Влияние начального давления на мощность турбин

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 N_i= GH₀ h _oi 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 h _oi 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) п ри отклонении давления р₀ от номинального значения (р₀¹/р_{0, 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.

Действительно, давление пара за дроссельным клапаном определяется только расходом протекающего через турбину пара, который по условию сохраняется постоянным, что обусловливает постоянство как давления пара перед первой ступеньютак и срабатываемогов ней теплоперепада, а следовательно, и мощности (рис.14.2,а).

 

Рис.14.2 Процесс расширения пара в турбине при отклонении начального давления пара и постоянном расходе пара при дроссельном (а) и сопловом (б) парораспределении

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 (рис.14.2,б). Так, если давление уменьшилось от Р₀ до Р₀ ^ʹ, то частично открытый регулирующий клапан следует дополнительно открыть, так чтобы давление за ним увеличилось от Р_0п до Р_0пʹ. При этом расход пара и, следовательно давление пара в камере регулирующей ступени сохранилось на прежнем уровне: Р₁ʹ = Р₁.

Если турбина имеет сопловое парораспределение с большим числом регулирующих клапанов, так что потерями от дросселирования потока пара, протекающего через частично открытый клапан, можно пренебречь, изменение мощности турбины при отклонении начального давления пара от номинального определяется выражением:

 

                                   (14.4.1)

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 t ₀ 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 h _пв

                                           .                                          (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 t ₀ 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 h _oi 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)

Для конденсационных турбин без промперегрева γ_t = 0,0002-0,0004; для турбин с противодавлением (без влажно-паровых ступеней) γ_t = 0.

       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 негативные 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.

Материалы, применяемые для паропроводов, корпусов ЦВД, паровпуска ЦСД и роторов, обладают достаточно высоким сопротивлением ползучести. Однако время до разрушения при ползучести очень сильно зависит от температуры. При заданных напряжениях (например в паропроводе от внутреннего давления) абсолютная температура детали Т и ее возможный срок службы t_р связаны соотношением Т(20 + lg t_р) = const.

Рассмотрим пример:

Оценить снижение расчетного срока службы детали при повышении ее температуры на 5 ˚С, если при температуре 540 ˚С он составляет t_р0 = 5·10⁵ ч.

Из последнего соотношения следует, что Т₀ (20 + lg t_р0 ) = Т₁ (20 + lg t_р1 ). Разрешая соотношение относительно нового срока службы получаем: t_р1 = 3,31·10⁵ ч.

Следовательно срок службы снизился на 34 %.

Обычно число часов работы турбины при повышенной температуре регламентируется и не должно превышать 200…300 часов в год.

Следует подчеркнуть, что во всех остальных отношениях повышение температуры сказывается благоприятно. Термический КПД цикла возрастает, экономичность собственно турбины также возрастает главным образом за счет снижения потерь от влажности в последних ступенях, уменьшается эрозия лопаток последних ступеней.

Таким образом, повышение начальной температуры пара оказывает противоположное действие на надежность и экономичность: надежность снижается, а экономичность растет. В таких случаях всегда следует отдавать предпочтение надежности.

Снижение t ₀ сопровождается ростом влажности в последних ступенях турбины, что приводит к росту эрозионных процессов в их лопаточном аппарате. При снижении t ₀ 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 t ₀ 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 t _пп после промежуточного перегрева (t ₀ = 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 t _пп 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. 14.3 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. 14.3. График изменения удельного расхода теплоты при изменении t ₀ (1) и t _пп (2)