего вещества.

Поэтому все дальнейшие положения по определению параметров рабочего вещества будут справедливы для всех ступеней , начиная со второй, при чисто количественном регулировании, и начиная с первой – при дроссельном регулировании. В последнем случае роль регулирующей ступени выполняет, как указывалось выше, сам дроссельный клапан.

Для турбин, работающих во всех ступенях с докритическими скоростями, Флюгелем аналитически была выведена формула, связывающая расход и параметры рабочего вещества

где G – расход рабочего вещества при параметрах Р₀; Т₀; Р₂

G’ - то же, при Р’₀; Т’₀; Р’₂. Здесь Т₀ – температура рабочего вещества в градусах абсолютной шкалы.

Когда Р₂ мало по сравнению с Р₀, то можно пренебречь величинами и . Тогда получаем

Поскольку температура в данном случае принимается в градусах абсолютной шкалы, то её изменение при переменных режимах в реальных условиях (10 ¸ 15 °С) малозаметно и можно считать Т₀ » Т’₀.

В результате имеем .

Данные формулы приложимы и к одной ступени турбины, и к группе ступеней при условии, что проходные сечения рассматриваемых ступеней не меняются.

Хотя исходная формула выведена при ряде допущений, она, как и её производные, хорошо подтверждаются опытными данными и могут служить основными зависимостями при расчетах.

Изменение степени реакции в ступени

При переменных режимах величина степени реактивности в ступенях турбины меняется при всяком отклонении располагаемого теплоперепада от его значения на расчетном режиме. С изменением теплоперепада изменяется скорость с₁, а значит их характеристика

С увеличением X₁ реактивность возрастает; при уменьшении X₁ может появиться даже отрицательная реакция.

Профессор И.И. Кириллов аналитически вывел зависимость между степенью реакции и величиной X₁ при различных значениях начальной степени реакции на расчетном (основном) режиме. Данная зависимость (рис. 72) была подтверждена и экспериментальными исследованиями.

Кривые показывают, что при больших исходных значениях степени реакции r₀ и изменении при этом X₁ реактивность меняется незначительно. Лишь в активных ступенях отклонение X₁ от расчетной величины вызывает существенную реактивность – положительную или отрицательную.

Изменение КПД при переменных режимах

При переменных режимах имеет место изменение КПД отдельных ступеней (в первую очередь первой и последней) и, как следствие, всего паротурбинного агрегата в целом.

Причины: 1. на первой и последней ступенях изменяется располагаемый теплоперепад, а значит и с₁. При постоянной окружной скорости u изменяется направление вектора относительной скорости W₁ и угол b₁. Как следствие – возникает удар потока о входную .кромку рабочей решетки.

2. с изменением располагаемого теплоперепада и скорости c₁ изменяется и характеристика ступени X₁, отклоняясь от наивыгоднейшего значения; в результате – падение КПД.

3. изменяется степень реакции ступени, отклоняясь от расчетной.

Все указанные причины ведут к снижению КПД турбины в целом. При дроссельном регулировании, кроме того, падение общего КПД имеет место за счет потери при мятии пара в дроссельном клапане.

Внутренний относительный КПД при дроссельном регулировании

где DН₀ - располагаемый теплоперепад турбины при начальных параметрах пара до дросселирования,

DH₀ – то же, при начальном давлении после дросселирования (непосредственно перед соплами первой ступени),

h_oi – внутренний относительный КПД проточной части,

h_д – коэффициент дросселирования.

Переменные режимы паротурбинного агрегата при изменении параметров пара

При эксплуатации паротурбинного агрегата может иметь место отклонение начальных и конечных параметров пара от их расчетных значений. Причины:

1. изменение Р₀ и t₀ возможно из-за нарушения режима работы котельной установки или же сознательного снижения начальной температуры пара t₀.

Значительное отклонение является ненормальным.

2. изменение давления в конденсаторе зависит от температуры охлаждающей воды. Оно связано с сезонными изменениями температуры и является неизбежным.

При проточном водоснабжении давление в конденсаторе может изменяться от 0,02 кгс/см² зимой до 0,08 кгс/см² летом. Всякое изменение начальных и конечных параметров влияет на характер протекания процесса расширения пара в турбине, а следовательно и на мощность, ею развиваемую. Рассмотрим влияние каждого из трех основных параметров: Р₀, t₀ и Р_к.

Влияние изменения начального давления.

Принимаем Р₀ = переменное

t₀ = пост. и Р_к = пост.

Если Р’₀ < Р₀, то DН’₀ < DН₀ (Рис. 74)

и внутренняя мощность турбины

Влияние изменения начальной температуры

Принимаем t₀= переменна

Р₀ = пост. и Р_к = пост.

Если t’₀ < t₀ то DН’₀ < DН₀ (Рис. 75)

и внутренняя мощность турбины

Снижение начальной температуры на 20 ¸ 25 °С дает уменьшение мощности примерно на 1 %

Влияние изменения давления пара в конденсаторе

Принимаем Р_к –переменно

Р₀ = пост. и t₀ = пост.

Если Р’_к > Р₀, то DН’₀ < DН₀ (Рис. 76)

Если Р’’_к < Р_к, то DН’’₀ > DН₀

Во всех случаях на мощность, развиваемую турбиной, влияет изменение КПД h_oi из-за изменения влажности пара на последних ступенях.

Конструктивные особенности выполнения последней ступени мощных конденсационных турбин

Конструктивное выполнение последней ступени конденсационной турбины представляет большой интерес, т.к. размеры проходных сечений этой ступени определяют максимальную мощность, на которую может быть построена турбина.

Как известно кВт.

Расход пара G - ограничивается пропускной способностью последней ступени (здесь наибольший объем пара).

Пропускная способность зависит от проточной площади последней ступени и удельного объема пара в ней.

В свою очередь

Величины D_срz и ограничиваются условиями прочности рабочих .лопаток последней ступени из-за возникающей здесь большой центробежной силы. При работе турбины с 3000 об/мин и стальных рабочих лопатках предельные допустимые значения составляют D_срz » 2,5 м и »1,0 м.

В результате, для однопроточной турбины с учетом уменьшения расхода пара на последней ступени за счет отборов максимальная возможная мощность составляет порядка 100 МВт.

Пути увеличения пропуска пара через последнюю ступень (а значит и увеличения единичной мощности турбоагрегатов):

1. разветвленный выхлоп пара в конденсатор;

Турбина выполняется двухкорпусной: с корпусами высокого и низкого давления. Корпус низкого давления делается двухпроточным (рис. 77). Рабочие лопатки последней ступени каждого протока выполнены с предельной пропускной способностью, т.е., пропуск пара и мощность турбоагрегата могут быть увеличены примерно вдвое.

Могут быть приняты два двухпроточных корпуса НД; возможный пропуск пара и мощность возрастают, соответственно, в четыре раза и т.д.

2. полуторный выхлоп пара (ступень Баумана);

В этом случае принимаются рабочие лопатки предельной длины для предпоследней и последней ступеней, а после предпоследней ступени часть пара в обход последней ступени сбрасывается в конденсатор (рис. 78). Полуторный выхлоп может сочетаться с двойным потоком как например у турбин К-210-130.

3. двухвальные турбоагрегаты;

Турбоагрегат выполняется двухвальным (рис. 79) с пониженным числом оборотов ротора корпуса низкого давления (в практике США – в части высокого давления 3600 об/мин, низкого давления – 1800 об/мин).

Понижение числа оборотов позволяет при предельно допустимой величине центробежной силы в рабочих лопатках последней ступени увеличить их длину и средний диаметр, а значит и пропускную способность. Данный вариант применяется совместно с разветвленным выхлопом.

4. применение легких металлов;

Применение легких металлов для изготовления рабочих лопаток последней ступени позволяет при допустимой величине центробежной силы увеличить длину лопаток. Предпочтение отдается сплавам на базе титана (плотность титана 4,5 против 7,85 для стали). Подобный вариант был принят для изготовления рабочих лопаток длиной 1200 мм отечественной турбины мощностью 1200 МВт.

5. увеличение угла b₂ на последней ступени;

Увеличение угла b₂ дает увеличение выходного сечения рабочей решетки и её пропускной способности.

В части высокого и среднего давления турбины угол b₂ обычно лежит в пределах 15 ¸ 19 градусов, а на последней ступени он принимается до 32 ¸ 33 градусов.

6.увеличение степени реакции на последней ступени;

В современных турбоагрегатах степень реакции в ступенях высокого и среднего давления обычно лежит в пределах 0,15 ¸ 0,25, а на последней ступени доходит до 0,54 ¸ 0,614. Это дает увеличение скорости W_2z и, при имеющейся проходной площади – увеличение пропускной способности.

7. повышение давления в конденсаторе;

Повышение давления на выхлопе из турбины дает уменьшение удельного объема пара и при имеющейся проточной площади – возможность увеличения массового расхода.

Обычно давление в конденсаторе находится на уровне 0,035 кгс/см², а в зарубежной практике в ряде случаев для мощных паротурбинных агрегатов эта величина составляет 0,07 ¸ 0,105 кгс/см².

Это, естественно, дает снижение термического КПД и понижение общего КПД турбоагрегата, но при определенных условиях в целом оказывается выгодным.